基于ARENA的航空兵場站油料保障效能仿真評估

熊 彪，王 帥，李必鑫，陸思錫，張 齊

(中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401311)

油料是戰(zhàn)爭的血液。航空兵場站作為飛機(jī)飛行油料保障的重要基地，擔(dān)負(fù)著平、戰(zhàn)時(shí)為飛機(jī)保障油料的任務(wù)。信息化戰(zhàn)爭條件下，航空兵場站油料保障系統(tǒng)呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)：一是大規(guī)模、多機(jī)種、高強(qiáng)度、多批次作戰(zhàn)飛機(jī)頻繁轉(zhuǎn)進(jìn)、轉(zhuǎn)出航空兵場站，使得航空兵場站油料保障任務(wù)急劇增大、保障難度顯著提高。并且其綜合油料保障能力由油料接卸、儲存、收發(fā)、加注等能力構(gòu)成，且受保障資源、裝(設(shè))備、保障規(guī)程等的影響，系統(tǒng)性更加明顯；二是系統(tǒng)之間耦合更加緊密，涌現(xiàn)特性更強(qiáng)。航空兵場站油料保障系統(tǒng)的涌現(xiàn)性表現(xiàn)為油料保障各子系統(tǒng)(如：接卸、儲存、輸送、加注系統(tǒng))之間的相互作用和影響更強(qiáng)，油料保障系統(tǒng)能力并不是各子系統(tǒng)保障能力的簡單疊加，而是油料保障活動的整體體現(xiàn)，單純的增強(qiáng)某單一能力，并不一定就能明顯提高整體油料保障能力。三是系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的動態(tài)離散性特征。航空兵場站油料保障系統(tǒng)受飛機(jī)到達(dá)時(shí)間和數(shù)量、油料加注方式等因素的影響，呈現(xiàn)出離散性系統(tǒng)特性。因此，航空兵場站油料保障系統(tǒng)較為復(fù)雜，必須對航空兵場站油料保障效能進(jìn)行合理評估，確保作戰(zhàn)飛機(jī)油料保障任務(wù)順利完成。

當(dāng)前，對于航空兵場站油料保障效能評估的方法較多，一類是采用傳統(tǒng)系統(tǒng)還原論方法，如：喬長紀(jì)等利用模糊綜合評判方法對機(jī)場油料保障效能進(jìn)行評估[1]，然而由于場站油料保障系統(tǒng)具有很強(qiáng)系統(tǒng)性和不確定性，采用傳統(tǒng)還原論法處理具有很強(qiáng)的主觀性，可能導(dǎo)致評估結(jié)果失真；二是利用模擬仿真技術(shù)對航空兵場站保障能力進(jìn)行評估[2-3]。如：王世宏等利用GPSSW仿真模型對作戰(zhàn)飛機(jī)管道加油調(diào)度進(jìn)行評估和優(yōu)化[4]。但是當(dāng)前主要針對航空兵場站的單系統(tǒng)進(jìn)行物理仿真研究[5-8]，還未出現(xiàn)從體系視角出發(fā)，基于任務(wù)牽引并反映油料保障系統(tǒng)整體性、復(fù)雜性及涌現(xiàn)性特點(diǎn)，并以體系整體效能為目標(biāo)的場站油料保障系統(tǒng)仿真系統(tǒng)和模型。

本研究從航空兵場站復(fù)雜油料保障系統(tǒng)實(shí)際出發(fā)，基于保障任務(wù)牽引，構(gòu)建基于ARENA的航空兵場站油料保障效能評估仿真模型，為航空兵場站油料保障效能提升的對策制訂提供參考。

1 航空兵場站油料保障過程描述

1.1 航空兵場站油料保障過程對象分析

航空兵場站油料保障過程的對象包括實(shí)體、資源、事件、保障規(guī)則等。

1) 實(shí)體。航空兵場站油料保障活動的實(shí)體分為兩類。一是飛機(jī)，該類實(shí)體根據(jù)飛機(jī)到達(dá)時(shí)間、類型、數(shù)量等信息進(jìn)行區(qū)分；二是油料，油料類實(shí)體根據(jù)油料品種、數(shù)量等進(jìn)行區(qū)分；

2) 資源。航空兵場站油料保障的資源包括人員、裝(設(shè))備等，如：儲備罐、消耗罐、收發(fā)油裝置等；

3) 事件。引起油料保障系統(tǒng)觸發(fā)的行為，例如：飛機(jī)到達(dá)，油料短缺等。

4) 保障規(guī)則。是指保障過程中需要遵循的規(guī)則。例如：按照航空油料管理規(guī)定，航空油料在使用前必須在沉淀罐內(nèi)靜置36 h以上方能發(fā)出使用。

5) 保障活動。保障活動由事件引發(fā)，伴隨事件的終止而終止。

1.2 航空兵場站油料保障流程分析

航空兵場站是航空兵飛行裝備補(bǔ)給油料的重要基地。航空兵油料加注方式主要有管道直線加油和油車加油兩種方式，管道直線加油需要場站預(yù)先鋪設(shè)管道加油系統(tǒng)。油車加油主要依托油車實(shí)施機(jī)動加油。如圖1所示為航空兵場站油料保障業(yè)務(wù)活動過程圖。

整個(gè)航空兵場站油料保障業(yè)務(wù)流可分為飛機(jī)流和油料流。飛機(jī)流包括了飛機(jī)進(jìn)場、飛行指揮中心、指揮飛機(jī)到達(dá)停機(jī)位、飛機(jī)保障、飛機(jī)離開等流程。油料流是指油料先由儲備罐流向消耗罐，通過消耗罐靜置過程、利用管線發(fā)至外場油料保障中心、外場油料保障中心利用管道加油或油車加油的方式將油料加注至飛機(jī)等流程。

2 基于ARENA的航空兵場站油料保障系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

Arena是美國Rockwell Software公司開發(fā)的通用仿真軟件，具有功能強(qiáng)大、使用方便、界面直觀、動畫顯示等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，可以有效對具有離散系統(tǒng)特點(diǎn)的航空兵場站油料保障系統(tǒng)建模和仿真分析。

2.1 仿真功能模塊分析

××場站油料保障仿真評估模型的功能模塊包括指揮調(diào)度系統(tǒng)模塊、飛機(jī)到達(dá)系統(tǒng)模塊、消耗罐油料補(bǔ)給系統(tǒng)模塊、停機(jī)坪直線加油系統(tǒng)模塊、油料保障中心油車補(bǔ)油系統(tǒng)模塊、油車加油系統(tǒng)模塊等6個(gè)子系統(tǒng)功能模塊。六大功能模塊相互作用構(gòu)成了航空兵場站油料保障體系系統(tǒng)，如圖2所示為功能子模塊的相互關(guān)系圖。

指揮控制模塊主要模擬場站油料保障指揮控制過程，包括對保障信息的實(shí)時(shí)掌控及對保障實(shí)體和過程的實(shí)時(shí)控制；飛機(jī)到達(dá)系統(tǒng)模塊主要模擬飛機(jī)到達(dá)；消耗罐油料補(bǔ)給系統(tǒng)模塊模擬儲備罐向消耗罐補(bǔ)充油料以及消耗罐靜置和發(fā)油過程；直線加油系統(tǒng)模塊模擬飛機(jī)實(shí)施直線加油作業(yè)；油車補(bǔ)油及油車加油系統(tǒng)模塊共同完成油車加油作業(yè)的模擬過程。各子模塊之間存在著信息與物質(zhì)的傳遞和交互，通過模塊組成的體系系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。例如：飛機(jī)加油方式的決策是由指揮調(diào)度模塊與飛機(jī)到達(dá)模塊共同完成。飛機(jī)到達(dá)后，指揮調(diào)度系統(tǒng)模塊根據(jù)場站保障現(xiàn)狀和保障可能決策飛機(jī)加油方式，由飛機(jī)到達(dá)模塊執(zhí)行和實(shí)施飛機(jī)加油方式的選擇與應(yīng)用功能。

如圖3所示為基于ARENA的油料保障中心油車補(bǔ)油系統(tǒng)模塊圖。在此模塊中，油料作為實(shí)體，油車作為一種資源，當(dāng)油車到達(dá)油料保障中心后，先判斷補(bǔ)油口是否有空閑，當(dāng)其中之一存在空閑時(shí)，油車占用加油口。通過加油準(zhǔn)備延時(shí)，加油口以××L/min的速度進(jìn)行加油，油料流入油車中。當(dāng)油車補(bǔ)油完成后，離開補(bǔ)油口前往停機(jī)坪實(shí)施加油作業(yè)。具體而言，該模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

1) 模擬運(yùn)加油車按照順序到達(dá)油料保障中心排隊(duì)等待補(bǔ)油；

2) 模擬運(yùn)加油車到達(dá)補(bǔ)油口，占用補(bǔ)油口補(bǔ)油車位；

3) 模擬補(bǔ)油裝置按照一定的流量為油車補(bǔ)充油料；

4) 模擬運(yùn)加油車補(bǔ)油完畢后，離開補(bǔ)油車位，釋放補(bǔ)油口。

2.2 仿真評估指標(biāo)分析

以航空兵場站油料保障任務(wù)為牽引，構(gòu)建航空兵場站油料保障效能評估指標(biāo)體系，是對航空兵場站油料保障效能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。航空兵場站油料保障效能評估需要考慮軍事性和經(jīng)濟(jì)性兩方面因素。這兩方面因素既相互依存，又相互制約。經(jīng)濟(jì)性必須以軍事性為基礎(chǔ)，離開軍事性談經(jīng)濟(jì)性沒有意義，但如果只考慮軍事性不考慮經(jīng)濟(jì)性是不現(xiàn)實(shí)的。因此，對于軍事后勤保障網(wǎng)絡(luò)而言，其保障效能評估必須首要考慮軍事性指標(biāo)，在軍事性指標(biāo)得以滿足的條件下，再考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。對于航空兵場站油料保障系統(tǒng)而言，軍事性評估指標(biāo)可以用保障能力來表示；軍事系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評估指標(biāo)不能單純的以保障成本為目標(biāo)，成本因素只在建設(shè)中重點(diǎn)考慮，航空兵場站油料保障系統(tǒng)最為關(guān)注的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)應(yīng)為效率指標(biāo)。因此，航空兵場站油料保障效能仿真評估指標(biāo)體系可以由保障能力指標(biāo)和保障效率指標(biāo)構(gòu)成。

2.2.1 保障能力指標(biāo)

對于航空兵場站油料保障而言，保障能力指標(biāo)是最為重要的指標(biāo)，即戰(zhàn)時(shí)條件下，運(yùn)用場站現(xiàn)有油料保障資源，完成場站飛機(jī)油料保障任務(wù)的能力和程度。作為航空兵場站，可以使用作戰(zhàn)時(shí)間內(nèi)實(shí)際保障飛機(jī)量與到達(dá)飛機(jī)量的比率表示保障能力。可由式(1)表示

(1)

式中： ΔP為表示航空兵場站的油料保障能力，ΔP值越大，保障能力越高；CS為表示已完成油料保障任務(wù)的飛機(jī)數(shù)；CA為表示實(shí)際到達(dá)場站的飛機(jī)數(shù)。

2.2.2 保障效率指標(biāo)

時(shí)間是評價(jià)保障效率的有效指標(biāo)，對于航空兵油料保障效率而言，本研究使用到場飛機(jī)平均保障時(shí)間表示保障效率，即飛機(jī)到場加油所需要的平均保障時(shí)長。可由下式表示

(2)

其中：ΔE為表示航空兵場站的油料保障效率，ΔE值越小，保障效率越高；Timei為表示第i架到場飛機(jī)完成油料保障所需要的時(shí)間。

在使用到場飛機(jī)平均保障時(shí)間表示保障效率時(shí)，還必須關(guān)注另一個(gè)保障效率指標(biāo)max(Timei)，即最大保障時(shí)間。最大保障時(shí)間越小，一定程度上也反映該場站保障效率越高。

3 仿真案例

3.1 實(shí)例概述

20××年×月×日，敵方對我邊境爭議地區(qū)發(fā)動突然進(jìn)攻，我××場站承擔(dān)殲×、殲×等多型飛機(jī)自衛(wèi)反擊作戰(zhàn)飛行保障任務(wù)。場站油料儲備方面，場站現(xiàn)有儲備罐組10個(gè)，總庫容量42 000 m3；使用罐2個(gè)，每個(gè)容量為4 000 m3，場站儲備罐、使用罐與飛行油料保障中心通過10寸鋼制管線相連。場站油料加注方面，場站同時(shí)具備直線加油和油車加油能力。直線加油系統(tǒng)可同時(shí)為6架飛機(jī)加油，外場加油站油車補(bǔ)油口4個(gè)，可同時(shí)給4臺(輛)20 000 L油車采用壓力加油的方式補(bǔ)充油料。場站裝備20 000 L油車共8輛，油罐車到達(dá)補(bǔ)油口準(zhǔn)備加油時(shí)間服從三角分布(2,4,5)(時(shí)間單位：min)；加油完畢后，離開加油口時(shí)間也服從三角分布(2,4,5)(時(shí)間單位：min)。油車穿梭補(bǔ)給路程時(shí)間服從三角分布(8,10,12)。預(yù)計(jì)空中作戰(zhàn)時(shí)間周期預(yù)計(jì)20天。飛機(jī)到場流量如圖4所示，到場飛機(jī)類型及油箱容量如表1所示。戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指要求××場站對本次作戰(zhàn)油料保障能力進(jìn)行評估，提出油料保障建議。

飛機(jī)類型油箱容量/L到場概率殲×100000.45殲××200000.15殲轟××300000.20伊爾××500000.20

3.2 實(shí)例分析

為對××場站本次作戰(zhàn)油料保障能力進(jìn)行評估，本文利用ARENA軟件對場站油料保障業(yè)務(wù)流程進(jìn)行模擬，運(yùn)行15次，取平均值，得到如下結(jié)論。

3.2.1 油料保障能力評估

如表2所示為經(jīng)15次模擬取均值得到的油料保障能力統(tǒng)計(jì)分析表。由表2可知，在預(yù)計(jì)作戰(zhàn)時(shí)間20天內(nèi)，平均到場飛機(jī)數(shù)位1 694.27架次，實(shí)際完成油料保障的飛機(jī)數(shù)為1685.47架次，油料保障能力ΔP值為99.48%。從數(shù)值分析可知，該場站總體保障能力較高，基本能夠完成保障任務(wù)。

表2 油料保障能力統(tǒng)計(jì)分析

3.2.2 油料保障效率評估

如表3所示為經(jīng)15次模擬，取均值得到的油料保障能力統(tǒng)計(jì)分析表。由表3可知，在現(xiàn)有保障力量條件下，采用直線加油的飛機(jī)總架次為1 562.07架次，平均油料保障時(shí)間為1.177 3 h，最大保障時(shí)間為2.565 h。采用油車加油方式保障的飛機(jī)總架次為123.4架次，平均油料保障時(shí)間1.272 h，最大保障時(shí)間為10.213 h。所有飛機(jī)平均保障時(shí)間大約為1.184 h。

理想狀態(tài)下，伊爾××采用直線加油最短時(shí)間大約為0.78～0.84 h，殲轟××采用油車加油最短時(shí)間約為0.583～0.667 h。而現(xiàn)有保障力量和保障任務(wù)條件下，所有飛機(jī)平均保障時(shí)間大約為1.184 h。這說明油料保障效率并不是很高，究其主要原因是由于飛機(jī)到場時(shí)間及數(shù)量較為集中，短時(shí)間內(nèi)大量飛機(jī)到達(dá)機(jī)場保障，從而造成此情況出現(xiàn)。

表3 油料保障效率統(tǒng)計(jì)分析

4 結(jié)論

基于航空兵場站油料保障系統(tǒng)保障能力評估的需要，提出了基于ARENA的航空兵場站油料保障能力評估模型及方法，并通過數(shù)值模擬仿真實(shí)例對某航空兵場站作戰(zhàn)油料保障能力進(jìn)行了分析和評估，得出從保障能力和保障效率兩個(gè)指標(biāo)反映該航空兵場站油料保障能力的量化指標(biāo)值。航空兵場站油料保障系統(tǒng)是一個(gè)典型的具有復(fù)雜性、涌現(xiàn)性和離散性特點(diǎn)的動態(tài)系統(tǒng)，基于ARENA軟件構(gòu)建的離散性模擬仿真模型系統(tǒng)，可以有效解決此類系統(tǒng)的評估問題，為作戰(zhàn)決策提供參考。

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