基于多智能體的海外護(hù)航供應(yīng)保障仿真研究

董 鵬，石懷斌，2，史博元，張其霄

（1.海軍工程大學(xué)管理工程與裝備經(jīng)濟(jì)系，武漢 430033；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)政治工作部，武漢 430033）

0 引言

隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的發(fā)展，大型艦船出海執(zhí)行任務(wù)愈發(fā)頻繁。與此同時(shí)，艦船編隊(duì)的規(guī)模也越來越大，任務(wù)周期長(zhǎng)，消耗高，面臨的各種環(huán)境也越來越復(fù)雜，對(duì)大型編隊(duì)海上供應(yīng)保障調(diào)度提出了新的要求。尤其是海外護(hù)航等遠(yuǎn)海任務(wù)，從不同的海外保障點(diǎn)和基地為艦船供應(yīng)物資有多種調(diào)運(yùn)方案，如何選擇調(diào)運(yùn)方案，使物資補(bǔ)給既滿足時(shí)間和需求量的要求，又使總體成本最小、安全性更高，是艦船編隊(duì)后勤物資采購供應(yīng)保障亟待解決的問題。

針對(duì)以上問題，通過LINGO 求解多目標(biāo)規(guī)劃問題，得到優(yōu)化方案，同時(shí)采用Anylogic 仿真軟件進(jìn)行多智能體建模，利用智能體行為的自主決策能力模擬大型艦船編隊(duì)的供應(yīng)和保障過程，通過直觀動(dòng)畫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)保障方案進(jìn)行分析和驗(yàn)證，評(píng)估方案的優(yōu)劣，也可以為將來實(shí)際任務(wù)的執(zhí)行提供一個(gè)行之有效的預(yù)測(cè)方法，以確保編隊(duì)的后勤保障順利完成。

1 海外護(hù)航供應(yīng)保障過程分析

1.1 任務(wù)場(chǎng)景描述

海外護(hù)航模擬場(chǎng)景如圖1 所示。艦船編隊(duì)在接收到護(hù)航任務(wù)時(shí)，整理編隊(duì)后前往指定區(qū)域、執(zhí)行護(hù)航任務(wù)，在到達(dá)目的地前，提前發(fā)送補(bǔ)給命令給保障基地；保障基地收到命令后，保障中心經(jīng)過計(jì)算將訂單派送給相應(yīng)的保障點(diǎn)，保障點(diǎn)接收到訂單信息后，派出商船將物資運(yùn)送到保障基地；護(hù)航編隊(duì)到達(dá)護(hù)航區(qū)域后派出補(bǔ)給艦前往保障基地進(jìn)行補(bǔ)貨，補(bǔ)貨完成后，補(bǔ)給艦回到護(hù)航區(qū)域?qū)庩?duì)進(jìn)行補(bǔ)給。護(hù)航期間，編隊(duì)需要物資補(bǔ)給時(shí)，提前向保障基地發(fā)送補(bǔ)給命令，保障基地重復(fù)上述流程。

圖1 海外護(hù)航模擬場(chǎng)景圖

假設(shè)某次護(hù)航編隊(duì)由一艘驅(qū)逐艦，一艘護(hù)衛(wèi)艦，一艘補(bǔ)給艦組成，前往護(hù)航海域執(zhí)行任務(wù)。編隊(duì)在護(hù)航期間需要物資補(bǔ)給時(shí)，向保障中心請(qǐng)求物資補(bǔ)給，保障中心計(jì)算處理后，將分訂單發(fā)到各個(gè)保障點(diǎn)和基地，保障點(diǎn)收到分訂單后要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，把所需物資從保障點(diǎn)運(yùn)輸?shù)奖Ｕ匣兀缓笥裳a(bǔ)給艦統(tǒng)一從基地運(yùn)輸?shù)骄庩?duì)。

假設(shè)護(hù)航任務(wù)為期6 個(gè)月，需對(duì)編隊(duì)補(bǔ)給3 次，對(duì)保障基地補(bǔ)給4 次。當(dāng)需要物資補(bǔ)給時(shí)，編隊(duì)會(huì)發(fā)出補(bǔ)給需求訂單，訂單經(jīng)由保障中心計(jì)算處理后，將分訂單發(fā)到各個(gè)保障點(diǎn)和基地，保障點(diǎn)收到分訂單后要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，把所需物資從保障點(diǎn)運(yùn)輸?shù)交兀缓笥裳a(bǔ)給艦統(tǒng)一從基地運(yùn)輸?shù)骄庩?duì)。

1.2 決策變量及相關(guān)參數(shù)

1.2.1 決策變量X

記從保障點(diǎn)i 供應(yīng)的j 種物資的數(shù)量為X，i=1，2，…，18，分別是17 個(gè)保障點(diǎn)以及保障基地。j=1，2，…，7，分別是淡水、主食、副食、果蔬、柴油、噴氣燃料、潤(rùn)滑油。

1.2.2 裝卸速度

定義固體裝卸速度為V，包括主食、副食、果蔬；液體裝卸速度為V，包括淡水、柴油、噴氣燃料、潤(rùn)滑油（其余場(chǎng)景裝卸速度與此相同，后面將不再贅述）。

1.2.3 裝卸時(shí)間

1.2.4 運(yùn)輸時(shí)間

1.2.6 采購成本

1.2.7 運(yùn)輸成本

1.2.8 總成本

1.3 海外護(hù)航保障決策模型

1.3.1 確定目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)前面分析，執(zhí)行護(hù)航模式制定補(bǔ)給方案的目標(biāo)是在一次補(bǔ)給周期內(nèi)花費(fèi)最少，在一次補(bǔ)給周期內(nèi)補(bǔ)給方案的花費(fèi)來源于補(bǔ)給物質(zhì)采購成本和運(yùn)輸成本，總成本為：

目標(biāo)函數(shù)：min C=min（C1+C2）。

1.3.2 確定約束條件

1）配貨時(shí)間約束

在護(hù)航模式下，可以預(yù)先制定補(bǔ)給計(jì)劃，要求在配貨時(shí)間內(nèi)將所需物資運(yùn)輸?shù)窖a(bǔ)給基地：T+T≤T，i=1，2，…，18。

2）配貨量約束

3）庫存約束

1.3.3 建立保障模型

綜上所述，建立補(bǔ)給運(yùn)輸調(diào)度模型，如式（1）所示。

1.4 模型的求解及分析

在本任務(wù)中，已知條件為：物資裝卸速度、物資需求量、各保障信息（地理位置，派出的拖船速度、物資采購價(jià)格、物資運(yùn)輸價(jià)格、物資庫存等）。待求量為：補(bǔ)給物質(zhì)裝卸與運(yùn)輸時(shí)間，補(bǔ)給物質(zhì)采購與運(yùn)輸成本。

1.4.1 模型求解分析過程

海外護(hù)航供應(yīng)保障模型算法流程如圖2 所示。

圖2 算法流程圖

1.4.2 模型運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

Lingo 軟件對(duì)模型結(jié)果決策變量X數(shù)據(jù)輸出如表1 所示。

表1 決策變量圖

在海外護(hù)航這一案例模型中，由于對(duì)成本值期望和時(shí)間方面上約束，其決策變量計(jì)算結(jié)果顯示，向保障基地供貨的保障點(diǎn)都比較集中在離保障基地距離較近的保障點(diǎn)上，并根據(jù)成本單價(jià)不同、需求量情況及目標(biāo)函數(shù)追求方面，形成最優(yōu)的物資調(diào)配方案。針對(duì)此模型，保障基地將提供1 000 份淡水資源和100 份果蔬給本次訂單需求，保障點(diǎn)1 將提供100 份淡水、40 份主食、30 份副食、34 份果蔬以及800 噸柴油給本次訂單需求。在該方案下，一次完整的補(bǔ)給需要3 953.6 萬元。

2 海外護(hù)航供應(yīng)保障模型建立

基于Anylogic 的大型編隊(duì)海外護(hù)航，物資采購供應(yīng)保障體系仿真模型構(gòu)建流程如下頁圖3 所示。

圖3 仿真模擬流程

2.1 編隊(duì)物資保障方案

為保障編隊(duì)物資需求，尋求優(yōu)化補(bǔ)給方式方案，模型給出了兩種物資保障方式，如表2 所示。

表2 編隊(duì)物資保障方案

方式1提前儲(chǔ)備物資于保障基地。保障基地根據(jù)物資庫存情況，進(jìn)行物資儲(chǔ)存采購，由海外代理機(jī)構(gòu)將保障點(diǎn)物資運(yùn)送到保障基地。當(dāng)護(hù)航編隊(duì)發(fā)出物資請(qǐng)求，補(bǔ)給艦直接前往到基地裝載，來保障編隊(duì)物資需求

方式2當(dāng)護(hù)航編隊(duì)物資庫存量不足時(shí)，艦艇保障組根據(jù)保障中心制定的物資采購清單，自身前往到采購點(diǎn)，執(zhí)行補(bǔ)貨裝載、整頓休息

2.2 基于保障方案仿真建模

2.2.1 場(chǎng)景建模模塊的構(gòu)建

在main 智能體中導(dǎo)入GIS 地圖，在其屬性下設(shè)置經(jīng)緯度位置，以確定護(hù)航編隊(duì)活動(dòng)范圍。并通過保障基地、保障點(diǎn)兩個(gè)集合和初始化函數(shù)完成編隊(duì)國(guó)內(nèi)出發(fā)港口，補(bǔ)給港口以及可為補(bǔ)給港供貨的17 保障點(diǎn)位置標(biāo)注。GIS 地圖護(hù)航場(chǎng)景布置的完成，為編隊(duì)物資補(bǔ)給提供了可靠的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)背景。

2.2.2 自主智能體模塊的構(gòu)建

1）業(yè)務(wù)組織流程智能體

本模型中，后勤保障任務(wù)組織流程分3 部分來完成，即國(guó)內(nèi)物資采購業(yè)務(wù)流程、海外物資采購業(yè)務(wù)流程和編隊(duì)物資補(bǔ)給業(yè)務(wù)流程。以編隊(duì)物資補(bǔ)給為中心，從國(guó)內(nèi)外展開物資采購。當(dāng)編隊(duì)出現(xiàn)物資庫存不足時(shí)，向保障中心發(fā)出物資補(bǔ)給請(qǐng)求。經(jīng)保障中心審批后，下達(dá)保障任務(wù)給專項(xiàng)指揮組，并由編制保障組制定并下達(dá)物資采購計(jì)劃，向國(guó)內(nèi)外保障點(diǎn)進(jìn)行全域性物資采購。

2）驅(qū)護(hù)艦智能體

特別說明，為簡(jiǎn)化仿真模型，假定護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦在物資庫存、消耗方面具有一致性，故將護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦參數(shù)設(shè)置成一體。比如，護(hù)衛(wèi)艦智能體下參數(shù)淡水最大庫存應(yīng)為護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦淡水總量的最大庫存。其行為設(shè)置形式如下頁圖4 所示。

圖4 驅(qū)護(hù)艦智能體

3）補(bǔ)給艦智能體

補(bǔ)給艦智能體邏輯行為設(shè)置如圖5 所示。

圖5 補(bǔ)給艦智能體

4）補(bǔ)給港智能體

補(bǔ)給港智能體邏輯行為設(shè)置如圖6 所示。

圖6 補(bǔ)給港智能體

5）保障點(diǎn)智能體

此次護(hù)航模型共有17 個(gè)保障點(diǎn)參與編隊(duì)物資供應(yīng)保障工作中，故智能體的建立方面，它是一個(gè)智能體數(shù)量為17 個(gè)的智能體群。在該智能體中不存在復(fù)雜的邏輯行為，故不需要特別設(shè)置邏輯行為圖進(jìn)行描述。

6）商船智能體

商船智能體邏輯行為設(shè)置如圖7 所示。

圖7 商船智能體

7）藥品被裝配送智能體

藥品被裝配送智能體邏輯行為設(shè)置如圖8 所示。

圖8 藥品被裝配送智能體

2.3 基于保障方案2 仿真建模

保障方案2 是向多個(gè)保障點(diǎn)直接采購取貨；保障方式上是由艦船分別前往到對(duì)應(yīng)物資保障點(diǎn)取貨，待取貨完成匯集到艦船物資補(bǔ)給點(diǎn)，對(duì)于缺乏物資的艦船進(jìn)行互相補(bǔ)充。保障方案2 在建模的主體過程中與保障方案1 并沒有太大的區(qū)別，為了避免重復(fù)，本文只列出保障方案2 與保障方案1 的不同之處，具體細(xì)節(jié)如下。

2.3.1 保障網(wǎng)點(diǎn)分配

在保障方式2 的模型下，補(bǔ)給基地不再作為編隊(duì)唯一直接物資供應(yīng)點(diǎn)，在模型中僅作為采購網(wǎng)點(diǎn)的選擇點(diǎn)，故本模型中可參與編隊(duì)直接物資供應(yīng)的共有18 個(gè)網(wǎng)點(diǎn)（17 個(gè)保障點(diǎn)和1 個(gè)基地）。

2.3.2 物資采購邏輯行為分配

補(bǔ)給艦物資保障、取貨邏輯流程如圖9 所示。當(dāng)補(bǔ)給艦物資庫存量不足以編隊(duì)物資需求時(shí)，模型根據(jù)編隊(duì)物資需求情況結(jié)合物資補(bǔ)貨方案函數(shù)求得編隊(duì)物資采購清單，艦艇保障組的艦船（包含補(bǔ)給艦、護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦）根據(jù)采購清單被分配到相應(yīng)保障點(diǎn)取貨，待取貨完成前往清單下一保障點(diǎn)，直至所需物資裝載完畢，滿足編隊(duì)物資需求，補(bǔ)給艦返回到物資補(bǔ)給點(diǎn)，最終完成護(hù)航艦船補(bǔ)貨回到護(hù)航狀態(tài)。

圖9 保障方式2 補(bǔ)給艦邏輯流程

2.3.3 費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)以上兩種艦船物資保障方式，對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析。

如圖10 所示，在護(hù)航費(fèi)用方面，通過護(hù)航編隊(duì)在海外保障點(diǎn)進(jìn)行靠港補(bǔ)給的方式調(diào)整，護(hù)航保障方式2 總費(fèi)用有所降低，主要是減少了物資采購代理機(jī)構(gòu)的商船運(yùn)輸費(fèi)和基地物資臨時(shí)存儲(chǔ)的倉儲(chǔ)費(fèi)，但增加了一定的靠港補(bǔ)給費(fèi)用，用于港口位的租賃、垃圾污水的處理等等。

圖10 不同保障方式下費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

如圖11 所示，在保障績(jī)效方面可以看出，保障方式2 取貨時(shí)間更短物資保障率更高、物資保障時(shí)間更短，總體來說更為高效和經(jīng)濟(jì)。但保障方式2所能滿足的物資需求量相較于保障方式1 來說非常小，只能用于緊急情況下的物資供應(yīng)保障。

圖11 不同保障方式下保障績(jī)效統(tǒng)計(jì)

2.4 小結(jié)

結(jié)合前文在護(hù)航任務(wù)的兩種方案的對(duì)比結(jié)果分析，可以得出保障基地倉儲(chǔ)物資量有限，非緊急物資需求下，通過自身艦船進(jìn)行物資采購更高效、更經(jīng)濟(jì)，方案2 更能滿足項(xiàng)目的需求。但如果編隊(duì)物資需求量小且緊急的情況下，采用商船向保障基地臨時(shí)存貨的方法及方案1 相對(duì)更為有效，其保障時(shí)間上會(huì)更優(yōu)，但成本相對(duì)較高。在不同的情況下護(hù)航任務(wù)采用何種保障方案，需要結(jié)合其具體任務(wù)和需求來選擇。

3 結(jié)論

隨著我國(guó)海洋開發(fā)的戰(zhàn)略發(fā)展和一帶一路建設(shè)新高潮，海上艦艇編隊(duì)任務(wù)執(zhí)行頻率越來越高、規(guī)模越來越大，周期長(zhǎng)、能耗高、面臨的作業(yè)自然環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)后勤保障工作提出了新的要求。為解決艦艇編隊(duì)海上后勤保障問題，結(jié)合供應(yīng)鏈管理和庫存優(yōu)化策略，建立了海外護(hù)航的多智能體仿真計(jì)算模型。該模型基于多智能體建模方法，建立了場(chǎng)景建模模塊和業(yè)務(wù)組織流程智能體等8 個(gè)自主智能體，能夠?qū)Σ煌蝿?wù)條件下所需后勤保障問題進(jìn)行模擬，得到相關(guān)評(píng)估指標(biāo)。最后針對(duì)兩種編隊(duì)物資保障方案建模分析并比較結(jié)果，進(jìn)一步說明該解決方案的科學(xué)性。