基于任務(wù)的復雜武器系統可用性仿真研究

0 引言

可用性是指產(chǎn)品在隨機時(shí)刻需要和開(kāi)始執行任務(wù)時(shí)，處于可工作和可使用狀態(tài)的程度，其概率度量稱(chēng)為可用度。復雜的武器系統既有電子設備，又有機械、光電等設備，在故障間隔時(shí)間的分布上，除簡(jiǎn)單的指數類(lèi)型外，還有正態(tài)、威布爾類(lèi)型等；另外，武器系統在執行作戰任務(wù)時(shí)，可能分多個(gè)任務(wù)階段。在此評估可用性，如采用傳統的數學(xué)方法評估，計算復雜，不能根據具體任務(wù)反映系統的動(dòng)態(tài)可用性，也不能綜合反映系統在住務(wù)期間執行任務(wù)的成功率和影響任務(wù)成功率的關(guān)鍵設備。故對基于任務(wù)的復雜武器系統可用性仿真進(jìn)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(shí)，通常以可用度作為分析實(shí)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環(huán)境下的可用性，將以使用可用度為研究實(shí)體。影響該指標的主要因素很多：1)系統的可靠性，包括系統的可靠性結構、組成系統各單元的可靠性參數；2)系統的維修性，影響要素有故障分系統的實(shí)際維修時(shí)間、保障延誤時(shí)間和管理延誤時(shí)間；3)系統所執行的任務(wù)，在武器系統的一個(gè)任務(wù)剖面中，通?？煞指顬閹讉€(gè)任務(wù)階段。不同的任務(wù)階段，武器系統中參與工作的分系統的數目不一定相同(如自行高炮在停止時(shí)間射擊時(shí)，其底盤(pán)分系統就可以看作非工作狀態(tài))，從而整個(gè)系統的可用性也不同。

1.2 仿真模型的建立

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

1)數據初始化。仿真開(kāi)始前，要明確系統所要執行的任務(wù)，劃分出不同的任務(wù)階段，可得到系統在不同的任務(wù)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；使用規則(保障、維修政策)；任務(wù)允許停機時(shí)間等。

2)MC試驗。在每一個(gè)階段任務(wù)中，設任一分系統狀態(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(guò)計算機可產(chǎn)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(mǎn)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(shí)間。

3)仿真推進(jìn)。首先建立系統狀態(tài)列表，以最早促使系統狀態(tài)改變的事件發(fā)生的時(shí)刻為節點(diǎn)(如：仿真開(kāi)始首先產(chǎn)生各部件的故障時(shí)刻Rti，找出最早的故障時(shí)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(chǎn)生其維修時(shí)間)，確定仿真步長(cháng)。當滿(mǎn)足仿真次數后，跳至下一個(gè)任務(wù)階段，按照以上同樣的方法確定仿真的步長(cháng)，推進(jìn)仿真時(shí)鐘，依此直至仿真結束。

4)統計輸出。主要用來(lái)建立各種參數的統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能工作的時(shí)間和整個(gè)任務(wù)時(shí)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(wù)中所分的任務(wù)階段總數；T為系統的任務(wù)時(shí)間；Tij'為第i次仿真試驗中第j個(gè)任務(wù)階段的系統停機時(shí)間。