基于Petri網(wǎng)的飛行組訓(xùn)流程RPA優(yōu)化研究

潘 華， 王 凌， 沈 錚， 劉湘婉

(1.海軍研究院，上海 200000； 2.中國人民解放軍92853部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

飛行組訓(xùn)，亦即飛行訓(xùn)練組織活動，是航空兵生成和保持戰(zhàn)斗力的日常例行工作，其質(zhì)量效率直接關(guān)系到航空兵飛行訓(xùn)練的效益和空勤人員能力形成的效果。文獻[1-5]探討了科學(xué)組訓(xùn)的重要意義、指導(dǎo)原則和創(chuàng)新方法。在理論上，文獻[6]提出了將戴明環(huán)(PDCA)理論運用于野戰(zhàn)醫(yī)療隊組訓(xùn)的改進方法，文獻[7]應(yīng)用PDCA理論對某炮兵團組訓(xùn)流程進行了研究，提出了分層組訓(xùn)的改進模式、方法和標準。現(xiàn)有的組訓(xùn)流程研究多采用定性方法。

RPA(Robotic Process Automation)是一種先進的自動化技術(shù)解決方案，即一種在不改變用戶原有界面層的前提下，采用用戶原有界面層中的技術(shù)手段，通過模擬并增強人與計算機交互過程的方式，執(zhí)行基于一定固定規(guī)則的可重復(fù)任務(wù)的軟件解決方案。目前，國內(nèi)外學(xué)者在財務(wù)流程自動化、企業(yè)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、人力資源管理等方面開展了RPA技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用研究[8-9]。就流程研究而言，Petri網(wǎng)是公認的理想建模工具，如文獻[10]運用Petri網(wǎng)建模優(yōu)化了發(fā)熱門診流程;文獻[11]采用Petri網(wǎng)建模分析了財務(wù)流程的RPA優(yōu)化策略。因此，本文針對飛行組訓(xùn)效率提升的現(xiàn)實問題，探討了采用Petri網(wǎng)進行定量優(yōu)化分析的方法。

1 基本概念

定義[12]工作流Petri網(wǎng)(WFPN)WWFPN=(P,T;F,M0,λ)。其中：(P,T;F,M0)是一個隨機Petri網(wǎng)系統(tǒng)；λ={λ1,λ2,…,λn}是變遷平均引發(fā)速率集合，λi是變遷ti∈T的平均引發(fā)速率，表示在使能的情況下單位時間內(nèi)平均引發(fā)次數(shù)。

定理1[13]一個WFPN模型合理的充分必要條件是其基網(wǎng)PN的擴展網(wǎng)(PPN,Ms)是活的且有界的。

把WFPN中的每個變遷ti(1≤i≤n)關(guān)聯(lián)一個引發(fā)速率λi(λi>0)，并且把變遷t從變成使能的時刻到它引發(fā)時刻之間看成是一個連續(xù)隨機變量Xt(取正實數(shù))，且服從于分布函數(shù)Ft(x)={Xt≤x}，這n個隨機變量Xi(1≤i≤n)為相互獨立的隨機變量。對于時間延時的隨機Petri網(wǎng)，Xi一般服從參數(shù)為λi的指數(shù)分布[9]。

定理2[12-13]系統(tǒng)由變遷ti(1≤i≤n)組成，如為順序結(jié)構(gòu)，平均服務(wù)時間S按式(1)計算；如為并行結(jié)構(gòu)，平均服務(wù)時間S按式(2)計算；由t1和t2組成的循環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)反饋變遷t1的觸發(fā)概率為α，平均服務(wù)時間S按式(3)計算。

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2 常規(guī)飛行組訓(xùn)流程

為更有針對性地研究分析組訓(xùn)流程，選取一個飛行訓(xùn)練典型場景，并假設(shè)資源保障充足、無特情發(fā)生，以訓(xùn)練部門日常完整的工作鏈路為對象，對組訓(xùn)流程進行建模，構(gòu)建常規(guī)飛行組訓(xùn)流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)飛行組訓(xùn)流程圖

常規(guī)飛行組訓(xùn)流程主要包括3個階段。

1) 計劃準備階段。根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)、人員狀況和氣象條件編制飛行訓(xùn)練計劃，審批通過后下達飛行簡令。

2) 實施記錄階段。按照飛行訓(xùn)練計劃組織飛行實施，現(xiàn)場記錄實際的飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

3) 總結(jié)上報階段。收集飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)，匯總飛行實況，組織飛行講評，研判訓(xùn)練趨勢，填寫登統(tǒng)計樣表并上報。

按照圖1構(gòu)建該流程的工作流Petri模型，狀態(tài)為Pi(1≤i≤12)，變遷為Ti(1≤i≤12)，如圖2所示。

圖2 常規(guī)飛行組訓(xùn)流程PIPE仿真

在Petri網(wǎng)分析軟件PIPE上進行模擬運行，通過State Space Analysis操作對模型進行狀態(tài)空間分析，仿真表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足有界性、安全性、無死鎖要求。根據(jù)定理1，該網(wǎng)絡(luò)是活的、可靠的，亦即該模型是合理正確的WFPN。以P0作為M0，根據(jù)每個變遷Ti(1≤i≤12)對應(yīng)的引發(fā)速率λi，計算總的平均服務(wù)時間為11.75 h?？梢?，該流程時間較長，實際工作人力耗費較大，尤其是計劃準備階段，數(shù)據(jù)信息多、審核校驗復(fù)雜、調(diào)整修訂困難，長達3.75 h。因此，需要優(yōu)化設(shè)計。

3 基于RPA技術(shù)的飛行組訓(xùn)流程優(yōu)化

考慮到常規(guī)飛行組訓(xùn)流程結(jié)構(gòu)簡單、內(nèi)容緊湊，僅著眼精簡環(huán)節(jié)要素，優(yōu)化效果不明顯。經(jīng)對存在問題深入分析，結(jié)合組訓(xùn)活動實踐，從作訓(xùn)部門中獨立出一個數(shù)據(jù)部門，圍繞縮短平均服務(wù)時間、采用機器人自動化技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。通過引入機器人，將其外掛于訓(xùn)練管理信息平臺，實現(xiàn)組訓(xùn)計劃的自動化處理及訓(xùn)練實施數(shù)據(jù)統(tǒng)計，業(yè)務(wù)流程發(fā)生變化，具體流程見圖3，其中，深色部分為基于RPA技術(shù)的機器人自動化處理部分。

圖3 飛行組訓(xùn)RPA優(yōu)化流程圖

主要優(yōu)化如下內(nèi)容。

1) 計劃支持數(shù)據(jù)自動獲取。機器人可采用自然語言處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則腳本，自動提取計劃模板、個人及歷史飛行情況以及業(yè)務(wù)支持數(shù)據(jù)，在此過程中直接減少了人工操作帶來的多業(yè)務(wù)界面搜索，以及人工找尋關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進行比對的時間效率損失。

2) 計劃自動校驗與生成。根據(jù)計劃要素制定規(guī)則和約束關(guān)系，自動校驗計劃的合理性及有效性，并自動生成多維度的計劃表。若出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，則機器人會自動發(fā)送警告通知相關(guān)部門核實情況并進行修訂。

3) 訓(xùn)練數(shù)據(jù)自動融合計算。機器人根據(jù)組訓(xùn)規(guī)則、解算模型和數(shù)據(jù)采集特點，自動融合訓(xùn)練數(shù)據(jù)，支撐飛行講評及人員能力評估。

4) 訓(xùn)練信息自動統(tǒng)計上報。在完成訓(xùn)練數(shù)據(jù)融合及統(tǒng)計后，機器人按照樣表模板自動填寫登統(tǒng)計信息并上報，機器人的填寫與提交是一個實時過程，不存在過往因人工填寫造成的時間差。訓(xùn)練實施數(shù)據(jù)及時歸檔存儲，提高訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實時性。

在整個基于RPA技術(shù)的組訓(xùn)自動化流程中，均通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和步驟來完成數(shù)據(jù)的提取、關(guān)聯(lián)、比對和反饋工作，從源頭上直接減少人工干預(yù)，在極大提高工作效率的同時，減少了人工操作錯誤所帶來的風(fēng)險。此外，RPA在完成階段性工作后都會自動記錄工作情況，這在一定程度上有助于組訓(xùn)業(yè)務(wù)信息處理的公開化和透明化，幫助作訓(xùn)人員加強對整個組訓(xùn)業(yè)務(wù)流程的實時管控，防止數(shù)據(jù)被篡改，提升業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量。

4 建模仿真

4.1 優(yōu)化仿真

建立優(yōu)化后的飛行組訓(xùn)工作流Petri模型，狀態(tài)為Pi(1≤i≤18)，變遷為Ti(1≤i≤18)，T元素與環(huán)節(jié)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。在Petri網(wǎng)分析軟件PIPE上進行模擬運行，通過State Space Analysis操作對模型進行狀態(tài)空間分析，如圖4所示。

表1 飛行組訓(xùn)優(yōu)化流程T元素與環(huán)節(jié)對應(yīng)關(guān)系說明

圖4 飛行組訓(xùn)RPA優(yōu)化流程PIPE仿真

仿真表明，該結(jié)構(gòu)能夠滿足有界性、安全性、無死鎖要求。根據(jù)定理1，該網(wǎng)絡(luò)是活的、可靠的，亦即該模型是合理正確的WFPN。以P0作為M0，為便于計算，將該流程化簡為前后各1個串行結(jié)構(gòu)、1個嵌套的循環(huán)結(jié)構(gòu)和1個并行結(jié)構(gòu)。采用原典型場景的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算總的平均服務(wù)時間為6.55 h，比常規(guī)流程時間縮短了44%，優(yōu)化效果明顯。

對優(yōu)化后的流程進行分段分析可知：1) 計劃編制時間大幅縮短，在RPA技術(shù)的支撐下，盡管由單一的編制飛行計劃環(huán)節(jié)增加到表2中T0～T5數(shù)個環(huán)節(jié)，并且形成了循環(huán)嵌套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但其智能的模板推送、一鍵生成計劃表、快速準確的校驗等自動化功能，使整個計劃編制時間縮短了65%；2) 計劃審核的反饋概率顯著降低，RPA的自動計算、排版、校驗功能使計劃審核不通過的概率減少一半以上；3) 飛行講評之后的評估、登記上報工作時間大幅壓縮，預(yù)置了統(tǒng)計規(guī)則、評估模型和樣表模板的RPA，極大地簡化了人工作業(yè)，縮短了其時間，平均服務(wù)時間僅為原典型流程的1/4。

4.2 深入分析

對優(yōu)化后的流程結(jié)構(gòu)做進一步仿真分析。

1) 循環(huán)結(jié)構(gòu)主變遷和反饋變遷的影響分析。

根據(jù)式(3)，由于0<α<1，反饋變遷對平均服務(wù)時間的影響被削弱，尤其當反饋概率較低時，主變遷對平均服務(wù)時間的影響比重較大。在優(yōu)化后的流程中，兩個循環(huán)結(jié)構(gòu)的主變遷分別為沖突校驗和計劃審核，前者在RPA技術(shù)支持下已經(jīng)接近于零，因此，致力于在飛行訓(xùn)練實踐中縮短計劃審核時間，可較大程度地縮減流程時間?？紤]到在RPA技術(shù)的支持下，計劃審核產(chǎn)生反饋的主要原因為領(lǐng)導(dǎo)層對計劃的綜合考量，因此，可在RPA技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立飛行訓(xùn)練計劃開放式會審平臺，既能降低反饋概率，又能縮短計劃審核時間，二者均能使編制計劃的循環(huán)結(jié)構(gòu)進一步縮短平均服務(wù)時間，從而增加使用RPA技術(shù)的優(yōu)化效果。

2) 嵌套循環(huán)的觸發(fā)概率影響分析。

為進一步分析嵌套循環(huán)的觸發(fā)概率影響，設(shè)內(nèi)循環(huán)反饋變遷T4的觸發(fā)概率為α，外循環(huán)反饋變遷T2T5的觸發(fā)概率為β，則嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)的平均服務(wù)時間Tl為

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繪制兩個觸發(fā)概率對平均服務(wù)時間影響仿真圖，見圖5。

圖5 觸發(fā)概率對平均服務(wù)時間影響仿真圖

由圖5可知：1) 單一地降低某一個觸發(fā)概率，優(yōu)化效果不佳；2)β對平均服務(wù)時間的影響作用比α要大得多，而且平均服務(wù)時間隨β增大呈指數(shù)增長，因此，致力于壓縮計劃審核時間是提高組訓(xùn)效率的關(guān)鍵。

5 結(jié)果

本文采用Petri網(wǎng)對某典型場景飛行組訓(xùn)流程進行建模，提出了運用RPA技術(shù)的優(yōu)化方案，建立了優(yōu)化后的WFPN模型。仿真計算結(jié)果表明：1) 在組訓(xùn)全流程采用RPA優(yōu)化技術(shù)能大幅縮短串行結(jié)構(gòu)時間，優(yōu)化后的飛行組訓(xùn)流程WFPN模型，總平均服務(wù)時間比常規(guī)流程縮短約44%，其中，計劃編制時間縮短了65%，優(yōu)化效果顯著，而且能夠減少人工作業(yè)差錯；2) 通過對該典型場景下循環(huán)結(jié)構(gòu)變遷及其觸發(fā)概率影響分析，找到了計劃審核這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在組訓(xùn)實踐中通過建立飛行訓(xùn)練計劃開放式會審平臺，集計劃編制、研討、會商、審核、調(diào)整、發(fā)布于一體，集成多種模型、計算工具和可視化人機交互操作，能夠進一步壓縮計劃準備階段時間，并有利于后續(xù)組訓(xùn)活動。這些結(jié)論均具有廣泛的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，即對相同或類似場景的組訓(xùn)流程均有效，參數(shù)估計僅影響優(yōu)化幅度，不影響總體優(yōu)化結(jié)論。