基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究.pdf

系统仿真学报系统仿真学报Journal of System Simulation第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023基于基于PERT和和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究的装备体系保障效能评估方法研究马善智1，王宏亮1，何华2*，伦伟成3(1.航空工业成都飞机设计研究所，四川 成都 610091；2.国防科技大学 系统工程学院，湖南 长沙 410073；3.国防科技大学 军政基础教育学院，湖南 长沙 410072)摘要摘要：装备体系的保障直接影响了装备体系的作战效果，而装备体系保障效能评估具有范围大、层次多、要素全、流程长等特点。针对飞机装备的体系化作战需求，分析了飞机装备体系保障效能评估的难点。面向飞机装备保障任务的时序性及其建模需求，设计了基于PERT的机场保障建模方法，建立了面向装备体系保障活动的PERT进程模型。提出了基于ABMS的可组合装备体系作战模型框架，定义了面向体系效能分析的保障实体类型、装备对象、交互关系和交互对象的建模概念。鉴于定性分析方法难以胜任装备体系保障的效能评估，采用基于决策树的定量分析方法分析了保障要素对体系作战效能的影响，为面向体系作战的装备保障正向设计提供了一种定量分析手段。最后，通过典型应用案例的仿真实验，验证了前述方法和模型的有效性。关键词关键词：体系作战；保障效能；基于Agent的建模与仿真(ABMS)；计划评估和审查技术(PERT)；定量分析中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1004-731X(2023)09-1837-10DOI:10.16182/j.issn1004731x.joss.23-0457引用格式引用格式:马善智,王宏亮,何华,等.基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究J.系统仿真学报,2023,35(9):1837-1846.Reference format:Ma Shanzhi,Wang Hongliang,He Hua,et al.Research on Support Effectiveness Evaluation Method of Equipment Systems Based on PERT and ABMSJ.Journal of System Simulation,2023,35(9):1837-1846.Research on Support Effectiveness Evaluation Method of Equipment Systems Based on PERT and ABMSMa Shanzhi1,Wang Hongliang1,He Hua2*,Lun Weicheng3(1.AVIC Chengdu Aircraft Design&Research Institute,Chengdu 610091,China;2.College of Systems Engineering,National University of Defense and Technology,Changsha 410073,China;3.Basic Education College,National University of Defense and Technology,Changsha 410072,China)Abstract:The support of an equipment system directly affects its combat effectiveness,and the support effectiveness evaluation of equipment systems has the characteristics of large scope,multiple levels,complete elements,and long process.According to the systematic combat requirements of aircraft equipment,the difficulties in evaluating the support effectiveness of aircraft equipment systems are analyzed.The PERT-based modeling method of airfield support is proposed,and the PERT-based process model of equipment system support activity is established according to the modeling requirements and sequential characteristics of aircraft equipment support tasks.The operational model framework of combinable equipment systems based on ABMS is proposed.The modeling concepts for support entity types,equipment objects,interaction relationships,and interaction objects for system effectiveness analysis are defined.Since qualitative analyses are not able to evaluate the effectiveness of equipment 收稿日期：2023-04-18 修回日期：2023-07-06第一作者：马善智（1985-），男，壮族，工程师，硕士，研究方向为飞机设计。E-mail：通讯作者：何华（1991），男，高工，博士，研究方向为数字决策与仿真评估。E-mail：第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-system support,the influence of support elements on system combat effectiveness is analyzed by the decision-tree-based quantitative analysis method,which provides a quantitative analysis means for the forward design of system-oriented combat equipment support.In the end,the effectiveness of the proposed method and model is verified by typical application cases.Keywords:system combat;support effectiveness;agent-based modelling and simulation(ABMS);program evaluation and review technique(PERT);quantitative analysis0引言引言体系作战是未来军事斗争作战样式的主要发展方向，保障作为装备体系作战的基本要素，不仅决定装备平台作战性能的发挥，而且直接影响装备体系的作战效果，而这类基于体系贡献率的装备体系保障效能评估是一类典型的体系运用问题，具有范围大、层次多、要素全、流程长等特点，运行管理复杂，不确定因素多，大大增加了体系保障效能评估的复杂性1。同时，保障过程包含一系列复杂的保障活动和过程，如何有效建模表示是体系分析的关键。针对飞机装备保障业务特点、体系贡献以及装备之间交互关系的日益复杂，国内外对飞机装备保障体系的建模、仿真、效能评估方法开展了大量研究。文献2等从体系要素、规模容量、布局布势、网系联通等4个维度构建了机场体系作战保障效能评估指标体系,提出了基于需求满足程度的效能评估模型。文献3等运用信息熵理论和灰色系统理论,构建出了基于熵权和灰色聚类的主战飞机维修保障效能评估指标赋权模型。文献4等提出了基于粒子群优化极限学习机算法(PSO-ELM)的军用飞机维修保障系统效能评估模型。文献5等基于改进层次分析法的主观权值和基于熵权法的客观权值之间的最优组合构建了飞机装备保障效能评估仿真系统。文献6采用排队论方法和马尔可夫链模型对新的维修体制下的单个航材保障系统进行了分析。文献7基于武器系统效能ADC模型的原理建立了军用飞机装备保障效能模型。文献8通过有向赋权分析DWA方法确定飞机出动关键工作项目集进行了流程优化的保障效能评估。文献9在经典 PERT(program evaluation and review technique)模型中加入跳转虚工序来研究装备使用保障过程进行建模；文献10基于蒙特卡罗方法的PERT网络仿真来分析航空弹药保障的人员优化配置问题。文献11提出了一种基于S3000L标准的飞机保障性分析系统。上述方法和思路主要针对单一装备或者单一流程进行研究，重点不是放在描述对系作战条件下的飞机装备保障活动和刻画保障活动和作战活动的影响关系上，同时少有基于定量化方法来进行保障活动行为建模和效能评估的研究，当规模、行为扩大后，业务人员更难以描述基本的业务过程。因此本文研究了一种基于PERT和ABMS的方法，采用相互之间具有交互行为的智能体对保障体系进行描述和抽象，将飞装备作战体系看作一个由多个智能体交互协作组成的复杂适应系统，梳理机场保障中的所有对象和活动进程，采用PERT网络方法对保障任务过程建模，从而将复杂系统的建模分解为对行为主体的建模，将保障系统融入到作战体系中。1飞机装备保障任务建模方法飞机装备保障任务建模方法1.1 飞机装备保障流程分析飞机装备保障流程分析装备体系保障一般根据作战任务需求，由各种飞机、保障人员、保障设备和设施等构成，主要完成相应飞机的各种保障活动和维修活动12。其中飞机需要考虑不同分系统或子系统的故障类型和故障发生规律；保障人员属于可重用的人力资源，根据保障活动的不同专业需求，不同保障活动需要不同类型和不同数量的保障人员完成保 1838第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023马善智,等:基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究http:/www.china-障活动；保障设备属于可重用设备，不同保障活动需要不同类型的保障设备完成保障活动；供应保障属于机场系统的库存消耗品；保障设施属于机场系统的设施资源，属于可重用资源。飞机装备保障的业务流程如图1所示。飞机装备保障的建模需要刻画出在保障人员参与和相关资源支持下所完成的一系列飞机装备保障活动。飞机装备保障活动以使用保障和维修保障为主，每个作业都有一系列约束条件，只有当约束条件都满足时才能启动或完成该作业。约束条件包括作业时间、涉及人员及保障资源、前置任务等。飞机装备保障过程可以将细分为以下几种类型：飞行前准备、修复性维修、预防性维修、再次出动准备、飞行后检查等。针对不同状态的飞机，每类保障过程由不同保障专业人员使用不同保障设备、保障设施、保障供应进行的相关保障活动组合而成。1.2 基于基于 PERT 的飞机装备保障任务建模的飞机装备保障任务建模方法方法由于飞机装备保障任务是由按照时间先后顺序组成的一系列保障活动组合而成，不同类型保障任务差异较大，传统建模描述方法较难适应这种建模需求，因此，本文采用PERT方法来建立飞机装备保障任务模型。PERT是用于项目流程的计划、设计与执行评估的一种方法13，借鉴PERT的思想和方法，可以构建面向飞机装备保障任务的PERT进程建模方法。本文定义基于PERT的飞机装备保障任务的进程模型由事件、活动关系网络组成。在该网络中，事件被作为节点，活动对应于事件之间的动作延迟关系，这些活动与定义的保障活动相对应。在任务保障网络模型中，事件包含初始事件、中间事件和终止事件3种类型。初始事件代表保障任务初始事件，一个模型仅能包含一个开始事件；终止事件表示保障任务结束事件，一个模型仅能包含一个结束事件；中间事件代表保障过程的中间状态，只有中间事件的所有输入活动全部完成时，才代表该中间事件发生，可以执行由该事件输入的后续活动。图2定义了一个简单的事件、活动网络模型示例。在图2中，Start节点代表开始事件，End节点代表终止事件，矩形节点代表中间事件。当保障任务从初始事件开始执行时将经历一系列的保障活动和中间事件，最终完成于终止事件，只有所有保障活动完成于终止事件时，该保障任务才能结束，表示保障任务完成。图1 飞机装备保障业务流程Fig.1 Task process for aircraft equipment support图2 面向PERT的事件活动网络模型Fig.2 Event activity network model for PERT 1839第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-保障任务模型需要根据保障任务包含的保障活动和执行顺序进行定义，这样可以根据不同机场保障任务需求定制不同的保障活动模式，支持后续灵活的各类保障活动仿真模型扩展。基于PERT的飞机装备保障任务建模方法包含两个重要的对象：PERTEvent事件和PERTActions进程，它们的定义介绍如下：(1)PERTEvent事件：表示保障任务模型的事件及其处理过程。PERTEvent根据参数来初始化事件名称、事件标识、事件类型和 PERT 模型。PERTEvent包含3个重要属性：actions属性表示该事件节点的输出保障活动；inputs属性为输入的保障活动数量；fired属性为当前已经执行完成的输入保障活动数量。(2)PERTActions进程：表示保障任务的PERT模型。PERTActions根据参数来初始化任务标识、执行保障任务的飞机Agent和保障任务PERT模型数据。PERTActions包含3个重要属性：task属性为表示保障任务PERT模型包含的事件和活动关系；events属性表示PERT模型包含的事件序列；startEvent属性表示PERT模型包含的开始事件。PERT模型调度过程如算法1所示。算法1PERT模型调度过程1.设置时间步t=0，生成所有PERTEvent事件2.激活startEvent对应的开始事件3.for j=1 to startEvent的actions值 do4.if startEvent的输出活动j未被执行 then5.执行startEvent的输出活动j6.更新时间步t7.end if8.end for9.for i=2 to events值 do10.if PERTEvent-i尚未发生 then11.for j=1 to PERTEvent-i的inputs值 do12.if PERTEvent-i的输入活动j未被执行 then13.执行PERTEvent-i的输入活动j14.更新时间步t15.end if16.end for17.事件i被标记为已发生18.end if19.end for20.进入等待状态在进行PERT模型调度时，PERTActions进程首先根据其task属性所包含的事件信息生成相应的PERTEvent事件对象，确定其中的开始事件对象；然后根据 task 属性所包含的活动信息生成PERTEvent事件对象中的输出活动进程对象，并更新输入事件的输入活动数量，然后进入等待状态，直到PERT网络中的所有活动执行完毕。2面向飞机装备保障活动的面向飞机装备保障活动的 PERT进程建模进程建模本文采用基于PERT进程例程的建模仿真方法来表示飞机装备保障相关活动和过程。这些活动和过程主要与以下类型的实体相关：机场、飞行任务、飞机、保障人员、保障设备、保障供应、保障设施、保障任务和保障活动。其中机场负责接收飞行任务数据，根据飞行任务调度不同飞机的保障任务；飞行任务根据执行时间确定执行任务的飞机；保障人员、保障设备、保障供应、保障设施作为资源支持一系列保障活动；保障任务调度执行其中包含的保障活动。基于飞机装备保障流程的保障进程对象和资源对象的关系如图3所示。图3中的矩形对象表示进程对象类，圆形对象为资源对象类，实线箭头表示进程间的激活关系或引用关系，虚线箭头表示进程间的使用关系。在图3中，机场进程执行如下调度：(1)根据需要执行预防性维修的飞机激活执行预防性维修进程；(2)根据需要执行故障修复的飞机激活执行修 1840第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023马善智,等:基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究http:/www.china-复性维修进程；(3)按照当前需要降落的飞机激活执行飞机降落进程；(4)根据飞行任务时间调度激活当前机场需要执行的飞行任务进程。本进程又可以在飞行任务保障时间开始后选择激活执行飞机的飞行前准备进程和起飞进程。飞机进程则表示飞机的严重故障和一般故障生成过程，确定飞机的故障状态，并调度飞机的预防性维修调度进程确定飞机的预防性维修状态。飞行前准备进程、起飞进程、飞行后检查进程、再次出动准备进程、修复性维修进程、预防性维修进程均采用统一的保障任务PERT进程表示相应保障任务的保障维修过程。例如，飞行前准备进程的PERT模型如图4所示。保障任务PERT进程由一系列保障活动进程组合而成，保障任务PERT进程调度这些保障活动进程完成相应保障活动。每个保障活动进程使用保障人员、保障设备、保障供应和保障设施资源完成保障活动，其中存在以下规则：(1)保障人员需要按照班组分配时间调度不同专业保障人员的工作状态；(2)供应保障资源耗尽后需要调度供应保障补充进程完成保障供应；(3)保障设施发生故障后需要调度保障设施修复过程完成保障设施修复。所有的保障任务和保障活动需要围绕特定的飞机进程完成保障活动，所以保障任务进程和保障活动进程均需要引用需要保障的飞机进程对象。由于飞机装备保障任务是由按照时间先后顺序组成的一系列保障活动组合而成，不同类型保障任务差异较大，传统建模描述方法较难适应这种建模需求，因此，本文采用PERT方法来建立飞机装备保障任务模型。图3 飞机装备保障仿真模型中的进程和对象Fig.3 Processes and objects in aircraft equipment support simulation model 1841第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-3面向装备体系保障的可组合模型面向装备体系保障的可组合模型框架框架在体系模型框架设计过程中，应从体系作战概念和作战行为出发，基于体系层次的装备性能指标、效能指标和交互关系抽象作战实体模型，保证模型在物理域、信息域、认知域、组织域14上抽象和建模的一般性。这样使得分析人员可以针对不同的体系分析问题从体系层次上组合调整模型，支持体系效能分析的敏捷性和灵活性，还可以保证体系分析的简单性和易用性15-17。在装备体系保障体系效能评估的应用需求中，要构建面向作战保障的模型框架，可以借鉴仿真可组合的设计思想。支持采用可组合方法从体系层面把握装备体系保障中复杂的作战保障实体和设施、环境和交互关系，将作战实体和保障装备看作体系元素，将探测、通信和维修关系作为交互关系。同时需要考虑保障交互关系和实体行为受到作战环境的影响，从体系作战运用的角度进行战场环境建模，表现装备使用维修业务过程和作战业务过程的涌现性。体系模型框架强调作战模型的主体化、可重用性、实体关系的动态性以及模型行为的过程性，使得系统具有一个动态的模型体系框架作为运行支撑基础，并具备模型可组合的能力，自动在保障维修条件形成时进行模拟计算，以保证模型体系可以响应多种形式的维修部署和任务分配能力。将包含的保障装备实体及其关系进行分类、抽象以提高仿真模型的重用性和可组合性。基于此，设计基于ABMS的可组合装备体系作战模型框架，它定义了一种面向体系效能分析的保障实体类型、装备对象、交互关系和交互对象的建模概念，确定了建立体系仿真应用模型的模型框架。分析人员可以依据这些组件定义面向不同体系问题的作战实体、装备对象、环境元素、交互关系和作战实体行为，这些模型组件是建立图4 飞行前准备进程的PERT模型Fig.4 PERT model of operations before flying 1842第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023马善智,等:基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究http:/www.china-基于ABMS的体系仿真应用的模型基础。面向飞机装备体系保障的体系作战模型框架如图5所示。图5中的组件和数据仅代表用户在进行体系仿真应用开发时需要定义和使用的组件。在装备体系作战模型框架中，保障用户由不同的保障兵力构成，保障兵力包含可以指挥的保障单元。保障单元派生自作战保障实体对象，这样保障实体既可以表示有多个作战保障实体组成的保障单元，也可以表示单个保障实体。4基于回归树的定量分析过程基于回归树的定量分析过程装备体系作战的复杂性具有多层次、多元素、多交互的特点，仅采用定性分析方法难以揭示装备体系保障中潜在的问题和规律。通过计算机自动模拟特定场景下的装备体系作战过程，采用数理统计和数据分析方法对实验数据进行统计分析，从而定量发现输入保障变量和体系效能之间的影响关系和变化规律。决策回归树是一种最常用的归纳学习算法，能够用于数据的统计分析。决策回归树是一种自顶向下逐渐生成的树。其根节点可以是仿真生成的数据样本集，基本分析过程包括模型建立和利用模型进行分类两个步骤。从根节点开始，根据分类规则依次进行分割，针对关键评估指标，如果满足分割标准则将回归树分为T1和T2；并且分别创建对应的叶子节点n1和n2；则得到的树为(T1,n1)和(T2,n2)。分类规则是决策回归树生成的核心部分，本文主要采用基于信息增益的方法。自信息量：I(Xi)=-lb P(Xi)，其中，P(Xi)为信源发出的概率。信息熵：信息熵H(X)用来度量整个信源的不确定性，定义为H(X)=P(X1)I(X1)+P(X2)I(X2)+P(Xn)I(Xn)=-i=1nP(Xi)lb P(Xi)条件熵：条件熵H(X|Y)用来度量收到随机变量Y后，对信源X的不确定性。条件熵的值小于信息熵的值，说明在接收到随机变量后，关于信源的不确定性减少，即信息经过传递后关于信源的不确定性有所消除。条件熵定义为H(X|Y)=-i=1nj=1mlb P(Xi|Yj)平均互信息量：根据信息熵和条件熵的定义得知，接收到随机变量Y之后获得的关于信源X的信息量，定义为I(XY)=H(X)-H(X|Y)通过上述方法，就可以基于仿真数据样本进行回归树构造，从而根据构造的决策回归树进行关键指标的影响因素重要性及定量排序分析。5仿真实验与分析仿真实验与分析5.1 实验设计实验设计基于上述保障业务流程及前述方法构建相关业务模型，以某空中体系作战想定为背景，将保图5 可组合的装备体系模型框架Fig.5 Combinable model framework for equipment systems 1843第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-障要素融入体系作战仿真，在红蓝机群对抗条件下，红方飞机需要考虑保障资源和保障活动对体系作战活动的影响，分析保障资源和保障活动对装备体系作战效果的影响，输出战损比等作战效能参数指标和战备完好率等保障性参数指标。5.2 结果分析结果分析本实验研究设计了11个具有不同取值范围的实验因素，采用面向存在离散变量的近正交拉丁超立方实验设计方法，使用美国海军研究生院SEED中心开发算法工具16-17，生成初步实验设计方案并进行实验因子重要度筛选，再开展典型因子配置下的单项实验因素影响分析。最终的实验设计包含512个实验方案，每个仿真批量运行10次，共进行了5 120次仿真。每次运行时间为12 s左右，在并行计算环境下，实验时间总计为9 h。对实验结果进行整合处理后，基于JMP商业统计分析工具进行了相关分析。(1)基于逐步回归的重要影响因素分析由于飞机损失数量与机场飞机出动能力密切相关，损失数量少不代表作战效果好，所以应用逐步回归的方法来分析作战想定中影响蓝方战斗机损失数量的主要影响因素，考虑机场保障中选择的相关实验设计因素，并将二次影响和双向影响作为回归模型的隐含条件。图6显示回归模型的影响显著项有56%的可能性影响飞机损失数量。存在极大关联或者二次影响的主要影响因素会保留在回归模型中。(2)基于回归树的影响因素重要性分析回归树分析是采用分类回归树算法对实验样本进行统计分析，找出重要影响因素的排序，确定不同实验因子对作战效果影响大小程度的区间取值关系。图7显示了使用飞机损失数量作为响应变量的回归树和所有的实验设计因素之间的关系。这个回归树有5个分支，R2值为0.504。对回归树从上到下分析，顶部元素对相应变量具有更大的影响。右边的分支更好，因为目的是得到一个更高的飞机损失数量。可以看出燃油数量、弹A数量、弹C数量和弹D数量等保障因素是影响飞机损失数量的重要因子，当这些因子值达到某个阈值时，其效果显著变化。(3)关键因素影响趋势分析关键影响因素影响趋势分析统计分析各个重要影响因素和任务完成率等评估指标之间的变化趋势。由于仿真样本集是体系对抗下所有影响因素和随机因素对作战效果的综合影响，单一影响因素与评估指标之间的趋势变化也会包含其他关联因素的影响，并不会呈现简单的线性递增或递减趋势，但最重要的因素会呈现一定的趋势。图8(a)显示了燃油对飞机机损失数量的影响趋势，可以看到500 000 L左右是影响飞机损失数量的关键节点。图8(b)显示了加注燃油保障活动时间对进攻方损失数量的影响趋势。图6 机场保障中飞机损失数量回归分析Fig.6 Regression analysis of aircraft loss quantity in airport support simulation 1844第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023马善智,等:基于PERT和ABMS的装备体系保障效能评估方法研究http:/www.china-6结论结论本文建立了面向装备体系作战的ABMS模型框架，提出了基于PERT的飞机装备保障任务建模方法，实现了保障与作战融合的体系建模仿真。以某空中体系作战想定的案例应用结果表明，本建模方法和框架可以满足飞机装备体系化作战保障效能评估需求。采用决策树定量分析方法对大规模实验结果进行统计分析，量化了不同保障要素对装备体系作战效能的贡献率及关键要素的影响趋势。但同时发现，面对规模更为庞大的作战体系时，PERT 事件描述能力有待提高，相关ABMS的方法还有待于进一步改进，这将是今后重点研究的方向。图8 实验关键影响趋势分析Fig.8 Impact trend analysis of key factors图7 飞机损失数量的回归树分析Fig.7 Regression tree analysis of aircraft loss quantity 1845第 35 卷第 9 期2023 年 9 月Vol.35 No.9Sep.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-参考文献参考文献：1丛继平,崔利杰,丁刚,等.基于目标驱动的航空维修保障体系仿真研究J.系统仿真学报,2021,33(9):2157-2165.Cong Jiping,Cui Lijie,Ding Gang,et al.Simulation on Aviation Maintenance Support System Based on Goal-drivenJ.Journal of System Simulation,2021,33(9):2157-2165.2奉祁林,陶西贵,冯进技.基于需求满足度的军用机场体系作战保障效能评估方法J.军事运筹与系统工程,2021,35(2):31-35,47.Feng Qilin,Tao Xigui,Feng Jinji.Evaluation Method of System Operational Support Efficiency for Military Airfield Based on Requirement SatisfactionJ.Military Operations 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