李峻森, 方依寧, 張?jiān)瓢? 白光晗, 陶俊勇

(國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

裝備保障體系是由不同任務(wù)分系統(tǒng)按照裝備保障規(guī)律和保障原則綜合集成的有機(jī)整體[1],有著復(fù)雜度高、結(jié)構(gòu)種類多、涌現(xiàn)性突出、各主體間交互關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,作戰(zhàn)形態(tài)逐漸向著陸、海、空、天、電磁五位一體聯(lián)合化作戰(zhàn)空間多域多維、作戰(zhàn)要素高度聯(lián)動(dòng)的方向變化,因此裝備體系也要適應(yīng)戰(zhàn)場態(tài)勢,動(dòng)態(tài)支撐戰(zhàn)場任務(wù)。然而,裝備體系對抗需要高效的保障作為后盾,要讓裝備體系發(fā)揮最大的效能,就需要建立與作戰(zhàn)任務(wù)相適應(yīng)、與動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境相協(xié)調(diào)的裝備保障體系。1991年,以美軍為首的聯(lián)盟軍隊(duì)在僅42天時(shí)間內(nèi)通過全方位、全天候的空襲活動(dòng),摧毀了伊軍重要保障基地,抑制了伊軍空中力量,奪取制空權(quán),最終取得戰(zhàn)爭勝利[3-5]。由此可見,傳統(tǒng)的保障模式已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對裝備保障體系提出的精確化、一體化、集中化的要求[6]。因此,在研究面向作戰(zhàn)的裝備保障體系時(shí),需要考慮如何在連續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)的限定時(shí)間內(nèi)、限定空間中、限定資源儲(chǔ)備條件下,盡量減少保障時(shí)間、合理分配保障資源等問題。

當(dāng)前,有關(guān)裝備保障體系的研究主要集中于基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法和基于多Agent方法兩種思路。

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法進(jìn)行裝備保障體系研究的內(nèi)容主要包括以下幾方面:① 集中對裝備保障體系的組成、特征、構(gòu)建規(guī)則等方面進(jìn)行理論闡述的定性研究:趙東波等[7]從樹立觀念、建立裝備指揮信息系統(tǒng)、編配合成多能保障力量、構(gòu)建軍地一體的裝備保障模式等方面分析了裝備保障體系的基本特征,構(gòu)建了一體化裝備保障體系;祝傳生[8]分析了基于信息系統(tǒng)的戰(zhàn)時(shí)裝備保障的特點(diǎn)與基本要求,構(gòu)建了基于信息系統(tǒng)的戰(zhàn)時(shí)戰(zhàn)術(shù)級裝備保障體系。② 探究如何建立更為直觀、簡化的數(shù)學(xué)模型，以對裝備保障體系問題進(jìn)行描述:張勇等[9]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,從無標(biāo)度、小世界和層次性等方面具體分析了裝備保障網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特征,構(gòu)建了裝備保障體系的網(wǎng)絡(luò)模型,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝備保障網(wǎng)絡(luò)具有與一般復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相似的拓?fù)涮匦?邢彪等[10-11]分析了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論開展裝備保障體系建模研究的可行性,構(gòu)建了軍級裝備保障體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，以及模型的核心節(jié)點(diǎn)。③ 基于網(wǎng)絡(luò)科學(xué)基礎(chǔ)理論對保障體系可靠性、抗毀性進(jìn)行研究:李勇[12]以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為指導(dǎo),建立了物流保障網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)失效抗毀性模型,分析了典型容量分布下的戰(zhàn)術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)失效抗毀性。

基于Agent技術(shù)對裝備保障體系研究的有:① 從保障功能角度出發(fā)提出Agent實(shí)體模型,分析整體結(jié)構(gòu)后運(yùn)用Agent方法建立裝備保障體系模型:Kizim等[13]提出了一種基于多Agent技術(shù)的維修組織問題解決方案,提出多Agent環(huán)境下基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的Agent仿真裝置實(shí)現(xiàn)方法,描述了Agent的結(jié)構(gòu)、基本子系統(tǒng)和交互機(jī)制;Du等[14]提出了基于Agent的裝備保障體系仿真框架,設(shè)計(jì)了其內(nèi)部的通信機(jī)制;Li等[15]基于Agent方法對裝備保障系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模,提出了雙向動(dòng)態(tài)粗鏈表樹的發(fā)布訂閱算法;Zhao等[16]提出了面向?qū)ο驛gent的結(jié)構(gòu),討論了各Agent間的通信問題;Xing等[17]建立了裝備保障模型,通過Agent仿真方法分析了裝備保障的流程;尹麗麗等[18]基于多Agent仿真構(gòu)建了仿真軟件原型系統(tǒng),給出了分布式建模與仿真的體系結(jié)構(gòu)。② 基于已有的裝備保障體系模型,提出保障的評估指標(biāo)，進(jìn)而研究了裝備保障體系的保障效能等:劉偉等[19]基于裝備保障體系模型從“效果、效益、效率”構(gòu)建了戰(zhàn)時(shí)裝備保障系統(tǒng)效能評估指標(biāo),建立了評估模型。

從基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論方法來看，已有的研究主要存在以下幾點(diǎn)問題:一是基于網(wǎng)絡(luò)理論的方法單純對保障體系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,沒有考慮其組成部分的屬性對體系的影響;二是建立的模型考慮的要素過于單一,無法體現(xiàn)保障體系的涌現(xiàn)性、自適應(yīng)性以及各個(gè)實(shí)體間交互的自主意識(shí)等特點(diǎn);三是大部分研究把裝備保障體系與裝備體系分開了,忽視了實(shí)際作戰(zhàn)中裝備體系對保障的影響。從基于多Agent技術(shù)方法來看，已有的研究主要存在以下幾點(diǎn)問題:一是已有的裝備保障體系研究對體系模型的構(gòu)建過于龐大,模型沒有具體詳細(xì)的層次邏輯,整體性較強(qiáng)、復(fù)雜程度較大;二是已有模型對作戰(zhàn)中時(shí)間、地理位置等戰(zhàn)場環(huán)境要素的考慮較少,不夠充分貼近現(xiàn)實(shí)。

本文針對裝備保障體系提出了一種面向作戰(zhàn)任務(wù)的、考慮保障任務(wù)中時(shí)間和空間約束的裝備保障體系模型。第1節(jié)應(yīng)用多Agent技術(shù)從結(jié)構(gòu)層次和流程兩個(gè)方面對裝備保障體系建模;第2節(jié)基于構(gòu)建的模型,從時(shí)間和空間兩個(gè)方面構(gòu)建裝備保障體系驗(yàn)證指標(biāo),從人員、設(shè)施、資源供應(yīng)3個(gè)角度建立了裝備保障體系效能評價(jià)指標(biāo)體系;第3節(jié)進(jìn)行示例仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了裝備保障體系模型的有效性。最后對裝備保障體系效能進(jìn)行評估,得出裝備保障體系總效能。

1 裝備保障體系建模

考慮到裝備保障體系是一個(gè)復(fù)雜的多維系統(tǒng),需要體現(xiàn)涌現(xiàn)性等特點(diǎn)，本節(jié)基于多Agent建模方法從層次結(jié)構(gòu)和流程關(guān)系兩個(gè)方面對裝備保障體系進(jìn)行模型構(gòu)建。

1.1 多Agent建模技術(shù)介紹

基于Agent的建模方法是屬于人工智能領(lǐng)域的技術(shù),可以在一定環(huán)境下獨(dú)立自主地運(yùn)行。Agent是一類有簡單智慧的、能夠感知周圍環(huán)境且在一定程度上可控制自身行為的計(jì)算實(shí)體,Agent之間、智能體與環(huán)節(jié)之間都可以進(jìn)行相互作用。多Agent系統(tǒng)是由多個(gè)可執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的Agent組成的集合,每一個(gè)Agent個(gè)體都是一個(gè)物理的或抽象的實(shí)體,可以作用于環(huán)境和自身,可以對環(huán)境的改變做出反應(yīng),還可以與其他的Agent個(gè)體進(jìn)行通信、交互等。圖1為Agent實(shí)體的基本結(jié)構(gòu)[20-22]。

圖1 Agent結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Agent structure diagram

1.2 基于多Agent的裝備保障體系流程建模

在對裝備保障體系流程進(jìn)行建模的過程中,需考慮裝備保障任務(wù)是在聯(lián)合作戰(zhàn)中實(shí)時(shí)生成的,對任務(wù)要求的保障及時(shí)、高效。

面向任務(wù)的保障活動(dòng)是由保障任務(wù)需求生成、保障任務(wù)分配、保障任務(wù)執(zhí)行3個(gè)階段構(gòu)成的,如圖2所示。本文分別從任務(wù)保障層、基地保障層和裝備保障層3個(gè)層級對裝備保障體系結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。

圖2 保障流程層次結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of support process hierarchy

1.2.1 任務(wù)保障層模型

任務(wù)保障層級是裝備保障體系流程的基礎(chǔ),在這一層級中需要輸入作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)目標(biāo)、作戰(zhàn)規(guī)模等約束性條件。

(1) 作戰(zhàn)裝備

作戰(zhàn)裝備是裝備保障任務(wù)的重中之重,是保障任務(wù)的主體對象。作戰(zhàn)裝備涉及到的屬性有:裝備損毀程度、裝備重要度、裝備主要功能等;模型的毀傷程度分為輕度、中度、重度3種類型;裝備重要度分為重要和非重要兩類;裝備功能有作戰(zhàn)類和運(yùn)輸類兩種。

(2) 人員

裝備保障體系流程模型中的人員是作戰(zhàn)和保障任務(wù)的實(shí)際作業(yè)實(shí)體。保障任務(wù)層的人員可分為作戰(zhàn)人員和保障任務(wù)決策人員,其中保障任務(wù)決策人員的功能是結(jié)合實(shí)時(shí)裝備數(shù)據(jù)生成裝備保障具體任務(wù)。

任務(wù)保障層模型包括作戰(zhàn)力量模塊、作戰(zhàn)任務(wù)模塊和保障任務(wù)模塊。作戰(zhàn)力量模塊由作戰(zhàn)人員和作戰(zhàn)裝備構(gòu)成,通過戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)目標(biāo)的配置,生成作戰(zhàn)任務(wù);作戰(zhàn)任務(wù)模塊包含具體的任務(wù)屬性,如裝備部署、打擊路線等;保障任務(wù)模塊中的主要Agent模型是保障任務(wù)決策人員,根據(jù)實(shí)時(shí)作戰(zhàn)情形,決策人員按照裝備的自身特點(diǎn)生成裝備保障需求和情景,制定裝備保障計(jì)劃,并將計(jì)劃以保障指令的形式發(fā)送到各保障基地。

1.2.2 基地保障層模型

基地保障層級是裝備保障體系流程中的橋梁,此層級將為裝備接收以及保障作業(yè)開展提供空間支持。

(1) 保障輔助場所和基礎(chǔ)設(shè)施

裝備保障任務(wù)涉及到建筑物、移動(dòng)設(shè)施、檢測工具等,上述Agent模型在構(gòu)建時(shí)，需考慮其抗毀性能:損傷部分占整體百分比超過一定閾值時(shí)，則認(rèn)定功能喪失。

(2) 人員

基地保障層級的人員類型為指揮管理人員和校驗(yàn)人員,其中指揮管理人員負(fù)責(zé)引導(dǎo)裝備就位,校驗(yàn)人員負(fù)責(zé)對保障基地的空間合理性進(jìn)行驗(yàn)證,保證不同作戰(zhàn)裝備在有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)入適合的保障基地。

基地保障層級模型包括空間校驗(yàn)?zāi)K、保障基地自我檢修模塊和裝備保障決策模塊等。其中，空間校驗(yàn)?zāi)K是保障基地層級開展工作的必要流程,該模塊需要整合基地自身位置信息、資源儲(chǔ)備量、人員能力水平，以及等待保障裝備的戰(zhàn)損數(shù)據(jù),最終確定保障基地自身是否滿足空間要求;基地自我檢修模塊在空間校驗(yàn)流程之后開展工作,包括探測設(shè)備、修復(fù)設(shè)備等Agent模型;裝備保障決策模塊主要由保障決策人員Agent構(gòu)成,決策人員通過分析裝備數(shù)據(jù)綜合判斷裝備是否可保障。

1.2.3 裝備保障層模型

裝備保障層級是保障任務(wù)流程的核心,是裝備保障任務(wù)實(shí)施的單元,在該層級的建模中需要對參與保障的各類Agent建模。

(1) 保障單元及設(shè)備

在進(jìn)行保障任務(wù)中對實(shí)際操作的空間,如保障維修庫、保障資源備件庫等Agent進(jìn)行建模,此類建筑物均有一定抗毀性。保障設(shè)備一般包括通用設(shè)備和專業(yè)設(shè)備兩類,建模時(shí)考慮通用設(shè)備的存量較少。

(2) 人員

裝備保障層級的人員類別主要是保障操作人員、保障類型決策人員以及校驗(yàn)人員。操作人員主要對裝備進(jìn)行維修或維護(hù)作業(yè),屬性有初級、中級和高級3個(gè)等級,保障類型決策人員對裝備保障任務(wù)進(jìn)行分類,校驗(yàn)人員分析保障總時(shí)間，判斷是否滿足時(shí)間約束。

裝備保障層級模型中包含保障類型決策模塊、保障實(shí)施模塊、空間校驗(yàn)?zāi)K等。保障類型決策模塊是在需要保障的作戰(zhàn)裝備進(jìn)入保障單元后,由保障類型決策人員 Agent 結(jié)合裝備資源消耗和損傷情形,把裝備歸類為維修和維護(hù)兩類,根據(jù)當(dāng)前資源使用量和人員閑置量來安排保障工作,保障實(shí)施模塊的保障操作人員根據(jù)分配好的任務(wù)對裝備進(jìn)行維修、維護(hù),最終由時(shí)間校驗(yàn)?zāi)K的校驗(yàn)人員綜合考慮裝備自進(jìn)入保障基地到保障結(jié)束消耗的總時(shí)間,判定保障任務(wù)是否滿足時(shí)間要求。

通過上述模型構(gòu)建,將復(fù)雜多維的裝備保障體系流程轉(zhuǎn)化為Agent模型,圖3為裝備保障體系流程示意圖。

圖3 裝備保障體系流程模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of equipment support system of systems process model

2 裝備保障體系流程評價(jià)

從博弈雙方的角度來看,建立一個(gè)怎樣的保障體系,或者如何改進(jìn)當(dāng)前的保障體系,才能更大限度地保證勝利是研究人員始終要思考的問題。因此,就需要設(shè)計(jì)合理的評估指標(biāo)體系,構(gòu)建有效的裝備保障體系評估模型,對裝備保障體系進(jìn)行評估,分析其薄弱環(huán)節(jié),研究重點(diǎn)制約作戰(zhàn)效能發(fā)揮的因素。

圖4為裝備保障體系驗(yàn)證評估流程:本節(jié)先從時(shí)間和空間兩個(gè)維度對保障體系模型進(jìn)行有效性和可行性驗(yàn)證。其次,結(jié)合效能評估從人員、設(shè)施、資源3個(gè)方面提出保障體系效能評估指標(biāo),對裝備保障體系進(jìn)行效能評估。

圖4 裝備保障體系驗(yàn)證評估流程Fig.4 Verification and evaluation flow of equipment support system of systems

2.1 裝備保障體系的時(shí)間連續(xù)性評價(jià)

時(shí)間連續(xù)性校驗(yàn)由裝備保障層級時(shí)間校驗(yàn)?zāi)K中的校驗(yàn)人員Agent完成。裝備保障任務(wù)由若干個(gè)基本保障任務(wù)串聯(lián)或并聯(lián)組成[23](本文認(rèn)為每個(gè)單獨(dú)的基本保障任務(wù)的保障時(shí)間是相互獨(dú)立的)。

在串聯(lián)任務(wù)中，保障任務(wù)的保障時(shí)間為

(1)

式中:Tui為不同類型基本保障任務(wù)時(shí)間;n為基本保障任務(wù)總數(shù)。

在并聯(lián)基本保障任務(wù)中，保障時(shí)間為

TAB=max(T1,T2,…,Tn)=maxTi,i=1,2,…,n

(2)

式中:Ti為不同保障任務(wù)的工作時(shí)間。

在面向作戰(zhàn)任務(wù)的裝備保障任務(wù)中,保障具體可以分解為以下幾個(gè)任務(wù):裝備產(chǎn)生保障需求，選擇保障基地階段ech,裝備預(yù)進(jìn)入保障基地階段epre,基地自我檢修階段brep,裝備進(jìn)入基地到達(dá)保障工位階段ein,保障類型決策階段ecou,裝備等待保障階段ewt,裝備保障作業(yè)階段emat。如圖5所示為裝備保障體系保障作業(yè)模型。

圖5 保障作業(yè)模型Fig.5 Model of support operation

該模型由串、并聯(lián)兩種任務(wù)混合構(gòu)成,通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖的總工期方法，計(jì)算上述模型的保障時(shí)間[24-25]如下:

TA=max(max (ESech+Tech+Tepre,ESech+Tech+Tbrep)+
Tein,Tech+Tepre+Tecou)+Tewt+Temat

(3)

式中:TA為保障總時(shí)長;ESech表示第1個(gè)工序開始時(shí)間為0;ESi表示第i個(gè)工序最早開始時(shí)間;EFi表示第i個(gè)工序最早結(jié)束時(shí)間;Ti為完成第i個(gè)工序所需時(shí)長,單位均為min。

2.2 裝備保障體系的空間合理性評價(jià)

在進(jìn)行空間合理性校驗(yàn)時(shí),主要考慮的因素有地理位置最優(yōu)、保障能力滿足以及資源儲(chǔ)備充足等。

(1) 地理位置

裝備完成作戰(zhàn)任務(wù)后,需要在燃油剩余一定百分比之前返回保障基地,因此要在保證裝備剩余油量為Qe的情形下選擇合適基地。其中,令裝備在滿載和空載下百公里油耗分別為max(cpg)和min(cpg),則裝備在剩余油量為Qe時(shí)的最大行程為

(4)

(2) 保障能力

本文是面向任務(wù)的裝備保障體系,在保障中涉及到的裝備種類較多,保障體系中的單一保障基地?zé)o法滿足所有作戰(zhàn)裝備的保障任務(wù),因此在對保障基地空間校驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮是否滿足保障需求這一要素。

其中，保障任務(wù)中的資源儲(chǔ)備量是關(guān)鍵,空間合理性校驗(yàn)中合適的保障基地應(yīng)該儲(chǔ)備適量甚至超量的資源備件，才具備保障裝備的能力。以燃油這一資源為例,若設(shè)保障基地儲(chǔ)備量為Qb、裝備保障需求量為Qs、完成下一次作戰(zhàn)任務(wù)消耗量Qt需滿足以下關(guān)系:

∑Qsi+∑Qti≤∑Qbi

(5)

式中:Qxi為i類資源的x儲(chǔ)備量。

2.3 裝備保障體系評價(jià)指標(biāo)

裝備保障體系評價(jià)指標(biāo)是對裝備保障系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)度量,在面向任務(wù)的保障任務(wù)中，裝備保障體系可否在要求時(shí)間內(nèi)有效完成任務(wù)很重要。

參考文獻(xiàn)[26-32]后,本文從保障時(shí)間連續(xù)性和空間合理性兩個(gè)方面對裝備保障體系進(jìn)行有效性驗(yàn)證,然后從人員、基礎(chǔ)設(shè)施、資源備件等3個(gè)方面出發(fā),構(gòu)建了如圖6所示的裝備保障體系的評估指標(biāo)。

圖6 裝備保障評價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)Fig.6 Evaluation index structure of equipment support

其中一些重要指標(biāo)的具體計(jì)算方法如下。

(1) 人員評價(jià)指標(biāo)B1

人員評價(jià)指標(biāo)針對決策人員和作業(yè)人員兩個(gè)對象進(jìn)行保障時(shí)間評價(jià)。決策人員根據(jù)技術(shù)等級分為1、2、3級,各自平均決策工作時(shí)長分別為50%T、75%T、T。作業(yè)人員根據(jù)工作熟練等級分為初級、中級和高級3種,平均保障時(shí)間則為T、75%T和50%T。其中,T表示標(biāo)準(zhǔn)平均決策(作業(yè))時(shí)間,如下所示:

(6)

式中:TPi為第i個(gè)決策(作業(yè))任務(wù)規(guī)定時(shí)間;N為要求決策(作業(yè))總?cè)蝿?wù)數(shù)。由式(6)可設(shè)計(jì)不同人員工作時(shí)間,最終平均決策時(shí)間C1和平均作業(yè)時(shí)間C2(本文采用相同表示方式)如下所示:

(7)

式中:Tri為第i個(gè)決策(作業(yè))實(shí)際任務(wù)耗時(shí);S為成功完成決策(作業(yè))任務(wù)數(shù)。

任務(wù)完成率為人員評價(jià)指標(biāo)的核心內(nèi)容,如下所示:

(8)

式中:Tc為已完成的保障任務(wù)數(shù)量;T為待保障的任務(wù)總數(shù)量。

(2) 基礎(chǔ)設(shè)施評價(jià)指標(biāo)B2

基礎(chǔ)設(shè)施有地面和建筑物兩類,根據(jù)設(shè)施的重要程度將其分為一般和重要兩類,其完好率分別為D和2D,其中D為標(biāo)準(zhǔn)平均完好率:

(9)

式中:d為要求完備的最少設(shè)施數(shù);dN為所有存在設(shè)施數(shù)。將上述不同完好率代入裝備保障體系模型中,得到平均完好率:

(10)

式中:ds為成功抵抗打擊的設(shè)施數(shù)?；A(chǔ)設(shè)施的平均修復(fù)時(shí)間C5為

(11)

式中:tri為第i個(gè)設(shè)施修復(fù)時(shí)長;dr為成功修復(fù)設(shè)施數(shù)。

(3) 資源備件供應(yīng)評價(jià)指標(biāo)B3

裝備保障體系中的資源備件供應(yīng)Agent類型有消耗類和運(yùn)輸類(作業(yè)類)兩種,消耗類Agent有儲(chǔ)備量和儲(chǔ)備種類兩個(gè)屬性,儲(chǔ)備種類有油料資源、氣體資源、維修(維護(hù))備件等,儲(chǔ)備量則會(huì)影響保障任務(wù)的效率。資源滿足率如下所示:

(12)

式中:Cu為完成保障任務(wù)消耗資源量;CN為資源供應(yīng)總量。而作業(yè)資源占空比是影響保障時(shí)間的關(guān)鍵因素,如下所示:

(13)

式中:Ou為正在進(jìn)行作業(yè)的操作資源數(shù);ON為操作資源總數(shù)。

3 面向任務(wù)的裝備保障仿真示例

機(jī)場等保障基地在作戰(zhàn)中為作戰(zhàn)飛機(jī)提供維修、維護(hù)保障,為作戰(zhàn)部隊(duì)提供資源補(bǔ)充,是裝備保障體系的承擔(dān)者。同時(shí),作戰(zhàn)飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)前要完成加油、檢修、充氧等維護(hù)保障作業(yè),在任務(wù)結(jié)束后還需要進(jìn)行損傷檢查、能源補(bǔ)充、創(chuàng)傷修復(fù)等保障作業(yè)。以機(jī)場等典型保障基地作為仿真案例,能夠切實(shí)驗(yàn)證本文建立的裝備保障體系模型的可行性和有效性。其中，第3.1節(jié)以戰(zhàn)時(shí)機(jī)場的保障任務(wù)作為實(shí)例,主要介紹仿真案例的保障場景以及合理假設(shè)內(nèi)容;第3.2節(jié)基于Anylogic仿真機(jī)場保障流程的仿真結(jié)果,驗(yàn)證了該裝備保障體系模型的可行性和有效性,最后基于層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)對裝備保障體系流程完成了效能評估。

3.1 示例介紹

圖7為示例的戰(zhàn)機(jī)保障空間示意圖,示例中描述了聯(lián)合作戰(zhàn)下包含作戰(zhàn)裝備、目標(biāo)、保障基地以及其中保障設(shè)施、資源等實(shí)體的保障活動(dòng),作戰(zhàn)任務(wù)中裝備狀態(tài)發(fā)生變化隨即產(chǎn)生保障需求,即作戰(zhàn)裝備進(jìn)入基地開始保障。

在本文示例仿真中,給出以下假設(shè):

(1) 在時(shí)間連續(xù)性評價(jià)中,各保障任務(wù)隨機(jī)性最大的為保障作業(yè)任務(wù),本例假設(shè)保障作業(yè)任務(wù)前的各項(xiàng)任務(wù)保障時(shí)間為一定值。

(2) 在空間合理性評價(jià)中,將燃油量作為資源類型代表進(jìn)行仿真,即假設(shè)保障過程中只有燃油這一資源消耗。

圖7 戰(zhàn)機(jī)保障空間示意圖Fig.7 Space schematic diagram of fighter support

在上述假設(shè)條件下,開展如圖8所示的戰(zhàn)機(jī)示例的保障仿真實(shí)驗(yàn)。戰(zhàn)機(jī)保障按照既定的模型開始仿真,分別從任務(wù)層、基地層和保障層進(jìn)行剖析,每層的任務(wù)模塊在不同時(shí)間段開始作業(yè)。

圖8 戰(zhàn)機(jī)示例保障流程圖Fig.8 Flow chart of fighter example support

3.2 仿真過程和結(jié)果

在基于Anylogic仿真平臺(tái)中,通過建立裝備保障體系模型各要素實(shí)體,實(shí)現(xiàn)裝備保障任務(wù)的仿真。其中,實(shí)體Agent的類型如表1所示,然后基于表2所示的5種任務(wù)類型開展仿真實(shí)驗(yàn),每次作戰(zhàn)任務(wù)派出10架類型相同的戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行。

表1 戰(zhàn)機(jī)保障仿真參數(shù)

表2 作戰(zhàn)任務(wù)表

示例中的各類Agent模型都與圖7示意圖中描述的場景相對應(yīng),表1中的各類參數(shù)均可根據(jù)不同的任務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在保障任務(wù)開始前,對戰(zhàn)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行如圖9所示的狀態(tài)建模。同時(shí),保障活動(dòng)從裝備維修(備件更換)和裝備維護(hù)(燃油等資源補(bǔ)充)兩方面展開,進(jìn)行如圖10所示的流程建模。當(dāng)作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)入保障基地后，根據(jù)不同需求對戰(zhàn)機(jī)展開保障活動(dòng),當(dāng)戰(zhàn)機(jī)進(jìn)入維修倉后,在指定區(qū)域接受保障服務(wù)。

在完成上述仿真過程后,首先對仿真得到的資源消耗數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行分析,驗(yàn)證模型空間的合理性;然后對保障時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證模型時(shí)間的連續(xù)性;最后對各評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,完成對裝備保障體系效能的評估。

圖9 戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)圖Fig.9 Aircraft status diagram

圖10 戰(zhàn)機(jī)保障仿真流程圖Fig.10 Flow chart of fighter support simulation

3.2.1 空間合理性檢驗(yàn)

本例是基于Anylogic平臺(tái)的仿真試驗(yàn),將仿真試驗(yàn)記錄的保障過程所消耗的燃油量作為需求值,與模擬不同時(shí)刻保障基地燃油儲(chǔ)備量進(jìn)行對比，以進(jìn)行空間合理性驗(yàn)證。

圖11所示為6次保障任務(wù)中各保障基地燃油累計(jì)消耗量,圖12所示為6次作戰(zhàn)任務(wù)中需求燃料值與各保障基地儲(chǔ)備量間的關(guān)系。

圖11 各任務(wù)燃油累計(jì)消耗量Fig.11 Cumulative fuel consumption of each task

圖12 基于燃料的空間合理性檢驗(yàn)圖Fig.12 Fuel based spatial rationality test chart

圖11中累計(jì)油耗量是在指定的基地進(jìn)行保障仿真試驗(yàn)時(shí)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將該數(shù)據(jù)作為實(shí)際保障任務(wù)中的保障燃油需求量,對我方領(lǐng)域內(nèi)的保障基地進(jìn)行空間合理性校驗(yàn),即在每一次作戰(zhàn)任務(wù)后、保障任務(wù)前通過對比下一次作戰(zhàn)任務(wù)以及本次保障任務(wù)的燃油需求量來進(jìn)行校驗(yàn)。

從試驗(yàn)中可以得出:

(1) 在前5次作戰(zhàn)任務(wù)序列中,保障基地儲(chǔ)備量Qb、裝備保障需求量Qs、完成下一次作戰(zhàn)任務(wù)消耗量Qt滿足式(4),因此符合空間合理性校驗(yàn)。

(2) 在任務(wù)序列6中,基地1的燃油儲(chǔ)備量Qb1=226.145 L,戰(zhàn)機(jī)保障需求量Qs1=10 L,下一次作戰(zhàn)任務(wù)消耗量Qt6=381.927 L,不滿足式(5)的條件,則不選擇基地1。

3.2.2 時(shí)間連續(xù)性校驗(yàn)

本例為作戰(zhàn)保障任務(wù)的仿真試驗(yàn),因?qū)嶋H作戰(zhàn)任務(wù)具有多樣性,相鄰任務(wù)的時(shí)間間隔不確定性較大,因此仿真將模擬60架次戰(zhàn)機(jī)保障過程,將其保障時(shí)間平均值作為任務(wù)間隔時(shí)間。模擬的戰(zhàn)機(jī)保障時(shí)間分布圖如圖13所示。

圖13 戰(zhàn)機(jī)保障時(shí)間分布圖Fig.13 Fighter support time distribution

從圖13可以看出,參與仿真試驗(yàn)的60架次戰(zhàn)機(jī)的平均保障時(shí)間處在87.817 25～91.48 min內(nèi),為保證試驗(yàn)的有效性,將該區(qū)間右側(cè)設(shè)置為相鄰作戰(zhàn)任務(wù)約束時(shí)間Tint=91.48 min。表3所示為6次作戰(zhàn)序列下各基地保障時(shí)間TS與約束時(shí)間Tint的對比關(guān)系。

表3 面向任務(wù)的保障時(shí)間與約束時(shí)間對比

由表3可知,在本文提出的保障流程下，各保障基地的保障時(shí)間的近75%可達(dá)到約束時(shí)間要求,整體保障水平呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的趨勢。

本例中通過仿真6次不同任務(wù)序列下的戰(zhàn)機(jī)保障過程,得到了保障時(shí)間、資源消耗量等數(shù)據(jù),在完成保障任務(wù)的同時(shí),又對保障過程進(jìn)行空間合理性與時(shí)間連續(xù)性校驗(yàn),更加貼近實(shí)際戰(zhàn)況,驗(yàn)證了模型的有效性。

3.2.3 裝備保障體系效能評估

根據(jù)仿真方案,在進(jìn)行6次不同任務(wù)仿真試驗(yàn)后,得到每一個(gè)指標(biāo)的計(jì)算數(shù)據(jù)。其中,人員效能B1中的任務(wù)完成率C3指標(biāo)是用第3.2.2節(jié)中保障任務(wù)完成率的75%來計(jì)算的;對于基礎(chǔ)設(shè)施效能B2中的平均完好率C4指標(biāo),由于在仿真中是對機(jī)場跑道損毀面積進(jìn)行試驗(yàn),因此該指標(biāo)在本例中的計(jì)算為跑道完好面積與跑道總面積的比值[33-37]。其他指標(biāo)均由仿真試驗(yàn)實(shí)時(shí)記錄，如表4～表8所示。

表4 保障決策時(shí)間仿真結(jié)果

表5 保障作業(yè)時(shí)間仿真結(jié)果

表6 跑道平均完好面積占比仿真結(jié)果

表7 基礎(chǔ)設(shè)施成功修復(fù)時(shí)間仿真結(jié)果

表8 設(shè)備占用數(shù)仿真結(jié)果

續(xù)表8

在得出每個(gè)指標(biāo)值后,要對其進(jìn)行無量綱處理,此處通過構(gòu)建4個(gè)評分標(biāo)準(zhǔn)對不同指標(biāo)得分情況進(jìn)行無量綱處理,如表9所示。

本文中采用AHP方法對裝備保障體系進(jìn)行效能評估,該方法利用一定標(biāo)度來客觀量化人的主觀評價(jià)結(jié)果。

按照AHP方法的步驟,首先對指標(biāo)層構(gòu)建兩兩比較矩陣;其次利用計(jì)算機(jī)對矩陣進(jìn)行處理,得到該矩陣的歸一化特征向量，如表10和表11所示;最后對該矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如表12所示,為隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值。

表9 無量綱處理標(biāo)準(zhǔn)

表10 B1～Ci判斷矩陣及權(quán)重結(jié)果

表11 A～Bi判斷矩陣及權(quán)重結(jié)果

表12 一致性指標(biāo)RI取值

將表10中的特征向量作為權(quán)重,通過冪指數(shù)法計(jì)算得出,B1的人員效能為0.706。根據(jù)專家評判方法得到B2基礎(chǔ)設(shè)施效能中C4和C5的權(quán)重分別為0.7和0.3。在B3資源備件供應(yīng)效能中,C6和C7的權(quán)重分別為0.2和0.8。同理,根據(jù)冪指數(shù)法計(jì)算得出B2基礎(chǔ)設(shè)施效能和B3資源備件供應(yīng)效能分別為0.593和0.472。

同理,將表11中的特征向量作為權(quán)重,通過冪指數(shù)法對A裝備保障體系效能進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為0.619。

4 結(jié)束語

本文基于多Agent建模方法對裝備保障體系建模,通過仿真試驗(yàn)證明了模型的有效性。首先,基于多Agent方法分別從結(jié)構(gòu)和流程兩個(gè)角度,從Agent實(shí)體結(jié)構(gòu)和不同Agent間交互關(guān)系兩個(gè)方面構(gòu)建裝備保障體系模型;其次從時(shí)間連續(xù)性、空間合理性、效能評估3個(gè)方面出發(fā),提出了裝備保障體系的評價(jià)指標(biāo),其中在效能評估方面又從人員、設(shè)施、資源3個(gè)角度提出了評價(jià)指標(biāo)框架;最后通過一個(gè)示例分析驗(yàn)證了模型的可行性和有效性。仿真模擬了不同作戰(zhàn)任務(wù)下的戰(zhàn)機(jī)保障過程,對比基地資源儲(chǔ)備量和任務(wù)資源需求量,篩選有效的保障基地。對比戰(zhàn)機(jī)保障時(shí)間與任務(wù)約束時(shí)間,篩選出有效保障的戰(zhàn)機(jī),還原了作戰(zhàn)場景,最后對該裝備保障體系進(jìn)行效能評估。

下一步工作將對保障體系效能進(jìn)行評估優(yōu)化,深入探究裝備保障體系的特點(diǎn),優(yōu)化裝備保障體系,提高戰(zhàn)時(shí)裝備保障效率,為后勤保障工作提供技術(shù)支持。