基于DEVS-OODA模型的作戰(zhàn)飛機(jī)備件保障仿真研究

陳 博，徐常凱，徐啟豐 （空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有很強(qiáng)的瞬發(fā)性與不確定性，戰(zhàn)爭的節(jié)奏也越來越快，戰(zhàn)爭的強(qiáng)度明顯增加，飛機(jī)的出動數(shù)量與出動強(qiáng)度也大大的提高，對作戰(zhàn)備件的需求數(shù)量也就隨之猛增，所以為了更好地解決對于作戰(zhàn)保障中遇到的種種問題國內(nèi)外學(xué)者不斷地構(gòu)建仿真系統(tǒng)對其進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[1]介紹了“空天仿真環(huán)境”的軟件工具。該軟件具有分布式功能，將建模軟件與模擬器結(jié)合起來進(jìn)行虛擬機(jī)組訓(xùn)練，可以利用空軍建模與仿真訓(xùn)練工具包（AFMSTT）進(jìn)行后勤保障仿真并能對空軍主要作戰(zhàn)行動演習(xí)進(jìn)行仿真，文獻(xiàn)[2]介紹了裝備保障性仿真工具（SCOPE），它提供了對后勤策略和規(guī)程變更對武器系統(tǒng)可用度影響進(jìn)行量化分析的功能，可以形象直觀地用于檢驗保障方案、訓(xùn)練參謀人員。文獻(xiàn)[3]分析了可視網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對提高備件機(jī)動保障能力的作用，本文構(gòu)建基于DEVS-OODA的應(yīng)急仿真模型，對作戰(zhàn)備件保障流程進(jìn)行仿真，解決在保障流程中遇到的各類問題，從而能夠大大提高了作戰(zhàn)效能，確保保障效益。

1 基于DEVS-OODA的作戰(zhàn)備件應(yīng)急保障仿真建模與描述

作戰(zhàn)備件保障的任務(wù)類型包括本場保障、轉(zhuǎn)場保障、多機(jī)種保障等，他們涉及的保障單位數(shù)量不同，單一保障單位為獨立仿真運(yùn)行過程，而當(dāng)涉及到多保障單位時就必須考慮各單位之間的相互影響，所以針對不同的保障任務(wù)，其所需構(gòu)建的仿真模式與系統(tǒng)運(yùn)行方法也不同，但對于作戰(zhàn)備件保障而言大多數(shù)保障是進(jìn)行本場保障的，本文主要運(yùn)用DEVA-OODA模型對單個保障單位進(jìn)行闡述。

1.1 作戰(zhàn)備件應(yīng)急保障單元的OODA模型建立

OODA循環(huán)模型最早提出主要運(yùn)用于空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，其主要模仿系統(tǒng)動力學(xué)的理論與方法[4]，將一個作戰(zhàn)的過程描述為Observe（觀察）、Orient（判識）、Decision（決策）、Action（行動）這四個基本要素[5]的作戰(zhàn)控制決策循環(huán)，通過對作戰(zhàn)備件保障的流程分析可以看出，在保障過程中主要包括保障資源監(jiān)測、定位、保障單位決策、行動、反饋，這五個要素。在一項保障活動中往往是以保障分隊為主體的，所以本文以保障分隊為單元進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立任一保障單元在作戰(zhàn)保障任務(wù)的OODA框架，具體框架[6]如圖1所示。

1.2 作戰(zhàn)備件應(yīng)急保障單元的DEVA-OODA模型描述

目前，對于OODA的過程描述方法還沒有統(tǒng)一的格式與規(guī)范，與此同時，作戰(zhàn)保障過程受天氣、環(huán)境等多方面因素的影響，不確定性大，保障環(huán)節(jié)較多且流程復(fù)雜，所以本文針對以上特點提出采用DEVA的系統(tǒng)建模仿真方法對上述的OODA模型進(jìn)行描述。

DEVA模型是對離散事件系統(tǒng)描述規(guī)范，其主要由七種元素的原子模型組成[7]，即：

其中：P代表局部狀態(tài)集，X,Y分別表示輸入事件集和輸出事件集，tc表示仿真系統(tǒng)中的時間推進(jìn)函數(shù)，βint,βext表示內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和外部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，λ表示輸出函數(shù)。

以作戰(zhàn)備件消耗為例，這是作戰(zhàn)備件保障的核心階段，通過DEVA模型對上述的OODA框架進(jìn)行描述，有限維實數(shù)向量X是單個保障單元的輸入集合，它表示保障單元接收到的任務(wù)信息，例如作戰(zhàn)任務(wù)過程中的天氣變化、任務(wù)指令等信息。有限維實數(shù)向量Y是單個保障單元的輸出集合，表示保障單元的反饋信息，例如保障結(jié)果輸出或者備件消耗情況信息等。tc表示保障單元的狀態(tài)隨時間變化的時間推進(jìn)函數(shù)，且時間推進(jìn)函數(shù)tc（s）由系統(tǒng)狀態(tài)決定。在作戰(zhàn)備件保障過程中的可以根據(jù)保障單位在完成某項任務(wù)時的四個狀態(tài)進(jìn)行控制的時間函數(shù)，在仿真的過程中，局部狀態(tài)集可由相位變量S與剩余時間變量進(jìn)行描述，為方便表示將整個保障單元的仿真狀態(tài)劃分為四個狀態(tài)[8]，即P=｛p1,p2,p3,p4｝，p1,p2,p3,p4分別表示仿真單元的觀察、定位、決策以及行動。以p1為例，仿真過程中保障單元在執(zhí)行仿真任務(wù)的過程中保持相位S1的時間為t1=tc（ S1），系統(tǒng)能夠先設(shè)置調(diào)節(jié)約束μ，其中μ=A×X→D，D=｛T,F｝，通過約束條件系統(tǒng)能夠判斷外部信號是否對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，當(dāng)沒有外部信號輸入時，該項任務(wù)的仿真周期為T=tc（S ）=t1+t2+t3+t4，t1至t4表示保障單元完成任務(wù)的一個保障循環(huán)[8]，在作戰(zhàn)備件保障資源充足時，外部

信號無影響時，系統(tǒng)對器材資源保持觀測，系統(tǒng)根據(jù)戰(zhàn)損率與備件可靠性水平隨機(jī)模擬確定器材消耗情況，在發(fā)生消耗時，定位消耗的器材的種類并進(jìn)行保障資源的減少，在資源減少后系統(tǒng)再次進(jìn)入觀察階段，此為一個仿真循環(huán)，其主要通過時間函數(shù)進(jìn)行控制。在作戰(zhàn)備件出現(xiàn)短缺的情況時，仿真系統(tǒng)的外界信號輸入對其產(chǎn)生影響，保障單元由記錄消耗階段進(jìn)入下一狀態(tài)即備件緊急請領(lǐng)階段，對于每個保障單元局部狀態(tài)表示為C=（p,ti），每一階段剩余時間可用η表示，設(shè)相位S1在ti內(nèi)的狀態(tài)保持不變，則 η=tc（s）-ti，其中 i=1,2,3,4[9]。

其表示器材出現(xiàn)短缺，保障任務(wù)中斷，任務(wù)進(jìn)入下一階段并持續(xù)收集信息。λ為最終輸出函數(shù)，將系統(tǒng)最終狀態(tài)轉(zhuǎn)化為輸出集Y的相關(guān)反饋信息，Y通常表示保障的效能情況。本文以作戰(zhàn)備件保障戰(zhàn)備完好率為保障效能的評估指標(biāo)，戰(zhàn)備完好率是任務(wù)成功率的基礎(chǔ)和前提，是任務(wù)剖面為間斷工作狀態(tài)下的成功出動率，消耗性備件的定數(shù)補(bǔ)充方式的戰(zhàn)備完好率模型如下。

2 基于DEVS-OODA的作戰(zhàn)備件保障仿真引擎的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 仿真引擎的設(shè)計

仿真系統(tǒng)的核心部分是對仿真的詳情進(jìn)行設(shè)計，本文以單個DEVS-OODA仿真單元為例對作戰(zhàn)備件仿真引擎進(jìn)行設(shè)計，在t=T0時刻仿真開始進(jìn)行，系統(tǒng)先對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，根據(jù)實際任務(wù)要求設(shè)置仿真的總持續(xù)時間，當(dāng)仿真時間超過總時間則仿真結(jié)束，在仿真的過程中，保障單元先對信息的類型進(jìn)行判斷，如果接收到外部事件信息如缺備件信息且符合下一事件的時限要求例如緊急申請時限的要求則保障單元進(jìn)入下一狀態(tài)，若超出則外部事件發(fā)生的時間錯誤，說明系統(tǒng)中的仿真事件不同步，則取消該次仿真，重新對備件資源消耗進(jìn)行掃描。如果未接受信息則仿真按照流程正常進(jìn)行。在確定系統(tǒng)進(jìn)入下一狀態(tài)的信息之后，需要更新仿真系統(tǒng)的最后事件的時間t1和下一事件的時間tn最終通過輸出函數(shù)λ（p）得到該狀態(tài)的仿真結(jié)果并進(jìn)行輸出，在一個狀態(tài)進(jìn)行完成后，將信息既向上層進(jìn)行發(fā)送并對t1和tn進(jìn)行更新，這樣實現(xiàn)仿真的不斷循環(huán)，本文以保障單元進(jìn)行作戰(zhàn)備件消耗狀態(tài)事件R為例，其下一狀態(tài)為對備件進(jìn)行緊急申請，其仿真引擎的具體設(shè)計圖如圖2所示。

2.2 作戰(zhàn)備件仿真的實例分析

本文以某次對地打擊作戰(zhàn)保障想定為例，利用STAGE軟件[11]對上述的作戰(zhàn)備件保障流程進(jìn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)的設(shè)置根據(jù)物資供應(yīng)周期，作戰(zhàn)物資需求量按作戰(zhàn)日13天計算。飛機(jī)良好率按85%計算。出動率：各型飛機(jī)均按80%計算；出動飛機(jī)平均3次/日，最大6～8次。飛機(jī)戰(zhàn)損率：殲擊機(jī)3%～5%，作戰(zhàn)物資損失率按10%計算。對于上述的海上作戰(zhàn)想定任務(wù)中的13天作戰(zhàn)進(jìn)程進(jìn)行仿真，其仿真次數(shù)為10次，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示：

由此計算在現(xiàn)有備件保障資源條件下的作戰(zhàn)備件的戰(zhàn)備完好率數(shù)據(jù)表，由此可以作為評價備件保障質(zhì)量的一個依據(jù)，如表1所示：

3 結(jié)束語

圖2 作戰(zhàn)備件仿真想定引擎設(shè)計

圖3 ts仿真時間分布表

圖4 td 仿真時間分布表

表1單位：%

在對作戰(zhàn)備件保障流程進(jìn)行仿真的過程中，需要以保障單位作為主體進(jìn)行分析與梳理，并對其執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行建模仿真。本文首先使用OODA模型將單個保障單元包裝為獨立模塊，使其在單個任務(wù)中按照觀察、定位、決策、行動的順序進(jìn)行循環(huán)仿真，然后利用DEVS對其進(jìn)行描述，設(shè)計出系統(tǒng)仿真引擎，最后采用STAGE軟件對其進(jìn)行實現(xiàn)，達(dá)到仿真目標(biāo)，具有較強(qiáng)的實用性，能夠廣泛地運(yùn)用于對作戰(zhàn)裝備備件的保障資源決策中。