基于任務的復雜武器系統(tǒng)可用性仿真研究

0 引言

可用性是指產品在隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務時，處于可工作和可使用狀態(tài)的程度，其概率度量稱為可用度。復雜的武器系統(tǒng)既有電子設備，又有機械、光電等設備，在故障間隔時間的分布上，除簡單的指數類型外，還有正態(tài)、威布爾類型等；另外，武器系統(tǒng)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務時，可能分多個任務階段。在此評估可用性，如采用傳統(tǒng)的數學方法評估，計算復雜，不能根據具體任務反映系統(tǒng)的動態(tài)可用性，也不能綜合反映系統(tǒng)在住務期間執(zhí)行任務的成功率和影響任務成功率的關鍵設備。故對基于任務的復雜武器系統(tǒng)可用性仿真進行研究。

1 仿真建模

1.1 可用性影響因素分析

考慮可用性時，通常以可用度作為分析實體?？捎枚瓤煞譃楣逃锌捎枚?、可達可用度和使用可用度。使用可用度能較好地反映作戰(zhàn)環(huán)境下的可用性，將以使用可用度為研究實體。影響該指標的主要因素很多：1)系統(tǒng)的可靠性，包括系統(tǒng)的可靠性結構、組成系統(tǒng)各單元的可靠性參數；2)系統(tǒng)的維修性，影響要素有故障分系統(tǒng)的實際維修時間、保障延誤時間和管理延誤時間；3)系統(tǒng)所執(zhí)行的任務，在武器系統(tǒng)的一個任務剖面中，通?？煞指顬閹讉€任務階段。不同的任務階段，武器系統(tǒng)中參與工作的分系統(tǒng)的數目不一定相同(如自行高炮在停止時間射擊時，其底盤分系統(tǒng)就可以看作非工作狀態(tài))，從而整個系統(tǒng)的可用性也不同。

1.2 仿真模型的建立

蒙特卡洛法(Monte-Carlo)的仿真是尋找一個概率統(tǒng)計的相似體，并用實驗取樣過程來獲得該相似體的近似解。系統(tǒng)狀態(tài)(故障、工作、待命等)是時間連續(xù)、狀態(tài)離散的馬爾科夫過程，每一狀態(tài)的轉移時間都是服從某一分布的概率值，運用蒙特卡洛法產生服從這些分布的隨機數，最終通過分析這些數據得到系統(tǒng)可用性的近似解。

1)數據初始化。仿真開始前，要明確系統(tǒng)所要執(zhí)行的任務，劃分出不同的任務階段，可得到系統(tǒng)在不同的任務階段所參與工作的設備。數據初始化主要是明確各部件的可靠性、維修性、保障性參數；使用規(guī)則(保障、維修政策)；任務允許停機時間等。

2)MC試驗。在每一個階段任務中，設任一分系統(tǒng)狀態(tài)轉移的分布函數為Fi(X)，可以證明Fi(X)是在[0，1]上服從均勻分布的一隨機變量。通過計算機可產生服從該分布的隨機數μ，令Fi(X)=μ，則反求出的x=Fi-1(μ)就是滿足分布函數為Fi(X)的隨機數。假設某設備的可靠性服從指數分布，則根據以上方法可得到設備的隨機壽命T=-MTBF×ln(μ)，其中MTBF為設備的平均故障間隔時間。

3)仿真推進。首先建立系統(tǒng)狀態(tài)列表，以最早促使系統(tǒng)狀態(tài)改變的事件發(fā)生的時刻為節(jié)點(如：仿真開始首先產生各部件的故障時刻Rti，找出最早的故障時刻Rtm=min(Rti)，則可以認為部件m在該次仿真中發(fā)生了故障，然后針對該部件產生其維修時間)，確定仿真步長。當滿足仿真次數后，跳至下一個任務階段，按照以上同樣的方法確定仿真的步長，推進仿真時鐘，依此直至仿真結束。

4)統(tǒng)計輸出。主要用來建立各種參數的統(tǒng)計輸出模型和給定置信水平的置信度模型，是可用性仿真的核心和目的。統(tǒng)計輸出主要包括：

(1)使用可用度

使用可用度可以描述為系統(tǒng)能工作的時間和整個任務時間的比值，在仿真中可以用式(1)計算：

其中n為總仿真試驗的次數；m為一次任務中所分的任務階段總數；T為系統(tǒng)的任務時間；Tij'為第i次仿真試驗中第j個任務階段的系統(tǒng)停機時間。