基于ARENA的航空兵场站油料保障效能仿真评估

熊 彪，王 帅，李必鑫，陆思锡，张 齐

(中国人民解放军陆军勤务学院 油料系， 重庆 401311)

油料是战争的血液。航空兵场站作为飞机飞行油料保障的重要基地，担负着平、战时为飞机保障油料的任务。信息化战争条件下，航空兵场站油料保障系统呈现出新的特点：一是大规模、多机种、高强度、多批次作战飞机频繁转进、转出航空兵场站，使得航空兵场站油料保障任务急剧增大、保障难度显著提高。并且其综合油料保障能力由油料接卸、储存、收发、加注等能力构成，且受保障资源、装(设)备、保障规程等的影响，系统性更加明显；二是系统之间耦合更加紧密，涌现特性更强。航空兵场站油料保障系统的涌现性表现为油料保障各子系统(如：接卸、储存、输送、加注系统)之间的相互作用和影响更强，油料保障系统能力并不是各子系统保障能力的简单叠加，而是油料保障活动的整体体现，单纯的增强某单一能力，并不一定就能明显提高整体油料保障能力。三是系统表现出明显的动态离散性特征。航空兵场站油料保障系统受飞机到达时间和数量、油料加注方式等因素的影响，呈现出离散性系统特性。因此，航空兵场站油料保障系统较为复杂，必须对航空兵场站油料保障效能进行合理评估，确保作战飞机油料保障任务顺利完成。

当前，对于航空兵场站油料保障效能评估的方法较多，一类是采用传统系统还原论方法，如：乔长纪等利用模糊综合评判方法对机场油料保障效能进行评估[1]，然而由于场站油料保障系统具有很强系统性和不确定性，采用传统还原论法处理具有很强的主观性，可能导致评估结果失真；二是利用模拟仿真技术对航空兵场站保障能力进行评估[2-3]。如：王世宏等利用GPSSW仿真模型对作战飞机管道加油调度进行评估和优化[4]。但是当前主要针对航空兵场站的单系统进行物理仿真研究[5-8]，还未出现从体系视角出发，基于任务牵引并反映油料保障系统整体性、复杂性及涌现性特点，并以体系整体效能为目标的场站油料保障系统仿真系统和模型。

本研究从航空兵场站复杂油料保障系统实际出发，基于保障任务牵引，构建基于ARENA的航空兵场站油料保障效能评估仿真模型，为航空兵场站油料保障效能提升的对策制订提供参考。

1 航空兵场站油料保障过程描述

1.1 航空兵场站油料保障过程对象分析

航空兵场站油料保障过程的对象包括实体、资源、事件、保障规则等。

1) 实体。航空兵场站油料保障活动的实体分为两类。一是飞机，该类实体根据飞机到达时间、类型、数量等信息进行区分；二是油料，油料类实体根据油料品种、数量等进行区分；

2) 资源。航空兵场站油料保障的资源包括人员、装(设)备等，如：储备罐、消耗罐、收发油装置等；

3) 事件。引起油料保障系统触发的行为，例如：飞机到达，油料短缺等。

4) 保障规则。是指保障过程中需要遵循的规则。例如：按照航空油料管理规定，航空油料在使用前必须在沉淀罐内静置36 h以上方能发出使用。

5) 保障活动。保障活动由事件引发，伴随事件的终止而终止。

1.2 航空兵场站油料保障流程分析

航空兵场站是航空兵飞行装备补给油料的重要基地。航空兵油料加注方式主要有管道直线加油和油车加油两种方式，管道直线加油需要场站预先铺设管道加油系统。油车加油主要依托油车实施机动加油。如图1所示为航空兵场站油料保障业务活动过程图。

整个航空兵场站油料保障业务流可分为飞机流和油料流。飞机流包括了飞机进场、飞行指挥中心、指挥飞机到达停机位、飞机保障、飞机离开等流程。油料流是指油料先由储备罐流向消耗罐，通过消耗罐静置过程、利用管线发至外场油料保障中心、外场油料保障中心利用管道加油或油车加油的方式将油料加注至飞机等流程。

2 基于ARENA的航空兵场站油料保障系统仿真模型构建

Arena是美国Rockwell Software公司开发的通用仿真软件，具有功能强大、使用方便、界面直观、动画显示等优点[9-11]，可以有效对具有离散系统特点的航空兵场站油料保障系统建模和仿真分析。

2.1 仿真功能模块分析

××场站油料保障仿真评估模型的功能模块包括指挥调度系统模块、飞机到达系统模块、消耗罐油料补给系统模块、停机坪直线加油系统模块、油料保障中心油车补油系统模块、油车加油系统模块等6个子系统功能模块。六大功能模块相互作用构成了航空兵场站油料保障体系系统，如图2所示为功能子模块的相互关系图。

指挥控制模块主要模拟场站油料保障指挥控制过程，包括对保障信息的实时掌控及对保障实体和过程的实时控制；飞机到达系统模块主要模拟飞机到达；消耗罐油料补给系统模块模拟储备罐向消耗罐补充油料以及消耗罐静置和发油过程；直线加油系统模块模拟飞机实施直线加油作业；油车补油及油车加油系统模块共同完成油车加油作业的模拟过程。各子模块之间存在着信息与物质的传递和交互，通过模块组成的体系系统实现相应功能。例如：飞机加油方式的决策是由指挥调度模块与飞机到达模块共同完成。飞机到达后，指挥调度系统模块根据场站保障现状和保障可能决策飞机加油方式，由飞机到达模块执行和实施飞机加油方式的选择与应用功能。

如图3所示为基于ARENA的油料保障中心油车补油系统模块图。在此模块中，油料作为实体，油车作为一种资源，当油车到达油料保障中心后，先判断补油口是否有空闲，当其中之一存在空闲时，油车占用加油口。通过加油准备延时，加油口以××L/min的速度进行加油，油料流入油车中。当油车补油完成后，离开补油口前往停机坪实施加油作业。具体而言，该模块主要实现以下几个功能：

1) 模拟运加油车按照顺序到达油料保障中心排队等待补油；

2) 模拟运加油车到达补油口，占用补油口补油车位；

3) 模拟补油装置按照一定的流量为油车补充油料；

4) 模拟运加油车补油完毕后，离开补油车位，释放补油口。

2.2 仿真评估指标分析

以航空兵场站油料保障任务为牵引，构建航空兵场站油料保障效能评估指标体系，是对航空兵场站油料保障效能进行分析的基础。航空兵场站油料保障效能评估需要考虑军事性和经济性两方面因素。这两方面因素既相互依存，又相互制约。经济性必须以军事性为基础，离开军事性谈经济性没有意义，但如果只考虑军事性不考虑经济性是不现实的。因此，对于军事后勤保障网络而言，其保障效能评估必须首要考虑军事性指标，在军事性指标得以满足的条件下，再考虑经济性指标。对于航空兵场站油料保障系统而言，军事性评估指标可以用保障能力来表示；军事系统的经济性评估指标不能单纯的以保障成本为目标，成本因素只在建设中重点考虑，航空兵场站油料保障系统最为关注的经济性指标应为效率指标。因此，航空兵场站油料保障效能仿真评估指标体系可以由保障能力指标和保障效率指标构成。

2.2.1 保障能力指标

对于航空兵场站油料保障而言，保障能力指标是最为重要的指标，即战时条件下，运用场站现有油料保障资源，完成场站飞机油料保障任务的能力和程度。作为航空兵场站，可以使用作战时间内实际保障飞机量与到达飞机量的比率表示保障能力。可由式(1)表示

(1)

式中： ΔP为表示航空兵场站的油料保障能力，ΔP值越大，保障能力越高；CS为表示已完成油料保障任务的飞机数；CA为表示实际到达场站的飞机数。

2.2.2 保障效率指标

时间是评价保障效率的有效指标，对于航空兵油料保障效率而言，本研究使用到场飞机平均保障时间表示保障效率，即飞机到场加油所需要的平均保障时长。可由下式表示

(2)

其中：ΔE为表示航空兵场站的油料保障效率，ΔE值越小，保障效率越高；Timei为表示第i架到场飞机完成油料保障所需要的时间。

在使用到场飞机平均保障时间表示保障效率时，还必须关注另一个保障效率指标max(Timei)，即最大保障时间。最大保障时间越小，一定程度上也反映该场站保障效率越高。

3 仿真案例

3.1 实例概述

20××年×月×日，敌方对我边境争议地区发动突然进攻，我××场站承担歼×、歼×等多型飞机自卫反击作战飞行保障任务。场站油料储备方面，场站现有储备罐组10个，总库容量42 000 m3；使用罐2个，每个容量为4 000 m3，场站储备罐、使用罐与飞行油料保障中心通过10寸钢制管线相连。场站油料加注方面，场站同时具备直线加油和油车加油能力。直线加油系统可同时为6架飞机加油，外场加油站油车补油口4个，可同时给4台(辆)20 000 L油车采用压力加油的方式补充油料。场站装备20 000 L油车共8辆，油罐车到达补油口准备加油时间服从三角分布(2,4,5)(时间单位：min)；加油完毕后，离开加油口时间也服从三角分布(2,4,5)(时间单位：min)。油车穿梭补给路程时间服从三角分布(8,10,12)。预计空中作战时间周期预计20天。飞机到场流量如图4所示，到场飞机类型及油箱容量如表1所示。战区联指要求××场站对本次作战油料保障能力进行评估，提出油料保障建议。

飞机类型油箱容量/L到场概率歼×100000.45歼××200000.15歼轰××300000.20伊尔××500000.20

3.2 实例分析

为对××场站本次作战油料保障能力进行评估，本文利用ARENA软件对场站油料保障业务流程进行模拟，运行15次，取平均值，得到如下结论。

3.2.1 油料保障能力评估

如表2所示为经15次模拟取均值得到的油料保障能力统计分析表。由表2可知，在预计作战时间20天内，平均到场飞机数位1 694.27架次，实际完成油料保障的飞机数为1685.47架次，油料保障能力ΔP值为99.48%。从数值分析可知，该场站总体保障能力较高，基本能够完成保障任务。

表2 油料保障能力统计分析

3.2.2 油料保障效率评估

如表3所示为经15次模拟，取均值得到的油料保障能力统计分析表。由表3可知，在现有保障力量条件下，采用直线加油的飞机总架次为1 562.07架次，平均油料保障时间为1.177 3 h，最大保障时间为2.565 h。采用油车加油方式保障的飞机总架次为123.4架次，平均油料保障时间1.272 h，最大保障时间为10.213 h。所有飞机平均保障时间大约为1.184 h。

理想状态下，伊尔××采用直线加油最短时间大约为0.78～0.84 h，歼轰××采用油车加油最短时间约为0.583～0.667 h。而现有保障力量和保障任务条件下，所有飞机平均保障时间大约为1.184 h。这说明油料保障效率并不是很高，究其主要原因是由于飞机到场时间及数量较为集中，短时间内大量飞机到达机场保障，从而造成此情况出现。

表3 油料保障效率统计分析

4 结论

基于航空兵场站油料保障系统保障能力评估的需要，提出了基于ARENA的航空兵场站油料保障能力评估模型及方法，并通过数值模拟仿真实例对某航空兵场站作战油料保障能力进行了分析和评估，得出从保障能力和保障效率两个指标反映该航空兵场站油料保障能力的量化指标值。航空兵场站油料保障系统是一个典型的具有复杂性、涌现性和离散性特点的动态系统，基于ARENA软件构建的离散性模拟仿真模型系统，可以有效解决此类系统的评估问题，为作战决策提供参考。

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