基于ADC法的運輸直升機任務效能評估方法

呂增歲,曾衛平,胡雪明

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮 333001)

0 引言

運輸直升機具有遠程、機動的特點,是地震、洪水等自然災害期間物資保障的重要工具,因此,對運輸直升機的任務效能評估進行量化分析,具有重要意義。常用的任務效能評估方法包括灰色關聯系數法、TOPSIS法、ADC方法等。由于運輸直升機在執行物資運送任務過程中,除了關注任務能力以外,長時間的運輸作業,也需要關注直升機的可用性和可靠性,因此本文選擇ADC方法對運輸直升機任務效能進行評估。

1 指標體系構建

任務效能評估是對直升機在典型任務場景下的效能進行評估。本文選擇對運輸直升機執行物資運送任務的效能進行評估。

1.1 物資運送任務

運輸直升機執行物資運送任務的特點為:一是發生自然災害后,任務區域的環境比較惡劣;二是到達任務區域著陸后沒有油料等相應保障,飛行距離為起飛點到著陸點,不經加油空載返回原起飛點。具體任務過程如下:

1)任務準備:根據命令,立即開展運輸直升機加油、飛行前檢查、航線加載、人員登機、物資裝載等準備工作,并開始地面開車,準備起飛;

2)出航:運輸直升機攜帶任務載荷起飛,爬升到巡航高度,按照巡航速度快速出航;

3)卸載:運輸直升機達到目標區域附近,下降高度,并快速完成物資卸載;

4)返航:運輸直升機爬升,返回機場,著陸,關車。

1.2 效能評估指標

通過物資運送任務剖面分析可見,運輸直升機物資運送的效能體現在執行任務前可用率高、執行任務中可靠且高效等方面。將直升機物資運送效能作為總體指標,分解為任務能力、可用性和可信性三個方面[1],對運輸直升機執行物資運送任務的效能進行評估。

1)任務能力:運輸直升機需要具備良好的任務適應性,包括運輸直升機環境適應性和運輸對象適應性,提高復雜地理環境、氣象環境等的適應性,提高惡劣自然條件下的運輸能力;同時,從運輸直升機執行物資運送的目的出發,要求其在盡可能短的時間內,完成最大量物資的輸送,主要的影響因素[2-3]包括有效載荷[4]、運輸距離、運輸時間等。

2)可用性:表示運輸直升機可用、處于狀態良好的時間占總使用時間的比例,基本反映了運輸直升機處于可隨時出動的概率,直接決定了運輸直升機運輸能力的大小?？捎眯耘c運輸直升機的平均故障間隔時間和平均故障維修時間等因素相關。

3)可信性:表示運輸直升機在物資運送任務時可用性給定的條件下,在規定的任務剖面中的任一隨機時刻,能夠完成規定功能的能力?？尚判缘膶嵸|是描述運輸直升機在完成任務期間所處的狀態,受其各系統任務可靠性、維修性等因素影響。由于在執行任務期間無法進行維修,因此,運輸直升機的可信性由其可靠性確定。

基于任務能力、可用性和可信性評估指標,綜合考慮各個指標的關系,梳理了一套適用于運輸直升機物資運送任務的效能評估指標,如圖1所示。

圖1 物資運送效能評估指標構成

1.3 指標權重

運輸直升機效能指標的權重,是指每項指標對總目標的貢獻程度,它反映了各指標在評價對象中價值地位的系數。不同的權重將導致不同的評價結果,合理地確定指標權重對效能評估至關重要。本文中效能評估采用層次分析法確定運輸直升機的效能指標權重A。

A=(ai1,ai2,…,ain)

2 效能評估模型構建

ADC評估方法的目的在于根據可用性(Availability),可信性(Dependability,即可靠性)和任務能力(Capability)三大要素評價裝備系統,把這三大要素組合成一個表示裝備系統總性能的單一效能度量。其中,可用性描述系統開始執行任務時的狀態;可信性描述系統執行任務過程中的狀態;任務能力是系統完成給定任務的程度。ADC方法關注裝備執行任務過程中的可用度A、可靠度D和任務能力C,其模型為:E=A×D×C。

2.1 可用性向量A

可用性向量A由系統開始執行任務時所有可能狀態的概率組成。系統在開始執行任務時狀態可劃分為正常和故障兩種狀態。a1表示系統開始執行任務時處于正常工作狀態的概率;a2表示系統在開始執行任務時處于故障狀態的概率。

(1)

(2)

式中,MTBF為系統無故障工作時間;MTTR為系統故障平均修復時間。

運輸直升機執行物資運送任務時需要具備兩大功能:一是作為直升機平臺具備正常飛行功能,由旋翼、動力、航電、飛控、液壓、滑油等多個分系統組成;二是具有貨運作業功能,由貨運系統組成。

運輸直升機執行大型物資運送時,系統有效性取決于兩大功能:直升機能夠正常飛行,同時能夠完成大型物資裝卸[5]。因此,在開始執行任務時,運輸直升機應有4種狀態:①運輸直升機可正常飛行,貨運系統可正常作業;②運輸直升機可正常飛行,但貨運系統無法正常作業;③運輸直升機不可以正常飛行,貨運系統可正常作業;④運輸直升機無法正常飛行,貨運系統無法正常作業。

由于運輸直升機是由旋翼、動力、航電等多個分系統組成的復雜系統,各個分系統之間為串聯系統,即分系統無法正常工作時,運輸直升機無法正常飛行,因此,運輸直升機處于正常狀態的概率和處于故障狀態的概率分別為:

A1=a1·a2·…an

(3)

A2=1-a1·a2·……an

(4)

2.2 可信性矩陣D

可信性描述系統在執行任務時將進入或處于任一有效狀態的概率,與系統故障率、修復率以及執行任務平均時間有關;可信性是已知系統已經進入開始執行任務的狀態條件下,對在執行任務過程中某個瞬間或多個瞬間的系統狀態的量度。結合系統故障率和平均故障時間等參數,計算各系統可信性為:

D=exp(-T/MTBF)

(5)

其中,MTBF為系統的平均故障間隔時間,T為執行任務時間。

一般地,系統在執行任務時,故障狀態無法向無故障狀態轉移,則運輸直升機執行物資運送任務時,存在上述4種工作狀態,設d11,d12,d21,d22,e11,e12,e21,e22分別表示運輸直升機在執行任務時,直升機和貨運系統部分:一直處于正常狀態、從正常到故障狀態、從故障到正常狀態、一直處于故障狀態的概率,可信性矩陣的形式為:

(6)

2.3 能力矩陣C

在已知系統在執行任務過程中的狀態這一條件下,對系統達到任務目標的能力進行量度。從運輸直升機界定的4種工作狀態可見,只有運輸直升機處于正常飛行,且能正常裝卸時,才具有完成運輸任務的能力,處于其它任何狀態,都不能正常工作。因此,運輸直升機的能力矩陣C=[C1,0,0,0]。

系統能力矩陣的確定直接關系到評估結果的準確性。能力矩陣C建模的方法有很多種。采用解析法計算運輸直升機的效能;利用運輸直升機基本性能參數和仿真數據,采用模糊綜合評價法和AHP方法結合的方式,最終確定運輸直升機的能力。

1)確定因素集及相應權重向量

根據構建的物資運送效能評估指標,包括有效載荷、任務時間和任務適應能力,任務能力評價的因素集U為:

U={有效載荷,任務時間,任務適應能力}

上述指標的權重采用AHP方法獲得。

2)建立備擇集(評價集、評語集)

備擇集是由評價者對評價對象可能做出的各種總的評價結果所組成的集合,常用V表示,即V={v1,v2,…,vn},vi表示各種可能的評價結果。針對運輸直升機任務能力,評價結果分為優、良、中和差,則備擇集為:

V={優,良,中,差}

對應的分數分別為:{1,0.8,0.6,0.4}。

針對運輸直升機物資運送任務,構建評價等級,如表1所示。

表1 評價等級

3)隸屬函數的建立

由于有效載荷、任務時間、任務適應能力是分段表示的,適合用梯形隸屬度函數計算。各指標的隸屬度函數如表2所示。

表2 各指標隸屬度函數

4)模糊綜合評價

單層次模糊綜合評判僅能反映當前層各因素對評判對象的影響,對當前層各單因素進行評價可形成模糊關系矩陣,即隸屬度矩陣R:

權重集W和模糊關系矩陣R確定后,按照模糊合成運算,即可得到當前層模糊綜合評判結果集,計算公式為:

Bi=Ai°Ri=

(bi1,bi2,…,bin)

式中:“?！睘槟：铣伤阕?Bi為某一層模糊綜合評判結果。

將低層評判結果組成上一層的模糊關系矩陣,然后進行上一層模糊綜合評判,重復上述步驟,即可得到上一層綜合評判結果。依次類推,得到系統的綜合評判結果。

3 實例化驗證評估

從指標值獲取的角度出發,運輸直升機效能分析指標可以分為設計參數指標和仿真推演數據指標。設計參數指標主要包括:最大起飛重量、最大載重等;而另一部分運輸時間指標則通過仿真試驗獲得。

1)任務設定

任務場景假設運輸直升機向任務區域運送2噸物資,運輸直升機編隊從機場起飛,前往任務區域運送物資。

2)仿真數據獲取

任務仿真的流程包括:仿真模型構建、任務編輯、仿真運行、結果分析。首先根據仿真方案,構建直升機性能模型和環境模型,并根據任務設定明確任務清單、任務區域等;然后選擇構建好的直升機模型和環境模型,完成任務編輯;最后,運行仿真場景并進行結果分析,獲得運輸直升機運輸時間等指標。

3)ADC方法計算結果

采用上述效能評估模型和仿真試驗方法,對運輸直升機的效能進行分析。

① 可用性

根據公式(1)-(4),計算得出運輸直升機系統處于正?；蚬收蠣顟B的概率,如表3所示。

表3 運輸直升機不同狀態的概率

在開始執行運輸任務時,運輸直升機4種狀態下的可用性分別為:

因此,運輸直升機的可用性矩陣為:

A=[0.727,0.023,0.243,0.0075]

(7)

② 可信性

執行物資運送任務的時間為150.1 min,根據公式(5)-(6),計算得出運輸直升機系統處于正?；蚬收蠣顟B的概率如表4所示。

表4 運輸直升機轉化為不同狀態的概率

則運輸直升機執行物資運送任務時,可信度矩陣的概率為:

(8)

③ 任務能力

將結果代入上述公式,計算得到運輸直升機任務能力各指標的模糊評判矩陣為:

采用AHP方法獲得的指標權重向量為A=[0.4126,0.2599,0.3275]。

根據B=A·R計算運輸直升機物資運送任務效能總的隸屬度向量,歸一化處理后結果為:

B=[0.6673,0.6725,0,0]

B歸一=[0.4981,0.5019,0,0]

(9)

滿分為1分,運輸直升機物資運送任務能力C分數為:0.8996。從計算結果可以看出,該運輸直升機執行物資運送的任務能力為優。

采用ADC方法,根據式(7)-(9)的結果,計算得到直升機執行物資運送任務的效能E結果為:0.4192。

采用相同的方法,增加最大往返飛行速度,縮短任務時間至144 min,采用ADC方法,根據式(7)-(9)的結果,運輸直升機物資運送任務能力C分數為:0.9129,計算得到運輸直升機執行物資運送任務的效能結果為:0.4254。任務時間縮短后,可信性矩陣D增加,任務能力C增加,最終使得運輸直升機的任務效能E增加。

4 結論

本文在分析運輸直升機物資運送任務過程和影響因素的基礎上,立足各任務階段的主要影響因素,按任務過程分析結果,構建了物資運送任務效能評估的指標體系;采用ADC、AHP-模糊綜合評價法對運輸直升機效能評估進行分析;最后,將該方法應用于運輸直升機物資運送任務效能的評估。采用該方法可以分析運輸直升機不同設計參數的能力指標差異,可以為設計指標改進提供方向,為運輸直升機論證提供理論參考。