某航空兵場站機載彈藥保障仿真研究

張孟月，張玉飛，徐鈺華，于官印

(北京航空工程技術研究中心，南京 210028)

0 引言

機載導彈、航空炸彈等機載彈藥作為航空兵遂行空中進攻任務的主要武器裝備，在未來戰爭中地位重要、作用突出，是直接影響航空兵部隊戰斗力的重要因素。作為戰時機載彈藥保障的重要力量，航空兵場站能否及時、高效、精準、持續地實施機載彈藥保障，已經成為影響戰爭勝利的關鍵因素之一[1-2]。對航空兵場站機載彈藥保障效能進行客觀科學的評估，從而實現評估、反饋、決策、調整、再評估的管理閉環，是當前軍事斗爭準備亟需解決的問題。

在航空兵場站機載彈藥保障效能評估過程中，由于涉及的環節和要素較多，而且各環節和要素相互耦合，導致系統狀態的變化具有多重性和不確定性，因此通常使用計算機仿真的方法對這類復雜系統進行定量評估[3-6]。計算機仿真具有高可靠、無破壞、可重復實施、經濟效益好等優點，是系統評估的有效手段之一。在彈藥保障仿真方面，當前主要是針對某種裝備的保障系統進行設計[7-9]，對同時擔負多種類型裝備保障任務的建制保障力量的仿真研究較少。本文對保障多種類型機載彈藥的某航空兵場站進行了研究，并基于Flexsim軟件設計開發了某航空兵場站機載彈藥保障仿真系統，為評估其系統效能提供了有力支撐。

1 仿真需求描述

機載彈藥保障是指機載彈藥保障力量為空中作戰提供機載彈藥并保持其完好狀態所采取的各種措施和進行相應活動的統稱。機載彈藥保障力量由具體實施保障活動的機構、人員、設備、設施等要素構成，具有系統的一般特征。

某航空兵場站機載彈藥保障主要由所屬的兩個保障機構具體實施，分別擔負不同類型彈藥的保障任務。兩個保障機構各有若干個專業中隊，共同配合完成飛機作戰所需機載彈藥的供應保障工作。該航空兵場站機載彈藥保障的顯著特點是彈藥類型多、各型彈藥保障過程差異大，這些特點給資源投入決策、戰斗力評估等工作帶來了極大挑戰。

對于保障系統中的彈藥、設備、人員及設施，只需要關注它們的特定狀態以及狀態變化經歷的時間，例如彈藥的裝箱狀態、啟封狀態、完成測試狀態、待發狀態，保障資源的分配、占用與釋放狀態等，而并不關心這些狀態改變的具體過程，因此航空兵場站機載彈藥保障力量具有離散事件系統的一般特征[10-11]。本文基于商業化離散事件仿真軟件Flexsim，開發某航空兵場站機載彈藥保障離散事件仿真模型。Flexsim軟件中預置了發生器、暫存區、處理器、吸收器及合成器、分解器、路徑等資源類固定實體，分配器，操作員，運輸機等任務執行實體，網絡節點等網絡控制模塊，創新運用這些實體模塊，可有效模擬機載彈藥保障過程中保障對象的流轉和有限資源被分配、占用和釋放的活動[12]。通過對該場站機載彈藥保障力量及其保障活動進行模擬，并基于蒙特卡洛仿真，科學評估不同保障方案的效果，對擬定保障訓練方案、優化保障資源配置、選擇最佳保障模式提供技術支持。

2 仿真模型建立

2.1 仿真模型框架

某航空兵場站機載彈藥保障仿真建模的主要內容包括保障任務模型、機載彈藥模型、保障資源模型和保障活動模型四個方面[13]，如圖1所示。

圖1 仿真模型框架

圖2描述了框架內四種模型之間的關系。可將航空兵場站機載彈藥保障力量看作是一個抽象系統[14]，機載彈藥模型和保障資源模型模擬了航空兵場站機載彈藥保障力量的系統結構，上級下達的保障任務作為系統輸入激勵，在保障過程的控制下，系統的行為響應即是保障效果。

圖2 模型之間的關系

2.2 保障任務模型

保障任務模型以航空兵場站機載彈藥保障機構領受的保障任務為建模描述對象，是仿真運行的驅動力。對于任務級軍事單位而言，可將系統仿真模式設置為當任務完成時模型自動停止運行。

任務模型建模內容主要包括任務的下達和執行兩個子模型。任務下達模型是以適當的形式表現任務的產生、任務內容、任務約束以及任務成功條件等內容，是驅動仿真過程中各種活動的主要動力。在保障機構1和保障機構2的入口模塊上建立可更新的任務列表，分別代表兩個機構領受的保障任務，其要素包含了需要保障的彈藥型號、保障數量、時限要求等任務剖面，運輸裝載方式、保障模式等約束條件，以及到達指定地點數量成功條件等內容。

任務執行通過遍歷查詢任務列表方式進行。以保障機構2保障過程為例，通過任務模型下達若干種型號的機載導彈保障任務并啟動仿真模型后，保障機構2的啟封模塊將開始查詢保障機構2入口上的任務列表，若任務列表中尚有某種彈藥的剩余保障任務數大于0，那么啟封模塊將根據彈藥保障特性，從保障設施模型下的設備間模塊申請運彈拖車資源并啟動啟封任務。當完成一枚導彈啟封工作后，任務列表中相應彈型的剩余保障任務數減1，并重復查詢任務列表→開始執行保障任務→該型號彈藥保障任務數減1的過程，直到保障列表中所有任務條目的剩余保障任務數為0，此時啟封模塊不再申請運彈拖車資源。已啟封的彈藥在完成剩余保障步驟后模型將停止運行，即完成了任務列表中所有的保障任務。

2.3 機載彈藥模型

機載彈藥模型是對保障對象的建模，包括對其可靠性、維修性、保障模式等保障性參數進行描述，并能夠通過所給參數，模擬彈藥故障、修理等活動。

作戰飛機通常可以掛載多種型號彈藥，每種彈藥的保障過程、保障內容都不盡相同，因此，本文在建模過程中，采用面向對象的方法，將機載彈藥的可靠性、保障性等參數綁定在彈藥模型上。通過對Flexsim中的臨時實體進行改造，加入各環節保障時間、裝載方式、可靠性、維修性參數等相關信息標簽，以及通過標簽表建立的各種保障流程，構建起用于保障仿真的機載彈藥模型。在仿真過程中，保障資源將根據綁定在彈藥實體上的屬性標簽值進行相應的保障活動。這些標簽條目在運行過程中可以讀或寫，也可以動態地加入新的條目。總之，與彈藥相關的信息都可以記錄在彈藥模型上。從面向對象的角度出發，這種將信息封裝到實體上的方式還有更多的用處，可以在機載彈藥模型上建立一些函數，通過函數來完成更為復雜的功能，比如在本系統中，實現了根據給定完好率自動選擇保障模式的仿真應用，為保障資源優化提供了決策支持。

2.4 保障資源模型

保障資源模型主要用于對各種保障資源的分類、定量、配置和優化，以及設備工作過程的模擬，通常考慮的資源包括人員、設備、設施等。

2.4.1 人員模型

機載彈藥保障離不開各類指揮員和操作員，是戰斗力的重要組成部分，其數量和能力對系統保障效能有極大的影響。人員模型開發主要包括三個方面的內容：單兵模型、建制模型和任務分配模型。

單兵模型是通過對Flexsim模塊庫中的操作員進行改造實現的，加入所屬專業、熟練程度等屬性標簽。

建制模型的開發過程采用了資源池的概念。在仿真開始前為兩個保障機構下屬的每個中隊添加足夠數量的單兵模型，形成保障機構1和保障機構2兩個建制模型下若干個中隊人員池。中隊模型領受任務后，自動將任務分配至相關人員，并形成作業組。

任務分配模型共分三步走。首先，將各中隊人員按工作需要分為多個作業組，并指定每個組的人員數量，在模型重置時，自動將中隊所屬保障人員逐一指派到具體崗位，形成精確到每個保障人員的詳細任務分配列表。第二步，建立人員聯系方式。任務分配到具體人員后，在模型中建立一個樹結構，其節點內容是每個保障人員在內存中的地址(即指針)，模型中任何代碼只需要根據這個指針便可與對應人員建立起聯系。第三步，將保障活動關聯的任務分配器通過指針動態地與保障人員建立連接。在Flexsim仿真環境中，一個或多個保障活動需要調用人員或運輸設備時，通常與一個任務分配器進行連接。任務分配器相當于一個任務中轉站，模擬了實際保障活動中的指揮員角色。保障活動進行時，僅需調動分配器即可完成操作員調度，從而實現任務的精準分配。

2.4.2 設備模型

保障設備是指機載彈藥保障過程中使用的裝備、設備、儀器、儀表及專用工程車輛等。本研究涉及的機載彈藥保障設備，主要是在航空兵場站機載彈藥保障活動中使用的裝卸搬運、檢測維修、技術準備和外場供應等設備，是執行保障任務的物質基礎。

設備模型主要內容包括建立各型設備實體模型和設備數量控制模型。設備實體模型主要通過對Flexsim軟件預置的復合處理器、操作員以及可視化模塊進行改造獲得，以完成對實際使用的運輸、檢測等設備的模擬。為后續評估設備數量對系統效能的影響，要求參與仿真的設備數量是動態可控的，本文中，價值昂貴、數量較少且使用過程中位置不變的設備，直接將足夠數量的設備預置到模型中，通過控制設備是否激活來控制數量；對于數量較多，且仿真時數量變化較大，不宜在模型開發時預置到模型內的設備，通過建立保障資源列表的方式，在仿真運行初始化時動態產生。

2.4.3 設施模型

從仿真角度看，主要研究兩種設施，一是庫房，二是道路。庫房模型主要考慮其容量和吊裝方式。道路模型包含諸多因素，包括道面狀況、距離等，從離散事件系統角度出發，都可以歸結到運輸時間變量。可通過設置模型中兩個網絡節點之間的虛擬距離來模擬道路距離，結合速度限制設置，就可以模擬出運輸時間。

2.5 保障活動模型

保障活動模型是對航空兵場站機載彈藥保障機構在領受保障任務后，調動保障資源，按照相關規定要求實施保障作業，完成保障任務的一系列過程的模擬。保障活動建模的核心是保障流程模型。在進行機載彈藥保障過程中，必須嚴格按照工作流程進行操作。建立保障流程模型主要包含兩方面工作：一是流程的建立與決策，二是流程的執行與控制。

保障流程與彈藥類型有關，因此將保障流程作為彈藥模型對象的屬性，具體實現方法是將流程作為標簽表與彈藥模型進行綁定。以機載導彈保障流程為例，流程模型主要包括導彈實體產生、裝配、測試、加油等模型。

1)導彈實體產生：假設在庫房已預置足夠數量的導彈，即導彈是成批到達的，在仿真初始化時，根據預設資源參數產生相應種類和數量的彈藥實體。

2)裝配模型：將部分與彈體分離存放的部件重新與彈體進行組裝，可利用Flexsim的合成器實現。

3)測試模型：在技術準備過程中，若導彈被檢測為不合格時，將被轉移至修理房進行修理，然后進行下一枚導彈測試。由于測試過程步驟較多，且涉及檢測不合格需修理的問題，可用Flexsim內置的復合處理器實現。

4)加油模型：對導彈的性能狀態完好進行確認后，交付作戰使用前需要加注燃料。可抽象為時間延遲，用Flexsim的處理器模塊實現。

戰場態勢瞬息萬變，彈藥保障流程也不能一成不變，因此，為兼顧仿真的方便和實際情況的逼真模擬，可在彈藥模型上建立多套保障流程模板，仿真時可以指定某一種保障流程，也可以根據給定條件自動選擇相應的流程。

④東線、中線一期工程受水區都是水資源極為緊缺地區，在充分考慮受水區經濟社會發展水平和社會承載能力的前提下，要合理利用外調水水價的杠桿作用，促進受水區水資源的節約、高效配置和生態環境保護。

3 仿真系統實現與應用

3.1 仿真系統實現

在仿真模型的基礎上，開發了系統控制模塊、數據統計及顯示模塊，實現了某航空兵場站機載彈藥保障仿真系統，其結構如圖3所示。

圖3 某航空兵場站機載彈藥保障仿真系統

控制模塊模擬了導演部的功能，包括作戰進程控制(單個波次、多個波次)、下達機載彈藥保障任務和保障部隊保障資源的配置方案等內容。

數據處理部分根據彈藥模型在內存中的地址值引用到對應的彈藥，進而跟蹤各枚彈藥實時位置，極大方便系統運行效率監控。由于仿真通常是運行多次后取其統計值，所以模型運行過程中把完成保障的彈藥上的保障時間結果暫時寫入全局表中，仿真完成后可導入其他程序進行分析。多次仿真后對仿真結果進行統計處理，可得到比較可信的評估結果。

3.2 仿真應用

3.2.1 問題提出

為滿足機載彈藥裝備日常和作戰保障作業需求，加強保障設備精細化、規范化、標準化建設，提高設備列裝效益，需對高價值設備的配備數量及比例進行定量研究。

現有某型導彈保障過程中需要使用的3種測試設備，由于該類型設備價值較高，通常每種設備在每個場站僅配發1至2臺，則共有8種配備方案，見表1。

表1 三型設備不同的配備方案

該型導彈需要執行表2所示的8個保障環節，且各環節序貫進行。各環節保障所需時間分布、所需使用的保障設備數量及測試結果的不合格率如表2所示，其中需要研究的3種設備分別用于綜合測試、部件1和部件2測試。假定人員數量充足、操作熟練。庫容充足。

表2 某型導彈保障流程參數

3.2.2 仿真結果

對于部隊作戰保障而言，任務完成時間是優先考慮的目標。設第1種配備方案情況下完成N枚彈藥保障的時間為T1，第i種配備方案情況下完成N枚彈藥保障的時間為Ti，則不同配備方案條件下完成N枚該型彈藥保障需要的相對時間可表示為：

ti=T1/Ti

考慮到人員熟練程度、設備故障等因素，彈藥保障的各環節時間服從正態分布。本文基于蒙特卡羅方法對每種方案均進行多次仿真，并對結果進行統計分析。

將不同配備方案條件下保障40枚該型彈藥的時間與方案1條件下的保障時間的比值繪制成曲線，如圖4所示，曲線位置越靠下，表明完成相同任務所需的時間越短。

圖4 保障40枚某型導彈時間曲線

從圖4可以看出：

1)僅增加某一種或兩種設備，對總的保障時間影響很小，只有三種設備同時增加時總的保障時間才會明顯縮短。因此制定設備購置計劃時，為避免設備閑置，若增加其中一種設備數量，另外兩種也應相應增加訂貨。究其原因，主要是綜合測試和部件1測試、部件2測試3個環節所需的時間相當，由于保障流程是序貫進行，耗費時間最多的環節就是系統的瓶頸所在。

2)雖然綜合測試與部件1、部件2測試環節所需時間相當，但綜合測試環節檢測結果為不合格的概率要遠大于部件1和部件2測試環節，因此，若僅增加三種設備中的一種，則增加綜合檢測設備數量時保障時間更短。

4 結束語

本文從分析某航空兵場站機載彈藥保障力量組成要素及其保障過程特點出發，開發了基于Flexsim的某場站機載彈藥保障離散事件仿真模型，并針對具體問題進行了應用。目前該模型已在作者參與的多個研究項目中得到應用，通過對彈藥模型和保障資源進行適應性的調整，也可應用于其它類似的保障系統。