基于任务的复杂武器系统可用性仿真研究

0 引言

可用性是指产品在随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作和可使用状态的程度，其概率度量称为可用度。复杂的武器系统既有电子设备，又有机械、光电等设备，在故障间隔时间的分布上，除简单的指数类型外，还有正态、威布尔类型等；另外，武器系统在执行作战任务时，可能分多个任务阶段。在此评估可用性，如采用传统的数学方法评估，计算复杂，不能根据具体任务反映系统的动态可用性，也不能综合反映系统在住务期间执行任务的成功率和影响任务成功率的关键设备。故对基于任务的复杂武器系统可用性仿真进行研究。

1 仿真建模

1.1 可用性影响因素分析

考虑可用性时，通常以可用度作为分析实体。可用度可分为固有可用度、可达可用度和使用可用度。使用可用度能较好地反映作战环境下的可用性，将以使用可用度为研究实体。影响该指标的主要因素很多：1)系统的可靠性，包括系统的可靠性结构、组成系统各单元的可靠性参数；2)系统的维修性，影响要素有故障分系统的实际维修时间、保障延误时间和管理延误时间；3)系统所执行的任务，在武器系统的一个任务剖面中，通常可分割为几个任务阶段。不同的任务阶段，武器系统中参与工作的分系统的数目不一定相同(如自行高炮在停止时间射击时，其底盘分系统就可以看作非工作状态)，从而整个系统的可用性也不同。

1.2 仿真模型的建立

蒙特卡洛法(Monte-Carlo)的仿真是寻找一个概率统计的相似体，并用实验取样过程来获得该相似体的近似解。系统状态(故障、工作、待命等)是时间连续、状态离散的马尔科夫过程，每一状态的转移时间都是服从某一分布的概率值，运用蒙特卡洛法产生服从这些分布的随机数，最终通过分析这些数据得到系统可用性的近似解。

1)数据初始化。仿真开始前，要明确系统所要执行的任务，划分出不同的任务阶段，可得到系统在不同的任务阶段所参与工作的设备。数据初始化主要是明确各部件的可靠性、维修性、保障性参数；使用规则(保障、维修政策)；任务允许停机时间等。

2)MC试验。在每一个阶段任务中，设任一分系统状态转移的分布函数为Fi(X)，可以证明Fi(X)是在[0，1]上服从均匀分布的一随机变量。通过计算机可产生服从该分布的随机数μ，令Fi(X)=μ，则反求出的x=Fi-1(μ)就是满足分布函数为Fi(X)的随机数。假设某设备的可靠性服从指数分布，则根据以上方法可得到设备的随机寿命T=-MTBF×ln(μ)，其中MTBF为设备的平均故障间隔时间。

3)仿真推进。首先建立系统状态列表，以最早促使系统状态改变的事件发生的时刻为节点(如：仿真开始首先产生各部件的故障时刻Rti，找出最早的故障时刻Rtm=min(Rti)，则可以认为部件m在该次仿真中发生了故障，然后针对该部件产生其维修时间)，确定仿真步长。当满足仿真次数后，跳至下一个任务阶段，按照以上同样的方法确定仿真的步长，推进仿真时钟，依此直至仿真结束。

4)统计输出。主要用来建立各种参数的统计输出模型和给定置信水平的置信度模型，是可用性仿真的核心和目的。统计输出主要包括：

(1)使用可用度

使用可用度可以描述为系统能工作的时间和整个任务时间的比值，在仿真中可以用式(1)计算：

其中n为总仿真试验的次数；m为一次任务中所分的任务阶段总数；T为系统的任务时间；Tij'为第i次仿真试验中第j个任务阶段的系统停机时间。