基于模糊风险评价的战伤飞机再次出动决策可用度模型

2022-10-14温国谊

兵器装备工程学报 2022年9期

王赟,齐乐,温国谊

(空军工程大学航空机务士官学校，河南信阳 464000)

1 引言

战伤飞机进行应急抢修对于弥补战争损耗，补充战斗实力，满足作战任务需要等方面具有决定性意义。在实际工作中，应急抢修前通常要求先评估战伤飞机对于当前特定作战任务，处于可工作或可使用状态的程度，即战伤飞机可用度，以此来辅助决策后续如何高效地开展抢修工作。因此研究战伤飞机可用度模型，对于指导抢修工作合理开展、提升战伤飞机任务完成率具有非常重要的意义。

可用度的概念最早由美国电子设备可靠性咨询组(AGREE)在1956年发表的《军用电子设备可靠性》中提出，伴随着美军将飞机可用度作为衡量军用飞机作战性能的关键参数，飞机可用度愈发受到重视，为此，美军先后提出了战斗机和预警机可用度分析模型、以可用度为中心的NAVSEA Tiger分析模型及机动飞机可用度预测模型等多种可用度模型，以此帮助作战人员精准掌握武器装备的可使用状态，同时在2020年9月，美军发布了最新的飞机可用度提升计划(Aircraft availability improvement plans,AAIP)，旨在实现美军eLog21目标，提升20%飞机可用度，并且降低10%飞机全寿命周期费用。除了美军之外，国内外学者针对系统可用度同样开展了大量研究，文献[8]针对美军指挥官对KC-135R空中加油及空运的需求，利用历史飞机维护数据和飞行指标对飞机可用度进行了预测，并验证了机器学习技术能够准确预测飞机可用度；文献[9]针对当前可修复系统的平均可用度计算必须受局限于一些特殊情况的问题，采用离散化时间变量的方法，计算了更为普遍情况下的极限平均可用度；文献[10]针对复杂系统中不同组件的重要性不同，提出一种可用性度量分析方法，以确定对系统性能改进更重要或对系统故障/修复环节更关键的组件；文献[11]针对复杂可修装备群稳态可用度解析计算困难的问题，提出一种通过构建多个相关连续时间马尔科夫链来求解稳态可用度的方法；文献[12]基于修理延迟下单部件三状态可修系统的更新模型，提出了带有故障小修的三状态更新模型，从而使得系统稳态可用度得以提升；文献[13]基于作战任务和飞机技术状态构建了随机维修网络，在计算过程中设计了一种新方法，不仅能够提高瞬时可用度的计算效率，而且可以较好地反映任务准备期内装备瞬时可用度的波动规律。

以上这些研究大多是针对不同分布条件下如何提升系统瞬时可用度、稳态可用度及平均可用度计算效率的研究，或是对如何提高或预测系统可用度参数进行了研究，而对于如何基于具体任务有针对性地评定战伤装备的状态以及在此基础上科学评估战伤装备执行任务的风险程度用于风险决策的相关方法仍少见报道。在此方面，一些学者从方法上做出了有实际意义的尝试，但对象上仅限于单个系统，并未有效针对最小作战单位即一架飞机做出有效的研究成果。然而在错综复杂的作战环境中，空军更加关注的是作战飞机在战伤状态下执行当前关键任务的评估结果，以方便一线指挥员依据评估结果快速、有根据地做出科学的出动决策，降低经验决策给任务完成和装备使用及维修带来的巨大不确定性。

针对上述问题，本研究从实际决策需求出发，结合战伤抢修面向任务的基本功能项目分析构建了整机可用度模型；借鉴模糊风险理论，将战伤科学评估输出作为模糊评价输入，使综合风险评价融合了飞机各层级部件的真实状态信息，以减少以此为依据的风险决策的不确定性，提高战场决策的准确度。

2 战伤飞机可用度模型

一方面，新的可用度模型需要能够表征战伤飞机当下的状态，即描述战伤飞机对于当前作战任务的可用程度，即模型需要包含战伤飞机战时可用程度；另一方面，若战伤飞机能够胜任当前任务，但这并不代表当前战伤飞机没有任何危险因素，故新的可用度模型还需对战伤飞机各层级进行风险评价，给出执行当前任务的风险程度，即模型需要包含战伤飞机战时风险程度。因此，本文提出的战伤飞机可用度模型包含战时可用程度和战时风险程度两方面内容。

2.1 战时可用程度

飞机整机任务可用性度量依赖于具体的飞机系统构成，而飞机地面维护是以外场可更换单元为基本的检测单元来判断战损和可用、可修理程度，因此必须找到一种以此为基础且能够囊括整机拓扑结构的可用程度传导递推方式，才能将整机可用度评价建立在测量和推理的坚实基础之上。为了解决这个问题，首先要解决有效数学模型的问题。考虑飞机机件之间的连接关系可以很好的用串并联关系表示，且每个飞机部件任务可用性判据分为3个类别“需要、不需要和降级”，需要和不需要是2个离散的状态，而降级则可以视为是一个定量判断的连续状态。因此，为了将问题简化便于数学处理，针对最基础级使用1和0描述其功能是否失效，而对于其他层级使用0、0、1、1四种离散状态描述不可用、可串件、任务可用和全任务4种状态。由此便在飞机战伤评估的部分结论上实现了整机任务可用程度的离散状态建模，解决了战伤飞机再次出动决策中是否可以完成作战任务的问题。

军用飞机一般分为组件级、部件级、分系统级、系统级和全机级5级，因此战伤飞机可用程度也可依次分为组件级战时可用程度、部件级战时可用程度、分系统级战时可用程度、系统级战时可用程度和全机级战时可用程度5级。

组件级战时可用程度

对最基础级进行简化处理，假定组件级战时可用程度一般有2种状态：若其功能有效，则定义其组件战时可用程度为1；若其功能失效，则定义其组件战时可用程度为0。组件级战时可用程度如式(1)所示：

(1)

部件级战时可用程度

(2)

分系统级战时可用程度

同理，分系统级战时可用程度如式(3)所示：

(3)

系统级战时可用程度

同理，系统级战时可用程度如式(4)所示：

(4)

全机级战时可用程度

同理，全机级战时可用程度如式(5)所示：

(5)

对于一架军用飞机而言，若其战时可用程度为0，则表明它所有功能系统都失效，不能完成当前特定任务；若为0，则表明它虽然不能完成当前特定任务，但部分功能系统有效，后续可用于串件；若为1，则表明它能够完成当前特定任务，但仍然存在部分功能系统失效；若为1，则当前飞机为全任务状态。

2.2 战时风险程度

战伤飞机各层级的战时可用程度若为1，则表明战伤飞机各层级可完成当前指派的任务，但对于指挥员而言，要想对非全任务状态的飞机做出再次出动的决策，仅仅掌握完成任务可用程度是不够的，还需要掌握任务执行风险的大小，这和“病人即将进行手术，医生不仅需要告诉病人家属手术是可行的，还有义务告知家属手术的风险程度”是同样的道理。同时若各层级战时可用程度若为1，则表明飞机各层级是全任务状态，但由于组件在使用过程中会发生性能退化，因此也具有一定的风险，只不过此时飞机的风险程度降到最低。因此战伤飞机可用度量模型不仅需要包含战伤飞机战时可用程度，还需要包含战时风险程度。

风险评价是对危险进行评估的过程，主要从危险的2个方面展开：危险转变为事故的可能性以及带来损失的严酷度。人们通常对于概念的认知存在模糊性，导致很难对危险事件发生的概率及其影响给出明确的量化判断，文献[24]提出一种基于模糊理论的风险评价方法，运用层次分析理论中的成对比较方式来确定严酷度和可能性对于风险的影响权重，本文采用基于模糊理论的风险评价方法，对战伤可用飞机各层级风险程度进行评价，最终得出战伤可用飞机的风险率。

由于飞机外场修理以最小可更换单元为基本单位，而最小可更换单元属于部件级，因此战时风险程度考虑由部件级构成的的分系统级、系统级及全机级3个层级，具体分析步骤如下：

1) 计算战伤可用飞机分系统级风险率

① 确定战伤可用飞机分系统的模糊风险评估矩阵，将可能性和严酷度置于同一尺度下分析

基于模糊风险矩阵的构建方法，本文针对战伤可用飞机分系统级的危险转变为事故的可能性和带来损失的严酷度进行分析，得出飞机分系统级使用的模糊风险矩阵元素见表1。在此基础上确定了风险的5个基准值，如表1所示。

表1 模糊风险评估矩阵元素和风险水平Table 1 Fuzzy risk assessment matrix and risk levels

② 采用AHP理论中的成对比较方式确定可能性和严酷度相对于风险的权重

根据AHP理论因素对比过程中的9个标度等级，结合战伤检测和战伤评估结果，按照成对比较的方式，构建对比矩阵：

式中:和是它们与自身的对比，==1；是可能性与严酷度对比的标度；是严酷度与可能性对比的标度，=1。构建对比矩阵后，按照下列公式计算可能性和严酷度相对于风险的影响权重：

其中,和分别代表可能性和严酷度相对于风险的影响权重。

③ 依据模糊风险评价矩阵，对危险的可能性和严酷度进行评价

(6)

式中和分别是可能性和严酷度的模糊风险矩阵。

④ 通过步骤②确定的权重，在初始评价结果的基础上计算模糊风险

通过式(7)结合综合评价结果计算模糊风险：

(7)

⑤ 将模糊风险进行去模糊化，得出风险值

(8)

其中=(,,,)是梯形模糊数。

⑥ 利用风险值计算分系统级风险率

利用式(9)结合去模糊化后的风险值，计算分系统级风险率

(9)

其中和分别是非常高风险值的模糊风险和非常低风险值的模糊风险去模糊化的风险值。

2) 计算战伤可用飞机系统级风险率

一般情况下任何一个复杂系统都可以转化成等价的串、并联系统。根据军用飞机层次划分，军用飞机可视为多个串、并联系统组成，简化后如图1所示。

从区块整体压裂统计分析：滨660块大型压裂单井压后日产量较常规压裂有明显提高；典型单井对比表明大型压裂增油效果显著，但由于采油速度较快，地层能量下降较快，表现为递减趋势较为明显，应加强能量补充措施。

图1 军用飞机串并联系统结构框图Fig.1 Schematic diagram of series-parallel system of military aircraft

若各部件之间有串并联关系，则可以等效为串、并联系统；若各部件之间无任何关联，则取各部件中风险率最大的作为系统的风险率。因此,通过式(10)和式(11)计算系统的风险率：

(10)

=max{1,2,…,}

(11)

式中：为系统的风险率；1,2,…,为系统中各无关联等效分系统的风险率。

3) 计算战伤可用飞机全机级风险率

若各系统之间有串并联关系，则可以等效为串、并联系统；若各系统之间无任何关联，则取各系统中风险率最大的作为全机的风险率。因此通过式(12)和式(13)计算全机的风险率：

(12)

=max{1,2,…,}

(13)

式中：为全机的风险率；1,2,…，为全机中各无关联等效系统的风险率。

2.3 战伤飞机战时可用度

由于飞机作战任务完成和装备使用维护以最小可更换单元为基本单位，属于部件级。因此，通过以下步骤对战伤飞机分系统级、系统级及全机级的战时可用进行分析，具体分析流程见图2：

图2 战伤飞机战时可用度分析流程框图Fig.2 Wartime availability analysis process of war wounded aircraft

1) 接收指挥部对此架战伤飞机指派的任务；

2) 对战伤飞机进行检测及评估，反馈部件状态；

3) 调用当前机型的战时可用度准则库(准则库样式见表2)，确定完成指派任务所必需的部件：

表2 军用飞机战时可用度准则库样式Table 2 Military aircraft wartime availability criteria library style

① “损伤模式”依据LRU实际情况从“松脱、表面损伤、变形、损毁、断路”等模式中选取；

② “抢修措施”从“延迟修理、原位修复、更换、外场不可修复”等措施中选取；

③ “修后使用限制” 从“全寿、仅当次飞行、禁飞”等限制中选取；

④ “是否为当前任务必需部件”根据LRU对于当前任务的需求来确定是否必需。

4) 对某一分系统的战时可用程度进行分析；

5) 若分系统战时可用，对其进行风险评价，否则风险率置为0；

6) 得出战伤飞机分系统对于指派任务的战时可用度；

7) 分析分系统战时可用度后同理得出飞机系统的战时可用度；

8) 分析系统战时可用度后同理得出飞机整机的战时可用度。

通过战伤飞机战时可用度分析流程可知，战时可用度表达式如式(14)：

(14)

式中：表示战时可用度；为战时可用程度；为风险率。

3 案例分析

3.1 情景描述

某型军用飞机经历一次战役后带伤返航，落地后指挥部要求其6 h后进行空空格斗任务，现需评估其战时可用度，用于再次出动决策支持。

3.2 战伤飞机可用度量模型

按照建立战伤飞机可用度量模型的步骤：

1) 明确指挥部对此架战伤飞机指派的任务为空空格斗任务；

2) 对战伤飞机进行检测与评估，得出各部件(LRU)当前状况见表3(以武器系统为例)；

表3 武器系统各部件(LRU)状况Table 3 Weapon system component (LRU) status

3) 调用战时可用度准则库，确定完成空空格斗任务下武器系统所必须的LRU见表4；

表4 空空格斗任务下武器系统所必需的LRUTable 4 The LRUs necessary for the weapon system in the air combat mission

4) 以武器系统外挂物管理分系统为例，按照飞机5层级可用程度评价模型体系，对其战时可用程度进行分析，得出结果为1；

5) 对武器系统外挂物管理分系统进行风险评价：

① 确定可能性和严酷度相对于风险的权重

严格根据战伤现场检测及评估结果分析后确定可能性和严酷度相对于风险的权重，建立对比矩阵，见表5。

表5 可能性和严酷度的成对比较矩阵和影响权重Table 5 Pairwise comparison matrix and impact weights for likelihood and severity

② 对危险的可能性和严酷度进行评价

严格依据军用飞机战伤检测与评估系统输出的结果，结合模糊风险矩阵对当前危险进行评价，得出初始评价结果，见表6和表7。

表6 可能性的初始评价结果Table 6 Initial evaluation of likelihood

表7 严酷度的初始评价结果Table 7 Initial assessment of severity

③ 在初始评价结果的基础上计算风险值

将可能性初始评价结果记作向量形式(0,0.8,0.2,0,0)，同样的将严酷度的初始评价结果记作向量形式(0.1,0.6,0.3,0,0)，通过式(6)和式(7)得出可能性和严酷度的综合评价结果，如表8所示，可用看出武器系统外挂物管理分系统的风险是在低和中等之间。

表8 评价结果和风险值Table 8 Evaluation results and value at risk

④ 将模糊风险进行去模糊化，得出风险值

利用式(8)对模糊风险进行去模糊化：

⑤ 利用风险值计算分系统级风险率

通过式(8)计算和分别为0.667和8.833，再利用式(9)结合去模糊化后的风险值，计算武器系统外挂物管理分系统的风险率：

6) 得出武器系统外挂物管理分系统对于指派任务的战时可用度为(1,28.36%)，同理得出武器系统各分系统的战时可用度，见表9；利用式(10)和式(11)计算得出飞机各系统的战时可用度，见表10，最后用式(12)和式(13)得出飞机整机的战时可用度为(1，38.92%)。

表9 武器系统各分系统的战时可用度Table 9 Wartime availability of weapon system subsystems

表10 飞机各系统的战时可用度Table 10 Wartime availability of aircraft systems

由以上实例分析可知，通过现场战伤检测与评估，利用本文提出的可用度模型，决策者可以清晰判断出当前飞机的任务可用程度情况；通过战场评估信息基础上的模糊风险评估，可以得到战伤飞机执行该项任务的量化风险度量值，该度量值综合了全机各相关部件的战伤评估信息以及当前任务可用程度分析，将当前分析结果用于再次出动辅助决策，置信度要远高于传统的经验风险评估决策，是真正的风险量化分析。