基于定时Petri网的舰艇保障能力仿真与评估

顾滨兵，郭亚东

（1.解放军91413部队，河北 秦皇岛 066000；2.解放军92117部队，北京 100072）

基于定时Petri网的舰艇保障能力仿真与评估

顾滨兵1，郭亚东2

（1.解放军91413部队，河北 秦皇岛 066000；2.解放军92117部队，北京 100072）

舰艇保障是一种主要依赖后勤技术装备的专业化后勤，也是涉及并行、冲突，并受资源、装配时间等限制的复杂离散事件过程。借助定时Petri网强大的描述能力标记过程中的各种动态行为，在此基础上对包括后勤装备在内的后勤实体、保障任务、保障活动等进行建模，采用编码、转换等手段实现舰艇保障过程仿真，并使用仿真结果对后勤保障能力进行“定量计算”为主的分析评估。

定时Petri网，舰艇保障，变迁，编码

0 引言

本文所述的舰艇保障是指对海军各类舰艇的物资投送后勤保障，主要集中于油料、淡水和各种专用武器、弹药及器材。由于补给条件受限，任务繁重，专业性强，必须借助大量先进的后勤技术装备和完备的专业化后勤保障系统来完成，后勤技术装备的单装性能及其系统的综合保障能力对舰艇保障能力的形成至关重要。

舰艇保障能力仿真，是指通过建模仿真的方法模拟岸基、海上对海军各类舰艇进行保障的全过程，并在此基础上对舰艇保障能力进行以“定量计算”为主的分析评估。

1 舰艇保障能力仿真的主要内容

本文中后勤技术装备主要指为保障舰艇部队物资需求而使用的运输类技术装备及其配套设施。后勤技术装备系统是为完成后勤保障任务而密切配合的一组后勤技术装备。后勤保障能力是指从物资和技术上保障军队建设和作战所能达到的程度，准确评估后勤保障能力对组织后勤保障与建设具有重要意义，但一直是个难题。

本文以舰艇保障为主要研究对象，对物资投送相关因素的组织分配，以及后勤任务各环节的运行流程、完成效率，采用建模、计算机模拟仿真、计算评估的方法加以分析和研究，为海军舰艇保障能力评估引入新的实证手段。

为了更好地采用建模和仿真的手段，本文对后勤技术装备及其舰艇保障进行了必要的归类和简化：

（1）舰艇保障对象主要包括：作战舰艇、舰载机、后勤补给船三大类，在本文仿真中是一类基本的实体；

（2）后勤保障物资主要包括：船用柴油、航空煤油、淡水、导弹（含鱼雷）、普通弹药、普通固体物资；

（3）卫勤保障：伤员后送；

（4）后勤技术装备主要包括：油料加注装备、淡水加注装备、物资运输装备、伤员后送装备四大类，在本文仿真中是另一类基本的实体；

（5）后勤保障任务主要包括：单码头对单舰补给、单补给船对单舰。

本文主要描述点对点补给的仿真，其他如点对多补给、多对多补给受篇幅限制，不纳入本文的描述范围。

（6）后勤保障活动主要包括：船用柴油补给、航空煤油补给、淡水补给、固体物资补给、导弹补给；

（7）后勤保障动作包括：后勤技术装备的组装、拆卸，吊运，货物的搬运等具体操作步骤。

2 后勤保障流程及其事件仿真

2.1 后勤保障任务流程

2.1.1 后勤保障任务

将后勤保障任务（进程）定义为：各后勤技术装备到位开始，到按需将补给物资全部完好地发送到受补对象的全部过程，它是一组后勤保障活动的集合。如图1所示：

2.1.2 后勤保障活动

将后勤保障活动定义为：某型后勤技术装备从到位开始，将某种补给物资不间断地发送到受补对象，直至补给完成的全部过程，它是一组持续进行的后勤保障动作。如船用柴油补给、固体物资补给等。图2列举了典型的后勤保障活动。

一套后勤技术装备但投送了两种物资或两套后勤技术装备同时投送一种物资的都被看作是两次后勤保障活动，如图3所示：

但以下的组合虽然同时包含了物资输送和伤员的后送，但被视作一次后勤保障活动，如图4：

2.1.3 后勤保障动作

将后勤保障动作（事件）定义为：后勤技术装备为完成物资投送所进行的单个操作或行为。本文保障能力仿真以后勤保障动作为最小仿真单元。

2.2 后勤保障过程的建模

1962年德国的C.A.Petri提出一套形式化的建模与分析方法-Petri网方法，它的优势就在于可以清楚地描述系统内部的相互作用，如并发冲突等。本文先归纳定义了后勤保障活动的各种并发情况，再用Petri网方法描述复杂的后勤保障过程。

2.2.1 并行

本文中的并行是指两个或者多个后勤保障活动在同一时刻发生。在后勤保障能力仿真中，并行分为两种情况：

（1）两套或多套后勤技术装备在同一时刻分别补给不同的物资。如同时进行柴油补给和普通固体物资的补给，用Petri网表示为两个或多个不相关的子网；

（2）两套或多套后勤技术装备在同一时刻分别补给相同的物资。

2.2.2 并发

本文中的并发是指两个或者多个后勤保障活动在同一时间段内发生，宏观上同时进行，微观上只能是分时交替执行。

2.2.3 冲突

本文中的冲突包括以下情况：

（1）同一后勤技术装备不能同时补给两种或两种以上的物资；

（2）补给资源受限不能同时补给两种或两种以上的物资，如受补舰艇上只有一个油料加注口时，不能同时进行船用柴油和航空煤油的补给；

（3）两个或者多个后勤保障活动由于后勤业务的危险等限制不能在同一时间段内发生，比如油料补给与弹药补给、油料补给与导弹补给不能同时发生等。

2.2.4 优先级

本文采用优先级比较的方式处理冲突，包括以下类型优先级：

（1）人工选择船用柴油补给和航空煤油补给的优先级，处理油料加注口冲突；

（2）人工选择导弹、普通弹药、普通固体物资的优先级，处理后勤技术装备等的补给冲突；

（3）伤员后送与物资补给的搭配采用两种模式，伤员后送与物资补给同时进行或伤员后送优先进行；

（4）人工选择干货优先或液货优先，处理油料补给与弹药补给不能同时补给等业务危险操作冲突。

在仿真中，前2种采用令牌授权方式，后2种采用规定变迁的扫描顺序的方式来实现。

3 基于定时Petri网的舰艇保障能力仿真

3.1 Petri网与定时Petri网

3.1.1 Petri网

一个Petri网（PN）可表示为一个六元组，PN=（P，T，F，W，M，M0），其中：

P={p0，p1，p2，…，pm}是有限库所节点的集合，m≥0。

T={t0，t1，t2，…，tn}是有限变迁节点的集合，n≥0。

F⊆（P×T）∪（T×P）（F只存在于集合 P与集合T之间）为有向弧集，表示节点流关系。

W：F→{1，2，…}（F 到自然数的映射）为有向弧的权函数。

M：P→{1，2，…}（集合 P 到非负整数的映射）为状态标识，用令牌或托肯表示。

M0：P→{1，2，…}（集合P到非负整数的映射）为初始状态标识。

对 PN=（P，T，F，W，M，M0），用网 N=（P，T，F，W）标识Petri网的结构，网（N，M）成为标识Petri网，实际就是一个二元有向图。

3.1.2 定时Petri网（TPN）

定时Petri网（TPN）就是把时间参数引入Petri网，时间参数的引入有两种方式，一是每个库所关联一个时间参数；二是每个变迁关联一个时间参数。本文采用第2种。

定时 Petri网（TPN）可表示为TPN（PN，），其中，PN是一个Petri网，是TPN的时间参数，表示变迁t的时间参数，本文中（t）根据不同的变迁设置不同的时间值。

3.2 后勤技术装备系统保障过程的Petri网描述

（1）图5是油料补给的Petri网描述：

（2）图6为同时进行船用柴油补给和航煤补给的并行Petri网描述：

（3）图7为普通固体物资补给、普通弹药补给、导弹补给并发情况的Petri网描述：

（4）图8是油弹不能同补（发生冲突）的Petri网描述：

（5）定时Petri网的描述就是在变迁（菱形表示）出附上时间值，时间值又分为参数给定、预先计算和实时计算3种，这里就不再赘述了。

4 舰艇保障能力仿真与评估的设计与实现

4.1 模型库

本文对后勤保障对象、后勤技术装备、后勤技术装备系统、后勤补给任务、后勤技术活动以及物资消耗、兵力行动等进行抽象，提取若干参数，分别建立了相应的模型。如表1为补给船的参数模型。

4.2 采用编码设计的状态变迁

本文对Petri网中的状态变迁（后勤保障操作）进行了编码处理，如：

表1 补给船模型参数

4.2.1 基本状态变迁的编码处理

后勤保障操作的编码为6位数，表示为：αβγ##（-）？，含义如下：

（1）α表示后勤保障任务类别编码，如1表示岸船补给；αβ表示后勤保障活动的类别编码，如11表示岸船柴油补给；γ表示后勤技术装备编码，如4表示吊车；那么αβγ表示后勤保障活动的编码，如222表示海上航煤补给。

（2）##表示同型号的装备流水编号，如2号吊车，14402表示在码头用2号吊车对作战舰艇进行普通固体物资补给。

（3）？表示补给过程（有时便于描述前面用'-'隔开），如1表示安装过程等，如144011=表示补给码头上1号吊车对作战舰艇进行普通固体物资补给，正在进行挂钩作业。

4.2.2 并行、冲突、优先级等的编码

如：常规弹药（/导弹）与油料不能同时补给

164**-（1～4）/154**-（1～4）/155**-（2）/159**-（2）与 111**-（1～4）/122**-（1～4）

遵循补给过程不能中止的原则，冲突关系在安装阶段处理，因此，具体的冲突关系规则如下：

164**-（1～4）/154**-（1～4）/155**-（2）/159**-（2）中任意阶段，111**-1/122**-1不能开始；

再如对优先级，优先选择优先级高的进行补给，当前补给内容完成后，对优先级次低的依次补给，优先选择优先级高的进行补给（假设导弹优先级〉弹药优先级〉物资优先级）：

1A4**-1〉1B4**-1〉1C4**-1/////吊车，A〉B〉C

那么 164**-1〉154**-1〉144**-1////使用吊车时，先运导弹，再运常规弹药，最后物资

4.2.3 后勤保障活动的编码表示

下面以3个示例来说明后勤保障活动的编码及其转换：

注：假设A为导弹，B为常规弹药，C为普通固体物资，并暂定优先级A〉B〉C。

（1）如柴油补给，不管是岸船补给还是海上补给，后勤保障操作及其顺序是一样的，因此，表示为：*11##-0、1、2、3（待补柴油 =0）、5

（2）如岸船常规弹药吊车补给，表示为：1B4##-0、1、2、3、4、1（待补常规弹药!=0）|［1C4##-1（待补常规弹药=0，待补物资!=0）］|5（待补常规弹药=0，待补物资=0）

常规弹药补给完成后自动转入普通固体物资的补给。

（3）如海上导弹直升机补给（含伤员后送）：2A7##-0、1、2、3、277##-1（待送伤员!=0）|［2A7##-4（待送伤员 =0，待补导弹!=0）、1］|2B7##-4（待送伤员=0，待补导弹=0，待补常规弹药!=0）］|2C7##-4（待送伤员=0，待补导弹=0，待补常规弹药=0，待补物资!=0）|5（待送伤员 =0，，待补导弹 =0，待补常规弹药=0，待补物资=0）

导弹补给完成后转入常规弹药补给。

4.3 后勤保障流程的设计与实现

图9为岸船物资补给的保障流程，本文对流程进行了设计与实现，其中定时Petri网的实现依靠时间钟进行依次扫描变迁点燃的方法实现，实现结果如图10所示。

4.4 保障能力仿真结果

本文利用仿真过程数据，将半定性、半定量的问题转化为定量计算，对舰艇保障能力分析和评估。典型的仿真结果如图11～下页图14。

5 结论

由于受补对象和所处环境的限制，舰艇保障具有鲜明的特征。本文使用定时Petri网进行过程描述，通过舰艇保障过程仿真获取定量数据，进行舰艇保障能力分析评估，为未来海军后勤发展战略提供参考依据。

［1］肖田元，范文慧.离散事件系统建模与仿真［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［2］丁晶，郭亚东.外国海军航母后勤保障现状与发展趋势［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［3］王维平，朱一凡，华雪倩，等.离散事件系统建模与仿真［M］.长沙：国防科技大学出版社，1997.

［4］李冬梅，程存学，严代彪.基于MAS的后勤保障仿真系统设计［J］.火力与指挥控制，2012，37（9）：169-171.

［5］黄国梁，周强.基于Petri网的散货码头出口工艺系统建模与仿真［J］.港口装卸，2007，173（3）：35-37.

［6］吴晓东，周磊山，乐逸祥，等.基于Petri网的战役机动铁路输送仿真［J］.系统仿真学报，2007，19（3）：665-667.

TPN-Based Simulation and Evaluation of Logistics Support Ability for Naval Warships

GU Bin-bing1，GUO Ya-dong2
（1.Unit 91413 of PLA，Qinhuangdao 066000，China；2.Unit 92117 of PLA，Beijing 100072，China）

Logistical support for warships is a specialization process mainly depending on logistical equipment，and it is a complicate discrete event procession involving parallel，conflict，resources restrictions，assembly time restrictions，etc.A variety of dynamic behavior in logistical process has been marked by TPN which has a strong ability to describe these behavior.Based the description，the models of logistics entities，logistics tasks，and logistic activities are established，the simulation of logistics process is realized by methods of coding，transforming，etc. ，and analysis and evaluation to logistical support for warships are accomplished by simulation results.

TPN（Timed Petri Net），logistics support for warships，transition，coding

TP31；TJ8

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.20

1002-0640（2017）11-0091-06

2016-09-30

2016-11-15

顾滨兵（1978- ），男，江苏启东人，硕士，高级工程师。研究方向：软件工程、计算机仿真。