基于CAS理论的装备保障系统结构优化研究

伊洪冰，张爱民，令狐昌应

（军事交通学院，天津 300161）

联合作战是现在和未来一段时期主要的作战样式，一体化综合保障成为我军联合作战装备保障的主要模式[1]。装备保障系统的结构是指装备保障系统各组分及相互之间关系的总合，其内涵主要包括各级各类指挥机构、保障实体，以及装备保障机构之间的指挥控制关系、信息交互关系等。由于系统结构对系统的效能具有很大影响，因此有必要对现行体制下装备保障系统结构进行优化研究，以寻求最大的保障效能。

信息化条件下的装备保障系统，具有动态性、复杂性和自适应性等特点，其结构总是处于变化之中，是一个典型的复杂系统。复杂适应性系统（CAS）理论是复杂系统理论的一个分支，是以计算机模型研究复杂系统时常用的理论[2-3]。运用复杂系统理论，借助现代计算手段，可以较好地解决装备保障系统的结构优化问题。

1 信息化条件下联合作战装备保障系统的特征

信息化条件下的联合作战装备保障系统是由一系列不同军种、不同层次的装备保障机构，按照一定的指挥关系、信息交互与共享的关系构成的。保障机构是由若干指挥人员、保障人员和各种设备组成的人机混合体，具有能动性、自主性和适应性。在信息化条件下，保障机构之间的关系是动态的、复杂的。随着作战环境的演变和作战进程的推进，会有新的指挥控制机构、保障关系、信息交互关系不断产生，同时也有旧的指挥控制机构、保障关系、信息交互关系不断消亡，装备保障系统的结构随之发展到一个新的阶段。由此可知，信息化条件下的联合作战装备保障系统是一个典型的复杂系统。在这个复杂系统中，每一个基本单元或者称为子系统（保障机构）都按照一定的规则自主的、能动的处理遇到的各种情况[4]。在处理各种情况过程中，不同的保障机构之间往往需要进行交互、协作，发生指挥、控制、协同、协调等各种关系。在未来信息化条件下的作战中，战场环境极为复杂，战场情况瞬息万变，往往需要不同的保障单元动态的、自适应地构建临时的联合保障群体去执行随机出现的各类保障任务。各类保障机构根据作战规则动态地产生、消亡、重组的微观行为的总合，就会在宏观上产生保障系统结构演变的“涌现”现象。

2 基于CAS理论优化联合作战装备保障系统结构的方法

信息化条件下的联合作战装备保障系统是一个复杂系统。对于这样一个系统不能采用还原论的方法来研究。在复杂系统理论的指导下，以自底向上的方法建立基于适应性主体（Agent）的计算机模型，通过仿真模拟的手段来研究该类系统是一种可行的方法[5]。该方法的主要思路是:将各类保障机构看成是具有智能性、主动性、适应性的智能主体（Agent）。这些主体按照一定的指挥关系、信息交互关系联结成为一个整体，并按照各自的规则处理各种情况。装备保障系统处理各种情况的过程，可以看成一个多主体构成的信息处理系统联合处理信息的过程。在这个过程中，由于主体间的交互作用、主体的适应性进化导致系统的结构发生演化，系统通过这种演化求得整体性能的优化。以复杂系统理论优化联合作战装备保障系统，就是通过分析研究这种演化过程来指导保障系统的结构优化。该方法的主要步骤[6]如下:

Step1:建立各类保障机构的智能主体模型；

Step2:确定各保障主体的运行规则；

Step3:确定各保障主体之间的连接状态（即建立保障系统的结构）；

Step4:设计作战试验（建立若干作战想定，并把作战任务转化成保障主体能识别、处理的信息形式）；

Step5:进行仿真模拟，令各种保障主体在设定的作战环境中根据规则相互作用、相互影响，共同演化；

Step6:对实验结果数据进行分析，比较不同系统结构的优劣；

Step7:根据分析结果提出假设，并进一步仿真模拟，验证这些假设。

3 案例分析

以机步师山地进攻陆空联合作战装备保障为例，参战部队为陆、空各3个基本战术单位（其装备保障机构可以看作基本节点）。每一个节点都具有一定的资源和能力。

各基本节点的保障资源和负载能力如表1所示。

表1 功能及节点资源能力表

表1种列出了六个基本战术保障单位节点所有的资源，例如从表中可以看出节点1具有10个单位的f1（军械）类资源，2个单位的f3（车辆）类资源，3个单位的f4（工程）类资源，并且具有10个单位的工作负载能力。

这些基本节点相互连接构成保障系统，根据节点之间连接关系的不同，可以形成多种不同的保障结构（部署形式）。如图1所示，在此假定有两种不同的保障结构，一种是传统的层级结构S1，另一种是完全自组织结构S2。

图1 两种保障系统结构

假设在作战过程中，将会随机出现多种类型的事件，如火炮阵地遭敌袭击、运输车队途中遭敌袭击、突破敌前沿装甲装备受损严重、开辟通路工程装备受损等情况。每一个事件发生后都需要一个相应的保障任务应对。每一个保障任务都需要一定的资源、能力需求，任务的执行需要时间并造成执行节点的工作负载。假设各种“事件”按照一定的随机概率出现，并对任务资源、时间的要求也是随机的，并符合一定的概率分布。这些随机任务的参数可以很容易的用“随机数发生器”程序来生成。表 2 所示的是在仿真试验中所用的一组任务数据。其中所需的资源指完成该任务所需要消耗的资源，如任务T1需要的资源为[00004]，指的是完成任务T1不需要表1 中列出的f1～f4类的任何资源，只需要4个单位的f5类资源。

在图1所示的两种保障系统结构中，假设“事件”发生后会被某一个节点探测到。基本节点具有本专业的知识和能力，可以识别并处理本专业的任务；中层节点和高层节点分别具有本集团和全局的知识，可以识别本集团和全局内的任务，但是中、高层节点没有实际的执行能力，需要将任务分配给下一级节点去执行。与同一个信息交互中心连接的节点可以共享信息。在结构S1中，节点不能识别的任务需要逐级上报，直到任务能够被识别，然后任务被层层分解、下发到基本节点去执行，需要协作完成的任务由上级来协调。在结构 S2中，各种任务由基本节点根据规则相互协调，节点不能处理的任务发布到信息交互中心，由其他节点处理或者根据规则联合处理。

表2 任务列表

依照上述内容，分别建立两种指挥系统结构的模型并进行仿真模拟，通过对20个时间单位内随机出现的 6个任务（T1～T6）进行仿真，得到的结果如表 3所示。

表3 任务延迟对比表

由表3可知，当一个任务出现后，不同结构的两种保障系统做出反应的速度是不同的。例如对于任务T4，采用结构S1时，指挥系统在事件发生5个单位时间后才做出反应，而采用结构S2则只需要3个时间单位就能做出反应。

从表4 可以看出，装备保障系统采用不同的结构时，同一个保障节点在执行相同任务序列时所承担的工作量是不同的。例如，结构S1中节点A2需要承担31.3个单位的工作负载，而结构S2中结点A2只承担了13.3个单位的工作负载。采用不同的系统结构，对保障节点的决策能力也提出了不同的要求。例如，在结构S1中节点A1需要完成的决策工作量为4个单位的工作负载，而结构S2中节点A1则需要承担8个单位的决策工作量。

表4 节点负载对比表

4 数据分析与结论

通过对上述数据的分析，我们对保障系统两种结构的性能有如下认识:装备保障系统采用结构S1时，一个任务从出现到被着手处理的时间变化范围比较大，与任务所需要的资源在保障系统中的分布有关；如果所需资源类型较多并且分布在不同的作战保障集群中时，任务决策处理所需要的时间比较长，保障效能较低；而结构S2面对这种情况时所需要的时间则相对较短，保障效能较高。结构S2基本节点的工作负载分布较结构S1均匀，这说明通过全局的协调往往能够令任务的分配更加合理。但是通过表4可以看出，结构S2显然对保障节点的决策能力提出了更高的要求，这说明自适应的作战保障要求保障节点具有更强的决策能力。在仿真模拟的过程中，多次出现若干节点临时组合处理任务的情况，由于初始结构及节点处理规则的不同，导致这种动态协作的效率是不同的，同时对于同一个任务，有时会因初始结构和处理规则的不同，导致不同的节点集合来处理该任务，这也会导致系统的整体性能具有不同的表现。总体而言，结构S1中多个节点进行协作效率低于结构 S2，但是结构 S2要求保障节点具有较高的决策能力。

由上述分析可以看出，采用复杂系统理论可以较好的处理人机结合系统所具有的动态性、复杂性、自适应性等问题。因此，以复杂系统理论分析、优化装备保障系统结构是一种行之有效的方法。

[1]军事科学院世界军事研究部.美军联合作战新构想[M].北京:军事科学出版社,2005.

[2]Milton Harris, Artur Raviv. Organization design[J].Management Science, 2008, 48(7):62-64.

[3]Boettcher K L. An Information Theoretic Model of the Decisionmaker[M]. Lab. For Information and Decision System, MIT,Cambridge, MA. Rep.UDS-TH-I096,July,1981.

[4]Kathleen M Carley, Krachhardt D. A PCANS model of structure in organization[C].Internation sysposium on CCRT, Monterray, CA, 1998:765-772.

[5]Alberts, D.S., Hayes, R.E. Power to the Edge[M].US:CCRP,2003.

[6]方美琪，张树人. 复杂系统建模与仿真[M].北京:中国人民大学出版社,2005.