陳 博 徐常凱 任佳成

（空軍勤務(wù)學院航材四站系 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)場的情況往往錯綜復(fù)雜，對于作戰(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戰(zhàn)場的環(huán)境不熟悉，對作戰(zhàn)航材保障流程還較為陌生，對其與平時的保障流程區(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。

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)對作戰(zhàn)裝備保障流程進行仿真建模，將作戰(zhàn)裝備保障中各個實體單元的狀態(tài)與方法進行完全封裝，再以此為基礎(chǔ)；用Petri網(wǎng)對Agent模型進行表達，充分利用Petri網(wǎng)語義描述具體規(guī)范，適用于動態(tài)離散事件系統(tǒng)仿真的特點，對作戰(zhàn)航材保障流程進行具體仿真［1］。

2 Petri網(wǎng)仿真技術(shù)的概述

Petri網(wǎng)最早是由德國C.A.Petri博士于20世紀60年代在他的論文中提出的，主要應(yīng)用于對網(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)因為其描述能力強，數(shù)學性質(zhì)好等特點滲透運用于各個行業(yè)、各個領(lǐng)域，其能夠?qū)﹄x散事件的動態(tài)系統(tǒng)進行全面的建模分析，清晰地對系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變化情況與系統(tǒng)各部分狀態(tài)變化條件進行表述［2］。

基本的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)是標有運行方向的圖，主要包括庫所（Place）、變遷（Transition）、令牌（Token）以及?。ˋre）四種結(jié)構(gòu)。其中庫所一般采用空心的圓圈表示，用于描述所表示的動態(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，用于表示改變庫所狀態(tài)所發(fā)生的事件，例如航材保障部隊從準備保障狀態(tài)到下一階段的實施保障任務(wù)所要經(jīng)過轉(zhuǎn)場保障這一事件，來進行描述［3］；令牌一般用實心的黑點表示，其主要用于在各庫所之間進行傳遞，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)，一個庫所能夠擁有多個令牌，庫所擁有多少個令牌即稱為其有多少個標識［4］；弧用有向線段來表示，其主要將庫所與變遷進行連接，即能夠從庫所指向變遷，也能夠從變遷指向庫所，弧展現(xiàn)了系統(tǒng)的局部與事件之間的關(guān)系，簡單的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€三元組即N=（P，T，R），其中P表示庫所的集合，T表示變遷的集合，R表示庫所與變遷之間的關(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中至少要存在一個元素［6］；R?(P×T)∪(T×S)其中規(guī)定在整個系統(tǒng)中不存在孤立的庫所與孤立的狀態(tài)。與此同時，其庫所中的令牌又稱為標識用字母A表示，若初始庫所P1中的初始標識數(shù)A0≥1，則對于與P1相連的庫所T1具有發(fā)生權(quán)，在變遷發(fā)生后，系統(tǒng)產(chǎn)生新的標識A1，并按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繼續(xù)推進下去，變遷不斷發(fā)生，標識也隨之不斷變化，這就是Petri網(wǎng)的運行方式［7］。

3 基于Agent模型的作戰(zhàn)航材保障實體關(guān)系描述

基于Agent的作戰(zhàn)仿真建模主要是對作戰(zhàn)航材的保障流程進行分析，對整個作戰(zhàn)航材保障任務(wù)進行描述分解，將他們分配給仿真中的實體Agent并確定各個實體Agent之間的相關(guān)關(guān)系。可將每個實體Agent分解為名稱、行動、約束、表識四個組成部分，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機關(guān)進行命令的下達，各保障單位在接收到任務(wù)后制定保障的清單，并進行器材的保障，在保障的過程中發(fā)生缺器材的情況時要及時向上級提出申請，請求緊急調(diào)撥器材，相關(guān)部門要通過保障資源的分布，下達器材調(diào)撥的命令，接收到命令的航材股或后方航材倉庫應(yīng)及時進行裝備的發(fā)付，使保障的活動能夠正常的進行，其基于Agent模型的具體仿真關(guān)系描述如下：

Pre-conditions｛上級發(fā)布作戰(zhàn)命令｝

Agents｛

Agent｛

Agent-name：指揮機關(guān)

Actions｛

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

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

｝

Constraints｛

接受上級命令Seq下達作戰(zhàn)命令

AgentRole｛下達命令｝

｝

Agent｛

Agent-name：應(yīng)急指揮機關(guān)

Actions｛

Action（接受作戰(zhàn)裝備請領(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（接受上級指揮機關(guān)命令，｛上級指揮機關(guān)下達命令｝，｛接受完畢｝）

Action（清點庫存情況，｛接受完畢｝，｛清點結(jié)束｝，｛In 6h｝）

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

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

｝

Constraints｛

接受上級指揮機關(guān)命令Seq清點庫存情況清點庫存情況Seq制定攜行清單

制定攜行清單Seq派遣轉(zhuǎn)場保障部隊

AgentRole｛戰(zhàn)斗部署｝

｝

Agent｛

Agent-name：A單位裝備攜行保障分隊Actions

Action（接受A單位命令，｛A單位下達派遣命令｝，｛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（實施作戰(zhàn)裝備轉(zhuǎn)場保障，｛制定完畢｝，｛轉(zhuǎn)場完畢｝，｛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)場完畢｝，｛記錄完畢｝）

Action（填寫作戰(zhàn)裝備請領(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實施作戰(zhàn)裝備轉(zhuǎn)場保障

記錄器材消耗情況Seq填寫作戰(zhàn)裝備請領(lǐng)單

AgentRole｛保障實施｝

｝

（……B裝備保障單位，B單位附近裝備保障單位，后方裝備倉庫）

Ordering_Constraints｛上級指揮機關(guān)And Split A裝備保障單位，B裝備保障單位，后方倉庫

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

上級指揮機關(guān)Or Split B裝備保障單位，后方裝備倉庫

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

｝

｝

其中Action表示作戰(zhàn)過程中各實體Agent的行動；Constraint表示對各要素的約束；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

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模型的表達方式，基于離散事件系統(tǒng)仿真建模工具——Petri網(wǎng)方法，可實現(xiàn)對作戰(zhàn)裝備保障中實體Agent模型結(jié)構(gòu)的定義。在Petri網(wǎng)中，能夠用變遷（Transitions）描述Agent實體狀態(tài)的變化，庫所（Place）描述Agent實體的狀態(tài)，弧表示狀態(tài)發(fā)生改變的條件［9］。所以，對作戰(zhàn)裝備保障流程的形式化定義進行轉(zhuǎn)化，可選用Petri網(wǎng)對其進行表達，并通過Petri網(wǎng)對作戰(zhàn)裝備消耗情況進行模擬仿真，最后通過仿真算法實現(xiàn)對作戰(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)系進行提取，然后根據(jù)這些關(guān)系將其進行合并，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負任務(wù)的時間長短。

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，主要有上級指揮機關(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、應(yīng)急指揮機關(guān)、B單位附近裝備保障單位以及后方裝備倉庫共7個Agent實體，其Agent實體的內(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)進行合并轉(zhuǎn)化［12］。

1）順序關(guān)系

在上級下達作戰(zhàn)命令之后，進行轉(zhuǎn)場保障的部隊需對人員進行分工，派遣作戰(zhàn)裝備攜行保障分隊執(zhí)行轉(zhuǎn)場保障任務(wù)，A裝備保障單位與其攜行保障分隊之間為順序關(guān)系。在順序關(guān)系中，上一個Agent的終止狀態(tài)與下一個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與其攜行保障分隊的起始狀態(tài)P8是等同的，將2種狀態(tài)進行合并。順序關(guān)系的Agent實體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2）并行關(guān)系

上級指揮機關(guān)下達作戰(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。在兩個單位初始狀態(tài)P3與P14之前增加初始狀態(tài)庫所Pands1和變遷Tands1，并用有向弧Fas11和Fas12進行連接，從而表示在上級指揮機關(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不同的Agent實體的初始狀態(tài)。在作戰(zhàn)裝備保障部隊需要進行器材的請領(lǐng)時，兩個單位都需向應(yīng)急指揮機關(guān)提交作戰(zhàn)裝備請領(lǐng)單，在此可用結(jié)束并行關(guān)系來進行描述。在A裝備保障單位攜行保障分隊與B裝備保障單位的結(jié)束狀態(tài)P13和P20后增加庫所Pande1和變遷Tande1并用有向弧Fae11和Fae12進行連接，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實體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3）選擇關(guān)系

應(yīng)急指揮機關(guān)在接收作戰(zhàn)裝備請領(lǐng)單后對器材的調(diào)撥單位進行選擇。所以，在應(yīng)急指揮機關(guān)的結(jié)束狀態(tài)與后方裝備倉庫和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)急指揮機關(guān)結(jié)束狀態(tài)之后增加初始狀態(tài)庫所Pors1和變遷Tors11、Tors12，并用有向弧Fors11和Fors12將變遷與兩個Agent實體的初始狀態(tài)相連接，用來表示從兩個Agent實體中選擇一個進行變遷操作。同理，在這兩個實體運行結(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)庫所Pore1相連接。選擇關(guān)系的Agent實體結(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

上述對各Agent實體之間的邏輯順序關(guān)系進行了合并描述，將第一步中的各Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行添加，最終可以將作戰(zhàn)裝備保障流程用Petri網(wǎng)進行表示，從而實現(xiàn)對整個作戰(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)裝備保障實體Agent模型。具體任務(wù)如下：空軍某型飛機24架，于某年某月某日由A單位進駐B單位，執(zhí)行戰(zhàn)略性突擊任務(wù)，作戰(zhàn)時間為7天。此型裝備完好率設(shè)為85%，出動率設(shè)為80%，出動強度設(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)行對發(fā)生短缺的作戰(zhàn)裝備請領(lǐng)過程。本文主要采用Matlab的Petri網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)包，對設(shè)計的作戰(zhàn)裝備保障的Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)進行仿真，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)的時間。由仿真結(jié)果可知：擔負轉(zhuǎn)場任務(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)較長且工作量較大；與此同時，應(yīng)急處置作戰(zhàn)裝備短缺的總時間為957h，這是評價作戰(zhàn)裝備保障任務(wù)的重要指標之一。

6 結(jié)語

對作戰(zhàn)航材保障流程進行仿真的過程中，需要對作戰(zhàn)航材的整體進行分析與梳理，并對其過程中的各個作戰(zhàn)單元進行任務(wù)的分配。本文首先將作戰(zhàn)裝備保障流程中的Agent實體模型包裝為獨立模塊，通過實現(xiàn)自身內(nèi)部狀態(tài)自治和執(zhí)行某種方法或者動作以實現(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)對其進行表達，達到仿真目標，具有較強的實用性，能夠廣泛地運用于對作戰(zhàn)裝備保障決策領(lǐng)域中。