保障使命任務分解與流程集成方法研究＊

馮浩源 呂衛民 江式偉

（1.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001）（2.海軍航空工程學院飛行器工程系 煙臺 264001）

1 引言

在保障使命分解方法研究方面，目前的分解方法包括：按區域分解法、按目標分解法、按功能分解法、按活動類型分解法等［1］。這些方法可以將使命分解到具體的子任務或者原任務程度，如圖1所示。

圖1 使命任務分解示意圖

根據此圖可以很直觀的看出使命構成，從而為軍事保障需求分析奠定基礎。但是這些方法均不能動態反映構成使命的子任務間的關系，分解的子任務為靜態孤立的任務模型，不能滿足對軍事保障需求動態分析的要求，對保障能力進行評估時存在評價指標難以客觀綜合的突出問題。

在流程集成方法研究方面，目前大都采用排序論等方法，雖然可以求得確定條件下技術準備工作中輔助裝備的最佳數量配置，以保證技術準備任務的按時完成和輔助裝備的較高利用率［2］。但由于實踐過程中，環境條件、保障設備條件以及保障人員狀態都是隨著時間發生變化的，因此必須將靜態的流程轉化為動態的流程集成模型，根據實際條件實時的給出最優流程，保證保障任務的順利、高效完成。

保障流程這樣的離散事件系統所表現出來的復雜性是很難通過采用某種單一的傳統技術來完全體現的，而Petri網則以其特有的處理離散事件系統的能力而備受關注，因其既可較好的體現系統的靜態結構，又可通過托肯的觸發運行來表現系統的動態特征，再加上豐富的數學理論支持及眾多的分析技術，使之成為離散事件系統優秀的建模、分析和仿真工具［3］。

因此，本文提出了一種基于保障模式組合的保障使命分解方法，并選取DoDAF產品中的OV－5視圖，對任務進行分解，以得到具體活動集合。在得到活動集合并完成資源集成的基礎上，通過構建基于Petri網的流程動態規劃模型，以完成實時優化保障任務流程的目標。

2 保障使命任務分解與建模

2.1 保障使命分解

由于保障的最終目標是完成對作戰使命任務的支持，因此對于保障體系使命的分解，可以參考作戰使命分解為作戰模式的方法，將保障使命分解為數種保障模式，保障模式通過組合的方式完成對作戰模式的支撐。

同時考慮到實際的保障工作通常是一項保障任務圍繞一種主戰裝備開展的工作模式，可以將保障模式直接分解到對應各類型主戰裝備保障任務的層次上?？梢姡瑢τ谔囟ǖ淖鲬鹑蝿眨鶕鲬鹉Ｊ娇梢缘玫絽鹬鲬鹧b備的數量與類型，據此可以得到此時為完成使命的保障模式組合，即保障任務的組合，如圖2所示。

圖2 保障體系使命分解圖

2.2 保障任務靜態建模

將保障使命分解到任務層次后，對保障任務進行靜態建模。根據任務的形式化描述方法，對保障任務的形式化描述需要四方面信息：目標描述、裝備描述、活動描述以及活動間關系描述。為對其進行形式化的描述，現對如下內容進行定義：

定義1（保障任務）對于任何一個保障任務，其都可被形式化描述為一個四元組

其中，TO＝｛TO1，TO2，…，TOn｝表示保障任務的目標集合；TE＝｛TE1，TE2，…，TEn｝表示保障任務的裝備集合；TA＝｛TA1，TA2，…，TAn｝表示保障任務的活動集合；TR＝〈SeqR，CndR，AndR，OrR，ConcR，SynR，CycR〉表示作戰任務的活動間關系集合。

定義2（保障任務的目標）保障任務的目標指保障任務的完成條件或目標，對于不同的目標，用TOi（i＝1，2，…，n）表示。

定義3（保障任務的裝備）保障任務的裝備是指參與完成保障任務活動的各類裝備所構成的集合，用（i＝1，2，…，n）表示。

定義4（保障任務的活動）保障任務的活動是保障任務的基本元素，具有不可分割性和特定目標性。它是指在滿足一定的條件下，可由一定的保障系統根據相關的規則、條例、條令完成過程動作。保障任務的活動可以用TAi（i＝1，2，…，n）表示。

定義5（保障任務活動間的關系）保障任務活動間的關系是指保障任務活動之間的相互約束和邏輯關系，即順序關系（SeqR）、條件關系（CndR）、與關系（AndR）、或關系（OrR）、并發關系（ConcR）、同步關系（SynR）、循環關系（CycR）。

美國國防部體系結構框架DoDAF為體系結構的描述、表示及作戰行動和業務運作過程的集成定義了一種通用的途徑［4］。DoDAF由20多個產品構成，這些產品分別從作戰視圖、系統視圖和技術視圖對體系結構進行描述，根據任務描述需求在DoDAF框架中選取適當產品。

為描述任務目標和任務活動，選取OV－5任務活動圖，OV－5能夠實現對任務目標的集合TO＝｛TO1，TO2，…，TOn｝以及任務活動的集合TA＝｛TA1，TA2，…，TAn｝的描述；為描述任務裝備，選取OV－2任務節點圖、OV－4組織關系圖以及OV－3任務信息交互矩陣，通過以上三個視圖，可表現保障裝備的集合TE＝｛TE1，TE2，…，TEn｝及集合內元素間的信息交換；為描述任務活動間關系，選取OV－6c任務事件跟蹤描述圖，OV－6c圖涵蓋了與活動間關系TR＝〈SeqR，CndR，AndR，OrR，ConcR，SynR，CycR〉相關的信息。

選取OV－5用于構建任務靜態模型。對美軍航母航空保障的典型任務進行分析并對任務的活動進行形式化描述后，可建立該任務的OV－5活動樹狀圖，如圖3所示。

圖3 OV－5任務活動樹狀圖

2.3 保障任務分解

1）任務分解原則

（1）原則一，目標原則

以原任務關聯到具體目標為依據，當具體目標的執行被分解到某一任務時，該任務可以優先確定為原任務。

（2）原則二，任務空間維度原則

從任務執行空間的維度進行進一步的分解，以全面考慮任務執行可能的情況。

（3）原則三，階段劃分原則

階段劃分是對任務執行過程與序列行動的考慮，在任務分解過程中從任務執行或實現的階段劃分來考慮是否需要進一步分解得到原任務。

（4）原則四，任務區域或方向原則

任務區域或方向原則是對保障主體進行以執行任務過程可能的路徑選擇、行進方向選擇和任務區域選擇的考慮。

根據美軍航母航空保障使命特征，主要依據階段劃分的原則進行任務分解，在任務的分解過程中綜合考慮原則一、原則三和原則四。

2）分解過程

定義1保障任務兩個外部節點，分別為下達保障指令，以及確定保障任務結束。

定義2保障任務的輸入為保障模式和保障規模，它們來源于外部節點，輸出為任務結束，去向另一個外部節點。根據定義1、2美航母航典型對岸作戰保障任務的前后關系圖如圖4所示。

圖4 OV－5任務前后關系圖

對岸作戰保障這一任務進行分解，其下包含四個子任務，分別為：計劃準備、保障出航、起飛作戰和返航回收，如圖5所示。

圖5 對岸作戰保障任務的分解視圖

在這里可以根據需要選取繼續對這四個子任務繼續分解，如圖6～9所示。

圖6 計劃準備準備子任務分解視圖

3 基于Petri網的保障流程集成模型

通過前面使命任務分解與建模的工作，得到了具體的保障活動集合，為了優化組織活動以便高效地完成任務，需要完成資源集成、業務流程規劃與資源配置。為此，本文提出了一種基于Petri網的流程集成模型。

圖7 保障出航子任務分解視圖

圖8 起飛作戰子任務分解視圖

圖9 返航回收子任務分解視圖

3.1 保障流程集成模型的概念視圖

為清楚地顯示模型的輸入輸出關系，作其概念視圖，如圖10所示。

圖10 保障流程集成模型的概念視圖

保障流程集成模型由三大模塊組成，即保障活動TA；保障資源TBi，包括：保障裝備TE，保障人員TP和特殊資源TS（空間、備品配件等）；流程動態規劃模型。

保障活動TA已經通過保障使命任務分解與建模獲得，其參數構成為

其中XBi為保障資源需求（類型、數量）；XTi為保障活動消耗的時間；XCi為前置后續條件，即要求活動在另一項活動之前或之后才能執行的條件；BWi為保障活動完成次數標記；PRi為活動優先級，即活動在業務流程規劃時的優先等級。

保障資源TB是所有保障成員共享的資源，通過信息化系統將體系資源聚合為一體，形成可互換可共享的資源池，供流程動態規劃模型統一調配使用。保障資源TB的參數構成為

其中BLi為保障資源類型；BRi為保障資源的可用性標記（可用標記為1，不可用標記為0）。

流程動態規劃模型的輸入是由使命任務分解模型提供的任務活動集合和由資源集成得到的資源集合，其輸出是業務流程與資源配置方案，下面介紹具體建模過程。

3.2 流程動態規劃模型

用Petri網進行調度屬于混合型優化方法［5］，首先以Petri網為工具對系統進行分析、建模，然后利用啟發式算法對模型可達圖進行搜索，最終獲得有效并優化后的調度結果，即業務流程與資源配置方案。

1）Petri網結構模型的建立與簡化

時間Petri網分為時間與庫所相關聯（TPPN）和時間與變遷相關聯（TTPN）兩種，本文采用TTPN作為建模工具。TTPN為六元組［6］，PN＝（p，T，F，W，M0，D），其 中p＝｛p1，p2，L，pm｝為一個有窮的庫所集，用以表示系統中的資源或狀態；T＝｛t1，t2，L，tn｝為一個有窮的變遷集，用以代表事件或操作；F?（P×T）∪（T×P）為網中的流關系；W：F→｛1，2，3，L｝為一個表示權重的映射函數；M0：P→｛0，1，2，L｝是系統的初始標志；D：P→R＋表示和變遷關聯的時間集。在TTPN中，系統的動態行為依賴于變遷的實施序列，而變遷延遲時間的累加即為實施序列的總延遲，因此變遷實施序列是決定系統性能高低的關鍵因素。

根據保障活動TAi的保障資源需求XBi和前置后續條件XCi，運用Petri網建模工具建立保障活動的Petri網結構模型，如圖11所示。

圖11 保障活動的Petri網結構模型（部分）

為了進一步簡化模型描述，根據模型內部結構具有相似性的特點，采用等價結構壓縮技術［7］簡化模型描述，得到壓縮后的模型如圖12所示。如圖可見壓縮后的模型既保持了子網結構的全部邏輯關系，又顯著降低了模型描述的復雜性，有利于對模型結構的理解和仿真程序的設計。

2）調度策略的優先級表達

圖12 壓縮后的保障活動的Petri網結構模型（部分）

調度策略的實質是資源占用的沖突消解，最終目標是給出包含資源最優分配策略的任務活動安排，即最優業務流程。本文提出了一種以優先級表達調度策略的方法，即為每一個變遷賦予一個唯一的優先級標記，在資源占用發生沖突時，比較沖突變遷的優先級，優先級高的變遷得以執行，優先級低的變遷則繼續等待。采用優先級表達調度策略的突出優點是計算量極低且具備全局性，有利于提高優化算法的尋優速度和降低啟發式算法落入局部最優的可能性，同時也能直觀地表達變遷的重要程度，為目標優化提供有益的參考。

3）基于粒子群算法的調度策略優化算法

本文采用粒子群算法來求解最優調度策略，粒子群算法是典型的啟發式搜索算法，是解決完全N－P問題的有效方法，適用于非線性、不可微甚至不連續的函數的優化，能以較大的概率求得全局最優解，該算法還具有較強的魯棒性、全局收斂性和隱含并行性以及廣泛的適應性。

粒子群算法的思想是，粒子在解空間中運動，通過跟蹤個體極值和群體極值更新個體位置。粒子每更新一次位置，就計算一次適應度值，并且通過比較新粒子的適應度值和個體極值、群體極值的適應度值，更新個體極值和群體極值的位置。

假設在D維空間中，由n個粒子組成的種群X＝（X1，X2，…，Xn）T，其中第i個粒子表示為一個D維的向量Xi＝（Xi1，Xi2，…，XiD）T，其代表該粒子在D維搜索空間的位置，根據目標函數計算每個粒子位置對應的適應度值。第i個粒子速度為Vi＝（Vi1，Vi2，…，ViD）T，其個體極值為Pi＝ （Pi1，Pi2，…，PiD）T，種 群 全 局 極 值 為Pg＝（Pg1，Pg2，…，PgD）T。在每次迭代中，粒子個體極值和群體更新自身的速度和位置公式為

其中，w為慣性權重，d＝1，2，…，D；i＝1，2，…n為當前迭代次數；c1、c2為加速度因子；c1、c2為［0，1］區間隨機數。

4 實例

本例中的對岸作戰保障任務由38個相關活動構成，保障資源共2類，包括：保障人員8人，其中A類3人，B類3人，C類1人，D類1人；主要緊缺資源有A、B、C三類。首先將與保障任務相關的資源占用情況轉化為0－1描述的狀態向量，獲得的初始狀態向量作為流程動態規劃模型的初始狀態值；然后隨機取得優先級向量作為粒子群算法的輸入；之后設定迭代次數為300，粒子群數為20，每個粒子的維度為38；最后進行仿真計算，算法迭代過程如圖13所示。

圖13 粒子群算法迭代過程

在粒子群算法70次迭代以后，對岸作戰保障任務的總時間已經保持不變，模型已經得到了最優解，即對岸作戰保障任務最短總時間為89分鐘，最終得到最優業務流程如圖14所示。

圖14 對岸作戰保障任務最優業務流程

5 結語

保障使命任務分解與流程集成研究，具有重大的現實意義。本文在目前系統工程主要研究成果基礎上，運用美國國防部體系框架（DoDAF），給出了保障使命分解的原則與建立保障任務靜態模型的方法，在任務分解的基礎上，建立了保障任務靜態模型，提出了基于Petri網的保障集成建模方法，給出了模型的概念視圖，介紹了流程動態規劃模型的建立方法，運用上述模型與方法對實際案例進行分析與應用，驗證了模型和方法的有效性，對保障使命任務分解與流程集成研究提供了一種參考，具有現實的支持意義。

［1］宋太亮.裝備保障性系統工程［M］.北京：國防工業出版社，2008：2－3.

［2］劉純貴，陶勇剛.作戰飛機多級機務準備流程優化方法研究［J］.航空維修與工程，2006（1）：33－34.

［3］CHEN Jyh－horng，FU Li－chen，LIN Ming－hung.Petri net and GA based approach to modeling，scheduling，and performance evaluation for wafer fabrication［J］.IEEE Trans.Robot.Automat.，2001，17（5）：619－636.

［4］Cebrowski Arthur K.VAdm USN，Garstha John J.Network Centric Warfare：Its Origin an Future.Proceedings of the Naval Institute，1998，124（1）：28－35.

［5］CHEN Hao－xun，IHLOW J，LEHM ANN C.A genetic algorithm for flexible job－shop scheduling［A］.Proceedings of the 1999IEEE International Conference on Robotics ＆ Automation［C］.Detroit：IEEE，1999：1120－1125.

［6］Sun T H，Cheng C W，Fu L C.A Petri net based approach to modeling and scheduling for FMS and a Case Study［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，1994，41（6）：593－601.

［7］DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architec－ture Framework Version 1.5Volume II［Z］.2007－04－23.