基于CAS理論的裝備保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

伊洪冰，張愛民，令狐昌應(yīng)

（軍事交通學(xué)院，天津 300161）

聯(lián)合作戰(zhàn)是現(xiàn)在和未來一段時期主要的作戰(zhàn)樣式，一體化綜合保障成為我軍聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障的主要模式[1]。裝備保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指裝備保障系統(tǒng)各組分及相互之間關(guān)系的總合，其內(nèi)涵主要包括各級各類指揮機構(gòu)、保障實體，以及裝備保障機構(gòu)之間的指揮控制關(guān)系、信息交互關(guān)系等。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的效能具有很大影響，因此有必要對現(xiàn)行體制下裝備保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究，以尋求最大的保障效能。

信息化條件下的裝備保障系統(tǒng)，具有動態(tài)性、復(fù)雜性和自適應(yīng)性等特點，其結(jié)構(gòu)總是處于變化之中，是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)（CAS）理論是復(fù)雜系統(tǒng)理論的一個分支，是以計算機模型研究復(fù)雜系統(tǒng)時常用的理論[2-3]。運用復(fù)雜系統(tǒng)理論，借助現(xiàn)代計算手段，可以較好地解決裝備保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

1 信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)的特征

信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)是由一系列不同軍種、不同層次的裝備保障機構(gòu)，按照一定的指揮關(guān)系、信息交互與共享的關(guān)系構(gòu)成的。保障機構(gòu)是由若干指揮人員、保障人員和各種設(shè)備組成的人機混合體，具有能動性、自主性和適應(yīng)性。在信息化條件下，保障機構(gòu)之間的關(guān)系是動態(tài)的、復(fù)雜的。隨著作戰(zhàn)環(huán)境的演變和作戰(zhàn)進程的推進，會有新的指揮控制機構(gòu)、保障關(guān)系、信息交互關(guān)系不斷產(chǎn)生，同時也有舊的指揮控制機構(gòu)、保障關(guān)系、信息交互關(guān)系不斷消亡，裝備保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨之發(fā)展到一個新的階段。由此可知，信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個復(fù)雜系統(tǒng)中，每一個基本單元或者稱為子系統(tǒng)（保障機構(gòu)）都按照一定的規(guī)則自主的、能動的處理遇到的各種情況[4]。在處理各種情況過程中，不同的保障機構(gòu)之間往往需要進行交互、協(xié)作，發(fā)生指揮、控制、協(xié)同、協(xié)調(diào)等各種關(guān)系。在未來信息化條件下的作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場環(huán)境極為復(fù)雜，戰(zhàn)場情況瞬息萬變，往往需要不同的保障單元動態(tài)的、自適應(yīng)地構(gòu)建臨時的聯(lián)合保障群體去執(zhí)行隨機出現(xiàn)的各類保障任務(wù)。各類保障機構(gòu)根據(jù)作戰(zhàn)規(guī)則動態(tài)地產(chǎn)生、消亡、重組的微觀行為的總合，就會在宏觀上產(chǎn)生保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演變的“涌現(xiàn)”現(xiàn)象。

2 基于CAS理論優(yōu)化聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法

信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。對于這樣一個系統(tǒng)不能采用還原論的方法來研究。在復(fù)雜系統(tǒng)理論的指導(dǎo)下，以自底向上的方法建立基于適應(yīng)性主體（Agent）的計算機模型，通過仿真模擬的手段來研究該類系統(tǒng)是一種可行的方法[5]。該方法的主要思路是:將各類保障機構(gòu)看成是具有智能性、主動性、適應(yīng)性的智能主體（Agent）。這些主體按照一定的指揮關(guān)系、信息交互關(guān)系聯(lián)結(jié)成為一個整體，并按照各自的規(guī)則處理各種情況。裝備保障系統(tǒng)處理各種情況的過程，可以看成一個多主體構(gòu)成的信息處理系統(tǒng)聯(lián)合處理信息的過程。在這個過程中，由于主體間的交互作用、主體的適應(yīng)性進化導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生演化，系統(tǒng)通過這種演化求得整體性能的優(yōu)化。以復(fù)雜系統(tǒng)理論優(yōu)化聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障系統(tǒng)，就是通過分析研究這種演化過程來指導(dǎo)保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該方法的主要步驟[6]如下:

Step1:建立各類保障機構(gòu)的智能主體模型；

Step2:確定各保障主體的運行規(guī)則；

Step3:確定各保障主體之間的連接狀態(tài)（即建立保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)）；

Step4:設(shè)計作戰(zhàn)試驗（建立若干作戰(zhàn)想定，并把作戰(zhàn)任務(wù)轉(zhuǎn)化成保障主體能識別、處理的信息形式）；

Step5:進行仿真模擬，令各種保障主體在設(shè)定的作戰(zhàn)環(huán)境中根據(jù)規(guī)則相互作用、相互影響，共同演化；

Step6:對實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析，比較不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣；

Step7:根據(jù)分析結(jié)果提出假設(shè)，并進一步仿真模擬，驗證這些假設(shè)。

3 案例分析

以機步師山地進攻陸空聯(lián)合作戰(zhàn)裝備保障為例，參戰(zhàn)部隊為陸、空各3個基本戰(zhàn)術(shù)單位（其裝備保障機構(gòu)可以看作基本節(jié)點）。每一個節(jié)點都具有一定的資源和能力。

各基本節(jié)點的保障資源和負載能力如表1所示。

表1 功能及節(jié)點資源能力表

表1種列出了六個基本戰(zhàn)術(shù)保障單位節(jié)點所有的資源，例如從表中可以看出節(jié)點1具有10個單位的f1（軍械）類資源，2個單位的f3（車輛）類資源，3個單位的f4（工程）類資源，并且具有10個單位的工作負載能力。

這些基本節(jié)點相互連接構(gòu)成保障系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)點之間連接關(guān)系的不同，可以形成多種不同的保障結(jié)構(gòu)（部署形式）。如圖1所示，在此假定有兩種不同的保障結(jié)構(gòu)，一種是傳統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)S1，另一種是完全自組織結(jié)構(gòu)S2。

圖1 兩種保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

假設(shè)在作戰(zhàn)過程中，將會隨機出現(xiàn)多種類型的事件，如火炮陣地遭敵襲擊、運輸車隊途中遭敵襲擊、突破敵前沿裝甲裝備受損嚴重、開辟通路工程裝備受損等情況。每一個事件發(fā)生后都需要一個相應(yīng)的保障任務(wù)應(yīng)對。每一個保障任務(wù)都需要一定的資源、能力需求，任務(wù)的執(zhí)行需要時間并造成執(zhí)行節(jié)點的工作負載。假設(shè)各種“事件”按照一定的隨機概率出現(xiàn)，并對任務(wù)資源、時間的要求也是隨機的，并符合一定的概率分布。這些隨機任務(wù)的參數(shù)可以很容易的用“隨機數(shù)發(fā)生器”程序來生成。表 2 所示的是在仿真試驗中所用的一組任務(wù)數(shù)據(jù)。其中所需的資源指完成該任務(wù)所需要消耗的資源，如任務(wù)T1需要的資源為[00004]，指的是完成任務(wù)T1不需要表1 中列出的f1～f4類的任何資源，只需要4個單位的f5類資源。

在圖1所示的兩種保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，假設(shè)“事件”發(fā)生后會被某一個節(jié)點探測到?；竟?jié)點具有本專業(yè)的知識和能力，可以識別并處理本專業(yè)的任務(wù)；中層節(jié)點和高層節(jié)點分別具有本集團和全局的知識，可以識別本集團和全局內(nèi)的任務(wù)，但是中、高層節(jié)點沒有實際的執(zhí)行能力，需要將任務(wù)分配給下一級節(jié)點去執(zhí)行。與同一個信息交互中心連接的節(jié)點可以共享信息。在結(jié)構(gòu)S1中，節(jié)點不能識別的任務(wù)需要逐級上報，直到任務(wù)能夠被識別，然后任務(wù)被層層分解、下發(fā)到基本節(jié)點去執(zhí)行，需要協(xié)作完成的任務(wù)由上級來協(xié)調(diào)。在結(jié)構(gòu) S2中，各種任務(wù)由基本節(jié)點根據(jù)規(guī)則相互協(xié)調(diào)，節(jié)點不能處理的任務(wù)發(fā)布到信息交互中心，由其他節(jié)點處理或者根據(jù)規(guī)則聯(lián)合處理。

表2 任務(wù)列表

依照上述內(nèi)容，分別建立兩種指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型并進行仿真模擬，通過對20個時間單位內(nèi)隨機出現(xiàn)的 6個任務(wù)（T1～T6）進行仿真，得到的結(jié)果如表 3所示。

表3 任務(wù)延遲對比表

由表3可知，當(dāng)一個任務(wù)出現(xiàn)后，不同結(jié)構(gòu)的兩種保障系統(tǒng)做出反應(yīng)的速度是不同的。例如對于任務(wù)T4，采用結(jié)構(gòu)S1時，指揮系統(tǒng)在事件發(fā)生5個單位時間后才做出反應(yīng)，而采用結(jié)構(gòu)S2則只需要3個時間單位就能做出反應(yīng)。

從表4 可以看出，裝備保障系統(tǒng)采用不同的結(jié)構(gòu)時，同一個保障節(jié)點在執(zhí)行相同任務(wù)序列時所承擔(dān)的工作量是不同的。例如，結(jié)構(gòu)S1中節(jié)點A2需要承擔(dān)31.3個單位的工作負載，而結(jié)構(gòu)S2中結(jié)點A2只承擔(dān)了13.3個單位的工作負載。采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對保障節(jié)點的決策能力也提出了不同的要求。例如，在結(jié)構(gòu)S1中節(jié)點A1需要完成的決策工作量為4個單位的工作負載，而結(jié)構(gòu)S2中節(jié)點A1則需要承擔(dān)8個單位的決策工作量。

表4 節(jié)點負載對比表

4 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過對上述數(shù)據(jù)的分析，我們對保障系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu)的性能有如下認識:裝備保障系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)S1時，一個任務(wù)從出現(xiàn)到被著手處理的時間變化范圍比較大，與任務(wù)所需要的資源在保障系統(tǒng)中的分布有關(guān)；如果所需資源類型較多并且分布在不同的作戰(zhàn)保障集群中時，任務(wù)決策處理所需要的時間比較長，保障效能較低；而結(jié)構(gòu)S2面對這種情況時所需要的時間則相對較短，保障效能較高。結(jié)構(gòu)S2基本節(jié)點的工作負載分布較結(jié)構(gòu)S1均勻，這說明通過全局的協(xié)調(diào)往往能夠令任務(wù)的分配更加合理。但是通過表4可以看出，結(jié)構(gòu)S2顯然對保障節(jié)點的決策能力提出了更高的要求，這說明自適應(yīng)的作戰(zhàn)保障要求保障節(jié)點具有更強的決策能力。在仿真模擬的過程中，多次出現(xiàn)若干節(jié)點臨時組合處理任務(wù)的情況，由于初始結(jié)構(gòu)及節(jié)點處理規(guī)則的不同，導(dǎo)致這種動態(tài)協(xié)作的效率是不同的，同時對于同一個任務(wù)，有時會因初始結(jié)構(gòu)和處理規(guī)則的不同，導(dǎo)致不同的節(jié)點集合來處理該任務(wù)，這也會導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能具有不同的表現(xiàn)。總體而言，結(jié)構(gòu)S1中多個節(jié)點進行協(xié)作效率低于結(jié)構(gòu) S2，但是結(jié)構(gòu) S2要求保障節(jié)點具有較高的決策能力。

由上述分析可以看出，采用復(fù)雜系統(tǒng)理論可以較好的處理人機結(jié)合系統(tǒng)所具有的動態(tài)性、復(fù)雜性、自適應(yīng)性等問題。因此，以復(fù)雜系統(tǒng)理論分析、優(yōu)化裝備保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種行之有效的方法。

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