周曉光,張佳利,何曉蕾,田懷英
(海軍航空兵學(xué)院,遼寧 葫蘆島 125001)
基于預(yù)定作業(yè)周期的航母作戰(zhàn)部署調(diào)度研究*
周曉光,張佳利,何曉蕾,田懷英
(海軍航空兵學(xué)院,遼寧葫蘆島125001)
為科學(xué)籌劃航母作戰(zhàn)部署調(diào)度,優(yōu)化航母作戰(zhàn)兵力的運(yùn)用,對(duì)航母作戰(zhàn)部署調(diào)度問題進(jìn)行建模研究。介紹航母預(yù)定作業(yè)周期,重點(diǎn)闡述航母綜合訓(xùn)練期、維修保障期和人員/作戰(zhàn)節(jié)奏等相關(guān)內(nèi)容;在此基礎(chǔ)上,分析航母作戰(zhàn)部署調(diào)度的約束條件,在滿足對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域有效時(shí)間覆蓋條件下,以最小化航母作戰(zhàn)兵力數(shù)量為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建航母作戰(zhàn)部署調(diào)度優(yōu)化模型,并通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,該模型是有效、實(shí)用的,可為科學(xué)決策航母作戰(zhàn)部署調(diào)度提供依據(jù)和方法。
航母,部署調(diào)度,線形規(guī)劃
航母作戰(zhàn)部署有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律,相對(duì)于其他作戰(zhàn)平臺(tái),航母作戰(zhàn)部署更加強(qiáng)調(diào)計(jì)劃性,更加重視統(tǒng)籌規(guī)劃。航母作戰(zhàn)平臺(tái)作為一個(gè)海上的大型機(jī)場,通過前置兵力部署,實(shí)現(xiàn)了對(duì)作戰(zhàn)海域的兵力存在,形成了對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域的有效期覆蓋[1-2]。航母作戰(zhàn)調(diào)度優(yōu)化的目的是如何有效利用有限的航母作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)海域的最大化兵力存在時(shí)間,形成對(duì)該作戰(zhàn)區(qū)域的打擊威懾。美軍在航母作戰(zhàn)調(diào)度方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn),制定了相應(yīng)的航母作戰(zhàn)調(diào)度政策和制度[3-4],在航母作戰(zhàn)調(diào)度方法和手段上也進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[5]提出了一種前置兵力模型(Navy’s Force Presence Model,F(xiàn)PM),考慮航母維修保障需求的條件下,計(jì)算了每艘航母平均的覆蓋能力。文獻(xiàn)[6]分析了前置部署航母對(duì)國家安全戰(zhàn)略的意義,并提出了航母覆蓋和響應(yīng)評(píng)估模型(Coverage and Response Estimation Model,CORE),分析了不同覆蓋要求下對(duì)航母數(shù)量的需求。筆者在上述研究的基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)航母作戰(zhàn)兵力調(diào)度優(yōu)化模型。
一般地,從航母下水服役開始,便為航母制定一個(gè)預(yù)定作業(yè)周期(Engineered Operating Cycle,EOC)[7]。這個(gè)周期首先是包括一個(gè)18個(gè)月的訓(xùn)練和部署時(shí)間,之后進(jìn)行休整。工作日的時(shí)間長度和數(shù)量需要能夠完成休整期間的工作量,這些隨著航母的老化會(huì)持續(xù)增長。在第1次部署之后會(huì)有一個(gè)3個(gè)月的廠級(jí)維修(Selected Restricted Availability,SRA),第2次部署之后會(huì)有一個(gè)5個(gè)月的入塢級(jí)維修(Docking Selected Restricted Availability,DSRA),第3次部署之后會(huì)進(jìn)行第2次3個(gè)月的SRA,第4次部署之后會(huì)有一個(gè)18個(gè)月的復(fù)雜大修(Complex Overhaul,COH)。這個(gè)SRA-DSRA-SRA-COH循環(huán)進(jìn)行重復(fù),第2次大修會(huì)持續(xù)24個(gè)月,如圖1所示。
圖1 航母預(yù)定作業(yè)周期
由圖1可知,航母作業(yè)周期內(nèi)的時(shí)間可以分為2類:一是作戰(zhàn)訓(xùn)練期;二是維修保障期。作戰(zhàn)訓(xùn)練期和維修保障期時(shí)間的長短不是固定不變的,是根據(jù)航母自身的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。作戰(zhàn)訓(xùn)練期主要用于航母進(jìn)行綜合訓(xùn)練和作戰(zhàn)部署;維修保障期主要用于航母維修保障。對(duì)航母預(yù)定作業(yè)周期進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化,將作戰(zhàn)訓(xùn)練期進(jìn)行拆分,航母預(yù)定作業(yè)周期可以進(jìn)一步分為3個(gè)階段:一是航母綜合訓(xùn)練期;二是航母作戰(zhàn)部署期;三是維修保障期[8]。
1.1航母綜合訓(xùn)練期
在航母作戰(zhàn)部署之前,首先要對(duì)航母艦員和飛行員進(jìn)行技能培訓(xùn),熟悉崗位業(yè)務(wù)能力,以滿足航母作戰(zhàn)部署過程中各崗位復(fù)雜操作的需要。航母綜合訓(xùn)練期的主要作用就是用于培訓(xùn)航母艦員和飛行員。航母綜合訓(xùn)練期一般持續(xù)8個(gè)月,由4個(gè)階段組成[9]。第1個(gè)階段是一個(gè)短期的海試階段,主要用于檢驗(yàn)航母自身主要系統(tǒng)的工作情況。第2階段為艦員更換期,該階段主要用于培訓(xùn)新的艦員和飛行員,用于取代需要離艦的老艦員和老飛行員。第3階段為艦員進(jìn)修訓(xùn)練期,在這個(gè)階段艦員得到更多的技能培訓(xùn),重視協(xié)作能力,團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng),使得航母艦上操作更加順暢,各戰(zhàn)位人員形成高效有序的整體。第4階段為綜合檢驗(yàn)階段,在該階段主要用于測試在戰(zhàn)爭條件下,航母編隊(duì)船只以及編隊(duì)船只艦員的穩(wěn)定性,提高應(yīng)對(duì)未來作戰(zhàn)的能力。經(jīng)過航母綜合訓(xùn)練期的訓(xùn)練和檢驗(yàn)后,航母離開母港,巡航部署與需要部署的作戰(zhàn)區(qū)域。
1.2維修保障期
航母自身設(shè)備技術(shù)復(fù)雜,科技含量高,為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,必須定期進(jìn)行裝備維修保障。航母維修保障大體可以分為3個(gè)層次[10]:一是自主性維護(hù);二是中級(jí)維護(hù);三是靠港性維護(hù)。自主性維護(hù)和中級(jí)維護(hù)是小范圍的維護(hù),可以在航渡過程中進(jìn)行維護(hù),可以忽略對(duì)航母可用性的影響??扛坌跃S護(hù)一般是在航母母港進(jìn)行,某型特定設(shè)備的維護(hù)還需要在某型特定工廠和船塢進(jìn)行更換維護(hù),因此,靠港性維護(hù)可以認(rèn)為航母不具備作戰(zhàn)能力。
在航母作戰(zhàn)部署調(diào)度過程中,除了考慮航母預(yù)定作業(yè)周期外,人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策也是要考慮的重要因素之一。
人員/作戰(zhàn)節(jié)奏解釋為單位時(shí)間內(nèi)航母的離港比率,為保證航母作戰(zhàn)訓(xùn)練人員的生活質(zhì)量和工作狀態(tài),航母作戰(zhàn)部署必須考慮人員/作戰(zhàn)節(jié)奏問題。提出人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策的原因是在航母作戰(zhàn)部署階段,一旦發(fā)生緊急事件,為應(yīng)對(duì)威脅,航母部署時(shí)間將變長,部署間隔時(shí)間將變短。長時(shí)間地處于作戰(zhàn)部署狀態(tài),航母自身系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過大,需要的維修保障費(fèi)用急劇增加。艦員長期處于緊張狀態(tài),也容易出現(xiàn)事故。為解決這些問題,美軍提出了人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策。人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策的目的是尋找作戰(zhàn)部署與作戰(zhàn)休息時(shí)間的均衡點(diǎn)。人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策主要有3個(gè)指標(biāo)[11-12]:
①航母部署時(shí)間長度不能大于6個(gè)月(180天);
②部署和停留時(shí)間比率小于1∶2。在2個(gè)連續(xù)6個(gè)月部署之間必須存在至少12個(gè)月的休息整頓時(shí)間;
③在每個(gè)5年的部署計(jì)劃周期內(nèi),航母在母港休息時(shí)間大于50%時(shí)間。
3.1部署可用期限制
下頁圖2是一個(gè)航母維修保障期規(guī)劃圖,時(shí)間單位為月。圖中黑色條形部分為航母靠港維護(hù)期,在該期間的航母不可進(jìn)行部署規(guī)劃。白色條形為航母非維修期,即作戰(zhàn)訓(xùn)練期。航母綜合訓(xùn)練期時(shí)間一般為8個(gè)月,航渡與部署時(shí)間為6個(gè)月,如果作戰(zhàn)訓(xùn)練期時(shí)間長度大于14個(gè)月,那么航母便有充足的時(shí)間進(jìn)行航母綜合訓(xùn)練和作戰(zhàn)部署,因此,一個(gè)大于14個(gè)月的作戰(zhàn)訓(xùn)練期稱為一個(gè)可部署期,如圖3所示。小于14個(gè)月的作戰(zhàn)訓(xùn)練期是不可以進(jìn)行部署的。在圖2中,標(biāo)注(1)的航母作戰(zhàn)訓(xùn)練期是一個(gè)航母不可部署期。在一個(gè)規(guī)劃周期內(nèi),依據(jù)航母維修保障期規(guī)劃,一艘航母一般具有2個(gè)~3個(gè)可部署期。假定航母作戰(zhàn)部署航渡所用時(shí)間為1個(gè)月,部署于作戰(zhàn)區(qū)時(shí)間為半個(gè)月,返回母港時(shí)間為半個(gè)月,為簡化問題,假定航渡與部署時(shí)間為6個(gè)月的最后一個(gè)月用于航渡,那么航母部署于作戰(zhàn)海域的時(shí)間為5個(gè)月。航母部署與作戰(zhàn)海域的時(shí)間稱為陣位部署期。如果航母可部署期的時(shí)間正好為14個(gè)月,那么只存在一個(gè)陣位部署期,開始于第9個(gè)月,結(jié)束于第13個(gè)月,第14個(gè)月用于往返航渡。如果航母可部署期長度大于14個(gè)月,那么將存在多個(gè)陣位部署期。
圖2 航母維修保障期規(guī)劃圖
圖3 航母部署涉及的重要時(shí)間期的相互關(guān)系
圖4顯示了2個(gè)航母的作戰(zhàn)部署規(guī)劃問題,其中航母Carrier1在作戰(zhàn)部署規(guī)劃周期內(nèi)存在2個(gè)可部署期,航母Carrier2存在一個(gè)可部署期。Carrier1的第一個(gè)可部署期內(nèi),存在3個(gè)陣位部署期,如圖2所示。Carrier1欄內(nèi)第一縱欄為一個(gè)陣位部署期,第1個(gè)陣位部署期時(shí)間為1991年7月至1991年11月;第2個(gè)陣位部署期為1991年8月至1991年12月;第3個(gè)陣位部署期為1991年9月至1992年1月。
3.2人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策限制
為了對(duì)人員/作戰(zhàn)節(jié)奏政策限制進(jìn)行建模描述,引入2個(gè)人員/作戰(zhàn)節(jié)奏系數(shù)變量ai,bi。圖5給出了ai,bi的含義,ai為第i次部署規(guī)劃結(jié)束時(shí)到維修保障期開始期間的月份數(shù)量,bi為維修保障期開始到下一次部署規(guī)劃期開始期間的月份數(shù)量。為確保連續(xù)2個(gè)部署規(guī)劃期之間的間隔大于13個(gè)月,那么要求ai+bi≥13。部署規(guī)劃期的第一個(gè)可部署期的人員/作戰(zhàn)節(jié)奏限制由最后一次已知部署月到該次部署規(guī)劃的月數(shù)大于12月確定。
圖4 航母作戰(zhàn)部署期
圖5 人員/作戰(zhàn)節(jié)奏系數(shù)變量
為保障部署和停留休整時(shí)間比率大于1∶2,引入系數(shù)pi對(duì)每個(gè)陣位部署規(guī)劃i進(jìn)行描述。假定屬于同一航母可部署期的陣位部署規(guī)劃擁有同一個(gè)參數(shù)pi。pi為在一次陣位部署結(jié)束到下一次陣位部署結(jié)束階段,航母停留休整時(shí)間的月數(shù)減去航母部署的月數(shù)。pi的值有可能為負(fù)值。在模型中,滿足條件pi≥0的陣位規(guī)劃才能進(jìn)行部署。
4.1相關(guān)變量定義說明
為建模方便,引入如下符號(hào)。
①索引變量:c=1…C為航母索引;i=1…I為陣位部署索引;j=1…J為可部署期索引;k=1…K為月份索引。
②數(shù)據(jù)變量:Scj為航母c在可部署期j內(nèi)所有可部署期規(guī)劃的集合;ai為陣位部署規(guī)劃i后航母在母港的月數(shù);bi為陣位部署規(guī)劃i前航母在母港的月數(shù);pi為航母部署時(shí)陣位部署i的人員/作戰(zhàn)節(jié)奏系數(shù);qi為航母未部署時(shí)陣位部署i的人員/作戰(zhàn)節(jié)奏系數(shù);Nc為在規(guī)劃期內(nèi)航母c的可部署規(guī)劃期數(shù)量;f為期望的時(shí)間覆蓋系數(shù);dik為二元決策變量,如果陣位部署規(guī)劃i覆蓋月k,那么dik=1,否則dik=0。
③決策變量:xi為陣位部署規(guī)劃決策變量,如果陣位部署規(guī)劃i被選擇,那么xi=1,否則xi=0。yk為月覆蓋決策變量,如果k月被航母覆蓋,那么yk=1,否則yk=0。zc為航母選擇決策變量,如果航母被選擇用來執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù),那么zc=1,否則zc=0。
4.2航母作戰(zhàn)調(diào)度模型
根據(jù)上述符號(hào)定義,構(gòu)建覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域的最少航母數(shù)量的航母兵力需求模型如下:其中,式(1)目標(biāo)函數(shù)為最小化覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域所需的航母數(shù)量;式(2)確保對(duì)于每個(gè)航母在每個(gè)可部署周期內(nèi)僅能部署一次;式(3)確保陣位部署規(guī)劃被賦予那些被選擇用來執(zhí)行作戰(zhàn)的航母;式(4)確保只用滿足2∶1轉(zhuǎn)化比率的陣位部署規(guī)劃才能被選擇;式(5)確保航母在母港的月數(shù)減去航母不在母港的月數(shù)大于0,確保航母50%的時(shí)間在母港;式(6)確保在作戰(zhàn)規(guī)劃期內(nèi)航母平均時(shí)間覆蓋滿足期望的覆蓋水平。
5.1輸入數(shù)據(jù)
假定期望的覆蓋水平為1,航母的數(shù)量為8,作戰(zhàn)規(guī)劃時(shí)間段為9010~9807(1990年10月至1998 年07月),每艘航母的具體數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)于每個(gè)航母,需要輸入的參數(shù)主要有5個(gè):①上一次陣位部署結(jié)束時(shí)間,如航母1上一次陣位部署結(jié)束的時(shí)間8912為1989年12月;②在作戰(zhàn)規(guī)劃時(shí)間內(nèi)航母可部署規(guī)劃期數(shù)量,如航母1在作戰(zhàn)規(guī)劃期內(nèi)可部署規(guī)劃期為3個(gè);第③個(gè)和第④個(gè)參數(shù)分別是每個(gè)可部署規(guī)劃期開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間,如航母1的可部署規(guī)劃期1的時(shí)間段為9010~9205,即開始于1990年10月,結(jié)束于1992年5月;⑤上一次陣位部署結(jié)束到本次陣位部署時(shí)間段內(nèi)航母在母港內(nèi)月數(shù)減去航母出航不在母港月數(shù)的差,用于計(jì)算陣位部署的人員節(jié)奏。
表1 數(shù)據(jù)輸入
表2 陣位部署期
5.2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備計(jì)算
根據(jù)輸入數(shù)據(jù),計(jì)算作戰(zhàn)規(guī)劃周期的月數(shù)為94,陣位部署期數(shù)量為145。陣位部署期1的開始月數(shù)為作戰(zhàn)規(guī)劃周期的第9個(gè)月,結(jié)束于作戰(zhàn)規(guī)劃周期的第13個(gè)月。陣位部署規(guī)劃期對(duì)月的覆蓋情況如表2所示。
根據(jù)輸入數(shù)據(jù),分別計(jì)算145個(gè)陣位部署期的所屬航母及各陣位部署期的人員/作戰(zhàn)節(jié)奏系數(shù)。陣位部署規(guī)劃期1~7位于航母1的第1個(gè)可部署期內(nèi),人員/作戰(zhàn)節(jié)奏參數(shù)為0。相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 陣位部署期的相關(guān)參數(shù)
5.3仿真結(jié)果分析
根據(jù)以上數(shù)據(jù),采用LINGO數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件,進(jìn)行編程,求解方程,模型的最優(yōu)解為8,即采用8個(gè)航母便可以進(jìn)行對(duì)作戰(zhàn)部署規(guī)劃期的覆蓋。采用航母4對(duì)作戰(zhàn)規(guī)劃期第9~13個(gè)月進(jìn)行部署,采用航母1對(duì)作戰(zhàn)周期第14~18個(gè)月進(jìn)行部署,其中航母4和航母5在規(guī)劃周期內(nèi)部署2次,其他航母部署1次。最終的覆蓋結(jié)果如表4所示。
表4 航母作戰(zhàn)部署規(guī)劃結(jié)果
改變時(shí)間覆蓋系數(shù),分別設(shè)定時(shí)間覆蓋系數(shù)為0.5、0.6、0.75、1.0,對(duì)模型進(jìn)行求解,求解結(jié)果如表5所示。從表中可以看出,時(shí)間覆蓋系數(shù)對(duì)航母兵力數(shù)量需求的影響是巨大的,適當(dāng)減少時(shí)間覆蓋系數(shù)可以有效減少覆蓋作戰(zhàn)區(qū)域所需的航母數(shù)量。
表5 覆蓋系數(shù)對(duì)航母兵力數(shù)量需求的影響
筆者對(duì)航母兵力作戰(zhàn)調(diào)度問題進(jìn)行了研究,提出了一個(gè)航母兵力作戰(zhàn)部署調(diào)度模型。最后應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了模型的有效性和可行性,并分析了不同作戰(zhàn)覆蓋強(qiáng)度對(duì)航母兵力數(shù)量需求的影響,仿真結(jié)果顯示,合理設(shè)定航母作戰(zhàn)時(shí)間覆蓋強(qiáng)度,可以有效減少對(duì)航母作戰(zhàn)兵力數(shù)量的需求。本文中,所構(gòu)建的模型,假定航母預(yù)定運(yùn)作周期是給定的,沒有考慮維修保障期對(duì)航母作戰(zhàn)部署調(diào)度的影響。下一步將進(jìn)一步分析航母維修保障計(jì)劃對(duì)航母部署調(diào)度的影響。
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OptimalResearch on Deployment Scheduling for Aircraft Carriers Based on Engineered Operating Cycle
ZHOU Xiao-guang,ZHANG Jia-li,HEXiao-lei,TIAN Huai-ying
(Naval Flight Institute,Huludao 125001,China)
In order to scientific make of plan of deployment of aircraft carrier,and optimize force using,the deployment scheduling for aircraft carriers is researched.Firstly the engineered operating cycle(EOC)is developed.The work-up cycles,maintenance periods and personnel and operating tempo(PERSTEMPO/OPTEMPO)are introduced.Based on that,the factors and constraints of deployment scheduling are discussed,and a carrier deploymentmodel is presented.The output of the model provides optimal station coverage assignments for a given level of coverage under constraints associated with carrier operations.Finally a type example is given,and the computational results show that the model is effective and practically useful.The results of this paper can provide quantity basis and theory guidance for carrier deployment.
aircraftcarriers,deploymentscheduling,linear programming
E926.392
A
1002-0640(2016)08-0070-05
2015-05-05
2015-08-07
國家社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14GJ003—???)
周曉光(1982-),男,吉林蛟河人,博士,工程師。研究方向:作戰(zhàn)運(yùn)籌,飛行仿真。