基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的航空兵作戰(zhàn)油料保障決策模型研究

陸思錫 周慶忠 楊凌峰

摘要:運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理及VENSIM建模平臺(tái)建立了航空兵作戰(zhàn)油料保障的仿真決策模型,以航空兵場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量為切入點(diǎn),將航空兵作戰(zhàn)油料保障的各種要素結(jié)合起來(lái)。通過實(shí)例仿真,分析了兩個(gè)重要參數(shù)值的改變對(duì)仿真結(jié)果的影響,并確定出其對(duì)油料保障效率的影響程度,從而為航空兵作戰(zhàn)油料保障提供科學(xué)的定量決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞:航空兵;油料保障;決策;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué);仿真

中圖分類號(hào):E234文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Abstract: This paper has established a simulation decision-making model of air arm POL(Petrol Oil and Lubricants)service in wartime, which is based on system dynamics and the modeling platform of vensim, and has taken the POL storage of air arm aerodrome as a cut-in point to combine all kinds of factors in the POL service. The influence of simulation result which caused by the change of two important parameters has been analyzed by simulating an example, and the influence degree of POL service efficiency has also been confirmed, which offers scientific and quantificational decision-making basis to the air arm POL service in wartime.

Key words: air arm; POL service; decision-making; system dynamics; simulation

0引言

航空兵部隊(duì)是重要的空中作戰(zhàn)力量,其作戰(zhàn)效能直接影響到我方對(duì)制空權(quán)的控制,以及與其他軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)的效果。油料保障,作為航空兵作戰(zhàn)重要的后勤保障工作之一,對(duì)航空兵作戰(zhàn)效能具有重要影響。科學(xué)、合理地油料保障決策可以為航空兵部隊(duì)提供更加高效、可靠的戰(zhàn)時(shí)油料保障,從而提高航空兵部隊(duì)的整體作戰(zhàn)效能。因此,研究航空兵作戰(zhàn)油料保障決策問題具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的透明化、不確定性以及空間轉(zhuǎn)換節(jié)奏的加快,使航空兵作戰(zhàn)油料保障呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性,增加了油料保障的難度,對(duì)油料保障決策者提出了更高的要求[1]。對(duì)于信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下動(dòng)態(tài)變化的航空兵油料保障決策問題,傳統(tǒng)的靜態(tài)方法很難湊效,而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics)則為解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜性問題提供了一種可行的理論與方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是美國(guó)麻省理工學(xué)院的福瑞斯特(Jay W. Forrester)教授于1956年創(chuàng)始的一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科,它綜合了反饋控制論、信息論、系統(tǒng)論、決策論、計(jì)算機(jī)仿真以及系統(tǒng)分析的實(shí)驗(yàn)方法,利用系統(tǒng)思考的觀點(diǎn)來(lái)界定系統(tǒng)的組織邊界、運(yùn)作及信息傳遞流程,以因果反饋關(guān)系描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性,并建立量化模型,利用計(jì)算機(jī)仿真方法模擬不同策略下現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的行為模式,最后通過改變結(jié)構(gòu),幫助人們了解系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的結(jié)構(gòu)性原因,從而分析并設(shè)計(jì)出解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜問題的方案[2-4]。

為了把決策建立在更加科學(xué)的基礎(chǔ)之上,本文將航空兵作戰(zhàn)油料保障作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)分析,以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為工具,對(duì)航空兵作戰(zhàn)油料保障進(jìn)行仿真建模研究。

1航空兵作戰(zhàn)油料保障動(dòng)力學(xué)模型的建立

1.1模型假設(shè)

由于對(duì)航空兵作戰(zhàn)油料保障的仿真建模是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要對(duì)某些影響因素進(jìn)行一些合理的假設(shè)才能使問題更好地得到解決,因此對(duì)模型的建立作出了如下假設(shè):(1)只考慮對(duì)單一機(jī)種的油料保障情況。(2)航空兵油料保障在時(shí)間上是連續(xù)的。(3)作戰(zhàn)飛機(jī)的戰(zhàn)損情況服從一定規(guī)律。(4)不考慮對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量的增援。(5)忽略油料保障人員及設(shè)施設(shè)備的戰(zhàn)損情況。

1.2流圖的建立及主要方程的確定

1.2.1流圖的建立

航空兵場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量、場(chǎng)站油料保障速度、油料消耗量、需要補(bǔ)給的油料數(shù)量、油料補(bǔ)給速度等是影響航空兵作戰(zhàn)油料保障的幾個(gè)主要因素,下面將著重對(duì)這幾個(gè)變量及相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。

(1)模型中的流位(Level)變量為航空兵場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量,它由流率(Rate)變量場(chǎng)站油料保障速度及油料補(bǔ)給速度共同決定。

(2)場(chǎng)站油料保障速度由油料消耗量和油料保障時(shí)間限制共同決定。其中,油料消耗量由作戰(zhàn)飛機(jī)架次、空中主油消耗率、單機(jī)油料基數(shù)量決定。

(3)油料補(bǔ)給速度由需要補(bǔ)給的油料數(shù)量和參戰(zhàn)飛機(jī)平均消耗速度決定。其中,需要補(bǔ)給的油料數(shù)量由場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量、油料消耗量、場(chǎng)站油料安全存儲(chǔ)量、機(jī)動(dòng)或不可用油料存儲(chǔ)量共同決定。

通過上述分析,利用VENSIM平臺(tái)構(gòu)建的模型流圖如圖1所示。

1.2.2主要方程的確定

在確定作戰(zhàn)飛機(jī)架次時(shí),考慮到飛機(jī)的戰(zhàn)損情況,選用了指數(shù)函數(shù)來(lái)描述飛機(jī)數(shù)量的變化情況;在油料補(bǔ)給速度的關(guān)系式中,采用了IF THEN ELSE函數(shù),其目的是保證在各個(gè)階段都是以最快的速度進(jìn)行油料補(bǔ)給;考慮到油料保障具有一定的滯后性,在保障速度的關(guān)系式中采用了平滑函數(shù)SMOOTH來(lái)實(shí)現(xiàn)。

模型中的關(guān)鍵數(shù)學(xué)關(guān)系式如下:

(1)航空兵場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)儲(chǔ)存量=INTEG(油料補(bǔ)給速度-場(chǎng)站油料保障速度)

(2)需要補(bǔ)給的油料數(shù)量=場(chǎng)站油庫(kù)安全容量+油料消耗量-航空兵場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量-機(jī)動(dòng)或不可用油料存儲(chǔ)量[5]x

(3)油料消耗量=單機(jī)油料基數(shù)量*空中主油消耗率*作戰(zhàn)飛機(jī)架次*(1+地空主油消耗比)[5]

(4)作戰(zhàn)飛機(jī)架次=初始飛機(jī)數(shù)量*出動(dòng)率*出動(dòng)強(qiáng)度*(1-單位時(shí)間戰(zhàn)損率)^ Time

(5)油料補(bǔ)給速度=IF THEN ELSE(參戰(zhàn)飛機(jī)平均油料消耗速度/(需要補(bǔ)給的油料數(shù)量/油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間)<1,需要補(bǔ)給的油料數(shù)量/油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間,參戰(zhàn)飛機(jī)平均油料消耗速度)

(6)場(chǎng)站油料保障速度=SMOOTH(油料消耗量/油料保障時(shí)間限制,油料保障調(diào)整時(shí)間)

2實(shí)例仿真分析

下面以某次作戰(zhàn)某航空兵場(chǎng)站對(duì)進(jìn)駐部隊(duì)的某一機(jī)種進(jìn)行油料保障為例對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。

2.1仿真條件

模型的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置分別為:INITIAL TIME=0,FINAL TIME=240(hour),STEP TIME=1(hour),即仿真的時(shí)間為10天,步長(zhǎng)為1小時(shí),各參數(shù)及初值設(shè)置如表1所示。

2.2仿真結(jié)果輸出

通過運(yùn)行VENSIM得到航空兵場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量、油料消耗量、油料保障速度、油料補(bǔ)給速度的仿真曲線如下圖所示,部分仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3仿真結(jié)果分析

(1)從圖2可以看出,在作戰(zhàn)開始的20小時(shí)內(nèi),油料存儲(chǔ)量迅速減少,最低存儲(chǔ)量為1.3e+006kg。這是由于在作戰(zhàn)開始階段參戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量較多,戰(zhàn)況較為激烈,因此耗油量較大,同時(shí),油料補(bǔ)給速度在作戰(zhàn)開始的20小時(shí)內(nèi)小于油料保障速度,從而導(dǎo)致場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量在作戰(zhàn)開始的20小時(shí)內(nèi)迅速下降。在作戰(zhàn)20小時(shí)之后,由于作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量的減少,且隨著時(shí)間的推移,戰(zhàn)況激烈程度明顯降低,油料消耗量開始減少,同時(shí),油料補(bǔ)給速度在作戰(zhàn)20小時(shí)后與場(chǎng)站保障速度基本保持了同步,因此場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量在20小時(shí)后開始逐步回升,并在235小時(shí)以后趨于穩(wěn)定。

(2)從圖4可以看出,油料補(bǔ)給速度在作戰(zhàn)開始的20小時(shí)內(nèi)迅速增加,這是由于存儲(chǔ)量迅速減少,需要對(duì)場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量進(jìn)行補(bǔ)給,而只有依靠提高油料補(bǔ)給速度才能達(dá)到補(bǔ)給效果。當(dāng)補(bǔ)給速度增加到與保障速度相當(dāng)?shù)臅r(shí)候,隨著油料消耗量的減少,油料存儲(chǔ)量開始穩(wěn)定,這時(shí)對(duì)油料補(bǔ)給速度的要求就沒有開始階段時(shí)高,因此油料補(bǔ)給速度開始與油料保障速度呈相似的變化規(guī)律,并逐步降低,在230小時(shí)后趨于穩(wěn)定。

2.4參數(shù)值的改變對(duì)仿真結(jié)果的影響分析

在仿真過程中我們發(fā)現(xiàn),油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間和油料保障時(shí)間限制這兩個(gè)參數(shù)對(duì)航空兵作戰(zhàn)油料保障效果的影響較大,其分別影響油料補(bǔ)給速度和油料保障速度這兩個(gè)變量,從而進(jìn)一步影響場(chǎng)站油料存儲(chǔ)量。因此,通過控制這兩個(gè)參數(shù),就可以提高油料保障的效率;分析其對(duì)油料保障的影響,就可為決策者提供可靠的決策依據(jù)。下面分兩種情況著重就時(shí)間參數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果的影響進(jìn)行討論。

(1)將油料保障時(shí)間限制每次減少0.1小時(shí),其它參數(shù)值與2.1節(jié)設(shè)置一致,得到不同油料保障時(shí)間限制條件下的場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量仿真結(jié)果如圖6所示。圖中曲線1～4分別表示油料保障時(shí)間限制分別為0.2、0.3、0.4、0.5小時(shí)的油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量。從圖中可以看出,參數(shù)值的改變對(duì)油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量在開始階段的減少量影響較明顯,曲線1與曲線4的對(duì)比尤為明顯。當(dāng)油料保障時(shí)間限制從原來(lái)的0.5小時(shí)調(diào)整為0.2小時(shí)后,相當(dāng)于提高了油料保障速度,但油料補(bǔ)給速度并沒有提高,從而使得油料支出量大于油料補(bǔ)給量,油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量比調(diào)整前減少得更多,因此出現(xiàn)不能滿足作戰(zhàn)油料保障需求的情況。

(2)將油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間從5小時(shí)每次增加2小時(shí)至12小時(shí),其它參數(shù)值與2.1節(jié)設(shè)置一致,得到不同油料調(diào)整時(shí)間條件下的場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量仿真結(jié)果如圖7所示。圖中曲線1～5分別表示油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間為12、11、9、7、5小時(shí)的場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量。從圖中可以看出,油料存儲(chǔ)量在開始階段隨調(diào)整時(shí)間的增加而減少得較為明顯。當(dāng)油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間從5小時(shí)調(diào)整為12小時(shí)后,相當(dāng)于降低了油料補(bǔ)給速度,同時(shí)由于油料保障速度保持穩(wěn)定,從而使得油料補(bǔ)給量小于油料支出量,場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量減少較快,不能滿足作戰(zhàn)油料保障的需要。

2.5油料保障決策分析

從2.4節(jié)的分析中可知,油料保障時(shí)間限制和油料補(bǔ)給時(shí)間是兩個(gè)非常重要的參數(shù)值,改變這兩個(gè)參數(shù)值,將影響航空兵作戰(zhàn)油料保障的整體效率,因此,在進(jìn)行油料保障決策時(shí),需要合理地確定這兩個(gè)參數(shù)值,才能使油料保障獲得最佳的效果。在確定這兩個(gè)參數(shù)值時(shí),既要考慮到時(shí)效性,又要考慮到戰(zhàn)時(shí)的實(shí)際情況,如果把油料保障時(shí)間限制確定得太短或者將油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間確定得太長(zhǎng),都會(huì)增加油料保障難度,降低油料保障效率。從2.4節(jié)的分析來(lái)看,油料保障時(shí)間限制不應(yīng)低于0.2小時(shí),同時(shí)考慮到戰(zhàn)時(shí)對(duì)時(shí)間要求較高,因此,油料保障時(shí)間限制不應(yīng)超過0.5小時(shí)。同理可以分析出如果油料補(bǔ)給調(diào)整時(shí)間太短,不僅不利于本級(jí)油料保障,還會(huì)給上級(jí)油料調(diào)運(yùn)增加很大難度,因此結(jié)合戰(zhàn)時(shí)的實(shí)際情況(如敵方對(duì)我打擊等造成的戰(zhàn)損情況)考慮,調(diào)整時(shí)間不應(yīng)低于5小時(shí),同時(shí)考慮到戰(zhàn)時(shí)的時(shí)間限制,調(diào)整時(shí)間不應(yīng)超過12小時(shí)。此外,在作戰(zhàn)開始的20小時(shí)內(nèi),由于諸多不確定因素的存在,油料消耗量將比預(yù)期更大,因此,應(yīng)采取措施加強(qiáng)這段時(shí)間內(nèi)的油料補(bǔ)給。例如,開設(shè)野戰(zhàn)油庫(kù)儲(chǔ)油、利用野戰(zhàn)輸油管線進(jìn)行油料補(bǔ)給等,以確保油料保障工作的順利進(jìn)行。

3結(jié)束語(yǔ)

本文以航空兵場(chǎng)站油料實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量為著眼點(diǎn),將油料保障過程作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮,利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)航空兵作戰(zhàn)油料保障進(jìn)行了建模與仿真,并分析了參數(shù)值改變對(duì)油料保障的影響,為航空兵作戰(zhàn)油料保障提供了定量決策依據(jù)。由于時(shí)間、條件和作者能力有限,文章尚存在構(gòu)建的模型深度和廣度不夠、反饋控制理論與數(shù)學(xué)知識(shí)的應(yīng)用不夠等不足之處,這些都有待在后續(xù)的研究中進(jìn)一步完善。

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