基于AnyLogic的艦炮裝備保障性綜合仿真平臺

周錦鋒,涂繼超,孫世巖

(海裝駐上海地區(qū)第二軍代室,上海 200129)

保障性作為重要的裝備通用質(zhì)量特性,是艦炮裝備執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)之一。隨著艦炮裝備的快速發(fā)展,技術(shù)不斷革新,任務(wù)強度逐漸加大,對裝備的保障性提出了更高的要求。從裝備研制立項到交付部隊使用,保障性貫穿艦炮裝備壽命全過程。目前,艦炮裝備的保障性涵蓋戰(zhàn)備完好性、設(shè)計特性以及保障資源三個方面,保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越來越復雜。傳統(tǒng)的保障性仿真方法往往只是針對保障性的某一個或幾個指標進行仿真,在仿真的過程中,往往只考慮了與該指標有關(guān)的因素,而忽略了其他影響因素。因此，導致了以下問題：一方面是仿真結(jié)果比較單一,難以形成有效的指導;另一方面是仿真結(jié)果精度不高,參考性不強。

針對這些問題,本文以Multi-Agent仿真技術(shù)為支撐,基于AnyLogic軟件構(gòu)架,綜合考慮艦炮裝備可靠性、維修性等因素,搭建艦炮裝備保障性綜合仿真平臺,提高了仿真精度,對各項保障性指標進行輸出。

1 總體設(shè)計

艦炮裝備保障性綜合仿真平臺(以下簡稱仿真平臺)包含仿真子系統(tǒng)和計算子系統(tǒng)兩部分,仿真子系統(tǒng)主要提供仿真信息的輸入、修改、存儲等功能,而計算子系統(tǒng)則負責保障活動成功仿真及效能評估等功能。它們之間不需要實時數(shù)據(jù)交換,利用數(shù)據(jù)庫交換即可滿足要求。

仿真子系統(tǒng)屬于管理信息系統(tǒng)的范疇,且目前主要部署在單機,不存在分布式部署和分布式維護的問題,因此，仿真子系統(tǒng)擬采用Visual Studio 2019作為桌面式開發(fā)平臺。考慮開發(fā)的快速性,擬采用C#語言開發(fā)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫擬選用SQL Server。

計算子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,需要將可靠性、維修性、保障性綜合考慮,此時，單一的仿真方法難以解決此類問題。AnyLogic軟件是一種可以對離散事件、系統(tǒng)動力學、多智能體和混合系統(tǒng)建模和仿真的工具。由于其天然支持Multi-Agent建模,因此，我們選用AnyLogic作為仿真計算子系統(tǒng)的開發(fā)平臺。

仿真平臺具備仿真想定管理、仿真計算、保障性評估等功能,實現(xiàn)仿真過程從輸入、計算到輸出的全流程管理,其功能模塊如圖1所示。

圖1 仿真平臺功能模塊圖

其中,仿真想定管理負責管理仿真信息,如任務(wù)信息、裝備結(jié)構(gòu)信息,裝備故障信息、維修保障資源信息等,為仿真計算提供輸入。其包含如下功能:1)對仿真任務(wù)的持續(xù)時間、任務(wù)剖面、任務(wù)成敗準則進行配置;2)對系統(tǒng)故障指定故障規(guī)律、故障分布;3)對預(yù)防性維修的時間間隔、資源需求、延誤時間等信息進行管理;4)對故障維修的維修資源、維修時間分布、保障延誤等信息進行管理。

仿真計算包含如下功能:1)對仿真時間、仿真次數(shù)、仿真速度進行配置;2)對仿真任務(wù)進行蒙特卡洛仿真;3)可通過仿真動畫展示仿真進程,觀察仿真是否與實際情況吻合;4)對仿真結(jié)果提供存儲功能,避免重復仿真。

保障性評估負責對仿真結(jié)果進行分析,評估當前保障系統(tǒng)的效能。其包含如下功能:1)對多次仿真進行統(tǒng)計分析,以圖表的形式展現(xiàn)任務(wù)成功概率及任務(wù)失敗原因;2)可進行敏感性分析,以評估任務(wù)成敗的關(guān)鍵部件及關(guān)鍵故障;3)根據(jù)指標體系及仿真結(jié)果對目前維修保障體系進行效能評估;4)形成評估報告,給出系統(tǒng)評估結(jié)果及相應(yīng)的對策建議。

傳統(tǒng)的艦炮裝備保障性分析主要是基于解析方法,對系統(tǒng)的假設(shè)往往比較苛刻,比如系統(tǒng)組成部件的壽命必須服從指數(shù)分布,不同部件的故障概率相互獨立等,而現(xiàn)實中的系統(tǒng)往往很難滿足以上假設(shè)。因此，用計算機仿真方法解決復雜系統(tǒng)的保障性分析問題成為最佳選擇。本文對艦炮進行保障性綜合仿真,需要將可靠性、維修性、保障性綜合考慮,此時，單一的仿真方法難以解決此類問題。

Agent是一個具有自適應(yīng)性和智能性的軟件實體,能代表用戶或其他程序,以主動服務(wù)的方式完成一項工作。Agent具有自主性、交互性、反應(yīng)性、主動性等特點,單一Agent很難對存在于動態(tài)開放環(huán)境中的大規(guī)模復雜問題進行求解。通常,我們將多個Agent組成的系統(tǒng)稱為多Agent系統(tǒng),其多個Agent成員之間相互協(xié)調(diào),相互服務(wù),共同完成任務(wù)。Agent技術(shù)對于自底向上建立復雜的可靠性、維修性、保障性仿真系統(tǒng)十分有利,但如果采用純Agent技術(shù)建立仿真模型,帶來的一個主要問題是各Agent之間消息傳遞過多,嚴重影響仿真效率。

離散事件系統(tǒng)是指受事件驅(qū)動,系統(tǒng)狀態(tài)只在離散的時間點發(fā)生變化的系統(tǒng),各種排隊系統(tǒng)即是離散事件系統(tǒng),由于現(xiàn)實世界大多數(shù)的業(yè)務(wù)流程都可以描述為離散事件系統(tǒng),因此，在生產(chǎn)、物流、軍事等領(lǐng)域，離散事件仿真系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。但純離散事件仿真系統(tǒng)一般需要建立離散事件仿真表來調(diào)度仿真模型,當系統(tǒng)較為復雜時,開發(fā)者需要考慮過多細節(jié)以保證仿真表的正確性,開發(fā)難度較大，而且對于可靠性維修性保障性仿真系統(tǒng),離散事件仿真系統(tǒng)缺乏描述故障傳遞的有效機制。

本仿真系統(tǒng)需要對艦炮典型任務(wù)進行維修保障效能評估,因此涉及可靠性、維修性、保障性建模問題,其中的關(guān)鍵就是如何對系統(tǒng)中的各種故障模式進行建模,且能模擬故障之間的相互影響。因此,設(shè)計方案擬采用Agent模擬各種故障模式,利用Agent的消息機制模擬故障傳遞。產(chǎn)生故障后,故障的維修和保障資源配置是一個典型的排隊問題,可以用離散事件系統(tǒng)建模。

2 仿真平臺實現(xiàn)

2.1 艦炮裝備結(jié)構(gòu)建模

艦炮裝備結(jié)構(gòu)建模主要描述艦炮裝備的邏輯層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,并包含艦炮裝備的基本信息、可靠性信息、維修性信息等。其中:基本信息主要是設(shè)置裝備的編號、名稱、型號、數(shù)量和當前狀態(tài)(正常、故障、降工況等);可靠性信息主要是設(shè)置裝備的故障分布函數(shù)類型(指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布等)及其參數(shù);維修性信息主要是設(shè)置裝備的平均修復時間、需要的維修人員等。

作為復雜系統(tǒng),艦炮裝備功能及基本組成要素的數(shù)量非常龐大。若模型描述過于詳細,將使得模型本身非常復雜。由于艦炮裝備在結(jié)構(gòu)上以及使用、保障的體制上,都具有顯著的層次化組織的特征,因此，需要結(jié)合任務(wù)情況進行層次化建模。如圖2所示，將艦炮裝備劃分為系統(tǒng)—單元—部件三個結(jié)構(gòu)層次。

圖2 艦炮裝備結(jié)構(gòu)層次圖

部件是整個裝備系統(tǒng)的基礎(chǔ),裝備的狀態(tài)由部件開始,部件的狀態(tài)變化反映到單元層次,進而反映到系統(tǒng)層次。每一個部件對應(yīng)為一個Agent,部件主要劃分為5個模塊:正常工作、預(yù)防性維修、故障、等待維修和維修。如圖3所示。

圖3 單元部件狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

1)正常工作模塊,表示單元部件現(xiàn)在的工作狀態(tài)為正常。

2)預(yù)防性維修模塊,表示單元部件正在進行預(yù)防性維修活動,其進入預(yù)防性維修的判斷條件為正常工作時間是否達到預(yù)防性維修時間閾值,如果達到該時間閾值,則當前單元部件進入預(yù)防性維修狀態(tài)。

3)故障模塊,表示單元部件發(fā)生了故障,需要對其進行維修。

對于故障的發(fā)生,由于艦炮裝備符合指數(shù)分布,本文采用指數(shù)分布的方法,利用累計失效率求取一次任務(wù)時部件的故障間隔發(fā)數(shù),通過求取的故障間隔發(fā)數(shù)觸發(fā)故障。對故障的類型進行比較,判斷其故障的類型。

4)等待維修模塊,對維修資源保障庫的空閑維修人員進行統(tǒng)計,維修人員不足，則繼續(xù)等待維修,維修人員足夠，則進入維修狀態(tài)。

5)維修狀態(tài),表示單元部件正在進行維修。

用Agent對各故障模式進行建模,無論是哪種故障模式,其基本形態(tài)都是一致的,如圖4所示。故障Agent包含失效與正常兩個狀態(tài),正常狀態(tài)可由自身隨機故障(由失效分布決定)或其他故障發(fā)出消息引發(fā)進入失效狀態(tài),失效狀態(tài)可由維修完畢消息引發(fā)進入正常狀態(tài)(當故障不可修時,即沒有相應(yīng)的維修保障模型時,就不會收到這個消息,因此,部件一旦失效，將永遠處于失效狀態(tài))。當進入失效狀態(tài)時,將產(chǎn)生一個故障實體進入離散事件仿真模型,同時若此故障與其他故障關(guān)聯(lián)時,將發(fā)送消息引發(fā)其他故障產(chǎn)生。

圖4 故障模型

根據(jù)艦炮裝備的任務(wù)和特點,采用嵌套方式進行建模。由于艦炮裝備劃分為機電單元、BYD單元、GD單元和FS單元,因此，根據(jù)各單元的結(jié)構(gòu)組成,利用部件Agent建立四個單元,以GD單元為例，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 GD單元結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)四個單元之間的關(guān)系,我們建立艦炮裝備系統(tǒng)級模型,并且畫出各單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,如圖6所示。

圖6 艦炮裝備系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

艦炮裝備系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖由工作模塊和任務(wù)成功性判定模塊組成。工作模塊有兩個狀態(tài),分別是“正?！焙汀肮收稀睜顟B(tài),表示的是艦炮裝備的兩種工作狀態(tài),正常工作狀態(tài)到故障狀態(tài)的變遷條件,通過單元的結(jié)構(gòu)框圖進行判定。

2.2 艦炮裝備任務(wù)建模

艦炮系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)期間遠離岸上基地,海洋環(huán)境變幻莫測,各種航態(tài)交替進行,補給保障困難。采用多階段任務(wù)系統(tǒng)可以有效地描述艦炮復雜系統(tǒng)多階段任務(wù)特點,由于執(zhí)行任務(wù)和環(huán)境壓力的變化,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會按時間順序被劃分為不同的階段。在任務(wù)剖面中,每個任務(wù)階段都稱為一個階段任務(wù),在一個給定的階段任務(wù)中,系統(tǒng)配置、任務(wù)是否成功的判據(jù)及單元故障特性等是相對固定的。

艦炮裝備任務(wù)剖面用于描述艦炮任務(wù)的層次結(jié)構(gòu)及其時序關(guān)系。由于艦炮任務(wù)較為復雜,需要根據(jù)艦炮使用方案中對任務(wù)剖面的描述,將各任務(wù)剖面分別細化為不同的任務(wù)階段和任務(wù)單元,形成逐步細化、深入的“任務(wù)剖面→任務(wù)階段→任務(wù)單元”3級遞進關(guān)系。其中:任務(wù)剖面是從宏觀的角度描述艦炮在一定時間段內(nèi)的總體任務(wù)要求,以及艦炮裝備在任務(wù)中所需經(jīng)歷的事件和環(huán)境;任務(wù)階段是對任務(wù)剖面的展開,具體描述艦炮為了完成任務(wù)在特定時間段內(nèi)須運行的工況或具備的功能;任務(wù)單元則是構(gòu)成艦炮任務(wù)的基本組成元素,詳細描述參與任務(wù)的裝備名稱、數(shù)量和使用方式,在每個任務(wù)單元中,參與任務(wù)的裝備和裝備的使用方式是唯一的。艦炮裝備任務(wù)剖面分解示意圖如圖7所示,圖中括號里的數(shù)字表示任務(wù)持續(xù)時間范圍。

圖7 任務(wù)剖面分解圖

2.3 基于Multi-Agent的保障系統(tǒng)建模

仿真建模的基本思路為:用Multi-Agent仿真模型模擬故障的產(chǎn)生和傳播,用離散事件系統(tǒng)仿真模型模擬故障的維修和保障,兩者通過消息機制聯(lián)結(jié)起來形成有機整體,最終完成“三性”一體化仿真建模。其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示,仿真流程如9所示。

圖8 仿真模型基本結(jié)構(gòu)

對比單一的Multi-Agent系統(tǒng)仿真方法和單一的離散事件系統(tǒng)仿真方法,本文仿真方法主要有以下特點。

1)維修保障仿真部分由離散事件系統(tǒng)仿真分擔,減少了過多的Agent消息傳遞,有利于提高仿真效率。

2)此仿真模型是可伸縮的,當不需要對維修性和保障性做過多考慮時,可以將離散事件系統(tǒng)仿真部分去掉,將維修過程簡化為故障Agent的一個定時狀態(tài)轉(zhuǎn)換即可,修改工作量極小。

圖9 仿真流程

3)故障的產(chǎn)生部分可以用Multi-Agent模擬,降低了離散事件系統(tǒng)仿真建模壓力,提高了模型計算速度。

4)可以用Agent的消息機制模擬故障的傳播,能夠更加真實地模擬艦炮裝備各部件之間、單元之間的內(nèi)在聯(lián)系。

3 平臺展示

設(shè)置初始輸入?yún)?shù),包括部件失效率、隨船備件數(shù)量、保障人員數(shù)量、故障類型、平均故障修復時間、預(yù)防性維修時間等。設(shè)置射擊次數(shù)為200、500、1 000、2 000,對不同任務(wù)強度下的仿真結(jié)果進行對比分析,得到的仿真界面如圖10所示。

圖10 不同射擊次數(shù)的仿真界面

將“輸出結(jié)果.xlsx”系統(tǒng)有關(guān)計算結(jié)果導出,內(nèi)容如表1所示。

表1 不同射擊次數(shù)下仿真計算結(jié)果

對比分析可以發(fā)現(xiàn):

1)其他條件不變,隨著任務(wù)強度的加大(射擊次數(shù)增多),艦炮裝備備件滿足率呈明顯下降的趨勢,備件利用率呈上升趨勢；

2)單次任務(wù)成功率基本維持不變,說明單次任務(wù)的成敗主要與艦炮裝備的固有屬性相關(guān)；

3)雖然備件利用率較低,但是仍有備件短缺的情況發(fā)生。某些部件的故障次數(shù)較多,對備件需求量更大，顯然，將所有類型備件配置成一致數(shù)量是不科學的,不僅導致了某些備件短缺,還導致了備件滿足率、備件利用率的降低。

如果我們改變輸入?yún)?shù),還可以得到不同保障資源條件、組成結(jié)構(gòu)、失效率條件的仿真結(jié)果,因此，仿真平臺具備推廣條件。

4 結(jié)束語

本文通過多智能體建模技術(shù)賦予艦炮任務(wù)、裝備、部件、故障更為豐富、靈活的發(fā)生與信息傳遞機制;通過離散事件系統(tǒng)建模實現(xiàn)艦炮全任務(wù)過程的建模與仿真;通過對仿真結(jié)果的評估,研究艦炮裝備的保障活動以及任務(wù)與設(shè)備關(guān)系分析,可以評估多個不同維修保障方案的效能,指導維修保障資源的合理配置,為裝備的科學使用提供決策依據(jù)。