陳 博 徐常凱 任佳成

（空軍勤務(wù)學(xué)院航材四站系 徐州 221000）

1 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，后勤保障不斷向信息化、智能化的方向發(fā)展，但由于戰(zhàn)場(chǎng)的情況往往錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于作戰(zhàn)航材保障的影響因素多，不確定性大，使其與由戰(zhàn)場(chǎng)需求主導(dǎo)的精確保障模式還存在一定的差距，具體包括航材保障人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境不熟悉，對(duì)作戰(zhàn)航材保障流程還較為陌生，對(duì)其與平時(shí)的保障流程區(qū)分不清，從而導(dǎo)致作戰(zhàn)航材保障效率較低，造成了作戰(zhàn)保障資源的浪費(fèi)。

本文主要采用應(yīng)用較為廣泛的面向Agent的仿真建模技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)裝備保障流程進(jìn)行仿真建模，將作戰(zhàn)裝備保障中各個(gè)實(shí)體單元的狀態(tài)與方法進(jìn)行完全封裝，再以此為基礎(chǔ)；用Petri網(wǎng)對(duì)Agent模型進(jìn)行表達(dá)，充分利用Petri網(wǎng)語(yǔ)義描述具體規(guī)范，適用于動(dòng)態(tài)離散事件系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)，對(duì)作戰(zhàn)航材保障流程進(jìn)行具體仿真［1］。

2 Petri網(wǎng)仿真技術(shù)的概述

Petri網(wǎng)最早是由德國(guó)C.A.Petri博士于20世紀(jì)60年代在他的論文中提出的，主要應(yīng)用于對(duì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的信息流模型的描述，后來經(jīng)過四十幾年的發(fā)展，Petri網(wǎng)技術(shù)因?yàn)槠涿枋瞿芰?qiáng)，數(shù)學(xué)性質(zhì)好等特點(diǎn)滲透運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域，其能夠?qū)﹄x散事件的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面的建模分析，清晰地對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變化情況與系統(tǒng)各部分狀態(tài)變化條件進(jìn)行表述［2］。

基本的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)是標(biāo)有運(yùn)行方向的圖，主要包括庫(kù)所（Place）、變遷（Transition）、令牌（Token）以及?。ˋre）四種結(jié)構(gòu)。其中庫(kù)所一般采用空心的圓圈表示，用于描述所表示的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中各組成部分的狀態(tài)與條件；變遷一般用空心矩陣表示，用于表示改變庫(kù)所狀態(tài)所發(fā)生的事件，例如航材保障部隊(duì)從準(zhǔn)備保障狀態(tài)到下一階段的實(shí)施保障任務(wù)所要經(jīng)過轉(zhuǎn)場(chǎng)保障這一事件，來進(jìn)行描述［3］；令牌一般用實(shí)心的黑點(diǎn)表示，其主要用于在各庫(kù)所之間進(jìn)行傳遞，其具體的傳遞過程能夠展現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)變化過程，令牌的位置代表了系統(tǒng)變化的狀態(tài)，一個(gè)庫(kù)所能夠擁有多個(gè)令牌，庫(kù)所擁有多少個(gè)令牌即稱為其有多少個(gè)標(biāo)識(shí)［4］；弧用有向線段來表示，其主要將庫(kù)所與變遷進(jìn)行連接，即能夠從庫(kù)所指向變遷，也能夠從變遷指向庫(kù)所，弧展現(xiàn)了系統(tǒng)的局部與事件之間的關(guān)系，簡(jiǎn)單的Petri網(wǎng)圖結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

根據(jù)Petri網(wǎng)的相關(guān)定義能夠?qū)⑵浔硎緸橐粋€(gè)三元組即N=（P，T，R），其中P表示庫(kù)所的集合，T表示變遷的集合，R表示庫(kù)所與變遷之間的關(guān)系的集合，集合P與集合T之間沒有相交的元素，集合P與集合T中至少要存在一個(gè)元素［6］；R?(P×T)∪(T×S)其中規(guī)定在整個(gè)系統(tǒng)中不存在孤立的庫(kù)所與孤立的狀態(tài)。與此同時(shí)，其庫(kù)所中的令牌又稱為標(biāo)識(shí)用字母A表示，若初始庫(kù)所P1中的初始標(biāo)識(shí)數(shù)A0≥1，則對(duì)于與P1相連的庫(kù)所T1具有發(fā)生權(quán)，在變遷發(fā)生后，系統(tǒng)產(chǎn)生新的標(biāo)識(shí)A1，并按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)下去，變遷不斷發(fā)生，標(biāo)識(shí)也隨之不斷變化，這就是Petri網(wǎng)的運(yùn)行方式［7］。

3 基于Agent模型的作戰(zhàn)航材保障實(shí)體關(guān)系描述

基于Agent的作戰(zhàn)仿真建模主要是對(duì)作戰(zhàn)航材的保障流程進(jìn)行分析，對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)航材保障任務(wù)進(jìn)行描述分解，將他們分配給仿真中的實(shí)體Agent并確定各個(gè)實(shí)體Agent之間的相關(guān)關(guān)系?？蓪⒚總€(gè)實(shí)體Agent分解為名稱、行動(dòng)、約束、表識(shí)四個(gè)組成部分，其具體可表示為［8］

Agent=｛Agent-name；Actions；Constraint；AgentRole｝在作戰(zhàn)航材保障的過程中主要包括上級(jí)機(jī)關(guān)進(jìn)行命令的下達(dá)，各保障單位在接收到任務(wù)后制定保障的清單，并進(jìn)行器材的保障，在保障的過程中發(fā)生缺器材的情況時(shí)要及時(shí)向上級(jí)提出申請(qǐng)，請(qǐng)求緊急調(diào)撥器材，相關(guān)部門要通過保障資源的分布，下達(dá)器材調(diào)撥的命令，接收到命令的航材股或后方航材倉(cāng)庫(kù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行裝備的發(fā)付，使保障的活動(dòng)能夠正常的進(jìn)行，其基于Agent模型的具體仿真關(guān)系描述如下：

Pre-conditions｛上級(jí)發(fā)布作戰(zhàn)命令｝

Agents｛

Agent｛

Agent-name：指揮機(jī)關(guān)

Actions｛

Action（接受上級(jí)命令，｛上級(jí)發(fā)布作戰(zhàn)命令｝，｛接受結(jié)束｝）

Action（下達(dá)作戰(zhàn)命令，｛接受結(jié)束｝，｛下達(dá)作戰(zhàn)命令結(jié)束｝）

｝

Constraints｛

接受上級(jí)命令Seq下達(dá)作戰(zhàn)命令

AgentRole｛下達(dá)命令｝

｝

Agent｛

Agent-name：應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)

Actions｛

Action（接受作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)單，｛填寫結(jié)束｝，｛接收結(jié)束｝，｛In 24h｝）

Action（選擇器材調(diào)撥單位，｛接收結(jié)束｝，｛應(yīng)急事件處理結(jié)束｝，｛In 24h｝）

｝

Constraints｛

AgentRole｛應(yīng)急事件的處置｝

｝

Agent｛

Agent-name：A單位裝備保障單位

Acitons

Action（接受上級(jí)指揮機(jī)關(guān)命令，｛上級(jí)指揮機(jī)關(guān)下達(dá)命令｝，｛接受完畢｝）

Action（清點(diǎn)庫(kù)存情況，｛接受完畢｝，｛清點(diǎn)結(jié)束｝，｛In 6h｝）

Action（制定攜行清單，｛清點(diǎn)結(jié)束｝，｛制定結(jié)束｝，｛In 6h｝））

Action（派遣轉(zhuǎn)場(chǎng)保障部隊(duì)，｛接受完畢｝，｛派遣結(jié)束｝，｛In 12h｝）

｝

Constraints｛

接受上級(jí)指揮機(jī)關(guān)命令Seq清點(diǎn)庫(kù)存情況清點(diǎn)庫(kù)存情況Seq制定攜行清單

制定攜行清單Seq派遣轉(zhuǎn)場(chǎng)保障部隊(duì)

AgentRole｛戰(zhàn)斗部署｝

｝

Agent｛

Agent-name：A單位裝備攜行保障分隊(duì)Actions

Action（接受A單位命令，｛A單位下達(dá)派遣命令｝，｛接受完畢｝）

Action（制定作戰(zhàn)裝備保障預(yù)案，｛接受完畢｝，｛制定完畢｝）

Action（實(shí)施作戰(zhàn)裝備轉(zhuǎn)場(chǎng)保障，｛制定完畢｝，｛轉(zhuǎn)場(chǎng)完畢｝，｛use作戰(zhàn)裝備｝，｛At B裝備保障單位｝）

Action（記錄器材消耗情況，｛轉(zhuǎn)場(chǎng)完畢｝，｛記錄完畢｝）

Action（填寫作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)單，｛記錄完畢｝，｛填寫結(jié)束｝，｛In 2h｝

｝

Constraints｛

接受A單位命令Seq制定作戰(zhàn)裝備保障預(yù)案

制定作戰(zhàn)裝備保障預(yù)案Seq實(shí)施作戰(zhàn)裝備轉(zhuǎn)場(chǎng)保障

記錄器材消耗情況Seq填寫作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)單

AgentRole｛保障實(shí)施｝

｝

（……B裝備保障單位，B單位附近裝備保障單位，后方裝備倉(cāng)庫(kù)）

Ordering_Constraints｛上級(jí)指揮機(jī)關(guān)And Split A裝備保障單位，B裝備保障單位，后方倉(cāng)庫(kù)

B裝備保障單位，A單位裝備保障分隊(duì)And Join應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)

上級(jí)指揮機(jī)關(guān)Or Split B裝備保障單位，后方裝備倉(cāng)庫(kù)

B單位附近裝備保障單位，后方裝備倉(cāng)庫(kù)Or Join匯總數(shù)據(jù)

｝

｝

其中Action表示作戰(zhàn)過程中各實(shí)體Agent的行動(dòng)；Constraint表示對(duì)各要素的約束；Ordering Constraints表示順序約束；Seq表示順序；And split表示起始并行關(guān)系；Or Join表示結(jié)束并行關(guān)系；Or split表示起始選擇關(guān)系；Or Join表示結(jié)束選擇關(guān)系。

4 基于Petri網(wǎng)的作戰(zhàn)航材保障建模仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)搭建的作戰(zhàn)航材保障流程的Agent仿真框架并結(jié)合Agent模型的表達(dá)方式，基于離散事件系統(tǒng)仿真建模工具——Petri網(wǎng)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)裝備保障中實(shí)體Agent模型結(jié)構(gòu)的定義。在Petri網(wǎng)中，能夠用變遷（Transitions）描述Agent實(shí)體狀態(tài)的變化，庫(kù)所（Place）描述Agent實(shí)體的狀態(tài)，弧表示狀態(tài)發(fā)生改變的條件［9］。所以，對(duì)作戰(zhàn)裝備保障流程的形式化定義進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可選用Petri網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，并通過Petri網(wǎng)對(duì)作戰(zhàn)裝備消耗情況進(jìn)行模擬仿真，最后通過仿真算法實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)裝備保障流程的仿真［10］。

從作戰(zhàn)裝備保障的Agent建模定義到采用Petri網(wǎng)進(jìn)行圖形化的描述，首先主要根據(jù)作戰(zhàn)裝備保障流程中各Agent之間以及Agent本身內(nèi)部的邏輯關(guān)系進(jìn)行提取，然后根據(jù)這些關(guān)系將其進(jìn)行合并，從而轉(zhuǎn)化為Petri網(wǎng)的形式［11］，最后通過 Petri網(wǎng)的仿真能夠清楚地獲得各部門在作戰(zhàn)裝備保障流程中所擔(dān)負(fù)任務(wù)的時(shí)間長(zhǎng)短。

具體地講，首先根據(jù)Agent中的形式定義，繪制各Agent之間的邏輯關(guān)系圖與Agent內(nèi)部的關(guān)系圖，主要有上級(jí)指揮機(jī)關(guān)、A裝備保障單位、B裝備保障單位、A裝備保障單位攜行保障分隊(duì)、應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)、B單位附近裝備保障單位以及后方裝備倉(cāng)庫(kù)共7個(gè)Agent實(shí)體，其Agent實(shí)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與協(xié)同關(guān)系描述如圖2所示。

然后在梳理完各實(shí)體Agent之間協(xié)同關(guān)系及其內(nèi)部流程的基礎(chǔ)上，根據(jù)作戰(zhàn)裝備保障流程的邏輯順序，將其進(jìn)行第二階段的轉(zhuǎn)化，即將各Agent之間的順序、選擇以及并行關(guān)系分別采用Petri網(wǎng)進(jìn)行合并轉(zhuǎn)化［12］。

1）順序關(guān)系

在上級(jí)下達(dá)作戰(zhàn)命令之后，進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)保障的部隊(duì)需對(duì)人員進(jìn)行分工，派遣作戰(zhàn)裝備攜行保障分隊(duì)執(zhí)行轉(zhuǎn)場(chǎng)保障任務(wù)，A裝備保障單位與其攜行保障分隊(duì)之間為順序關(guān)系。在順序關(guān)系中，上一個(gè)Agent的終止?fàn)顟B(tài)與下一個(gè)Agent的起始狀態(tài)是相同的。所以，A裝備保障單位的結(jié)束狀態(tài)P7與其攜行保障分隊(duì)的起始狀態(tài)P8是等同的，將2種狀態(tài)進(jìn)行合并。順序關(guān)系的Agent實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2）并行關(guān)系

上級(jí)指揮機(jī)關(guān)下達(dá)作戰(zhàn)命令之后，A單位與B單位需要分別接受相關(guān)數(shù)據(jù)信息并進(jìn)入并行狀態(tài)。所以，可用起始并行關(guān)系來描述三者之間的關(guān)系。在兩個(gè)單位初始狀態(tài)P3與P14之前增加初始狀態(tài)庫(kù)所Pands1和變遷Tands1，并用有向弧Fas11和Fas12進(jìn)行連接，從而表示在上級(jí)指揮機(jī)關(guān)Agent結(jié)束狀態(tài)相同的條件下，經(jīng)過相同的變遷連接到兩個(gè)不同的Agent實(shí)體的初始狀態(tài)。在作戰(zhàn)裝備保障部隊(duì)需要進(jìn)行器材的請(qǐng)領(lǐng)時(shí)，兩個(gè)單位都需向應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)提交作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)單，在此可用結(jié)束并行關(guān)系來進(jìn)行描述。在A裝備保障單位攜行保障分隊(duì)與B裝備保障單位的結(jié)束狀態(tài)P13和P20后增加庫(kù)所Pande1和變遷Tande1并用有向弧Fae11和Fae12進(jìn)行連接，從而可以表示在不同的Agent結(jié)束狀態(tài)經(jīng)過不同連接和相同的變遷轉(zhuǎn)化為相同的初始狀態(tài)。并行關(guān)系的Agent實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3）選擇關(guān)系

應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)在接收作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)單后對(duì)器材的調(diào)撥單位進(jìn)行選擇。所以，在應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)的結(jié)束狀態(tài)與后方裝備倉(cāng)庫(kù)和B單位附近裝備保障單位的初始狀態(tài)能夠用起始選擇關(guān)系來表示。在應(yīng)急指揮機(jī)關(guān)結(jié)束狀態(tài)之后增加初始狀態(tài)庫(kù)所Pors1和變遷Tors11、Tors12，并用有向弧Fors11和Fors12將變遷與兩個(gè)Agent實(shí)體的初始狀態(tài)相連接，用來表示從兩個(gè)Agent實(shí)體中選擇一個(gè)進(jìn)行變遷操作。同理，在這兩個(gè)實(shí)體運(yùn)行結(jié)束后結(jié)束選擇關(guān)系轉(zhuǎn)化為匯總數(shù)據(jù)狀態(tài)，所以在各Agent結(jié)束狀態(tài)后添加變遷Tore11和Tore12，并用有向弧Fore11和Fore12與增加的結(jié)束狀態(tài)庫(kù)所Pore1相連接。選擇關(guān)系的Agent實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 作戰(zhàn)裝備保障流程的仿真算例分析

上述對(duì)各Agent實(shí)體之間的邏輯順序關(guān)系進(jìn)行了合并描述，將第一步中的各Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行添加，最終可以將作戰(zhàn)裝備保障流程用Petri網(wǎng)進(jìn)行表示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)航材保障流程的仿真。

下面以作戰(zhàn)保障任務(wù)為例，通過分析其作戰(zhàn)裝備保障流程，建立作戰(zhàn)裝備保障實(shí)體Agent模型。具體任務(wù)如下：空軍某型飛機(jī)24架，于某年某月某日由A單位進(jìn)駐B單位，執(zhí)行戰(zhàn)略性突擊任務(wù)，作戰(zhàn)時(shí)間為7天。此型裝備完好率設(shè)為85%，出動(dòng)率設(shè)為80%，出動(dòng)強(qiáng)度設(shè)為3次/天，裝備戰(zhàn)損率設(shè)為4%。其Petri網(wǎng)的作戰(zhàn)仿真流程如圖6所示。

圖6 中在進(jìn)行Agent邏輯順序描述的基礎(chǔ)上，考慮各Agent之間的協(xié)同關(guān)系，采用循環(huán)結(jié)構(gòu)模擬，重復(fù)執(zhí)行對(duì)發(fā)生短缺的作戰(zhàn)裝備請(qǐng)領(lǐng)過程。本文主要采用Matlab的Petri網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)包，對(duì)設(shè)計(jì)的作戰(zhàn)裝備保障的Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 中的橫軸表示算例中各Agent實(shí)體的名稱，縱軸表示作戰(zhàn)裝備保障流程中仿真得到的各Agent執(zhí)行各自任務(wù)的時(shí)間。由仿真結(jié)果可知：擔(dān)負(fù)轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)的裝備保障單位在執(zhí)行作戰(zhàn)裝備保障過程中執(zhí)行任務(wù)較長(zhǎng)且工作量較大；與此同時(shí)，應(yīng)急處置作戰(zhàn)裝備短缺的總時(shí)間為957h，這是評(píng)價(jià)作戰(zhàn)裝備保障任務(wù)的重要指標(biāo)之一。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)作戰(zhàn)航材保障流程進(jìn)行仿真的過程中，需要對(duì)作戰(zhàn)航材的整體進(jìn)行分析與梳理，并對(duì)其過程中的各個(gè)作戰(zhàn)單元進(jìn)行任務(wù)的分配。本文首先將作戰(zhàn)裝備保障流程中的Agent實(shí)體模型包裝為獨(dú)立模塊，通過實(shí)現(xiàn)自身內(nèi)部狀態(tài)自治和執(zhí)行某種方法或者動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，然后建立各Agent相互之間的協(xié)同關(guān)系，最后采用Petri網(wǎng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)，達(dá)到仿真目標(biāo)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠廣泛地運(yùn)用于對(duì)作戰(zhàn)裝備保障決策領(lǐng)域中。