基于系統(tǒng)動力學的彈藥采購量動態(tài)沖擊模型與仿真研究*

王海丹，蘇坤洋，趙 美

（1.軍械工程學院，河北 石家莊 050003 ；2.解放軍95900部隊，河南 開封 475000）

信息化作戰(zhàn)使得制導彈藥消耗量劇增，彈藥需求的時效性增強、不確定因素增多[1]。因此未來彈藥采購工作要能隨時根據(jù)彈藥需求信息，統(tǒng)籌安排采購與生產(chǎn)力量，以確保實施適時、適地、適量的彈藥保障。為達到此目標，必須將平戰(zhàn)時的彈藥采購系統(tǒng)均作為動態(tài)變化的系統(tǒng)進行研究。本文借助系統(tǒng)動力學這一面向復雜動態(tài)系統(tǒng)的有力工具，建立動態(tài)沖擊下彈藥采購量的系統(tǒng)動力學結(jié)構模型。通過計算機仿真試驗，量化彈藥采購量的動態(tài)沖擊對其相關因素的影響程度，尤其是對于生產(chǎn)能力的沖擊程度，為深入探索彈藥采購工作中物質(zhì)流與信息流的動態(tài)行為規(guī)律、選擇最優(yōu)的彈藥采購策略以及彈藥的生產(chǎn)與決策提供科學的理論依據(jù)。

1 彈藥采購量動態(tài)沖擊原因分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭往往是在沒有準備下爆發(fā)的，由于需求信息的動態(tài)性和滯后性，彈藥需求量的確定必然會因此受到一定的沖擊。這種沖擊往往體現(xiàn)在未來戰(zhàn)爭的多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)下，對彈藥需求的品種多、數(shù)量大和時間短等幾個方面，尤其以供給速度快為響應需求的關鍵。就彈藥采購量的沖擊問題而言，彈藥采購量的確定依賴于需求量，因而所需彈藥的不確定及其短時間無法滿足需求的情況下，對采購工作和彈藥生產(chǎn)企業(yè)必然會造成沖擊。所以，彈藥采購量的沖擊核心問題是在限制的較短時間內(nèi)滿足所需采購彈藥的多品種和大數(shù)量的需求。由于其需求對采購和生產(chǎn)造成相當?shù)碾y度，因此對采購工作與生產(chǎn)決策構成沖擊。

2 基于系統(tǒng)動力學研究彈藥采購量動態(tài)沖擊的可行性

系統(tǒng)動力學是認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的綜合性新學科，通過分析復雜系統(tǒng)內(nèi)部的因果關系，構建系統(tǒng)模型，并通過計算機模擬軟件展示對模型實施各種不同的決策方案的未來結(jié)果，尋求解決問題的正確途徑，因此被譽為“實際系統(tǒng)的實驗室”[2]。

在彈藥采購量動態(tài)沖擊的研究系統(tǒng)中，某些參數(shù)關系難以量化，有些數(shù)據(jù)不足而且難以用結(jié)構化的模型來描述。而系統(tǒng)動力學方法具有解決這類問題的優(yōu)越性:一是由于系統(tǒng)動力學強調(diào)系統(tǒng)的行為模式主要取決于其內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構和反饋機制[3]，因此在數(shù)據(jù)缺乏的條件下仍然可進行研究；二是系統(tǒng)動力學方法擅長處理多維、非線性、高階、時變的系統(tǒng)問題，而所研究的彈藥采購與生產(chǎn)系統(tǒng)恰恰是具有這些特點的復雜系統(tǒng)；三是系統(tǒng)動力學研究復雜系統(tǒng)問題的方法是定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)綜合推理的方法。因此，可根據(jù)系統(tǒng)中各因素的因果性構造出能反映非線性、多重反饋和存在時滯的動態(tài)模型，并用計算機仿真的方法來實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的運行過程，從而分析其中量的變化對整個系統(tǒng)的影響。

3 彈藥采購量動態(tài)沖擊模型的建立及仿真分析

信息化條件下作戰(zhàn)，彈藥采購量的確定雖然具有諸多不確定的因素，但是運用系統(tǒng)動力學的方法，可以動態(tài)地分析由于彈藥需求量的變化導致采購量的變化，根據(jù)倉庫庫存量得到生產(chǎn)缺口量，從而定量得到對生產(chǎn)能力及中間環(huán)節(jié)的影響程度。

3.1 基本假設

以下建立的彈藥采購量動態(tài)沖擊模型是對在任務沖擊下，需求、采購和生產(chǎn)關鍵影響因素，特別是彈藥需求量和采購量的動態(tài)變化對于生產(chǎn)能力的沖擊程度進行研究，故對研究過程進行了適當?shù)某橄蠛秃喕?，提出如下假設:

1）彈藥運輸路線保持暢通；

2）忽略彈藥生產(chǎn)設施可能出現(xiàn)的故障情況；

3）彈藥采購保障過程在時間上是連續(xù)的。

3.2 彈藥采購量動態(tài)沖擊因果關系圖

本文研究的彈藥采購系統(tǒng)應考慮的影響要素包括部隊現(xiàn)有彈藥數(shù)量、需求缺口量、彈藥庫存量、生產(chǎn)缺口量、生產(chǎn)能力、可采購量以及采購速率等。部隊彈藥需求量是問題的起因，是整個系統(tǒng)動態(tài)變化的起點，其相關因素又與彈藥消耗有關，而彈藥消耗量與眾多因素相關，如戰(zhàn)爭規(guī)模、作戰(zhàn)強度、作戰(zhàn)持續(xù)時間等；對于彈藥生產(chǎn)系統(tǒng)而言，應考慮的要素有:所需彈藥生產(chǎn)周期、彈藥庫存量、在規(guī)定時間內(nèi)完成任務所需的生產(chǎn)能力（而與生產(chǎn)能力相關的影響因素包括人力資源、物質(zhì)資源、生產(chǎn)方法以及作業(yè)環(huán)節(jié)等）等。通過分析各變量間的因果關系，建立其相互影響的因果關系圖，如圖1所示。

圖1 彈藥采購量動態(tài)沖擊因果關系圖

可見，因果關系圖構成了兩個負反饋調(diào)節(jié)回路，正是由于這兩個回路使得整個系統(tǒng)構成了一個穩(wěn)定的回路，即隨著科學進行決策以及生產(chǎn)能力的及時響應，采購工作得以順利完成，部隊的需求得到滿足，工廠生產(chǎn)得到穩(wěn)定。因而整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，從而使得系統(tǒng)達到一個動態(tài)的平衡。

3.3 彈藥采購量動態(tài)沖擊的系統(tǒng)動力學流圖

圖2 彈藥采購量動態(tài)沖擊的系統(tǒng)動力學流圖

根據(jù)因果關系圖，繪制出如圖2所示的彈藥采購量動態(tài)沖擊系統(tǒng)動力學流圖[5]。在該系統(tǒng)動力學流圖中起主導作用的反饋回路為:需求缺口量→生產(chǎn)缺口量→生產(chǎn)能力→倉庫彈藥庫存量→彈藥采購速率→部隊現(xiàn)有彈藥數(shù)量。

3.4 變量定義和方程式的確定

該系統(tǒng)動力學模型中，部隊現(xiàn)有彈藥數(shù)量是需求信息的依據(jù)，倉庫彈藥庫存量是制定生產(chǎn)策略的前提。根據(jù)系統(tǒng)動力學原理，動態(tài)系統(tǒng)的行為最終由流位變量和流率變量決定，由于篇幅所限，僅列出流位變量和流率變量方程。

3.5 實例仿真與分析

選用Vensim PLE作為仿真平臺[6]，就某次戰(zhàn)役中某類彈藥需求量的變化，按照給定的初始參數(shù)對彈藥采購量動態(tài)過程及其對生產(chǎn)能力進行的沖擊進行仿真分析。通過運行 Vensim軟件，得到需求缺口量、生產(chǎn)缺口量、生產(chǎn)能力隨時間周期變化的仿真曲線，如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)與需求缺口量對生產(chǎn)能力的影響關系圖

在模擬仿真的時間期限內(nèi)，將需求缺口量、生產(chǎn)缺口量與生產(chǎn)能力疊加比較，可以看出，從有需求開始到2.5個月、4到4.5個月、8到9月時，彈藥需求突增對生產(chǎn)能力的沖擊強烈。下面就需求開始到 2.5個月時的數(shù)據(jù)分析如下:

圖4 彈藥需求生產(chǎn)缺口與生產(chǎn)能力基礎數(shù)據(jù)圖

最初，需求缺口量為20435發(fā)，此時由于庫存滿足，所以生產(chǎn)無缺口，生產(chǎn)能力初始設定為10000發(fā)/月可以滿足需求。隨著需求缺口量的累計增加，當需求缺口量累計增大到326352發(fā)時，對生產(chǎn)能力的需求是初始生產(chǎn)能力的9.543倍。可見由于需求在短期內(nèi)的突增，對于生產(chǎn)能力造成了很強的沖擊。如果生產(chǎn)能力可以及時響應，則需求得到滿足，使得庫存量大大增加，從而生產(chǎn)缺口減少，直至全部滿足到?jīng)]有生產(chǎn)缺口，即使第3個月由于彈藥消耗又產(chǎn)生了86190發(fā)的需求缺口，由于生產(chǎn)響應能力的大幅度提高，使得彈藥的產(chǎn)量也大幅增長，從而有大量的彈藥庫存，到第3 個月用平時的生產(chǎn)能力已經(jīng)能夠滿足需求。

根據(jù)圖 4，彈藥需求與生產(chǎn)缺口對生產(chǎn)能力影響關系圖，計算得到不同需求沖擊強度下對生產(chǎn)能力的沖擊強度如下:

1）初始到第2.5個月期間，需求缺口量累計增加到305917發(fā)，時間期限2.5月，生產(chǎn)能力需提高9.543倍。

2）第4到4.5個月，需求缺口量累計增加241555發(fā)，時間期限 0.5月，由于前期生產(chǎn)能力的提高，使得彈藥有一定的儲備，沒有生產(chǎn)缺口，生產(chǎn)能力需提高3.45倍。

3）第8.5到9月，需求缺口量累計增加196394發(fā)，時間期限0.5月，由于7到7.5月有一個較大需求，即:彈藥消耗量突增，產(chǎn)生了25713發(fā)的缺口量，生產(chǎn)能力需提高6.31倍。

由此可見，生產(chǎn)能力受需求的影響與采購的數(shù)量和時間密切相關。時間短、需求量大造成的沖擊強度就大。為應對沖擊，生產(chǎn)能力需要多大程度響應，可根據(jù)系統(tǒng)動力學流圖模型代入實際需求與庫存彈藥的數(shù)據(jù)進行模擬，就可以動態(tài)科學地計算出生產(chǎn)能力等因素因突發(fā)需求受到的沖擊應該響應的程度及響應的生產(chǎn)計劃策略，從而為科學決策提供參考。

4 結(jié)束語

本文針對未來戰(zhàn)爭對彈藥需求的新特點，建立了動態(tài)沖擊下彈藥采購量的系統(tǒng)動力學模型，分析了彈藥采購系統(tǒng)中各個因素的關系，針對彈藥采購量動態(tài)沖擊對生產(chǎn)能力影響程度在 Vensim PLE平臺上進行了仿真實驗。通過仿真結(jié)果可以看出，運用系統(tǒng)動力學的方法研究彈藥采購量動態(tài)沖擊的問題，不僅彌補傳統(tǒng)方法的缺陷，而且可以動態(tài)地研究不確定因素對系統(tǒng)中各個因素的影響，為應對未來戰(zhàn)爭彈藥需求提供科學決策的方法。

[1]高玉龍. 彈藥系統(tǒng)壽命匹配與技術壽命評估研究[D].石家莊:軍械工程學院, 2010.

[2]王其藩, 系統(tǒng)動力學[M]. 第二版. 北京:清華大學出版社, 1994.

[3]賈仁安, 丁榮華. 系統(tǒng)動力學——反饋動態(tài)性復雜分析[M ].北京:高等教育出版社, 2002.

[4]鐘永光, 賈曉菁, 李旭. 系統(tǒng)動力學[M]. 北京:科學出版社, 2009.

[5]Craig W. Kirkwood:System Dynamics Methods:A Quike Introduction[M]. U.S.New York press, 2000.

[6]Venata Cooperation:Vensim PLE User’ s Guide[M].U.S.MIT press,1999.