關(guān)于飛機模型設計計算機仿真論文

　　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在預期的使用環(huán)境和條件下經(jīng)濟有效地滿(mǎn)足平時(shí)戰備完好和戰時(shí)任務(wù)持續能力的度量。綜合保障效能評估就是在現有飛機研制程序的基礎上，利用適宜的保障效能評估方法和技術(shù)，在飛機研制過(guò)程中持續開(kāi)展綜合效能評估，評價(jià)出研制過(guò)程各階段的綜合保障效能，提出優(yōu)化、改進(jìn)建議，實(shí)現對新機研制過(guò)程綜合保障的有效監控；在部署/使用階段開(kāi)展保障效能評估，驗證飛機及其保障系統是否滿(mǎn)足規定的系統戰備完好性要求，為調整保障系統和飛機改型、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計特性、保障系統設計及維修保障方案所決定的，是在飛機研制過(guò)程中設計，逐漸形成、并在使用過(guò)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(diǎn)、可靠性與維修性、保障系統的特性與表現，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。飛機設計質(zhì)量控制就是要實(shí)現飛機及其保障系統滿(mǎn)足規定的系統戰備完好性要求，飛機設計質(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的性能和配備能夠支撐飛行平臺實(shí)現戰備完好、戰時(shí)可用的目標。綜上所述，綜合保障和質(zhì)量控制具有共同的目標，綜合保障效能的高低反映了飛機平臺及保障系統設計質(zhì)量的高低。在飛機設計的各個(gè)階段，對綜合保障效能評估即可實(shí)現對飛機設計質(zhì)量進(jìn)行階段性和系統性地控制。

　　2評價(jià)指標選擇

　　由于綜合保障和質(zhì)量控制具有共同的目標，反映綜合保障效能的指標即可作為飛機設計質(zhì)量控制的評判標準。飛機的綜合保障效能不僅取決于飛機的設計性能，同時(shí)也取決于飛機的使用和保障。綜合保障效能評估結果對四性和綜合保障工作直接產(chǎn)生影響，這關(guān)系到飛機的設計、研制，并決定著(zhù)綜合保障最終目標——以可承受的壽命周期費用實(shí)現戰備完好性要求的實(shí)現。飛機設計質(zhì)量評價(jià)指標的確定必須遵循以下原則：

　�。�1）以作戰任務(wù)需求、綜合保障各階段的任務(wù)和目標為依據。

　�。�2）參考國內、外同類(lèi)飛機的有關(guān)指標，相似裝備的戰備完好性水平，以及本國的國防工業(yè)科技水平等。

　�。�3）環(huán)境條件的約束，包括作戰使用和平時(shí)訓練、儲存和運輸等環(huán)境條件。

　�。�4）預期使用的新技術(shù)、新產(chǎn)品對保障效能的影響。

　�。�5）現役同類(lèi)裝備的保障方案和新機預期的保障方案、使用與維修保障資源的約束條件。

　�。�6）費用、進(jìn)度等約束條件。

　�。�7）其他約束條件。

　　如充分考慮各指標之間的協(xié)調性（不可互替代性、全面性）和各指標的階段性等。根據以上原則，結合相關(guān)標準，選用使用可用度（固有可用度）、能執行任務(wù)率、出動(dòng)架次率、再次出動(dòng)準備時(shí)間和壽命周期費用作為評價(jià)指標。這五個(gè)指標從不同的側面反映了保障系統設計質(zhì)量對戰備完好性和任務(wù)持續能力的影響，其中使用可用度綜合反映飛機在實(shí)際任務(wù)過(guò)程中的使用情況，主要體現了飛機特性、維修保障、供應保障水平對戰備完好性的影響；能執行任務(wù)率主要反映在平時(shí)條件下飛機保障系統的訓練保障水平；出動(dòng)架次率主要是反映在戰時(shí)條件下飛機維修保障和使用保障水平對戰時(shí)任務(wù)持續能力的影響；再次出動(dòng)準備時(shí)間主要是反映飛機在連續出動(dòng)條件下保障系統的使用保障水平；壽命周期費用從經(jīng)濟性的角度度量裝備系統和戰備完好和戰時(shí)任務(wù)持續能力的權衡。

　　這幾個(gè)指標之間具有不可替代性。戰備完好性的度量不僅考慮飛機及其使用特點(diǎn)、可靠性與維修性、保障系統的特性與表現，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(gè)指標從不同的角度反映了不同設計和使用因素對戰備完好性和保障效能的影響，涵蓋了飛機設計特性、保障系統的要素（包括使用保障、維修保障、訓練保障、供應保障）和壽命周期費用對飛機設計質(zhì)量的貢獻。以這些指標作為評價(jià)標準，可以實(shí)現飛機設計質(zhì)量全面控制。

　　3評估方法和模型構建

　　3.1評估方法

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

　　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(dòng)態(tài)問(wèn)題獨特優(yōu)勢。計算機仿真體現在以下幾個(gè)環(huán)節：（1）根據對業(yè)務(wù)、模型、輸出參數之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析的結果，模擬單一飛機和機群在仿真周期內的總體使用業(yè)務(wù)流程。根據實(shí)際使用情況，模擬仿真周期內飛機的作戰使用流程。一般流程均從飛機執行的任務(wù)開(kāi)始，進(jìn)行任務(wù)前準備、執行任務(wù)、返回進(jìn)行維修保障，然后進(jìn)行再次出動(dòng)。核心業(yè)務(wù)活動(dòng)包括飛機狀態(tài)的判斷、飛機的調度、修復性維修、預防性維修、起飛前準備、再次出動(dòng)準備等。（2）故障抽樣。采用蒙特卡洛方法進(jìn)行飛機系統故障抽樣，確定故障發(fā)生時(shí)刻序列。單架飛機的年平均飛行時(shí)間或者每次的仿真時(shí)間。η為由RANDOM（）函數生成的0～1之間的隨機數。故障發(fā)生時(shí)刻序列的確定方法如下：下一次故障發(fā)生時(shí)刻=本次故障發(fā)生時(shí)刻+下一次故障發(fā)生時(shí)間間隔（2）

　　3.1.2數據統計

　　對于已經(jīng)研制的飛機及其保障系統，數據統計方法主要體現在飛機故障數據、資源數據等輸入數據的獲取。而對于新研發(fā)的飛機及其保障系統，這些數據可采用設計參數或者相似型號飛機參數。為了計算最終的評價(jià)指標，仿真過(guò)程中通過(guò)多次統計最終評價(jià)指標的分解項,獲取最終的評價(jià)指標計算結果。

　　3.1.3解析法

　　解析法主要用于各評估指標的計算，飛機各業(yè)務(wù)活動(dòng)分解及其時(shí)序的確定、時(shí)間和資源分配等。各評估指標均可采用解析法進(jìn)行分解，一直到最底層指標與飛機設計指標相同為止。這有利于確定最終的輸入參數，也利于模型數據的收集。

　　3.2評估模型構建

　　任務(wù)周期從飛機執行的任務(wù)開(kāi)始，進(jìn)行任務(wù)前準備、執行任務(wù)、返回進(jìn)行維修保障，然后進(jìn)行再次出動(dòng)，直到當天任務(wù)結束。而在這一任務(wù)周期中，將涉及到任務(wù)系統、結構、維修保障活動(dòng)、保障資源、保障組織五大方面設計工作的動(dòng)態(tài)協(xié)同。如何全面、科學(xué)、客觀(guān)模擬這一過(guò)程，并將其量化，進(jìn)而構建數學(xué)模型，最終計算出飛機在執行任務(wù)過(guò)程中的各評價(jià)指標，是飛機設計質(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)執行過(guò)程建模五個(gè)方面。這些模型都描述了飛機系統某個(gè)方面的特性，它們獨立構成飛機系統的不同側面。因此，飛機設計質(zhì)量控制模型分為任務(wù)、裝備、資源、組織、過(guò)程五個(gè)子模型。

　�。�1）任務(wù)模型：描述作戰單元的任務(wù)內容及其構成的模型。任務(wù)可分為若干個(gè)子任務(wù)，子任務(wù)又可分為若干個(gè)次級子任務(wù)，各個(gè)子任務(wù)的內容及其相互關(guān)聯(lián)都在任務(wù)模型中進(jìn)行描述。隨著(zhù)任務(wù)的進(jìn)程，其他各個(gè)模型都會(huì )發(fā)生相應的變化。不同模型間的邏輯關(guān)聯(lián)是保障系統模型所固有的。

　�。�2）飛機模型：描述系統中飛機的結構和功能組成的模型。復雜的飛機系統由各單元以一定關(guān)系組成并形成特定的功能。

　�。�3）資源模型：描述保障系統的各種資源以及資源間關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型。保障系統中的資源有很多種，例如：維修人員、備件、設施、技術(shù)資料、計算機資源等，但是在作戰單元執行任務(wù)的過(guò)程中，由于任務(wù)的持續時(shí)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(guò)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。其中系統中的組織為各個(gè)作戰單元和基本作戰單元，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(guò)程模型：是保障系統的核心模型，保障系統的其他模型都是圍繞著(zhù)過(guò)程模型展開(kāi)的。過(guò)程模型是描述任務(wù)的執行過(guò)程中發(fā)生的一系列維修、使用保障活動(dòng)及為維修、使用保障活動(dòng)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型。

　　3.2.2系統輸入

　　根據模型的組成、評估指標的分解結果以及飛機設計理論和原理，通過(guò)梳理以上模型組成中各描述參數之間的關(guān)系的，理清了各輸入參數以及5個(gè)子模型之間的關(guān)系，明確了各子模型必要的輸入參數。該模型分為任務(wù)、飛機、資源、組織、過(guò)程5個(gè)子模型。根據每個(gè)模型的描述，對描述參數進(jìn)行結構化描述。例如,任務(wù)模型結構化為任務(wù)系統、任務(wù)剖面和基本任務(wù)；任務(wù)系統結構化為飛機名稱(chēng)、飛機總數、飛機任務(wù)種類(lèi)；任務(wù)剖面結構化為任務(wù)種類(lèi)、任務(wù)持續時(shí)間、任務(wù)所需飛機數量、基本任務(wù)名稱(chēng)；基本任務(wù)可結構化為基本任務(wù)名稱(chēng)、基本任務(wù)持續時(shí)間、所含波次數、單波次所需最小飛機數、單波次持續時(shí)間和單波次任務(wù)成功點(diǎn)等設計參數。

　　3.2.3業(yè)務(wù)流程

　　在大量調研的基礎上，對單一飛機和機群的總體使用業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了梳理，并對業(yè)務(wù)、模型、輸出參數之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行了分析。根據實(shí)際使用情況，對飛機的作戰使用流程進(jìn)行了梳理。在活動(dòng)過(guò)程子模型中，需要確定各專(zhuān)業(yè)活動(dòng)執行的邏輯先后、執行時(shí)間、資源、組織、特殊要求、所屬專(zhuān)業(yè)等信息。通過(guò)仿真飛機的任務(wù)和使用保障過(guò)程，梳理各任務(wù)和活動(dòng)的執行流程，將5個(gè)子模型以及個(gè)輸入參數關(guān)聯(lián)起來(lái)，最終統計相關(guān)參數和計算結果。

　　4模型初步驗證

　　為了易于驗證模型和方法，對案例進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：

　�。�1）飛機結構假定只有三個(gè)子系統（燃油系統、航電系統、火控系統）。

　�。�2）將所有的保障資源放在同一個(gè)“資源池”中。

　�。�3）使用保障活動(dòng)與任務(wù)暫時(shí)沒(méi)有關(guān)聯(lián)，作業(yè)時(shí)間是一個(gè)定值。

　�。�4）維修過(guò)程中備件的周轉時(shí)間為定值。

　�。�5）預防性維修活動(dòng)看作一個(gè)事件，作業(yè)時(shí)間為一個(gè)定值。

　�。�6）供應保障和訓練保障暫時(shí)不考慮。

　　模型的驗證采用本模型仿真結果和LSEM模型仿真結果進(jìn)行對比，計算的出動(dòng)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。

　　5模型特點(diǎn)和應用

　　5.1模型特點(diǎn)該模型具有以下特點(diǎn)：

　�。�1）系統性。該模型使得飛機設計質(zhì)量的控制不再以各系統、各部件、各產(chǎn)品等孤立地進(jìn)行，而把整個(gè)飛機及其保障系統作為一個(gè)有機系統進(jìn)行質(zhì)量控制。這不僅符合飛機研制的客觀(guān)規律，而且將飛機的裝配、各系統、各產(chǎn)品之間的接口對飛機質(zhì)量的影響也進(jìn)行考慮。其結果能夠更真實(shí)、全面、客觀(guān)反映飛機及其保障系統的設計質(zhì)量。該方法的這個(gè)特點(diǎn)與戴明的系統論理論一致。

　�。�2）階段性。由于飛機研制具有明顯的階段性，每一階段的設計參數逐步詳細和準確，因此，該模型也具有階段性。隨著(zhù)設計的深入，該模型的輸入將不斷逼近飛機及其保障系統的設計質(zhì)量。該方法的這個(gè)特點(diǎn)與戴明的質(zhì)量持續改進(jìn)一致。

　�。�3）動(dòng)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(dòng)態(tài)性地描述飛機的使用和保障過(guò)程，其結果與真實(shí)的設計質(zhì)量具有較小的偏差。

　�。�4）客觀(guān)性。該模型能夠克服以往采用的程序控制和專(zhuān)家評審方法具有的主觀(guān)性，其結果更加科學(xué)、合理、客觀(guān)。

　�。�5）全面性。目前，美國工業(yè)界已開(kāi)發(fā)出大量相關(guān)模型，如戰備完好性試驗用可用性原型的快速構建（RAPTOR）軟件、裝備保障性仿真工具SCOPE、后勤復合模型LCOM、戰備完好性評估模型METRIC、F-15E的可用度評價(jià)模型SLAM、JSF戰斗機的全任務(wù)仿真系統、美國空軍基地資源的戰區仿真模型TSAR等。以往的模型僅采用單一的評價(jià)指標。選擇的使用可用度、出動(dòng)架次率、再次出動(dòng)準備時(shí)間、全壽命周期費用指標能全面衡量飛機設計質(zhì)量。評價(jià)結果不僅反映了飛機平臺本身的設計質(zhì)量，而且還反映了其保障系統和他們之間接口的設計質(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的研制費用，地面試驗的包括人工、場(chǎng)地、設施等其他費用也不再需要了。

　　5.2應用

　　由于飛機及其保障系統的研發(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計質(zhì)量的控制途徑也不相同。

　�。�1）在項目的招標和投標階段，利用該模型評價(jià)供應商提供的設計方案和標書(shū)，確定其是否滿(mǎn)足項目的指標要求，從而最終選定合適的供應商，從而確定最佳設計質(zhì)量方案。

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

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

　�。�4）在部署/使用階段，驗證飛機及其保障系統是否滿(mǎn)足規定的系統戰備完好性要求，找出設計中的模弱環(huán)節，提出優(yōu)化和改進(jìn)措施，為調整保障系統和飛機改型、研制新型號飛機提供必要的經(jīng)驗信息。

　　6結論

　　針對當前飛機設計和使用中存在的諸多問(wèn)題，本文提出了一種基于計算機仿真和數據統計的飛機設計質(zhì)量控制方法，確定了衡量飛機設計質(zhì)量的評價(jià)參數，構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(jìn)行了初步驗證，但是仍需要經(jīng)過(guò)大量的真實(shí)使用數據的驗證。該模型具有系統性、階段性、動(dòng)態(tài)性、全面性、客觀(guān)性和經(jīng)濟性等。在飛機研制的各個(gè)階段，利用該模型對飛機平臺及其保障系統的設計質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)和控制，提出優(yōu)化、改進(jìn)措施，實(shí)現對飛機研制過(guò)程設計質(zhì)量的有效監控。

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