高 龍, 宋太亮, 曹軍海, 閆 旭, 邢 彪
(1 .陸軍裝甲兵學(xué)院裝備保障與再制造系, 北京 100072; 2. 中國國防科技信息中心, 北京 100142; 3. 武警工程大學(xué)烏魯木齊校區(qū)裝甲車技術(shù)系, 新疆 烏魯木齊 830049)
面向作戰(zhàn)任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置是從作戰(zhàn)任務(wù)的保障需求出發(fā),根據(jù)裝備保障體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)特征,綜合考慮保障資源類型以及使用與消耗規(guī)律等因素,實(shí)現(xiàn)各種保障資源的合理組織與部署。在資源配置過程中,通過保障信息和資源的交互與協(xié)同,將保障體系中分散、小規(guī)模、互不聯(lián)系的保障資源進(jìn)行有效集成,在適時(shí)、適地、適量地配置保障資源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)保障體系效能的涌現(xiàn)[1-3]。與傳統(tǒng)保障資源配置相比,它具有緊貼作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)際需求、配置模式全域一體、配置過程深度交互協(xié)同與精確高效、資源充分共享等特征[1-6]。因此,面向作戰(zhàn)任務(wù)的保障資源配置是以滿足作戰(zhàn)任務(wù)的保障需求為首要目標(biāo),并兼顧保障資源總量和保障費(fèi)用等要求的、典型的單目標(biāo)多約束的優(yōu)化問題。
資源配置問題廣泛存在于生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸、通信網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等領(lǐng)域[7-11]。在裝備保障領(lǐng)域,因研究重點(diǎn)和角度的不同,先后提出了多種適用于不同情況的保障資源配置模型,如:李大偉等[12]針對(duì)初始備件方案在使用初期難以滿足裝備保障要求的實(shí)際,結(jié)合使用階段備件消耗規(guī)律,提出了基于Bayes方法的使用初期備件數(shù)量配置方法;王亞彬等[13]以基層級(jí)和中繼級(jí)構(gòu)成的兩級(jí)保障體系為對(duì)象,構(gòu)建了以備件保障度最大、保障費(fèi)用最小為目標(biāo)的備件多目標(biāo)配置優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[14-15]作者基于橫向轉(zhuǎn)運(yùn)策略構(gòu)建了以裝備可用度為約束,以備件購置費(fèi)用最低為目標(biāo)的多級(jí)供應(yīng)系統(tǒng)備件初始配置模型;曹繼平等[16]建立了戰(zhàn)場(chǎng)搶修中多需求點(diǎn)、多資源點(diǎn)的優(yōu)化調(diào)度模型,并給出了基于需求點(diǎn)優(yōu)先度的資源調(diào)度方法;張洪濤等[17]建立了機(jī)群保障資源配置優(yōu)化模型,并采用滾動(dòng)調(diào)度思想降低了優(yōu)化模型求解的復(fù)雜性;蔡芝明等[18]針對(duì)艦艇編隊(duì)任務(wù)準(zhǔn)備階段備件配置優(yōu)化問題,建立了以編隊(duì)備件保障概率為目標(biāo),以備件質(zhì)量、費(fèi)用和體積為約束的隨船備件配置模型;徐立等[19]在對(duì)經(jīng)典可變多層級(jí)可修復(fù)備件庫存控制(Variable Multi-Echelon Technique for Recoverable Inventory Control,VARI-METRIC)模型假設(shè)條件進(jìn)行擴(kuò)展的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了具有多類維修優(yōu)先權(quán)的多級(jí)備件庫存優(yōu)化模型;曹繼平等[20]以保障資源總量最小為目標(biāo)建立了協(xié)同保障模式下裝備維修保障資源優(yōu)化配置模型;楊甫勤等[21]研究了多機(jī)種協(xié)同作戰(zhàn)中場(chǎng)站保障資源優(yōu)化配置問題,在多類顧客多服務(wù)器的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上,建立了以保障資源總費(fèi)用最低為目標(biāo)的保障資源配置優(yōu)化模型;程漢文等[22]根據(jù)戰(zhàn)備完好率確定戰(zhàn)場(chǎng)搶修等待的允許時(shí)間,建立了以保障資源運(yùn)輸總時(shí)間最小為目標(biāo)的防空作戰(zhàn)保障資源配置地域選擇模型。
綜上所述,現(xiàn)有模型主要是面向裝備研制與維修保障過程,以保障費(fèi)用最少、保障資源總量最小、供應(yīng)保障時(shí)間最短等為目標(biāo),構(gòu)建裝備保障體系資源配置模型,主要存在以下3方面的不足:
1) 資源配置目標(biāo)與信息化條件下體系作戰(zhàn)中裝備保障體系緊貼作戰(zhàn)任務(wù),滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求,追求裝備體系戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性的實(shí)際不符;
2) 主要針對(duì)裝備保障體系中維修保障資源的配置問題,未考慮使用保障資源(如彈藥、油料等)的需求;
3) 較少考慮協(xié)同保障模式,而在裝備保障體系中不同節(jié)點(diǎn)間的資源共享與協(xié)同對(duì)保障體系效能的涌現(xiàn)具有重要作用。
筆者針對(duì)面向作戰(zhàn)任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置的特點(diǎn)及現(xiàn)有模型的不足,從作戰(zhàn)任務(wù)的保障需求出發(fā),提出協(xié)同保障模式下網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置策略與優(yōu)化模型,并通過實(shí)例驗(yàn)證所提出策略和模型的有效性。
網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系是以信息系統(tǒng)為支撐,以裝備保障態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)感知共享為基礎(chǔ),將各級(jí)保障要素、保障單元及保障力量融為一體,而形成的部署空間離散、能力依網(wǎng)絡(luò)聚集的模塊化有機(jī)整體。它也是以保障需求實(shí)體(裝備)、裝備維修機(jī)構(gòu)、器材倉庫和備件供應(yīng)機(jī)構(gòu)、裝備保障指揮決策機(jī)構(gòu)等保障實(shí)體為節(jié)點(diǎn),并以這些節(jié)點(diǎn)的地理位置、信息流、物流等為邊而構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置是由保障資源申請(qǐng)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)雀黝悓?shí)體及其相互關(guān)系構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),其中:各級(jí)保障資源集合實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),實(shí)體間的信息、物質(zhì)和能量交互關(guān)系為網(wǎng)絡(luò)邊[5-6]。由于裝備保障體系中各保障資源的位置、數(shù)量、種類、交互距離及強(qiáng)度等均不相同,因而裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和邊均具有異質(zhì)性,如:網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)可為戰(zhàn)略保障基地、戰(zhàn)區(qū)保障中心、集團(tuán)軍倉庫、保障資源需求實(shí)體等;邊可為按建制逐級(jí)保障、跨建制同級(jí)協(xié)同保障與越級(jí)協(xié)同保障等保障關(guān)系。筆者主要研究由戰(zhàn)區(qū)保障中心、軍級(jí)保障資源庫存點(diǎn)、師旅級(jí)保障資源庫存點(diǎn)及保障資源需求點(diǎn)構(gòu)成的4級(jí)保障體系資源配置結(jié)構(gòu),考慮按建制和跨建制逐級(jí)保障與協(xié)同保障并存的保障模式,構(gòu)建戰(zhàn)區(qū)陸軍典型裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。
在裝備保障資源網(wǎng)絡(luò)中需要考慮保障交互關(guān)系的方向,如次要作戰(zhàn)任務(wù)方向(簡稱“次要作戰(zhàn)方向”)的資源實(shí)體可對(duì)主要作戰(zhàn)任務(wù)方向(簡稱“主要作戰(zhàn)方向”)的資源實(shí)體進(jìn)行協(xié)同保障;反之,則不允許。同時(shí),還需考慮保障資源實(shí)體間交互關(guān)系的強(qiáng)弱等屬性,因此,采用加權(quán)網(wǎng)絡(luò)
G*=(V,E,W)
(1)
1) 節(jié)點(diǎn)(vi)。節(jié)點(diǎn)(vi)表示裝備保障體系中的各類保障資源集合實(shí)體及有資源需求的實(shí)體。在裝備保障體系資源配置中,根據(jù)是否提供保障資源及各保障資源集合實(shí)體的任務(wù)、規(guī)模等,可將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為供應(yīng)節(jié)點(diǎn)、需求節(jié)點(diǎn)和混合節(jié)點(diǎn)3大類。
2) 邊(eij)。邊(eij)表示節(jié)點(diǎn)vi和vj之間的交互關(guān)系,主要是指裝備保障體系中資源供應(yīng)實(shí)體和資源需求實(shí)體之間存在的建制保障關(guān)系和不同層次的協(xié)同保障關(guān)系。筆者主要考慮按建制的逐級(jí)保障、同級(jí)間的協(xié)同保障及越級(jí)協(xié)同保障3種關(guān)系。由于在資源配置中交互關(guān)系的重點(diǎn)為不同種類的資源,筆者暫不考慮指控關(guān)系。
因此,網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置為有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)G={V,E,A,Wr}。
裝備協(xié)同保障是指為了滿足作戰(zhàn)或訓(xùn)練保障需求,在裝備保障指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一決策部署下,各保障力量和保障資源以協(xié)調(diào)配合方式實(shí)施保障的活動(dòng)。其中科學(xué)合理的協(xié)同策略是開展裝備協(xié)同保障的前提和基礎(chǔ)。裝備協(xié)同保障活動(dòng)貫穿裝備體系運(yùn)行的全過程,并結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)任務(wù)等的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。
從協(xié)同的內(nèi)容來看,裝備保障協(xié)同主要有保障力量協(xié)同與保障資源協(xié)同;從協(xié)同的地域來看,主要有戰(zhàn)區(qū)內(nèi)協(xié)同保障和跨戰(zhàn)區(qū)協(xié)同保障;從協(xié)同的層次級(jí)別來看,主要有同級(jí)協(xié)同和越級(jí)協(xié)同;從協(xié)同的建制范圍來看,主要有建制內(nèi)協(xié)同和跨建制協(xié)同。筆者主要考慮作戰(zhàn)任務(wù)持續(xù)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)pi、空間距離3個(gè)要素提出網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系協(xié)同保障資源配置策略。其中:節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)pi是指節(jié)點(diǎn)vi在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中獲取資源的優(yōu)先次序。在裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)中,主要作戰(zhàn)方向上執(zhí)行關(guān)鍵作戰(zhàn)任務(wù)的裝備或裝備作戰(zhàn)單元所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)最高,并記為pH;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)vi的層級(jí)Li越高,優(yōu)先級(jí)越高,即若Li≥Lj,vi,vj∈V,則pi≥pj。在同一層級(jí)中,主要作戰(zhàn)方向的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)高于次要作戰(zhàn)方向的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí),直接參與作戰(zhàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)高于間接參與作戰(zhàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層級(jí)Li是指節(jié)點(diǎn)vi在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的層次等級(jí)。在戰(zhàn)區(qū)陸軍裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)中,規(guī)定戰(zhàn)區(qū)保障中心(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)v1)的層級(jí)L1=1,其余節(jié)點(diǎn)層級(jí)等于直接上級(jí)節(jié)點(diǎn)層級(jí)加1。
在上述2種策略中,均假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的平均運(yùn)輸速度相同,則可采用節(jié)點(diǎn)間的平均運(yùn)輸時(shí)間來表征節(jié)點(diǎn)間的空間距離。由于2種策略主要是描述網(wǎng)絡(luò)中第k種資源在節(jié)點(diǎn)間的交互關(guān)系,因此可采用鄰接矩陣Ak=(aijk)N×N來描述第k種資源的交互關(guān)系,其中aijk的取值與xijk有關(guān),具體如下:
式中:xijk<0,表示從節(jié)點(diǎn)vj向節(jié)點(diǎn)vi配置第k種資源;xijk>0,表示從節(jié)點(diǎn)vi向節(jié)點(diǎn)vj配置第k種資源。
為簡化模型,作如下假設(shè):
1) 主要考慮備品備件、彈藥及油料等消耗型保障資源,不考慮保障設(shè)施、人力等占用型保障資源;
2) 只考慮軍隊(duì)建制內(nèi)的保障資源,且戰(zhàn)區(qū)保障中心的資源充足,不需要從外部獲??;
3) 有維修保障需求的裝備維修保障時(shí)間滿足指數(shù)分布;
4) 各節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸速度基本保持不變,運(yùn)輸時(shí)間僅與路程有關(guān);
5) 所有節(jié)點(diǎn)裝卸單位數(shù)量的同一種資源所用時(shí)間相同。
在信息化聯(lián)合作戰(zhàn)條件下,裝備保障體系資源配置必須以作戰(zhàn)任務(wù)需求為牽引,面向裝備體系遂行實(shí)際作戰(zhàn)任務(wù)的全過程,以獲得最大的保障效能和作戰(zhàn)能力為首要目標(biāo)。戰(zhàn)備完好性是衡量面向作戰(zhàn)任務(wù)的裝備保障體系效能的綜合性指標(biāo)之一,因此,筆者以戰(zhàn)備完好性為裝備保障體系資源配置優(yōu)化目標(biāo)。
戰(zhàn)備完好性是指裝備在平、戰(zhàn)時(shí)使用條件下,能隨時(shí)執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力。它反映了裝備在特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)能力,受裝備的可靠性與維修性、保障體系的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過程、保障資源的配置數(shù)量與地域以及部隊(duì)的管理訓(xùn)練水平等多種因素的影響[23-24]。戰(zhàn)備完好率POR是戰(zhàn)備完好性的概率度量,表示當(dāng)要求裝備投入作戰(zhàn)訓(xùn)練時(shí),裝備準(zhǔn)備好能夠執(zhí)行任務(wù)的概率,是對(duì)裝備的使用、恢復(fù)和保障情況的綜合度量。
由于信息化聯(lián)合作戰(zhàn)中體系對(duì)抗激烈、作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)間短,在當(dāng)前階段作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束后,裝備執(zhí)行下一階段作戰(zhàn)任務(wù)的狀態(tài)主要與作戰(zhàn)任務(wù)持續(xù)時(shí)間、裝備當(dāng)前的狀態(tài)及裝備保障體系的結(jié)構(gòu)、能力及資源配置等因素有關(guān)。在裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化主要有以下2種:
1) 節(jié)點(diǎn)獲得所需保障資源后即可恢復(fù)完好狀態(tài),可立即投入并執(zhí)行下一階段的作戰(zhàn)任務(wù),如缺少彈藥、油料的保障需求節(jié)點(diǎn),則節(jié)點(diǎn)恢復(fù)完好狀態(tài)的概率為供應(yīng)保障時(shí)間小于節(jié)點(diǎn)任務(wù)持續(xù)時(shí)間的概率;
2) 節(jié)點(diǎn)獲得保障資源后需要經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才能恢復(fù)完好狀態(tài),如缺少備件的維修保障需求節(jié)點(diǎn),則節(jié)點(diǎn)恢復(fù)完好狀態(tài)的概率為供應(yīng)保障時(shí)間與維修保障時(shí)間之和小于節(jié)點(diǎn)任務(wù)持續(xù)時(shí)間的概率。
設(shè)VO為直接參與作戰(zhàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)中有資源需求且為使用保障資源需求的節(jié)點(diǎn)集合。當(dāng)節(jié)點(diǎn)vi(vi∈VO)的需求為使用保障資源需求時(shí),節(jié)點(diǎn)恢復(fù)完好狀態(tài)的概率
(1)
設(shè)VM為直接參與作戰(zhàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)中有資源需求且為維修保障資源需求的節(jié)點(diǎn)集合,當(dāng)節(jié)點(diǎn)vi(vi∈VM)的需求為維修保障資源需求時(shí),節(jié)點(diǎn)恢復(fù)完好狀態(tài)的概率
(2)
(3)
式(1)、(2)均為網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)完好狀態(tài)的概率。為求得網(wǎng)絡(luò)G的戰(zhàn)備完好率,還需要進(jìn)一步考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí),即突出重點(diǎn)作戰(zhàn)方向中遂行關(guān)鍵作戰(zhàn)任務(wù)的裝備或裝備作戰(zhàn)單元的完好性對(duì)整個(gè)裝備體系戰(zhàn)備完好率的影響與貢獻(xiàn)。裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)G的完好率
POR(G)=PO(G)+(1-PO(G))×
(4)
式中:PO(G)為當(dāng)前階段作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束時(shí)裝備保障體系資源配置網(wǎng)絡(luò)G的戰(zhàn)備完好率;NT為直接參與作戰(zhàn)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
因此,以戰(zhàn)備完好率為目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)化裝備保障體系資源配置優(yōu)化模型為
maxPOR(G)=PO(G)+(1-PO(G))×
(5)
式(10)中:Δck為單位數(shù)量的第k種資源的裝卸費(fèi)用;Δc為單位路程的資源運(yùn)輸費(fèi)用;C為任務(wù)階段中可承擔(dān)的保障費(fèi)用總和,不包含保障資源成本。
某戰(zhàn)區(qū)內(nèi)設(shè)保障中心1個(gè),軍級(jí)保障資源供儲(chǔ)點(diǎn)2個(gè),師旅級(jí)保障資源庫存點(diǎn)4個(gè)。在某次地面進(jìn)攻作戰(zhàn)任務(wù)中,戰(zhàn)區(qū)陸軍擔(dān)負(fù)1個(gè)主要方向、2個(gè)次要方向的進(jìn)攻任務(wù)。涉及的保障資源類型K=3種,單位數(shù)量的各類資源的平均裝卸時(shí)間分別為Δt1=0.2,Δt2=0.15,Δt3=0.25;單位數(shù)量的各類資源裝卸費(fèi)用分別為Δc1=3,Δc2=2,Δc2=4;單位路程的資源運(yùn)輸費(fèi)用Δc=1,該任務(wù)階段中可承擔(dān)的保障費(fèi)用總和C=1 000。根據(jù)節(jié)點(diǎn)對(duì)完成作戰(zhàn)任務(wù)、達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)的影響,將各節(jié)點(diǎn)獲得資源的優(yōu)先級(jí)劃分為7個(gè)等級(jí),即pH=7。
當(dāng)僅考慮按建制逐級(jí)保障時(shí),構(gòu)建的戰(zhàn)區(qū)陸軍地面進(jìn)攻作戰(zhàn)保障資源配置網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。
表1 各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本參數(shù)
表2 各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的保障資源配置
求解以戰(zhàn)備完好率為目標(biāo)的裝備保障體系資源配置優(yōu)化模型的變量主要為{xijk|i,j=1,2,…,16;k=1,2,3;i≠j},它是一個(gè)典型的離散型空間優(yōu)化問題,其難點(diǎn)在于需要滿足多個(gè)復(fù)雜約束條件。離散粒子群算法能夠?qū)?fù)雜約束融入到算法的求解過程,有效解決該類問題。如梁國強(qiáng)等[25]提出了一個(gè)符合實(shí)際問題離散域特點(diǎn)的粒子位置和速度更新的交叉策略和變異策略,通過將多個(gè)復(fù)雜約束條件融入算法的編碼和更新過程,使算法具有良好的收斂性和尋優(yōu)性,能夠較快地找到最優(yōu)解。因此,筆者采用文獻(xiàn)[25]中的離散粒子群算法來求解裝備保障體系資源配置優(yōu)化模型。
設(shè)定算法的最大迭代次數(shù)gen_max=200,粒子種群數(shù)量pop_size=50,其他參數(shù)設(shè)置同文獻(xiàn)[25]。根據(jù)離散粒子群算法的求解策略和求解過程,在所有參數(shù)設(shè)置保持不變的前提下獨(dú)立求解50次,得到該網(wǎng)絡(luò)的最佳戰(zhàn)備完好率POR(G)=0.937 3。多次求解的最優(yōu)解、平均解和最差解的變化曲線如圖3所示。
取得最佳戰(zhàn)備完好率時(shí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源配置結(jié)果如表3所示。
表3 最佳戰(zhàn)備完好率下保障資源配置結(jié)果
由圖3可以看出:應(yīng)用離散粒子群優(yōu)化算法所得的解具有良好的多樣性;且所得解之間的性能差異不大,表明算法穩(wěn)定性較好。特別是該算法可在前期快速收斂,并在后期能更快地突破局部最優(yōu)進(jìn)而尋找到全局最優(yōu)解,適用于求解有一定實(shí)時(shí)性要求的裝備保障體系資源配置問題。
由圖4可以看出:協(xié)同保障模式下資源配置效率明顯高于按建制逐級(jí)保障模式,表明在保障資源配置過程中,合理有效的協(xié)同可顯著提高資源配置效率、改善保障體系效能;在一定程度上任務(wù)持續(xù)時(shí)間越短,協(xié)同保障效果越明顯,協(xié)同作用越重要。