基于MAS的航天发射任务组织指挥效能仿真与评估研究

罗小明， 贺 平， 惠小博

（1.装备学院 航天指挥系，北京101416； 2.装备学院 研究生管理大队，北京101416； 3.63752部队）

航天发射任务组织指挥，是指航天发射任务指挥员及其指挥机关为完成一项航天发射指挥任务所进行的掌握判断、决策筹划、计划组织、协调控制、应急情况处置、试验总结与评估等一系列特殊的组织领导活动。航天发射任务组织指挥，根本目的是正确部署和合理使用参试力量，协调一致地完成航天发射任务。运用科学的方法对航天发射任务组织指挥效能进行仿真与评估，及时发现并解决组织指挥过程中存在的主要问题，对优化各环节的信息活动、决策活动、组织活动和控制活动，进而提高航天发射任务组织指挥效能具有十分重要的现实意义。

1 航天发射任务组织指挥能力的总体构成

构建航天发射任务组织指挥能力评估分析框架，可采用“任务设计”和“概念驱动”模式［1］，首先需要界定和把握航天发射任务组织指挥能力的基本概念。组织指挥能力的定义为：是指指挥员及其指挥机关实施指挥活动所具有的实际能力。主要包括情报获取与处理能力、筹划决断能力、计划组织能力以及控制协调能力等［2］。

基于信息系统的航天发射任务组织指挥能力主要由3个层次的能力构成，它们按照适当的比例和方式组合起来，形成整体大于各部分之和的涌现能力［3］：①信息基础支撑能力是依托网络化信息系统，将各种参试单元、参试要素聚合形成整体高效组织指挥的能力，主要包括信息获取能力、信息处理能力、信息存储能力、信息传输能力、信息分发管理能力、信息利用能力、信息安全保密能力和导航定位能力。②要素能力是指在信息基础支撑能力的支持下，不同层次的指挥员和指挥机关在组织指挥过程中在不同侧面上必须具备的一般能力。结合航天发射任务组织指挥的概念及其能力内涵，本文从掌握判断能力、决策筹划能力、计划组织能力、协调控制能力、应急情况处置能力、试验总结与评估能力出发，构建了航天发射任务组织指挥要素能力评估指标体系。③任务指挥能力是指根据航天发射任务组织指挥模式，综合集成各种要素能力，高效顺畅地遂行发射任务的能力。为适应不同发射任务组织指挥效能评估的需要，可将效能评估指标分为组织指挥效率指标、组织指挥质量指标、组织指挥稳定性指标、组织指挥人员素质及人员结构指标4类［4］。

2 航天发射任务一体化组织指挥模式分析

航天发射任务组织指挥主要有3种模式：①集中式组织指挥模式，主要指总部具体实施组织指挥，各发射场承担不同任务，发射场内各部（站）承担具体任务的三级组织指挥模式。②分布式组织指挥模式，是指在统帅部授权下组建航天发射联合组织指挥部，由联合组织指挥部统一组织发射场、测控基地及参试军兵种部队及其他参试力量实施发射任务。③一体化组织指挥模式是指依托无缝链接的网络化信息系统，实现各参试部队间的信息共享、资源融合、分布决策、整体联动的航天发射任务组织指挥。一体化组织指挥模式强调以网络化的信息系统为支撑；整合指挥体制，整合信息流体系；由单级封闭集中式决策方式向多级开放式分布式联合决策转变，由计划控制为主向实时动态控制为主转变，由以定性为主的经验评估向定性定量相结合的综合评估转变。

一体化组织指挥模式与分布式组织指挥模式相比，一是联合的层次向下延伸，分布式模式的联合体现在总部级、发射场／测控基地／参试军兵种级，在发射场／测控基地／参试军兵种内部的指挥依然按照金字塔式的指挥结构，而一体化模式通过网络化信息系统可以实现参试的各层次的单元实现整体联动；二是参试力量可以实现以任务为牵引、动态和模块化式的组合；三是参试力量编成更为融合。分布式模式实施发射任务时，虽然在一定程度上实现联合，但是参试部队仍在自身建制内参与试验，这种联合是系统间的联合；一体化模式将打破参试部队建制不同的限制，实现混编的深度联合。因此，一体化模式代表了未来航天发射任务组织指挥模式的总体发展趋向。

3 航天发射任务组织指挥效能评估的MAS建模

Agent是分布式计算环境下复杂系统建模的一种有效方法。基于MAS的建模与仿真通过对实体间的交互建模实现对体系的整体建模，并得到体系的整体“涌现”行为［5－6］。它是一种自底向上的建模方法，通过将系统及环境中的实体抽象成具有反应性和主动性的Agent，再用合适的MAS体系结构来组装它们，从而建立整个系统的仿真模型，实现对系统整体行为的模拟［7－8］。目前，基于MAS的建模与仿真技术已成为复杂系统问题研究较为有效的方法之一。

从MAS的角度分析，航天发射任务组织指挥可以抽象为2大类要素，即组织指挥模式和组分系统功能与性能。将航天发射任务组织指挥的各组分系统抽象为Agent，则组织指挥模式确定了Agent的种类以及Agent之间的级联关系，组分系统功能与性能确定了相应Agent的属性和功能行为。Agent的功能行为主要受航天发射任务组织指挥能力中要素能力和信息基础支撑能力的影响。基于MAS的效能仿真模型中各指挥Agent间的级联关系在仿真实验过程中通过Agent的交互规则来体现。

航天发射任务组织指挥效能评估的MAS的组织结构既包含集中式结构的MAS系统，也包含分布式结构的MAS系统，属于一种混合式的MAS结构。在航天发射任务组织指挥效能仿真系统中，需要设置的Agent主要包括：任务管理Agent、参试部队指挥Agent（联指指挥Agent、总部指挥Agent、基地指挥Agent、军兵种指挥Agent、部（站）指挥Agent）、固定测试Agent、固定发射Agent、机动测发Agent、固定测控Agent、机动测控Agent、通信Agent、综合保障Agent和界面交互Agent。航天发射任务一体化组织指挥模式的MAS结构如图1所示。

图1 航天发射任务一体化组织指挥模式MAS结构

按照Agent功能行为模型，将航天发射任务组织指挥分为4个过程，即制订计划过程、协调控制过程、形成决策过程和综合保障过程。构建一体化组织指挥模式交互规则如图2所示。在一体化组织指挥模式中，综合保障过程中的招标工作由提出保障请求的部（站）Agent负责，部（站）Agent和综合保障Agent可以自行协同，共同完成航天发射任务。

图2 航天发射任务一体化组织指挥模式交互规则

4 仿真实例分析

4.1 效能评估指标选取

为简化起见，本文着重考察组织指挥效率指标，主要从时间维度来评估航天发射任务的组织指挥效能，即根据航天发射任务的特点，选择时间响应性作为航天发射任务组织指挥效能的评估指标。发射任务总时间等于组织指挥时间、测试时间、发射准备时间、综合保障时间之和。

4.2 仿真工具选择

Netlogo是一个可编程的、能够模拟自然界和社会领域各类复杂对象行为演化规律的建模与仿真平台。NetLogo是由美国西北大学开发的跨平台多元素可编程的建模软件，是由Uri Wilensky在1999年发起的，由连接学习和计算机及建模中心不断完善和更新。NetLogo特别适合对随时间演化的复杂系统进行建模，尤其适合于复杂性系统的仿真开发［9－10］。

基于NetLogo强大的功能和便捷的可操作性，本文采用NetLogo仿真平台对航天发射任务组织指挥效能进行仿真与评估。

4.3 仿真与评估实例分析

下面，针对航天发射任务组织指挥的3种模式，进行效能仿真实验与评估分析。

4.3.1 各指挥节点参数设置

假设各指挥节点的参数设置情况如下。

1）总部指挥节点从接到发射需求方的发射请求到制订发射任务总体方案时间Tzp～N（6.0，1.22）（Tzp为服从均值为6.0，偏差为1.2的正态分布）；制订协调控制方案时间Tzc～N（1.5，0.32）；每次决策时间Tzd～N（1.2，0.52）。

2）联指指挥节点从接到统帅部的发射命令开始，构建航天发射任务联合组织指挥部到制订发射任务总体方案时间Tlp～N（8.5，1.82）；制订协调控制方案时间Tlc～N（1.8，0.62）；发射任务过程中总部指挥节点每次决策时间Tld～N（1.2，0.32）。

3）基地指挥节点从接到总部指挥节点或联指指挥节点分配的发射任务开始，到完成制订任务方案时间Tjp～N（5.5，1.22），其中基地指挥节点制订综合保障计划方案时间Tjh～N（1.0，0.42）；制 订 协 调 控 制 方 案 时 间Tjc～N（1.6，0.62）；基地指挥节点的决策时间Tjd～N（1.5，0.52）。

4）军兵种指挥节点在接到统帅部的发射命令后，开始组建配属于航天发射任务联合组织指挥部的军兵种指挥机构，军兵种指挥节点制订任务方案时间Tbp～N（4.2，0.82）；制订协调控制方案时间Tbc～N（1.2，0.52）；军兵种指挥节点的决策时间Tbd～N（1.2，0.42）。

5）固定测试节点的指挥时间从产品进场开始计算，分别进行单元测试、分系统测试和综合测试。单元测试时间Tcd～N（6.5，1.42），分系统测试时间Tcf～N（4.2，0.82），综合测试时间Tcz～N（2.6，1.02）。产品可靠性Kc，服从（0.980，1）的均匀分布，测试完成时的可靠性要求不低于0.987。

6）固定发射节点的指挥时间从火箭转运开始计算，分别进行垂直测试和火箭燃料加注。垂直测试时间Tfc～N（5.5，1.22）。发射可靠性Kf，服从（0.985，1）的均匀分布，测试完成时的可靠性要求不低于0.990。

7）机动测发节点的指挥时间主要指测试发射时间，包括集成、测试及发射，机动平台的机动时间忽略不计。测试发射时间Tyj～N（12.5，2.62）。发射可靠性Ky，服从（0.987，1）的均匀分布，机动发射时的可靠性要求不低于0.990。

8）测控节点的信息传输时间Tck，服从（0.01，0.02）的均匀分布。

9）通信节点的信息传输时间Ttx，服从（0.005，0.01）的均匀分布。

10）综合保障节点遂行综合保障任务的时间Thq～N（2.4，0.82）。

4.3.2 仿真结果分析

基于集中式、分布式和一体化模式的航天发射任务组织指挥效能仿真结果如表1所示。

表1 航天发射任务组织指挥效能仿真结果

结果分析：

1）从集中式组织指挥仿真结果可知，在给定想定条件下，利用集中式组织指挥模式遂行发射任务时的平均任务总时间为42.67d。其中，总部指挥节点指挥时间约为10.23d；基地指挥节点指挥时间约为8.65d；测试节点指挥时间约为15.74d；发射节点指挥时间约为8.05d。

2）从分布式组织指挥仿真结果可知，在给定想定条件下，利用分布式组织指挥模式遂行发射任务时的平均任务总时间为29.78d。其中，联指指挥节点指挥时间约为10.54d；军兵种或基地指挥节点指挥时间约为6.70d；测试发射节点指挥时间约为12.54d。

3）从一体化模式的组织指挥仿真结果可知，在给定想定条件下，利用一体化组织指挥模式遂行发射任务时的平均任务总时间为16.80d。其中，联指指挥节点指挥时间约为6.35d；测试发射节点指挥时间约为10.45d。

仿真结果表明，利用一体化组织指挥模式遂行发射任务的平均任务总时间与集中式、分布式组织指挥模式相比较大幅度减少。这是因为一体化组织指挥模式利用网络化的信息系统，形成各参试单位的整体联动，各参试单位之间的协同能力大幅提高。同时，网络化的信息系统，缩短了试验信息搜集的时间和组织指挥的层次，使指挥信息流动更加顺畅，决策速度加快。仿真实验进一步实证了，一体化组织指挥模式是未来航天发射任务组织指挥模式的总体发展趋向。

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