基于多智能体的海外护航供应保障仿真研究

董 鹏，石怀斌，2，史博元，张其霄

（1.海军工程大学管理工程与装备经济系，武汉 430033；2.联勤保障部队政治工作部，武汉 430033）

0 引言

随着国家海洋战略的发展，大型舰船出海执行任务愈发频繁。与此同时，舰船编队的规模也越来越大，任务周期长，消耗高，面临的各种环境也越来越复杂，对大型编队海上供应保障调度提出了新的要求。尤其是海外护航等远海任务，从不同的海外保障点和基地为舰船供应物资有多种调运方案，如何选择调运方案，使物资补给既满足时间和需求量的要求，又使总体成本最小、安全性更高，是舰船编队后勤物资采购供应保障亟待解决的问题。

针对以上问题，通过LINGO 求解多目标规划问题，得到优化方案，同时采用Anylogic 仿真软件进行多智能体建模，利用智能体行为的自主决策能力模拟大型舰船编队的供应和保障过程，通过直观动画和实时数据统计，对保障方案进行分析和验证，评估方案的优劣，也可以为将来实际任务的执行提供一个行之有效的预测方法，以确保编队的后勤保障顺利完成。

1 海外护航供应保障过程分析

1.1 任务场景描述

海外护航模拟场景如图1 所示。舰船编队在接收到护航任务时，整理编队后前往指定区域、执行护航任务，在到达目的地前，提前发送补给命令给保障基地；保障基地收到命令后，保障中心经过计算将订单派送给相应的保障点，保障点接收到订单信息后，派出商船将物资运送到保障基地；护航编队到达护航区域后派出补给舰前往保障基地进行补货，补货完成后，补给舰回到护航区域对编队进行补给。护航期间，编队需要物资补给时，提前向保障基地发送补给命令，保障基地重复上述流程。

图1 海外护航模拟场景图

假设某次护航编队由一艘驱逐舰，一艘护卫舰，一艘补给舰组成，前往护航海域执行任务。编队在护航期间需要物资补给时，向保障中心请求物资补给，保障中心计算处理后，将分订单发到各个保障点和基地，保障点收到分订单后要求在规定时间内，把所需物资从保障点运输到保障基地，然后由补给舰统一从基地运输到编队。

假设护航任务为期6 个月，需对编队补给3 次，对保障基地补给4 次。当需要物资补给时，编队会发出补给需求订单，订单经由保障中心计算处理后，将分订单发到各个保障点和基地，保障点收到分订单后要求在规定时间内，把所需物资从保障点运输到基地，然后由补给舰统一从基地运输到编队。

1.2 决策变量及相关参数

1.2.1 决策变量X

记从保障点i 供应的j 种物资的数量为X，i=1，2，…，18，分别是17 个保障点以及保障基地。j=1，2，…，7，分别是淡水、主食、副食、果蔬、柴油、喷气燃料、润滑油。

1.2.2 装卸速度

定义固体装卸速度为V，包括主食、副食、果蔬；液体装卸速度为V，包括淡水、柴油、喷气燃料、润滑油（其余场景装卸速度与此相同，后面将不再赘述）。

1.2.3 装卸时间

1.2.4 运输时间

1.2.6 采购成本

1.2.7 运输成本

1.2.8 总成本

1.3 海外护航保障决策模型

1.3.1 确定目标函数

根据前面分析，执行护航模式制定补给方案的目标是在一次补给周期内花费最少，在一次补给周期内补给方案的花费来源于补给物质采购成本和运输成本，总成本为：

目标函数：min C=min（C1+C2）。

1.3.2 确定约束条件

1）配货时间约束

在护航模式下，可以预先制定补给计划，要求在配货时间内将所需物资运输到补给基地：T+T≤T，i=1，2，…，18。

2）配货量约束

3）库存约束

1.3.3 建立保障模型

综上所述，建立补给运输调度模型，如式（1）所示。

1.4 模型的求解及分析

在本任务中，已知条件为：物资装卸速度、物资需求量、各保障信息（地理位置，派出的拖船速度、物资采购价格、物资运输价格、物资库存等）。待求量为：补给物质装卸与运输时间，补给物质采购与运输成本。

1.4.1 模型求解分析过程

海外护航供应保障模型算法流程如图2 所示。

图2 算法流程图

1.4.2 模型运行数据结果及分析

Lingo 软件对模型结果决策变量X数据输出如表1 所示。

表1 决策变量图

在海外护航这一案例模型中，由于对成本值期望和时间方面上约束，其决策变量计算结果显示，向保障基地供货的保障点都比较集中在离保障基地距离较近的保障点上，并根据成本单价不同、需求量情况及目标函数追求方面，形成最优的物资调配方案。针对此模型，保障基地将提供1 000 份淡水资源和100 份果蔬给本次订单需求，保障点1 将提供100 份淡水、40 份主食、30 份副食、34 份果蔬以及800 吨柴油给本次订单需求。在该方案下，一次完整的补给需要3 953.6 万元。

2 海外护航供应保障模型建立

基于Anylogic 的大型编队海外护航，物资采购供应保障体系仿真模型构建流程如下页图3 所示。

图3 仿真模拟流程

2.1 编队物资保障方案

为保障编队物资需求，寻求优化补给方式方案，模型给出了两种物资保障方式，如表2 所示。

表2 编队物资保障方案

方式1提前储备物资于保障基地。保障基地根据物资库存情况，进行物资储存采购，由海外代理机构将保障点物资运送到保障基地。当护航编队发出物资请求，补给舰直接前往到基地装载，来保障编队物资需求

方式2当护航编队物资库存量不足时，舰艇保障组根据保障中心制定的物资采购清单，自身前往到采购点，执行补货装载、整顿休息

2.2 基于保障方案仿真建模

2.2.1 场景建模模块的构建

在main 智能体中导入GIS 地图，在其属性下设置经纬度位置，以确定护航编队活动范围。并通过保障基地、保障点两个集合和初始化函数完成编队国内出发港口，补给港口以及可为补给港供货的17 保障点位置标注。GIS 地图护航场景布置的完成，为编队物资补给提供了可靠的供应网络背景。

2.2.2 自主智能体模块的构建

1）业务组织流程智能体

本模型中，后勤保障任务组织流程分3 部分来完成，即国内物资采购业务流程、海外物资采购业务流程和编队物资补给业务流程。以编队物资补给为中心，从国内外展开物资采购。当编队出现物资库存不足时，向保障中心发出物资补给请求。经保障中心审批后，下达保障任务给专项指挥组，并由编制保障组制定并下达物资采购计划，向国内外保障点进行全域性物资采购。

2）驱护舰智能体

特别说明，为简化仿真模型，假定护卫舰和驱逐舰在物资库存、消耗方面具有一致性，故将护卫舰和驱逐舰参数设置成一体。比如，护卫舰智能体下参数淡水最大库存应为护卫舰和驱逐舰淡水总量的最大库存。其行为设置形式如下页图4 所示。

图4 驱护舰智能体

3）补给舰智能体

补给舰智能体逻辑行为设置如图5 所示。

图5 补给舰智能体

4）补给港智能体

补给港智能体逻辑行为设置如图6 所示。

图6 补给港智能体

5）保障点智能体

此次护航模型共有17 个保障点参与编队物资供应保障工作中，故智能体的建立方面，它是一个智能体数量为17 个的智能体群。在该智能体中不存在复杂的逻辑行为，故不需要特别设置逻辑行为图进行描述。

6）商船智能体

商船智能体逻辑行为设置如图7 所示。

图7 商船智能体

7）药品被装配送智能体

药品被装配送智能体逻辑行为设置如图8 所示。

图8 药品被装配送智能体

2.3 基于保障方案2 仿真建模

保障方案2 是向多个保障点直接采购取货；保障方式上是由舰船分别前往到对应物资保障点取货，待取货完成汇集到舰船物资补给点，对于缺乏物资的舰船进行互相补充。保障方案2 在建模的主体过程中与保障方案1 并没有太大的区别，为了避免重复，本文只列出保障方案2 与保障方案1 的不同之处，具体细节如下。

2.3.1 保障网点分配

在保障方式2 的模型下，补给基地不再作为编队唯一直接物资供应点，在模型中仅作为采购网点的选择点，故本模型中可参与编队直接物资供应的共有18 个网点（17 个保障点和1 个基地）。

2.3.2 物资采购逻辑行为分配

补给舰物资保障、取货逻辑流程如图9 所示。当补给舰物资库存量不足以编队物资需求时，模型根据编队物资需求情况结合物资补货方案函数求得编队物资采购清单，舰艇保障组的舰船（包含补给舰、护卫舰、驱逐舰）根据采购清单被分配到相应保障点取货，待取货完成前往清单下一保障点，直至所需物资装载完毕，满足编队物资需求，补给舰返回到物资补给点，最终完成护航舰船补货回到护航状态。

图9 保障方式2 补给舰逻辑流程

2.3.3 费用统计分析

根据以上两种舰船物资保障方式，对仿真运行结果进行费用统计分析。

如图10 所示，在护航费用方面，通过护航编队在海外保障点进行靠港补给的方式调整，护航保障方式2 总费用有所降低，主要是减少了物资采购代理机构的商船运输费和基地物资临时存储的仓储费，但增加了一定的靠港补给费用，用于港口位的租赁、垃圾污水的处理等等。

图10 不同保障方式下费用统计

如图11 所示，在保障绩效方面可以看出，保障方式2 取货时间更短物资保障率更高、物资保障时间更短，总体来说更为高效和经济。但保障方式2所能满足的物资需求量相较于保障方式1 来说非常小，只能用于紧急情况下的物资供应保障。

图11 不同保障方式下保障绩效统计

2.4 小结

结合前文在护航任务的两种方案的对比结果分析，可以得出保障基地仓储物资量有限，非紧急物资需求下，通过自身舰船进行物资采购更高效、更经济，方案2 更能满足项目的需求。但如果编队物资需求量小且紧急的情况下，采用商船向保障基地临时存货的方法及方案1 相对更为有效，其保障时间上会更优，但成本相对较高。在不同的情况下护航任务采用何种保障方案，需要结合其具体任务和需求来选择。

3 结论

随着我国海洋开发的战略发展和一带一路建设新高潮，海上舰艇编队任务执行频率越来越高、规模越来越大，周期长、能耗高、面临的作业自然环境复杂多变，对后勤保障工作提出了新的要求。为解决舰艇编队海上后勤保障问题，结合供应链管理和库存优化策略，建立了海外护航的多智能体仿真计算模型。该模型基于多智能体建模方法，建立了场景建模模块和业务组织流程智能体等8 个自主智能体，能够对不同任务条件下所需后勤保障问题进行模拟，得到相关评估指标。最后针对两种编队物资保障方案建模分析并比较结果，进一步说明该解决方案的科学性。