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复杂工程系统的典型范例:航空母舰航空指挥和保障系统
发布时间:2022-10-01 11:25:23 来源:华体会登录网站 作者:华体会网址注册

  航空母舰作为国之重器,是大国海军的重要标志,也是现代海军作战力量的核心。而航空指挥和保障系统作为“舰-机”协同的纽带,直接影响航空母舰舰载机作战能力的提升,其核心指标是“舰载机出动架次率”。航空指挥和保障系统涉及母舰、舰载机、指挥和保障设施及人员等多个复杂平台,是一类典型“人机环”协同的复杂工程系统。

  本文首先系统分析了航空母舰的发展历程,围绕舰载机运用模式和特点,总结了航空指挥和保障系统内涵和特征,重点阐述了航空指挥和保障在架次率生成中发挥的作用,并以系统工程理论方法为指导,以工程实践为基础,全面总结和梳理了航空指挥和保障系统设计理论方法,为复杂工程系统理论方法的再发展提供了有力支持。

  世界一流的国家都拥有一流的海军,而一流的海军必须拥有一流的舰载航空力量。航空母舰在20世纪的出现,既改变了海战史,也改变了世界格局。航空母舰的发展是和舰载机、动力技术、电子设备、武器装备的进步以及相关材料和信息技术的发展分不开的,而这些技术和装备的有效组织和形成能力,又与系统科学和系统工程的发展息息相关。

  纵观航空母舰发展的整个历程,划分阶段或类别的方式有很多,可以按照舰船的改装、新建,也可以按照吨位大小,也可以按照动力装置的变化,也可以参照舰载机的升级换代,甚至可以按照起飞方式等,但是归结起来,一般可划分成四个阶段。

  初期改装的航空母舰可以称为第一代航空母舰,这一代航空母舰主要是用货船改造的,甲板是木制的,飞机以双翼为主;第二代航空母舰是在总结飞机上舰各方面不足的基础上,专门为作战飞机上舰建造的,单翼飞机开始变成主流,1922—1945 年建造的航空母舰已初具规模,并在第二次世界大战中大显身手;第二次世界大战后建造的现代航空母舰为第三代航空母舰,以喷气式飞机、预警机上舰和核动力装置为特点,以尼米兹级为重要标志;“福特”级航空母舰的出现,开启了第四代航空母舰的序幕,以信息技术为支撑,在智能、无人机应用上开始新的海上霸主竞赛。

  飞机上天,把陆战发展到空战,法国大发明家克莱门特·艾德尔在《军事飞行》一书中第一次描述了载机母舰的概念,从此开始了航空母舰的发展历程。

  1910年11月,美国飞行员尤金·埃利首次驾驶“柯蒂斯”双翼机从巡洋舰“伯明翰”号前部加装的平台上实现了起飞;次年1月,埃利驾驶飞机又在停泊状态的装甲巡洋舰“宾夕法尼亚”号后部加装的平台上利用飞机尾钩钩住制动索着舰成功,这两位勇士的历史性起飞和降落,证明了在舰上起降飞机的可行性,标志着航空母舰雏形的诞生。

  在第一次世界大战中,英国海军首先开始了航空母舰的改装研制工作。他们将一艘运煤船改建成航空母舰,命名为“皇家方舟”号(见图1)。虽然从时间维度上看,“皇家方舟”号可以称得上是世界上最早的航空母舰,但严格地说,“皇家方舟”号搭载的是能在水面起降的水上飞机,由母舰上的起重吊杆将飞机吊到水面然后起飞,飞机在水面降落后将其吊回到甲板上,所以它其实是“水上飞机母舰”,而不是真正意义的航空母舰。

  1918年,第一次世界大战后期,英国海军将一艘大型巡洋舰“暴怒”号(见图2)的前、后甲板上的主炮塔拆除,铺上木制的飞行跑道,以甲板中部的上层建筑为界,舰首的跑道供飞机起飞,舰尾的跑道供飞机降落。“暴怒”号因此成为最早出现的由军舰改装而成的、具有飞机起降功能的航空母舰。由于舰载机的起飞跑道和降落跑道分开铺设,使得在一艘本来长度就极其有限的航空母舰上,起飞和降落的两个跑道都显得过于短小,只有为数极少的特别优秀的飞行员驾驶易于操纵的小型飞机,才能完成舰上的起降作业。同时,分段设置的跑道也不利于搭载更多数量的舰载机。

  人们很快便找到了解决这个问题的有效办法,那就是去除两段跑道中间的上层建筑。1918年9月,英国海军将正在建造的一艘客轮改装成具有全通式飞行甲板的航空母舰“百眼巨人”号(见图3)。在改装中将“百眼巨人”号原有的烟囱全部拆除,改装成从主甲板下面通向船尾的水平排烟道。由于整个飞行甲板非常平坦、空旷,几乎看不到任何上层建筑,因此,这种全新模式的航空母舰,又称为“平原式航空母舰”。

  美国人奋起直追,于1922年把一艘运煤船改装成了美国海军的第一艘航空母舰—“兰利”号,与“百眼巨人”号一样,它也是一艘典型的平原式航空母舰,舰体的最上方是宽阔平坦的全通式飞行甲板。整个军舰的上部用支架撑起一个飞行平面,就像一辆“带篷马车”一样。烟囱被放倒,桅杆被拆除,指挥塔被布置在全通甲板的下面。

  从“百眼巨人”到“兰利”号,英美两国海军经过艰难探索和反复试验,终于相继改装出了第一代航空母舰,这在世界航空母舰发展史上是一个里程碑。第一代航空母舰都是用其他的军用或民用舰船改装而成的,是因为当时各国海军对这种新型舰种应该具有一个什么样的模式缺乏明确的认识,因此这些军舰的改装过程,带有明显的试验性质。但多次改装试验所带来的经验和教训,必然会使具有真正意义的航空母舰诞生。

  经过多年探索,特别是经过第一次世界大战中海战的检验,当时的海洋强国在航空母舰的设计、建造和使用等方面,都积累了很多经验,也汲取了很多深刻教训,对下一代航空母舰的本质有了一个更为清晰的认识。第二代航空母舰才开始是真正为适应搭载作战飞机的需要而专门设计建造的,因此,称为具有“纯正血统”的航空母舰。

  1922年12月,日本帝国海军的第一艘航空母舰—“凤翔”号诞生了(见图4),它被认为是世界上第一艘真正的航空母舰。“凤翔”首次采用了岛式上层建筑,一个小型的塔式舰桥被设置在飞行甲板的右舷,其上面带有三角桅杆。在岛式建筑的后面,有三个可同时向外侧排放的烟囱。但是,新事物的探索总是历经坎坷,1923年,经过试航后,日本人认为该舰的飞行甲板比较狭窄,岛式上层建筑在舰载机起降时非常碍事,遂决定拆掉岛式上层建筑。这样,第一艘“纯正血统”的航空母舰“凤翔”号又退回到第一代航空母舰的平原式。

  英国不甘落后,推出了全新的“竞技神”号航空母舰(见图5)。这艘航空母舰采用封闭式舰首,在巨大的全通式飞行甲板上,一个环绕着烟囱的大型舰岛被配置在舰体的右舷。由于“凤翔”号的半路夭折,“竞技神”号航空母舰实际上成了第一艘真正采用岛式上层建筑的航空母舰,此后,世界各国新建造的航空母舰,几乎都采用了类似的岛式结构,并且一直沿用至今。

  在新型航空母舰发展的热潮中,各国海军到第二次世界大战前夕已建有相当数量的航空母舰,比第一次世界大战结束时翻了将近一番。在建造这些航空母舰的过程中,人们已经认识到,由于全通式飞行甲板是沿船舶首尾正向直通的,舰载机无法同时起飞和降落,致使起飞回收轮转很慢,舰载机的出动架次率很低,飞机作用发挥不显著。为了解决这些问题,人们开始考虑将飞行甲板划分成起飞区和降落区,但如何在更短的距离上起飞成为难题和焦点。于是,当时由于飞机质量小、起飞距离短而未受重视的两项关键技术—弹射器和阻拦装置开始大显身手了,使得飞机的出动架次率得到显著提升。

  航空母舰在战争中初建功勋是1940年11月11日,英国海军的“光辉号”(见图6)航空母舰出动鱼雷轰炸机编队攻击了塔兰托港内的意大利海军并且击沉一艘,击伤三艘战列舰,此举使美国等海上强国意识到属于航空母舰时代线 “光辉”号航空母舰

  经过第二次世界大战的洗礼,航空母舰备受各国青睐,航空母舰的主要形式、关键设备和飞机的起降方式及基本的作业规则开始成型了,也为未来航空母舰的发展奠定了坚实的基础。

  1946年7月,第一架“鬼怪”喷气战斗机在美国海军“罗斯福”号航空母舰上弹射试飞成功。这种在质量和航速方面都比螺旋桨飞机高好几倍的喷气飞机使航空母舰面临着严峻的考验,引发了多种航空母舰甲板和关键设备的新变化。

  首先,由于喷气飞机的速度较快,万一飞机的尾钩没有钩住阻拦索,高速前冲的飞机将会撞坏前端待飞的其他飞机。1951年8月,英国海军航空局创造性地提出了斜角甲板的设想,即让中后部飞行甲板与舰体中心线°斜角突出于左舷。这样,飞机着舰时如果尾钩未能钩住阻拦索,飞行员可以从斜角甲板上重新拉起复飞,避免了与甲板前部的飞机相撞。1952年2月试验取得圆满成功后,这一成果很快被推广到其他国家的航空母舰上。这也导致了降落方式由飞行员收油门到开加力、大攻角的转变。

  其次,它导致了新型弹射器的问世。由于飞机质量的增加,预警机等大飞机的上舰,给弹射飞机带来了更高的要求,于是从液压弹射器到蒸汽弹射器就成了必不可少的需求。弹射器的研制在当时有很高的技术门槛,“滑跃”起飞甲板的出现,使飞机在滑行通过这段上翘斜坡时能产生一个向上的动量,实现滑跃起飞。英国、意大利、西班牙和印度等国的航空母舰上都曾设有这种“滑跃起飞”斜坡,俄罗斯的航空母舰“库兹涅佐夫”号是成功应用这一成果的典范。我国的辽宁舰和山东舰也采用了这种方式。

  最后,它促进了航空母舰助降手段的不断进步。在喷气飞机出现之前,飞行员依靠引导官手中的信号旗来着舰。喷气飞机上舰后,其较高的接地速度使经验丰富的引导员也无法胜任工作,飞机降落事故频频发生。为此,人们苦苦寻找着新的助降办法,从反射式助降镜到“菲涅耳”透镜式光学助降镜,再到助降雷达,并在飞机上装备了相应的接收设备,组成了“全天候光学雷达助降系统”。自此,舰载飞机在任何时候、任何气候环境下都能连续不断地降落到航空母舰甲板上。

  航空母舰是个高耗能的海上“巨无霸”,如何实现无限航程和隐身等目标,核动力无疑成为最佳选择。1961年,世界上第一艘核动力航空母舰—美国海军9万吨级的“企业”号正式服役,把航空母舰的发展推向了一个新高度,企业号也是向第三代航空母舰的标志舰“尼米兹”级航母(见图7)过渡的关键一级,也是该级唯一的航空母舰。

  美国CVN78被正式命名为“福特”级首舰“福特号”(见图9),虽然该航空母舰看起来与“尼米兹”级没有多大区别,二者的排水量相差仅不到一万吨,但是“福特”级的高强度出动架次率达到270架次,比“尼米兹”级的230架次高出40架次,之所以被定义为新的一级航空母舰,这是美国航空母舰向后信息化、体系化、智能化装备转型的标志,也是未来海战转型的开端,该级航空母舰,可以像“变形金刚”一样应对未来多样化的海战。

  “福特号”是以搭载超隐身F-35舰载机和无人飞机,装备电磁弹射、涡轮电力阻拦、全自动着舰、一体化核反应堆、带状电力分配系统、有源相控阵和信息栅格技术为重要标志的新一代航空母舰,该型航空母舰不仅在装备性能上逐渐向智能化方向演进,更重要的是它开启了新型海上作战模式。“福特”级已经服役一艘,在建两艘,这级航空母舰将如何引领第四代航空母舰的发展我们拭目以待。

  虽然航空母舰最多可搭载80余架固定翼飞机,但由于飞行甲板的限制以及起飞回收转换的要求等,使得并非所有的舰载机都能同时投入战斗。美国的“尼米兹”级航空母舰在舰桥前可停放26架飞机,舰桥左可停放12架飞机,斜角甲板左舷后突出部可停放6~7架飞机。放飞与回收时飞机停放区有所区别,但停放总数为45架。停机区可停放飞机的总数决定了一次回收飞机数量的上限,也决定了航空母舰一个出动波次最多出动飞机的数量。所以一般每个出动波次最多可出动40~45架飞机。F-14战斗机主要用于空战,F/A-18虽为多用途机种,但战斗型与攻击型转换时间长达40分钟到1小时,新的E/F型也要30分钟。所以,航空母舰的设计决定了飞机的升空数量极限。

  连续作业是指一个飞行周期未完,又插入另一个飞行周期,飞行周期首尾相交重叠,以此延续。其优点是航空母舰编队可长时间在空中保持一定的制空能力,从而维持战斗行动的连续性;缺点是相邻两个飞行周期相互制约,均不能太长,一般为70~90分钟,最长为105分钟,不利于实施远程攻势行动;每个飞行周期只能容纳12~16架飞机,攻击力不足;甲板操作周期短,航空母舰必须频繁转向利于飞机起降的航向,严重影响编队在主航向上的平均航速及队形的保持,也使编队燃油消耗增大;甲板作业时间机动余量少,甲板长期占用,人员易疲劳。

  集中作业是指两个相邻飞行周期之间,隔以相对集中和独立的甲板操作周期,相互没有交叉。其优点是每波出动的飞机可多达40~45架,力量集中,攻击力强,可饱和对空攻击或防御;相邻两个飞行周期互不影响,飞行周期可长达200分钟以上,可实施1000千米以上的远程攻击作战;甲板操作周期长,航空母舰转向战斗航向的次数少,持续时间短,航空母舰可保持较高主航向平均航速,编队队形保持好,节省燃油。缺点是除少数大航程预警反潜机外,编队在外防区的空中作战巡逻和中防区的对海作战巡逻有较长间断,作战行动不连续,使编队的对空对海防御体系出现空隙,虽然可以用甲板待战方式予以弥补,但反应时间较长,且与舰空导弹协同困难;飞行周期固定,不利于执行多种任务;每个攻击波次准备时间较长,有时长达4小时。

  架次率是决定航空母舰作战能力的核心指标,根据作业方式不同,一般分为连续出动架次率和集中出动架次率以及高强度出动架次率,美国的“福特”级航空母舰连续出动架次率(12小时)达160架次,高强度出动架次率(24小时)高达270架次。这些高架次率指标的实现需要不同作业的有序衔接,需要上千人和设备的高效协同和分层指挥,并不是一个指挥官指挥全部,而是预先设定好的作业规则的共同遵守和每个智能体(包括人)的自组织协作,在若干智能体的有效协作下,才最终完成架次率的整体目标。这与人的训练程度、协同能力和应急处置能力,以及环境适应性能力都直接相关,这些相关性都会给复杂工程系统带来不确定,因此如何识别和管理这些不确定性,就是复杂工程系统最有意义的研究内容。

  美军每艘航空母舰装有4部蒸汽弹射器,以“尼米兹”级的MKC-13-1型蒸汽弹射器为例,其动力冲程为84.5米,滑机长度近100米,能弹射近40吨重的飞机,弹射加速度3~4g,飞机离舰速度达到175节,每弹射一次消耗淡水1.5~2吨。每个起飞位弹射一架飞机要1分钟至1分15秒,如放飞一个20架飞机的攻击编队,从技术角度计算需25分钟,而实战中整个攻击波次弹射起飞需32分钟以上。

  飞机着舰包括雷达、灯光和阻拦索等一系列装备构成完整着舰引导系统,美国航空母舰的回收能力可以达到30秒一架飞机着舰。目前全自动着舰技术也已经工程应用,这使得以前要求飞行员着舰时必须动作规范、准确,飞机尾钩必须挂在中心线米的范围内,否则会造成飞机的偏心偏航的问题逐渐成为历史,对飞行员的培养和装备的维护保障都可以大大降低。

  飞行员的能力保持和疲劳强度都是战斗力的关键因素,美国航空母舰舰载机与飞行员是按1∶1.5的比例编配的。要求100% 的飞行员具有夜间弹射起飞和夜航能力,其中50%~60%有夜间着舰能力,美军在必要时釆取黎明前弹射,天亮后进行着舰的方法来弥补飞行员不能夜间着舰的不足。每名飞行员的出动强度为2次/日。但为保持飞行员的着舰能力,即使没有作战任务,飞行员每3天也必须弹射、着舰一次,这是轮飞要求。舰载机飞行员对心理素质和身体素质的要求都较高,因弹射、着舰加速度的影响,培养时间长,服役时间一般都不长。

  舰载机起飞质量一般为20~35吨,使用弹射器起飞离舰时速度 达155~157节,加速度达3~4g,已近人体承受极限。为减少对飞行员的身体损害,也为减轻弹射器的磨损,航空母舰通常采用逆风放飞的方式。风速加航速的合成风速可达30~50节,使飞机弹射末速度可降为100~125节。逆风放飞要求航空母舰在放飞和回收时均转向逆风航向。3万吨级航空母舰转向360°,大约需14分钟,6~10万吨级,所需时间更长。一般主航向上飞机起飞和回收,航空母舰平均航速在10~16节,远低于30余节的最高航速。

  舰载机对空作战的主要样式有攻势防空和防御性防空。攻势防空时,E-2C预警机对各类目标的探测距离及为巡逻区的 F-14战斗机提供的预警时间分别为:高空轰炸机(0.85马赫),740千米、39分钟;低空攻击机(1.2马赫),460千米、12分钟;低空巡航导弹(0.85马赫),270千米、11.5分钟。防御性防空时,甲板待战的反应时间=起飞时间+截击时间,大约为8.5分钟。而这段时间,敌攻击机将以0.8马赫,战斗机以1.6马赫向航空母舰接近136~272千米。存在着甲板待战状态截击反应时间不足的危险,这都要求系统站位和流程设计的优化。

  航空母舰对各类物资需求量大,最基本的需求有油料、弹药、食品、淡水和技术支援等。航空母舰的油料需求主要分为航空燃油和舰用燃油两大类。美国的核动力航空母舰只携带航空燃油9000吨,常规动力航空母舰装载航空燃油7800吨,舰用燃油8000吨。舰载机每架次消耗航空燃油8~12吨,以1架次/日出动强度计算,一个航空联队每天耗油700~800吨,航空燃油自持力为10~12天,以作战储量高于50%计,该储量仅够维持5~6天低强度飞机出动。

  通过对航空母舰作业能力和特点分析总结,可以知道航空母舰的飞机作业是一个“强实时高风险、强动态多约束、强弹性松耦合”的复杂大系统,如何解决对抗环境下的实时多变作业,是一个新的挑战,其实质就是在解决复杂工程系统的复杂性和不确定性问题。舰载航空指挥和保障系统就是用于指挥和保障多型舰载机群在航空母舰上的各类作业的工程系统,航空指挥和保障系统涉及数百个人员站位、多个作业阶段、三百余项作业活动,由上千台(套)系统/设备协同完成任务。航空指挥和保障系统是舰载机安全上舰和航空母舰形成作战能力的核心,是一个典型的复杂工程系统。

  1.强实时、准实时、非实时多型异构系统组成复杂。航空指挥和保障系统由上千台(套)系统/设备组成,这些系统和设备中有强实时系统,如负责引导舰载机着舰的系统;有准实时系统,如指挥管理系统;有非实时系统,如机务勤务与作业讲评系统等。异构系统的实时性要求、可靠性与安全性要求、技术体制与研发管理都存在差异,给复杂工程系统工程总体的管理与协调带来非常大的复杂性。

  2.需求、任务边界、保障对象和环境的不确定性和非线性。航空指挥和保障系统作业流程复杂,包含多个作业阶段,三百余项作业活动,涉及的设备和人员众多,设备故障、战损和人为操作意外都将造成原有作业计划的调整,使得航空指挥和保障系统在需求、任务边界和保障对象上存在很大的不确定性和非线性,而海上多变的作业环境也会给任务带来很大的不确定性,需要对不确定进行管理和约束。

  3.人在回路增加了不确定性。人往往是最大的不确定性因素,据统计,在民航客机事故原因中,有70%的事故是由于人为错误操作造成的。航空指挥和保障系统的运转涉及数百个人员站位,在回路中人员操作的正确性直接影响了系统任务的正常推进,因此人在回路大大增加了系统的不确定性。

  4.人员、场景、环境和系统多智能体协同多,系统涌现性需要合理控制和引导。航空指挥和保障系统任务的成功完成是人员、场景、环境和所涉系统之间相互协同的结果,不同的因素都是具有一定适应性的单独主体,主体间通过能量流和信息流的传递来完成复杂的协同作业,并涌现出单个系统不能完成的高层次任务。多智能主体间的复杂协同一旦出现外部干扰,很容易造成复杂大系统涌现出非预期结果,必须加以有效管理和引导。

  5.空间和资源约束条件下的非同质作业时间与空间冲突复杂,环境适应性要求高。航空指挥和保障系统是一个多任务并行的系统,舰面保障、调运、起飞、着舰、维修不同作业同时执行,在航空母舰的保障资源与空间位置有限的条件下,带来的非同质作业之间在时间和空间上的冲突非常复杂,而且是时刻动态的变化,无法事先进行精确求解以预先安排。

  正因为航空指挥和保障系统具有上述的复杂性和不确定性的本质特性,在开展航空指挥和保障系统工程研制过程中,采用传统的降维解析与原型逼近的系统工程方法无法应对如此庞杂的复杂性与不确定性,促使我们本着大胆假设、小心求证的态度,按照对复杂性进行隐秩序的显性表达,对不确定性进行有效控制管理,对涌现性进行有益引导的思路,展开了对复杂工程系统原理和设计方法新的探索。

  现代美军为研究航空母舰作战模式、探索新的舰载机运用方法,除总结几次局部战争的经验外,每年还开展各种类型的演习。1997年“尼米兹”号与第9航空联队开展的高强度演习持续了4天,每天持续24小时,共出动975个固定翼舰载机架次,其中包括771个攻击架次,向想定目标投放了1336枚炸弹。根据此次演习收集到的数据,美军系统分析了影响舰载机出动架次率生成的各项因素,主要包括母舰设施、舰载机、人员、物资和作业流程,航空指挥和保障作为母舰为舰载机完成航空作业所提供的各种手段,在其中占据了显著位置。

  演习中出现了一次2号弹射器进行零负荷测试(每隔24~48小时必须进行的测试)时,3号弹射器由于偏流板冷却管故障无法使用,必须依靠4号弹射器单独放飞8架舰载机的情况(一般使用2号弹射器时,1号弹射器所在飞行甲板区域用于停放舰载机,所以无法出动飞机)。虽然2号弹射器迅速完成了测试,没有影响飞行作业的完成,但事后分析认为,如果2部弹射器同时故障且其中1部位于舰中部,将会影响航空母舰飞行任务的执行。

  演习开始前对航空联队和航空母舰的易疲劳人员进行了评估,其中航空联队、航空部门和飞机中继级维修部门等2575名航空指挥和保障作业人员全部被评为易疲劳,占全部易疲劳人数的89%。因此演习时各易疲劳岗位共增员194人,其中航空指挥和保障作业人员增加161人。事后分析认为,增员对此次演习至关重要,人员配置对架次率生成的限制仅次于飞行甲板保障作业。

  演习中航空弹药的消耗率最大,如演习继续进行,则22小时后母舰上的航空炸弹将消耗殆尽;喷气燃料消耗了最大容量的44%,而航空母舰为保持浮力控制,一般不在燃料低于20% 时继续作业,否则必须向油舱注水;演习中航材备件的供应时间被人为设置为12小时,通过仿真模型分析,即使供应时间为数天也不会对飞行作业造成影响。

  飞行甲板保障作业是限制架次率生成的首要因素,其中航空弹药转运尤为突出。“尼米兹”级武器升降机分为两种,下层武器升降机连接弹库和机库,上层武器升降机从机库通向飞行甲板。“尼米兹”级最初设计时重点考虑了核武器的携带,为增加遭受打击时核武器的生存概率,其武器升降机靠近中心线设置,这导致数量较少的上层武器升降机容易与飞机起降和调运作业干涉,因此演习中航空弹药几乎都是通过舰岛前方的2号飞机升降机从机库运至飞行甲板。在演习中,弹药转运多次由于海情、母舰转弯或其他飞行甲板作业而中断。美军早先的经验表明,飞行甲板上舰载机数量过多会导致甲板拥挤从而抑制架次率生成,本次演习中发现,飞行甲板的最佳舰载机数量为25架,占尼米兹级飞行甲板舰载机停放理论最大数的31%。此次演习还尝试了1小时、1.25小时、1.5小时和1.75小时等不同的甲板作业周期,并证明1小时甲板作业周期是非常难以实现的。图10为美国“福特”级航空母舰舰载机保障作业流程。

  在一系列战争和演习中,美军分析得出了大量影响航空母舰舰载机架次率生成的因素,并有针对性地开展了优化改进,其中相当一部分集中在航空指挥和保障系统设计优化上。

  航空母舰上涉及航空指挥的中心包括塔台、管制中心、驾驶室、甲板降落站、起飞位等多个部位,是典型的多中心复杂系统设置,这也给系统设计和运行带来诸多的挑战。第二次世界大战后美军一直使用绘有飞行甲板图的“显灵板”(Ouija board)(见图11)来表示飞机停放位置和所开展的加油、供电等不同保障作业。虽然这一简单直观的方法可以很好地辅助指挥员完成飞行甲板的指挥调度,但为了保证“显灵板”正常工作,最多需要35名人员通过文字信息、语音、视频监视甚至目视来获取飞行甲板状况信息。

  计算机技术广泛应用后,美军研发了航空数据管理与控制系统(ADMACS),该系统的第一版Block 0于1998年完成,第一次为航空管制提供了信息显示系统;第二版Block 1现已安装到9艘现役航空母舰上,完成了与其他舰载系统的数据共享;第3版Block 2整合了综合全舰信息系统(ISIS)、航空武器信息管理系统(AWIMS)、进场与着舰可视图像系统(VISUAL)、先进弹射与回收控制系统(ALRCS)和作业规划与信息系统(OPIS)等系统的功能;目前美海军正在开发第4版。该系统实现了航空指挥和保障作业的信息化管理,通过统一存储和分发确保了数据的唯一性,通过实现计划和调度的智能决策、自动数据采集以及关键系统的整合,降低了指挥人员10%以上的劳动强度,有效提高了航空指挥和保障作业计划制订和执行的效率,使航空母舰舰载机出动架次率提高5%以上。

  “尼米兹”级一波次舰载机着舰后,需要先集中停放在首部的临时停放区,然后使用牵引车调运到靠近甲板边沿的停机位后,才能开展加油、挂弹和机务检查等作业。调运过程会耗费大量时间,且需要阻塞着舰跑道,如出现舰载机需要应急着舰的情况,将对整个波次的后续出动产生影响。为优化这一环节,“福特”级取消了一部飞机升降机,并将舰岛后移,空出了首部和中部连续的大面积甲板,设置了18个一站式保障机务战位,配置了相应数量的加油、供电等保障资源,从而类似一级方程式赛车维修站一样,使舰载机无须调运即可在原位完成全部保障工作。图 12为航空母舰舰载机甲板保障作业。

  “福特”级增加了一部上层武器升降机,并将飞行甲板阱口移至更靠近舷侧的位置,同时在02甲板设置了航空弹药临时储存区,从而可不经机库进行弹药中转,减少了对飞机升降机的依赖,并避免了在“弹药农场”(“尼米兹”级舰岛右侧用于大量存放航空弹药的地方)中堆放大量弹药,提高了飞行甲板作业的安全性。图13为航空母舰舰载机挂弹作业。

  无论是现代普遍采用的连续出动,还是类似第二次世界大战航空母舰对决那样的集中打击,都是根据作战需求所可能采用的一种舰载机运用方式,本质上没有优劣之分。而舰载机出动架次率是指完成特定作战任务的出动架次数,由于不是单纯的飞行次数,因此必须结合任务来整体衡量航空母舰的作战能力,不能只看架次率数值的高低。同时航空指挥和保障也需要与合理的母舰资源配置、优化的舰载机设计和规范的作业流程标准等共同发挥作用,才能更好地促进舰载机出动架次率的生成。

  航空母舰航空指挥和保障系统作为典型的复杂工程系统,它对应的普适性复杂特性如下。

  2.航空指挥和保障系统接受航空兵作战、编队作战、本舰通信、导航等各类输入信息上百种,同时向全系统上百个战位输出各类信息—系统具有多输入、多输出的复杂性和不确定特性。

  4.航空指挥和保障系统的作业通常是由大量的非线性装备组合和相互作用所产生的,如不是一味地把飞机放飞出去就是好事,必须要考虑回收的能力极限和甲板转换的时间,以及装备人员长时间工作后的效率下降,这使得系统输出不能通过系统输入的简单叠加来分析,复杂系统整体呈现出非线性的动态行为—系统具有非线.由于航空指挥和保障系统具有人在回路的特点,致使系统在设计时性能或参数都由于人的因素而存在不确定性,而且系统内不同子系统或设备间的耦合作用多,工作时外部环境影响因素多,从而使大系统存在许多不确定性—系统具有不确定性特性。

  传统的复杂工程系统设计主要采用还原论的思想,即基于整体等于各部分之和的方法,将复杂系统分解成多个简单系统。该种方法适用于复杂工程系统论证及设计阶段,在对目标图像缺乏足够认知的情况下,有助于原型系统或样机的研制。但该种降维解析的方法会带来复杂工程系统交互性与整体性的流失。如对类似航空指挥和保障系统的“人机环”复杂工程系统,采用传统的降维解析方法难以充分发现要素间的复杂耦合机理,加上多要素耦合对航空指挥和保障系统综合效能的量化影响,从而无法实现对复杂工程系统进行真实全面的描述和分析。

  为更全面准确地反映复杂系统的本质和全貌,笔者从过去的复杂系统工程设计经验出发,用三种经实践证明过的设计方法,即面向能力、基于架构和模型优化,从不同维度对航空指挥和保障系统设计进行比较,希望从中找到每种方法的特点和不足,同时本着在实践中创新和在实践中发展的态度,改革了从离散事件仿真到基于数据映射的流程仿真的LVC方法,解决了一些传统方法无法解决的问题,增强了我们探索新方法、新理论的信心。

  简称“C”。通过深入研究和分解航空母舰出动架次率的顶层指标,探索异质信息综合、不确定性因素量化、基于DOE设计的试验评价、多层次指标体系构建、系统参数灵敏度分析等技术和方法,实现不同设计参考任务模式下的航空指挥和保障系统顶层指标的量化评估和均衡设计。本方法重点解决复杂工程系统顶层指标问题。

  2.基于架构的复杂工程系统多视图融合设计方法(Architecture-based Systems Design),简称“A”。由于航空指挥和保障系统的复杂性,只从某一角度来研究它的体系架构,难以反映该系统各个方面的特性及各个方面内在的有机联系。因此本方法以复杂工程系统的相关性和综合性特征为出发点,重点研究了多视图模型融合的航空指挥和保障复杂系统体系结构设计方法,构建了一套以过程视图为核心的功能视图、信息视图、资源视图、组织视图、能力视图、系统视图和环境视图等相关联的八维视图模型及其融合机制。该方法重点解决复杂工程系统多视角下的架构平衡设计问题。3.模型支持的复杂工程系统优化设计方法(Model-support Systems Optimization Design),简称“M”。

  解决复杂问题首先应将其分解为可独立解决的子问题,该过程必须对复杂问题进行抽象描述,模型是描述问题的有效方法。模型支持的复杂工程系统优化设计方法通过建立数学模型,将复杂问题层层剥茧,梳理内部复杂的关系网络,采用规划模型、网络模型、智能优化模型对复杂工程系统进行约束性描述和目标抽象,进而掌握问题的核心和本质,支持复杂工程系统仿真设计。该方法重点解决了复杂工程系统的优化问题,因此该方法也称作模型优化(Model-optimization)方法。

  复杂工程系统的设计问题往往难以对目标函数的约束条件进行准确解析表示,此时要用纯解析方法进行优化设计往往比较困难,在许多情况下甚至无法实现。传统基于离散事件的计算机仿真方法也难以解决这类问题,经过大量实验室仿真方法和结论的比较,构建LVC仿真平台,用流程链接离散事件,用数据映射流程,为我们提供了一条有效的解决途径。通过仿真运行寻优复杂系统性能与系统参数间的映射关系,包括信息流、物资流、能量流等,根据所获得的这些流程关系,以关注系统任务的完成度为目标,找出使综合效能稳定的系统适应能力和设计参数,从而实现复杂工程系统的优化设计。本方法重点解决发现复杂工程系统运行过程中隐秩序的显性化和流程关联的涌现行为,而它们都是通过流程将复杂工程系统内部各成员部分连接起来而实现的,因此该方法又称作流程连接(Process-connect)方法。

  结合航空指挥和保障系统工程设计实践,从解决系统复杂性角度出发,基于上述面向能力(Capability-oriented)、基于架构(Architecture-based)、模型优化(Model-optimization)和流程连接(Process-connect)的复杂工程系统设计的实践和创新。我们用了近二十年的时间搭建并逐步完善了航空指挥和保障系统一体化综合设计平台,在复杂工程系统方案论证、设计、评估、集成与验证等设计过程进行了实践,在四种方法的循环、交联和迭代使用中进行着探索,通过对不同方法的实践与比较,发现现有设计理论方法基本都是通过传统还原论为主导思想的降维解析法来解决复杂性问题的,但都严重忽略复杂性的本质—复杂性和不确定性。在探索复杂工程系统复杂性和不确定性等特性分析方法时,我们发现不能固守原有的理论和方法,必须有所突破和创新。复杂系统的本质特性“不确定性”,是随时间变化而产生的动态不确定性;同时,复杂系统的复杂性是在环境和对象上动态有机适应的。为此,我们慎重提出了解决复杂工程系统的问题本质就是要构建一套复杂系统适应性机制,制定一系列维持适应性稳定的规则。而该机制和规则制定的核心就是要引入有机和环境两个要素加入复杂性研究的方法中,并通过数据实现动态反馈,变传统的降维解析为新的映射升维,并大胆尝试,开展了生命力支持(Survivability-support)、数据驱动(Data-driven)和环境协同(Environment-coordinate)的复杂工程系统新的设计方法研究,开创性提出了DE-CAMPS复杂工程系统设计方法,并对设计原理和方法向设计平台和科学理论转变进行了展望,为复杂工程系统研究的发展,为系统工程向体系工程的发展做出了有益的探索。

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