飛機模型設(shè)計計算機仿真論文

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1綜合保障效能評估與質(zhì)量控制

飛機的綜合保障效能是飛機及其保障系統(tǒng)在預(yù)期的使用環(huán)境和條件下經(jīng)濟有效地滿足平時戰(zhàn)備完好和戰(zhàn)時任務(wù)持續(xù)能力的度量。綜合保障效能評估就是在現(xiàn)有飛機研制程序的基礎(chǔ)上，利用適宜的保障效能評估方法和技術(shù)，在飛機研制過程中持續(xù)開展綜合效能評估，評價出研制過程各階段的綜合保障效能，提出優(yōu)化、改進建議，實現(xiàn)對新機研制過程綜合保障的有效監(jiān)控；在部署/使用階段開展保障效能評估，驗證飛機及其保障系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求，為調(diào)整保障系統(tǒng)和飛機改型、研制新型號飛機提供必要的經(jīng)驗信息。保障效能是由飛機平臺設(shè)計特性、保障系統(tǒng)設(shè)計及維修保障方案所決定的，是在飛機研制過程中設(shè)計，逐漸形成、并在使用過程中不斷保持的。綜合保障效能的度量不僅考慮飛機平臺及其使用特點、可靠性與維修性、保障系統(tǒng)的特性與表現(xiàn)，而且還要考慮飛機的利用率、使用方式、任務(wù)剖面以及使用環(huán)境等。飛機設(shè)計質(zhì)量控制就是要實現(xiàn)飛機及其保障系統(tǒng)滿足規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求，飛機設(shè)計質(zhì)量不僅包括飛行平臺具有優(yōu)良的性能，而且還包括其保障系統(tǒng)的性能和配備能夠支撐飛行平臺實現(xiàn)戰(zhàn)備完好、戰(zhàn)時可用的目標(biāo)。綜上所述，綜合保障和質(zhì)量控制具有共同的目標(biāo)，綜合保障效能的高低反映了飛機平臺及保障系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量的高低。在飛機設(shè)計的各個階段，對綜合保障效能評估即可實現(xiàn)對飛機設(shè)計質(zhì)量進行階段性和系統(tǒng)性地控制。

2評價指標(biāo)選擇

由于綜合保障和質(zhì)量控制具有共同的目標(biāo)，反映綜合保障效能的指標(biāo)即可作為飛機設(shè)計質(zhì)量控制的評判標(biāo)準(zhǔn)。飛機的綜合保障效能不僅取決于飛機的設(shè)計性能，同時也取決于飛機的使用和保障。綜合保障效能評估結(jié)果對四性和綜合保障工作直接產(chǎn)生影響，這關(guān)系到飛機的設(shè)計、研制，并決定著綜合保障最終目標(biāo)——以可承受的壽命周期費用實現(xiàn)戰(zhàn)備完好性要求的實現(xiàn)。飛機設(shè)計質(zhì)量評價指標(biāo)的確定必須遵循以下原則：（1）以作戰(zhàn)任務(wù)需求、綜合保障各階段的任務(wù)和目標(biāo)為依據(jù)。（2）參考國內(nèi)、外同類飛機的有關(guān)指標(biāo)，相似裝備的戰(zhàn)備完好性水平，以及本國的國防工業(yè)科技水平等。（3）環(huán)境條件的約束，包括作戰(zhàn)使用和平時訓(xùn)練、儲存和運輸?shù)拳h(huán)境條件。（4）預(yù)期使用的新技術(shù)、新產(chǎn)品對保障效能的影響。（5）現(xiàn)役同類裝備的保障方案和新機預(yù)期的保障方案、使用與維修保障資源的約束條件。（6）費用、進度等約束條件。（7）其他約束條件，如充分考慮各指標(biāo)之間的協(xié)調(diào)性（不可互替代性、全面性）和各指標(biāo)的階段性等。根據(jù)以上原則，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用使用可用度（固有可用度）、能執(zhí)行任務(wù)率、出動架次率、再次出動準(zhǔn)備時間和壽命周期費用作為評價指標(biāo)。這五個指標(biāo)從不同的側(cè)面反映了保障系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量對戰(zhàn)備完好性和任務(wù)持續(xù)能力的影響，其中使用可用度綜合反映飛機在實際任務(wù)過程中的使用情況，主要體現(xiàn)了飛機特性、維修保障、供應(yīng)保障水平對戰(zhàn)備完好性的影響；能執(zhí)行任務(wù)率主要反映在平時條件下飛機保障系統(tǒng)的訓(xùn)練保障水平；出動架次率主要是反映在戰(zhàn)時條件下飛機維修保障和使用保障水平對戰(zhàn)時任務(wù)持續(xù)能力的影響；再次出動準(zhǔn)備時間主要是反映飛機在連續(xù)出動條件下保障系統(tǒng)的使用保障水平；壽命周期費用從經(jīng)濟性的角度度量裝備系統(tǒng)和戰(zhàn)備完好和戰(zhàn)時任務(wù)持續(xù)能力的權(quán)衡。這幾個指標(biāo)之間具有不可替代性。戰(zhàn)備完好性的度量不僅考慮飛機及其使用特點、可靠性與維修性、保障系統(tǒng)的特性與表現(xiàn)，而且還要考慮裝備的利用率、使用方式、任務(wù)剖面以及使用環(huán)境等。這五個指標(biāo)從不同的角度反映了不同設(shè)計和使用因素對戰(zhàn)備完好性和保障效能的影響，涵蓋了飛機設(shè)計特性、保障系統(tǒng)的要素（包括使用保障、維修保障、訓(xùn)練保障、供應(yīng)保障）和壽命周期費用對飛機設(shè)計質(zhì)量的貢獻。以這些指標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)飛機設(shè)計質(zhì)量全面控制。

3評估方法和模型構(gòu)建

3.1評估方法

可用的方法可分為解析法和仿真法兩類。解析法能夠準(zhǔn)確地計算各類效能指標(biāo)，但缺乏對飛機維修和使用保障動態(tài)特性的描述；仿真法能夠動態(tài)地描述飛機的維修和使用保障動態(tài)特性，但仿真結(jié)果不夠穩(wěn)定。為了得到客觀、合理和科學(xué)的結(jié)果,本系統(tǒng)采用解析法和仿真法相結(jié)合的方法。

3.1.1計算機仿真

仿真技術(shù)具有低成本、有效克服解析法所不能解決的動態(tài)問題獨特優(yōu)勢。計算機仿真體現(xiàn)在以下幾個環(huán)節(jié)：（1）根據(jù)對業(yè)務(wù)、模型、輸出參數(shù)之間的邏輯關(guān)系進行分析的結(jié)果，模擬單一飛機和機群在仿真周期內(nèi)的總體使用業(yè)務(wù)流程。根據(jù)實際使用情況，模擬仿真周期內(nèi)飛機的作戰(zhàn)使用流程。一般流程均從飛機執(zhí)行的任務(wù)開始，進行任務(wù)前準(zhǔn)備、執(zhí)行任務(wù)、返回進行維修保障，然后進行再次出動。核心業(yè)務(wù)活動包括飛機狀態(tài)的判斷、飛機的調(diào)度、修復(fù)性維修、預(yù)防性維修、起飛前準(zhǔn)備、再次出動準(zhǔn)備等。（2）故障抽樣。采用蒙特卡洛方法進行飛機系統(tǒng)故障抽樣，確定故障發(fā)生時刻序列。單架飛機的年平均飛行時間或者每次的仿真時間。η為由RANDOM（）函數(shù)生成的0～1之間的隨機數(shù)。故障發(fā)生時刻序列的確定方法如下：下一次故障發(fā)生時刻=本次故障發(fā)生時刻+下一次故障發(fā)生時間間隔（2）

3.1.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對于已經(jīng)研制的飛機及其保障系統(tǒng)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法主要體現(xiàn)在飛機故障數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)等輸入數(shù)據(jù)的獲取。而對于新研發(fā)的飛機及其保障系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)可采用設(shè)計參數(shù)或者相似型號飛機參數(shù)。為了計算最終的評價指標(biāo)，仿真過程中通過多次統(tǒng)計最終評價指標(biāo)的分解項,獲取最終的評價指標(biāo)計算結(jié)果。

3.1.3解析法

解析法主要用于各評估指標(biāo)的計算，飛機各業(yè)務(wù)活動分解及其時序的確定、時間和資源分配等。各評估指標(biāo)均可采用解析法進行分解，一直到最底層指標(biāo)與飛機設(shè)計指標(biāo)相同為止。這有利于確定最終的輸入?yún)?shù)，也利于模型數(shù)據(jù)的收集。

3.2評估模型構(gòu)建

任務(wù)周期從飛機執(zhí)行的任務(wù)開始，進行任務(wù)前準(zhǔn)備、執(zhí)行任務(wù)、返回進行維修保障，然后進行再次出動，直到當(dāng)天任務(wù)結(jié)束。而在這一任務(wù)周期中，將涉及到任務(wù)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、維修保障活動、保障資源、保障組織五大方面設(shè)計工作的動態(tài)協(xié)同。如何全面、科學(xué)、客觀模擬這一過程，并將其量化，進而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，最終計算出飛機在執(zhí)行任務(wù)過程中的各評價指標(biāo)，是飛機設(shè)計質(zhì)量控制需要突破的核心技術(shù)。

3.2.1模型組成

建模的關(guān)鍵體現(xiàn)在任務(wù)建模、保障資源建模、飛機建模、組織建模和任務(wù)執(zhí)行過程建模五個方面。這些模型都描述了飛機系統(tǒng)某個方面的特性，它們獨立構(gòu)成飛機系統(tǒng)的不同側(cè)面。因此，飛機設(shè)計質(zhì)量控制模型分為任務(wù)、裝備、資源、組織、過程五個子模型。（1）任務(wù)模型：描述作戰(zhàn)單元的任務(wù)內(nèi)容及其構(gòu)成的模型。任務(wù)可分為若干個子任務(wù)，子任務(wù)又可分為若干個次級子任務(wù)，各個子任務(wù)的內(nèi)容及其相互關(guān)聯(lián)都在任務(wù)模型中進行描述。隨著任務(wù)的進程，其他各個模型都會發(fā)生相應(yīng)的變化。不同模型間的邏輯關(guān)聯(lián)是保障系統(tǒng)模型所固有的。（2）飛機模型：描述系統(tǒng)中飛機的結(jié)構(gòu)和功能組成的模型。復(fù)雜的飛機系統(tǒng)由各單元以一定關(guān)系組成并形成特定的功能。（3）資源模型：描述保障系統(tǒng)的各種資源以及資源間關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型。保障系統(tǒng)中的資源有很多種，例如：維修人員、備件、設(shè)施、技術(shù)資料、計算機資源等，但是在作戰(zhàn)單元執(zhí)行任務(wù)的過程中，由于任務(wù)的持續(xù)時間一般比較短，對保障效能影響最大的資源只有兩種：備件和維修人員。因此，資源模型主要包括維修人員和各種備品備件的分配信息（其中的備品備件即為飛機的最小保障單元）、各種備件在維修過程中的消耗信息以及維修人員的占用信息等。（4）組織模型：描述系統(tǒng)中的組織、角色信息以及組織、角色間關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型。其中系統(tǒng)中的組織為各個作戰(zhàn)單元和基本作戰(zhàn)單元，存在的關(guān)系有組織間的所屬關(guān)系、角色間的存在關(guān)系等。（5）過程模型：是保障系統(tǒng)的核心模型，保障系統(tǒng)的其他模型都是圍繞著過程模型展開的。過程模型是描述任務(wù)的執(zhí)行過程中發(fā)生的一系列維修、使用保障活動及為維修、使用保障活動之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型。

3.2.2系統(tǒng)輸入

根據(jù)模型的組成、評估指標(biāo)的分解結(jié)果以及飛機設(shè)計理論和原理，通過梳理以上模型組成中各描述參數(shù)之間的關(guān)系的，理清了各輸入?yún)?shù)以及5個子模型之間的關(guān)系，明確了各子模型必要的輸入?yún)?shù)。該模型分為任務(wù)、飛機、資源、組織、過程5個子模型。根據(jù)每個模型的描述，對描述參數(shù)進行結(jié)構(gòu)化描述。例如,任務(wù)模型結(jié)構(gòu)化為任務(wù)系統(tǒng)、任務(wù)剖面和基本任務(wù)；任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化為飛機名稱、飛機總數(shù)、飛機任務(wù)種類；任務(wù)剖面結(jié)構(gòu)化為任務(wù)種類、任務(wù)持續(xù)時間、任務(wù)所需飛機數(shù)量、基本任務(wù)名稱；基本任務(wù)可結(jié)構(gòu)化為基本任務(wù)名稱、基本任務(wù)持續(xù)時間、所含波次數(shù)、單波次所需最小飛機數(shù)、單波次持續(xù)時間和單波次任務(wù)成功點等設(shè)計參數(shù)。

3.2.3業(yè)務(wù)流程

在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對單一飛機和機群的總體使用業(yè)務(wù)流程進行了梳理，并對業(yè)務(wù)、模型、輸出參數(shù)之間的邏輯關(guān)系進行了分析。根據(jù)實際使用情況，對飛機的作戰(zhàn)使用流程進行了梳理。在活動過程子模型中，需要確定各專業(yè)活動執(zhí)行的邏輯先后、執(zhí)行時間、資源、組織、特殊要求、所屬專業(yè)等信息。通過仿真飛機的任務(wù)和使用保障過程，梳理各任務(wù)和活動的執(zhí)行流程，將5個子模型以及個輸入?yún)?shù)關(guān)聯(lián)起來，最終統(tǒng)計相關(guān)參數(shù)和計算結(jié)果。

4模型初步驗證

為了易于驗證模型和方法，對案例進行了以下簡化：（1）飛機結(jié)構(gòu)假定只有三個子系統(tǒng)（燃油系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、火控系統(tǒng)）。（2）將所有的保障資源放在同一個“資源池”中。（3）使用保障活動與任務(wù)暫時沒有關(guān)聯(lián)，作業(yè)時間是一個定值。（4）維修過程中備件的周轉(zhuǎn)時間為定值。（5）預(yù)防性維修活動看作一個事件，作業(yè)時間為一個定值。（6）供應(yīng)保障和訓(xùn)練保障暫時不考慮。模型的驗證采用本模型仿真結(jié)果和LSEM模型仿真結(jié)果進行對比，計算的出動架次率分別為2.56架•次/天和2.5架•次/天，偏差為2.4%。該偏差處于可接受范圍內(nèi)。

5模型特點和應(yīng)用

5.1模型特點該模型具有以下特點：

（1）系統(tǒng)性。該模型使得飛機設(shè)計質(zhì)量的控制不再以各系統(tǒng)、各部件、各產(chǎn)品等孤立地進行，而把整個飛機及其保障系統(tǒng)作為一個有機系統(tǒng)進行質(zhì)量控制。這不僅符合飛機研制的客觀規(guī)律，而且將飛機的裝配、各系統(tǒng)、各產(chǎn)品之間的接口對飛機質(zhì)量的影響也進行考慮。其結(jié)果能夠更真實、全面、客觀反映飛機及其保障系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量。該方法的這個特點與戴明的系統(tǒng)論理論一致。（2）階段性。由于飛機研制具有明顯的階段性，每一階段的設(shè)計參數(shù)逐步詳細和準(zhǔn)確，因此，該模型也具有階段性。隨著設(shè)計的深入，該模型的輸入將不斷逼近飛機及其保障系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量。該方法的這個特點與戴明的質(zhì)量持續(xù)改進一致。

（3）動態(tài)性。以往的控制方法僅采用了質(zhì)量管理體系和程序，是一種靜態(tài)的控制方法。該模型能夠動態(tài)性地描述飛機的使用和保障過程，其結(jié)果與真實的設(shè)計質(zhì)量具有較小的偏差。（4）客觀性。該模型能夠克服以往采用的程序控制和專家評審方法具有的主觀性，其結(jié)果更加科學(xué)、合理、客觀。（5）全面性。目前，美國工業(yè)界已開發(fā)出大量相關(guān)模型，如戰(zhàn)備完好性試驗用可用性原型的快速構(gòu)建（RAPTOR）軟件、裝備保障性仿真工具SCOPE、后勤復(fù)合模型LCOM、戰(zhàn)備完好性評估模型METRIC、F-15E的可用度評價模型SLAM、JSF戰(zhàn)斗機的全任務(wù)仿真系統(tǒng)、美國空軍基地資源的戰(zhàn)區(qū)仿真模型TSAR等。以往的模型僅采用單一的評價指標(biāo)。選擇的使用可用度、出動架次率、再次出動準(zhǔn)備時間、全壽命周期費用指標(biāo)能全面衡量飛機設(shè)計質(zhì)量。評價結(jié)果不僅反映了飛機平臺本身的設(shè)計質(zhì)量，而且還反映了其保障系統(tǒng)和他們之間接口的設(shè)計質(zhì)量。（6）經(jīng)濟性。地面試驗的成本高昂，而本模型可以省去地面試驗所需要的飛機及其保障系統(tǒng)的研制費用，地面試驗的包括人工、場地、設(shè)施等其他費用也不再需要了。

5.2應(yīng)用

由于飛機及其保障系統(tǒng)的研發(fā)具有明顯的階段性，本文提出的模型和方法在各階段對飛機設(shè)計質(zhì)量的控制途徑也不相同。

（1）在項目的招標(biāo)和投標(biāo)階段，利用該模型評價供應(yīng)商提供的設(shè)計方案和標(biāo)書，確定其是否滿足項目的指標(biāo)要求，從而最終選定合適的供應(yīng)商，從而確定最佳設(shè)計質(zhì)量方案。

（2）在概念設(shè)計階段，利用該模型評價設(shè)計方案，找出飛機和保障系統(tǒng)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，提出優(yōu)化和改進措施，完善飛機平臺和保障系統(tǒng)設(shè)計，提高飛機設(shè)計質(zhì)量。

（3）在詳細設(shè)計階段，利用該模型評價詳細設(shè)計方案，找出飛機和保障系統(tǒng)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，提出優(yōu)化和改進措施，完善飛機平臺和保障系統(tǒng)設(shè)計，提高飛機設(shè)計質(zhì)量。

（4）在部署/使用階段，驗證飛機及其保障系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求，找出設(shè)計中的模弱環(huán)節(jié)，提出優(yōu)化和改進措施，為調(diào)整保障系統(tǒng)和飛機改型、研制新型號飛機提供必要的經(jīng)驗信息。

6結(jié)論

針對當(dāng)前飛機設(shè)計和使用中存在的諸多問題，本文提出了一種基于計算機仿真和數(shù)據(jù)統(tǒng)計的飛機設(shè)計質(zhì)量控制方法，確定了衡量飛機設(shè)計質(zhì)量的評價參數(shù)，構(gòu)建了計算機仿真模型，利用成熟的LSEM模型對模型的正確性、有效性和合理性進行了初步驗證，但是仍需要經(jīng)過大量的真實使用數(shù)據(jù)的驗證。該模型具有系統(tǒng)性、階段性、動態(tài)性、全面性、客觀性和經(jīng)濟性等。在飛機研制的各個階段，利用該模型對飛機平臺及其保障系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量進行評價和控制，提出優(yōu)化、改進措施，實現(xiàn)對飛機研制過程設(shè)計質(zhì)量的有效監(jiān)控。

作者：袁聰聰 張傳超 單位：中航航空電子有限公司 中國人民大學(xué)