加油站策略下的海上运输补给规划仿真研究

董 鹏，黄佳帅，吴 翀，余 鹏

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

海上横向补给是目前海上运输运用最为广泛的一种物资运输方式，相较于其他海上补给方式，其主要具有物资运输效率高、运输物资种类多的特点。然而，横向补给的运输效率受制于物资的运输顺序以及舰船的补给顺序，本文致力于研究GS 策略下的横向补给规划研究，寻找出最优的补给顺序，提高补给效率。

目前，关于海上补给的研究中，主要有构建模型解析求解、仿真研究两种。解析求解应用的更为广泛，其中运用旅行商［1-2］、最短路径［3-5］、排队论与随机步长［6-8］的方法最为常见。关于仿真研究，国外存在许多专门针对海上补给过程建立的仿真模型。Brook 构建了编队后勤协同保障系统，主要模拟了编队的物资消耗与即时补给过程［9］。Hall 建立了编队后勤保障系统，通过交互窗口，允许使用者根据实际情况分别设置不同规格的舰艇编队，不同的保障能力［10］。而国内关于海上补给的仿真系统研究还较少，且主要集中于单舰的补给作业仿真，侯洪涛等针对海上补给的实际作业，开发了海上补给的虚拟训练系统［11］。本文聚焦于编队内补给，通过考虑物资出入库时间，更加细致化海上运输过程，但由于物资甲板排队的出现，导致补给时间不确定，解析法难以求解。

针对上述问题，采用多智能体建模的方法进行解决，构建多智能体进行建模，通过智能体之间的信息传递和流程衔接，很好地解决时间不确定问题。同时，考虑平时、战时的区别，分别建立不同目标下的补给规划，平时的补给规划问题不确定性较小，以完成补给时间最短为目标建立模型。战时，需要考虑作战效能的特殊需求、物资的优先级等问题，以战斗效能最大为目标。

1 GS 策略下的海上运输补给分析

海上横向补给策略根据在补给过程中接收舰与补给舰在编队内的相对位置不同，分为送报男孩策略（DB）、加油站策略（GS）、巡回牧师策略（CR），如图1 所示。DB 策略下，补给舰驶向接收舰进行补给，接收舰保持原有战位；GS 策略下，接收舰驶向补给舰，补给舰保持原有战位；CR 策略下，接收舰和补给舰都离开原有战位，驶向约定地点进行补给。其中，GS 策略操作简单，对补给舰的机动性要求低，更易于操作，本文主要以GS 策略下的海上运输补给作为研究对象。

1.1 GS 策略下的海上补给流程分析

GS 策略下的海上运输补给作业中，补给舰在接收到补给命令时，补给舰保持原有位置不变，各艘待补给的作战舰艇按照约定的补给次序先后脱离自身战位，驶向补给舰所在位置进行补给。接收舰到达补给阵位后，架设传送带，物资由补给舰舱室出库至左弦或右弦甲板，通过传送带运输至接收舰甲板并入库，同时载运货框通过传送带返回，直至当前接收舰所有物资需求运输完毕，撤除传送带，当前接收舰离开补给阵位。

通过流程分析，将运输补给分为接收舰接近、物资出库、架设传送带、物资运输、载具返回、物资入库、撤除传送带、接收舰离开8 个作业环节。

1.2 GS 策略下海上补给特点分析

GS 策略属于横向补给的一种，横向补给过程需要执行架设传送带等作业，在平时的补给过程中，为了节约时间，减少补给装备架设等作业的重复，在物资数量能够满足所有接收舰物资需求时，会选择将当前接收舰的所有物资需求都补充完毕后，再进行下一艘接收舰的物资补给。因而在平时的补给规划中，可以将单艘接收舰的物资补给顺序和接收舰的补给顺序分步骤进行研究，先求解单舰的最优物资补给顺序，再将物资补给顺序带入整体仿真模型中，求解接收舰最优补给顺序。在战时的补给规划中，由于补给时间的限制，为了最大化作战效能，引入“效时比”的概念，通过计算效时比=作战效能/（出库时间+运输时间+入库时间），将每艘接收舰的需求物资进行效时比排序，优先补给效时高的物资，从而得出单舰的物资运输顺序，再带入整体仿真模型中，求解具体的时间限制下的最优补给顺序。

GS 策略下的海上运输补给由于补给舰保持自身战位，接收舰前来补给，所以可以根据情况同时对两艘接收舰进行补给，因为现代补给舰在设计过程中，其左弦、右弦都具有单独实施补给作业的能力和具体的设备，进行双舰同时补给可以很大程度上提高海上运输补给的整体效率。

图1 海上补给策略

2 GS 策略下的海上横向补给模型构建

根据GS 策略的双舰同时补给的特点，按照补给舰所需要实现的不同功能，将其拆分为了3 个智能体，分别为“控制台”、“补给左弦”、“补给右弦”，接收舰则根据多艘待补给的情况，设置为“接收舰”智能体群。

2.1 “控制台”智能体

“控制台”智能体主要为了实现接收舰补给顺序的确定和左右弦物资出库的管理。因为尽管补给舰实现了双舰同时补给，但却是共用补给舰上的出库系统，因此，需要对左右弦物资出库的顺序进行管理。

“控制台”智能体设置有接收舰补给顺序、当前接收舰补给数量、接收舰完成补给数量、左弦空闲、右弦空闲等变量。按照其需要实现的功能，设置“确定补给顺序”、“当前出库阵位”两个状态图。“确定补给顺序”状态图，负责确定接收舰的补给顺序，并分配接收舰的补给阵位，左弦或是右弦。“当前出库阵位”状态图，通过判断左右弦甲板的物资数量，物资数量少的进行出库这一判断规则，确定当前出库的物资是左弦补给物资或右弦补给物资。

图2 “控制台”智能体状态图

2.2 “补给左弦”、“补给右弦”智能体

“补给左弦”、“补给右弦”智能体在功能上完全一致，为了便于仿真，将两者分别设立为单一智能体，下文统称为“补给”智能体，主要完成物资出库、物资运输活动。

“补给”智能体主要设置有各类物资出库速率等参数，以及甲板物资数量、物资需求、物资出库顺序、效时比排序、当前接收舰等变量。根据其所需要实现的活动及需要完成的信息传递及状态判断，设置有“物资出库”、“物资运输”、“运输判断”、“抵达判断”、“目标判断”、“出库判断”6 个状态图。“物资出库”状态图，负责完成物资的出库活动。“物资运输”状态图，负责完成物资运输至接收舰活动。“运输判断”状态图，负责通过检查“接收舰”甲板是否产生拥堵，判断是否能够进行物资的运输。“抵达判断”状态图，负责通过消息的接收，判断接收舰有没有抵达补给阵位。“目标判断”状态图，负责通过消息的接收，来判断“控制台”是否已经给当前弦位（左弦、右弦）分配了补给目标。“出库判断”状态图，负责通过消息的接收，判断是否由当前弦位的补给物资进行出库。

2.3 “接收舰”智能体

由于实际补给过程接收舰的数量绝对大于1，因而设置由多个相同性质的“接收舰”智能体构成的“接收舰”智能体群，主要负责前往补给阵位、架设/撤除传送带、物资运输、物资入库活动。

“接收舰”智能体设置有各类物资入库速度、战斗效能、位置、物资需求等参数，甲板物资数量、当前运输物资、当前入库物资等变量。根据其所需要执行的行为，设置了“前往阵位”、“物资运输”、“物资入库”、“运输判断”4 个状态图。“前往阵位”状态图，负责根据“控制台”分配的补给阵位前往左弦或右弦进行补给，并进行架设/撤除传送带作业。“物资运输”状态图，负责完成物资的运输作业。“物资入库”状态图，负责完成物资的入库作业。“运输判断”状态图，负责通过判断甲板物资数量是否造成拥堵，判断物资运输是否可以进行，并将消息传递给“补给”智能体。

图3 “补给”智能体状态图

图4 “接收舰”智能体状态图

2.4 单舰测试仿真系统

单舰测试仿真系统，作为测试单艘接收舰补给的最优物资顺序仿真系统，仅需要在整体仿真系统中限定接收舰船数量为1，限定整体仿真系统只对一艘特定接收舰进行所有需求批次物资的补给，进行参数变化实验，就可得出单舰的最优物资补给顺序。

2.5 参数变化实验

由于无论是平时还是战时，接收舰的物资补给顺序都已给定，因而大大提高了系统仿真的效率，仅需要分别改变舰船的补给顺序。平时的补给总时间最短目标下，通过改变每次仿真的接收舰补给顺序，迭代10 000 次实验，搜索时间最短的补给顺序。战时的补给作战效能最大化目标下，通过每次仿真随机改变每艘接收舰船的物资补给数量以及接收舰补给顺序，迭代10 000 次实验，搜索作战效能最大的物资补给顺序。

3 案例分析与仿真

设定一个正在海外执行任务的舰艇编队，作战舰船合计6 艘，编号接收舰0～5，由一艘补给舰进行伴随补给，假设舰船所需武器弹药总计为4 类，编号物资1～4，补给舰的物资储备充足，无需进行编队外补给。为了方便衡量不同物资的作战效能，物资数量统一为运输批次，物资的出/入库速度计量单位统一为min/每批次物资。先需要分别寻找出平时最短时间目标下和战时最大作战效能下的补给顺序。编队内的各接收舰所需物资数量如表1 所示，合计需要59 批次的物资。

补给舰在编队内的相对位置设定为（300，300），物资1～4 的出库速度为（10，15，20，30），各批物资的运输时间假设相同，都为15 min，补给舰甲板物资容量设定为4 个批次物资，其中左右弦分别为2 个批次。

表1 物资需求表

表2 接收舰信息

接收舰编队内相对位置，物资1～4 的入库速度、作战效能如表2 所示，各个接收舰的甲板物资容量都设定为2 个批次物资。

根据单舰测试结果，每艘接收舰的最优物资补给顺序并不唯一，实验中仅选取任意一组补给顺序，作为整体仿真系统的输入值，选取的接收舰0～5的最优物资补给顺序分别为{{1，1，4，1，3，2，1，3，1}，{2，3，2，3，3，4，4，3，4，1}，{1，3，3，3，4，4，2，4，4，2，2}，{2，3，2，2，3，4，4，4，4，1}，{1，1，4，1，4，2，3，2，2，2，2}，{2，2，2，3，2，4，1，1}}。根据计算，各接收舰对应物资效时比如表3 所示。

表3 物资效时比

将单舰最优物资补给顺序输入整体仿真系统，进行平时最短时间目标下的参数变化实验，每次仿真随机改变接收舰补给顺序，迭代10 000 次实验，结果如图5 所示。完成所有批次物资需求所需要最小时间为991.433 min，接收舰补给顺序即补给路径由先到后为（接收舰2，接收舰3，接收舰1，接收舰5，接收舰4，接收舰0），补给过程都为双舰同时进行补给。而不进行补给规划情况下，完成所有批次物资的时间消耗可以达到最高1 173.433 min，比优化后的补给顺序多消耗182 min，补给规划能够有效地减少补给时间消耗。

图5 基于平时目标下的参数变化实验

将各接收舰的物资效时比排序输入整体仿真系统，进行战时最大作战效能目标下的参数变化实验，设定运输截止时间为500 min 时，每次仿真随机改变每艘接收舰船的物资补给数量以及接收舰补给顺序，迭代10 000 次实验，结果如图6 所示。500 min 时，通过运输规划所能够取得的最大作战效能为336，接收舰补给顺序即补给路径由先到后为（接收舰2，接收舰3，接收舰4，接收舰5），选择补给4艘舰船，补给物资数量对应为（11，10，5，2），补给过程都为双舰同时进行补给。同时，仿真结果可以得出，不进行补给规划情况下，500 min 时的最低作战效能为234，比优化后的效能值低102，补给规划可以有效地提高补给的作战效能。

图6 基于战时目标下的参数变化实验

由上述仿真结果表明，利用多智能构建仿真模型，能够很好地解决GS 策略下的海上运输补给规划问题，能够在不同的环境下显著提高补给的整体效率。

4 结论

本文通过GS 策略下的海上运输补给规划研究，建立海上运输补给仿真模型，构建参数变化实验，能够有效地提高海上运输补给效率。但本文的研究还有一定的局限性，文中并未对3 种不同的横向补给策略进行对比分析，未对DB、CR 策略下的海上补给规划进行优化研究，下一步考虑继续使用多智能体建模的方法，对横向补给规划问题进行系统研究与分析。