基于三階段過程模型的軍交運輸體系建模

孫 棟，李敏堂，王 駿，郭智慧，卜顯軍

(1.總后軍事交通運輸研究所，天津 300161;2.濟(jì)南軍區(qū)空軍裝備部軍通處，山東 濟(jì)南 250000;3.解放軍92956部隊，遼寧 旅順 116041)

近年來，軍交運輸信息化建設(shè)不斷發(fā)展，現(xiàn)代載運裝備技術(shù)與信息化水平快速提升，軍交運輸各系統(tǒng)間的互聯(lián)互通和綜合集成趨勢顯著增強(qiáng)，滿足信息化條件下作戰(zhàn)及保障力量投送需求的軍交運輸建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入探索體系能力“涌現(xiàn)”的新階段。同時，軍交運輸體系復(fù)雜性問題也日益凸顯，大量、高密度的交互與關(guān)聯(lián)、長時間的跨度規(guī)劃等問題密集出現(xiàn)，如何運用體系建設(shè)思維，全新認(rèn)識并規(guī)劃軍交運輸體系建設(shè)以滿足保障需求具有重要意義。

體系建模是認(rèn)識和理解體系復(fù)雜性的重要途徑，也是規(guī)劃體系建設(shè)發(fā)展和優(yōu)化體系構(gòu)成的基礎(chǔ)，倍受國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注［1-4］。目前，在體系建模研究上還沒有被眾多學(xué)者普遍認(rèn)可的通用方法［5］，每種方法都有各自適用的問題和范圍，如應(yīng)用于美軍后勤補(bǔ)給系統(tǒng)、生產(chǎn)與配送系統(tǒng)的基于Petri-Nets的過程建模分析方法，應(yīng)用于解決體系的架構(gòu)與集成問題的系統(tǒng)建模語言(SysML)，等等。應(yīng)該說，體系的研究，還沒有從根本上建立體系的通用描述、設(shè)計方法以及體系行為分析途徑［6］。

體系建模，不僅要考慮體系中單個系統(tǒng)的局部功能，體系多個系統(tǒng)之間的動態(tài)制約關(guān)系，更重要的是要描述多個系統(tǒng)的涌現(xiàn)行為以及體系對于任務(wù)的適應(yīng)能力［7］。本文在分析梳理軍交運輸體系概念內(nèi)涵和體系特征的基礎(chǔ)上，運用體系層次劃分模型和三階段過程模型，分別從定義階段、抽象階段和實施階段對軍交運輸體系建模方法進(jìn)行了研究，搭建了體系建?？傮w框架，建立了軍交運輸體系概念抽象模型，并對軍交運輸體系問題建模仿真方法進(jìn)行了分析，為軍交運輸體系的規(guī)劃建設(shè)提供了新的途徑和思路。

1 軍交運輸體系

1.1 軍交運輸體系內(nèi)涵

體系，也被稱之為由系統(tǒng)組成的系統(tǒng)(System of System)，是目前大多數(shù)大規(guī)模集成體(包括系統(tǒng)、組織、自然環(huán)境、生態(tài)體系等)普遍存在的結(jié)構(gòu)形態(tài)［8］，盡管已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界普遍承認(rèn)和重視，但是至今也沒有一個普遍接受的明確定義。文獻(xiàn)［8］在綜合分析多個相關(guān)定義和觀點后，指出體系是處于某一動態(tài)負(fù)載環(huán)境中多個實體(包括系統(tǒng)、平臺、決策者等)為通過各自有目的的行為完成其共同的使命而形成的整體。

根據(jù)對體系概念的理解，可以對軍交運輸體系進(jìn)行如下定義:以綜合運用鐵路、公路、水路、航空等運輸方式共同完成軍事交通運輸保障任務(wù)為使命，由國家和軍隊的陸路、水路、空中等交通運輸實體(包括系統(tǒng)、平臺、決策者等)構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)、相互作用、相互制約的有機(jī)整體。

1.2 軍交運輸體系特征描述

軍交運輸保障需要統(tǒng)籌大量的軍用和民用運輸資源，涉及鐵路、公路、水路、航空等多個運輸領(lǐng)域，是典型的開放式復(fù)雜巨系統(tǒng)，在構(gòu)成要素上，既包括飛機(jī)、車輛、船舶鐵路線路、機(jī)場、場站、公路、港口碼頭等各種載運工具和基礎(chǔ)設(shè)施，也包括軍隊和地方管理人員、運營人員、輸送部隊等相關(guān)人員;在系統(tǒng)目標(biāo)上，在確保滿足軍事運輸需求的同時，也要滿足自然環(huán)境目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和社會目標(biāo)等;在系統(tǒng)環(huán)境上，既包括軍事環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境、自然環(huán)境等外部環(huán)境，包括資源環(huán)境(如機(jī)場、車站、港口布局)、運輸組織狀況等內(nèi)部環(huán)境;在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上，既包含了很多不同層次的子系統(tǒng)和元素，各要素之間的相互關(guān)系也是相當(dāng)復(fù)雜的。同時，軍交運輸體系也包含很多異構(gòu)性、獨立運行且分布式的實體和系統(tǒng)，具有典型的體系特征，把握這些特征對于體系的建模和評價具有重要的指導(dǎo)意義。表1對軍交運輸體系特征進(jìn)行了梳理描述。雖然，軍交運輸體系還具有軍民融合、平戰(zhàn)結(jié)合、作戰(zhàn)和后勤保障任務(wù)雙重性等重要特征，但是由于本文側(cè)重于從體系的角度對其開展研究，這些特征將不在此做重點描述。

表1 軍交運輸體系特征描述

2 體系三階段過程模型原理

2.1 體系構(gòu)成與層次劃分模型

體系層次的劃分以及對各組成部分間交互與連接關(guān)系的描述是進(jìn)行體系建模的前提條件。本文在借鑒D.Delaurentis提出的 ROPE(Resource，Operation，Policy and Economics)原模型［9］的基礎(chǔ)上，結(jié)合軍交運輸體系自身特點，構(gòu)建了 ROPI(Resource，Operation，Policy and Ideology)模型，用來描述軍交運輸體系構(gòu)成各層次劃分關(guān)系。

將體系的組成系統(tǒng)劃分為4類，分別為資源系統(tǒng)、運行系統(tǒng)、政策系統(tǒng)和意識系統(tǒng)。在4類系統(tǒng)上劃分了4 個層次，運用希臘字母 Alpha(α)、Beta(β)、Gamma(γ)和Delta(δ)來標(biāo)示。α層要素通過網(wǎng)絡(luò)與交互連接的集成決定了β層的構(gòu)建;同樣，γ層是β層網(wǎng)絡(luò)交互連接的集成;δ層是γ層網(wǎng)絡(luò)交互連接的集成，如表2所示。

2.2 三階段過程模型方法

三階段過程模型方法將體系建模方法分為3個階段:定義階段，主要是理解體系內(nèi)涵和體系特征，確定體系類型，劃分體系層次，分析體系現(xiàn)狀和存在問題等;抽象階段，主要是描述體系中的實體、影響干擾因素以及實體間的相互關(guān)系等，旨在于通過抽象分析體系中的各要素實體，理清體系復(fù)雜脈絡(luò);實施階段，主要是實例化抽象階段所描述的實體模型和仿真環(huán)境，進(jìn)行建模仿真并對體系進(jìn)行測試。三階段過程模型框架如圖1所示。

表2 ROPI模型體系系統(tǒng)分類和層次劃分

圖1 三階段過程模型框架

3 軍交運輸體系三階段過程建模方法

軍交運輸體系涉及國家和軍隊多個獨立運行交通運輸部門及其管理系統(tǒng)，要素多元，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅涉及車輛、船舶、飛機(jī)、基礎(chǔ)設(shè)施等物理實體要求，也包括運輸管理部門、航務(wù)公司等相關(guān)的組織實體要素。通常的建模方法往往難以理清其紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組織及運行關(guān)系，運用結(jié)構(gòu)化、階段式的三階段過程建模，將有助于從總體上理解軍交運輸體系結(jié)構(gòu)層次、要素構(gòu)成和運行關(guān)聯(lián)，為軍交運輸體系的建設(shè)、運行和發(fā)展提供科學(xué)決策參考。

3.1 定義階段

定義階段旨在理解軍交運輸體系結(jié)構(gòu)、組成與運行狀態(tài)，劃分體系中的系統(tǒng)類型和體系層次。本文運用ROPI層次劃分模型對軍交運輸體系進(jìn)行定義和描述，如表3所示，并對軍交運輸體系資源系統(tǒng)進(jìn)行了圖例化說明，如圖2所示。

3.2 抽象階段

抽象階段旨在與充分理解體系內(nèi)實體以及實體之間的相互關(guān)系，進(jìn)行抽象分析并建立概念模型。根據(jù)定義階段的分析，體系中的實體不僅包含資源實體，而且包括運行實體以及環(huán)境實體等。根據(jù)三階段過程模型方法，可以從內(nèi)部與外部兩個方面對軍交運輸體系實體進(jìn)行描述，將體系內(nèi)實體劃分為兩類:運輸資源實體和運行機(jī)構(gòu)實體，并將體系外實體劃分為兩類:積極因素和消極因素，如圖3所示。

表3 軍交運輸體系層次劃分模型

圖2 軍交運輸體系資源系統(tǒng)

運輸資源實體是指由軍隊和地方用于鐵路、公路、水路、航空軍事運輸保障的各類運載工具、保障裝備以及交通線路基礎(chǔ)設(shè)施等資源要素，包括鐵路車輛、公路車輛、船舶、飛機(jī)、交通線路、車站貨場、機(jī)場碼頭以及其他交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備與保障裝備等。軍交運輸組織運行機(jī)構(gòu)是指為開展軍交運輸工作而設(shè)立的軍隊和地方相關(guān)管理組織及保障機(jī)構(gòu)，主要包括總部、軍區(qū)、軍兵種及部隊的軍交運輸管理機(jī)構(gòu)，各類軍交運輸專業(yè)部分隊，交通戰(zhàn)備機(jī)構(gòu)，交通專業(yè)保障隊伍等。積極和消極因素是指不在體系控制范圍之內(nèi)影響體系運轉(zhuǎn)的有利和不利環(huán)境，積極因素包括經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、體制完善等，消極因素包括運輸任務(wù)量大、作戰(zhàn)環(huán)境惡劣、不利天氣地理因素等。

3.3 實施階段

實施階段主要通過運用建模仿真方法將定義階段和抽象階段建立的軍交運輸資源網(wǎng)絡(luò)、軍交運輸組織指揮運行網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)以及影響因素進(jìn)行實例化仿真模擬，選擇適合的建模與模擬方法以及體系性能測度是實施階段的關(guān)鍵。軍交運輸體系的復(fù)雜性來源于鐵路、公路、水路、航空等系統(tǒng)各層次各組成部分間的交互關(guān)聯(lián)，而對這種由要素交互形成的復(fù)雜性問題分析可以借鑒Rouse［10］提出的四種復(fù)雜系統(tǒng)分析視角:層次映射系統(tǒng)視角、狀態(tài)不確定系統(tǒng)方程視角、非線性系統(tǒng)模型視角和自治主體模型視角。由于軍交運輸體系的復(fù)雜性，很多問題的分析都需要集成多種不同的分析理論和方法，如圖4所示。

圖3 軍交運輸體系概念抽象模型

圖4 軍交運輸體系分析視角及理論方法

其中，系統(tǒng)動力學(xué)方法主要通過因果關(guān)系圖、存儲與流動力學(xué)模型描述系統(tǒng)的反饋機(jī)理，因而特別適用于軍交運輸體系業(yè)務(wù)模型時間演化分析;網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方法為分析軍交運輸體系中不同關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫阅芎脱莼瘷C(jī)制提供了數(shù)學(xué)手段;基于Agent建模方法可以對自治主體進(jìn)行獨立定義，在分析軍交運輸體系涌現(xiàn)性方面具有突出的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

軍交運輸保障是后勤保障的中心環(huán)節(jié)，也是保障打贏的關(guān)鍵要素之一。在信息化條件下，運用體系建設(shè)思維，深入開展軍交運輸體系研究，分析軍交運輸體系基本問題，掌握軍交運輸體系基本特征，摸清軍交運輸體系建設(shè)基本規(guī)律，搞好軍交運輸體系發(fā)展規(guī)劃，對于提升軍交運輸整體保障能力具有重要意義。三階段過程體系建模方法，從體系要素、體系環(huán)境、體系結(jié)構(gòu)等方面對軍交運輸體系進(jìn)行描述，可使人們從更深層次上理解和認(rèn)識軍交運輸體系復(fù)雜性問題，有助于軍交運輸體系的建設(shè)發(fā)展和規(guī)劃。但是軍交運輸體系研究才剛剛起步，本文對于軍交運輸體系建摸的研究也只是一個初步的探討，其中很多建模仿真方法的應(yīng)用還僅僅停留在概念分析上，還需要針對其具體的演化、涌現(xiàn)、評估等問題開展更為深入的系統(tǒng)研究和實際運用，這些將是以后軍交運輸體系研究中的重點內(nèi)容。

［1］ Cesare Guariniello，Daniel DeLaurentis.Dependency A-nalysis of System-of-Systems Operational and Development Networks［J］.Procedia Computer Science 2013，16:265-274.

［2］ Kasey Faust，Dulcy M.Abraham，Dan DeLaurentis.Assessment of stakeholder perceptions in water infrastructure projects using system-of-systems and binary probit analyses:A case study［J］.Journal of Environmental Management，2013，128:866-876.

［3］ Daniel A.DeLaurentis，William A.Crossley，Muharrem Mane.Taxonomy to Guide Systems-of-Systems Decision-Making in Air Transportation Problems［J］.Journal of Aircraft.2011，48(3):760-770.

［4］ Jamal Elhachmi，Zouhair Guenoun.Distributed Frequency Assignment Using Hierarchical Cooperative Multi-Agent System［J］.Communications，Network and System Sciences，2011，4(11):727-734.

［5］ Delaurentis D.Understanding transportation as a Systemof-Systems design problem［R］.43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting， Reno， Nevada， 2005， AIAA-2005-0123.

［6］ 張維明，劉忠，陽東升，等.體系工程理論與方法［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［7］ 黃金才，張勇，張送保，等.復(fù)雜體系的復(fù)合建模方法研究［J］.計算機(jī)仿真，2010，27(11):65-68.

［8］ 游光榮，張英朝.關(guān)于體系與體系工程的若干認(rèn)識和思考［J］.軍事運籌與系統(tǒng)工程，2010，24(2):13-20.

［9］ Delaurentis D A，Callaway R K.A.System-of-systems Perspective for Future Public Policy［J］.Review of Policy Research.2004，21(6):829-837.

［10］ Rouse W.Engineering complex systems:implications for research in systems engineering［J］.IEEE Transportation on Systems，Man and Cybernetics-Part C Applications and Reviews，33(2):154-156.