保障使命任務(wù)分解與流程集成方法研究＊

馮浩源 呂衛(wèi)民 江式偉

（1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊 煙臺 264001）（2.海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系 煙臺 264001）

1 引言

在保障使命分解方法研究方面，目前的分解方法包括：按區(qū)域分解法、按目標(biāo)分解法、按功能分解法、按活動類型分解法等［1］。這些方法可以將使命分解到具體的子任務(wù)或者原任務(wù)程度，如圖1所示。

圖1 使命任務(wù)分解示意圖

根據(jù)此圖可以很直觀的看出使命構(gòu)成，從而為軍事保障需求分析奠定基礎(chǔ)。但是這些方法均不能動態(tài)反映構(gòu)成使命的子任務(wù)間的關(guān)系，分解的子任務(wù)為靜態(tài)孤立的任務(wù)模型，不能滿足對軍事保障需求動態(tài)分析的要求，對保障能力進行評估時存在評價指標(biāo)難以客觀綜合的突出問題。

在流程集成方法研究方面，目前大都采用排序論等方法，雖然可以求得確定條件下技術(shù)準(zhǔn)備工作中輔助裝備的最佳數(shù)量配置，以保證技術(shù)準(zhǔn)備任務(wù)的按時完成和輔助裝備的較高利用率［2］。但由于實踐過程中，環(huán)境條件、保障設(shè)備條件以及保障人員狀態(tài)都是隨著時間發(fā)生變化的，因此必須將靜態(tài)的流程轉(zhuǎn)化為動態(tài)的流程集成模型，根據(jù)實際條件實時的給出最優(yōu)流程，保證保障任務(wù)的順利、高效完成。

保障流程這樣的離散事件系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的復(fù)雜性是很難通過采用某種單一的傳統(tǒng)技術(shù)來完全體現(xiàn)的，而Petri網(wǎng)則以其特有的處理離散事件系統(tǒng)的能力而備受關(guān)注，因其既可較好的體現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，又可通過托肯的觸發(fā)運行來表現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特征，再加上豐富的數(shù)學(xué)理論支持及眾多的分析技術(shù)，使之成為離散事件系統(tǒng)優(yōu)秀的建模、分析和仿真工具［3］。

因此，本文提出了一種基于保障模式組合的保障使命分解方法，并選取DoDAF產(chǎn)品中的OV－5視圖，對任務(wù)進行分解，以得到具體活動集合。在得到活動集合并完成資源集成的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的流程動態(tài)規(guī)劃模型，以完成實時優(yōu)化保障任務(wù)流程的目標(biāo)。

2 保障使命任務(wù)分解與建模

2.1 保障使命分解

由于保障的最終目標(biāo)是完成對作戰(zhàn)使命任務(wù)的支持，因此對于保障體系使命的分解，可以參考作戰(zhàn)使命分解為作戰(zhàn)模式的方法，將保障使命分解為數(shù)種保障模式，保障模式通過組合的方式完成對作戰(zhàn)模式的支撐。

同時考慮到實際的保障工作通常是一項保障任務(wù)圍繞一種主戰(zhàn)裝備開展的工作模式，可以將保障模式直接分解到對應(yīng)各類型主戰(zhàn)裝備保障任務(wù)的層次上?？梢?，對于特定的作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)作戰(zhàn)模式可以得到參戰(zhàn)主戰(zhàn)裝備的數(shù)量與類型，據(jù)此可以得到此時為完成使命的保障模式組合，即保障任務(wù)的組合，如圖2所示。

圖2 保障體系使命分解圖

2.2 保障任務(wù)靜態(tài)建模

將保障使命分解到任務(wù)層次后，對保障任務(wù)進行靜態(tài)建模。根據(jù)任務(wù)的形式化描述方法，對保障任務(wù)的形式化描述需要四方面信息：目標(biāo)描述、裝備描述、活動描述以及活動間關(guān)系描述。為對其進行形式化的描述，現(xiàn)對如下內(nèi)容進行定義：

定義1（保障任務(wù)）對于任何一個保障任務(wù)，其都可被形式化描述為一個四元組

其中，TO＝｛TO1，TO2，…，TOn｝表示保障任務(wù)的目標(biāo)集合；TE＝｛TE1，TE2，…，TEn｝表示保障任務(wù)的裝備集合；TA＝｛TA1，TA2，…，TAn｝表示保障任務(wù)的活動集合；TR＝〈SeqR，CndR，AndR，OrR，ConcR，SynR，CycR〉表示作戰(zhàn)任務(wù)的活動間關(guān)系集合。

定義2（保障任務(wù)的目標(biāo)）保障任務(wù)的目標(biāo)指保障任務(wù)的完成條件或目標(biāo)，對于不同的目標(biāo)，用TOi（i＝1，2，…，n）表示。

定義3（保障任務(wù)的裝備）保障任務(wù)的裝備是指參與完成保障任務(wù)活動的各類裝備所構(gòu)成的集合，用（i＝1，2，…，n）表示。

定義4（保障任務(wù)的活動）保障任務(wù)的活動是保障任務(wù)的基本元素，具有不可分割性和特定目標(biāo)性。它是指在滿足一定的條件下，可由一定的保障系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)的規(guī)則、條例、條令完成過程動作。保障任務(wù)的活動可以用TAi（i＝1，2，…，n）表示。

定義5（保障任務(wù)活動間的關(guān)系）保障任務(wù)活動間的關(guān)系是指保障任務(wù)活動之間的相互約束和邏輯關(guān)系，即順序關(guān)系（SeqR）、條件關(guān)系（CndR）、與關(guān)系（AndR）、或關(guān)系（OrR）、并發(fā)關(guān)系（ConcR）、同步關(guān)系（SynR）、循環(huán)關(guān)系（CycR）。

美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架DoDAF為體系結(jié)構(gòu)的描述、表示及作戰(zhàn)行動和業(yè)務(wù)運作過程的集成定義了一種通用的途徑［4］。DoDAF由20多個產(chǎn)品構(gòu)成，這些產(chǎn)品分別從作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)視圖對體系結(jié)構(gòu)進行描述，根據(jù)任務(wù)描述需求在DoDAF框架中選取適當(dāng)產(chǎn)品。

為描述任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)活動，選取OV－5任務(wù)活動圖，OV－5能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)目標(biāo)的集合TO＝｛TO1，TO2，…，TOn｝以及任務(wù)活動的集合TA＝｛TA1，TA2，…，TAn｝的描述；為描述任務(wù)裝備，選取OV－2任務(wù)節(jié)點圖、OV－4組織關(guān)系圖以及OV－3任務(wù)信息交互矩陣，通過以上三個視圖，可表現(xiàn)保障裝備的集合TE＝｛TE1，TE2，…，TEn｝及集合內(nèi)元素間的信息交換；為描述任務(wù)活動間關(guān)系，選取OV－6c任務(wù)事件跟蹤描述圖，OV－6c圖涵蓋了與活動間關(guān)系TR＝〈SeqR，CndR，AndR，OrR，ConcR，SynR，CycR〉相關(guān)的信息。

選取OV－5用于構(gòu)建任務(wù)靜態(tài)模型。對美軍航母航空保障的典型任務(wù)進行分析并對任務(wù)的活動進行形式化描述后，可建立該任務(wù)的OV－5活動樹狀圖，如圖3所示。

圖3 OV－5任務(wù)活動樹狀圖

2.3 保障任務(wù)分解

1）任務(wù)分解原則

（1）原則一，目標(biāo)原則

以原任務(wù)關(guān)聯(lián)到具體目標(biāo)為依據(jù)，當(dāng)具體目標(biāo)的執(zhí)行被分解到某一任務(wù)時，該任務(wù)可以優(yōu)先確定為原任務(wù)。

（2）原則二，任務(wù)空間維度原則

從任務(wù)執(zhí)行空間的維度進行進一步的分解，以全面考慮任務(wù)執(zhí)行可能的情況。

（3）原則三，階段劃分原則

階段劃分是對任務(wù)執(zhí)行過程與序列行動的考慮，在任務(wù)分解過程中從任務(wù)執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)的階段劃分來考慮是否需要進一步分解得到原任務(wù)。

（4）原則四，任務(wù)區(qū)域或方向原則

任務(wù)區(qū)域或方向原則是對保障主體進行以執(zhí)行任務(wù)過程可能的路徑選擇、行進方向選擇和任務(wù)區(qū)域選擇的考慮。

根據(jù)美軍航母航空保障使命特征，主要依據(jù)階段劃分的原則進行任務(wù)分解，在任務(wù)的分解過程中綜合考慮原則一、原則三和原則四。

2）分解過程

定義1保障任務(wù)兩個外部節(jié)點，分別為下達保障指令，以及確定保障任務(wù)結(jié)束。

定義2保障任務(wù)的輸入為保障模式和保障規(guī)模，它們來源于外部節(jié)點，輸出為任務(wù)結(jié)束，去向另一個外部節(jié)點。根據(jù)定義1、2美航母航典型對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)的前后關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 OV－5任務(wù)前后關(guān)系圖

對岸作戰(zhàn)保障這一任務(wù)進行分解，其下包含四個子任務(wù)，分別為：計劃準(zhǔn)備、保障出航、起飛作戰(zhàn)和返航回收，如圖5所示。

圖5 對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)的分解視圖

在這里可以根據(jù)需要選取繼續(xù)對這四個子任務(wù)繼續(xù)分解，如圖6～9所示。

圖6 計劃準(zhǔn)備準(zhǔn)備子任務(wù)分解視圖

3 基于Petri網(wǎng)的保障流程集成模型

通過前面使命任務(wù)分解與建模的工作，得到了具體的保障活動集合，為了優(yōu)化組織活動以便高效地完成任務(wù)，需要完成資源集成、業(yè)務(wù)流程規(guī)劃與資源配置。為此，本文提出了一種基于Petri網(wǎng)的流程集成模型。

圖7 保障出航子任務(wù)分解視圖

圖8 起飛作戰(zhàn)子任務(wù)分解視圖

圖9 返航回收子任務(wù)分解視圖

3.1 保障流程集成模型的概念視圖

為清楚地顯示模型的輸入輸出關(guān)系，作其概念視圖，如圖10所示。

圖10 保障流程集成模型的概念視圖

保障流程集成模型由三大模塊組成，即保障活動TA；保障資源TBi，包括：保障裝備TE，保障人員TP和特殊資源TS（空間、備品配件等）；流程動態(tài)規(guī)劃模型。

保障活動TA已經(jīng)通過保障使命任務(wù)分解與建模獲得，其參數(shù)構(gòu)成為

其中XBi為保障資源需求（類型、數(shù)量）；XTi為保障活動消耗的時間；XCi為前置后續(xù)條件，即要求活動在另一項活動之前或之后才能執(zhí)行的條件；BWi為保障活動完成次數(shù)標(biāo)記；PRi為活動優(yōu)先級，即活動在業(yè)務(wù)流程規(guī)劃時的優(yōu)先等級。

保障資源TB是所有保障成員共享的資源，通過信息化系統(tǒng)將體系資源聚合為一體，形成可互換可共享的資源池，供流程動態(tài)規(guī)劃模型統(tǒng)一調(diào)配使用。保障資源TB的參數(shù)構(gòu)成為

其中BLi為保障資源類型；BRi為保障資源的可用性標(biāo)記（可用標(biāo)記為1，不可用標(biāo)記為0）。

流程動態(tài)規(guī)劃模型的輸入是由使命任務(wù)分解模型提供的任務(wù)活動集合和由資源集成得到的資源集合，其輸出是業(yè)務(wù)流程與資源配置方案，下面介紹具體建模過程。

3.2 流程動態(tài)規(guī)劃模型

用Petri網(wǎng)進行調(diào)度屬于混合型優(yōu)化方法［5］，首先以Petri網(wǎng)為工具對系統(tǒng)進行分析、建模，然后利用啟發(fā)式算法對模型可達圖進行搜索，最終獲得有效并優(yōu)化后的調(diào)度結(jié)果，即業(yè)務(wù)流程與資源配置方案。

1）Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型的建立與簡化

時間Petri網(wǎng)分為時間與庫所相關(guān)聯(lián)（TPPN）和時間與變遷相關(guān)聯(lián)（TTPN）兩種，本文采用TTPN作為建模工具。TTPN為六元組［6］，PN＝（p，T，F(xiàn)，W，M0，D），其 中p＝｛p1，p2，L，pm｝為一個有窮的庫所集，用以表示系統(tǒng)中的資源或狀態(tài)；T＝｛t1，t2，L，tn｝為一個有窮的變遷集，用以代表事件或操作；F?（P×T）∪（T×P）為網(wǎng)中的流關(guān)系；W：F→｛1，2，3，L｝為一個表示權(quán)重的映射函數(shù)；M0：P→｛0，1，2，L｝是系統(tǒng)的初始標(biāo)志；D：P→R＋表示和變遷關(guān)聯(lián)的時間集。在TTPN中，系統(tǒng)的動態(tài)行為依賴于變遷的實施序列，而變遷延遲時間的累加即為實施序列的總延遲，因此變遷實施序列是決定系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵因素。

根據(jù)保障活動TAi的保障資源需求XBi和前置后續(xù)條件XCi，運用Petri網(wǎng)建模工具建立保障活動的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，如圖11所示。

圖11 保障活動的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型（部分）

為了進一步簡化模型描述，根據(jù)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有相似性的特點，采用等價結(jié)構(gòu)壓縮技術(shù)［7］簡化模型描述，得到壓縮后的模型如圖12所示。如圖可見壓縮后的模型既保持了子網(wǎng)結(jié)構(gòu)的全部邏輯關(guān)系，又顯著降低了模型描述的復(fù)雜性，有利于對模型結(jié)構(gòu)的理解和仿真程序的設(shè)計。

2）調(diào)度策略的優(yōu)先級表達

圖12 壓縮后的保障活動的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型（部分）

調(diào)度策略的實質(zhì)是資源占用的沖突消解，最終目標(biāo)是給出包含資源最優(yōu)分配策略的任務(wù)活動安排，即最優(yōu)業(yè)務(wù)流程。本文提出了一種以優(yōu)先級表達調(diào)度策略的方法，即為每一個變遷賦予一個唯一的優(yōu)先級標(biāo)記，在資源占用發(fā)生沖突時，比較沖突變遷的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的變遷得以執(zhí)行，優(yōu)先級低的變遷則繼續(xù)等待。采用優(yōu)先級表達調(diào)度策略的突出優(yōu)點是計算量極低且具備全局性，有利于提高優(yōu)化算法的尋優(yōu)速度和降低啟發(fā)式算法落入局部最優(yōu)的可能性，同時也能直觀地表達變遷的重要程度，為目標(biāo)優(yōu)化提供有益的參考。

3）基于粒子群算法的調(diào)度策略優(yōu)化算法

本文采用粒子群算法來求解最優(yōu)調(diào)度策略，粒子群算法是典型的啟發(fā)式搜索算法，是解決完全N－P問題的有效方法，適用于非線性、不可微甚至不連續(xù)的函數(shù)的優(yōu)化，能以較大的概率求得全局最優(yōu)解，該算法還具有較強的魯棒性、全局收斂性和隱含并行性以及廣泛的適應(yīng)性。

粒子群算法的思想是，粒子在解空間中運動，通過跟蹤個體極值和群體極值更新個體位置。粒子每更新一次位置，就計算一次適應(yīng)度值，并且通過比較新粒子的適應(yīng)度值和個體極值、群體極值的適應(yīng)度值，更新個體極值和群體極值的位置。

假設(shè)在D維空間中，由n個粒子組成的種群X＝（X1，X2，…，Xn）T，其中第i個粒子表示為一個D維的向量Xi＝（Xi1，Xi2，…，XiD）T，其代表該粒子在D維搜索空間的位置，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計算每個粒子位置對應(yīng)的適應(yīng)度值。第i個粒子速度為Vi＝（Vi1，Vi2，…，ViD）T，其個體極值為Pi＝ （Pi1，Pi2，…，PiD）T，種 群 全 局 極 值 為Pg＝（Pg1，Pg2，…，PgD）T。在每次迭代中，粒子個體極值和群體更新自身的速度和位置公式為

其中，w為慣性權(quán)重，d＝1，2，…，D；i＝1，2，…n為當(dāng)前迭代次數(shù)；c1、c2為加速度因子；c1、c2為［0，1］區(qū)間隨機數(shù)。

4 實例

本例中的對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)由38個相關(guān)活動構(gòu)成，保障資源共2類，包括：保障人員8人，其中A類3人，B類3人，C類1人，D類1人；主要緊缺資源有A、B、C三類。首先將與保障任務(wù)相關(guān)的資源占用情況轉(zhuǎn)化為0－1描述的狀態(tài)向量，獲得的初始狀態(tài)向量作為流程動態(tài)規(guī)劃模型的初始狀態(tài)值；然后隨機取得優(yōu)先級向量作為粒子群算法的輸入；之后設(shè)定迭代次數(shù)為300，粒子群數(shù)為20，每個粒子的維度為38；最后進行仿真計算，算法迭代過程如圖13所示。

圖13 粒子群算法迭代過程

在粒子群算法70次迭代以后，對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)的總時間已經(jīng)保持不變，模型已經(jīng)得到了最優(yōu)解，即對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)最短總時間為89分鐘，最終得到最優(yōu)業(yè)務(wù)流程如圖14所示。

圖14 對岸作戰(zhàn)保障任務(wù)最優(yōu)業(yè)務(wù)流程

5 結(jié)語

保障使命任務(wù)分解與流程集成研究，具有重大的現(xiàn)實意義。本文在目前系統(tǒng)工程主要研究成果基礎(chǔ)上，運用美國國防部體系框架（DoDAF），給出了保障使命分解的原則與建立保障任務(wù)靜態(tài)模型的方法，在任務(wù)分解的基礎(chǔ)上，建立了保障任務(wù)靜態(tài)模型，提出了基于Petri網(wǎng)的保障集成建模方法，給出了模型的概念視圖，介紹了流程動態(tài)規(guī)劃模型的建立方法，運用上述模型與方法對實際案例進行分析與應(yīng)用，驗證了模型和方法的有效性，對保障使命任務(wù)分解與流程集成研究提供了一種參考，具有現(xiàn)實的支持意義。

［1］宋太亮.裝備保障性系統(tǒng)工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：2－3.

［2］劉純貴，陶勇剛.作戰(zhàn)飛機多級機務(wù)準(zhǔn)備流程優(yōu)化方法研究［J］.航空維修與工程，2006（1）：33－34.

［3］CHEN Jyh－h(huán)orng，F(xiàn)U Li－chen，LIN Ming－h(huán)ung.Petri net and GA based approach to modeling，scheduling，and performance evaluation for wafer fabrication［J］.IEEE Trans.Robot.Automat.，2001，17（5）：619－636.

［4］Cebrowski Arthur K.VAdm USN，Garstha John J.Network Centric Warfare：Its Origin an Future.Proceedings of the Naval Institute，1998，124（1）：28－35.

［5］CHEN Hao－xun，IHLOW J，LEHM ANN C.A genetic algorithm for flexible job－shop scheduling［A］.Proceedings of the 1999IEEE International Conference on Robotics ＆ Automation［C］.Detroit：IEEE，1999：1120－1125.

［6］Sun T H，Cheng C W，F(xiàn)u L C.A Petri net based approach to modeling and scheduling for FMS and a Case Study［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，1994，41（6）：593－601.

［7］DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architec－ture Framework Version 1.5Volume II［Z］.2007－04－23.