面向任務(wù)場景的艦炮維修保障過程建模研究

米巧麗，徐廷學(xué)，劉 勇

（1.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺 264001；3.海軍航空工程學(xué)院 接改裝訓(xùn)練大隊，山東 煙臺 264001）

艦炮作為一種反應(yīng)快、持續(xù)作戰(zhàn)能力強、效費比高的艦載武器，是水面艦艇在未來聯(lián)合作戰(zhàn)中對岸、對空、對海作戰(zhàn)不可缺少的重要武器裝備。艦炮維修保障的目的是依據(jù)艦炮在各個任務(wù)剖面下的保障要求進行專項維修保障，保證裝備在有限的維修保障資源情況下完成規(guī)定任務(wù)，從而提高艦炮對敵目標(biāo)的打擊能力及平時和戰(zhàn)時的綜合保障能力［1］。根據(jù)艦炮的使命任務(wù)和保障要求，其保障過程涉及到多活動、多資源、多組織在多任務(wù)階段的有效協(xié)調(diào)和應(yīng)用。場景是為了完成特定任務(wù)而按照時間順序排列的一系列對象間的交互，是對象交互的特定時序［2］。場景技術(shù)常用于描述系統(tǒng)行為、系統(tǒng)與環(huán)境之間的交互，可以根據(jù)特定任務(wù)的具體事例進行分析，對復(fù)雜系統(tǒng)要求的分析與研究十分有利。針對艦炮使命任務(wù)及各任務(wù)階段維修保障的復(fù)雜性與特殊性，擬將場景技術(shù)、行為樹與對象Petri網(wǎng)相結(jié)合的建模方法應(yīng)用于艦炮任務(wù)階段維修保障過程的建模與驗證中，以有效地模擬并發(fā)現(xiàn)艦炮在各任務(wù)階段中的保障缺陷，從而針對性地規(guī)劃艦炮任務(wù)過程中的保障活動和資源，提升保障系統(tǒng)的保障能力。

1 艦炮維修保障過程建模方法分析

1.1 艦炮的任務(wù)場景

艦炮的主要使命任務(wù)是：對岸上的目標(biāo)進行摧毀、壓制，對岸攻擊和火力支援；與其他武器裝備配合，對海上的中小目標(biāo)實施打擊，應(yīng)對低強度海上沖突及警告性打擊等；承擔(dān)艦艇及要地的近程、末端防空及反導(dǎo)防御等［3］。依據(jù)任務(wù)過程通常將艦炮使命任務(wù)分為任務(wù)準(zhǔn)備、執(zhí)行任務(wù)、任務(wù)結(jié)束和待命等階段。由此，對應(yīng)將艦炮的任務(wù)場景劃分為如圖1所示的任務(wù)準(zhǔn)備場景、執(zhí)行任務(wù)場景、任務(wù)結(jié)束場景及待命場景。其中，執(zhí)行任務(wù)場景按照作戰(zhàn)任務(wù)分類進一步劃分為對海作戰(zhàn)場景、對岸作戰(zhàn)場景和對空作戰(zhàn)場景。

1.2 艦炮維修保障過程特性

基于上述任務(wù)場景，在艦炮維修保障的實施過程中，構(gòu)成艦炮維修保障的基本要素為各種隨機或計劃的事件，如發(fā)生故障、申請備件、修復(fù)性維修、執(zhí)行任務(wù)和預(yù)防性維修等。這些事件均是發(fā)生在離散的時間點上。艦炮維修保障對象的狀態(tài)也是由一系列的離散變量所表征，如備件庫存量、維修人員數(shù)量、保障設(shè)備可用數(shù)量、待修裝備與可用裝備數(shù)量等。當(dāng)一個離散事件發(fā)生時，如產(chǎn)品發(fā)生故障，系統(tǒng)的離散變量將隨之改變，表征系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生躍變。而系統(tǒng)將在該事件的驅(qū)動下，根據(jù)躍變前的狀態(tài)和外界輸入，確定如何進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。如裝備發(fā)生故障后，有可能立即進入維修流程，也有可能排隊等待維修。這些行為特征體現(xiàn)了離散事件系統(tǒng)的“離散事件驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)的躍變，系統(tǒng)狀態(tài)的躍變觸發(fā)新的離散事件”的動態(tài)特性［4］。因此，艦炮維修保障過程表現(xiàn)出典型的離散事件動態(tài)特性。

1.3 建模方法的對比

目前常用的離散事件系統(tǒng)過程建模方法主要包括EPC、IDEF3、Petri網(wǎng)、UML 和行為樹等有代表性的方法［5］。其中，行為樹（Behavior Tree，BT）是一種形式化的、用于表示單個實體或?qū)嶓w網(wǎng)行為的樹狀圖，可對實體實現(xiàn)或改變狀態(tài)、做出決策、響應(yīng)／觸發(fā)事件、交換信息等進行描述［6］。根據(jù)艦炮任務(wù)場景及維修保障過程特性，從建模需求、范圍和能力等方面對這些建模方法進行比較發(fā)現(xiàn)：常用的單一建模方法對任務(wù)及保障過程中各活動、資源及組織的關(guān)系描述精度不夠，建模過程冗長，無法滿足任務(wù)變化的保障需求，并缺乏優(yōu)化重組的能力。相對而言，行為樹方法具有較好的描述能力，不但可以準(zhǔn)確地反映單個任務(wù)場景中的維修活動，并可以通過單元組合創(chuàng)建滿足多個任務(wù)場景交互的維修保障過程模型，但是其在模型動態(tài)驗證和定量分析等方面有所欠缺；Petri網(wǎng)方法在描述能力、易用性及對維修過程相關(guān)元素的描述等方面有所欠缺，但其可以有效地進行模型動態(tài)驗證與定量分析，可為描述具有離散事件動態(tài)特性的復(fù)雜系統(tǒng)提供強有力的手段?？梢?，行為樹與Petri網(wǎng)方法在各方面相輔相成，從而滿足基于任務(wù)場景的艦炮維修保障過程的建模要求。因此，首先運用行為樹方法對基于任務(wù)場景的艦炮保障過程進行描述，然后集成子模型并轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的Petri網(wǎng)仿真模型進行仿真驗證。

2 基于eBT的艦炮維修保障過程描述

2.1 行為樹方法的擴展

依據(jù)行為樹基本構(gòu)成和艦炮維修過程的分析，在預(yù)防性維修和修復(fù)性維修過程中，如果等待維修的故障件較多，而維修站點或維修資源有限，那么將會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，因此，需要對每個維修活動相關(guān)的資源等待時間及維修時間等加以統(tǒng)計。行為樹要完整地反映過程中活動、資源及組織相互之間的關(guān)系，并且直觀有效地轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)模型進行模型驗證，其缺乏對維修保障過程中資源使用、等待時間與維修時間等性能參數(shù)的描述。

行為樹的基本組成單元是與邏輯表達式及數(shù)量公式等形式化基礎(chǔ)上的事件、決策或狀態(tài)等內(nèi)容相關(guān)的窗體元素［7］。依據(jù)上述問題，對基礎(chǔ)行為樹進行擴展，簡記為擴展行為樹（extended Behavior Tree，eBT）。eBT 的基本組成單元表示如圖2所示，對基礎(chǔ)行為樹的組成單元進行兩方面擴展：

1）加入所描述事件和活動對應(yīng)的保障資源信息。對各種保障資源進行編號，如備件1記為P1，設(shè)備1記為Q1，維修人員1記為W1。

2）在活動狀態(tài)單元中加入等待時間TW和維修時間TM等性能參數(shù)信息。

2.2 eBT的形式化描述

艦炮在使用階段會面臨多個任務(wù)場景，而每個任務(wù)場景中可能包含一個或多個維修實例。描述每個維修實例的行為樹中可能包含多個系統(tǒng)狀態(tài)（艦炮狀態(tài)）、輸入事件、內(nèi)部事件、輸出事件、活動、條件判斷及這些元素相互之間的關(guān)系等元素。將基于任務(wù)場景的艦炮維修保障過程形式化描述為Sys＝｛Si｜Si∈S｝，其中Si是屬于整個艦炮任務(wù)場景集S中的場景，如記待命場景、任務(wù)準(zhǔn)備場景、執(zhí)行任務(wù)場景及任務(wù)結(jié)束場景分別為S0、S1、S2、S3。對每個任務(wù) 場 景Si＝｛Rij，i＝0，1，2，3，j＝0，1，2，…，N｝，Rij＝（Staij，Eij，Conij，Actij，Reij）為場景Si的實例集，其中，Staij代表實例Rij的系統(tǒng)狀態(tài)集；Eij＝In＿eij∪Inner＿eij∪Out＿eij代 表 實 例Rij中 的 事 件 狀態(tài)集合，其中，In＿eij、Inner＿eij與Out＿eij分別是實例Rij中輸入事件狀態(tài)集合、內(nèi)部事件狀態(tài)集合與輸出事件狀態(tài)集合；Conij＝｛Conijk，0≤k≤M｝為實例Rij中的條件判斷集合，條件判斷Conijk可表示為（Conijk－e，Conijk－Para）或Conijk－exps，其中，Conijk－e、Conijk－Para與Conijk－exps分別為實例集Rij中的任意條件判斷Conijk中使用的事件狀態(tài)、事件參數(shù)集與表達式集；Ackij為實例Rij中的活動集合；Reij為實例Rij中各個元素之間關(guān)系的集合，如系統(tǒng)狀態(tài)與輸入事件狀態(tài)之間的關(guān)系可表示為Reij（Staij，In＿eij）。

2.3 維修保障過程模型的構(gòu)建

對于艦炮保障系統(tǒng)來說，當(dāng)艦炮裝備處于待命狀態(tài)時可進行預(yù)防性維修，它是一個固定時間觸發(fā)。如在待命場景S0中，規(guī)定艦炮每執(zhí)行任務(wù)累積時間達到t0后需進行一次預(yù)防性維修作業(yè)。在任務(wù)準(zhǔn)備階段首先要為任務(wù)分配裝備，此時主要考慮裝備是否完好，故障或未完成維修的裝備不能執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)任務(wù)啟動時，如果準(zhǔn)備完畢的裝備達到任務(wù)的保障要求，則裝備進入任務(wù)執(zhí)行階段。因此，當(dāng)艦炮接受任務(wù)命令時，如果任務(wù)累積時間在t0之內(nèi)則進入任務(wù)準(zhǔn)備階段，如超過t0則進入相應(yīng)維修站點進行預(yù)防性維修。艦炮在進入任務(wù)準(zhǔn)備階段后，進行故障檢測，如果不出現(xiàn)故障則正常執(zhí)行任務(wù)，如出現(xiàn)故障則進入故障維修流程。上述待命與任務(wù)準(zhǔn)備場景下維修保障過程的eBT 模型如圖3所示。

在任務(wù)準(zhǔn)備與執(zhí)行任務(wù)場景中，如果艦炮的某一系統(tǒng)或產(chǎn)品故障發(fā)生故障或遭受戰(zhàn)損，須進行修復(fù)性維修。維修可以在不同級別、不同站點中完成，由此會造成任務(wù)失敗或等待狀態(tài)。首先在艦員級進行排故和修復(fù)，若由于本級的故障檢測和修理能力的制約不能完成該修復(fù)任務(wù)，需要將故障件送往中繼級或基地級進行修復(fù)。換件修理中，在指定維修站點對失效單元進行拆卸，并根據(jù)單元類型確定報廢還是修理，以及在哪個維修站點進行修理。假設(shè)在執(zhí)行任務(wù)場景S2中，艦炮出現(xiàn)機電故障，經(jīng)故障檢測出現(xiàn)兩個故障件，此后判斷故障件是直接維修還是送修。記對故障件1進行直接換件的過程為實例R20，對故障件2的送修實例記為R21。記任務(wù)規(guī)定時間為t1，如總維修時間大于t1，則任務(wù)失敗，進入任務(wù)結(jié)束場景。上述修復(fù)性過程如圖4所示。

3 基于OOPN的艦炮維修保障過程模型

由于艦炮保障系統(tǒng)及維修保障過程十分復(fù)雜，利用基本Petri網(wǎng)進行描述與模型驗證時，存在無輸入和輸出、狀態(tài)空間爆炸等問題。對象Petri網(wǎng)（OOPN）技術(shù)將對象作為建模的基本模塊，增強了基本Petri網(wǎng)的語義描述能力，對位置、轉(zhuǎn)移和令牌等元素進行了擴充，增加了對象、輸入端口、輸出端口和開關(guān)四類元素，很好地解決了基本Petri網(wǎng)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)所面臨的問題［8］。因此，以下擬將基于eBT 的艦炮維修保障過程模型轉(zhuǎn)化為OOPN 模型，以對象為單位進行艦炮維修保障過程模型的驗證。

3.1 eBT轉(zhuǎn)換為OOPN 的方法

OOPN模型的基本單位是對象，因此，可以將任務(wù)場景中艦炮維修過程的每個實例視為一個對象，每個場景中所有實例對象組合而成的父對象即對應(yīng)于該場景。然后再依次將場景對應(yīng)的父對象與其他場景中的實例對象進行組合，按照這個過程，最后即可實現(xiàn)整個維修保障過程到OOPN模型的轉(zhuǎn)化。

以單場景實例Rij＝（Staij，Eij，Conij，Actij，Reij）對應(yīng)的eBT 模型為基本轉(zhuǎn)化單元，對實例中的各個元素分別進行轉(zhuǎn)化：

1）將單個場景中每個實例的eBT 模型轉(zhuǎn)換為一個對象。對場景Si中的每個實例Rij對應(yīng)的行為樹創(chuàng)建對象Objij，則場景Si對應(yīng)的父對象為Obji＝Obji∪｛Objij｝，OOPN 中 所 有 對 象 的 集 合Objs為Objs＝Objs∪｛Obji｝。

2）將實例中的系統(tǒng)狀態(tài)單元轉(zhuǎn)換為位置。將狀態(tài)集Staij中的每個狀態(tài)Staijk轉(zhuǎn)換為對象Objij的一個位置Sta＿pijk。

3）將輸入事件與輸出事件狀態(tài)單元對應(yīng)轉(zhuǎn)換為輸入端口、輸出端口與著色令牌。實例Rij中的輸入事件與輸出事件狀態(tài)相當(dāng)于實例對應(yīng)的對象間互通信息的狀態(tài)。在OOPN 中，通常用著色令牌作為信息傳遞的方式。因此，將實例行為樹中的任意輸入事件狀態(tài)單元In＿eijk對應(yīng)轉(zhuǎn)換為對象輸入端口In＿poijk和 著 色 令 牌In＿ctijk，輸 出 事 件 狀 態(tài) 單 元Out＿eijk對應(yīng)轉(zhuǎn)換為對象輸出端口Out＿poijk和著色令牌Out＿ctijk。

4）將內(nèi)部事件狀態(tài)轉(zhuǎn)換為位置和著色令牌。將內(nèi)部事件狀態(tài)集Inner＿eij中的每個內(nèi)部事件狀態(tài)Inner＿eijk轉(zhuǎn)換為對象的一個位置Inner＿pijk和著色令 牌Inner＿ctijk；

5）將條件判斷中的（事件，參數(shù)）轉(zhuǎn)換為（轉(zhuǎn)移，位置，?。磉_式轉(zhuǎn)換為（弧，轉(zhuǎn)移）。對條件判斷單元集Conij中的任意條件判斷單元Conijk，事件Conijk－e與參數(shù)Conijk－Para可對應(yīng)轉(zhuǎn)換為對象中的轉(zhuǎn)移Con＿tijk、位置Con＿Pijk及由轉(zhuǎn)移與位置構(gòu)成的弧Con＿aijk，將 表 達 式Conijk－exps轉(zhuǎn) 換 為 弧Con＿aijk和轉(zhuǎn) 移Con＿tijk。

6）將活動狀態(tài)單元轉(zhuǎn)換為位置、轉(zhuǎn)移與弧。轉(zhuǎn)移是Petri網(wǎng)中的活動表現(xiàn)，轉(zhuǎn)移是在位置基礎(chǔ)上進行的，因此將活動集Actij的任意活動構(gòu)件Actijk轉(zhuǎn)換為位置Act＿pijk、轉(zhuǎn)移Act＿tijk與弧Act＿aijk，且有

7）對eBT中各組成單元的關(guān)系進行轉(zhuǎn)換。如系統(tǒng)狀態(tài)與輸入事件狀態(tài)之間的關(guān)系Reij（Staij，In＿eij）的轉(zhuǎn)換方法為：將系統(tǒng)狀態(tài)Staij轉(zhuǎn)換為位置pij，輸入事件狀態(tài)In＿eij轉(zhuǎn)換為輸入端口In＿poij與著 色 令 牌In＿ctij，關(guān) 系Reij（Staij，In＿eij）轉(zhuǎn) 換 為弧aij。

將單個場景中每個實例的eBT 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的基本對象后，根據(jù)實例之間的關(guān)系確定各個基本對象之間的聯(lián)系，再依據(jù)對象輸入、輸出端口之間的聯(lián)系將基本對象集進行組合，從而得到每個場景對應(yīng)的OOPN 模型。需要注意的是：在對實例間的OOPN 進行組合時，由于實例eBT 集成時集成點的單元在兩個實例eBT 中重復(fù)出現(xiàn)，因此，組合OOPN 模型時需刪除組合點重復(fù)的節(jié)點。

3.2 模型轉(zhuǎn)換實例

行為樹的集成過程為：首先查找一棵行為樹的根節(jié)點出現(xiàn)在其他行為樹中的位置，然后在此位置將兩棵行為樹集成起來，依此過程得到最終的集成行為樹［9］。將單個任務(wù)場景中實例的子維修保障過程轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的子eBT 模型后，每個實例的集成eBT 模型可以由實例中所包含的子eBT 集成得出，各任務(wù)場景的集成過程類似。由此，相同的維修保障實例eBT 模型可以實現(xiàn)重用。按照上節(jié)中提出的模型轉(zhuǎn)換方法，將集成eBT 中的各個單元及其關(guān)系依次進行轉(zhuǎn)換、組合并去除重復(fù)節(jié)點，得到如圖5所示的OOPN 模型。

3.3 OOPN 模型的驗證

OOPN 模型的可執(zhí)行性是指OOPN 能夠順利地使每個轉(zhuǎn)移都發(fā)生，即令牌從每個節(jié)點的輸入端口流到每個節(jié)點的輸出端口［10］。如OOPN 模型可執(zhí)行，則該模型描述的行為是一致的，如果模型中有轉(zhuǎn)移不能發(fā)生，則該轉(zhuǎn)移對應(yīng)的行為存在一致性沖突。因此，利用OOPN 模型的可執(zhí)行性進行任務(wù)場景下維修保障行為一致性驗證的主要過程與方法為：

1）根據(jù)場景eBT 提取場景中的事件序列與活動序列。

2）設(shè)置OOPN 模型的事件為任務(wù)場景集S中的單個場景Si中實例Rij的事件集合Eij中的每個事件In＿eijk、Out＿eijk與Inner＿eijk。

3）通過設(shè)置OOPN 模型中位置的令牌來設(shè)置OOPN 模型在各個場景下的初始狀態(tài)。

4）最后執(zhí)行OOPN 模型，驗證模型是否可執(zhí)行，并得出模型執(zhí)行的活動序列。

4 結(jié)論

筆者依據(jù)艦炮使命任務(wù)的特點，應(yīng)用場景技術(shù)對艦炮的使命任務(wù)進行描述，一方面有利于各使命任務(wù)場景的具體任務(wù)分析及其相互邏輯關(guān)系的表示，另一方面能很好地獲取并分析各個任務(wù)場景中的保障需求，從而明確場景中相關(guān)的維修保障過程。通過對適用于艦炮維修保障過程建模需求的常用建模方法的利弊對比分析，采用了由基本BT改進的eBT 方法與OOPN 方法相結(jié)合的組合建模方法，對每個任務(wù)場景下對應(yīng)的維修保障過程中的活動、事件、決策及在保障系統(tǒng)中所表述的邏輯、規(guī)則和約束等進行清晰地描述，如此可以很好地反映其中各實體行為的交互、事件狀態(tài)的改變、信息的交換，促進了對復(fù)雜的艦炮保障系統(tǒng)描述復(fù)雜性的控制，保證了保障需求描述的完整性與準(zhǔn)確性；此外，相對于其他單一建模方法，筆者提出的組合建模方法在實現(xiàn)模型的重用性、保障需求的可追溯性及形式化的自動模擬驗證方面更有優(yōu)勢。

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