宋庭新，覃小瑞，石懷斌

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 海軍工程大學(xué)管理工程與裝備經(jīng)濟系，湖北 武漢 430033)

物資補給是影響大型艦船編隊機動性和續(xù)航能力的重要因素，決定了遠洋任務(wù)的最終成敗[1]。合理的后勤保障方案規(guī)劃和資源配置，能為艦船提供及時的物資補充，降低危險系數(shù)，保障艦船航行安全[2]。針對艦船后勤物資保障，依靠決策者經(jīng)驗制定岸基保障方案的傳統(tǒng)方法，存在物資保障效率低、成本高和供應(yīng)網(wǎng)點選擇隨意等問題[3]。鄧薇等[4]提出的一種TOPSIS逼近理想解排序法的補給方案和決策模型，計算量大，過程比較繁瑣；阮旻智等[5]提出一種備件需求分析和配置優(yōu)化的近似方法，則采用補給周期的分段求解，得到了艦船攜行備件方案；羅朝暉等[6]建立了海上補給規(guī)劃模型，以最小補給時間及最大作戰(zhàn)效能為目標(biāo)進行建模，用模擬退火算法求解了路徑規(guī)劃和補給物資種類；廖宏林等[7]提出優(yōu)化物資保障模式，形成編隊自我保障、遠程支援配送和靠泊島礁定點補給三位一體的保障體系，以增強海上物資保障實效。

上述研究大都集中在數(shù)學(xué)模型建立、求解和驗證模型的可行性方面，對艦船后勤物資的調(diào)度及仿真研究甚少。本文以艦船在遠海執(zhí)行任務(wù)為例，綜合運用運籌學(xué)多目標(biāo)規(guī)劃方法和多智能體仿真方法研究最優(yōu)保障方式，為艦船執(zhí)行遠洋任務(wù)時的后勤物資保障提供決策支持。

1 保障策略分析

按照物資補給緊迫程度，保障策略要以滿足物資需求、供應(yīng)及時、成本最低和安全性好為目標(biāo)，對物資采購供應(yīng)進行統(tǒng)籌安排以滿足艦船海上執(zhí)行任務(wù)的需求。目前艦船海上供應(yīng)方式主要有基地化采購和委托代理采購，補給方式有海上伴隨補給和岸基靠港補給等。為滿足艦船在遠海長期執(zhí)行任務(wù)時物資補給的需要，目前以美、英、法為代表的西方國家已經(jīng)建立包括吉布提港、亞丁港、塞拉萊港等在內(nèi)的多個保障網(wǎng)點。如何在正確的地點、正確的時間、從哪些岸上基地按照合適的數(shù)量、較低的成本對艦船編隊進行后勤物資補給是目前亟待解決的問題。

對于常態(tài)化任務(wù)，艦船物資保障以滿足需求為第一目標(biāo)，供應(yīng)及時為第二目標(biāo)，成本最低為第三目標(biāo)，安全性好為第四目標(biāo)(圖1)?！皾M足需求”指滿足后勤物質(zhì)的種類和數(shù)量需要；“供應(yīng)及時”指物資的運送時間不超過規(guī)定時間，即對運輸距離進行限定；“成本最低”涉及距離和采購價格等很多方面；“安全性好”要求保障艦船編隊執(zhí)行任務(wù)的能力；是對采購和補給方式提出要求。

圖 1 保障目標(biāo)與策略

基地化采購伴隨補給是利用綜合補給艦對艦船展開實時保障的一種方式。艦船可在不返回碼頭的情況下，由補給艦前往保障基地裝載物資來完成艦船物資補給的需求。這種方式在極大程度上保證了艦船的任務(wù)執(zhí)行時間，提高了艦船的任務(wù)執(zhí)行能力。商業(yè)化采購靠港補給是以大中型港口碼頭和保障基地的陸岸保障設(shè)施對艦船實施靠港補給的方式，它受外界干擾作用小，補給裝置和作業(yè)人員充足，適用于艦船大規(guī)模物資補給，能在短時間內(nèi)完成大量物資的補充，同時能直接與商業(yè)化服務(wù)機構(gòu)對接，降低了艦船物資保障成本。圖2為兩種方式的物資采購補給流程。

圖 2 艦船物資采購補給方式

2 基于多目標(biāo)規(guī)劃的物資采購與調(diào)度

2.1 模型假設(shè)與符號設(shè)置

艦船保障物資調(diào)度屬于典型的多目標(biāo)規(guī)劃問題，本文運用運籌學(xué)相關(guān)知識建立多目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。為了建模和求解方便，作如下假設(shè)：

1)物資種類包括淡水、主食、副食、果蔬、柴油、噴氣燃料等6種，其中，主食、副食、果蔬為固體類物資，裝卸速度相同，淡水、噴氣燃料和柴油為液體類物資，裝卸速度相同。

2)艦船編隊所需補充物資的數(shù)量已知，艦船以勻速航行；

3)每個保障點派遣一艘商船給基地補貨，六類物資可以混裝于同一商船。

為建立多目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，需要對目標(biāo)函數(shù)及約束條件中相關(guān)參數(shù)變量進行設(shè)置：V1m為物資裝卸速度，m=1為固體物資裝卸速度，m=2為液體物資裝卸速度；V2為保障點i派出的商船速度；Li為保障點i到基地距離；Mj為基地所需的第j種物資的數(shù)量；P1ij為保障點i的j種物資的采購價格；P2ij為保障點i的j種物資的運輸價格；Rij為保障點i的j種物資的庫存；T1im為單次補給任務(wù)規(guī)定最長時間；T1i為保障點i到基地的運輸時間；T為配貨時間；Xij為決策變量，即保障點i供應(yīng)的j種物資的數(shù)量，i=1,2,…,n分別代表n個保障網(wǎng)點，j=1,2,…,6分別代表6類物資。

2.2 多目標(biāo)函數(shù)模型建立

2.2.1確定約束條件

1)配貨量約束：保障點提供的物資總能滿足補給需求

(1)

2)配貨時間約束：物資運輸時間不超過計劃時間的190 h。

(2)

3)成本約束：每一次采購中的配送成本與采購成本之和不超過10萬元

(3)

2.2.2確定目標(biāo)函數(shù)為滿足物資補給的目標(biāo)及要求，根據(jù)三個目標(biāo)的優(yōu)先順序依次排列，設(shè)置優(yōu)先級。

(4)

(5)

(6)

根據(jù)公式(4)、(5)(6)得出目標(biāo)函數(shù)如下：

(7)

根據(jù)式(1)、(2)(3)得出約束條件：

2.3 模型的求解及結(jié)果分析

利用Lingo軟件，求出上述模型的滿意解。模型求解流程見圖3。

圖 3 求解流程

編程運行Lingo程序后，求得物資采購方案(表1)。從表1可以看出，吉布提基地將提供40 t淡水資源和20 t果蔬，亞丁港將提供80 t淡水、10 t主食、8 t副食、8 t果蔬、2000 t柴油以及400 t噴氣燃料用于艦船物資補給。雖然Lingo軟件求解效率較高，但因艦船后期物資需求量為動態(tài)值，不便于利用Lingo反復(fù)求解，故將求解的采購方案作為艦船第一輪物資采購方案，后續(xù)物資采購調(diào)度方案則由仿真模型實時運算得出。

表1 物資采購方案

3 多智能體仿真

為驗證上述多目標(biāo)規(guī)劃模型的求解結(jié)論并對后續(xù)補給方式進一步優(yōu)化，本文采用多智能體仿真方法進一步優(yōu)化保障方案。多智能體又稱多Agent，最早出現(xiàn)在人工智能領(lǐng)域，主要用于解決大型復(fù)雜的現(xiàn)實問題，能夠模擬感知、規(guī)劃、推理等行為，具有自主性、交互性、主動性等特征。Anylogic多智能體仿真軟件提供了豐富的智能體類型和代碼控制能力，可以實現(xiàn)艦船編隊物質(zhì)采購供應(yīng)保障的全域優(yōu)化。

3.1 建立多智能體仿真模型

本文對兩種保障方式進行仿真。方式一為基地化采購伴隨補給方式，即保障基地根據(jù)物資庫存情況，提前開展全域采購，由海外代理機構(gòu)將各保障點物資運送到基地儲存。艦船編隊發(fā)出物資補給請求后，由補給艦前往裝載，伴隨補給。方式二為商業(yè)化采購靠港補給，即艦船編隊在執(zhí)行任務(wù)間隙自行前往保障點靠港進行補給，通過商業(yè)化采購方式采購所需物資。在Anylogic中建立上述兩種保障方式的仿真模型，整個模型由main主智能體、艦船、保障基地、保障網(wǎng)點、組織流程等多個智能體構(gòu)成。在main主智能體中導(dǎo)入GIS地圖，設(shè)定艦船編隊活動的海域范圍，仿真模型如圖4所示。

圖 4 仿真模型

在圖4中，補給艦智能體行為邏輯非常關(guān)鍵。補給艦一方面需要前往基地港口取貨，另一方面需對其他艦船實施伴隨補給。其行為邏輯如圖5所示。

圖 5 補給艦行為邏輯圖

在圖5中，當(dāng)補給艦收到其他艦船發(fā)出的物資補給請求消息后，前往指定海域進行伴隨補給，補給完成后，返回編隊等待下次補給請求；若補給艦自身的物資不足以滿足艦船編隊物資需求時，補給艦向保障基地發(fā)出物資補給請求，基地根據(jù)物資庫存情況制定采購方案，補給艦采用方式一實施保障。在執(zhí)行任務(wù)間隙，艦船可以自由?？坎煌谋Ｕ暇W(wǎng)點實施靠港補給(即方式二)，采用商業(yè)化采購以降低采購成本和運輸時間。與多目標(biāo)規(guī)劃不同的是，基地在制定采購方案時，將根據(jù)物資價格、運輸距離和到貨時間等因素綜合考慮，由保障基地智能體實時運算后動態(tài)確定物資采購方案。設(shè)置仿真模型運行周期為6個月，模型運行后可輸出艦船物資庫存狀態(tài)、保障效率、保障時間以及保障點物資庫存狀態(tài)等。仿真運行結(jié)果如圖6所示。

圖 6 仿真運行結(jié)果

3.2 仿真結(jié)果統(tǒng)計分析

在保障方式一中，成本包括了物資采購費、運輸費以及基地倉儲費；在保障方式二中，成本包含物資采購費、港口?？抠M，減少了基地化采購的商船運輸費和臨時倉儲費，增加了艦船靠港補給費，用于碼頭租賃、垃圾和污水處理等。以上兩種補給方式的費用統(tǒng)計見表2和表3。

表2 保障方式一費用統(tǒng)計 萬元

表3 保障方式二費用統(tǒng)計 萬元

從表2和表3可知，雖然保障方式二的補給次數(shù)多一次，艦船靠港補給也會產(chǎn)生一定的港口停泊費用，但是總費用是降低的，相比保障方式一減少了3513萬元，成本降低25%。所以艦船編隊在不執(zhí)行任務(wù)時實施靠港補給更加經(jīng)濟。

通過仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計，還可以實時求出保障效率。保障效率是指單位時間內(nèi)艦船物資補充量，它是艦船物資保障滿足率和及時性的反映。根據(jù)仿真模型運行結(jié)果和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，兩種保障方式下的物資保障效率如圖7所示。

圖 7 兩種保障方式的效率對比

從圖7可知，艦船實行岸基靠港補給后，其各類物資保障效率均高于伴隨補給保障效率。其中消耗量最大的柴油保障效率可提高98.05 t/h，很好地滿足了艦船對物資需求量、及時性及成本的要求。

4 結(jié)論

本文通過多目標(biāo)規(guī)劃和多智能體仿真，研究了艦船海上物資保障的最佳采購備貨方案及補給方案。通過引入正負偏差變量和優(yōu)先因子，建立以滿足需求、供應(yīng)及時和成本最低為目標(biāo)的多目標(biāo)規(guī)劃模型，并利用Lingo軟件對模型進行求解，得到最優(yōu)補給方案；同時，利用Anylogic建立多智能體協(xié)作仿真模型，驗證了仿真模型的正確性。通過模擬仿真，可以實時了解艦船編隊和各保障點的物資庫存、采購費用、保障時間等動態(tài)情況。通過仿真運行結(jié)果分析“基地化采購伴隨補給”和“商業(yè)化采購靠港補給”兩種保障方式的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：在6個月的任務(wù)周期內(nèi)，后者較前者采購成本降低25.2%；在保障效率方面，除主食以外，后者其他各類物質(zhì)補給效率明顯高于前者，特別是消耗量最大的柴油一項高出98.05 t/h。因此，在非任務(wù)期間采用“商業(yè)化采購靠港補給”的保障方式更加高效和經(jīng)濟。本文提出的優(yōu)化補給方案是在考慮物資數(shù)量、供應(yīng)時間和采購成本等3個因素的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，下一步可考慮委托代理采購等更多采購供應(yīng)方式以進一步優(yōu)化供應(yīng)鏈。同時，還需要考慮供應(yīng)鏈風(fēng)險和安全因素，在多目標(biāo)優(yōu)化模型中增加安全有關(guān)的約束條件，對供應(yīng)鏈績效進行多因素綜合評價，對仿真結(jié)果進行多尺度分析，以得到艦船海上后勤保障的綜合最優(yōu)保障方案。