李東京，王 兵*，秦智勇

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.陸軍裝備部，北京 100072）

0 引言

軍隊(duì)規(guī)模結(jié)構(gòu)和力量編成調(diào)成后，裝備管理呈現(xiàn)一體化的發(fā)展趨勢(shì)，已由傳統(tǒng)的按照兵種裝備、實(shí)施專業(yè)保障，向按照管理業(yè)務(wù)、實(shí)施綜合保障轉(zhuǎn)變。當(dāng)前部隊(duì)軍事訓(xùn)練任務(wù)繁重，裝備動(dòng)用十分頻繁，如果裝備動(dòng)用計(jì)劃安排不合理，將會(huì)直接導(dǎo)致裝備梯次儲(chǔ)備不均勻，裝備送修時(shí)間過于集中，無法及時(shí)恢復(fù)裝備技術(shù)完好狀態(tài)，降低裝備完好率水平，從而嚴(yán)重影響軍隊(duì)持續(xù)完成不同階段的軍事訓(xùn)練任務(wù)。因此，做好裝備動(dòng)用的科學(xué)調(diào)控和效能評(píng)估，不僅是制定裝備維修計(jì)劃、提高裝備完好率的重要前提，也是實(shí)現(xiàn)器材精確化保障、減少浪費(fèi)的現(xiàn)實(shí)需求，具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)意義。

裝備動(dòng)用與維修相互影響、相互制約，運(yùn)用仿真技術(shù)模擬裝備動(dòng)用與維修保障過程，能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與隨機(jī)過程，節(jié)省大量經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，成為當(dāng)前諸多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。李羚瑋等建立了裝備動(dòng)用與維修的概念模型，使用C++語言對(duì)裝備動(dòng)用與保障效能進(jìn)行了仿真評(píng)估［1］；李京峰等針對(duì)不同強(qiáng)度飛行計(jì)劃不同資源配置條件下，利用Anylogic 軟件對(duì)飛機(jī)維修保障資源運(yùn)用過程進(jìn)行了仿真研究［2］；曹軍海等采用面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的方法，對(duì)裝備動(dòng)用業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了建模與仿真研究［3］；杜海東等根據(jù)部隊(duì)維修作業(yè)過程，設(shè)計(jì)了維修任務(wù)生成和維修保障系統(tǒng)建模方案，結(jié)合備件調(diào)度和保障設(shè)備使用過程，對(duì)維修保障評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模研究［4］；曹軍海等構(gòu)建了復(fù)雜裝備維修車間仿真模型，探究了裝備維修計(jì)劃、維修保障模式等對(duì)“平均維修保障時(shí)間”“人力資源滿足率”等指標(biāo)的影響［5］；尹麗麗等提出了基于多Agent 的裝備保障體系的仿真建模方法，并利用JADE 開源平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于多Agent的裝備保障體系分布式仿真軟件原型系統(tǒng)［6］。

本文針對(duì)裝甲裝備的動(dòng)用與維修過程，運(yùn)用Anylogic 軟件建立多Agent 的仿真模型，通過裝備動(dòng)用計(jì)劃、部件故障函數(shù)以及Agent 之間的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲裝備動(dòng)用與維修過程的仿真，并評(píng)估裝甲裝備動(dòng)用和維修效能，預(yù)測(cè)裝備器材消耗數(shù)量。以上研究以不同目標(biāo)為導(dǎo)向?qū)ρb備動(dòng)用與維修保障開展了仿真研究，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)特定目標(biāo)的評(píng)估優(yōu)化，為裝甲裝備動(dòng)用與維修過程仿真提供了思路，但缺乏對(duì)整個(gè)裝備動(dòng)用與維修過程的系統(tǒng)研究，且難以得出保障效能評(píng)估指標(biāo)在任意時(shí)刻的分布情況和評(píng)價(jià)值。因此，本文以裝甲裝備動(dòng)用與維修過程為研究對(duì)象，基于Anylogic 平臺(tái)，采取多Agent 建模與仿真方法，自底向上建立裝甲裝備動(dòng)用與維修過程仿真模型，對(duì)多個(gè)保障效能指標(biāo)進(jìn)行全過程仿真評(píng)估，并針對(duì)性優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，開展仿真驗(yàn)證，為裝備動(dòng)用管控與維修保障資源配置提供參考。

1 裝甲裝備動(dòng)用管控與維修過程分析

裝備動(dòng)用一方面為作戰(zhàn)、訓(xùn)練任務(wù)的完成提供裝備，另一方面牽頭主導(dǎo)了整個(gè)裝備保障工作，直接決定了裝備預(yù)防性維修的開展時(shí)間，以及裝備器材保障的時(shí)間和數(shù)量等。如圖1 所示，部隊(duì)通常根據(jù)年度訓(xùn)練任務(wù)制定裝備動(dòng)用計(jì)劃，然后根據(jù)裝備動(dòng)用計(jì)劃制定裝備維修計(jì)劃，預(yù)測(cè)器材需求數(shù)量，制定器材申請(qǐng)計(jì)劃。

圖1 裝備動(dòng)用與維修計(jì)劃制定流程Fig.1 Equipment employment and maintenance plan formulation process

1.1 裝甲裝備動(dòng)用管控分析

裝備動(dòng)用管控是對(duì)裝備資源的科學(xué)調(diào)控，以確保始終有足夠數(shù)量技術(shù)狀況完好的裝備，保障部隊(duì)完成各項(xiàng)軍事任務(wù)的需要。因此，裝備動(dòng)用管控解決的是裝備資源與部隊(duì)任務(wù)如何科學(xué)匹配的問題，它是部隊(duì)完成各項(xiàng)軍事任務(wù)的重要保證。

裝甲裝備動(dòng)用管控，主要通過裝備完好率和裝備壽命儲(chǔ)備等指標(biāo)衡量部隊(duì)裝備質(zhì)量和持續(xù)作戰(zhàn)能力，采取戰(zhàn)教區(qū)分的管理方式滿足部隊(duì)?wèi)?zhàn)備任務(wù)和訓(xùn)練任務(wù)需求。戰(zhàn)教區(qū)分即按照一定比例將各型號(hào)裝甲裝備區(qū)分為戰(zhàn)備車和教練車，戰(zhàn)備車主要保障部隊(duì)完成戰(zhàn)備任務(wù)，教練車主要保障部隊(duì)完成日常訓(xùn)練任務(wù)［7］。另外，本文將教練車根據(jù)儲(chǔ)備壽命由低到高形成梯次，按一定比例分為重點(diǎn)用車、一般用車和控制用車，以合理調(diào)配裝備的動(dòng)用，產(chǎn)生適時(shí)適量的送修裝備，使部隊(duì)年度內(nèi)消耗摩托小時(shí)和生產(chǎn)摩托小時(shí)基本保持一致［8］。

1.2 裝甲裝備維修過程分析

裝甲裝備維修規(guī)劃基于裝備運(yùn)行時(shí)間，以恒定的裝備動(dòng)用時(shí)間為間隔，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各部件進(jìn)行預(yù)防性維修和更換，不考慮各部件的實(shí)際使用年齡（壽命）；若部件在預(yù)防更換時(shí)間節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生故障，則進(jìn)行修復(fù)性維修［9］。

結(jié)合實(shí)際，裝甲裝備通常以開機(jī)消耗的摩托小時(shí)為依據(jù)判斷大修、小修的時(shí)機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防性維修活動(dòng)。小修是指通過更換或修復(fù)個(gè)別零部件對(duì)裝備使用過程中的一般故障和輕度損壞進(jìn)行修理；大修是對(duì)裝備進(jìn)行全面拆卸和故障檢查，更換和修復(fù)全部不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求的零部件，消除缺陷，使裝備達(dá)到或接近新品標(biāo)準(zhǔn)。若裝備未使用到規(guī)定的修理間隔期限出現(xiàn)小修范圍內(nèi)的損壞、故障時(shí)，進(jìn)行檢修。裝甲裝備全壽命周期維修活動(dòng)如圖2 所示。

圖2 裝甲裝備全壽命維修活動(dòng)Fig.2 Full-life maintenance activities of armored equipment

2 基于多Agent 的裝甲裝備動(dòng)用與維修過程建模

Anylogic 軟件為離散事件、多智能體、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，以及混合系統(tǒng)建模與仿真提供了便捷靈活、直觀清晰的仿真環(huán)境。裝備動(dòng)用與維修過程比較復(fù)雜，因此，本文運(yùn)用多智能體建模的方法，構(gòu)建部件Agent、裝甲裝備Agent 和控制臺(tái)Agent 3 類智能體模型，通過計(jì)劃表和消息實(shí)現(xiàn)對(duì)智能體的控制和交互，對(duì)裝甲裝備動(dòng)用與維修過程進(jìn)行仿真。

2.1 裝備動(dòng)用與維修過程建模

裝備動(dòng)用與維修過程要明確裝備動(dòng)用計(jì)劃，根據(jù)動(dòng)用計(jì)劃判斷任務(wù)類型，選擇一定數(shù)量技術(shù)狀態(tài)良好的裝甲裝備執(zhí)行任務(wù)。執(zhí)行任務(wù)前檢查裝備壽命儲(chǔ)備狀況，判斷是否需要送修，若裝甲裝備執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)故障，則進(jìn)行檢修，更換故障部件。本文采取工分制裝備動(dòng)用策略，重點(diǎn)用車、一般用車、控制用車每動(dòng)用1 摩托小時(shí)分別得1 分、1.5分、2 分。任務(wù)下達(dá)后，按累計(jì)工分按由小到大次序排序，依次進(jìn)行動(dòng)用，累計(jì)工分相同的裝備以儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)低者先動(dòng)用。裝備動(dòng)用與維修具體流程如圖3所示。

圖3 裝備動(dòng)用與維修流程Fig.3 Equipment employment and maintenance process

2.2 仿真模型整體設(shè)計(jì)

多Agent 技術(shù)是一種自底向上的建模方法，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)智能行為主體進(jìn)行抽象建模，聚合每個(gè)獨(dú)立且具有自己行為規(guī)則的智能體，實(shí)現(xiàn)相互之間復(fù)雜的交互關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本文多Agent 建模從器材層面開始，分析實(shí)體裝備部件的組成結(jié)構(gòu)、故障參數(shù)及行為交互規(guī)則，通過模型封裝將部件Agent 聚合為裝甲裝備Agent 的系統(tǒng)級(jí)單元，進(jìn)而與其他裝備屬性、行為交互規(guī)則組成單個(gè)裝甲裝備Agent。重復(fù)上述步驟，完成部隊(duì)裝備層面實(shí)體模型構(gòu)建。構(gòu)建控制臺(tái)Agent 對(duì)所有裝甲裝備進(jìn)行控制和調(diào)動(dòng)，開展相應(yīng)的裝備動(dòng)用任務(wù)和維修活動(dòng)。模型體系架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 多Agent 模型體系架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)Fig.4 Multi-agent model architecture and functional design

按照設(shè)定的裝備動(dòng)用策略，多Agent 仿真系統(tǒng)通過裝備動(dòng)用計(jì)劃牽引，利用消息實(shí)現(xiàn)各類Agent的連接和交互，實(shí)現(xiàn)裝備動(dòng)用與維修過程仿真，動(dòng)態(tài)記錄裝備狀態(tài)信息，為裝備動(dòng)用與維修保障評(píng)估計(jì)算提供基礎(chǔ)輸入，準(zhǔn)確刻畫部隊(duì)裝備完好率、儲(chǔ)備度及預(yù)防性維修數(shù)量等評(píng)估指標(biāo)。仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程如下頁(yè)圖5 所示，完成模型初始配置后進(jìn)入仿真循環(huán)，具體步驟如下：

圖5 仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.5 Operation flow chart of simulation system

Step 1：根據(jù)動(dòng)用策略，對(duì)所有非在修的教練車進(jìn)行積分排序，選取本次訓(xùn)練的動(dòng)用裝備。

Step 2：檢查所選取裝備的壽命儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)，判斷是否需要進(jìn)行預(yù)防性維修。若為真，進(jìn)一步判斷預(yù)防性維修類型并送修，然后重新選取動(dòng)用裝備；否則，動(dòng)用該裝備執(zhí)行本次訓(xùn)練任務(wù)。

Step 3：執(zhí)行任務(wù)過程中，檢查裝備狀態(tài)。若故障件數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)損壞限度，則進(jìn)行檢修，認(rèn)定本次任務(wù)失敗；否則任務(wù)成功，本次任務(wù)結(jié)束。

Step 4：仿真時(shí)鐘推進(jìn)，更新所有部件Agent、裝甲裝備Agent 狀態(tài)，重復(fù)步驟Step 1～Step 4。

2.3 多Agent 模型構(gòu)建

2.3.1 控制臺(tái)Agent 模型

根據(jù)動(dòng)用計(jì)劃“Plan”，控制臺(tái)Agent 每日觸發(fā)“checkstate”和“Dailytask”模塊，檢查裝備狀態(tài)并觸發(fā)動(dòng)用任務(wù)，通過“choose”模塊對(duì)裝備累計(jì)工分進(jìn)行排序并選取動(dòng)用裝備，利用消息控制裝甲裝備Agent 執(zhí)行任務(wù)和開展預(yù)防性維修。在Anylogic 仿真軟件中，控制臺(tái)Agent 模型如圖6 所示。

圖6 控制臺(tái)Agent 模型Fig.6 Console Agent model

2.3.2 部件Agent 模型

裝甲裝備通常配備k/N（G）系統(tǒng)，以提高裝備系統(tǒng)的可靠性［10］。該系統(tǒng)部件數(shù)量很多，單一部件故障并不會(huì)影響系統(tǒng)的性能，只有部件故障數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)停止運(yùn)行。若系統(tǒng)故障，裝備則進(jìn)行檢修。部件Agent 初始處于空閑狀態(tài)，收到“startwork”消息后進(jìn)入工作狀態(tài)，工作2 h 后檢測(cè)是否損壞。若部件損壞，則更新裝備故障件總數(shù)并判斷系統(tǒng)是否故障，如果系統(tǒng)故障，則向裝備Agent 發(fā)送“jianxiu”消息；否則，部件僅更新工作時(shí)長(zhǎng)。在Anylogic 仿真軟件中，部件Agent 仿真模型如圖7所示。

表1 控制臺(tái)Agent 屬性釋義表Table 1 Console Agent attribute interpretation table

表2 部件Agent 屬性變量釋義表Table 2 Interpretation table of component Agent attribute variables

表3 裝甲裝備Agent 屬性釋義表Table 3 Interpretation table of Agent attributes of armored equipment

圖7 部件Agent 模型Fig.7 Component Agent model

2.3.3 裝甲裝備Agent 模型

裝甲裝備Agent 初始處于空閑狀態(tài)，當(dāng)收到“training”消息后，向系統(tǒng)內(nèi)所有部件發(fā)送“startwork”消息進(jìn)入工作狀態(tài)，然后根據(jù)任務(wù)類型更新裝備壽命和積分，工作中如果收到“jianxiu”消息則進(jìn)入“j_repair”狀態(tài)，更換故障部件，到時(shí)后返回空閑狀態(tài)；若裝甲裝備Agent 收到“big”消息則進(jìn)入“b_repair”狀態(tài)，更新所有部件后開展考核性動(dòng)用，到時(shí)返回空閑狀態(tài)并進(jìn)行戰(zhàn)教轉(zhuǎn)換；若裝甲裝備Agent 收到“small”消息則進(jìn)入“s_repair”狀態(tài)，僅更換故障部件后開展考核性動(dòng)用，到時(shí)返回空閑狀態(tài)。在Anylogic 仿真軟件中，裝甲裝備Agent 仿真模型如圖8 所示。

圖8 裝甲裝備Agent 模型Fig.8 Armored equipment agent model

3 仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

3.1 模型初始設(shè)置

使用Anylogic 仿真軟件時(shí)，假設(shè)某型裝甲裝備系統(tǒng)內(nèi)部件數(shù)量共20 個(gè)，當(dāng)部件故障數(shù)達(dá)5 個(gè)時(shí)，裝備發(fā)生故障，部件故障函數(shù)服從=0.001 的指數(shù)分布。設(shè)定其大修間隔期為1 500 摩托小時(shí)，小修間隔期為300 摩托小時(shí)，大修、小修、檢修時(shí)間分別為60 d、14 d 和3 d。初始化某型裝甲裝備共100 臺(tái)，其中，戰(zhàn)備車60 臺(tái)，儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)（1 200，1 500）均勻分布；控制用車20 臺(tái)，儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)（800，1 200）均勻分布；一般用車10 臺(tái)，儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)（400，800）均勻分布；重點(diǎn)用車10 臺(tái)，儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)（0，400）均勻分布，初始累計(jì)工分均為0。仿真模型時(shí)間單位為1 d，仿真時(shí)長(zhǎng)5年（約1 825 d），設(shè)定初始裝備動(dòng)用計(jì)劃表如表4 所示。

表4 裝備動(dòng)用計(jì)劃表Table 4 Equipment employment schedule table

3.2 仿真結(jié)果分析

按照上述初始模型配置和參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 模型初始仿真結(jié)果Fig.9 Initial simulation results of the model

圖9（a）展示了裝備完好率、戰(zhàn)備車儲(chǔ)備度和教練車儲(chǔ)備度日變化曲線。從圖中可以看出，在日常訓(xùn)練階段，裝備完好率保持在0.9 以上，在演習(xí)階段會(huì)急劇下降至0.8 以下；戰(zhàn)備車儲(chǔ)備度一直保持較高水平，教練車儲(chǔ)備度前期呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，第4 年開始有所提升。分析原因：1）日常訓(xùn)練階段每周裝備動(dòng)用80 mh，演習(xí)階段每周裝備動(dòng)用1 120 mh，演習(xí)階段訓(xùn)練強(qiáng)度遠(yuǎn)高于日常訓(xùn)練階段，裝備動(dòng)用數(shù)量與任務(wù)時(shí)長(zhǎng)過多，導(dǎo)致裝備送修時(shí)間集中，裝備完好率下降；2）第1～4 年隨著大修裝備返回，部分儲(chǔ)備度較高的戰(zhàn)備車轉(zhuǎn)換為教練車，使得教練車儲(chǔ)備度有所提升。

圖9（b）展示了檢修、小修和大修在修裝備數(shù)量日變化曲線。從圖中可知，檢修、小修、大修的在修峰值分別為20 臺(tái)、15 臺(tái)和5 臺(tái)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，5 年內(nèi)累計(jì)大修裝備40 臺(tái)，小修123 臺(tái)，檢修次數(shù)1 284 臺(tái)。不難發(fā)現(xiàn)：1）每年演習(xí)階段檢修、小修的在修裝備數(shù)量驟增，達(dá)到年度峰值，是引起裝備完好率驟降的主要原因；2）裝備送修時(shí)間的分布不均勻，各級(jí)修理機(jī)構(gòu)存在忙閑不均的情況，尤其是演習(xí)階段維修壓力巨大，難以保證及時(shí)高質(zhì)量修復(fù)；3）年均大修裝備8 臺(tái)，即年均生產(chǎn)12 000 mh，大于年均消耗8 320 mh，收大于支，裝備總儲(chǔ)備時(shí)長(zhǎng)增加。

以上仿真結(jié)果表明，當(dāng)前的裝備動(dòng)用管控策略和維修保障效能，對(duì)裝備完好率和儲(chǔ)備度具有一定的調(diào)節(jié)能力，滿足日常戰(zhàn)備任務(wù)和訓(xùn)練任務(wù)要求，但難以適應(yīng)演習(xí)階段的任務(wù)強(qiáng)度，需要進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

對(duì)此，改善方法主要有兩個(gè)方面：

1）調(diào)整裝備動(dòng)用計(jì)劃，在年度裝備動(dòng)用時(shí)間不變的情況下，增加日常訓(xùn)練任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，降低演習(xí)階段的任務(wù)強(qiáng)度。在仿真模型中，可以通過調(diào)整裝備動(dòng)用數(shù)量和任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，將日常訓(xùn)練階段從每周消耗80 mh 增加至120 mh，演習(xí)階段每周消耗從1 120 mh 減少為640 mh，仿真結(jié)果如圖10 所示。

2）加快裝備維修的速度，縮短裝備維修時(shí)間，提高裝備維修效能。在仿真模型中，修改裝備維修時(shí)間參數(shù)，將小修、檢修時(shí)間縮短為7 d、1 d，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 縮短小修、檢修時(shí)間后模型仿真結(jié)果Fig.11 Model simulation results after shortening the minor repairs and maintenance time

與初始仿真結(jié)果相比，可以看出裝備完好率和教練車儲(chǔ)備度有了明顯的提高，演習(xí)階段裝備完好率保持在0.8 以上，教練車儲(chǔ)備度在0.6 以上，裝備檢修、小修的在修峰值也有所下降。其中，圖10 反映出訓(xùn)練任務(wù)強(qiáng)度是影響裝備完好率與儲(chǔ)備度、裝備維修數(shù)量的重要因素，通過調(diào)整裝備動(dòng)用計(jì)劃，控制訓(xùn)練任務(wù)強(qiáng)度，能夠改善裝備完好率等指標(biāo)。而圖11 則表明，加快裝備維修速度，提高裝備維修保障效能，是改善部隊(duì)裝備完好率的一種重要手段。

通過以上分析主要得到兩點(diǎn)啟示：

1）制定裝備動(dòng)用計(jì)劃過程中，應(yīng)深入了解部隊(duì)所能承受的訓(xùn)練任務(wù)強(qiáng)度，合理安排裝備動(dòng)用數(shù)量和任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，確保在摩托小時(shí)消耗限額內(nèi)完成規(guī)定的訓(xùn)練任務(wù)。

2）面對(duì)全面加強(qiáng)練兵備戰(zhàn)的要求，部隊(duì)?wèi)?yīng)具備完成高強(qiáng)度訓(xùn)練任務(wù)的能力，因此，要提高裝備維修保障效能，充分調(diào)配維修保障資源，預(yù)先組織進(jìn)行任務(wù)調(diào)度、人員配置和器材儲(chǔ)備，確保裝備及時(shí)高質(zhì)量的修復(fù)。

4 結(jié)論

根據(jù)裝甲裝備動(dòng)用與維修效能評(píng)估需求，結(jié)合當(dāng)前裝甲裝備動(dòng)用管控模式和維修方式，運(yùn)用Anylogic 仿真軟件，建立了多Agent 裝備動(dòng)用與維修過程仿真模型，對(duì)累計(jì)工分制動(dòng)用策略下的裝備完好率、裝備在修數(shù)量等指標(biāo)進(jìn)行了分析，并提出了改善建議，為部隊(duì)裝備動(dòng)用策略評(píng)估、制定裝備動(dòng)用計(jì)劃和調(diào)配維修保障資源提供支撐和參考方法。