大型艦船海上后勤保障的調度與仿真

宋庭新，覃小瑞，石懷斌

(1 湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068；2 海軍工程大學管理工程與裝備經濟系，湖北 武漢 430033)

物資補給是影響大型艦船編隊機動性和續航能力的重要因素，決定了遠洋任務的最終成敗[1]。合理的后勤保障方案規劃和資源配置，能為艦船提供及時的物資補充，降低危險系數，保障艦船航行安全[2]。針對艦船后勤物資保障，依靠決策者經驗制定岸基保障方案的傳統方法，存在物資保障效率低、成本高和供應網點選擇隨意等問題[3]。鄧薇等[4]提出的一種TOPSIS逼近理想解排序法的補給方案和決策模型，計算量大，過程比較繁瑣；阮旻智等[5]提出一種備件需求分析和配置優化的近似方法，則采用補給周期的分段求解，得到了艦船攜行備件方案；羅朝暉等[6]建立了海上補給規劃模型，以最小補給時間及最大作戰效能為目標進行建模，用模擬退火算法求解了路徑規劃和補給物資種類；廖宏林等[7]提出優化物資保障模式，形成編隊自我保障、遠程支援配送和靠泊島礁定點補給三位一體的保障體系，以增強海上物資保障實效。

上述研究大都集中在數學模型建立、求解和驗證模型的可行性方面，對艦船后勤物資的調度及仿真研究甚少。本文以艦船在遠海執行任務為例，綜合運用運籌學多目標規劃方法和多智能體仿真方法研究最優保障方式，為艦船執行遠洋任務時的后勤物資保障提供決策支持。

1 保障策略分析

按照物資補給緊迫程度，保障策略要以滿足物資需求、供應及時、成本最低和安全性好為目標，對物資采購供應進行統籌安排以滿足艦船海上執行任務的需求。目前艦船海上供應方式主要有基地化采購和委托代理采購，補給方式有海上伴隨補給和岸基靠港補給等。為滿足艦船在遠海長期執行任務時物資補給的需要，目前以美、英、法為代表的西方國家已經建立包括吉布提港、亞丁港、塞拉萊港等在內的多個保障網點。如何在正確的地點、正確的時間、從哪些岸上基地按照合適的數量、較低的成本對艦船編隊進行后勤物資補給是目前亟待解決的問題。

對于常態化任務，艦船物資保障以滿足需求為第一目標，供應及時為第二目標，成本最低為第三目標，安全性好為第四目標(圖1)。“滿足需求”指滿足后勤物質的種類和數量需要；“供應及時”指物資的運送時間不超過規定時間，即對運輸距離進行限定；“成本最低”涉及距離和采購價格等很多方面；“安全性好”要求保障艦船編隊執行任務的能力；是對采購和補給方式提出要求。

圖 1 保障目標與策略

基地化采購伴隨補給是利用綜合補給艦對艦船展開實時保障的一種方式。艦船可在不返回碼頭的情況下，由補給艦前往保障基地裝載物資來完成艦船物資補給的需求。這種方式在極大程度上保證了艦船的任務執行時間，提高了艦船的任務執行能力。商業化采購靠港補給是以大中型港口碼頭和保障基地的陸岸保障設施對艦船實施靠港補給的方式，它受外界干擾作用小，補給裝置和作業人員充足，適用于艦船大規模物資補給，能在短時間內完成大量物資的補充，同時能直接與商業化服務機構對接，降低了艦船物資保障成本。圖2為兩種方式的物資采購補給流程。

圖 2 艦船物資采購補給方式

2 基于多目標規劃的物資采購與調度

2.1 模型假設與符號設置

艦船保障物資調度屬于典型的多目標規劃問題，本文運用運籌學相關知識建立多目標規劃數學模型。為了建模和求解方便，作如下假設：

1)物資種類包括淡水、主食、副食、果蔬、柴油、噴氣燃料等6種，其中，主食、副食、果蔬為固體類物資，裝卸速度相同，淡水、噴氣燃料和柴油為液體類物資，裝卸速度相同。

2)艦船編隊所需補充物資的數量已知，艦船以勻速航行；

3)每個保障點派遣一艘商船給基地補貨，六類物資可以混裝于同一商船。

為建立多目標規劃數學模型，需要對目標函數及約束條件中相關參數變量進行設置：V1m為物資裝卸速度，m=1為固體物資裝卸速度，m=2為液體物資裝卸速度；V2為保障點i派出的商船速度；Li為保障點i到基地距離；Mj為基地所需的第j種物資的數量；P1ij為保障點i的j種物資的采購價格；P2ij為保障點i的j種物資的運輸價格；Rij為保障點i的j種物資的庫存；T1im為單次補給任務規定最長時間；T1i為保障點i到基地的運輸時間；T為配貨時間；Xij為決策變量，即保障點i供應的j種物資的數量，i=1,2,…,n分別代表n個保障網點，j=1,2,…,6分別代表6類物資。

2.2 多目標函數模型建立

2.2.1確定約束條件

1)配貨量約束：保障點提供的物資總能滿足補給需求

(1)

2)配貨時間約束：物資運輸時間不超過計劃時間的190 h。

(2)

3)成本約束：每一次采購中的配送成本與采購成本之和不超過10萬元

(3)

2.2.2確定目標函數為滿足物資補給的目標及要求，根據三個目標的優先順序依次排列，設置優先級。

(4)

(5)

(6)

根據公式(4)、(5)(6)得出目標函數如下：

(7)

根據式(1)、(2)(3)得出約束條件：

2.3 模型的求解及結果分析

利用Lingo軟件，求出上述模型的滿意解。模型求解流程見圖3。

圖 3 求解流程

編程運行Lingo程序后，求得物資采購方案(表1)。從表1可以看出，吉布提基地將提供40 t淡水資源和20 t果蔬，亞丁港將提供80 t淡水、10 t主食、8 t副食、8 t果蔬、2000 t柴油以及400 t噴氣燃料用于艦船物資補給。雖然Lingo軟件求解效率較高，但因艦船后期物資需求量為動態值，不便于利用Lingo反復求解，故將求解的采購方案作為艦船第一輪物資采購方案，后續物資采購調度方案則由仿真模型實時運算得出。

表1 物資采購方案

3 多智能體仿真

為驗證上述多目標規劃模型的求解結論并對后續補給方式進一步優化，本文采用多智能體仿真方法進一步優化保障方案。多智能體又稱多Agent，最早出現在人工智能領域，主要用于解決大型復雜的現實問題，能夠模擬感知、規劃、推理等行為，具有自主性、交互性、主動性等特征。Anylogic多智能體仿真軟件提供了豐富的智能體類型和代碼控制能力，可以實現艦船編隊物質采購供應保障的全域優化。

3.1 建立多智能體仿真模型

本文對兩種保障方式進行仿真。方式一為基地化采購伴隨補給方式，即保障基地根據物資庫存情況，提前開展全域采購，由海外代理機構將各保障點物資運送到基地儲存。艦船編隊發出物資補給請求后，由補給艦前往裝載，伴隨補給。方式二為商業化采購靠港補給，即艦船編隊在執行任務間隙自行前往保障點靠港進行補給，通過商業化采購方式采購所需物資。在Anylogic中建立上述兩種保障方式的仿真模型，整個模型由main主智能體、艦船、保障基地、保障網點、組織流程等多個智能體構成。在main主智能體中導入GIS地圖，設定艦船編隊活動的海域范圍，仿真模型如圖4所示。

圖 4 仿真模型

在圖4中，補給艦智能體行為邏輯非常關鍵。補給艦一方面需要前往基地港口取貨，另一方面需對其他艦船實施伴隨補給。其行為邏輯如圖5所示。

圖 5 補給艦行為邏輯圖

在圖5中，當補給艦收到其他艦船發出的物資補給請求消息后，前往指定海域進行伴隨補給，補給完成后，返回編隊等待下次補給請求；若補給艦自身的物資不足以滿足艦船編隊物資需求時，補給艦向保障基地發出物資補給請求，基地根據物資庫存情況制定采購方案，補給艦采用方式一實施保障。在執行任務間隙，艦船可以自由停靠不同的保障網點實施靠港補給(即方式二)，采用商業化采購以降低采購成本和運輸時間。與多目標規劃不同的是，基地在制定采購方案時，將根據物資價格、運輸距離和到貨時間等因素綜合考慮，由保障基地智能體實時運算后動態確定物資采購方案。設置仿真模型運行周期為6個月，模型運行后可輸出艦船物資庫存狀態、保障效率、保障時間以及保障點物資庫存狀態等。仿真運行結果如圖6所示。

圖 6 仿真運行結果

3.2 仿真結果統計分析

在保障方式一中，成本包括了物資采購費、運輸費以及基地倉儲費；在保障方式二中，成本包含物資采購費、港口停靠費，減少了基地化采購的商船運輸費和臨時倉儲費，增加了艦船靠港補給費，用于碼頭租賃、垃圾和污水處理等。以上兩種補給方式的費用統計見表2和表3。

表2 保障方式一費用統計 萬元

表3 保障方式二費用統計 萬元

從表2和表3可知，雖然保障方式二的補給次數多一次，艦船靠港補給也會產生一定的港口停泊費用，但是總費用是降低的，相比保障方式一減少了3513萬元，成本降低25%。所以艦船編隊在不執行任務時實施靠港補給更加經濟。

通過仿真數據統計，還可以實時求出保障效率。保障效率是指單位時間內艦船物資補充量，它是艦船物資保障滿足率和及時性的反映。根據仿真模型運行結果和數據統計，兩種保障方式下的物資保障效率如圖7所示。

圖 7 兩種保障方式的效率對比

從圖7可知，艦船實行岸基靠港補給后，其各類物資保障效率均高于伴隨補給保障效率。其中消耗量最大的柴油保障效率可提高98.05 t/h，很好地滿足了艦船對物資需求量、及時性及成本的要求。

4 結論

本文通過多目標規劃和多智能體仿真，研究了艦船海上物資保障的最佳采購備貨方案及補給方案。通過引入正負偏差變量和優先因子，建立以滿足需求、供應及時和成本最低為目標的多目標規劃模型，并利用Lingo軟件對模型進行求解，得到最優補給方案；同時，利用Anylogic建立多智能體協作仿真模型，驗證了仿真模型的正確性。通過模擬仿真，可以實時了解艦船編隊和各保障點的物資庫存、采購費用、保障時間等動態情況。通過仿真運行結果分析“基地化采購伴隨補給”和“商業化采購靠港補給”兩種保障方式的統計數據可知：在6個月的任務周期內，后者較前者采購成本降低25.2%；在保障效率方面，除主食以外，后者其他各類物質補給效率明顯高于前者，特別是消耗量最大的柴油一項高出98.05 t/h。因此，在非任務期間采用“商業化采購靠港補給”的保障方式更加高效和經濟。本文提出的優化補給方案是在考慮物資數量、供應時間和采購成本等3個因素的基礎上得出的結論，下一步可考慮委托代理采購等更多采購供應方式以進一步優化供應鏈。同時，還需要考慮供應鏈風險和安全因素，在多目標優化模型中增加安全有關的約束條件，對供應鏈績效進行多因素綜合評價，對仿真結果進行多尺度分析，以得到艦船海上后勤保障的綜合最優保障方案。