基于系统动力学的航天装备军民融合维修保障运行研究

许 庆， 侯兴明， 廖兴禾， 杨 超， 秦海峰

(1. 航天工程大学航天保障系， 北京 102206； 2. 航天工程大学士官学校, 北京 102200)

实施军民融合发展战略是习主席从落实“四个全面”战略布局，站在开创富国强军新局面的高度做出的重大战略决策。习主席指出：“国防科技和武器装备领域是军民融合发展的重点，也是衡量军民融合发展水平的重要标志”[1]。伴随航天技术特别是航天军事技术的迅猛发展，太空作为新的战略空间，已成为维护国家安全和利益的“高边疆”和战略制高点[2]。航天领域作为新兴且军地互通性较强的领域，为使航天装备维修保障顺畅运行，通过军民融合的形式开展各项维修保障是一条行之有效的途径。笔者采用兼具定性分析和定量分析手段的系统动力学(System Dynamics，SD)方法，借助Vensim软件构建具有仿真功能的航天装备军民融合维修保障系统动力学模型，探寻维修保障运行过程中各因素之间的影响关系，查找各因素在维修保障过程中的轻重关系，对指导航天装备军民融合维修保障的高效运行具有积极的作用。

1 基于系统动力学的航天装备军民融合维修保障运行分析思路

系统动力学方法是由美国麻省理工学院教授Forrester创立的一种研究动态系统的方法，它可以假设较高的抽象层级，代表人、产品、事件和其他数量表现的离散事物，采用“结构-功能”模拟法，从系统的微观结构入手建模，通过构造系统的基本运行结构，来模拟与分析系统的动态行为，适用于研究行为已经定义好的封闭系统，主要研究系统的反馈循环、平衡及巩固，并明确影响它们的存量和流量[3]。航天装备军民融合维修保障可看作是一个结构有序、对保障对象及维修换件产生响应、在规定维修任务过程中有一定自我组织调节能力的复杂系统，应用系统动力学方法为解决维修保障运行问题提供了可能性[4]。具体设计步骤如下：

1) 系统分析。主要是对航天装备军民融合维修保障运行系统进行分析。内容主要包括：理解航天装备军民融合维修保障特点规律；分析收集军民融合维修保障运行的组成成分及其完成规定维修保障任务的环境、参数、效果等数据；分析影响航天装备军民融合维修保障运行的基本矛盾与主要矛盾、变量与主要变量等；初步划分军民融合维修保障的界限，确定内生变量、外生变量、输入量和政策变量等；描述军民融合维修保障状态和期望保障状态，观测维修保障的特征。

2) 结构分析。主要是处理体系信息，定义变量，并对体系内部反馈回路进行分析。内容主要包括：划分体系层次与子结构，从上到下，由粗到细，逐步分解体系，重点分析体系总体与局部的反馈机制、反馈环路及其耦合，进行因果关系分析，基于因果机制，画出因果关系图；分析体系变量以及变量间的关系，定义体系的主导回路及其性质，分析主回路动态转移的可能性。

3) 建立模型。内容主要包括：在因果关系图的基础上确定有关的状态变量、流率变量以及其他辅助变量，绘制流图；建立状态变量、速率变量、辅助变量和常数的数学方程式，描述定性和半定性的变量关系，并确定方程参数；给所有计算初始值方程式、常数方程式与表函数赋值。在建模过程中要注意非线性、延迟性等一些问题的处理。

4) 模拟与分析研究。系统动力学模型是现实维修保障运行的抽象化，代表了真实系统的某些断面和侧面，这一步是对程序赋予原始数据及政策变量。内容主要包括：通过仿真软件平台对模型进行仿真实验，绘制结果曲线图表；寻找解决问题的决策，获取更丰富的信息，发现新的矛盾与问题；对模型结构或参数进行修改调整，反复模拟实验。

5) 模型检验。对于航天装备军民融合维修保障的认识是不断变化发展的，系统动力学建模也在实践中不断调整和修改，最终达到最优的结果。模型检验并不是一定要在最后一步进行，部分内容可以在前面的每一个步骤中分散进行。主要内容包括：对系统反馈回路的合理性进行检验；对描述函数变量的方程式进行检验；对仿真运行结果进行验证分析。

2 航天装备军民融合维修保障运行系统与结构分析

2.1 航天装备军民融合维修保障运行系统特点

航天装备军民融合维修保障是指为保持、恢复航天装备规定的技术状态或改善航天装备性能，采用军民融合的途径和方式对航天装备进行维护和修理的各项活动[5]。航天装备种类多样、分布域广、应用环境特殊，航天装备军民融合维修保障的运行涉及军民商等多部门、多层次、多环节，受多种因素影响和制约，是一个涵盖众多要素的复杂系统工程，除军民结合、融合共赢、共享节约[6]等一般特点外，以航天专用装备和试验装备为重点的维修保障还具有以下不同的特点：

1) 维修保障力量的融合性。由于航天专用装备大部分台套少、技术新，加上成建制维修力量弱，形成以研制厂所维修保障力量为主、建制力量为辅、社会力量为补充的维修保障力量构成，要求融合多元力量，才能实现作战行动与维修保障行动的一体联动。

2) 维修保障模式的多样性。体现为不同类型航天装备、不同使命任务单位保障模式的差异性，针对不同任务开展维修保障任务模式各不相同。

3) 维修保障手段的复杂性。航天装备维修保障高度依赖维修设备和技术手段，而军民融合维修保障技术层面则高度依赖信息支撑系统的互联互通。

2.2 航天装备军民融合维修保障运行系统构成

航天装备军民融合维修保障的运行包括军方建制维修保障作业活动和民方高新技术力量动员开展维修保障作业支援以及配合的组织筹划、信息支撑、维修保障器材的筹措、储备、供应(筹储供)等活动，如图1所示。

图1 航天装备军民融合维修保障运行结构

指挥行为层面体现为军民融合维修保障的组织筹划水平，具体包括军民混编组织指挥军地维修保障力量、军民统筹制定军民融合维修保障计划、军民协同筹划部署军民融合维修保障任务等，反映了开展军民融合维修保障运行的指挥是否顺畅与高效，体现了维修保障计划的军民统筹性和维修保障指挥力量的军民混编性。

作业活动层面分为维护修理作业活动和维修保障器材筹、储、供作业活动。维修保障作业活动中的军方建制维修保障作业又可分为基地级和部队级2级作业，其中：基地级维修保障包括基地级维修保障力量编组、部队级维修准备、维修保障力量的机动前出以及现场抢修等活动；部队级维修保障包括部队级力量编组、部队级维修准备以及应急抢修等活动。地方高新技术动员力量的运用是当前阶段开展军民融合维修保障作业活动的主要形式，具体包括高新技术力量动员准备、临战训练、编组运用等活动。军民融合维修保障器材筹、储、供应作业活动具体可分为军地战储器材统筹运用、军地维修保障器材资源的储备配置以及筹措供应等内容。作业活动层面充分体现了维修保障任务的军民互补性、维修保障模式的军民多样性以及维修保障手段的军民协调性。

信息支援层面实现军民融合维修保障信息的实时采集、传输、分析、处理，包括军民协调信息处理、军民互通信息分析、军民共享信息实现。信息支援层面的军地维修保障信息互联互通程度是开展军民融合维修保障的重要条件，体现了维修保障技术手段的军民互用性、维修保障平台的军民通用性以及维修保障信息资源的军民共享性。

3 航天装备军民融合维修保障系统运行的动力学模型

3.1 模型假设和系统边界

根据航天装备军民融合维修保障系统的具体活动，规划相应的变量及影响因素，考虑到模型可操作性和定量化的需求，做出如下假设：

1) 在仿真周期内，外部环境的影响相对固定；

2) 航天装备军民融合维修保障建设是具有渐进性的连续过程；

3) 不考虑重大政策调整等突发性因素影响[7]。

系统的边界是一个想象的轮廓，把建模目的所考虑的内容包括进去，而与其他部分隔开，在边界内部，凡涉及与所研究问题有重要关系的概念与变量均应考虑进模型，反之应排除在模型之外。据此，根据上述系统分析，从军民协同组织筹划、建制基地级维修保障、建制部队级维修保障、地方高新技术动员力量运用、军民共享信息支撑、军民融合维修保障器材筹储供、军民融合风险干扰等7个方面考察维修保障系统运行。

3.2 因果关系分析

通过分析航天装备军民融合维修保障各要素之间的关系，可以得到如图2所示的因果关系图。图中：实线代表负反馈，表示由管理风险、环境风险、技术风险、信息风险等影响因子所构成的军民融合风险干扰所造成的消极影响[8]，外部环境风险越复杂，内部经济、管理与技术阻力越大，航天装备军民融合维修保障运行效果就越低；虚线代表正反馈，表示对航天装备军民融合维修保障运行起积极作用。

3.3 存量流图模型

根据航天装备军民融合维修保障效能影响因素因果关系分析，从航天装备军民融合维修保障建设水平、军民融合维修保障组织筹划水平、军民融合维修保障信息支撑水平、军民融合维修保障器材筹措、储、供水平、建制基地级维修保障作业活动水平、建制部队级维修保障作业活动水平、地方高新技术动员力量运用水平、军民融合风险干扰8个状态变量、12个速率变量以及其他辅助变量入手，引入维修周期时间作为时间变量，构建航天装备军民融合维修保障存量流图模型，如图3所示。

图2 航天装备军民融合维修保障因果关系图

图3 航天装备军民融合维修保障存量流图模型

该存量流图模型中涉及到的主要变量关系及方程如下:

1) 航天装备军民融合维修保障运行水平=INTEG(总变化率，航天装备军民融合维修保障建设水平初始值)。其中：INTEG为积分运算符，代表积分函数，下同。

2) 总变化率=(权重×军民融合维修保障组织筹划水平+权重×建制部队级维修保障作业活动+权重×建制基地级维修保障作业活动+权重×地方高新技术动员力量运用水平+权重×军民融合维修保障器材筹措供应水平+权重×军民融合维修保障信息支撑水平)/军民融合维修保障周期。

3) 风险干扰变化率=SMOOTH(-风险影响因子/TIMESTEP,敌方干扰时间)。其中：SMOOTH为延迟运算符，代表延迟函数[9]；风险影响因子是指斜率一定的线性增长函数，其变量方程为RAMP({slope}，start}，{finish})；TIMESTEP为仿真时间步长。

4) 军民融合维修保障周期=抢修时间+数据处理时间+筹储供时间+组织筹划时间+维修时间。

5) 军民融合维修保障组织筹划水平=INTEG(组织筹划增加速率-组织筹划降低速率，组织筹划水平初始值)。

6) 组织筹划增加速率=(权重×制定计划准确度+权重×筹划部署能力+权重×组织指挥能力)/组织筹划时间。

7) 组织筹划降低速率=敌方干扰水平/组织筹划时间。

8) 筹划部署能力=lookup1(Time1筹划部署投入时间)。其中：lookup函数为表函数[3]，用以表示2个变量之间的非线性关系,下同。

9) 建制基地级维修保障作业活动水平=INTEG(基地级维修保障增加速率-基地级维修保障降低速率，基地级维修保障作业活动水平初始值)。

10) 基地级维修保障增加速率= (权重×基地级维修准备程度+权重×基地级力量编组能力+权重×现地抢修能力+权重×机动前出能力+权重×组织筹划水平)/维修时间。

11) 基地级维修保障降低速率=敌方干扰水平/维修时间。

12) 基地级力量编组能力=lookup2(Time2基地级力量编组时间)。

13) 现地抢修能力=lookup3(Time3现地抢修时间)。

14) 建制部队级维修保障作业活动水平=INTEG(部队级维修保障增加速率-部队级维修保障降低速率，部队级维修保障作业活动水平初始值)。

15) 部队级维修保障增加速率=(权重×部队级维修准备程度+权重×部队级力量编组能力+权重×应急抢修能力+权重×组织筹划水平)/抢修时间。

16) 部队级维修保障降低速率=敌方干扰水平/抢修时间。

17) 部队级力量编组能力=lookup4(Time4部队级力量编组时间)。

18) 应急抢修能力=lookup5(Time5应急抢修时间)。

19) 地方高新技术动员力量变化率=(权重×动员准备程度+权重×编组运用效率+权重×临战训练程度)/维修时间。

20) 编组运用效率=lookup6(Time6编组运用时间)。

21) 军民融合维修保障器材筹储供水平=INTEG(器材筹储供增加速率-器材筹储供降低速率，器材筹措储备供应水平初始值)。

22) 器材筹储供增加速率=(权重×战储器材运用程度+权重×储备配置程度+权重×筹措供应能力)/筹储供时间。

23) 器材筹储供降低速率=敌方干扰水平/筹储供时间。

24) 军民融合维修保障信息支撑水平=INTEG(信息支撑增加速率-信息支撑降低速率，信息支撑水平初始值)。

25) 信息支撑增加速率=(权重×信息处理能力+权重×信息分析能力+权重×信息实现能力)/信息处理时间。

26) 信息支撑降低速率=敌方干扰水平/信息处理时间。

27) 信息分析能力=lookup7(Time7数据分析时间)。

4 仿真实例与分析

为检验模型的有效性，以某型空间态势感知雷达的军民融合维修保障运行为例，利用系统动力学软件Vensim对系统动力学模型进行构思、模拟、分析。Vensim软件是一个基于视窗界面的可视化建模工具，提供了图形编辑环境，该软件的优势在于可实现研究目标系统的概念具象化和文件可视化，且仿真结果展示直观、函数方程式编程录入便捷。

某型空间态势感知雷达的军民融合维修保障仿真实验模拟时间为12个月，仿真步长为1，单位为月。通过前期调研获取该套装备运行情况完成仿真初始数据采集，并运用专家组进行匿名问卷调查得到专家意见，通过多次反馈再征求意见的过程，最终得到专家组给出的权重值[10]，如表1所示。

仿真实验设置2种情况：情况1，地方高新技术动员力量运用充分，仿真结果如图4所示；情况2，地方高新技术动员力量运用不足，仿真结果如图5所示。

由图4可知：通过调整增加地方高新技术动员力量运用水平，将会带动建制基地级和部队级两级维修保障作业活动水平的增长，进而使航天装备军民融合维修保障运行水平得到提升；在引入军民融合风险干扰影响后，航天装备军民融合维修保障运行水平增长速率放缓，并且逐步趋于稳定。

表1 航天装备军民融合维修保障运行变量及其权重

图4 高新技术动员力量运用充分情况仿真结果

图5 高新技术动员力量运用不足情况仿真结果

由图5可知：通过调整降低地方高新技术动员力量运用水平，将会导致航天装备军民融合维修保障运行水平的下降；军民融合维修保障器材筹储供水平、军民融合维修保障信息支撑水平以及军民融合维修保障组织筹划水平也都有相应程度的降低，其中影响最大的是军民融合维修保障器材筹储供水平，其次是军民融合维修保障信息支撑水平，影响最小的是军民融合维修保障组织筹划水平。

5 结论

针对航天装备军民融合维修保障建设难以准确把握的问题，本文在分析航天装备军民融合维修保障影响因素因果关系的基础上，运用系统动力学方法建立了系统动力学仿真流图，并以维修周期为边界对维修保障建设问题进行了仿真实验。该研究思路和方法为难以定量的航天装备军民融合维修保障运行问题提供了一定的借鉴。下一步，将更加全面地分析总结航天装备维修保障的影响因素，并在实践中进一步验证方法的合理性和科学性。