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1)为M&
S开发一个通用的技术框架;
2)提供对自然环境及时而权威的表达;
3)提供对系统的权威的表达;
4)提供对人类行为的权威表达;
5)建立一个M&
S基础设施,满足开发和终端用户的需要;
6)共享M&
S带来的益处。
根据这一计划,在DMSO的领导下,国防部的体系结构管理工作组(AMG)于1995年开始制订HLA(High-LevelArchitecture,高层体系结构)。
制订HLA的目的是为国防部的所有仿真系统确立一个统一的技术体系结构,它能够增强仿真系统之间的可互操作性和可重用性,并提高仿真系统的仿真能力和效费比。
HLA是实施全国防部建模与仿真通用技术框架
(CTF)的关键步骤,也是其基石。
以HLA为基础的先进建模与仿真技术为将大量不同的计算机仿真系统、现实作战系统和武器系统仿真器集成在一起创造了条件。
由此而产生的“系统的系统”将为地理上分布的用户一战斗人员、武器系统开发商、使用分析人员,提供一个具有实时交互能力的人工环境。
HLA为国防部提供了促进功能不同的仿真系统之间的可互操作性以及重用仿真系统模块的必要工具。
从1995年开始,HLA已经经历了四个发展阶段:
初始定义阶段、基线定义阶段、IEEE标准化阶段和推广应用阶段。
1999年12月HLA已经被批准为IEEE标准,目前已经进入推广应用阶段。
国防部已经将HLA指定为国防部所有仿真系统的标准技术结构,并要求以HLA取代分布交互式仿真(DIS)和集成仿真协议(ALSP)。
国防部还要求到1999年将不再投资开发或修改不符合HLA标准的仿真系统,到2001年将不再使用不符合HLA标准的现有仿真系统。
HLA已经得到了国防部各部门、广大工业界、国防软件开发商、国际仿真社团等的广泛支持和接受。
国防部以HLA为标准,正在开发超过25种的各种用途的仿真系统,它们主要涉及训练、分析和采办等应用。
国防部还正在开发一个原理样机运行基础设施(RTI)软件,它被用于建立和运行使用HLA的原理样机,这一支持性软件可以用来开发、验证HLA规范中要求的功能,并提高其置信度。
采办、装备保障及RMS仿真一直是美国国防部建模与仿真技术应用的重点领域,也是国防部节约采办开支、缩短装备开发周期、提高装备战备完好性和装备保障保障的费效比的有效手段。
从19世纪70年代以来,国防部及各军兵种先后开发了多种大型的仿真系统,如LC0M、TIGER、TSAR,ACIM、CALM、THUNDER,ARROWS模型等,这些模型有些还在使用和改进,但由于技术陈旧或者不符合HLA标准,多数已经停用。
从1998年开始,国防部开始实施HLA过渡计划,对一些现有的模型和正在开发的模型进行HLA标准的转换,而近些年新开发的装备保障模型,均采用了HLA规范,如LOGSIM,SIMULOGS,ELIST、L0GAM等。
2)国外典型后勤仿真模型举例
a)LCOM模型
LCOM(LogisticsCompositeModel)是一个基于蒙特卡洛、资源排队论、系统丁程的仿真工具,创建于20世纪60年代末,是由美国空军后勤司令部航空系统中心(ASC)发起,美国兰德公司与空军后勤司令部共同合作开发的装备评估与分析仿真系统。
LC0M最早主要用于空军维修人力资源与飞机出勤率的研究,目前它被作为一个策略分析工具使用。
它的特点在于,能够将基地级的维修保障资源相互联系起来,并分析它们对飞机出勤率等与装备的可靠性、维修性、保障性关系很密切的性能参数的影响。
LCOM模型的用途主要包括:
(1)确定最优的后勤资源组合,这些资源主要包括人力、备件、保障设备和保障设施;
(2)评估维修需求、工作负荷、维修策略、保障方案等因素的变化对装备使用效能带来的影响;
(3)评估备选设计方案的保障性;
(4)用来实施灵敏度分析,分析的因素可以包括飞机固有性能、零件/子系统可靠性、维修策略/规程、基地管线时间、备件数量、保障设备、设施、人力和其他资源、涂层/密封修复时间、飞机周转时间、出勤率、出动时间、已部署飞机的数量、分散的工作位置、磨损、改良诊断/可达性、任务综合、关键与非关键维修等;
(5)LCOM的输出可以输入费用模型来进行寿命周期费用分析。
LCOM模型目前被广泛地用于后勤、可靠性、维修性、保障性的权衡、分析等领域,曾主要用于飞机,但也适用于各种武器系统。
目前美国防部采办部门将其广泛地用于各项武器系统的采办,如F-16、F-22、C-17、CV-22、JSF等项目。
20世纪90年代中期,LC0M曾经历了用F-15E在“沙漠风暴行动”中的数据进行的检验,结果证明LC0M是一个非常准确而有效的仿真模型。
目前LCOM模型正在进行改造性开发,改造的最终目标是将LCOM改造为基于最新技术、能够在PC机上运行、运行效率高旦易于使用与维护的、集成的、便携式桌面分析软件包;
同时在保留其原有功能的基础上,使LC0M能够支持对具有多个使用基地、具有多种武器装备的复合型系统的仿真分析。
改造计划还通过向HLA规范的过渡,使LCOM模型具有更好的系统兼容性、可互操作性、可重用性以及软件可移植性和便携性。
b)OPUS10模型
OPUS10是由瑞典系统与后勤工程公司(SYSTECON)开发的一个多功能计算机仿真模型,它可以用来解决与后勤相关的各种问题,如后勤方案、后勤费用、系统可用度等。
它是能够在备选的后勤保障机构、系统设计参数、维修策略、库存策略、商业利益等问题之间进行权衡的研究与决策工具。
与其他模型相比,0PUS10具有更通用、更强大的建模能力,这主要体现在以下几点:
3) 基本上不受保障级别、不同器件的数量以及装备结构深度等方面的限制;
4) 能够处理保障机构和装备分解结构中的跳跃和不对称情况;
5) 具有模拟通用器件和多系统通用子系统的能力;
6) 支持对可修与不可修件的寿命周期保障费用的建模;
7) 支持对不同维修策略(换件维修、修理与更换)的建模;
8) 可以同时考虑来往于各保障站点的运输时间,而其他模型通常只考虑从保障站点到达的运输时间;
9) 允许对受多个站点保障的站点进行建模,允许对相同器件的修理时间片断或者按器件类型对需求流进行不同保障站点的分流进行建模,这是在现实应用中越来越普遍的情况,其他模型通常不支持这种建模;
10) 在保障方案的优化过程中考虑横向或变通保障问题,以及延期交货优先性的问题,能够大大降低费用;
11) 对不可修单元和部分可修单元采用不同的算法,这样可以得到更精确的结果;
12) 在对保障方案的优化过程中,该模型还对系统级单元考虑最佳的修理位置(级别),而其他模型通常是通过与专用的修理级别模型接口来获取相关信息;
13) 考虑并模拟错误的更换、非故障报废因素;
14) 对系统的建模层次包括组件、LRU、SRU、部分可修LRU、部分可修SRU、报废元件、报废零件。
OPUS10是一个经历了30年开发的优化的软件模型。
它在确定备件需求方面与其他方法相比,达到了前所未有的精度。
通过用户的使用评价,认为该模型可以使用户实现:
•降低维修费用(超过50%);
•降低备件费用(通常可达到20〜30%);
•在给定预算的条件下实现更高的系统可用度;
•降低与大量备件库存有关的其他费用(储存、登记、员工工资等);
•最小化参数(价格、故障率、周转时间等)变化带来的风险,其确定的最优结果具有很低的敏感性;
•模拟非常灵活的供应保障活动;
•比较不同的备选方案;
•确定优化的备件配置/分类;
•确定最优的维修位置;
•选择最具效费比的解决方案。
OPUS10可用于产品寿命周期的所有阶段,特别是在产品的早期设计阶段,效益更加显著。
OPUS10已经被成功地应用在许多不同的、积极寻求降低保障费用(备件、维修等)、同时保持或提高产品的可用度的领域,例如飞机、铁路、雷达、电讯、国防和钻井平台等。
OPUS10目前在全球有500多个用户,其中包括10个国家的空军、6个国家的陆军和3个国家的海军,以及大量的大型公司和机构,如BAE系统公司、波音、洛克希德马丁、SAAB、DASA,CASA、Alenia、Alvis、Agusta和Celsius等。
2.1.SCOPE模型供应链运行性能评估器(SCOPE)是美空军建模中心(AFMC)开发的一个后勤仿真工具。
它是一个用SIMSCRIPTII.5仿真语言开发的随机事件仿真模型,它提供了对后勤策略和规程变更对武器系统可用度影响进行量化分析的功能。
它模拟从基层级到基地级的整个后勤保障机构。
该模型可用于处理LRU和SRU两个装备结构层次,基层级维修、中继级维修及基地级三个修理级别的备件数据。
该仿真模型可以监视多达20种不同武器系统、在有限数量的基层级站点、具有多种零散供应和批量供应策略时的装备可用度。
例如,SCOPE可以评估备选的策略中,横向补给、基地周转备件、备选分配策略、备选的修理计划策略、调拨以及以战备完好性为基础的库存等与系统可用度的潜在影响关系。
SCOPE的输入数据由100多种不同类型的输入组成。
主要的输入类型包括:
运输时间、武器系统特性、零散供应与批量供应特性、单个器件特性和一些用户指定的选项。
其中:
运输时间包括考虑零散供应机构的供应与维修机构之间流动次数、从批量供应到零散供应级的订货与装货次数(OST)、退货次数和横向补给次数的标准装货量和优先装货量。
武器系统(可以仿真多至20种)的特性包括每月使用小时、武器系统使用的主要LRU以及武器系统运行需要用到的每种LRU的数量。
零散供应机构的特性包括基层单位数量、每个基层单位中各种武器系统的数量、对每个基层单位在平时与战时的可用度要求以及修理能力级别。
备件的特性包括每个运行小时的故障率、在每个修理级别的修复率、在每个修理级别被修理的故障元件的每种子元件的更换率、修理可修件的基地和区域修理车间的名称、修理时间、维修车间的接受能力以及批处理的使用。
用户提供的选项包括制订分配备件的优先性、建立退货优先性、设置横向补给的规则、制订每个维修级别的备件配置水平以及规定武器系统在具有多个供应源和修理资源时的基地级维修预算。
SCOPE的主要的输出是武器系统的可用度。
仿真模型监视每天不可用武器系统的数量并计算整个武器系统中的可用武器系统的百分比o其他的输出结果包括零散供应和批量供应级保障单位之间的出货的类型(标准的或加快的)和数量,以及零散供应单位之间的横向出货量。
SCOPE还统计许多第二层次的参数,如零散供应级和批量供应级修理活动的数量等,也统计许多第二层次的供应变量,如供应可用度、报废系统的可重利用率、修理车间利用率以及在基地级等待维修的可修备件(AWP)的数量。
SCOPE已经被用于评估以下这些方面:
•设置零散供应级与批量供应级的供应水平;
•为基地级的可修件编制修理计划;
管理横向补给;
当批量供应级单位缺货时为备件确定分配的优先性。
SCOPE可以支持国防部中丁程项目管理、后勤管理、供应链管理、丁程管理等部门的决策制订和评估等工作。
SCOPE可用于大多数标准的个人电脑系统,兼容于各种版本的MicrosoftWindows操作系统。
2.2.SALOMO模型
SALOMO(SingleAirbaseLogisticsModel)是荷兰皇家空军与TNO-FEL公司合作开发的一个后勤仿真模型。
该模型目前主要用于飞机在和平时期的使用与维修分析。
该模型的开发,主要出于这样的军方需求:
在和平时期,皇家空军要求每个飞行员必须完成年度性的飞行训练科目以保持其足够的专业技术水平;
而同时皇家空军中受NATO管辖的一定百分比的F-16战机按规定必须保持一定的执行任务的能力,这两项要求往往是冲突的。
一方面FT6的使用必须满足飞行员年度的飞行训练任务;
而另一方面FT6的使用会导致故障以及可执行任务能力的持续的降低。
为了解决以上问题,必须使得飞机的使用过程,包括飞行和准备工作(如载弹、加油和恢复等)得到预防性维修、修理、备件保障等后勤过程的良好保障。
由于这些过程之间具有很强的交互性,预计有关F-16维修与使用过程的管理决策的后果是非常困难的。
因此,荷兰皇家空军与TN0-FEL开发了SALOMO仿真模型,它能够预计一个空军基地的多个重要的性能,如每个飞行员的飞行小时和F-16的能执行任务率等。
为了研究使用过程与后勤过程之间的关系,或者对比一些可能的维修与使用策略,用户可以通过改变SALOMO的输入参数来仿真不同的备选方案。
因此,SALOMO提供了一个很好的决策工具,能够使分析人员观察这些过程对F-16地部署水平和飞行员技术水平的影响,从而支持对空军基地的管理。
SALOMO目前主要被荷兰皇家空军司令部和空军基地使用,作为它们的F-16维修与使用策略的一个决策支持系统。
SALOMO可被用于预计多种因素对空军基地性能的影响程度,如人员、额外维修站点、防区外行动或飞行计划的变更等。
此外,荷兰国防大学将SALOMO用于教育目的,使学生能够计算和分析多个备选方案的效果,从而促进他们研究空军基地中后勤与使用过程的关系。
TNO最近已经开始开发一个SALOMO的适用于直升机的版本。
该模型将被称为HELOBASE。
第一个版本的HELOBASE将特别为阿帕奇直升机开发,还将陆续开发适用于所有类型直升机的版本。
2.3.LOGAM模型
LOGAM是美国国防部开发的符合HLA规范的后勤仿真模型。
LOGAM模型使用确定性和随机性过程来辅助后勤工程人员在装备系统的全寿命周期中对系统的设计或使用、系统效能以及寿命周期费用(LCC)进行分析和权衡。
LOGAM为后勤工程人员提供了300多个不同的参数用来描述其系统和使用想定。
这些数据元素可以分为五个输入类别:
标准数据元素、系统特有数据元素、LRU特有■数据元素、TOE数据元素和模型控制数据元素。
LOGAM能够计算效能和后勤保障需求以及费用,包括系统的固有和使用可用度、初始保障需求、供应件与修理件需求、测试设备需求、测试与修理人员需求、系统后勤保障费用等。
2.4.
LOGSIM模型
LOGSIM是一个由美国SPARTA公司开发的离散事件仿真模型,用于模拟任何系统地面单位的维修活动。
LOGSIM利用有关各维修设施和可能发生修复性及预防性维修活动以及任务位置间的距离信息、人员数据(轮班次数、每轮班小时数、加班量、在位率)、修理和可靠性、维修性数据(MTBF、MTTR等)。
LOGSIM模型通过使用离散事件仿真对兀件的可靠性特征及与这些因素相关的交互行为进行模拟来用于制订后勤保障需求。
LOGSIM提供了大量的输出,包括单个元件状态的发展过程、人员利用率和库存使用率等,还可确定全系统的可用度。
该模型还可用于确定系统元素的关键参数,如MTBF等,同时在多个关键参数之间进行权衡。
这些权衡工作可以被用来为整个防务系统分析技术和费用的驱动因素。
LOGSIM模型可被用于多种目的。
它可以提供每一个项目和资源在想定中任何一个给定时间点的状态。
这一点在它与已部署系统的仿真器的接口时是非常有用的,包括与那些如TMD、NMD等防务系统的使用相关的仿真系统。
通过模拟不在位时间、人员轮班、进行维修时的人员不可用度、位置对战备完好性的影响、安全入侵(真实的或虚假的)以及其他非确定性的后勤影响因素,并提供仿真过程中各个项目的状态,模型可以实现非常真实的演习。
2.5.TOPSAM模型
TOPSAM模型是美国国防部拥有的一个军用系统后勤仿真模型。
它可以将一个军用系统综合入一个已制订好的使用想定中,评估系统的使用与保障(0&
S)需求和费用或者系统与系统的保障机构的功能。
它的主要目的是提供一个设计权衡工具,该工具对主装备的技术特性,特别是可靠性、维修性和保障需求具有敏感性,此外对部署机构的结构和维修策略同样具有敏感性。
当确定基线系统和机构的人力和其他保障资源需求以及相关的0&
S费用时,TOPSAM根据组织与装备表(TOE)或者配给与津贴表(TDA)中给定的军事专业(MOS)和丁资级别层次来确定人员。
在装备硬件工作分解结构(WBS)上可以处理到SRU或更低级别。
该模型可以接受任何数量的备选设计或保障方案,并以人员、装备和费用偏差报告的形式确定其需求和保障费用。
3) 国外后勤仿真建模的基本特点
通过对国外诸多后勤相关仿真模型的研究和分析,我们将当前国外后勤仿真建模研究的基本特点归结为以下几点:
1.以对武器系统及其后勤保障系统的建模为核心。
后勤仿真建模的关键体现在任务建模、系统建模、保障资源建模和使用与维修活动建模四个方面。
任务建模以对任务或者装备系统的使用想定、使用方案为建模描述对象,以适当的形式表现任务的发生、任务剖面、任务内容、任务时间、任务约束、任务成功条件以及任务执行中突发事件的处理等。
对任务的建模水平将直接影响仿真系统与真实使用环境的逼真程度,直至影响到模型的仿真结果。
目前国外的大多数仿真模型都能够以真实的作战与训练任务需求为输入,分析可能的任务结果和需要的保障。
因此能够很好的满足军方的实际需要。
系统建模是对武器系统本身的建模,现有的仿真模型对系统的建模深度根据其用途各有不同,较高级的模型,能够实现到零部件级的建模,但通常最低也能达到LRU和SRU级。
对系统的各个要素的建模要求对其可靠性、维修性参数进行描述,并能够通过所给参数,模拟各要素工作、故障、修理等活动;
另外高水平的仿真模型,能够高度逼真地模拟系统的工作过程,如系统中各零部件在不同任务剖面下的运行比,系统中冗余设计部分的工作,系统中零部件故障造成的二次效应等细节,这些系统行为的仿真,需要模型具有很强的建模能力和采用先进的仿真建模技术。
对保障资源的建模也是后勤仿真模型中一个很关键的问题,它主要涉及对各种保障资源的分类、定量、配置和优化。
对保障资源的建模,通常考虑的资源类型包括:
人力、备件、保障设备、保障设施等。
对资源的建模时一个很重要的问题是要考虑装备使用部门的编制体制、装备的维修体制(三级维修或二级维修等)和维修策略(换件维修等)、维修机构的级别、数量、地理位置和相互之间关系等,目前大多数的后勤仿真模型均能够考虑到以上问题,特别是多级别的装备维修体制等。
有些模型还考虑了多个同级别供应部门之间的横向补给等问题,如OPUS10,SIMLOX等。
对系统中使用与维修活动进行建模,可以说是后勤仿真最关键的一步,这一工作需要对系统中可能发生的各种类型的使用与维修活动进行描述,特别是系统要素之间的交互行为,如任务需求与待命的装备之间、故障的装备与零部件的供应机构之间、故障件与维修机构之间等。
通常需要运用行为网络建立系统中各环节的行为网络图,这些网络图将作为仿真系统进行运行控制的依据。
2.以系统的可用度、寿命周期费用、资源的利用率、任务的成功率等系统总体指标作为评价系统备选方案优劣的关键参数。
后勤仿真模型的主要功能包括:
•对系统的可靠性、维修性和保障性特性进行评估以找出造成系统可用度或费用降低的关键因素;
•对系统的使用方案进行分析,确定应当提供的后勤保障活动;
•对系统的备选保障方案进行评估,确定最经济有效的保障方案;
•对系统的保障方案进行分析,优化资源的配置和资源的使用、供应策略;
•确定其他与装备的后勤保障相关的问题的最优解,如零部件最佳的维修级别、最佳的预防性维修间隔期等。
这些目标的实现,是通过对系统的整体在一定的时间内进行运行模拟,再通过对运行结果的分析而实现的,在这一过程中,系统所表现出来的是总体性的行为,反映的是系统的总体特性,如可用度、寿命周期费用、资源利用率等,通过这些指标来评价系统的设计、使用、维修和保障方案的优劣,更符合系统使用方的需求和所关心的实际问题,这也是模型具有现实应用意义的关键。
3.面向复合型对象系统的建模与仿真。
早期的后勤类仿真模型,通常以一种类型的装备组成的系统为建模研究对象的,而现实中,武器装备的使用部门,通常同时装备着同种装备的多个版本或者完全不同的多种装备,或者更加复杂的情况。
因为现代高科技兵器的模块化、通用性不断增强,对一种装备的保障问题必须与同时装备的其他装备的保障问题综合起来考虑,这样才能更加有效地提高保障的质量和费用效能。
目前各国军方对复合型系统的仿真需求逐渐增长,因此大多数仿真模型,特别是新开发的系统,均开始考虑对复合型系统的建模与仿真,如LCOM、OPUSIO,SCOPE等。
4.重视模型的标准化
随着美国防部HLA标准的出台,仿真模型的开发有了可依据的规范,也为模型之间的互通、互联、集成以及模型的可重用性奠定了基础。
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