吕增岁,曾卫平,胡雪明
(中国直升机设计研究所,江西 景德镇 333001)
运输直升机具有远程、机动的特点,是地震、洪水等自然灾害期间物资保障的重要工具,因此,对运输直升机的任务效能评估进行量化分析,具有重要意义。常用的任务效能评估方法包括灰色关联系数法、TOPSIS法、ADC方法等。由于运输直升机在执行物资运送任务过程中,除了关注任务能力以外,长时间的运输作业,也需要关注直升机的可用性和可靠性,因此本文选择ADC方法对运输直升机任务效能进行评估。
任务效能评估是对直升机在典型任务场景下的效能进行评估。本文选择对运输直升机执行物资运送任务的效能进行评估。
1.1 物资运送任务
运输直升机执行物资运送任务的特点为:一是发生自然灾害后,任务区域的环境比较恶劣;二是到达任务区域着陆后没有油料等相应保障,飞行距离为起飞点到着陆点,不经加油空载返回原起飞点。具体任务过程如下:
1)任务准备:根据命令,立即开展运输直升机加油、飞行前检查、航线加载、人员登机、物资装载等准备工作,并开始地面开车,准备起飞;
2)出航:运输直升机携带任务载荷起飞,爬升到巡航高度,按照巡航速度快速出航;
3)卸载:运输直升机达到目标区域附近,下降高度,并快速完成物资卸载;
4)返航:运输直升机爬升,返回机场,着陆,关车。
1.2 效能评估指标
通过物资运送任务剖面分析可见,运输直升机物资运送的效能体现在执行任务前可用率高、执行任务中可靠且高效等方面。将直升机物资运送效能作为总体指标,分解为任务能力、可用性和可信性三个方面[1],对运输直升机执行物资运送任务的效能进行评估。
1)任务能力:运输直升机需要具备良好的任务适应性,包括运输直升机环境适应性和运输对象适应性,提高复杂地理环境、气象环境等的适应性,提高恶劣自然条件下的运输能力;同时,从运输直升机执行物资运送的目的出发,要求其在尽可能短的时间内,完成最大量物资的输送,主要的影响因素[2-3]包括有效载荷[4]、运输距离、运输时间等。
2)可用性:表示运输直升机可用、处于状态良好的时间占总使用时间的比例,基本反映了运输直升机处于可随时出动的概率,直接决定了运输直升机运输能力的大小。可用性与运输直升机的平均故障间隔时间和平均故障维修时间等因素相关。
3)可信性:表示运输直升机在物资运送任务时可用性给定的条件下,在规定的任务剖面中的任一随机时刻,能够完成规定功能的能力。可信性的实质是描述运输直升机在完成任务期间所处的状态,受其各系统任务可靠性、维修性等因素影响。由于在执行任务期间无法进行维修,因此,运输直升机的可信性由其可靠性确定。
基于任务能力、可用性和可信性评估指标,综合考虑各个指标的关系,梳理了一套适用于运输直升机物资运送任务的效能评估指标,如图1所示。
图1 物资运送效能评估指标构成
1.3 指标权重
运输直升机效能指标的权重,是指每项指标对总目标的贡献程度,它反映了各指标在评价对象中价值地位的系数。不同的权重将导致不同的评价结果,合理地确定指标权重对效能评估至关重要。本文中效能评估采用层次分析法确定运输直升机的效能指标权重A。
A=(ai1,ai2,…,ain)
ADC评估方法的目的在于根据可用性(Availability),可信性(Dependability,即可靠性)和任务能力(Capability)三大要素评价装备系统,把这三大要素组合成一个表示装备系统总性能的单一效能度量。其中,可用性描述系统开始执行任务时的状态;可信性描述系统执行任务过程中的状态;任务能力是系统完成给定任务的程度。ADC方法关注装备执行任务过程中的可用度A、可靠度D和任务能力C,其模型为:E=A×D×C。
2.1 可用性向量A
可用性向量A由系统开始执行任务时所有可能状态的概率组成。系统在开始执行任务时状态可划分为正常和故障两种状态。a1表示系统开始执行任务时处于正常工作状态的概率;a2表示系统在开始执行任务时处于故障状态的概率。
(1)
(2)
式中,MTBF为系统无故障工作时间;MTTR为系统故障平均修复时间。
运输直升机执行物资运送任务时需要具备两大功能:一是作为直升机平台具备正常飞行功能,由旋翼、动力、航电、飞控、液压、滑油等多个分系统组成;二是具有货运作业功能,由货运系统组成。
运输直升机执行大型物资运送时,系统有效性取决于两大功能:直升机能够正常飞行,同时能够完成大型物资装卸[5]。因此,在开始执行任务时,运输直升机应有4种状态:①运输直升机可正常飞行,货运系统可正常作业;②运输直升机可正常飞行,但货运系统无法正常作业;③运输直升机不可以正常飞行,货运系统可正常作业;④运输直升机无法正常飞行,货运系统无法正常作业。
由于运输直升机是由旋翼、动力、航电等多个分系统组成的复杂系统,各个分系统之间为串联系统,即分系统无法正常工作时,运输直升机无法正常飞行,因此,运输直升机处于正常状态的概率和处于故障状态的概率分别为:
A1=a1·a2·…an
(3)
A2=1-a1·a2·……an
(4)
2.2 可信性矩阵D
可信性描述系统在执行任务时将进入或处于任一有效状态的概率,与系统故障率、修复率以及执行任务平均时间有关;可信性是已知系统已经进入开始执行任务的状态条件下,对在执行任务过程中某个瞬间或多个瞬间的系统状态的量度。结合系统故障率和平均故障时间等参数,计算各系统可信性为:
D=exp(-T/MTBF)
(5)
其中,MTBF为系统的平均故障间隔时间,T为执行任务时间。
一般地,系统在执行任务时,故障状态无法向无故障状态转移,则运输直升机执行物资运送任务时,存在上述4种工作状态,设d11,d12,d21,d22,e11,e12,e21,e22分别表示运输直升机在执行任务时,直升机和货运系统部分:一直处于正常状态、从正常到故障状态、从故障到正常状态、一直处于故障状态的概率,可信性矩阵的形式为:
(6)
2.3 能力矩阵C
在已知系统在执行任务过程中的状态这一条件下,对系统达到任务目标的能力进行量度。从运输直升机界定的4种工作状态可见,只有运输直升机处于正常飞行,且能正常装卸时,才具有完成运输任务的能力,处于其它任何状态,都不能正常工作。因此,运输直升机的能力矩阵C=[C1,0,0,0]。
系统能力矩阵的确定直接关系到评估结果的准确性。能力矩阵C建模的方法有很多种。采用解析法计算运输直升机的效能;利用运输直升机基本性能参数和仿真数据,采用模糊综合评价法和AHP方法结合的方式,最终确定运输直升机的能力。
1)确定因素集及相应权重向量
根据构建的物资运送效能评估指标,包括有效载荷、任务时间和任务适应能力,任务能力评价的因素集U为:
U={有效载荷,任务时间,任务适应能力}
上述指标的权重采用AHP方法获得。
2)建立备择集(评价集、评语集)
备择集是由评价者对评价对象可能做出的各种总的评价结果所组成的集合,常用V表示,即V={v1,v2,…,vn},vi表示各种可能的评价结果。针对运输直升机任务能力,评价结果分为优、良、中和差,则备择集为:
V={优,良,中,差}
对应的分数分别为:{1,0.8,0.6,0.4}。
针对运输直升机物资运送任务,构建评价等级,如表1所示。
表1 评价等级
3)隶属函数的建立
由于有效载荷、任务时间、任务适应能力是分段表示的,适合用梯形隶属度函数计算。各指标的隶属度函数如表2所示。
表2 各指标隶属度函数
4)模糊综合评价
单层次模糊综合评判仅能反映当前层各因素对评判对象的影响,对当前层各单因素进行评价可形成模糊关系矩阵,即隶属度矩阵R:
权重集W和模糊关系矩阵R确定后,按照模糊合成运算,即可得到当前层模糊综合评判结果集,计算公式为:
Bi=Ai∘Ri=
(bi1,bi2,…,bin)
式中:“。”为模糊合成算子;Bi为某一层模糊综合评判结果。
将低层评判结果组成上一层的模糊关系矩阵,然后进行上一层模糊综合评判,重复上述步骤,即可得到上一层综合评判结果。依次类推,得到系统的综合评判结果。
从指标值获取的角度出发,运输直升机效能分析指标可以分为设计参数指标和仿真推演数据指标。设计参数指标主要包括:最大起飞重量、最大载重等;而另一部分运输时间指标则通过仿真试验获得。
1)任务设定
任务场景假设运输直升机向任务区域运送2吨物资,运输直升机编队从机场起飞,前往任务区域运送物资。
2)仿真数据获取
任务仿真的流程包括:仿真模型构建、任务编辑、仿真运行、结果分析。首先根据仿真方案,构建直升机性能模型和环境模型,并根据任务设定明确任务清单、任务区域等;然后选择构建好的直升机模型和环境模型,完成任务编辑;最后,运行仿真场景并进行结果分析,获得运输直升机运输时间等指标。
3)ADC方法计算结果
采用上述效能评估模型和仿真试验方法,对运输直升机的效能进行分析。
① 可用性
根据公式(1)-(4),计算得出运输直升机系统处于正常或故障状态的概率,如表3所示。
表3 运输直升机不同状态的概率
在开始执行运输任务时,运输直升机4种状态下的可用性分别为:
因此,运输直升机的可用性矩阵为:
A=[0.727,0.023,0.243,0.0075]
(7)
② 可信性
执行物资运送任务的时间为150.1 min,根据公式(5)-(6),计算得出运输直升机系统处于正常或故障状态的概率如表4所示。
表4 运输直升机转化为不同状态的概率
则运输直升机执行物资运送任务时,可信度矩阵的概率为:
(8)
③ 任务能力
将结果代入上述公式,计算得到运输直升机任务能力各指标的模糊评判矩阵为:
采用AHP方法获得的指标权重向量为A=[0.4126,0.2599,0.3275]。
根据B=A·R计算运输直升机物资运送任务效能总的隶属度向量,归一化处理后结果为:
B=[0.6673,0.6725,0,0]
B归一=[0.4981,0.5019,0,0]
(9)
满分为1分,运输直升机物资运送任务能力C分数为:0.8996。从计算结果可以看出,该运输直升机执行物资运送的任务能力为优。
采用ADC方法,根据式(7)-(9)的结果,计算得到直升机执行物资运送任务的效能E结果为:0.4192。
采用相同的方法,增加最大往返飞行速度,缩短任务时间至144 min,采用ADC方法,根据式(7)-(9)的结果,运输直升机物资运送任务能力C分数为:0.9129,计算得到运输直升机执行物资运送任务的效能结果为:0.4254。任务时间缩短后,可信性矩阵D增加,任务能力C增加,最终使得运输直升机的任务效能E增加。
本文在分析运输直升机物资运送任务过程和影响因素的基础上,立足各任务阶段的主要影响因素,按任务过程分析结果,构建了物资运送任务效能评估的指标体系;采用ADC、AHP-模糊综合评价法对运输直升机效能评估进行分析;最后,将该方法应用于运输直升机物资运送任务效能的评估。采用该方法可以分析运输直升机不同设计参数的能力指标差异,可以为设计指标改进提供方向,为运输直升机论证提供理论参考。
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