多擾動下面向設計的導彈裝備保障系統仿真

郭璐, 劉曉東

(1.空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院, 陜西 西安 710051; 2.江南機電設計研究所, 貴州 貴陽 550009)

導彈裝備保障系統是一個包含預防性維修行為、修復性維修行為以及保障資源調配的復雜系統,具有功能組成復雜、作業流程復雜、資源種類及約束條件復雜等特點[1]。隨著導彈裝備保障系統越來越精準化,根據實際工況確定其所需的約束及變量,并通過確定性分析方法來展現和優化其保障過程變得愈發困難,而仿真技術的出現可以處理這些復雜性問題[2]。

近年來,國內外裝備保障研究人員采用了多種建模方法來描述裝備維修保障過程[3],例如,很多學者采用的Petri網[4]及其改進模型,高層次體系結構(high level architecture,HLA)模型[5]等。但隨著導彈裝備綜合保障系統仿真對顆粒度和智能性的要求不斷提升,很多方式已經不能完全滿足綜合保障設計全方位的需求,尤其是在設計階段因缺乏數據而無法構建有效模型。智能體(Agent)仿真建模技術逐漸成為綜合保障仿真建模的新趨勢[6]。

Agent仿真技術通過多個Agent間的交互、調度、合作、競爭來解決復雜系統,特別是大型復雜裝備系統的建模與仿真[7]。基于智能體的綜合保障系統建模仿真方法可根據具體需求,采用不同的方式進行靈活設計,可以在不同層面抽象智能體,確保合適的仿真顆粒度。每個智能體都具有智能性,將Agent技術應用在裝備保障系統中具有很好的適應性。

目前,針對保障系統的建模與仿真研究大多是面向任務的,根據裝備交付后的保障數據開展仿真,驗證構建的保障模型是否與裝備保障實際情況相符[8],或者評估裝備保障效果[9]。少有針對裝備保障設計階段的建模與仿真。還有一些針對裝備保障資源配置的研究[10],但仍然存在一系列的問題,保障資源需求預測模型研究一般都是針對故障件到達情況、排隊或等待策略等展開研究,然后應用各類新型算法進行優化計算,基本不考慮保障資源共用情況、保障資源自身的故障情況、預防性和修復性維修占用時間等對保障資源的影響。保障人員需求預測模型研究[11]相對于保障設備和備件要少一些,其方法也相對簡單,主要包括類比法、排隊論法和仿真法。對于人本身的因素,包括專業、技能等級、操作與維修分工等考慮較少。

本文提出了一種新的基于建模與仿真的保障方案設計方法,針對裝備設計階段開展保障規劃,尤其是新研裝備或歷史經驗數據不充分的裝備的保障方案設計。本文在對導彈裝備典型任務場景中的保障過程及評價指標分析的基礎上,以Agent技術為依托,建立裝備類、保障類、管理類、環境類Agent,搭建裝備保障系統仿真框架。分析出裝備使用可用度受裝備故障擾動和人員失誤擾動影響,建立裝備故障擾動模型、人員失誤擾動模型、恢復行為模型,開展裝備保障系統仿真。本方法基于導彈裝備設計階段確定的各類屬性,根據裝備實際情況建立準確的保障模型,最終由4類Agent共同協作完成保障決策。仿真結果可輔助生成綜合保障方案,使裝備在設計階段開展保障方案規劃,尤其是使質保期內的保障資源配置有了更科學的方法。

1 仿真總體架構

由于導彈裝備在運行過程中的復雜性和動態性,其保障系統中的各組成部分會因各種擾動而降低裝備使用可用度,嚴重時將無法實現裝備的既定功能且無法完成任務計劃。本文以擾動數據為驅動,從導彈裝備系統中提取有效信息,在對數據進行處理的基礎上,將其輸入保障仿真模型中,根據決策機制,對出現故障的裝備進行維修或重構,以恢復裝備的戰備完好性。

1.1 建模過程

基于Agent技術搭建導彈裝備保障系統建模與仿真框架。基于Agent的框架將建模過程分為2個主要階段:分析階段與設計階段。每個階段又由一組具體的步驟組成。分析階段由問題及目標定義、基于角色的任務分解、Agent功能與狀態描述、Agent標識與多智能體系統(multi-agent system,MAS)架構定義以及確定系統環境條件5個步驟組成。同時,前4個步驟之間存在反復迭代關系,目的是獲取滿意的分析結果。設計階段則包含建立Agent協同機制、定義Agent內部邏輯、定義環境Agent以及Agent實現與MAS組裝4個步驟。按照這些步驟實施相應的建模活動即可建立導彈裝備系統模型。其中,分析階段的主要任務是從影響任務成功率的關鍵因素出發,確定導彈裝備在完成任務過程中的相關行為,以及建模必須考慮的環境條件。需定義Agent的類型與數量及扮演的角色及主要行為。該階段的最終輸出是MAS架構、Agent的屬性和功能行為以及環境條件分析列表。設計階段的主要任務是根據導彈裝備系統中各種行為,設計Agent在任務中的各項行為,建立Agent間的協同機制與Agent內部的推理邏輯,并在通過一致性檢查后編碼實現。完成MAS環境模型的構建,構建環境Agent,其他Agent通過與其交互獲取環境信息。

1.2 Agent類型

基于以上建模框架及導彈裝備實際需求,將裝備保障系統及其運行過程抽象為裝備類、保障類、管理類和環境類4類Agent。

裝備類Agent是對指揮控制車、天線收發車、導彈發射車、電源配電車、運輸裝填車等各類裝備的抽象。使用描述參數、時空參數、物理參數及能力參數來描述裝備類Agent的屬性。

保障類Agent是對保障人員、保障設備、保障設施以及保障物資的抽象,使用描述參數、時空參數、保障資源參數及保障能力參數來描述保障類Agent的屬性。

管理類Agent為虛擬Agent,來源于裝備保障系統運行過程中的指揮管理過程,是對任務和邏輯的抽象。其屬性僅包括描述參數。根據功能差別將管理類Agent分為狀態監控Agent、計算決策Agent及管理控制Agent。管理類Agent包括任務驅動類型、數據驅動類型。任務驅動類型是當系統輸入新的任務時,管理類Agent根據任務進行信息處理和信號下發,控制裝備類Agent和保障類Agent完成任務;數據驅動類型是當裝備出現故障時,管理類Agent采集數據并進行決策分析,根據裝備狀態變化做出控制調整措施,保障裝備正常工作。

環境類Agent是對自然環境、誘發條件、力學環境及攻擊目標等的抽象。其參數主要包括:時間參數,如太陽輻射時間等;狀態參數,如溫度、氣壓、濕度等。環境類會影響其他Agent的能力。

1.3 交互機制

管理類Agent處于最高層次,管理各Agent交互過程,保證交互的順利進行;保障類Agent協同裝備類Agent,完成保障工作;環境類Agent對各Agent交互產生擾動。全局調度由管理類Agent負責,當管理類Agent收到裝備類Agent發出的故障情況通知時進行整體協調控制,以生成總體維修策略,對保障資源進行全局優化配置。局部調度發生在裝備類Agent和保障類Agent之間,側重于具體維修作業的實現過程。同時,在裝備類Agent之間、保障類Agent之間還存在著復雜的競爭或合作的關系。各類Agent的交互機制如圖1所示。

圖1 Agent的交互框架

1.4 仿真框架

由管理類Agent在頂層負責全局主控協同。裝備類、保障類和環境類Agent處于下一層次,可通過局部自主協同完成具體任務。同時,可按照各類Agent影響范圍對裝備類和保障類Agent進行分塊管理。此外,考慮到需要基于多Agent模型獲取優化控制策略,當破壞發生時,優先通過裝備類和保障類Agent的局部協同進行恢復,僅當局部協同無法滿足需求時,由管理類Agent進行系統重構,即任務的再分配。構建的分層分塊的混合遞階仿真框架如圖2所示。基于此分層協同運行框架,在局部自主協同的基礎上,通過設定Agent間既定的邏輯規則來實現Agent間信息的實時傳遞。

圖2 保障系統仿真框架

2 裝備擾動模型

在導彈裝備全壽命周期過程中,會不斷出現多種擾動進而影響裝備的任務執行,降低裝備戰備完好性。大部分的擾動是由于不可控制因素導致的,從擾動來源分析可將系統的擾動分成2類,分別是裝備故障擾動和人員失誤擾動。裝備故障擾動是發生最多的擾動,裝備故障的發生與裝備自身結構組成、故障率水平以及裝備使用過程有著密切的關系。裝備在使用過程中存在著大量的人員和裝備交互的過程,如使用人員密集操作裝備,保障人員定期開展預防性維修等,在這些過程中會由于各種因素,如身體狀態、心理因素、極端的環境條件等導致人員發生失誤從而影響裝備的正常運行。所以準確描述人員失誤可以提高模型的準確度,對裝備保障規劃有著重要作用。保障系統中出現各種擾動屬于離散事件,如何設計合理的擾動觸發方式對于保障系統模型后續的仿真運行十分關鍵,下面是2類擾動在模型運行過程中的建模方案。

2.1 裝備故障擾動模型

裝備的故障擾動可以建立在“武器系統——分系統(整車)——設備(組合)——現場可更換單元(line replaceable unit,LRU)——…”不同的層次上,由于故障建立的層次越低故障建立過程越復雜,本文故障注入的層次不超過LRU層。使用Agent的方法研究裝備保障系統,需要采用仿真方式進行。因為在模型仿真過程中裝備的故障發生屬于離散事件而不能直接嵌入到Agent的正常仿真時鐘,所以本文提出采用雙時鐘機制來實現正常仿真過程中的故障注入。雙時鐘機制示意如圖3所示。

圖3 雙時鐘機制示意

雙時鐘機制的基本思路是利用系統動力學的基本原理結合離散事件觸發方法,當系統動力學存量為0時故障發生。設編號為i的裝備Agent為Ai,其包含q個LRU,第j個LRU為Lij(1≤j≤q)。設Lij的壽命為Fij,Ai的故障時間為Fi。

故障時鐘機制的基礎是動力學消耗機制,設Ai對應的故障時鐘存量為S∈[0,1],動力學消耗速率為vi,t為仿真時間。若vi=1/Fi,則任意時刻系統動力學存量為

(1)

Si=0的時刻即為Ai故障發生的時刻。

可以靈活地控制時鐘的消耗速率來實現裝備在不同階段的故障發生情況仿真。當裝備處于貯存狀態或待機狀態時,出現故障的概率很低,此時將動力學消耗速率設置為0。當裝備執行演訓任務(包括陣地轉移、運輸)時,出現故障的概率較高,此時將動力學消耗速率設置相應提高。

根據故障時鐘推進機制,確定Ai的壽命時間是關鍵環節。Ai的壽命時間可以根據Lij的壽命Fij以及Ai的可靠性框圖(reliability block diagrams,RBD)來確定,具體步驟如下。

步驟1確定LRU及其壽命分布類型

開展裝備故障模式與影響分析(failure modes and effects analysis,FMEA),確定裝備LRU。根據裝備保障模式發展趨勢,提升部隊級維修保障能力的舉措之一為減少部隊級復雜維修任務,將大部分需在部隊級開展的維修簡化為換件維修,故裝備LRU大多為能直接拆卸的設備、組合和功能單元。一般情況下裝備LRU的壽命是服從某個分布的,可根據LRU所屬類型,如機械類、電子類、機電類等,確定其分布。表1給出了發射車部分LRU的壽命分布類型。

表1 發射車LRU的壽命分布

步驟2確定LRU的壽命

LRU的壽命值是一個隨機變量,本文采用逆變換法抽樣得到LRU的壽命值。逆變換法抽樣基本原理:如果隨機變量ξ具有分布函數F(x)或概率密度分布函數f(x),且F(x)單調遞增,則有

Z=F(x)

(2)

Z是[0,1]上的均勻分布,則有

ξ=F-1(Z)

(3)

當Lij壽命為指數分布時,設其壽命分布密度函數為

fij(t)=λije-λij

(4)

式中,λij為Lij的失效率。

Lij壽命分布函數為

(5)

根據(2)式可得Fij的抽樣公式為

(6)

故Fij第k次隨機抽樣值tFij(k)的計算方式為

(7)

式中,η是[0,1]上的隨機數。

同樣,當LRU的壽命為正態分布、威布爾分布或其他分布時,根據逆變換法可計算出相應的抽樣值。

步驟3確定Agent的故障邏輯

根據Agent對應裝備的FMEA及自身功能與結構分析建立RBD。一個典型裝備的RBD如圖4所示。

圖4 典型裝備RBD示意圖

其中,單元Unit對應LRU。設Lij的狀態值為Xij,其值為

(8)

即當Xij=1時表示Lij正常,當Xij=0時表示Lij故障。建立Ai的狀態函數φ(Xi1,Xi2,…,Xiq),將Lij的狀態與Ai的狀態關聯起來。根據RBD得到Ai的狀態函數，可表示為

φ(Xi1,Xi2,…,Xi5)=[1-(1-Xi1)]×

[1-(1-Xi2)(1-Xi3)]×

[1-(1-Xi4)(1-Xi5)]

(9)

若φ(Xi1,Xi2,…,Xiq)=1,則表示Ai正常,若φ(Xi1,Xi2,…,Xiq)=0則表示Ai故障。

步驟4確定Agent的壽命

根據Agent的RBD可知,當Lij發生故障后,Ai不一定發生故障,所以需要在Lij的基礎上確定Ai的壽命Fi。根據仿真時間推進,如果到達t=Fij的時刻,則Lij故障,對應的狀態值Xij=0。若Xik=0(1≤k≤q)使得Ai的狀態函數φ(Xi1,Xi2,…,Xiq)=0,則有Fi=Fik。

特別的,當Ai的RBD是串聯模型時,有

Fi=min{Fi1,Fi2,…,Fiq}

(10)

當Ai的RBD是并聯模型時,有

Fi=max{Fi1,Fi2,…,Fiq}

(11)

確定裝備Agent的壽命時間后,將得到的壽命時間作為故障時鐘的初始時間,然后利用雙時鐘仿真機制來觸發故障,實現故障發生的離散化。

2.2 人員失誤擾動模型

人員在操作過程中發生失誤的時間M同樣服從相應分布Z=F(x),所以對于人員的失誤發生也采用雙時鐘機制。由于人員Agent(包含在保障Agent中)不可能建立類似裝備Agent的RBD,所以抽樣過程直接在人員的整體層面上進行。

人員工作是處于循環狀態的,人員是不斷在“工作狀態——空閑狀態”之間進行循環。這樣就跟裝備Agent的故障時鐘抽樣有所不同,即對同一個人員Agent的M需要重復抽樣,即由空閑狀態到工作狀態每循環一次就對其M進行抽樣。

與裝備的故障時鐘抽樣方法相同,編號為h的人員Agent的Mh為

Mh=F-1(Z)

(12)

一般情況下人員失誤發生時間服從對數正態分布,此時Mh的抽樣值為

(13)

式中：η是[0,1]上的隨機數;μ是失誤時間均值;σ是失誤時間均方根。

使用基于動力學的時鐘消耗機制來觸發失誤事件的發生,任意時刻人員Agent對應的動力學存量Sh(t)可以表示成

(14)

式中：vh是消耗速率;t是仿真時間。當Sh(t)=0時,表示人員Agent在當前操作中發生了失誤。

3 保障仿真過程

建立導彈裝備類、保障類、管理類、環境類Agent后,需確定Agent間的行為邏輯和信息傳遞鏈路,導彈裝備保障過程鏈路圖如圖5所示。

圖5 裝備保障過程鏈路圖

作為“任務發起者”的裝備Agent首先檢查裝備的故障情況,并與管理Agent交互,發出維修任務需求。一旦有任務需求產生,且維修任務分配給了保障Agent,則需與相應的保障Agent協作,完成維修任務。作為“管理者”的管理Agent負責判定任務是否成功、制定維修策略、安排維修任務等動作。其中,判定任務是否成功需要與裝備Agent交互,以充分了解裝備Agent的數據;制定維修策略需要在裝備Agent和任務需求數據的基礎上,按照一系列規則,制定維修策略以優化完成維修過程;安排維修任務需要與保障Agent交互,將維修任務分配給相應的保障Agent。作為“服務者”的保障Agent的主要行為是向故障裝備Agent提供維修保障服務。

4 仿真分析

針對導彈裝備保障要素多、保障流程復雜等特點,使用基于Agent的方式對導彈裝備保障系統進行建模與仿真。整個仿真過程涉及到的裝備及相關的保障點、人員、設施、設備、備件、工具、技術資料等,在模型中以不同的Agent的形式表現,它們之間通過消息、事件、時間或命令觸發和交互,共同構成了整個仿真系統。

由于裝備的故障行為都是由裝備的一個或多個設備或組合的失效造成的,對于建立的Agent模型來說,故障行為等價于故障設備或組合對應的裝備Agent或保障Agent的參數的改變。將裝備故障行為的建模抽象如下:系統運行過程中故障作為“信號”傳遞給目標Agent(裝備Agent);接受故障信號的Agent改變自身的相應參數值,更新系統的參數數據,并反饋給管理Agent;在管理Agent的指導下對系統的運行進行新一輪的規劃,包括安排保障Agent對裝備Agent進行維修、更新裝備Agent的任務規劃等。

基于系統運行流程設計故障擾動的建模實現方案如下:根據裝備Agent內所有會導致裝備運行出現故障的設備或組合的失效率和壽命分布類型等隨機抽取故障時間,通過時鐘對故障時間進行監控。當時鐘歸零時,故障發生,正常運行的流程中的裝備Agent檢測時鐘歸零信號,自動變更當前Agent的相關參數為故障狀態,終止當前活動并加入等待維修隊列,或轉入其他運行邏輯。

4.1 裝備模型

裝備類Agent包括指揮控制車、導彈發射車、電源配電車、運輸裝填車等各類裝備的抽象Agent。使用多種類型的參數,包括描述參數、時空參數、物理參數及能力參數來描述裝備Agent屬性,其中:描述參數用于描述裝備Agent自身特征,如裝備Agent的編號;時空參數用于描述裝備Agent工作時的時空特征,如裝備Agent的位置;幾何參數用于描述裝備Agent的構型,如裝備Agent的長度;能力參數用于描述裝備類Agent的各類能力,包括專用特性與通用特性,專用特性如探測距離、精度、射程、最大速度等,通用特性如可靠性、測試性、維修性等。裝備Agent所包含具體典型參數如表2所示。

表2 裝備Agent典型參數

導彈地面裝備有多種類型,提取各類車輛的共性狀態形成狀態圖,將差異狀態設計為保障任務內容和工作任務內容。建立的發射車內部視圖如圖6所示。

圖6 發射車內部視圖

4.2 保障模型

保障類Agent是對裝備運行過程中所涉及到的保障人員、保障設備、保障設施以及保障物資的整體抽象,即保障類Agent是擁有一定資源,且能夠獨立提供服務或物資的綜合體。其屬性包括描述參數、時空參數、保障資源參數及保障能力參數,其中,描述參數與時空參數內涵同裝備Agent;保障資源參數用于描述保障Agent包含的保障人員、設備、設施、物資的相關信息,如保障人員類型、保障物資存儲量等;保障能力參數用于描述保障類Agent提供服務或資源的能力,如最大可維修裝備數、可維修時間等。

系統發出保障需求后,由保障人員領取后前往作業。保障人員領取保障作業時,需要考慮前置任務完成情況、保障人員專業與人數要求、保障設施與備件要求等各項約束條件。滿足條件的保障作業才被領取。保障作業視圖和保障人員視圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 保障作業視圖 圖8 保障人員視圖

在保障作業視圖中,設計了營級、旅團級和基地級維修流程圖,可觀察裝備及維修地點的整體運轉情況。在保障人員視圖中可觀察人員的狀態。

裝備LRU視圖包含參數和狀態圖,其中故障率、故障影響等故障機制都通過LRU參數進行配置,并在模型運行過程中進行更新。LRU視圖如圖9所示。

圖9 LRU視圖

4.3 仿真結果

為驗證仿真系統的合理性,本文以某型服役導彈裝備為例開展仿真。根據裝備部件的壽命分布函數隨機抽取故障時間,通過仿真時鐘對故障時間進行監控,當仿真時鐘歸零時故障發生。在正常運行的仿真過程中,裝備Agent檢測到時鐘歸零信號,就自動變更當前Agent的相關參數為故障狀態,管理Agent判斷是否終止當前活動并加入等待維修隊列,或轉入其他運行邏輯。設定仿真周期為2年,經多次仿真后統計平均結果,可輸出各類故障的數據,各類專業人員的使用數據,各種備件、工具、設備、技術資料等的使用和消耗數據。將仿真系統輸出方案與該型裝備的初始保障資源規劃方案、裝備實際使用數據進行對比,部分備件的設計量與實際消耗量對比結果如圖10所示,部分備件的設計量與實際需求量對比結果如圖11所示。

可以看出,在設計階段裝備的初始備件資源規劃不合理,備件“備而不用”問題尤其突出,“用而不備”問題較突出,部分備件設計值與實際消耗值、實際需求值的偏差率甚至超過100%。這會導致使用階段裝備作戰任務受到嚴重影響,而同時保障費用又居高不下。

裝備使用和保障過程涉及機械、電子、液壓、控制、光電、駕駛等專業技術人員,這也是在設計階段需要規劃的。部分專業人員的設計量與實際需求量對比結果如圖12所示。

圖10 部分備件設計量與消耗量對比 圖11 部分備件設計量與需求量對比 圖12 部分專業人員的設計量與需求量對比

可以看出,裝備的初始人員規劃偏多,原因是在初始方案中未考慮人員交叉使用的情況。仿真系統輸出的方案中初始人員規劃也稍偏多,原因是在仿真模型中,設置專業技術人員為8小時工作制,而專業技術人員在實際過程中未嚴格按照工作時間執行任務。

5 結 論

本文根據導彈裝備在設計階段的保障性工作特點和需求,提出了一種考慮多重擾動的裝備保障仿真方法。首先在對裝備組成、功能、故障模式,及保障場景、任務過程、使用與維修保障過程等進行了分析的基礎上,確定了裝備的擾動類型。然后,建立了保障系統仿真框架,在裝備故障擾動和人員失誤擾動的基礎上,對裝備保障過程中的各類Agent進行抽象,給出了Agent的狀態變化圖,以此為基礎完成裝備的使用與保障任務。其次,采用雙時鐘機制來實現仿真過程中的裝備故障擾動和人員失誤擾動注入,并建立了系統的恢復行為模型。最后,通過實例仿真,驗證了裝備保障仿真系統的合理性,根據仿真結果合理規劃保障資源,不僅可以節省經費,還可以減少保障延誤時間,從而提高裝備使用可用度。本方法給在設計階段制定合理科學的裝備保障方案提供了參考,也為裝備保障資源的規劃提供了新思路。