基于GSPN的航母編隊戰斗部署BPR建模研究

孫 冶，郭傳福，王書齊

(海軍大連艦艇學院 艦船指揮系, 遼寧 大連 116018)

通過合理構建航母編隊戰斗部署，使編隊系統組成要素有序行動，可以促成體系化的作戰準備狀態達成。戰斗部署的本質是面向全體作戰要素的行動規定，研究基礎在于對組織流程的設計。針對此類問題研究的技術手段有動態規劃、多維決策、傳統PN(Petri網)、GSPN(廣義隨機Petri網)等[1]。為了便于圖形化描述和定量分析，針對戰斗部署組織流程節點存在時延的特點[2]，選用GSPN技術進行模型構建分析，采用BPR(Business Process Reengineering流程再造)理論作為優化重組航母編隊戰斗部署的理論方法，從定性、定量兩個角度對優化方案進行制定、實施與評價。

1 航母編隊戰斗部署機制分析

1.1 航母編隊戰斗部署基本含義

水面艦艇戰斗部署是一種特殊的作戰準備組織工作，其定義是：艦艇在受領上級任務或遭遇戰場突發事件的情況下，下達相應的戰斗部署轉進命令，使全體人員和武器裝備達到預設作戰準備狀態的制度規定。

航母編隊戰斗部署是水面艦艇戰斗部署的應用拓展，它是指航母編隊各作戰單元在編隊指揮所的戰斗部署轉進命令下，統一實施戰斗部署方案，最終達成航母編隊整體作戰準備狀態的制度規定。

相比較而言，航母編隊戰斗部署的行動主體從原有的單艦艇拓展至編隊整體范圍，協作單元從原有的艦載武器系統拓展至編隊內集成的各兵種，使戰斗部署的內涵產生了本質的變化。

1.2 航母編隊戰斗部署運行階段分析

由于航母編隊戰斗部署是面向作戰準備狀態的固定設置，無論針對任何任務條件，戰斗部署都是不變的，戰斗部署狀態達成之后，指揮員可針對具體任務施展靈活的戰術手段。可見戰斗部署的本質是各戰斗組織進行戰斗準備的基本模式，而流程是戰斗準備工作運行的具體細節。因此，剖析航母編隊戰斗部署運行機制，就要從分析具體流程入手。根據航母編隊戰斗部署的定義，按照指揮結構關系，將航母編隊戰斗部署運行劃分為觸發層、結構層和操作層3個階段，如圖1所示。

觸發層階段的運行主體為航母編隊總指揮所，任務內容為判斷戰場態勢，下達戰斗部署轉進命令，掌握戰斗部署轉進情況；結構層階段運行主體由各指揮機構組成，如航空兵指揮所、航空母艦指揮所及其他屬艦指揮所，任務內容為戰斗部署命令的傳遞與具體協調；操作層運行主體由各作戰單元所屬武器裝備、人員戰位組成，如航空母艦航海、艦炮、雷達、通信等具體作戰要素，任務內容為具體執行戰斗部署轉進工作。

通過逐層分析可知，觸發層任務主體單一，沒有流程重組的需求；操作層任務內容具體，執行任務產生的變量較多，需要大數據分析；結構層是面向全局、銜接任務主體的關鍵階段。因此，將以結構層階段加入操作層部分核心環節的結構，進行建模分析。

2 BPR理論與GSPN技術

2.1 BPR思想及其軍事領域應用

隨著科學化管理的需求不斷攀升，先進的管理學思想已經對軍事領域產生深遠影響。BPR理論由美國著名的管理思想家Michael Hammer和管理學權威James Champy提出，具體是指通過對運營流程的思考與設計，基本程序如圖2所示，使企業可以在綜合成本、服務質量、時間效率等重要指標上得到提升[3]。

BPR理論自上世紀90年代提出以來，國內外對其研究不斷深入，BPR理論的研究方法由基于核心觀念定性分析逐漸發展至Ricardo Aler所設計的SHAMASH可仿真模型等一系列量化手段[4]，在此基礎上，BPR的應用方向從企業運營開始逐漸拓展至醫療衛生、物流運輸、政府職能服務等多個方面，軍事領域的相關應用也正在展開。

BPR理論的主要內涵是全局最優，要求設計者從系統的整體性出發，不可因個體的需求破壞全局流程，這對于體系作戰目標構建具有重要意義。BPR方案的提出有許多途徑，本文主要采用ESCRI法，其優勢在于可直接對PN分析優化，如表1所示。

表1 ESCRI的含義

2.2 GSPN技術及其BPR領域應用

將BPR進行具體應用的相關研究中，PN技術是一種有效的量化手段。國內外有學者專門針對應用PN進行BPR建模的方法展開研究[5]，無論是從大數據視角下驗證PN流程挖掘技術的可行性，還是針對各類高級PN在BPR建模中的拓展研究[6]，都為PN技術在BPR領域的應用打下了堅實基礎。

傳統PN技術是描述異步并發系統的圖形化模型，但是由于組成元素過于簡化，導致在構建復雜系統模型中產生狀態空間爆炸問題，針對這種情況，國外有學者提出了GSPN概念[7]，在傳統PN的基礎上引入了時延與瞬時兩種變遷，使模型表達更加具體。GSPN技術應用于BPR相關研究中，具有以下優點：提供直觀的圖形化語言，可以精確表示系統結構關系和邏輯順序； GSPN可以分析系統時間性能指標；有PIPE、Time Net等多種專業建模輔助工具，便于量化分析。

圖3 GSPN的基本組成

定義：GSPN由6個元素構成：GSPN=(P，T；F，W，M0，λ)，其中S元素與T元素分別成為N的庫所及變遷又稱之為S_元與T_元，F稱為流關系，W為弧權函數，M0為初始標示，λ={λ1+λ2+…+λm}為平均實施速率集合。S_元與T_元是構成傳統PN的基本要素，而F是由它們之間相互聯系而產生。如圖3所示，P0、P1、P2為網模型的S_元，T0、T1為網模型的T_元，其中T0為白色表示時延變遷，T1為黑色表示瞬時變遷；P0中的黑點稱為托肯(Token)或者令牌，表示系統所處的狀態位置或者S_元中的元素；箭頭連線為有向弧，表示狀態變遷的方向，弧上的數字為變遷達成所需Token的數量。

3 航母編隊戰斗部署BPR模型構建與分析

由于GSPN易于表達系統發生變化及變化后的狀態但不易表達系統屬性的變化，子網表達過于細致的復雜系統將使GSPN產生龐大的模型狀態空間。因此，對GSPN的簡化設計是其應用過程中把握的重點。另外，基于BPR圍繞核心流程的基本思路，需要避免過多考慮個體需求而降低全局效率。針對以上思考，構建航母編隊戰斗部署結構層的簡化模型，合并指揮所與其下屬作戰單元作為GSPN中S_元，基于航母編隊戰斗部署結構層運行需求，設定S_元基本要素為：PS為戰斗部署啟動狀態，PE為戰斗部署達成狀態；P1S為艦載機作戰準備前初始狀態，P1E為艦載機作戰準備達成狀態，P1F為艦載機作戰準備工作協調狀態；P2S為航空母艦戰斗部署前初始狀態，P2E為編隊內各艦艇戰斗部署達成狀態，P2F為編隊內各艦艇戰斗部署工作協調狀態;P3S為航空保障部門戰斗部署前初始狀態，P3F為航空保障部門戰斗部署協調狀態，P3E為航空保障部門戰斗部署達成狀態。

3.1 原始流程模型構建

由于指揮關系及專業限制，艦載機作戰準備工作與航母編隊戰斗部署沒有直接對應關系，航母編隊在發布戰斗部署命令之后，要額外發布艦載機作戰準備命令；航空保障工作屬于操作層中的核心環節[8]，為更好展示戰斗部署運行機制，將其加入結構層模型構建中。根據以上思路，建立結構層原始流程模型如圖4所示。

模型變遷設置與分析：T1為戰斗部署命令下達，由于艦載機作戰準備工作的獨立性，導致T1為時延變遷；T2為艦載機作戰準備工作變遷；T3為航空保障部門戰斗部署變遷，T4為編隊艦艇戰斗部署變遷；T5為各指揮節點協調戰斗準備狀態，根據Petri網“與分叉”關系，可知T5觸發條件為P1F、P2F、P3F均收到Token狀態標識；T6為上報戰斗部署完成；T7為艦載機作戰準備協調不佳時的回饋變遷，目的是重新協調航空保障部門相關工作。

3.2 模型分析及BPR方案實施

原始流程主要存在以下三個問題：一是產生了反饋延時，由于艦載機作戰準備工作與航空保障工作不融合導致Token將在P1F處面臨選擇沖突；二是產生了啟動延時，艦載機作戰準備工作與艦艇戰斗部署不對接，導致需要單獨下達命令，Token在T1處將受到變遷速率降低的影響；三是Token在系統關鍵關節傳輸速率下降，T5為各作戰要素進行任務協調的關鍵環節，此變遷處理將處理更多Token，必然導致反應延遲而拖累系統響應速度。

根據GSPN性質，構建關聯矩陣如表2所示，基于PN網基本性質進行如下分析[9]：

1) 選擇關系分析。當矩陣行中存在多個+1值時，表現為不同T_元對應同一S_元，可以簡化處理。如P3S行，出現原因為艦載機作戰準備狀態未完成產生反饋弧。

2) 并發關系分析。當矩陣列中存在多個+1值時，表現為同一T_元同時激發多個S_元，可以進行合并處理。如T1列所對應的P1S與P2S，但由于所建立的GSPN模型為實現命令傳達功能，這種關系是符合現實情況的，可以不做處理。

3) 沖突關系分析。當矩陣行中存在多個-1值時，表現為同一S_元對應多個T_元，可以進行排序處理。如P1F行，出現原因為艦載機作戰值班協調狀態不明確，對應兩個任務變遷。

4) 同步關系分析。當矩陣列中存在多個-1值時，表現為同一T_元需要多個S_元激發，可以進行集合優化。如T5列與T6列，出現原因為全局戰斗部署的狀態達成需要所有作戰單元戰斗部署狀態全部轉進完畢，因此可不做處理。

為解決以上問題，采用ESCRI法設計BPR方案如表3所示[10]。

根據所改進的BPR方案，重新構建模型如圖5所示。

模型變遷設置與分析：T1為戰斗部署命令下達，基于將航母編隊中艦載機作戰準備狀態與編隊艦艇戰斗部署行動對接的設計思路，T1變遷不需要延遲，可同時向各指揮節點直接下達，因此為瞬時變遷；T2為艦載機作戰值班工作與航空保障部門戰斗部署協調狀態同步變遷；T3為編隊各艦艇戰斗部署變遷；T4為航空保障部門戰斗部署變遷；T5為編隊各艦艇戰斗部署協調狀態變遷；T6為艦載機作戰準備協調狀態變遷，由于將航空保障部門戰斗部署行動融入艦載機作戰準備狀態中，因此T6為并發變遷；T7為上報戰斗部署完成。

表2 原始模型關聯矩陣

表3 基于ESCRI法的BPR方案

3.3 仿真對比分析

首先建立構建關聯矩陣如表4所示，矩陣中每一行都有唯一的+1值與-1值，因此可知新構建的戰斗部署模型解決了原有模型的選擇與沖突問題[11]，避免了反應延遲，提高了系統運行效率。

表4 執行BPR方案模型關聯矩陣

而后使用Petri網仿真軟件PIPE進行仿真分析，設置任務參數為1 000次令牌點火實驗，鎖死狀態到達前重復50次，得出兩個模型任務節點在95%置信區間內Token平均分布數如圖6所示。

由于模型設置的Token屬性為任務狀態，因此各S_元中Token平均數為各指揮節點對航母編隊戰斗部署全局工作量的負擔情況。

通過模型可見，原始流程中各要素狀態節點擔負任務量有差異，由于兩個T_元(航母編隊艦艇戰斗部署變遷及艦載機作戰準備協調狀態未完成反饋變遷)對P3S的雙重激發，導致處于P3S處的航空保障部門任務負擔量明顯增加；由處于P1F狀態的艦載機作戰準備狀態不明確所導致選擇沖突，致使P3F處95%置信區間出現大幅波動，是系統運行不穩定的表現。而由BPR方案實施后的模型，各節點任務量分布均勻，全局運行狀態平穩。

4 結論

本文在剖析航母編隊戰斗部署運行機制的基礎上，基于BPR思想，使用ESCRI法重新構建了航母編隊戰斗部署GSPN模型，通過仿真驗證表明：GSPN技術為航母編隊戰斗部署的科學化構建提供了一種嚴謹可行的量化解決途徑，通過BPR方案所重構的航母編隊戰斗部署能夠提升航母編隊作戰準備效率，平衡各指揮機構作業負擔。航母編隊戰斗部署的操作層優化需要進行復雜大系統模型構建并有大數據分析支持，可以使用Arean等支持復雜系統動態仿真的軟件進一步深入研究。

[1] 喬非,吳啟迪,沈榮芳.面向企業過程重建的事務流程模型研究與應用[J].系統工程理論與實踐,1999(1):40-47.

[2] 王玉堃,劉子先.基于廣義隨機Petri網的單病種診療流程建模與分析[J].系統工程,2015,33(9):147-152.

[3] 梁棟.模塊化流程再造[J].清華管理評論,2015(3):70-77.

[4] RICARDO ALER.Evolving Spatial and Frequency Selection Filters for Brain-Computer Interfaces[J].IEEE Congress on Evolutionary Computation-CEC,2010(5):1-7.

[5] 劉曉燕,呂濤.基于GSPN的能源應急管理流程建模與分析[J].科技管理研究,2014,34(21):175-179.

[6] 徐勝紅,曹文靜.多無人機協同工作流建模與分析[J].兵器裝備工程學報，2016(37):110-112.

[7] 席洪林.基于GSPN的物資采購流程效率分析模型[J].價值工程，2011(19):10-11.

[8] 姜軍,汪陳,李敬輝.基于航空保障流程仿真的編制測算方法[J].海軍工程大學學報,2017,29(4):70-73.

[9] 黃嘉麗.高校科研項目管理業務流程重組研究[J].管理觀察,2016(31):171-174.

[10] 蔣欣欣,周航,蔡冰青.航站樓安檢布局及流程優化研究[J].航空計算技術,2015,45(3):25-29.

[11] 劉飚,蔡淑琴,鄭雙怡.業務流程評價指標體系研究[J].華中科技大學學報(自然科學版),2005(4):112-114.