MES 技術(shù)在艦載機(jī)調(diào)度仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

李韋翰

(空軍指揮學(xué)院，北京 100097)

0 引 言

關(guān)于艦載機(jī)的調(diào)度問題，目前較為成熟的體系是以多主體系統(tǒng)（MAS）展開的相關(guān)研究，并由此延伸出裝備保障、艦面布放、出動(dòng)離場等細(xì)化研究思路，將航母戰(zhàn)略布局與人工智能技術(shù)結(jié)合，并結(jié)合各種算法，如PSO 算法、CE-PF 算法、改進(jìn)GA 算法等進(jìn)行融合處理，可以達(dá)到很好的效果。MES 技術(shù)應(yīng)用于艦載機(jī)調(diào)度仿真系統(tǒng)研究，則主要以艦載機(jī)出動(dòng)回收、人員及彈藥分布交互式仿真為主，并對(duì)軟件的開發(fā)過程進(jìn)行詳盡探討[1-3]。而以上研究成果，都為進(jìn)一步工作奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

本文以計(jì)算機(jī)軟件MES 為研究工具，探討其在航母出動(dòng)回收系統(tǒng)中的應(yīng)用功效，旨在提升艦載機(jī)調(diào)度效率，完善系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化智慧航母出動(dòng)回收仿真系統(tǒng)的可行性，從戰(zhàn)略層面考慮航母作業(yè)調(diào)度的問題，基于現(xiàn)有資料中相關(guān)調(diào)度技術(shù)策略進(jìn)行運(yùn)籌學(xué)方法優(yōu)化[4-6]。

1 問題描述及模型

1.1 航母調(diào)度問題

假設(shè)在一批次艦載機(jī)中，有n種不同數(shù)量的艦載機(jī)要處理，記入{J1，J2，...，Jn}中；共m個(gè)艦載機(jī)，記入{M1，M2，...，Mm}；艦載機(jī)i過程可以用集合Oi來表示，記{Oi1，Oi2，...，Oij}；每次調(diào)度都能隨意選擇艦載機(jī)，同時(shí)又能達(dá)到出動(dòng)回收要求，在實(shí)際航母出動(dòng)回收調(diào)度體系里，因使用頻率較高、年限等因素不同時(shí)，使得艦載機(jī)在出動(dòng)回收過程中功率及出動(dòng)回收時(shí)間都不一樣，因此，以最大的出動(dòng)回收時(shí)間、機(jī)械負(fù)載達(dá)到最小、出動(dòng)回收油耗作為研究航母調(diào)度可行性的關(guān)鍵問題。

1.2 問題模型

1.2.1 條件假設(shè)1）同一臺(tái)艦載機(jī)同一時(shí)刻只能出動(dòng)回收一個(gè)艦載機(jī)；2）同一艦載機(jī)的同一道調(diào)度在此時(shí)只能在一臺(tái)艦載機(jī)上出動(dòng)回收；3）任意艦載機(jī)的調(diào)度在出動(dòng)回收開始后不能中止；4）不同艦載機(jī)之間不存在先后順序；5）同一艦載機(jī)的調(diào)度之間有出動(dòng)回收先后關(guān)系，必須在前置調(diào)度完成后才能出動(dòng)回收；6）在零時(shí)刻所有艦載機(jī)都可以開始出動(dòng)回收。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

式（1）～式（3）為目標(biāo)函數(shù)，式（1）顯示最小完工時(shí)間是根據(jù)最晚完工出動(dòng)回收艦載機(jī)的相應(yīng)時(shí)間來確定；式（2）為裝置負(fù)荷；式（3）為這批艦載機(jī)出動(dòng)回收的能耗。對(duì)于上述目標(biāo)函數(shù)，本研究過程的約束條件為：

1.2.3 參數(shù)定義

相關(guān)參數(shù)含義如表1 所示。

表1 相關(guān)變量及含義Tab.1 Relevant variables and their meanings

1.3 MES 技術(shù)應(yīng)用可行性分析

1.3.1 技術(shù)可行性

本次選取的艦載機(jī)調(diào)度系統(tǒng)，主要使用ASP.NET和MYSQL 數(shù)據(jù)庫作為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要工具，該設(shè)計(jì)思路便于航母艦載機(jī)操作人員的調(diào)度仿真和運(yùn)用，利于二次擴(kuò)展。

艦載機(jī)調(diào)度系統(tǒng)的硬件要求是極其苛刻與嚴(yán)格，需使用一種便于實(shí)現(xiàn)的通用硬件進(jìn)行配置。然而硬件方面要求達(dá)不到，據(jù)此本文基于web 瀏覽器的服務(wù)應(yīng)用，將艦載機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與便攜式筆記本電腦連通。在開啟調(diào)度仿真期間，ASP.NET 的基本知識(shí)已經(jīng)滿足要求，且MYSQL 數(shù)據(jù)庫的操作也吸取和積存了相關(guān)編程的知識(shí)，例如軟件測試，本設(shè)計(jì)統(tǒng)一采取UML 建模語言，并具有一定的辨認(rèn)性、敏捷性。

1.3.2 操作可行性在實(shí)踐中加強(qiáng)艦載機(jī)調(diào)度，最為重要的目的是提升航母的作戰(zhàn)能力。而基于MES 技術(shù)應(yīng)用，可以讓該系統(tǒng)具有一個(gè)較為直觀的導(dǎo)航界面，且在操作流程上易于上手，方便相關(guān)人員進(jìn)行人機(jī)交互，直接通過通信衛(wèi)星的信號(hào)傳遞，進(jìn)行線上聯(lián)網(wǎng)操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于MES 技術(shù)，對(duì)艦載機(jī)管理系統(tǒng)展開的總體結(jié)構(gòu)主要包括系統(tǒng)管理、基本信息管理、艦載機(jī)調(diào)度管理、油耗管理、故障檢修管理以及調(diào)度員輪換安排管理，并對(duì)管理員及飛行員進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的編號(hào)。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局，是確定整體架構(gòu)和各個(gè)功能模塊在系統(tǒng)研究過程中的關(guān)鍵問題。結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)背后的理念，是將整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊合理地分割出來，由上至下將其劃分成幾個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，然后再根據(jù)這些模塊進(jìn)行劃分成幾個(gè)模塊。每一個(gè)可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)模塊也都可以作為子模板使用，即單層、獨(dú)立程序。本艦載機(jī)調(diào)度系統(tǒng)主要分為管理員、飛行員兩大模塊，并按照三級(jí)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)管理結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)。

2.3 艦載機(jī)調(diào)度仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)作為記錄艦載機(jī)調(diào)度信息的核心，是做好排障措施、防范調(diào)度隱患、復(fù)盤經(jīng)驗(yàn)成果的關(guān)鍵，因此在收集、整理及分析相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中，做好數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)顯得尤為重要，本文基于MES 技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)在調(diào)度情況，對(duì)未來的相關(guān)調(diào)度需求進(jìn)行深化分析，由此搭建一個(gè)針對(duì)性的解決調(diào)度問題的數(shù)據(jù)庫。

2.3.1 MES 數(shù)據(jù)庫需求分析

對(duì)航母艦載機(jī)調(diào)度的調(diào)查流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flowchart

艦載機(jī)調(diào)度系統(tǒng)通過對(duì)不同管理員的權(quán)限限制，來實(shí)現(xiàn)航母各部門的不同需求，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)如下數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1）管理員基本信息包含個(gè)人信息、工作信息，聯(lián)系方式等，在本設(shè)計(jì)中對(duì)此類信息都有進(jìn)行統(tǒng)一管理，具體信息有管理員姓名、性別、身份證號(hào)、初領(lǐng)艦載機(jī)時(shí)間、艦載機(jī)號(hào)、艦載機(jī)調(diào)度期限等。

2）可輸入艦載機(jī)基本信息，顯示艦載機(jī)信息狀態(tài)，可查看艦載機(jī)狀態(tài)。

3）維修保養(yǎng)信息。如果艦載機(jī)在維修中，系統(tǒng)會(huì)指示艦載機(jī)在維修中，這對(duì)于艦載機(jī)調(diào)度很有用。主要維修信息包括艦載機(jī)編號(hào)、常見故障維修、配套材料說明、上次檢修時(shí)間、更換零件信息及備忘單等。

4）用車人員在系統(tǒng)中提交申請信息，由領(lǐng)導(dǎo)審批，根據(jù)艦載機(jī)狀態(tài)，指派合適的艦載機(jī)。歸還時(shí)，進(jìn)行回車操作，完成閉環(huán)管理流程。艦載機(jī)航行信息有：艦載機(jī)編號(hào)、飛行員姓名、艦載機(jī)出動(dòng)時(shí)間、回收時(shí)間、艦載機(jī)航行公里和耗油量等。

5）系統(tǒng)根據(jù)出動(dòng)和回收信息設(shè)置生成相關(guān)調(diào)度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，方便航母定期維護(hù)及不定期的檢修。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)體規(guī)劃中，本設(shè)計(jì)具體實(shí)體包括飛行員、艦載機(jī)、艦載機(jī)航行信息、維修信息、事故信息等。各實(shí)體間的E-R 關(guān)系以艦載機(jī)實(shí)體為例，其各實(shí)體間關(guān)系E-R 如圖2 所示。

圖2 各實(shí)體間關(guān)系E-R 圖Fig.2 E-R diagram of relationships between entities

2.3.3 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)和需求分析，現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為能被選定的SQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）支持的實(shí)際數(shù)據(jù)模型。

1）飛行員表

飛行員表設(shè)置內(nèi)容包括了飛行員和管理員信息，如表2 所示。

表2 飛行員信息表Tab.2 Pilot information table

2）管理員表

管理員相關(guān)信息主要包括艦載機(jī)和管理員相關(guān)信息，如表3 所示。

表3 管理員信息表Tab.3 Administrator information table

3）艦載機(jī)基本信息表

艦載機(jī)信息包含艦載機(jī)編號(hào)、艦載機(jī)顏色、發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、艦載機(jī)登記時(shí)間、服役時(shí)間、主要飛行員等，如表4 所示。

表4 艦載機(jī)信息表Tab.4 Information of carrier-based aircraft

4）維修信息表

維修信息主要包括艦載機(jī)編號(hào)、歸屬航母、故障內(nèi)容、里程數(shù)、備注等，如表5 所示。

表5 維修信息表Tab.5 Maintenance information sheet

5）艦載機(jī)航行信息表

艦載機(jī)航行信息包括艦載機(jī)編號(hào)、調(diào)度負(fù)責(zé)人姓名、艦載機(jī)航行出動(dòng)時(shí)間和回收時(shí)間、艦載機(jī)航行公里和耗油量等，如表6 所示。

表6 艦載機(jī)航行信息表Tab.6 Carrier aircraft navigation information sheet

表7 登錄測試用例Tab.7 Login test cases

3 MES 技術(shù)應(yīng)用測試

3.1 仿真系統(tǒng)登錄

1）飛行員名和密碼正確，成功登陸；

2）飛行員名可用，密碼錯(cuò)誤。

3.2 艦載機(jī)信息管理結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)艦載機(jī)信息的添加、刪除、修改進(jìn)行驗(yàn)證，表8為艦載機(jī)信息測試用例。

表8 艦載機(jī)信息測試用例Tab.8 Carrier-based aircraft information test cases

按上述方法對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行逐一測試，直到達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)定功能為止。

4 結(jié) 語

基于MES 技術(shù)，圍繞飛行員和艦載機(jī)調(diào)度需求設(shè)計(jì)的本系統(tǒng)，通過測試得出，該艦載機(jī)仿真信息在進(jìn)行系統(tǒng)性管理時(shí)，能達(dá)到預(yù)期工作目標(biāo)。所有基本功能均已實(shí)現(xiàn)與可執(zhí)行，具備操作簡單，系統(tǒng)運(yùn)行良好且極具應(yīng)用的優(yōu)勢，值得推廣。