艦載機(jī)甲板布列調(diào)運(yùn)問(wèn)題的研究

汪曉龍 宋佳平

摘 要：本文分析了艦載機(jī)作業(yè)的基本流程以及甲板空間因素對(duì)艦載機(jī)作業(yè)的影響，將艦載機(jī)及其相關(guān)作業(yè)的調(diào)運(yùn)空間和作業(yè)空間進(jìn)行了區(qū)域劃分，采用先優(yōu)先選擇區(qū)域再選擇站位的模式解決艦載機(jī)甲板站位艦移動(dòng)的路徑規(guī)劃問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī);布列;調(diào)運(yùn)

中圖分類(lèi)號(hào)：E917 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0224-02

航母甲板空間有限，作戰(zhàn)環(huán)境高度危險(xiǎn)緊張，如果能夠在任務(wù)下達(dá)后最先出動(dòng)戰(zhàn)機(jī)形成戰(zhàn)斗力并且在作戰(zhàn)過(guò)程中有條不紊地進(jìn)行甲板作業(yè)，保持持久作戰(zhàn)能力，就能在瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)中占據(jù)先機(jī)。由于受到航空母艦飛行甲板空間區(qū)域限制，艦載機(jī)的飛行不可能同時(shí)滿(mǎn)足很多架次飛機(jī)起飛、著艦，因此艦載機(jī)的飛行特征被稱(chēng)為具有多層蛋糕般的層次性。同時(shí)，航空母艦上人力資源相對(duì)靠港時(shí)要少，再加上等待、保障、起飛等功能區(qū)有可能相互重疊，如何合理利用飛行甲板有限的空間和資源，快速有效地調(diào)度飛機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，是世界各航母強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)先研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 艦載機(jī)甲板站位間移動(dòng)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃

1.1 艦載機(jī)甲板站位設(shè)置

艦載機(jī)甲板區(qū)域設(shè)置是按功能進(jìn)行站位劃分的，艦載機(jī)所處站位不同，它所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)也不同。如圖1所示，艦載機(jī)甲板站位設(shè)置主要包括著艦戰(zhàn)位（1號(hào)區(qū)）、等待站位（2號(hào)區(qū)、3號(hào)區(qū)、4號(hào)區(qū)、5號(hào)區(qū)）、保障站位（6號(hào)區(qū)、7號(hào)區(qū)）和放飛站位（圖中4個(gè)黑色區(qū)域）。艦載機(jī)著艦后在甲板可能處于著艦、保障、等待保障、等待放飛、放飛5種狀態(tài)。艦載機(jī)所處站位區(qū)域和狀態(tài)共同決定了艦載后續(xù)動(dòng)作流程。

著艦站位主要用于為直升機(jī)著艦提供足夠的滑行區(qū)域。等待站位為等待起飛，或等待進(jìn)入保障站位進(jìn)行保障維修的艦載機(jī)提供暫時(shí)待機(jī)位置。保障站位為艦載機(jī)進(jìn)行加油、掛彈、維修等作業(yè)，可為艦載機(jī)提供長(zhǎng)時(shí)間甲板停留。

理想狀態(tài)下，艦載及甲板作業(yè)流程為“著艦-保障-放飛”，但由于艦載機(jī)各功能站位可保障機(jī)位有限，所以艦載機(jī)從著艦到再次起飛作業(yè)流程也不僅相同。根據(jù)艦載機(jī)所處戰(zhàn)位以及流程要求，艦載機(jī)從1號(hào)1區(qū)著艦后至起飛區(qū)的可能路徑如圖2所示。艦載機(jī)每種狀態(tài)為艦載機(jī)甲板作業(yè)流程中的1個(gè)節(jié)點(diǎn)，艦載機(jī)每到一個(gè)節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)就會(huì)進(jìn)入等待隊(duì)列，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自身確定的排隊(duì)策略用于選擇艦載機(jī)進(jìn)行服務(wù)并安排其進(jìn)入下一節(jié)點(diǎn)。

1.2 艦載機(jī)甲板移動(dòng)路徑規(guī)劃模型

艦載機(jī)甲板移動(dòng)路徑規(guī)劃的基本原則為要使艦載機(jī)在甲板各站位間移動(dòng)的路徑最優(yōu)，即艦載機(jī)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所用時(shí)間最短。由于甲板艦載機(jī)?？壳闆r未知，且艦載機(jī)在實(shí)際移動(dòng)過(guò)程中所需時(shí)間不僅與所選站位有關(guān)、還有當(dāng)前甲板其他飛機(jī)停放位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，所以建立以下路徑規(guī)劃原則：

（1）當(dāng)艦載機(jī)由著艦站位著艦后，在存在保障站位空缺情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇保障站位;若無(wú)保障站位保障，則進(jìn)行等待站位選擇。保障站位應(yīng)優(yōu)先選擇不受艦載機(jī)起飛影響的6號(hào)區(qū)站位。（2）當(dāng)艦載機(jī)由著艦站位選擇等待站位時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行區(qū)域選擇，再根據(jù)該區(qū)域內(nèi)空間站位距離遠(yuǎn)近選擇站位。（3）當(dāng)艦載機(jī)由等待站位選擇保障站位時(shí)，應(yīng)首先選擇不受艦載機(jī)起飛影響的6號(hào)區(qū)。（4）當(dāng)艦載機(jī)由保障站位選擇等待站位時(shí)，按照受艦載機(jī)起飛、降落的影響程度，在甲板面非站位區(qū)域活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短和由等待站位牽引至放飛站位的時(shí)間長(zhǎng)度等因素考慮，應(yīng)按照5號(hào)區(qū)、2號(hào)區(qū)、3號(hào)區(qū)、4號(hào)區(qū)的順序選擇等待站位。（5）當(dāng)艦載機(jī)由等待站位選擇放飛站位時(shí)，原則上2號(hào)區(qū)、3號(hào)區(qū)、4號(hào)區(qū)、5號(hào)區(qū)艦載機(jī)的放飛陣位應(yīng)選擇10號(hào)區(qū)和11號(hào)區(qū)保障，并優(yōu)先選擇不會(huì)對(duì)其他艦載機(jī)作業(yè)產(chǎn)生影響的10號(hào)區(qū);6號(hào)區(qū)、7號(hào)區(qū)艦載機(jī)的放飛陣位應(yīng)選擇8號(hào)區(qū)和9號(hào)區(qū)保障，并優(yōu)先選擇不會(huì)對(duì)其他艦載機(jī)作業(yè)產(chǎn)生影響的8號(hào)區(qū)。

在上述分析和假設(shè)前提下，艦載機(jī)在各站位間移動(dòng)的路徑規(guī)劃僅需考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是當(dāng)前甲板空缺站位情況;二是下個(gè)移動(dòng)站位區(qū)域。也就是說(shuō)，根據(jù)當(dāng)前甲板面上站位空缺情況做出要前往的區(qū)域規(guī)劃。

2 連續(xù)出動(dòng)模式下的艦載機(jī)調(diào)度模型

當(dāng)航母艦面事先已經(jīng)布放艦載機(jī)時(shí)，若需要執(zhí)行某一出動(dòng)任務(wù)，則需要對(duì)艦面的艦載機(jī)進(jìn)行合理的調(diào)度，以盡可能地縮短其出動(dòng)時(shí)間。

2.1 保障需求模型建立

艦載機(jī)在保障區(qū)域進(jìn)行加油、掛彈的時(shí)間直接影響了艦載機(jī)的出動(dòng)速度，能在同一時(shí)間同時(shí)保障艦載機(jī)進(jìn)行加油、掛彈的數(shù)量越多，艦載機(jī)執(zhí)行后續(xù)任務(wù)的時(shí)間也就約充裕。對(duì)變量做如下假設(shè)：

：表示需要在同一時(shí)間進(jìn)行航空保障的艦載機(jī)數(shù)量;

：表示第一型戰(zhàn)斗機(jī)的航空保障時(shí)間;

：表示第二型戰(zhàn)斗機(jī)的航空保障時(shí)間;

：表示需要進(jìn)行航空保障的第一型戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)量;

：表示需要進(jìn)行航空保障的第二型戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)量。

則：

2.2 艦載機(jī)調(diào)度模型建立

假設(shè)作戰(zhàn)周期內(nèi)出動(dòng)共出動(dòng)艦載機(jī)數(shù)量為n架，且已經(jīng)停放于艦面不同區(qū)域停機(jī)位;通過(guò)改變位于不同停機(jī)位艦載機(jī)的出動(dòng)順序，以尋求最優(yōu)出動(dòng)方案，使得在優(yōu)先保證n架艦載機(jī)出動(dòng)時(shí)間最短的基礎(chǔ)上，令其艦面總的移動(dòng)距離也盡可能最短，移動(dòng)距離最短意味著對(duì)其它飛機(jī)作業(yè)影響程度越小。為此可將該艦載機(jī)調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)換為帶有約束條件的多目標(biāo)函數(shù)求最優(yōu)解問(wèn)題。建立數(shù)學(xué)模型如下：

：表示艦載機(jī)由當(dāng)前站位狀態(tài)至最終狀態(tài)所需時(shí)間總和。

：表示艦載機(jī)由當(dāng)前站位狀態(tài)至最終狀態(tài)移動(dòng)距離總和。

M表示目標(biāo)函數(shù)要求，各目標(biāo)滿(mǎn)足的優(yōu)先次序?yàn)椋菏紫葷M(mǎn)足n架艦載機(jī)出動(dòng)時(shí)間最短;其次滿(mǎn)足n架艦載機(jī)艦面移動(dòng)距離也盡量最短。

確定約束條件：

（1）放飛陣位選擇。當(dāng)艦載機(jī)連續(xù)出動(dòng)時(shí)，相鄰兩架艦載機(jī)的飛行周期，“著艦-保障-放飛”首尾交錯(cuò)重疊。為保證起飛降落互補(bǔ)影響，以及艦載機(jī)起飛時(shí)不影響其它飛機(jī)進(jìn)行甲板作業(yè)，連續(xù)出動(dòng)時(shí)選用8號(hào)區(qū)。（2）移動(dòng)路徑選擇。為確保安全，事件不同時(shí)發(fā)生，甲板面上只存在一架艦載機(jī)由某一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)移動(dòng)。（3）保障區(qū)域選擇。保障區(qū)域優(yōu)先選擇6號(hào)區(qū)。

則艦載機(jī)出動(dòng)時(shí)間計(jì)算模型可表示為：

：表示處于狀態(tài)下的艦載機(jī)數(shù)量;

：表示艦載機(jī)進(jìn)行狀態(tài)改變時(shí)的牽引時(shí)間;

：表示放飛站位艦載機(jī)的放飛周期。

艦載機(jī)移動(dòng)距離計(jì)算模型可表示為：

3 結(jié)語(yǔ)

如何能夠充分調(diào)動(dòng)航空母艦上有限的空間區(qū)域、保障人力資源確保艦載機(jī)在飛行甲板上頻繁的調(diào)運(yùn)作業(yè)實(shí)現(xiàn)快速、有序、合理、最優(yōu)化是本文討論和解決的關(guān)鍵和最終目的。本文對(duì)艦載機(jī)的甲板布局站位進(jìn)行了區(qū)域性劃分，通過(guò)系統(tǒng)規(guī)劃建立模型，得出艦載機(jī)在各類(lèi)站位之間移動(dòng)的實(shí)時(shí)規(guī)劃的最優(yōu)化路徑。在艦載機(jī)連續(xù)出動(dòng)的模式下，通過(guò)確定約束條件，建立基礎(chǔ)模型，從而解決以艦載機(jī)放飛任務(wù)的調(diào)度計(jì)劃。

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