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关于飞机模型设计计算机仿真论文
1综合保障效能评估与质量控制
飞机的综合保障效能是飞机及其保障系统在预期的使用环境和条件下经济有效地满足平时战备完好和战时任务持续能力的度量。综合保障效能评估就是在现有飞机研制程序的基础上，利用适宜的保障效能评估方法和技术，在飞机研制过程中持续开展综合效能评估，评价出研制过程各阶段的综合保障效能，提出优化、改进建议，实现对新机研制过程综合保障的有效监控；在部署/使用阶段开展保障效能评估，验证飞机及其保障系统是否满足规定的系统战备完好性要求，为调整保障系统和飞机改型、研制新型号飞机提供必要的经验信息。保障效能是由飞机平台设计特性、保障系统设计及维修保障方案所决定的，是在飞机研制过程中设计，逐渐形成、并在使用过程中不断保持的。综合保障效能的度量不仅考虑飞机平台及其使用特点、可靠性与维修性、保障系统的特性与表现，而且还要考虑飞机的利用率、使用方式、任务剖面以及使用环境等。飞机设计质量控制就是要实现飞机及其保障系统满足规定的系统战备完好性要求，飞机设计质量不仅包括飞行平台具有优良的性能，而且还包括其保障系统的性能和配备能够支撑飞行平台实现战备完好、战时可用的目标。综上所述，综合保障和质量控制具有共同的目标，综合保障效能的高低反映了飞机平台及保障系统设计质量的高低。在飞机设计的各个阶段，对综合保障效能评估即可实现对飞机设计质量进行阶段性和系统性地控制。
2评价指标选择
由于综合保障和质量控制具有共同的目标，反映综合保障效能的指标即可作为飞机设计质量控制的评判标准。飞机的综合保障效能不仅取决于飞机的设计性能，同时也取决于飞机的使用和保障。综合保障效能评估结果对四性和综合保障工作直接产生影响，这关系到飞机的设计、研制，并决定着综合保障最终目标——以可承受的寿命周期费用实现战备完好性要求的实现。飞机设计质量评价指标的确定必须遵循以下原则：
（1）以作战任务需求、综合保障各阶段的任务和目标为依据。
（2）参考国内、外同类飞机的有关指标，相似装备的战备完好性水平，以及本国的国防工业科技水平等。
（3）环境条件的约束，包括作战使用和平时训练、储存和运输等环境条件。
（4）预期使用的新技术、新产品对保障效能的影响。
（5）现役同类装备的保障方案和新机预期的保障方案、使用与维修保障资源的约束条件。
（6）费用、进度等约束条件。
（7）其他约束条件。
如充分考虑各指标之间的协调性（不可互替代性、全面性）和各指标的阶段性等。根据以上原则，结合相关标准，选用使用可用度（固有可用度）、能执行任务率、出动架次率、再次出动准备时间和寿命周期费用作为评价指标。这五个指标从不同的侧面反映了保障系统设计质量对战备完好性和任务持续能力的影响，其中使用可用度综合反映飞机在实际任务过程中的使用情况，主要体现了飞机特性、维修保障、供应保障水平对战备完好性的影响；能执行任务率主要反映在平时条件下飞机保障系统的训练保障水平；出动架次率主要是反映在战时条件下飞机维修保障和使用保障水平对战时任务持续能力的影响；再次出动准备时间主要是反映飞机在连续出动条件下保障系统的使用保障水平；寿命周期费用从经济性的角度度量装备系统和战备完好和战时任务持续能力的权衡。
这几个指标之间具有不可替代性。战备完好性的度量不仅考虑飞机及其使用特点、可靠性与维修性、保障系统的特性与表现，而且还要考虑装备的利用率、使用方式、任务剖面以及使用环境等。这五个指标从不同的角度反映了不同设计和使用因素对战备完好性和保障效能的影响，涵盖了飞机设计特性、保障系统的要素（包括使用保障、维修保障、训练保障、供应保障）和寿命周期费用对飞机设计质量的贡献。以这些指标作为评价标准，可以实现飞机设计质量全面控制。
3评估方法和模型构建
3.1评估方法
可用的方法可分为解析法和仿真法两类。解析法能够准确地计算各类效能指标，但缺乏对飞机维修和使用保障动态特性的描述；仿真法能够动态地描述飞机的维修和使用保障动态特性，但仿真结果不够稳定。为了得到客观、合理和科学的结果,本系统采用解析法和仿真法相结合的方法。
3.1.1计算机仿真
仿真技术具有低成本、有效克服解析法所不能解决的动态问题独特优势。计算机仿真体现在以下几个环节：（1）根据对业务、模型、输出参数之间的逻辑关系进行分析的结果，模拟单一飞机和机群在仿真周期内的总体使用业务流程。根据实际使用情况，模拟仿真周期内飞机的作战使用流程。一般流程均从飞机执行的任务开始，进行任务前准备、执行任务、返回进行维修保障，然后进行再次出动。核心业务活动包括飞机状态的判断、飞机的调度、修复性维修、预防性维修、起飞前准备、再次出动准备等。（2）故障抽样。采用蒙特卡洛方法进行飞机系统故障抽样，确定故障发生时刻序列。单架飞机的年平均飞行时间或者每次的仿真时间。η为由RANDOM（）函数生成的0～1之间的随机数。故障发生时刻序列的确定方法如下：下一次故障发生时刻=本次故障发生时刻+下一次故障发生时间间隔（2）
3.1.2数据统计
对于已经研制的飞机及其保障系统，数据统计方法主要体现在飞机故障数据、资源数据等输入数据的获取。而对于新研发的飞机及其保障系统，这些数据可采用设计参数或者相似型号飞机参数。为了计算最终的评价指标，仿真过程中通过多次统计最终评价指标的分解项,获取最终的评价指标计算结果。
3.1.3解析法
解析法主要用于各评估指标的计算，飞机各业务活动分解及其时序的确定、时间和资源分配等。各评估指标均可采用解析法进行分解，一直到最底层指标与飞机设计指标相同为止。这有利于确定最终的输入参数，也利于模型数据的收集。
3.2评估模型构建
任务周期从飞机执行的任务开始，进行任务前准备、执行任务、返回进行维修保障，然后进行再次出动，直到当天任务结束。而在这一任务周期中，将涉及到任务系统、结构、维修保障活动、保障资源、保障组织五大方面设计工作的动态协同。如何全面、科学、客观模拟这一过程，并将其量化，进而构建数学模型，最终计算出飞机在执行任务过程中的各评价指标，是飞机设计质量控制需要突破的核心技术。
3.2.1模型组成
建模的关键体现在任务建模、保障资源建模、飞机建模、组织建模和任务执行过程建模五个方面。这些模型都描述了飞机系统某个方面的特性，它们独立构成飞机系统的不同侧面。因此，飞机设计质量控制模型分为任务、装备、资源、组织、过程五个子模型。
（1）任务模型：描述作战单元的任务内容及其构成的模型。任务可分为若干个子任务，子任务又可分为若干个次级子任务，各个子任务的内容及其相互关联都在任务模型中进行描述。随着任务的进程，其他各个模型都会发生相应的变化。不同模型间的逻辑关联是保障系统模型所固有的。
（2）飞机模型：描述系统中飞机的结构和功能组成的模型。复杂的飞机系统由各单元以一定关系组成并形成特定的功能。
（3）资源模型：描述保障系统的各种资源以及资源间关联关系的模型。保障系统中的资源有很多种，例如：维修人员、备件、设施、技术资料、计算机资源等，但是在作战单元执行任务的过程中，由于任务的持续时间一般比较短，对保障效能影响最大的资源只有两种：备件和维修人员。因此，资源模型主要包括维修人员和各种备品备件的分配信息（其中的备品备件即为飞机的最小保障单元）、各种备件在维修过程中的消耗信息以及维修人员的占用信息等。
（4）组织模型：描述系统中的组织、角色信息以及组织、角色间关联关系的模型。其中系统中的组织为各个作战单元和基本作战单元，存在的关系有组织间的所属关系、角色间的存在关系等。
（5）过程模型：是保障系统的核心模型，保障系统的其他模型都是围绕着过程模型展开的。过程模型是描述任务的执行过程中发生的一系列维修、使用保障活动及为维修、使用保障活动之间关联关系的模型。
3.2.2系统输入
根据模型的组成、评估指标的分解结果以及飞机设计理论和原理，通过梳理以上模型组成中各描述参数之间的关系的，理清了各输入参数以及5个子模型之间的关系，明确了各子模型必要的输入参数。该模型分为任务、飞机、资源、组织、过程5个子模型。根据每个模型的描述，对描述参数进行结构化描述。例如,任务模型结构化为任务系统、任务剖面和基本任务；任务系统结构化为飞机名称、飞机总数、飞机任务种类；任务剖面结构化为任务种类、任务持续时间、任务所需飞机数量、基本任务名称；基本任务可结构化为基本任务名称、基本任务持续时间、所含波次数、单波次所需最小飞机数、单波次持续时间和单波次任务成功点等设计参数。
3.2.3业务流程
在大量调研的基础上，对单一飞机和机群的总体使用业务流程进行了梳理，并对业务、模型、输出参数之间的逻辑关系进行了分析。根据实际使用情况，对飞机的作战使用流程进行了梳理。在活动过程子模型中，需要确定各专业活动执行的逻辑先后、执行时间、资源、组织、特殊要求、所属专业等信息。通过仿真飞机的任务和使用保障过程，梳理各任务和活动的执行流程，将5个子模型以及个输入参数关联起来，最终统计相关参数和计算结果。
4模型初步验证
为了易于验证模型和方法，对案例进行了以下简化：
（1）飞机结构假定只有三个子系统（燃油系统、航电系统、火控系统）。
（2）将所有的保障资源放在同一个“资源池”中。
（3）使用保障活动与任务暂时没有关联，作业时间是一个定值。
（4）维修过程中备件的周转时间为定值。
（5）预防性维修活动看作一个事件，作业时间为一个定值。
（6）供应保障和训练保障暂时不考虑。
模型的验证采用本模型仿真结果和LSEM模型仿真结果进行对比，计算的出动架次率分别为2.56架次/天和2.5架次/天，偏差为2.4%。该偏差处于可接受范围内。
5模型特点和应用
5.1模型特点该模型具有以下特点：
（1）系统性。该模型使得飞机设计质量的控制不再以各系统、各部件、各产品等孤立地进行，而把整个飞机及其保障系统作为一个有机系统进行质量控制。这不仅符合飞机研制的客观规律，而且将飞机的装配、各系统、各产品之间的接口对飞机质量的影响也进行考虑。其结果能够更真实、全面、客观反映飞机及其保障系统的设计质量。该方法的这个特点与戴明的系统论理论一致。
（2）阶段性。由于飞机研制具有明显的阶段性，每一阶段的设计参数逐步详细和准确，因此，该模型也具有阶段性。随着设计的深入，该模型的输入将不断逼近飞机及其保障系统的设计质量。该方法的这个特点与戴明的质量持续改进一致。
（3）动态性。以往的控制方法仅采用了质量管理体系和程序，是一种静态的控制方法。该模型能够动态性地描述飞机的使用和保障过程，其结果与真实的设计质量具有较小的偏差。
（4）客观性。该模型能够克服以往采用的程序控制和专家评审方法具有的主观性，其结果更加科学、合理、客观。
（5）全面性。目前，美国工业界已开发出大量相关模型，如战备完好性试验用可用性原型的快速构建（RAPTOR）软件、装备保障性仿真工具SCOPE、后勤复合模型LCOM、战备完好性评估模型METRIC、F-15E的可用度评价模型SLAM、JSF战斗机的全任务仿真系统、美国空军基地资源的战区仿真模型TSAR等。以往的模型仅采用单一的评价指标。选择的使用可用度、出动架次率、再次出动准备时间、全寿命周期费用指标能全面衡量飞机设计质量。评价结果不仅反映了飞机平台本身的设计质量，而且还反映了其保障系统和他们之间接口的设计质量。
（6）经济性。地面试验的成本高昂，而本模型可以省去地面试验所需要的飞机及其保障系统的研制费用，地面试验的包括人工、场地、设施等其他费用也不再需要了。
5.2应用
由于飞机及其保障系统的研发具有明显的阶段性，本文提出的模型和方法在各阶段对飞机设计质量的控制途径也不相同。
（1）在项目的招标和投标阶段，利用该模型评价供应商提供的设计方案和标书，确定其是否满足项目的指标要求，从而最终选定合适的供应商，从而确定最佳设计质量方案。
（2）在概念设计阶段，利用该模型评价设计方案，找出飞机和保障系统设计的薄弱环节，提出优化和改进措施，完善飞机平台和保障系统设计，提高飞机设计质量。
（3）在详细设计阶段，利用该模型评价详细设计方案，找出飞机和保障系统设计的薄弱环节，提出优化和改进措施，完善飞机平台和保障系统设计，提高飞机设计质量。
（4）在部署/使用阶段，验证飞机及其保障系统是否满足规定的系统战备完好性要求，找出设计中的模弱环节，提出优化和改进措施，为调整保障系统和飞机改型、研制新型号飞机提供必要的经验信息。
6结论
针对当前飞机设计和使用中存在的诸多问题，本文提出了一种基于计算机仿真和数据统计的飞机设计质量控制方法，确定了衡量飞机设计质量的评价参数，构建了计算机仿真模型，利用成熟的LSEM模型对模型的正确性、有效性和合理性进行了初步验证，但是仍需要经过大量的真实使用数据的验证。该模型具有系统性、阶段性、动态性、全面性、客观性和经济性等。在飞机研制的各个阶段，利用该模型对飞机平台及其保障系统的设计质量进行评价和控制，提出优化、改进措施，实现对飞机研制过程设计质量的有效监控。
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