基于Petri網的作戰航材保障仿真系統研究?

陳 博 徐常凱 任佳成

（空軍勤務學院航材四站系 徐州 221000）

1 引言

隨著信息技術的不斷發展與進步，后勤保障不斷向信息化、智能化的方向發展，但由于戰場的情況往往錯綜復雜，對于作戰航材保障的影響因素多，不確定性大，使其與由戰場需求主導的精確保障模式還存在一定的差距，具體包括航材保障人員對戰場的環境不熟悉，對作戰航材保障流程還較為陌生，對其與平時的保障流程區分不清，從而導致作戰航材保障效率較低，造成了作戰保障資源的浪費。

本文主要采用應用較為廣泛的面向Agent的仿真建模技術對作戰裝備保障流程進行仿真建模，將作戰裝備保障中各個實體單元的狀態與方法進行完全封裝，再以此為基礎；用Petri網對Agent模型進行表達，充分利用Petri網語義描述具體規范，適用于動態離散事件系統仿真的特點，對作戰航材保障流程進行具體仿真［1］。

2 Petri網仿真技術的概述

Petri網最早是由德國C.A.Petri博士于20世紀60年代在他的論文中提出的，主要應用于對網狀結構的信息流模型的描述，后來經過四十幾年的發展，Petri網技術因為其描述能力強，數學性質好等特點滲透運用于各個行業、各個領域，其能夠對離散事件的動態系統進行全面的建模分析，清晰地對系統的內部狀態變化情況與系統各部分狀態變化條件進行表述［2］。

基本的Petri網結構是標有運行方向的圖，主要包括庫所（Place）、變遷（Transition）、令牌（Token）以及弧（Are）四種結構。其中庫所一般采用空心的圓圈表示，用于描述所表示的動態系統中各組成部分的狀態與條件；變遷一般用空心矩陣表示，用于表示改變庫所狀態所發生的事件，例如航材保障部隊從準備保障狀態到下一階段的實施保障任務所要經過轉場保障這一事件，來進行描述［3］；令牌一般用實心的黑點表示，其主要用于在各庫所之間進行傳遞，其具體的傳遞過程能夠展現系統的狀態變化過程，令牌的位置代表了系統變化的狀態，一個庫所能夠擁有多個令牌，庫所擁有多少個令牌即稱為其有多少個標識［4］；弧用有向線段來表示，其主要將庫所與變遷進行連接，即能夠從庫所指向變遷，也能夠從變遷指向庫所，弧展現了系統的局部與事件之間的關系，簡單的Petri網圖結構如圖1所示［5］。

根據Petri網的相關定義能夠將其表示為一個三元組即N=（P，T，R），其中P表示庫所的集合，T表示變遷的集合，R表示庫所與變遷之間的關系的集合，集合P與集合T之間沒有相交的元素，集合P與集合T中至少要存在一個元素［6］；R?(P×T)∪(T×S)其中規定在整個系統中不存在孤立的庫所與孤立的狀態。與此同時，其庫所中的令牌又稱為標識用字母A表示，若初始庫所P1中的初始標識數A0≥1，則對于與P1相連的庫所T1具有發生權，在變遷發生后，系統產生新的標識A1，并按網絡結構繼續推進下去，變遷不斷發生，標識也隨之不斷變化，這就是Petri網的運行方式［7］。

3 基于Agent模型的作戰航材保障實體關系描述

基于Agent的作戰仿真建模主要是對作戰航材的保障流程進行分析，對整個作戰航材保障任務進行描述分解，將他們分配給仿真中的實體Agent并確定各個實體Agent之間的相關關系。可將每個實體Agent分解為名稱、行動、約束、表識四個組成部分，其具體可表示為［8］

Agent=｛Agent-name；Actions；Constraint；AgentRole｝在作戰航材保障的過程中主要包括上級機關進行命令的下達，各保障單位在接收到任務后制定保障的清單，并進行器材的保障，在保障的過程中發生缺器材的情況時要及時向上級提出申請，請求緊急調撥器材，相關部門要通過保障資源的分布，下達器材調撥的命令，接收到命令的航材股或后方航材倉庫應及時進行裝備的發付，使保障的活動能夠正常的進行，其基于Agent模型的具體仿真關系描述如下：

Pre-conditions｛上級發布作戰命令｝

Agents｛

Agent｛

Agent-name：指揮機關

Actions｛

Action（接受上級命令，｛上級發布作戰命令｝，｛接受結束｝）

Action（下達作戰命令，｛接受結束｝，｛下達作戰命令結束｝）

｝

Constraints｛

接受上級命令Seq下達作戰命令

AgentRole｛下達命令｝

｝

Agent｛

Agent-name：應急指揮機關

Actions｛

Action（接受作戰裝備請領單，｛填寫結束｝，｛接收結束｝，｛In 24h｝）

Action（選擇器材調撥單位，｛接收結束｝，｛應急事件處理結束｝，｛In 24h｝）

｝

Constraints｛

AgentRole｛應急事件的處置｝

｝

Agent｛

Agent-name：A單位裝備保障單位

Acitons

Action（接受上級指揮機關命令，｛上級指揮機關下達命令｝，｛接受完畢｝）

Action（清點庫存情況，｛接受完畢｝，｛清點結束｝，｛In 6h｝）

Action（制定攜行清單，｛清點結束｝，｛制定結束｝，｛In 6h｝））

Action（派遣轉場保障部隊，｛接受完畢｝，｛派遣結束｝，｛In 12h｝）

｝

Constraints｛

接受上級指揮機關命令Seq清點庫存情況清點庫存情況Seq制定攜行清單

制定攜行清單Seq派遣轉場保障部隊

AgentRole｛戰斗部署｝

｝

Agent｛

Agent-name：A單位裝備攜行保障分隊Actions

Action（接受A單位命令，｛A單位下達派遣命令｝，｛接受完畢｝）

Action（制定作戰裝備保障預案，｛接受完畢｝，｛制定完畢｝）

Action（實施作戰裝備轉場保障，｛制定完畢｝，｛轉場完畢｝，｛use作戰裝備｝，｛At B裝備保障單位｝）

Action（記錄器材消耗情況，｛轉場完畢｝，｛記錄完畢｝）

Action（填寫作戰裝備請領單，｛記錄完畢｝，｛填寫結束｝，｛In 2h｝

｝

Constraints｛

接受A單位命令Seq制定作戰裝備保障預案

制定作戰裝備保障預案Seq實施作戰裝備轉場保障

記錄器材消耗情況Seq填寫作戰裝備請領單

AgentRole｛保障實施｝

｝

（……B裝備保障單位，B單位附近裝備保障單位，后方裝備倉庫）

Ordering_Constraints｛上級指揮機關And Split A裝備保障單位，B裝備保障單位，后方倉庫

B裝備保障單位，A單位裝備保障分隊And Join應急指揮機關

上級指揮機關Or Split B裝備保障單位，后方裝備倉庫

B單位附近裝備保障單位，后方裝備倉庫Or Join匯總數據

｝

｝

其中Action表示作戰過程中各實體Agent的行動；Constraint表示對各要素的約束；Ordering Constraints表示順序約束；Seq表示順序；And split表示起始并行關系；Or Join表示結束并行關系；Or split表示起始選擇關系；Or Join表示結束選擇關系。

4 基于Petri網的作戰航材保障建模仿真設計

根據搭建的作戰航材保障流程的Agent仿真框架并結合Agent模型的表達方式，基于離散事件系統仿真建模工具——Petri網方法，可實現對作戰裝備保障中實體Agent模型結構的定義。在Petri網中，能夠用變遷（Transitions）描述Agent實體狀態的變化，庫所（Place）描述Agent實體的狀態，弧表示狀態發生改變的條件［9］。所以，對作戰裝備保障流程的形式化定義進行轉化，可選用Petri網對其進行表達，并通過Petri網對作戰裝備消耗情況進行模擬仿真，最后通過仿真算法實現對作戰裝備保障流程的仿真［10］。

從作戰裝備保障的Agent建模定義到采用Petri網進行圖形化的描述，首先主要根據作戰裝備保障流程中各Agent之間以及Agent本身內部的邏輯關系進行提取，然后根據這些關系將其進行合并，從而轉化為Petri網的形式［11］，最后通過 Petri網的仿真能夠清楚地獲得各部門在作戰裝備保障流程中所擔負任務的時間長短。

具體地講，首先根據Agent中的形式定義，繪制各Agent之間的邏輯關系圖與Agent內部的關系圖，主要有上級指揮機關、A裝備保障單位、B裝備保障單位、A裝備保障單位攜行保障分隊、應急指揮機關、B單位附近裝備保障單位以及后方裝備倉庫共7個Agent實體，其Agent實體的內部結構與協同關系描述如圖2所示。

然后在梳理完各實體Agent之間協同關系及其內部流程的基礎上，根據作戰裝備保障流程的邏輯順序，將其進行第二階段的轉化，即將各Agent之間的順序、選擇以及并行關系分別采用Petri網進行合并轉化［12］。

1）順序關系

在上級下達作戰命令之后，進行轉場保障的部隊需對人員進行分工，派遣作戰裝備攜行保障分隊執行轉場保障任務，A裝備保障單位與其攜行保障分隊之間為順序關系。在順序關系中，上一個Agent的終止狀態與下一個Agent的起始狀態是相同的。所以，A裝備保障單位的結束狀態P7與其攜行保障分隊的起始狀態P8是等同的，將2種狀態進行合并。順序關系的Agent實體結構如圖3所示。

2）并行關系

上級指揮機關下達作戰命令之后，A單位與B單位需要分別接受相關數據信息并進入并行狀態。所以，可用起始并行關系來描述三者之間的關系。在兩個單位初始狀態P3與P14之前增加初始狀態庫所Pands1和變遷Tands1，并用有向弧Fas11和Fas12進行連接，從而表示在上級指揮機關Agent結束狀態相同的條件下，經過相同的變遷連接到兩個不同的Agent實體的初始狀態。在作戰裝備保障部隊需要進行器材的請領時，兩個單位都需向應急指揮機關提交作戰裝備請領單，在此可用結束并行關系來進行描述。在A裝備保障單位攜行保障分隊與B裝備保障單位的結束狀態P13和P20后增加庫所Pande1和變遷Tande1并用有向弧Fae11和Fae12進行連接，從而可以表示在不同的Agent結束狀態經過不同連接和相同的變遷轉化為相同的初始狀態。并行關系的Agent實體結構如圖4所示。

3）選擇關系

應急指揮機關在接收作戰裝備請領單后對器材的調撥單位進行選擇。所以，在應急指揮機關的結束狀態與后方裝備倉庫和B單位附近裝備保障單位的初始狀態能夠用起始選擇關系來表示。在應急指揮機關結束狀態之后增加初始狀態庫所Pors1和變遷Tors11、Tors12，并用有向弧Fors11和Fors12將變遷與兩個Agent實體的初始狀態相連接，用來表示從兩個Agent實體中選擇一個進行變遷操作。同理，在這兩個實體運行結束后結束選擇關系轉化為匯總數據狀態，所以在各Agent結束狀態后添加變遷Tore11和Tore12，并用有向弧Fore11和Fore12與增加的結束狀態庫所Pore1相連接。選擇關系的Agent實體結構如圖5所示。

5 作戰裝備保障流程的仿真算例分析

上述對各Agent實體之間的邏輯順序關系進行了合并描述，將第一步中的各Agent內部結構進行添加，最終可以將作戰裝備保障流程用Petri網進行表示，從而實現對整個作戰航材保障流程的仿真。

下面以作戰保障任務為例，通過分析其作戰裝備保障流程，建立作戰裝備保障實體Agent模型。具體任務如下：空軍某型飛機24架，于某年某月某日由A單位進駐B單位，執行戰略性突擊任務，作戰時間為7天。此型裝備完好率設為85%，出動率設為80%，出動強度設為3次/天，裝備戰損率設為4%。其Petri網的作戰仿真流程如圖6所示。

圖6 中在進行Agent邏輯順序描述的基礎上，考慮各Agent之間的協同關系，采用循環結構模擬，重復執行對發生短缺的作戰裝備請領過程。本文主要采用Matlab的Petri網仿真數據包，對設計的作戰裝備保障的Petri網模型結構進行仿真，系統仿真結果如圖7所示。

圖7 中的橫軸表示算例中各Agent實體的名稱，縱軸表示作戰裝備保障流程中仿真得到的各Agent執行各自任務的時間。由仿真結果可知：擔負轉場任務的裝備保障單位在執行作戰裝備保障過程中執行任務較長且工作量較大；與此同時，應急處置作戰裝備短缺的總時間為957h，這是評價作戰裝備保障任務的重要指標之一。

6 結語

對作戰航材保障流程進行仿真的過程中，需要對作戰航材的整體進行分析與梳理，并對其過程中的各個作戰單元進行任務的分配。本文首先將作戰裝備保障流程中的Agent實體模型包裝為獨立模塊，通過實現自身內部狀態自治和執行某種方法或者動作以實現預期的功能，然后建立各Agent相互之間的協同關系，最后采用Petri網技術對其進行表達，達到仿真目標，具有較強的實用性，能夠廣泛地運用于對作戰裝備保障決策領域中。