基于CAS理論的裝備保障系統結構優化研究

伊洪冰，張愛民，令狐昌應

（軍事交通學院，天津 300161）

聯合作戰是現在和未來一段時期主要的作戰樣式，一體化綜合保障成為我軍聯合作戰裝備保障的主要模式[1]。裝備保障系統的結構是指裝備保障系統各組分及相互之間關系的總合，其內涵主要包括各級各類指揮機構、保障實體，以及裝備保障機構之間的指揮控制關系、信息交互關系等。由于系統結構對系統的效能具有很大影響，因此有必要對現行體制下裝備保障系統結構進行優化研究，以尋求最大的保障效能。

信息化條件下的裝備保障系統，具有動態性、復雜性和自適應性等特點，其結構總是處于變化之中，是一個典型的復雜系統。復雜適應性系統（CAS）理論是復雜系統理論的一個分支，是以計算機模型研究復雜系統時常用的理論[2-3]。運用復雜系統理論，借助現代計算手段，可以較好地解決裝備保障系統的結構優化問題。

1 信息化條件下聯合作戰裝備保障系統的特征

信息化條件下的聯合作戰裝備保障系統是由一系列不同軍種、不同層次的裝備保障機構，按照一定的指揮關系、信息交互與共享的關系構成的。保障機構是由若干指揮人員、保障人員和各種設備組成的人機混合體，具有能動性、自主性和適應性。在信息化條件下，保障機構之間的關系是動態的、復雜的。隨著作戰環境的演變和作戰進程的推進，會有新的指揮控制機構、保障關系、信息交互關系不斷產生，同時也有舊的指揮控制機構、保障關系、信息交互關系不斷消亡，裝備保障系統的結構隨之發展到一個新的階段。由此可知，信息化條件下的聯合作戰裝備保障系統是一個典型的復雜系統。在這個復雜系統中，每一個基本單元或者稱為子系統（保障機構）都按照一定的規則自主的、能動的處理遇到的各種情況[4]。在處理各種情況過程中，不同的保障機構之間往往需要進行交互、協作，發生指揮、控制、協同、協調等各種關系。在未來信息化條件下的作戰中，戰場環境極為復雜，戰場情況瞬息萬變，往往需要不同的保障單元動態的、自適應地構建臨時的聯合保障群體去執行隨機出現的各類保障任務。各類保障機構根據作戰規則動態地產生、消亡、重組的微觀行為的總合，就會在宏觀上產生保障系統結構演變的“涌現”現象。

2 基于CAS理論優化聯合作戰裝備保障系統結構的方法

信息化條件下的聯合作戰裝備保障系統是一個復雜系統。對于這樣一個系統不能采用還原論的方法來研究。在復雜系統理論的指導下，以自底向上的方法建立基于適應性主體（Agent）的計算機模型，通過仿真模擬的手段來研究該類系統是一種可行的方法[5]。該方法的主要思路是:將各類保障機構看成是具有智能性、主動性、適應性的智能主體（Agent）。這些主體按照一定的指揮關系、信息交互關系聯結成為一個整體，并按照各自的規則處理各種情況。裝備保障系統處理各種情況的過程，可以看成一個多主體構成的信息處理系統聯合處理信息的過程。在這個過程中，由于主體間的交互作用、主體的適應性進化導致系統的結構發生演化，系統通過這種演化求得整體性能的優化。以復雜系統理論優化聯合作戰裝備保障系統，就是通過分析研究這種演化過程來指導保障系統的結構優化。該方法的主要步驟[6]如下:

Step1:建立各類保障機構的智能主體模型；

Step2:確定各保障主體的運行規則；

Step3:確定各保障主體之間的連接狀態（即建立保障系統的結構）；

Step4:設計作戰試驗（建立若干作戰想定，并把作戰任務轉化成保障主體能識別、處理的信息形式）；

Step5:進行仿真模擬，令各種保障主體在設定的作戰環境中根據規則相互作用、相互影響，共同演化；

Step6:對實驗結果數據進行分析，比較不同系統結構的優劣；

Step7:根據分析結果提出假設，并進一步仿真模擬，驗證這些假設。

3 案例分析

以機步師山地進攻陸空聯合作戰裝備保障為例，參戰部隊為陸、空各3個基本戰術單位（其裝備保障機構可以看作基本節點）。每一個節點都具有一定的資源和能力。

各基本節點的保障資源和負載能力如表1所示。

表1 功能及節點資源能力表

表1種列出了六個基本戰術保障單位節點所有的資源，例如從表中可以看出節點1具有10個單位的f1（軍械）類資源，2個單位的f3（車輛）類資源，3個單位的f4（工程）類資源，并且具有10個單位的工作負載能力。

這些基本節點相互連接構成保障系統，根據節點之間連接關系的不同，可以形成多種不同的保障結構（部署形式）。如圖1所示，在此假定有兩種不同的保障結構，一種是傳統的層級結構S1，另一種是完全自組織結構S2。

圖1 兩種保障系統結構

假設在作戰過程中，將會隨機出現多種類型的事件，如火炮陣地遭敵襲擊、運輸車隊途中遭敵襲擊、突破敵前沿裝甲裝備受損嚴重、開辟通路工程裝備受損等情況。每一個事件發生后都需要一個相應的保障任務應對。每一個保障任務都需要一定的資源、能力需求，任務的執行需要時間并造成執行節點的工作負載。假設各種“事件”按照一定的隨機概率出現，并對任務資源、時間的要求也是隨機的，并符合一定的概率分布。這些隨機任務的參數可以很容易的用“隨機數發生器”程序來生成。表 2 所示的是在仿真試驗中所用的一組任務數據。其中所需的資源指完成該任務所需要消耗的資源，如任務T1需要的資源為[00004]，指的是完成任務T1不需要表1 中列出的f1～f4類的任何資源，只需要4個單位的f5類資源。

在圖1所示的兩種保障系統結構中，假設“事件”發生后會被某一個節點探測到?；竟濣c具有本專業的知識和能力，可以識別并處理本專業的任務；中層節點和高層節點分別具有本集團和全局的知識，可以識別本集團和全局內的任務，但是中、高層節點沒有實際的執行能力，需要將任務分配給下一級節點去執行。與同一個信息交互中心連接的節點可以共享信息。在結構S1中，節點不能識別的任務需要逐級上報，直到任務能夠被識別，然后任務被層層分解、下發到基本節點去執行，需要協作完成的任務由上級來協調。在結構 S2中，各種任務由基本節點根據規則相互協調，節點不能處理的任務發布到信息交互中心，由其他節點處理或者根據規則聯合處理。

表2 任務列表

依照上述內容，分別建立兩種指揮系統結構的模型并進行仿真模擬，通過對20個時間單位內隨機出現的 6個任務（T1～T6）進行仿真，得到的結果如表 3所示。

表3 任務延遲對比表

由表3可知，當一個任務出現后，不同結構的兩種保障系統做出反應的速度是不同的。例如對于任務T4，采用結構S1時，指揮系統在事件發生5個單位時間后才做出反應，而采用結構S2則只需要3個時間單位就能做出反應。

從表4 可以看出，裝備保障系統采用不同的結構時，同一個保障節點在執行相同任務序列時所承擔的工作量是不同的。例如，結構S1中節點A2需要承擔31.3個單位的工作負載，而結構S2中結點A2只承擔了13.3個單位的工作負載。采用不同的系統結構，對保障節點的決策能力也提出了不同的要求。例如，在結構S1中節點A1需要完成的決策工作量為4個單位的工作負載，而結構S2中節點A1則需要承擔8個單位的決策工作量。

表4 節點負載對比表

4 數據分析與結論

通過對上述數據的分析，我們對保障系統兩種結構的性能有如下認識:裝備保障系統采用結構S1時，一個任務從出現到被著手處理的時間變化范圍比較大，與任務所需要的資源在保障系統中的分布有關；如果所需資源類型較多并且分布在不同的作戰保障集群中時，任務決策處理所需要的時間比較長，保障效能較低；而結構S2面對這種情況時所需要的時間則相對較短，保障效能較高。結構S2基本節點的工作負載分布較結構S1均勻，這說明通過全局的協調往往能夠令任務的分配更加合理。但是通過表4可以看出，結構S2顯然對保障節點的決策能力提出了更高的要求，這說明自適應的作戰保障要求保障節點具有更強的決策能力。在仿真模擬的過程中，多次出現若干節點臨時組合處理任務的情況，由于初始結構及節點處理規則的不同，導致這種動態協作的效率是不同的，同時對于同一個任務，有時會因初始結構和處理規則的不同，導致不同的節點集合來處理該任務，這也會導致系統的整體性能具有不同的表現?？傮w而言，結構S1中多個節點進行協作效率低于結構 S2，但是結構 S2要求保障節點具有較高的決策能力。

由上述分析可以看出，采用復雜系統理論可以較好的處理人機結合系統所具有的動態性、復雜性、自適應性等問題。因此，以復雜系統理論分析、優化裝備保障系統結構是一種行之有效的方法。

[1]軍事科學院世界軍事研究部.美軍聯合作戰新構想[M].北京:軍事科學出版社,2005.

[2]Milton Harris, Artur Raviv. Organization design[J].Management Science, 2008, 48(7):62-64.

[3]Boettcher K L. An Information Theoretic Model of the Decisionmaker[M]. Lab. For Information and Decision System, MIT,Cambridge, MA. Rep.UDS-TH-I096,July,1981.

[4]Kathleen M Carley, Krachhardt D. A PCANS model of structure in organization[C].Internation sysposium on CCRT, Monterray, CA, 1998:765-772.

[5]Alberts, D.S., Hayes, R.E. Power to the Edge[M].US:CCRP,2003.

[6]方美琪，張樹人. 復雜系統建模與仿真[M].北京:中國人民大學出版社,2005.