战时装备维修保障力量抢修行动模型构建与求解.pdf
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1、第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 :战时装备维修保障力量抢修行动模型构建与求解郭一鸣,曹军海,陈春良,刘彦,张闯(陆军装甲兵学院 装备保障与再制造系,北京 ;军事科学院 系统工程研究院,北京 )摘要:针对战时装备维修保障任务重、修理时间有限以及维修保障力量类型与待修装备损伤需求不匹配,难以实现战场精确保障的问题,进行了战时装备维修保障力量多目标行动控制研究。考虑修理时间窗、装备损伤状态、维修保障力量类型与维修保障能力变化以及非遍历性等复杂约束,构建了以装备重要度总和、修竣装备总和以及超出修理时间窗时间总和为目标的维修保障力量多目标抢修行动控制模型。对带精英策略的非支配排序遗传算法进行改进
2、,结合变邻域搜索算法加强算法的局部搜索能力,设计了改进变邻域搜索和非支配排序遗传算法的混合算法实现模型求解,并通过示例验证了模型及算法的合理性和听语音聊科研与作者互动有效性。关键词:维修保障力量;行动控制;复杂约束;多目标中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文章编号:(),(,;,):,(),()(),:;战时装备维修保障力量行动是装备维修保障力量实施装备抢救抢修,保持和恢复部队装备数量、质量水平的活动。而战时装备维修保障力量行动控制则是保障指挥员根据战场实际,判断装备维修保障力量是否按照既定保障目标进行行动,发现偏差及时调整以保证保障目标的实现。面对战场不断随机出现的待修
3、装备,保障指挥员如何根据待修装备损伤情况,在有限的时间内指挥不同类型的维修保障力量,在复杂现实约束条件下,对待修装备进行精准有效的修理是当前战时装备维修保障力量行动亟须解决的问题。战时装备维修保障力量行动控制问题约束条件多,研究难度大,众多学者对装备维修保障力量行动控制问题进行了深入探索,并取得了一定的成果。一是以装备维修保障力量为研究对象开展的行动控制问题研究。文献 运用规则驱动的仿真原理,构建了炮兵维修分队战场抢救抢修行动以及评估模型,为部队实施维修保障力量行动收稿日期:基金项目:国家部委基金资助项目()作者简介:郭一鸣(),男,山东临沂人,博士研究生,:;曹军海(通信作者),男,陕西西安
4、人,教授,博士,博士生导师,:第 期郭一鸣,等:战时装备维修保障力量抢修行动模型构建与求解训练提供了作业环境。文献 针对战时巡回修理问题,构建了基于维修优先级的维修保障力量调度优化模型,并利用改进遗传算法进行求解。文献 综合考虑多个维修需求点、多任务和多维修保障单位的动态调度,逐步生成优化维修保障力量的动态调度方案。以上研究对解决战时装备维修保障力量行动控制问题有较好的指导意义,但对战时维修保障过程中现实约束和战场不确定因素考虑较少,模型约束较为简单,对战场适应性不强。二是以维修保障任务调度为研究对象开展维修保障力量行动控制研究。文献 将战场抢修、伴随保障与任务动态调度相结合,提出了考虑不确定
5、性进攻作战抢修任务动态调度模型,间接给出了伴随保障组的行动路线与控制策略。文献 在对装备重要度评估的基础上,考虑装备剩余寿命对抢修任务进行优化调度,给出机动巡修小组的行动控制路线,具有较强的指导意义。上述研究综合考虑了战场装备损伤率高、不确定性因素多以及任务随机性强的特点,但忽视了任务的执行者,即维修保障力量的特征以及行动模式特点,不利于提高任务执行的效率。在模型构建方面,装备维修保障力量行动控制模型可抽象成车辆路径问题 (,)模型,针对战场情况不同的约束,对 模型进行拓展延伸。针对时间窗约束,可抽象为带时间窗的车辆路径问题 ;针对不同类型维修保障力量,可抽象为异型车辆路径问题 ;针对维修保障
6、力量无须返回出发点,可抽象成开放式车辆路径问题 ;针对待修装备随机出现,可抽象成动态车辆路径问题 等。因此,可在上述模型的基础上,综合考虑相关约束,构建适用于战场实际的维修保障力量行动控制模型。在模型求解方面,主要有精确算法 和启发式算法。精确算法适用于规模较小的问题,对于复杂约束下的组合优化问题,精确算法难以求解,启发式算法逐渐成为学者们研究的重点。文献 将遗传算法与自适应大邻域搜索算法相结合,实现了 三种形式的求解。文献 基于蚁 群 算 法,结 合 变 邻 域 搜 索 算 法(,)设计了改进变邻域搜索和最大最小蚂蚁系统(,)算法,有效解决了定点维修任务调度问题。遗传算法等启发式算法搜索能力
7、强,收敛速度快,适用于有复杂约束的组合优化问题,但是易陷入局部最优,需要加强其局部搜索能力。基于上述分析,综合考虑维修保障力量类型、修理时间窗、维修能力变化、装备重要度以及待修装备出现时间、出现地点和修复完成时间不确定性等复杂约束的影响,以战时装备维修保障力量为研究对象,提出维修保障力量并行开展维修作业的行动模式,构建战时装备维修保障力量多目标抢修行动控制模型并设计改进变邻域搜索和非支配排序遗传算法(,)进行求解。基本描述 问题描述战时装备维修保障力量抢修行动控制问题可以描述为:在战时条件下,面对随机时间、随机地点出现的不同损伤类型的待修装备,保障指挥员通过指挥维修保障力量行动,为不同的待修装
8、备分配相应的维修保障力量,规划待修装备的修理顺序,并根据待修装备出现时间和地点、装备重要度、修理时间窗等复杂约束条件对维修保障力量的抢修行动加以动态控制,使其不偏离整体保障行动既定的保障目标,最终实现维修保障效益的最大化。模型假设为了突出问题重点并有效简化问题,进行如下假设:)研究对象为执行伴随保障任务或机动保障任务的维修保障力量,包括营自身维修保障力量以及后方保障点前出支援维修保障力量。)维修保障力量由不同类型维修单元编成,维修单元是指在规定时间完成某一类维修任务、实现最佳保障效能的最小保障资源的组合。)各待修装备为轻损和部分中损装备,均在旅维修保障力量能力范围内,其余超出旅维修保障能力的待
9、修装备暂不研究。)维修保障力量展开维修行动前,各待修装备的出现时间及位置、损坏部位、预计修理时间、装备重要度以及修理时间窗已通过技术侦察手段获知。)维修保障力量在预定集结地域出发,每完成一项维修保障任务后不返回出发点,等待指挥员下达新的维修任务。)维修保障力量正在修理某待修装备时,若出现新的待修装备导致总体任务调整,则继续执行当前维修任务。国 防 科 技 大 学 学 报第 卷 模型构建 符号说明为方便研究,对相关参数定义如下:)设作战开始时刻为 ,维修保障力量开始行动时刻为,作战结束时刻为 。)记 时刻待修装备集合为 (),待修装备的总数为 。待修装备 出现时刻为,出现位置坐标为(,),规定修
10、理时间窗为,待修装备 的重要度为。)同一台待修装备可能会产生不同类型部件的损伤,不同待修部件的修复时间不同。将待修装备 产生的待修部件集合记为 ,。待修装备 中待修部件 的预计修复时间为。)设维修单元的类型集合为 ,维修单元的平均行进速度为珋,初始集结地域坐标为(,)。)()()槡为待修装备 与待修装备 的距离,且 ,;考虑到战场地形等因素,引入道路迂回系数 估算待修装备之间的距离。设地形影响因素为 ,参考文献 中对不同地形的取值,通常情况下,隐蔽条件越好,两者之间的交通越不方便。因此,地形影响因素 的取值为:密林 ,山地 ,丘陵 ,建筑物 ,平原、草原 ,戈壁 。由此可得,待修装备 与待修装
11、备 之间的距离估算为 ()。)维修单元 到达待修装备 修理待修部件 的开始修复时刻为 ,修复完成时刻为 ,修理实际消耗时间为珓。当待修装备 中的所有待修部件 全部修理完成后,则待修装备 修复完成,记待修装备 的修竣时刻为。)随着维修单元 不断执行维修任务,其维修效率势必因人员疲劳等因素下降,设维修单元 的维修效率为,表示执行任务次数。)记 ,(为维修单元类型)为该问题的一个可行解,表示维修单元 开展抢修行动的规划路线,即待修装备的编号序列。为截点,。为截点装备,为该维修单元 的规划路线中第 台待修装备,;为维修单元 抢修行动路线中规划的待修装备数量。)为 变量,表示若待修装备 修竣完成,则 ,
12、否则 。)为 变量,表示若维修单元 可以对待修装备 中的待修部件 进行维修,则 ,否则 。)为 变量,表示若维修单元 从待修装备 前往待修装备 对待修部件 进行维修,则 ,否则 。目标参数确定战时维修保障力量行动与控制的目的在于维修保障力量能够在规定的时间内最大限度地修复更多更重要的作战装备。因此,用以下 个参数作为维修保障力量行动控制的目标。)修复装备总重要度。修复装备总重要度是维修保障力量修复装备后得到装备重要度的总和,其表达式为:()()其中:为待修装备的重要度;为 决策变量,表示若待修装备 修竣完成,则 ,否则 。)修复装备总量。修复装备总量是在整个战斗过程中,维修保障力量修复的待修装
13、备数量总和,其表达式为:()()违反修理时间窗时间总和。违反修理时间窗总和是待修装备修竣时间超出规定时间窗的时间总和,其表达式为:(,()()()其中,表示待修装备 的修竣时刻。以上 个目标参数之间相互影响、相互制约,不易同时达到最优。因此,需要构建多目标优化模型实现全局的综合权衡。约束条件分析 待修装备损伤情况分析战场环境下,同一待修装备可能会产生一种或多种装备系统的部件损伤,维修保障力量应根据待修装备的损伤类型、待修部件之间修理时的相互关系派出相应的维修保障力量进行针对性修理。在待修装备 产生的待修部件集合 中,若任意 个待修部件修理时互不影响,此时可并行开展维修保障;若任意 个待修部件属
14、于同一装备系统且修理时具备前后约束关系,则需按照部件修理先后顺序串行开展维修保障。设集合 第 期郭一鸣,等:战时装备维修保障力量抢修行动模型构建与求解为待修装备 中需串行维修的待修部件 集合,为装备系统类别,其预计修复时间为:,()()将集合 按照装备系统类别 分别视为各个整体加入原集合 并重新按顺序排列,则待修部件新集合为 ,此时集合 中的待修部件均可实现并行维修。维修效率变化随着维修保障力量不断执行维修保障任务,其维修效率势必因人员疲劳等因素降低。为此,提出基于维修单元作业间隔时间的维修效率变化公式,即:()()其中,为疲劳系数,。为简化问题,方便模型计算,假设维修保障力量在前往下一台待修
15、装备的途中以及正在进行维修保障任务时维修效率不发生变化,值为每一次维修单元 到达待修装备 开始修理待修部件 的时刻 与上一次到达待修装备 对待修部件 修复完成时刻()的差值,即 (),从而对维修单元 的维修效率进行更新,为维修单元 的修理次数,当 时,()。由此可以看出,维修单元的维修效率与维修单元前后 次的维修作业时间间隔有关,间隔时间越长,维修单元能够得到充分休息,维修效率越高,反之越低。任务时间限制分析在维修保障任务过程中,由于维修保障任务时间有限,只能在一定的时间内对待修装备进行全部或部分维修。因此,当待修装备出现较少,维修保障力量能够遍历所有待修装备进行维修时,其约束为:,()。当待
16、修装备较多,由于保障时间限制维修保障力量无法遍历所有待修装备进行维修时,其约束为:,()。维修单元行动分析与传统单装包干式维修保障方式不同,考虑战场维修保障实际,同一种类的维修单元只可前往同一待修装备一次,不同种类的维修单元根据各自维修保障任务需求可同时前往不同待修装备并行开展维修保障,充分发挥维修单元灵活机动的模块化优势,也符合当前战时维修保障力量行动模式。模型建立综合考虑维修保障力量与待修装备损伤部件的修理匹配关系、维修保障力量与待修装备的修理时间关系、待修装备是否得到修复,确定相关约束条件,构建战时装备维修保障力量行动控制模型如下:()()(,()()珋 珓 ,()珋 ,()珓 ,()珓
17、 (),(),(),(),(),(),(),(),遍历 ,(),非遍历(),(,),(),()其中:式()、式()和式()表示战时维修保障力量行动控制目标分别为修复装备重要度和修复装备总数最大以及超出修理时间窗的时间和最小;式()表示维修单元从初始集结地域出发前往修复第 台待修装备待修部件的时间关系;式()表示待修装备的开始修理时间;式()表示维修单元修复相邻 个待修装备待修部件的时间关系;式()表示维修单元的维修效率与预计修复时间的关系;式()表示待修装备的修竣完成时间为维修单元并行开展修复该待修装备中的所有待修部件所消耗时间的最大值;式()表示维修单元至多修理每台待修装备的待修部件 国 防
18、 科 技 大 学 学 报第 卷次;式()为维修单元进出平衡约束;式()表示在战斗结束时间之前的待修装备修复才有效;式()为决策变量的取值范围。模型分析 多目标分析战时装备维修保障力量行动控制模型通过修复装备总重要度、修复装备总数和超出时间窗总和 个目标进行权衡得到一组满意解,即 最优解集,保障指挥员可根据战场实际需求在 最优解集中选择较为合理的一组解,从而为维修保障力量行动控制方案做出针对性决策。行动控制策略分析装备维修保障力量行动控制的实质是根据待修装备出现的时间、地点以及维修需求进行多次指挥控制维修保障力量行动的过程。维修保障力量行动控制策略就是设定某一驱动条件,用于判断该时刻是否进行维修
19、保障力量行动的再次调整。结合维修保障力量行动特点,设定战时装备维修保障力量行动控制的驱动条件为:任意维修单元完成任意待修装备的最后 项待修部件的维修任务且有新的待修装备出现时,根据当前各维修单元位置信息、所有待修装备信息(去除已修竣装备)调控一次维修保障力量行动。将该时刻完成最后 项维修任务的维修单元所在修竣装备位置以及其他维修单元所在待修装备位置记为关键点,在下一次维修保障力量行动调整时,处于关键点的维修单元位置保持不变,继续完成当前任务。该时刻为重规划时刻。该行动控制策略可以对新出现的待修装备及时做出维修决策反应,且可以消除待修装备实际修理时间与预计修理时间之间的误差,提升维修保障力量行动
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- 战时 装备 维修 保障 力量 抢修 行动 模型 构建 求解
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