基于系統(tǒng)動力學的航天裝備軍民融合維修保障運行研究

許 慶， 侯興明， 廖興禾， 楊 超， 秦海峰

(1. 航天工程大學航天保障系， 北京 102206； 2. 航天工程大學士官學校, 北京 102200)

實施軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略是習主席從落實“四個全面”戰(zhàn)略布局，站在開創(chuàng)富國強軍新局面的高度做出的重大戰(zhàn)略決策。習主席指出：“國防科技和武器裝備領(lǐng)域是軍民融合發(fā)展的重點，也是衡量軍民融合發(fā)展水平的重要標志”[1]。伴隨航天技術(shù)特別是航天軍事技術(shù)的迅猛發(fā)展，太空作為新的戰(zhàn)略空間，已成為維護國家安全和利益的“高邊疆”和戰(zhàn)略制高點[2]。航天領(lǐng)域作為新興且軍地互通性較強的領(lǐng)域，為使航天裝備維修保障順暢運行，通過軍民融合的形式開展各項維修保障是一條行之有效的途徑。筆者采用兼具定性分析和定量分析手段的系統(tǒng)動力學(System Dynamics，SD)方法，借助Vensim軟件構(gòu)建具有仿真功能的航天裝備軍民融合維修保障系統(tǒng)動力學模型，探尋維修保障運行過程中各因素之間的影響關(guān)系，查找各因素在維修保障過程中的輕重關(guān)系，對指導航天裝備軍民融合維修保障的高效運行具有積極的作用。

1 基于系統(tǒng)動力學的航天裝備軍民融合維修保障運行分析思路

系統(tǒng)動力學方法是由美國麻省理工學院教授Forrester創(chuàng)立的一種研究動態(tài)系統(tǒng)的方法，它可以假設較高的抽象層級，代表人、產(chǎn)品、事件和其他數(shù)量表現(xiàn)的離散事物，采用“結(jié)構(gòu)-功能”模擬法，從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手建模，通過構(gòu)造系統(tǒng)的基本運行結(jié)構(gòu)，來模擬與分析系統(tǒng)的動態(tài)行為，適用于研究行為已經(jīng)定義好的封閉系統(tǒng)，主要研究系統(tǒng)的反饋循環(huán)、平衡及鞏固，并明確影響它們的存量和流量[3]。航天裝備軍民融合維修保障可看作是一個結(jié)構(gòu)有序、對保障對象及維修換件產(chǎn)生響應、在規(guī)定維修任務過程中有一定自我組織調(diào)節(jié)能力的復雜系統(tǒng)，應用系統(tǒng)動力學方法為解決維修保障運行問題提供了可能性[4]。具體設計步驟如下：

1) 系統(tǒng)分析。主要是對航天裝備軍民融合維修保障運行系統(tǒng)進行分析。內(nèi)容主要包括：理解航天裝備軍民融合維修保障特點規(guī)律；分析收集軍民融合維修保障運行的組成成分及其完成規(guī)定維修保障任務的環(huán)境、參數(shù)、效果等數(shù)據(jù)；分析影響航天裝備軍民融合維修保障運行的基本矛盾與主要矛盾、變量與主要變量等；初步劃分軍民融合維修保障的界限，確定內(nèi)生變量、外生變量、輸入量和政策變量等；描述軍民融合維修保障狀態(tài)和期望保障狀態(tài)，觀測維修保障的特征。

2) 結(jié)構(gòu)分析。主要是處理體系信息，定義變量，并對體系內(nèi)部反饋回路進行分析。內(nèi)容主要包括：劃分體系層次與子結(jié)構(gòu)，從上到下，由粗到細，逐步分解體系，重點分析體系總體與局部的反饋機制、反饋環(huán)路及其耦合，進行因果關(guān)系分析，基于因果機制，畫出因果關(guān)系圖；分析體系變量以及變量間的關(guān)系，定義體系的主導回路及其性質(zhì)，分析主回路動態(tài)轉(zhuǎn)移的可能性。

3) 建立模型。內(nèi)容主要包括：在因果關(guān)系圖的基礎上確定有關(guān)的狀態(tài)變量、流率變量以及其他輔助變量，繪制流圖；建立狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常數(shù)的數(shù)學方程式，描述定性和半定性的變量關(guān)系，并確定方程參數(shù)；給所有計算初始值方程式、常數(shù)方程式與表函數(shù)賦值。在建模過程中要注意非線性、延遲性等一些問題的處理。

4) 模擬與分析研究。系統(tǒng)動力學模型是現(xiàn)實維修保障運行的抽象化，代表了真實系統(tǒng)的某些斷面和側(cè)面，這一步是對程序賦予原始數(shù)據(jù)及政策變量。內(nèi)容主要包括：通過仿真軟件平臺對模型進行仿真實驗，繪制結(jié)果曲線圖表；尋找解決問題的決策，獲取更豐富的信息，發(fā)現(xiàn)新的矛盾與問題；對模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行修改調(diào)整，反復模擬實驗。

5) 模型檢驗。對于航天裝備軍民融合維修保障的認識是不斷變化發(fā)展的，系統(tǒng)動力學建模也在實踐中不斷調(diào)整和修改，最終達到最優(yōu)的結(jié)果。模型檢驗并不是一定要在最后一步進行，部分內(nèi)容可以在前面的每一個步驟中分散進行。主要內(nèi)容包括：對系統(tǒng)反饋回路的合理性進行檢驗；對描述函數(shù)變量的方程式進行檢驗；對仿真運行結(jié)果進行驗證分析。

2 航天裝備軍民融合維修保障運行系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)分析

2.1 航天裝備軍民融合維修保障運行系統(tǒng)特點

航天裝備軍民融合維修保障是指為保持、恢復航天裝備規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)或改善航天裝備性能，采用軍民融合的途徑和方式對航天裝備進行維護和修理的各項活動[5]。航天裝備種類多樣、分布域廣、應用環(huán)境特殊，航天裝備軍民融合維修保障的運行涉及軍民商等多部門、多層次、多環(huán)節(jié)，受多種因素影響和制約，是一個涵蓋眾多要素的復雜系統(tǒng)工程，除軍民結(jié)合、融合共贏、共享節(jié)約[6]等一般特點外，以航天專用裝備和試驗裝備為重點的維修保障還具有以下不同的特點：

1) 維修保障力量的融合性。由于航天專用裝備大部分臺套少、技術(shù)新，加上成建制維修力量弱，形成以研制廠所維修保障力量為主、建制力量為輔、社會力量為補充的維修保障力量構(gòu)成，要求融合多元力量，才能實現(xiàn)作戰(zhàn)行動與維修保障行動的一體聯(lián)動。

2) 維修保障模式的多樣性。體現(xiàn)為不同類型航天裝備、不同使命任務單位保障模式的差異性，針對不同任務開展維修保障任務模式各不相同。

3) 維修保障手段的復雜性。航天裝備維修保障高度依賴維修設備和技術(shù)手段，而軍民融合維修保障技術(shù)層面則高度依賴信息支撐系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

2.2 航天裝備軍民融合維修保障運行系統(tǒng)構(gòu)成

航天裝備軍民融合維修保障的運行包括軍方建制維修保障作業(yè)活動和民方高新技術(shù)力量動員開展維修保障作業(yè)支援以及配合的組織籌劃、信息支撐、維修保障器材的籌措、儲備、供應(籌儲供)等活動，如圖1所示。

圖1 航天裝備軍民融合維修保障運行結(jié)構(gòu)

指揮行為層面體現(xiàn)為軍民融合維修保障的組織籌劃水平，具體包括軍民混編組織指揮軍地維修保障力量、軍民統(tǒng)籌制定軍民融合維修保障計劃、軍民協(xié)同籌劃部署軍民融合維修保障任務等，反映了開展軍民融合維修保障運行的指揮是否順暢與高效，體現(xiàn)了維修保障計劃的軍民統(tǒng)籌性和維修保障指揮力量的軍民混編性。

作業(yè)活動層面分為維護修理作業(yè)活動和維修保障器材籌、儲、供作業(yè)活動。維修保障作業(yè)活動中的軍方建制維修保障作業(yè)又可分為基地級和部隊級2級作業(yè)，其中：基地級維修保障包括基地級維修保障力量編組、部隊級維修準備、維修保障力量的機動前出以及現(xiàn)場搶修等活動；部隊級維修保障包括部隊級力量編組、部隊級維修準備以及應急搶修等活動。地方高新技術(shù)動員力量的運用是當前階段開展軍民融合維修保障作業(yè)活動的主要形式，具體包括高新技術(shù)力量動員準備、臨戰(zhàn)訓練、編組運用等活動。軍民融合維修保障器材籌、儲、供應作業(yè)活動具體可分為軍地戰(zhàn)儲器材統(tǒng)籌運用、軍地維修保障器材資源的儲備配置以及籌措供應等內(nèi)容。作業(yè)活動層面充分體現(xiàn)了維修保障任務的軍民互補性、維修保障模式的軍民多樣性以及維修保障手段的軍民協(xié)調(diào)性。

信息支援層面實現(xiàn)軍民融合維修保障信息的實時采集、傳輸、分析、處理，包括軍民協(xié)調(diào)信息處理、軍民互通信息分析、軍民共享信息實現(xiàn)。信息支援層面的軍地維修保障信息互聯(lián)互通程度是開展軍民融合維修保障的重要條件，體現(xiàn)了維修保障技術(shù)手段的軍民互用性、維修保障平臺的軍民通用性以及維修保障信息資源的軍民共享性。

3 航天裝備軍民融合維修保障系統(tǒng)運行的動力學模型

3.1 模型假設和系統(tǒng)邊界

根據(jù)航天裝備軍民融合維修保障系統(tǒng)的具體活動，規(guī)劃相應的變量及影響因素，考慮到模型可操作性和定量化的需求，做出如下假設：

1) 在仿真周期內(nèi)，外部環(huán)境的影響相對固定；

2) 航天裝備軍民融合維修保障建設是具有漸進性的連續(xù)過程；

3) 不考慮重大政策調(diào)整等突發(fā)性因素影響[7]。

系統(tǒng)的邊界是一個想象的輪廓，把建模目的所考慮的內(nèi)容包括進去，而與其他部分隔開，在邊界內(nèi)部，凡涉及與所研究問題有重要關(guān)系的概念與變量均應考慮進模型，反之應排除在模型之外。據(jù)此，根據(jù)上述系統(tǒng)分析，從軍民協(xié)同組織籌劃、建制基地級維修保障、建制部隊級維修保障、地方高新技術(shù)動員力量運用、軍民共享信息支撐、軍民融合維修保障器材籌儲供、軍民融合風險干擾等7個方面考察維修保障系統(tǒng)運行。

3.2 因果關(guān)系分析

通過分析航天裝備軍民融合維修保障各要素之間的關(guān)系，可以得到如圖2所示的因果關(guān)系圖。圖中：實線代表負反饋，表示由管理風險、環(huán)境風險、技術(shù)風險、信息風險等影響因子所構(gòu)成的軍民融合風險干擾所造成的消極影響[8]，外部環(huán)境風險越復雜，內(nèi)部經(jīng)濟、管理與技術(shù)阻力越大，航天裝備軍民融合維修保障運行效果就越低；虛線代表正反饋，表示對航天裝備軍民融合維修保障運行起積極作用。

3.3 存量流圖模型

根據(jù)航天裝備軍民融合維修保障效能影響因素因果關(guān)系分析，從航天裝備軍民融合維修保障建設水平、軍民融合維修保障組織籌劃水平、軍民融合維修保障信息支撐水平、軍民融合維修保障器材籌措、儲、供水平、建制基地級維修保障作業(yè)活動水平、建制部隊級維修保障作業(yè)活動水平、地方高新技術(shù)動員力量運用水平、軍民融合風險干擾8個狀態(tài)變量、12個速率變量以及其他輔助變量入手，引入維修周期時間作為時間變量，構(gòu)建航天裝備軍民融合維修保障存量流圖模型，如圖3所示。

圖2 航天裝備軍民融合維修保障因果關(guān)系圖

圖3 航天裝備軍民融合維修保障存量流圖模型

該存量流圖模型中涉及到的主要變量關(guān)系及方程如下:

1) 航天裝備軍民融合維修保障運行水平=INTEG(總變化率，航天裝備軍民融合維修保障建設水平初始值)。其中：INTEG為積分運算符，代表積分函數(shù)，下同。

2) 總變化率=(權(quán)重×軍民融合維修保障組織籌劃水平+權(quán)重×建制部隊級維修保障作業(yè)活動+權(quán)重×建制基地級維修保障作業(yè)活動+權(quán)重×地方高新技術(shù)動員力量運用水平+權(quán)重×軍民融合維修保障器材籌措供應水平+權(quán)重×軍民融合維修保障信息支撐水平)/軍民融合維修保障周期。

3) 風險干擾變化率=SMOOTH(-風險影響因子/TIMESTEP,敵方干擾時間)。其中：SMOOTH為延遲運算符，代表延遲函數(shù)[9]；風險影響因子是指斜率一定的線性增長函數(shù)，其變量方程為RAMP({slope}，start}，{finish})；TIMESTEP為仿真時間步長。

4) 軍民融合維修保障周期=搶修時間+數(shù)據(jù)處理時間+籌儲供時間+組織籌劃時間+維修時間。

5) 軍民融合維修保障組織籌劃水平=INTEG(組織籌劃增加速率-組織籌劃降低速率，組織籌劃水平初始值)。

6) 組織籌劃增加速率=(權(quán)重×制定計劃準確度+權(quán)重×籌劃部署能力+權(quán)重×組織指揮能力)/組織籌劃時間。

7) 組織籌劃降低速率=敵方干擾水平/組織籌劃時間。

8) 籌劃部署能力=lookup1(Time1籌劃部署投入時間)。其中：lookup函數(shù)為表函數(shù)[3]，用以表示2個變量之間的非線性關(guān)系,下同。

9) 建制基地級維修保障作業(yè)活動水平=INTEG(基地級維修保障增加速率-基地級維修保障降低速率，基地級維修保障作業(yè)活動水平初始值)。

10) 基地級維修保障增加速率= (權(quán)重×基地級維修準備程度+權(quán)重×基地級力量編組能力+權(quán)重×現(xiàn)地搶修能力+權(quán)重×機動前出能力+權(quán)重×組織籌劃水平)/維修時間。

11) 基地級維修保障降低速率=敵方干擾水平/維修時間。

12) 基地級力量編組能力=lookup2(Time2基地級力量編組時間)。

13) 現(xiàn)地搶修能力=lookup3(Time3現(xiàn)地搶修時間)。

14) 建制部隊級維修保障作業(yè)活動水平=INTEG(部隊級維修保障增加速率-部隊級維修保障降低速率，部隊級維修保障作業(yè)活動水平初始值)。

15) 部隊級維修保障增加速率=(權(quán)重×部隊級維修準備程度+權(quán)重×部隊級力量編組能力+權(quán)重×應急搶修能力+權(quán)重×組織籌劃水平)/搶修時間。

16) 部隊級維修保障降低速率=敵方干擾水平/搶修時間。

17) 部隊級力量編組能力=lookup4(Time4部隊級力量編組時間)。

18) 應急搶修能力=lookup5(Time5應急搶修時間)。

19) 地方高新技術(shù)動員力量變化率=(權(quán)重×動員準備程度+權(quán)重×編組運用效率+權(quán)重×臨戰(zhàn)訓練程度)/維修時間。

20) 編組運用效率=lookup6(Time6編組運用時間)。

21) 軍民融合維修保障器材籌儲供水平=INTEG(器材籌儲供增加速率-器材籌儲供降低速率，器材籌措儲備供應水平初始值)。

22) 器材籌儲供增加速率=(權(quán)重×戰(zhàn)儲器材運用程度+權(quán)重×儲備配置程度+權(quán)重×籌措供應能力)/籌儲供時間。

23) 器材籌儲供降低速率=敵方干擾水平/籌儲供時間。

24) 軍民融合維修保障信息支撐水平=INTEG(信息支撐增加速率-信息支撐降低速率，信息支撐水平初始值)。

25) 信息支撐增加速率=(權(quán)重×信息處理能力+權(quán)重×信息分析能力+權(quán)重×信息實現(xiàn)能力)/信息處理時間。

26) 信息支撐降低速率=敵方干擾水平/信息處理時間。

27) 信息分析能力=lookup7(Time7數(shù)據(jù)分析時間)。

4 仿真實例與分析

為檢驗模型的有效性，以某型空間態(tài)勢感知雷達的軍民融合維修保障運行為例，利用系統(tǒng)動力學軟件Vensim對系統(tǒng)動力學模型進行構(gòu)思、模擬、分析。Vensim軟件是一個基于視窗界面的可視化建模工具，提供了圖形編輯環(huán)境，該軟件的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)研究目標系統(tǒng)的概念具象化和文件可視化，且仿真結(jié)果展示直觀、函數(shù)方程式編程錄入便捷。

某型空間態(tài)勢感知雷達的軍民融合維修保障仿真實驗模擬時間為12個月，仿真步長為1，單位為月。通過前期調(diào)研獲取該套裝備運行情況完成仿真初始數(shù)據(jù)采集，并運用專家組進行匿名問卷調(diào)查得到專家意見，通過多次反饋再征求意見的過程，最終得到專家組給出的權(quán)重值[10]，如表1所示。

仿真實驗設置2種情況：情況1，地方高新技術(shù)動員力量運用充分，仿真結(jié)果如圖4所示；情況2，地方高新技術(shù)動員力量運用不足，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖4可知：通過調(diào)整增加地方高新技術(shù)動員力量運用水平，將會帶動建制基地級和部隊級兩級維修保障作業(yè)活動水平的增長，進而使航天裝備軍民融合維修保障運行水平得到提升；在引入軍民融合風險干擾影響后，航天裝備軍民融合維修保障運行水平增長速率放緩，并且逐步趨于穩(wěn)定。

表1 航天裝備軍民融合維修保障運行變量及其權(quán)重

圖4 高新技術(shù)動員力量運用充分情況仿真結(jié)果

圖5 高新技術(shù)動員力量運用不足情況仿真結(jié)果

由圖5可知：通過調(diào)整降低地方高新技術(shù)動員力量運用水平，將會導致航天裝備軍民融合維修保障運行水平的下降；軍民融合維修保障器材籌儲供水平、軍民融合維修保障信息支撐水平以及軍民融合維修保障組織籌劃水平也都有相應程度的降低，其中影響最大的是軍民融合維修保障器材籌儲供水平，其次是軍民融合維修保障信息支撐水平，影響最小的是軍民融合維修保障組織籌劃水平。

5 結(jié)論

針對航天裝備軍民融合維修保障建設難以準確把握的問題，本文在分析航天裝備軍民融合維修保障影響因素因果關(guān)系的基礎上，運用系統(tǒng)動力學方法建立了系統(tǒng)動力學仿真流圖，并以維修周期為邊界對維修保障建設問題進行了仿真實驗。該研究思路和方法為難以定量的航天裝備軍民融合維修保障運行問題提供了一定的借鑒。下一步，將更加全面地分析總結(jié)航天裝備維修保障的影響因素，并在實踐中進一步驗證方法的合理性和科學性。