卫星导航接收机维修保障方案仿真评价

孔　敏, 徐宗昌, 郭　梁, 张永强

(1. 北京卫星导航中心， 北京 100094； 2. 装甲兵工程学院技术保障工程系， 北京 100072；3. 石家庄机械化步兵学院学员一队，河北 石家庄 050085)

卫星导航接收机维修保障方案仿真评价

孔敏1,2, 徐宗昌2, 郭梁3, 张永强2

(1. 北京卫星导航中心， 北京 100094； 2. 装甲兵工程学院技术保障工程系， 北京 100072；3. 石家庄机械化步兵学院学员一队，河北 石家庄 050085)

摘要：针对卫星导航接收机(简称“接收机”)维修保障中过度维修与维修不足并存的问题，以维修保障费用、效能和保障资源成本为约束条件，以提高效费比为目标，建立了维修保障方案仿真评价模型，研究了接收机维修保障方案评价方法。通过仿真模拟接收机的维修保障过程，对4种典型的接收机维修保障方案进行了仿真评价，研究结果可为用户论证接收机保障性指标和决策接收机维修保障方案提供有益指导。

关键词：维修保障方案； 维修保障费用； 效能； 保障资源成本

卫星导航接收机(以下简称“接收机”)是整个卫星导航系统基本功能的最终体现，可接收卫星导航信息，实现用户导航定位和测速，近年来已在多个领域得到了广泛应用。接收机的维修保障性是导航定位任务成功执行的前提条件之一。接收机一旦发生故障，会导致经济损失、任务失败甚至造成安全事故。目前，主要是依靠工程技术人员的保障性分析，并结合历次任务的维修保障经验数据来确定出维修保障方案[1-2]。由于缺乏对接收机当前状况的动态评估，常常导致过度维修和维修性不足问题并存：一方面，在任务执行周期内，对某些部件过度维修，导致保障资源浪费；另一方面，由于保障资源短缺，导致某些部件维修不足。因此，通过建模仿真制定合理的维修保障方案，以尽可能地提高效费比、减少保障资源的消耗，是值得深入研究解决的问题。

国内装备综合维修保障建模主要应用于飞机、导弹和装甲车等大型装备，针对接收机维修保障建模仿真研究很少。随着接收机的结构日益复杂，应用范围和频度日趋增大，迫切需要对其建立系统的维修保障方案。为此，笔者借鉴其他装备领域先进的成熟经验，在接收机保障性指标论证和维修保障方案评价方面做一些有益的探索。

1维修保障方案评价指标体系

接收机维修保障方案是从总体上对其维修保障工作的概要性说明和规划，内容主要包括维修类型、维修原则、维修级别划分、修理策略、主要保障资源和约束预计等[3]。用户对接收机的使用要求主要有定位精度高、续航能力强、可靠性高、故障率低、修复时间短和维护费用低等。除定位精度和续航能力为技术性能指标外，其他指标均为维修保障指标，且可分为保障性综合指标、有关保障性设计特性指标和保障系统与保障资源指标3大类。根据接收机的使用要求和特点，对每类指标进行筛选，构建接收机维修保障评价指标体系，如图1所示。

图1　接收机维修保障方案评价指标体系

1.1保障性综合指标

保障性综合指标用来综合衡量保障性的优劣，主要包括战备完好性、任务成功性和任务准备时间等。战备完好性是指装备在平时和战时使用条件下能随时执行预定任务的能力，主要采用使用可用度、能执行任务率和出动率等参数来描述，其中，使用可用度AO是各类装备最常用的战备完好性参数，是指装备能工作时间与装备预期工作总时间之比，即

(1)

式中：TO为工作时间；TS为待命时间；TPM为预防性维修总时间；TCM为修复性维修总时间；TALD为总延误时间。

任务成功性可定量描述作战单元任务成功性，是指装备在任务开始时处于可用状态的情况下，在规定任务剖面中的任一时刻，能够完成规定功能的能力。任务成功性可直接采用任务成功率或故障总次数来描述，一般常用任务成功率S来描述，即

(2)

式中：NS为任务成功次数；N为总任务次数。

与飞机、舰船等大型装备相比，接收机的任务准备时间非常短，对执行任务的影响相对较小，这里暂不考虑。

1.2有关保障性设计特性指标

有关保障性特性设计指标是指仅受主装备设计影响的保障性设计特性指标，主要包括可靠性、维修性和测试性等。对于接收机，用户最为期望的是接收机出现故障的频度应尽量低，即使接收机发生故障，也能在较短时间内修复。因此，笔者主要考虑平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures，MTBF)和平均修复时间(Mean Time To Repair，MTTR)2个指标。MTBF是可修复装备基本可靠性评价指标，是指在规定的条件下和规定的期限内，装备寿命单位总数与故障总次数之比。MTTR是评价装备维修性的基本参数，是指在规定的条件下和规定的期限内，装备在规定的维修级别上，修复性维修总时间与该级别上被修复装备的故障总次数之比。

1.3保障系统与保障资源指标

保障系统与保障资源指标国外称之为后勤保障指标，二者都是从保障资源的角度来影响保障性水平，其主要差别是：前者是保障系统或多项保障资源的综合影响；后者则是单个保障资源要素的影响。对于接收机这一类小型装备，通常只考虑保障资源指标，主要包括随装工具数量、器材库存量、保障设备利用率、备件满足率、使用和维修人员数量与技能等级、技术资料种类与数量等[4]。这里主要考虑保障资源指标中的备品备件、保障设施使用情况和各级维修技术人员配置等。

2维修保障方案评价建模

2.1评价准则

通过对比维修保障费用来综合评价维修保障方案。接收机维修保障费用主要包括所需备件费用、保障设施费用、人力人员费用和预防性维修过程中产生的费用[5-6]。

2.2功能模型

功能模型用来描述接收机组成单元的层次结构和相关属性信息，是对接收机进行故障模拟的基础。接收机层次结构如图2所示，接收机功能模型的数据结构如表1所示。

图2　接收机层次结构

表1　接收机功能模型数据结构

2.3维修性模型

维修性模型用来描述接收机维修保障方案评价信息，包括预防性维修模型和修复性维修模型，其数据结构分别如表2、3所示。

表2　预防性维修模型数据结构

表3　修复性维修模型数据结构

2.4保障资源模型

保障资源模型主要用来描述保障资源的复杂程度，主要考虑单个保障资源要素的影响。保障资源模型数据结构如表4表示。

表4　保障资源模型数据结构

3接收机维修保障方案评价仿真系统设计与实现

3.1仿真钟推进机制和仿真策略

接收机部件故障是典型的离散事件，离散事件系统仿真过程的核心是安排和处理离散事件和仿真钟的推进。因此，接收机维修保障仿真系统采用事件安排和时间推进的基本仿真机制，即面向事件和面向时间间隔的、并行的仿真钟推进机制[7]。

仿真策略采用事件调度法，即将事件例程作为仿真程序的基本模型单元，按照事件发生的先后顺序不断执行相应的事件例程。对于每个可预知其发生时间的确定事件，都带有1个事件例程，用以处理事件发生后对实体状态所产生的影响，并安排后续事件。

3.2故障发生时间算法

接收机属于电子设备，其各组成单元的寿命服从指数分布，对仿真过程中运行的所有单元寿命同时进行抽样，以取得每个单元故障时间的样本，则第i个单元故障时间的抽样值为

(3)

式中:xi为服从指数分布的随机数；λi为单元故障率。

系统故障发生时间tF为

tF=min(tFi)。

(4)

3.3仿真系统流程

接收机维修保障方案评价仿真系统是在建立接收机功能模型、维修性模型和保障资源模型的基础上，以维修保障总费用、MTBF、MTTR和AO为主要

评价指标，通过模拟接收机的实际维修保障过程，对设定的4个典型维修保障方案进行评价。其中：预防性维修过程仿真主要根据预防性维修方案，判断出需对哪些单元进行哪些预防性维修工作，其间隔期是多少，并对这些工作的费用、时间和工时等数据进行累加计算；修复性维修过程仿真主要是计算出单元故障所产生的随机故障时间，当这些单元故障发生时间到达时，按照设定的修复性维修保障方案进行修复，并统计出故障总次数、所需维修费用、维修时间、所用备件品种数量及价格、所需技术人员的等级及使用费用等；最后合并计算出维修保障总费用、MTTR和AO，将其显示给用户。仿真系统流程如图3所示[8]。

图3　接收机维修保障方案评价仿真系统流程

3.4仿真系统实现

系统总体功能是对该仿真系统能够完成任务的描述，软件实现上分为基本参数数据输入和仿真控制与显示2大部分。其中：基本参数数据主要对应前面所建立的各种模型；而仿真控制与显示主要对应仿真系统的整体流程。仿真系统总体功能如图4所示。

图4　仿真系统总体功能

4仿真试验与结果

4.1仿真试验的对象与过程

4种典型的接收机维修保障方案如表5所示。

表5　4种接收机维修保障方案

仿真试验过程如下：

1) 依据方案1设置接收机部件的单元属性、预防性维修间隔期、修复性维修时间和保障资源费用等参数；

2) 输入仿真次数和周期，为满足大样本量的要求，仿真次数不少于30次；

3) 开始仿真，运行结束后保存数据；

4) 对于方案2、3、4，依次执行步骤1)-3)；

5) 分析4种维修保障方案的仿真结果。

4.2仿真试验基础数据

接收机功能模型所需的数据主要包括接收机各单元的名称、故障率λ、维修更换时长以及相应的单个相关备件费用、单次预防性维修费用与单次修复性维修费用，具体如表6所示。

表6　功能模型基础数据

4.3仿真结果

仿真周期为5年，仿真结果取仿真100次后的算术平均值。根据仿真试验及结果得出4种接收机维修保障方案的相关数据，维修保障方案的费用、效能部分仿真结果如表7所示，保障资源部分仿真结果如表8所示。

表7　4种接收机维修保障方案的费用、效能部分仿真结果

比较4种维修保障方案的仿真结果，可得出如下结论：

1)方案1的AO最高，维修保障总费用接近4种方案费用的平均值，但MTTR最短，表明方案1在故障应变速度方面明显优于其他3个方案；从保障资源的使用情况来看，对备品备件和技术人员的配置要求最低，保障资源的复杂度也最低。

2)方案2的AO略低于方案1，但维修保障的总费用低于方案1，其MTTR大大高于方案1，表明方案2对故障的应变速度明显较方案1弱；从保障资源的使用情况来看，方案2不需要在中继级配置技术人员，但在基层级的备件配置复杂度略高于方案1。

3) 方案3的AO最低，维修保障总费用最高，MTTR较短；从保障资源的使用情况来看，方案3对备件配置的要求不高，但由于故障次数最多，技术人员的使用频次明显高于其他3种方案。

表8　4种接收机维修保障方案保障资源部分仿真结果

4) 方案4的维修保障总费用最低，AO较低，MTTR最长，其对故障的反应能力较差；从保障资源的使用情况来看，对备件的要求最复杂，但对技术人员的配置要求一般。

5) 进行预防性维修工作，虽然会产生相应的费用，但由于通过预防性维修减少了故障总次数，延长了MTBF，使维修保障总费用大大降低，且AO较高，表明预防性维修工作会明显改善维修保障方案的费用-效能关系。

6) 2级维修体制比3级维修体制的平均故障修复时间要长，几乎达到2倍，表明2级维修体制在故障反应速度方面要明显劣于3级维修体制，且在基层级，其备件品种更复杂。然而2级维修体制费用最少，且不用在中继级配置技术人员。

5结论

笔者借鉴其他装备维修保障领域先进经验，以费用-效能、保障资源为约束，研究了接收机维修保障方案评价方法，建立了4种典型的接收机维修保障方案，并通过仿真系统实现了维修保障方案评价，分析了每种方案的优缺点及其适用情况，为研制阶段维修保障性指标的论证和使用阶段选择接收机维修保障方案提供了有益指导。

参考文献：

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[2]王乃超, 康锐. 多约束条件下备件库存优化模型及分解方法[J]. 兵工学报， 2009， 30(2)： 247 -251.

[3]王赫巍， 许诚， 王腾飞. 装备维修保障方案现状及发展分析[J]. 中国科技信息, 2014, (10): 194-196.

[4]徐宗昌. 保障性工程[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2002：244-246.

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[6]单志伟. 装备综合保障工程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008: 138-144.

[7]郭勇陈, 沈洋. 基于离散事件仿真原理的多主体仿真控制方法[J]. 计算机仿真, 2015, 32(6): 349 -355.

[8]曹军海, 李建明. 复杂系统的RMS仿真建模方法研究[C]∥装备保障科学与技术论文集. 北京: 军事科学出版社, 2004: 10-16.

(责任编辑: 王生凤)

Simulation Evaluation of Maintainance Support Scheme of Satellite Navigation Receiver

KONG Min1, 2, XU Zong-chang2,GUO Liang3, ZHANG Yong-qiang2

(1. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China;2.Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;3.First Cadet Company, Shijiazhuang Mechanized Infantry Academy, Shijiazhuang 050085, China)

Abstract：Aiming at the concurrent phenomenon of excessive and insufficient maintenance existed in maintainance support of satellite navigation receiver (receiver for short), taking maintainance support cost, efficiency and support resource cost as constraints, improving efficiency-cost ratio as aims, the method to evaluate maintainance support scheme of receiver is studied and the simulation evaluation model of maintainance support scheme is constructed. By simulating the maintainance support process of receiver, it realizes the evaluation of four maintainance and support plans of receiver. The research production can supply helpful guidance for demonstrating support index and making decision of maintain and support plan of receiver.

Key words:maintainance support scheme; maintainance support cost; efficiency; support resource cost

文章编号：1672-1497(2016)02-0026-06

收稿日期：2015-12-05

作者简介：孔敏(1975-)，女，工程师，博士。

中图分类号：E92；TN965.5

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.006