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    新型艦炮系統(tǒng)時(shí)序化與隨機(jī)性調(diào)度復(fù)合供彈方法

    2011-02-22 07:29:46葛楊邱志明肖亮
    兵工學(xué)報(bào) 2011年5期
    關(guān)鍵詞:供彈艦炮隨機(jī)性

    葛楊,邱志明,肖亮

    (1.武器裝備研究院,北京100051;2.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001)

    0 引言

    大口徑艦炮主要執(zhí)行對(duì)岸、對(duì)海作戰(zhàn)以及防空、反導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù),隨著俄羅斯КВР 設(shè)計(jì)局122 mm、152 mm、155 mm 3 種口徑紅土地激光制導(dǎo)炮彈和美國(guó)洛克希德·馬丁公司的155 mm 銅斑蛇激光制導(dǎo)炮彈的研制,新一代艦炮正朝著大威力、高射速、多彈種、彈炮武器相互融合的方向發(fā)展。

    目前,美國(guó)MK45-1 型單127/54 mm 艦炮在滿足高速供彈的條件下同時(shí)具有自動(dòng)選擇6 種彈藥的能力;俄羅斯А-192М 130 mm 艦炮可依據(jù)指令自動(dòng)供、輸(包括紅土地制導(dǎo)炮彈在內(nèi))多種彈藥,多彈種兼容發(fā)射已成為該炮的主要特點(diǎn)之一[1];法國(guó)“緊湊”型100 mm、50 mm 口徑艦炮在3 種彈藥之間可實(shí)現(xiàn)任意更換,其供、補(bǔ)彈系統(tǒng)具有自動(dòng)裝彈(將炮彈從彈藥庫(kù)輸送到活動(dòng)彎道末端),又能反向自動(dòng)退彈的功能特點(diǎn),供彈率由發(fā)射率變化而自動(dòng)調(diào)節(jié),更換彈種的時(shí)間只需6 s[2];作為美國(guó)海軍新一代主力艦炮AGS 在射速試驗(yàn)中的最大持續(xù)射速為10 發(fā)/min,急襲射速為8 發(fā)/min,可在45 s 或更短的時(shí)間內(nèi)從彈架中取出8 發(fā)彈藥,并且具有能夠從多個(gè)彈架中提取多種彈藥的能力[3]。分析以上主要型號(hào)艦炮的技術(shù)特點(diǎn)可以看出:

    1)大口徑艦炮供、補(bǔ)彈系統(tǒng)應(yīng)具有向輸彈系統(tǒng)和供彈系統(tǒng)進(jìn)行變速供、補(bǔ)彈和快速更換彈種的能力,才能保證多彈種彈藥在系統(tǒng)內(nèi)的高密度存儲(chǔ)、快速更換,在彈位間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移和連續(xù)性輸送,才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳供、補(bǔ)彈速率和持續(xù)供、補(bǔ)彈速率的結(jié)合,提高大口徑艦炮快速反應(yīng)能力和持續(xù)作戰(zhàn)能力,保證實(shí)戰(zhàn)條件下大口徑的艦炮戰(zhàn)術(shù)效能的發(fā)揮。

    2)大口徑艦炮供、補(bǔ)彈系統(tǒng)應(yīng)具有存儲(chǔ)、輸送、識(shí)別的一體化功能,具有針對(duì)隨機(jī)性目標(biāo)和不確定性因素進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷與多任務(wù)決策管理和自動(dòng)控制的能力,才能滿足系統(tǒng)隨機(jī)性供、補(bǔ)彈要求,合理分配與再分配系統(tǒng)的工作時(shí)序,對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行全局性調(diào)度與再調(diào)度,保證補(bǔ)彈系統(tǒng)與供彈系統(tǒng)、供彈系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)同步功能的實(shí)現(xiàn),使艦炮戰(zhàn)術(shù)效能達(dá)到最大化。

    因此,連續(xù)供、補(bǔ)彈下艦炮系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)需要從系統(tǒng)的連續(xù)性時(shí)序和隨機(jī)性調(diào)度兩方面入手,適應(yīng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)停、供或供、停的工作特點(diǎn)和彈藥阻塞、滯留、轉(zhuǎn)換、退彈和系統(tǒng)故障等隨機(jī)性因素影響,平衡系統(tǒng)機(jī)構(gòu)連續(xù)供、補(bǔ)彈和隨機(jī)性供、補(bǔ)彈二者的矛盾關(guān)系,優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高艦炮的整體作戰(zhàn)性能。

    1 連續(xù)供彈下系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)

    以某口徑新型艦炮供、補(bǔ)彈系統(tǒng)(設(shè)計(jì)供彈速率:制式彈RSP=50 發(fā)/min,制導(dǎo)炮彈 Rgp=10 發(fā)/min,特種彈Rsp=10 發(fā)/min,下同)為例,進(jìn)行艦炮系統(tǒng)的全局性時(shí)序設(shè)計(jì)。

    1.1 單一彈種的供、補(bǔ)彈時(shí)序

    如圖1所示,供彈系統(tǒng)采用模塊化存儲(chǔ)、平臺(tái)化補(bǔ)彈、集中式供彈的一體化體系結(jié)構(gòu)。依據(jù)彈位、載荷狀況、工作步條件對(duì)系統(tǒng)采用錯(cuò)時(shí)、延時(shí)、縮時(shí)供彈方法,進(jìn)行合理分配和動(dòng)態(tài)匹配,工作步平均工作時(shí)間滿足

    式中:K 為系統(tǒng)工作步數(shù);Ni為步內(nèi)子工作步數(shù);n為步內(nèi)子工作步重合數(shù)。

    圖1 艦炮供彈機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)序工作原理圖Fig.1 TO principle of naval gun feeding system

    考慮系統(tǒng):甲板供彈,回轉(zhuǎn)間揚(yáng)彈,揚(yáng)彈機(jī)揚(yáng)彈,下、上甲板補(bǔ)彈系統(tǒng)工作任務(wù),由供彈速率R=50 發(fā)/min,則系統(tǒng)平均工作時(shí)間為1.2 s.設(shè)3 步內(nèi)平均工作時(shí)間為0.9 s;3 步內(nèi)平均調(diào)整工作時(shí)間為0.1 s;3 步內(nèi)平均重疊工作時(shí)間為0.1 s.系統(tǒng)理想時(shí)序設(shè)計(jì)如圖2所示。

    由(1)式得

    1.2 多彈種彈藥的供、補(bǔ)彈時(shí)序

    為了滿足系統(tǒng)快速供彈的有效性,多彈種供彈下,協(xié)調(diào)供彈、退彈和補(bǔ)彈時(shí)間的多工況工作條件進(jìn)行供彈系統(tǒng)機(jī)構(gòu)時(shí)序設(shè)計(jì)與修改,設(shè)平均退彈時(shí)間、彈種更換時(shí)間、接口時(shí)間分別為1 s、4 s、5 s,由(1)式得

    圖2 理想時(shí)序設(shè)計(jì)Fig.2 Desired TO design

    則以滿足系統(tǒng)適裝性指標(biāo)和機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)工作性能指標(biāo)的要求,縮短供彈系統(tǒng)彈種轉(zhuǎn)換時(shí)間和提高平均供彈速率為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行時(shí)序修整,修改后的時(shí)序設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

    圖3 修改后的工作時(shí)序Fig.3 Modified timing sequence

    2 隨機(jī)調(diào)度條件下時(shí)序決策與再分配

    時(shí)序設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)機(jī)構(gòu)出庫(kù)和入庫(kù)調(diào)度、彈藥彈種轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)故障的發(fā)生過程離散特征明顯,對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)需要結(jié)合系統(tǒng)連續(xù)性特征和離散性特征進(jìn)行系統(tǒng)隨機(jī)概率事件和元素屬性值設(shè)定,平衡系統(tǒng)隨機(jī)性和連續(xù)性過程影響,并依據(jù)隨機(jī)性的調(diào)度決策對(duì)系統(tǒng)時(shí)序進(jìn)行再分配[4]。

    2.1 隨機(jī)調(diào)度系統(tǒng)狀態(tài)分析與設(shè)定

    如圖1所示,機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為多層式供、補(bǔ)彈結(jié)構(gòu),自動(dòng)彈庫(kù)包括雙層式補(bǔ)彈平臺(tái),集中式揚(yáng)彈機(jī)構(gòu),參考彈藥供、補(bǔ)彈時(shí)序,系統(tǒng)工作過程中存在:

    1)輸送設(shè)備可能發(fā)生故障,導(dǎo)致彈藥滯留;

    2)到達(dá)和離去事件的發(fā)生間隔,退彈時(shí)間是離散的、隨機(jī)的;

    3)供彈、補(bǔ)彈指令輸出、彈藥輸送服務(wù)開始和結(jié)束時(shí)刻隨機(jī);

    4)連續(xù)狀態(tài)下,更換彈退回并重新選擇彈種與集中式揚(yáng)彈機(jī)構(gòu)揚(yáng)、供彈在線路上發(fā)生沖突。

    因而,執(zhí)行供彈、補(bǔ)彈任務(wù)時(shí),系統(tǒng)需要綜合調(diào)度,協(xié)調(diào)層間、層內(nèi)彈藥運(yùn)轉(zhuǎn),解決彈種更換(3 種彈藥的存在),以及彈藥供停、供退和退停等沖突。研究該系統(tǒng)連續(xù)供、補(bǔ)彈系統(tǒng)彈藥循環(huán),考慮系統(tǒng)供彈、退彈、換彈和故障事件的發(fā)生,分別以S1,S2,S3和S4表示彈藥出循環(huán)、回循環(huán)、退循環(huán)、停循環(huán)4 種狀態(tài),則離散化時(shí)間變量(單位時(shí)間內(nèi)),2 個(gè)相鄰時(shí)刻間的Markov 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移概率,滿足[5-6]

    式中:Sl為l 時(shí)段狀態(tài);Sl+1為l+1 時(shí)段狀態(tài);M 為Markov 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣。

    2.2 時(shí)序控制系統(tǒng)的隨機(jī)性概率調(diào)度

    補(bǔ)彈彈庫(kù)系統(tǒng)為雙層式多任務(wù)結(jié)構(gòu),彈藥分布情況為:上層為6 彈藥箱(200 發(fā)彈,制式彈3 列,特種彈,制導(dǎo)炮彈各1 列);下層為6 彈藥箱(100 發(fā)彈,制式彈2 列,特種彈和制導(dǎo)炮彈各1 列),則在彈藥配比確定條件下,單一彈種彈藥的供彈概率如表1所示。

    表1 多層式結(jié)構(gòu)單一彈種彈藥輸送概率Tab.1 Transferring probability of multi-kind projectiles

    2.2.1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的平均供彈率

    單位時(shí)間內(nèi),考慮下層藥庫(kù)補(bǔ)彈彈藥數(shù)量滿足:X=∑XSP+ ∑Xgp+ ∑Xsp,其中單發(fā)彈滿足則∑XSP~B(nSP,PSP).同理∑Xgp~B(ngp,Pgp),∑Xsp~B(nsp,Psp).

    又B(n,P)在nP 為常數(shù)時(shí)近似為正態(tài)分布,單發(fā)彈藥供彈可能性均相同,則E ∑(XSP+Xgp+Xsp)=50,σ2=D ∑(XSP+ Xgp+ Xsp)=(D ∑X )SP+∑Pgp(1- Pgp)+ ∑Psp(1- Psp)=1.5,式中:E(X)為系統(tǒng)彈藥補(bǔ)給的數(shù)學(xué)期望;D(X)為系統(tǒng)彈藥補(bǔ)給的方差。

    因此,概率分布上系統(tǒng)多種彈藥補(bǔ)供彈可近似為正態(tài)分布f(50,1.5).

    2.2.2 系統(tǒng)的多種彈藥Markov 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移概率

    以平均供、補(bǔ)彈單周期為時(shí)間參數(shù),設(shè)系統(tǒng)工作平均無故障工作時(shí)間MTBF=1 600 h,彈種更換時(shí)間為4 s,在多任務(wù)模式下優(yōu)先級(jí)為制導(dǎo)炮彈優(yōu)先(一炮三彈的基本設(shè)計(jì)原則)和機(jī)構(gòu)工作等概率設(shè)計(jì)原則下(概率分布依據(jù)系統(tǒng)供彈正態(tài)分布進(jìn)行計(jì)算):單工作周期內(nèi),彈藥以0.3 的退彈概率被系統(tǒng)退回;彈藥以0.3 的供彈概率,因供輸流失于系統(tǒng)外;彈藥以0.5 的概率因彈藥轉(zhuǎn)換而到子系統(tǒng)外,以0.3 的概率由機(jī)構(gòu)退回而歸還系統(tǒng);彈藥直接以0.7的概率供彈而輸出系統(tǒng),又以自身0.1 的概率因故障停留在系統(tǒng)外。則由(2)式知,系統(tǒng)工作相應(yīng)的轉(zhuǎn)移矩陣為

    2.2.3 補(bǔ)彈系統(tǒng)彈藥的決策控制

    動(dòng)態(tài)的補(bǔ)彈系統(tǒng)模型應(yīng)充分反映臨時(shí)實(shí)體在系統(tǒng)中歷經(jīng)的過程、永久實(shí)體對(duì)臨時(shí)實(shí)體的作用,以及它們之間的邏輯關(guān)系。

    以補(bǔ)彈系統(tǒng)為例建立子系統(tǒng)隊(duì)列關(guān)系,并進(jìn)行編碼,同時(shí)為了提高調(diào)度效率,避免沖突,建立適應(yīng)性結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)的暫存機(jī)構(gòu),決策控制如圖4所示[7]。

    圖4 補(bǔ)彈彈藥的決策控制Fig.4 Management of supplied multi-projectiles

    雙層彈庫(kù)系統(tǒng)層間補(bǔ)彈時(shí),某時(shí)刻系統(tǒng)各工作狀態(tài)概率表征如下:供彈時(shí)退彈時(shí)換彈時(shí)PS23=故障時(shí)PS44=PS11+PS22+PS33,式中:H1、H2為甲板層代號(hào);Sij為彈藥狀態(tài)由i 轉(zhuǎn)換為j.

    由(2)式知,以連續(xù)調(diào)度n 發(fā)為例,修改Markov轉(zhuǎn)移矩陣相應(yīng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移概率,則某時(shí)刻連續(xù)補(bǔ)彈下的轉(zhuǎn)移關(guān)系滿足

    式中:M'為修改后Markov 矩陣;Sl+nx為修改后狀態(tài)向量。

    比較(2)式與(3)式,連續(xù)供彈時(shí),系統(tǒng)狀態(tài)向量發(fā)生變化,系統(tǒng)在同時(shí)刻、不同工作層進(jìn)行多彈種彈藥補(bǔ)彈時(shí)發(fā)生層間補(bǔ)彈沖突。

    因而,以某時(shí)刻Markov 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移概率理論為基礎(chǔ),將時(shí)序設(shè)計(jì)原理引入該型艦炮供、補(bǔ)彈系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)的隨機(jī)性再調(diào)度設(shè)計(jì),可以充分優(yōu)化和提高系統(tǒng)重疊供彈時(shí)間,提高系統(tǒng)對(duì)彈藥的決策和控制能力,則比較層間系統(tǒng)補(bǔ)彈狀態(tài)矩陣,并由(1)式知,隨機(jī)性時(shí)序工作條件下,系統(tǒng)工作時(shí)序條件滿足

    式中:K 為系統(tǒng)工作步;n 為步內(nèi)子工作步重合數(shù)。

    依據(jù)效率原則,采用設(shè)計(jì)適應(yīng)性機(jī)構(gòu)解決機(jī)構(gòu)供、補(bǔ)彈的沖突問題,建立適應(yīng)性機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)庫(kù)調(diào)度管理和全系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化設(shè)計(jì),隨機(jī)性時(shí)序調(diào)度后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全系統(tǒng)時(shí)序滿足

    圖5 隨機(jī)調(diào)度下適應(yīng)性機(jī)構(gòu)Fig.5 Adaptive mechanism in random schedule

    依據(jù)各彈種彈藥平均供彈率計(jì)算,彈種更換下供、補(bǔ)彈系統(tǒng)平均工作時(shí)序如圖6所示,其彈藥轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)平均工作時(shí)間分別為tA=6.917 s,tB=15.413 s,tC=18.689 s,tD=5.939 s,tG=8.978 s,tH=10.112 s,其中:A 點(diǎn)和D 點(diǎn)為彈種轉(zhuǎn)換點(diǎn),B 為彈種轉(zhuǎn)換點(diǎn),C為供彈輸彈轉(zhuǎn)換點(diǎn),G 點(diǎn)和H 點(diǎn)為兩層甲板彈位。

    圖6 彈種更換平均工作時(shí)序Fig.6 Average TO of projectile replacement

    3 系統(tǒng)仿真

    根據(jù)系統(tǒng)特性的不同將工程系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)[8-10]。依據(jù)艦炮時(shí)序設(shè)計(jì)原理,對(duì)連續(xù)供彈下的系統(tǒng)彈位、工作步、彈藥狀態(tài)和系統(tǒng)出入庫(kù)調(diào)度過程進(jìn)行基于系統(tǒng)時(shí)序分配下的隨機(jī)調(diào)度性能仿真:

    1)基于Simulink/MATLAB 控制仿真,建立控制系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)度算法,將模型針對(duì)接口動(dòng)力控制特性,設(shè)計(jì)程序如圖7所示。

    圖7 Simulink/MATLAB 的控制仿真Fig.7 Simulink/MATLAB simulation of control system

    2)更換彈種過程描述為:將1 號(hào)彈箱內(nèi)的炮彈輸出結(jié)束,更換輸出2 號(hào)彈箱內(nèi)的炮彈,再更換輸出3 號(hào)彈箱內(nèi)的炮彈,其中:多彈種彈藥輸出過程與單種彈出庫(kù)過程相同;箭頭表示炮彈的運(yùn)送方向。仿真時(shí),對(duì)系統(tǒng)彈藥供輸和彈藥的轉(zhuǎn)換進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真,出庫(kù)及更換彈種3 種狀態(tài)下仿真如圖8所示。

    圖8 更換彈種過程仿真狀態(tài)Fig.8 Simulation for projectile replacement

    對(duì)某口徑艦炮供、補(bǔ)彈系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真,基于上述隨機(jī)性連續(xù)工作過程,隨機(jī)抽取3 種彈藥(制式彈,制導(dǎo)炮彈,特種彈)作為樣本,并實(shí)施控制,循環(huán)調(diào)度時(shí)序如圖9所示。

    圖9 單次循環(huán)調(diào)度時(shí)序圖Fig.9 Management plot of time sequence

    經(jīng)過20 次測(cè)量,并對(duì)時(shí)序節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和擬合處理,結(jié)果如下:

    1)彈種更換規(guī)律符合系統(tǒng)總體調(diào)度控制率,無換彈的全系統(tǒng)工作時(shí)間(整裝制式彈,制導(dǎo)炮彈,特種彈)與彈種更換條件下的全系統(tǒng)工作時(shí)間:無調(diào)度供彈時(shí)=10.858 s,隨機(jī)調(diào)度供彈時(shí)=16.974 s.

    2)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)置工作平臺(tái)和“棧”式臨時(shí)補(bǔ)彈機(jī)構(gòu),動(dòng)態(tài)庫(kù)隨機(jī)調(diào)度下的彈種轉(zhuǎn)換工作時(shí)間:無平臺(tái)時(shí)t=51.039 s,有平臺(tái)時(shí)=46.173 s.

    3)進(jìn)行動(dòng)態(tài)庫(kù)隨機(jī)調(diào)度,多彈種單發(fā)彈的全系統(tǒng)平均工作時(shí)間:46.039 s.

    對(duì)比和分析仿真結(jié)果可以看出:在連續(xù)周期供彈下,單發(fā)制式彈、無換彈下全系統(tǒng)工作時(shí)間為1.08 s,供彈速率為55 發(fā)/min,隨機(jī)性換彈條件下平均供彈速率達(dá)到35 發(fā)/min;無臨時(shí)補(bǔ)彈平臺(tái)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)彈種轉(zhuǎn)換時(shí)間為5.1 s,采用臨時(shí)補(bǔ)彈平臺(tái)后輸送彈種轉(zhuǎn)換時(shí)間由6.4 s 提高到4.6 s,提高補(bǔ)供彈機(jī)構(gòu)彈藥更換和補(bǔ)給工作效率20%~30%.

    4 結(jié)論

    依據(jù)某型艦炮補(bǔ)彈系統(tǒng)的連續(xù)性和離散性復(fù)合工作特點(diǎn),本文提出時(shí)序化供彈與隨機(jī)性調(diào)度復(fù)合設(shè)計(jì)方法,并將該方法應(yīng)用于某型艦炮的彈庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通過對(duì)該型艦炮的彈庫(kù)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真可得出如下結(jié)論:

    1)采用該方法在隨機(jī)性條件下進(jìn)行大基數(shù)彈庫(kù)兼容供彈、補(bǔ)彈和換彈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以明顯提高系統(tǒng)彈藥更換和補(bǔ)給效率。

    2)采用該方法可以明顯改善系統(tǒng)隨機(jī)性供彈和換彈性能,降低解決系統(tǒng)層間與層內(nèi)供彈沖突問題,減少艦炮供、補(bǔ)彈間隔時(shí)間,提高艦炮的戰(zhàn)術(shù)效能。

    3)本文方法也可為多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化和大基數(shù)、智能化、多樣化輸送機(jī)構(gòu)控制,提供一種參考方法。

    References)

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