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数字化装备维修保障任务分配与调度框架研究

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霉事装备测控技术 文章编号:1671—4598(2017)09—0099—03 计算机测量与控制.Computer Measuremen2t&C01 7.2 o5n(tr9)ol DOI:10.16526/j.cnki.11—4762/tp.2017.09.026 中[]fry类号:E92;TJO7 ・ 99 ・ 文献标识码:A 数字化装备维修保障任务分配与 调度框架研究 昝 翔 ,陈春0- ,张仕新 ,张会奇 ,陈伟龙 (1.装甲兵工程学院技术保障工程系,北京100072;2.装甲兵工程学院装备试用与培训大队,北京 100072) 摘要:针对数字化装备维修保障需求,提出装备维修保障任务分配与调度问题,从复杂性、重要性和实时性3个方面分析问题 特点,并对研究范围进行定位;基于霍尔三维结构,从要素维、逻辑维和知识维3个方面构建装备维修保障任务分配与调度的体系结构, 并且在此基础上对装备维修保障任务分配与调度的组成要素、实施程序和技术方法进行系统论述;最后,对装备维修任务优先级分类、 装备维修任务分配和装备维修任务调度3个研究要点的内涵和技术方法进行描述。 关键词:数字化;装备维修保障;任务优先级分类;任务分配;任务调度 Architecture Research on Digital Army Armored Equipment Maintenance Task Allocation and Scheduling Zan Xiang ,Chen Chunliang ,Zhang Shixin ,Zhang Huiqi。,Chen Weilong (1.Department of Technical Support Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China; 2.Brigade of Equipment Trail and Training,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China) Abstract:To meet the demanding of equipment maintenance for digital army armored,the problem of equipment maintenance support task allocation and scheduling is raised.From complexity,importance and real——time performance,characteristic of the problem is analyzed. At the same time,research location is delimited.Based on architecture of Hall three—dimension structure theory,architecture of equipment maintenance support task allocation and scheduling is built which includes factor dimension,logical dimension and knowledge dimension.Ac— cording to the architecture,elements,execution steps,and related technology and method are systematically analyzed.At last,connotation and technique of three key points including equipment maintenance task priority sorting,equipment maintenance task allocation and equip ment maintenance task scheduling is analyzed. Keywords:digital army armored;equipment maintenance;task priority sorting;task allocation;task scheduling 0 引言 数字化是陆军的发展方向,在指挥信息系统的统一协 的效能,确保数字化顺利遂行作战任务。在此背景下,提 出了数字化装备维修保障任务分配与调度问题。 数字化装备维修保障任务分配与调度指的是对数字化 遂行作战任务过程产生的维修保障任务进行合理的分配与 调度,以达到保证作战任务顺利进行的目的,它既是数字化部 队的重要组成部分,又对装备维修保障系统的平稳运行具有重 要作用。 调下,实现各功能要素的精确协同,才能充分发挥体系作战的 最大效能L1]。关于数字化作战的相关研究较为深入,从作战理 论到硬件条件建设,几乎涉及建设与作用行动的各个方 面[2_3_。但是,作为数字化的重要组成部分,装备维修保 障却被忽略了。目前,关于数字化装备维修保障的研究几 乎都停留在表面,并未进行深人研究。对装备维修保障研究的 不足,不利于数字化的平衡发展。 数字化的装备种类繁多、损伤比例高,使得维修保障 任务繁重。战时装备维修保障以作战任务为牵引,而数字化部 队的作战任务具有新的特点。为了适应这些全新的变化,对装 1研究定位与问题特点 1.1研究定位 装备维修保障指挥是装备维修保障的关键活动,既要与作 战指挥保持~致,实现作战指挥员在装备维修保障方面的意 图,又是装备维修保障的核心组成部分,对装备维修保障行动 起指导作用。装备维修保障指挥由计划、组织与控制三部分组 成『4]。计划功能是根据已知的维修需求进行决策和计划制定。 组织功能是根据对计划的具体组织实施。控制功能是为了应对 备维修保障任务进行分配与调度,可以提高装备维修保障系统 收稿日期:2017—02—21;修回日期:2017一O4一O5。 基金项目:科研计划项目(2015WG57)。 作者简介:咎翔(1989一),安徽太和人,博士研究生,主要从事装 备保障方向的研究。 陈春良(1963一),河北容城人,教授,博生导师,主要从事装备保障 方向的研究。 张仕新(1971一),河北青龙人,副教授,硕士生导师,主要从事装备 计划外的维修需求制定一个反馈机制,是计划功能的重要补 充。装备维修保障指挥功能的充分发挥是装备维修保障系统平 稳运行基础,各子功能及相互关系如图1所示。 其中,装备维修保障任务分配和任务分配分别体现了其中 的计划功能和控制功能,基本框架如图2所示。 保障方向的研究。 数字化装备维修保障任务分配与调度包括装备维修保 障任务优先级分类、装备维修保障任务分配、装备维修保障任 ・ 1OO ・ 计算机测量与控制 第25卷 障力量无法完成保障任务,上级保障力量的支援行动需要更长 时间的机动,这就使得上级的支援行动很难形成有效修复,战 术级装备维修保障的核心作用凸显出来。因此,在战术级对维 修保障任务的横向分配必须更加合理和迅速,才能制定有效的 维修保障计划,从而提高维修保障效率,充分发挥维修保障系 统的效能。 3)装备维修保障保障需求反馈的实时性增强,对维修保 障任务调度提出了更高的要求。 数字化拥有强大指挥信息网络,使得装备维修保障需 求的实时反馈更加迅速。为了提高装备维修保障系统对实时保 图1 装备维修保障指挥各子功能及相互关系 图2装备维修保障任务分配与调度基本框架 务凋度。其中,维修维修保障任务优先级分类是基础,必须集 中力量去修复对装备体系具有重大影Ⅱ向、资源消耗少、维修工 时短的装备。维修保障任务分配合理是前提,可以使得维修保 障力量充分发挥作用。维修保障任务调度是关键,能够针对实 时出现的维修保障需求做出快速地反应。为使该装备维修保障 系统能够平稳运行,必须合理进行维修保障任务的优先级分 类、分配与调度,才能对装备维修保障系统进行优化,以满足 数字化的需求。 1.2 问题特点 1)数字化装备维修保障对象的种类多且故障规律复 杂,增加了装备维修保障任务分配与调度的复杂性,使得维修 保障任务优先级分类的必要性凸显出来。 数字包含多个作战要素,所含装备种类繁杂,再 加上信息化战场敌方威胁的多样性,导致其维修保障对象的故 障规律复杂。装备维修保障任务分配与调度要求在有限时间和 资源的下修复尽可能多的装备,以最大程度地发挥对作战 的支援作用。因此,面对作战的支援程度、修理时间、消耗资 源和所处位置均不同的维修保障任务,如何作出最佳维修决 策,是数字化装备维修保障任务分配与调度面临的一个重 大问题。维修保障任务优先级分类可以对不同属性的维修保障 任务进行综合评估和分类,明确维修保障任务的优先级顺序, 是维修保障任务分配与调度的基础。 2)战术级装备维修保障的核心作用突出,对维修保障任 务分配提出了更高的要求。 对于战时装备维修保障,只有在作战持续期间修复的装备 才是有效修复,能够对作战起到支援作用。作战时间缩短是未 来信息化作战发展的必然趋势。同时,由于战场空间扩大,数 字化各功能要素之间的地理距离也相应加长,一旦本级保 障需求的反应能力,需要对维修保障任务做出及时地调度,使 得维修保障保障计划可以根据需求进行有效地调整,从而实现 装备维修保障行动的实时控制,充分发挥数字化通信系统所带 来信息优势。 2研究体系结构 2.1体系结构 系统工程方是系统工程分析和处理问题的方法步骤和 总体框架 l。霍尔三维结构 是Hall A D在1962年提出,是 一种分层的立体解构体系,适用于复杂系统的分析研究。针对 数字化装备维修保障中的任务分配与调度问题,采用霍尔 三维结构理论的框架和方法,从体系结构、组成部分和研究步 骤等方面进行分析,建立数字化装备维修保障任务与调度 的三维体系结构如图3所示。 图3 数字化装备维修保障任务分配与调度体系结构 2.2要素维 装备维修保障任务分配与调度的要素维由以下几个方面 构成: 1)维修保障任务。维修保障任务是装备维修保障系统的 客体[7],是维修保障任务分配与调度的实施对象,维修保障任 务的特点和需求是进行维修保障任务分配的核心要素,包括装 备种类、装备作战任务、装备故障规律和装备防护性能等子 因素。 2)维修保障力量。维修保障力量是装备维修保障系统的 主体,是维修保障任务分配与调度的实施者,维修保障力量的 特点和维修能力是制约维修保障任务分配与调度的重要影响因 素,包括维修保障人员数量、技能水平、疲劳程度、维修保障 资源携行量、机动能力等子因素。 3)维修保障信息。维修保障信息指的是与装备维修保障 任务分配与调度相关的所有信息,包括待修装备修复时间和所 需资源、待修装备位置、作战持续时间、作战环境等信息。 2.3过程维 过程维反映装备维修保障任务分配与调度的过程,由以下 第9期 几个方面构成: 昝翔,等:数字化装备维修保障任务分配与调度框架研究 ・ 1O1 ・ 装备维修保障任务优先级分类问题本质上属于多属性决策 问题,是在考虑多种相关属性的前提下,使用一定的方法对备 1)信息收集:对于装备维修保障信息进行收集,为维修 保障任务分配与调度提供信息支持。 2)任务分析:通过装备维修保障信息,结合装备的特点 和作战任务特点,对维修保障任务进行全面分析。 3)任务优先级分类:通过维修保障任务分析的结果,根 据待修装备修理时间、所需资源、所处位置和装备对作战的贡 献程度等信息,对维修保障任务的优先级进行分类,明确维修 任务的优先级顺序。 4)任务分配:对已有的维修保障任务进行分配,在维修 保障任务分配时要综合考虑维修任务优先级,维修保障力量消 耗和作战持续时间等因素。 5)任务调度:在制定了维修计划后,根据新出现的计划 外维修保障任务,对维修保障任务进行调度,使得装备维修保 障系统能够更好地为作战服务。 2.4知识维 装备维修保障任务分配与调度的知识维,由分析和构建该 问题所需的学科和知识构成,有利全面了解所研究问题和进行 建模优化,包括: 1)系统分析方法可以为装备维修保障任务分配与调度系 统进行全面和系统分析提供方法支持,理清系统的运行规律、 要点和不足。 2)系统建模方法用于对装备维修保障任务分配与调度系 统的要点进行建模分析,对研究要点的本质属性进行抽象化 描述。 3)系统优化方法是在系统建模的基础上,对其中缺陷和 不足进行补足或改进的方法,使得系统运行更加流畅,更好的 发挥系统效能。 4)系统仿真方法是建立和运行装备维修保障任务分配与 调度系统的方法,可以对系统优化的结果进行验证与评估。 5)其它相关方法是与该研究相关的一切方法。 3研究问题分析 3.1 装备维修保障任务优先级分类问题分析 装备维修保障任务分类问题是综合考虑装备维修任务的多 种特性,决策出维修保障任务优先级的过程 对维修保障任务 优先级影响的特性包括装备对作战的贡献程度、维修资源需 求、修理时间、损坏位置。维修资源需求和修理时间在维修任 务确定后均可以明确,装备对作战的贡献程度主要是定量说明 该装备对作战体系的影响。保证作战体系的平稳运行是装备维 修保障的终极目标,因此装备在作战体系中的重要度就是装备 对作战支援作用的具体体现,也是装备维修保障任务分类问题 的核心之一。该问题的输入与输出条件如图4所示。 l障l 图4装备维修保障任务优先级分类问题描述 选方案排序,选取最优或满意方案的过程 。装备维修保障 任务优先级分类问题可以采用采用线性加权模型,获得各个维 修任务的评估指数值,即: 其中, 是第j个维修任务的评估值,m 是第i个影响因 素,Gt 是第i个影响因素所对应的权重值。 在获得了各个维修任务对应的评估值以后,按照一定的规 则对维修任务进行排序,就可以解决装备维修保障任务优先级 分类问题。 多属性决策的研究重点集中在指标权重确定方法与备选方 案排序方法,指标权重确定方法包括主要包括层次分析法[1 、 德尔菲法 、主成分分析法_1 等,备选方案排序方法包括模 糊综合评判[1 、TOPSIS:” 等。 3.2装备维修保障任务分配问题分析 装备维修保障任务分配是根据已有的维修保障需求,对维 修保障任务进行合理分配的过程。维修任务的优先级分类结果 是维修任务分配的基础,必须集中维修资源去恢复优先级较高 的装备。维修保障任务分配问题的输入、输出及约束条件如图 5所示。 图5装备维修保障任务分配问题描述 装备维修保障任务分配问题可以抽象为运筹学中的指派问 题l】 ,主要用来解决如何一定的约束条件下,将若干单元分 配去完成若干任务,使得效益最佳的问题,属于整数规划的一 种特殊形式。装备维修保障任务分配问题的基本模型为: maxX r 时间约束 s.t: 维修能力约束 (2) l  ‘…‘‘ 其中:x为修复装备的数量。 装备维修保障任务分配问题以修复装备最大为决策目标, 在多种约束条件下使得决策目标最大化。 3.3装备维修保障任务调度问题分析 装备维修保障任务分配是设计一套完整的反馈机制,以应 对可能出现的计划外的维修保障任务,维修保障任务调度的基 本流程及约束条件如图6所示。 计划外的维修保障任务对原定的维修保障任务实施计划产 生影响,将其作为外界刺激输入维修保障任务调度模型,该模 型在维修保障资源和维修作业时间的约束下获得决策结果,并 制定新的维修保障任务实旃计划,新的计划可以减小计划外的 维修保障任务对原维修保障任务实施计划的影响。 (下转第114页) 计算机测量与控制 [9]吴秀鹏,张春润,刘亚东,等.陆军装备保障力量模块化研究 2002,3(7):1 21. 第25卷 [J].装备指挥技术学院学报,2010,2l(3):31~37. [1O]陈国良,王煦法,庄镇泉.遗传算法及其应用[M].北京:人民 邮电出版社,1996. r11]Bezdek J C,Keller J M,Krishnapuram R,Kuncheva I I,Pal N [14]Chen K J,Ping J I.Dynamic advanced planning and scheduling with frozen interval for new orders[J].Chinese Journal of Me chanical Engineering,2007,20(4):117—119. [152 Dimitriadou E,Dolnicar S,Weingessel A.An examination of in dexes for determining the number of cluster in binary datasets[J]. Psychometrika,2002,67(1):137一】60. R.wi11 the real iris data please stand up[J].IEEE Transactions on Fuzzy Systems,1999,7(3):368~370. [12]张 强,李 淼.基于遗传算法和遗传模糊聚类的混合聚类算法 [16]Kapp A V,Tibshirani R.Are clusters found in one dataset pres ent in another dataset?[J].Biostatistics,2007,8(1):9—31. [17]Calinski R,Harabasz J.A dendrite method for cluster analysis [J].Commun Statistics,1974,3:l一27. [J].计算机工程与应用,2007,43(3):164—197. [13]Dudoit S,Fridly J.A predicton--based resampling method for es— timating the number of clusters in a dataset EJ].Oenome Biology, (上接第101页) l维修保障资源ll维修作业时间 ———隅[一 国防工业出版社,2016. [5]汪应洛.系统工程(第4版) 社,2014. [M].北京:机械工业出版 [6]胡 静,金晓斌,李红举,等.基于霍尔三维结构的土地整治信 l 骓I I 图6 装备维修任务调度基本问题描述  息组织模式[J].农机工程学院,20i4,30(3):】88 196. 社,2002. [7]孔令茂,牛跃峰.战术装备保障学[M].北京:国防大学出版 [8]邓戈.外军数字化探析[M].北京:人民出版社出版 社,2015. [9]中国人民军语[M].北京:军事科学出版社,2011. [10]凌海风,郑宇军,萧毅鸿.装备保障智能优化决策方法与应用 装备维修保障任务调度问题可以抽象为旅行商问题 , 作为一类典型的NP问题,对该类问题的研究大多集中于求解 模型的算法方面,基本算法包括遗传算法 ]、蚁群算法 ”]、 粒子群优化算法_2 等智能算法。装备维修保障任务调度问题 的基本模型为: maxY [M].北京:国防工业出版社,201 5. [11]Virginia R,Gabriella M,Massimo S.Modeling a suslainable requalification problem by analytic hierarchy process[J].Quality and Quantity,2015,49(4):1661—1 677. [12]Marianne J N,Irene K,Ank D J,et a1.()n speaking terms:a Delphi study on shared decision making in maternity care[J]. BMC Pregnancy and Childbirth,2014,14(1):l一11. r维修时间不确定性 s.t: 恢复状态不确定性 l} ‘‘‘’‘ (3) [13]Dimitris E C.Athanasios D.P,()urania I M.A Unified Network Selection Framework Using Principal Component Analysis and 其中:y为修复装备的数量。 装备维修保障任务调度问题以修复装备最大为决策目标, 在多种不确定性因素条件下使得决策目标最大化。 Multi Attribute Decision Making[J].Wireless Personal Commu nications,2014,74(1):147—1 65. [14]Huang Y J,Huang L J.Experimental Teaching Quality Evalua tion Practice Based on AHP——Fuzzy Comprehensive Evaluation 4 结束语 装备维修保障任务分配与调度是装备维修保障的重要组成 部分,对装备维修保障系统能否平稳有效运行具有至关重要的 作用。从问题背景出发,分析了问题来源及特点,并明确了研 Model[J].Lecture Notes in Computer Science,2013,7796 (1):1o1—1o9. berto V,Juan A,Jorge G A,et a1.Notes on Dependent Attrib— [is] Alutes in TOPSIS[J].Procedia Computer Science,2014,31:308 —究定位。运用霍尔三维结构理论,对装备维修保障任务分配与 调度系统结构进行探索,分析出了装备维修保障任务优先级分 类、装备维修保障任务分配和装备维修保障任务调度3个研究 要点;提出了研究的5个步骤,指明了研究的具体过程;梳理 317. [16]申卯兴,曹泽阳,周 林.现代军事运筹[M].北京:航空出 版社,20I5. [17] 陈冰梅,樊晓平,周志明,等.求解旅行商问题的Matlab蚁群 仿真研究[J].计算机测量与控制,2o11,19(4):990 992.  iu C.Kroll A.On Designing Genetic Algorithms for Solving [18] I知识体系,确定了基本方法。对各研究要点进行了描述,分析 了研究问题所需的技术方法与基本模型结构,为后续的深入研 究打下基础。 参考文献: Small—and Medium—Scale Traveling Salesman Problems rJ I. Lecture Notes in Computer Science,2O12,7269(1):283—291. uca N,Mihaela B,Madalina R.Performance Evaluation of Ant [19] RalColony Systems for the Single——Depot Multiple Traveling Sales—— [1]马平.联合作战研究[M].北京;国防大学出版社,2013. 卫,宋阿羚.美国陆军模块建设研究[M].北 man Problem[J].Lecture Notes in Computer Science,201 5, 9121(1):257 268. E2]孙振武,贾京:国防工业出版社,2015. [2O]Liao Y F,Yan D H,Chen C I .Evolutionary algorithm to trave— ling salesman problems[J].Computers and Mathematics with Applications,2012,64(5):788—797. [3]王曙明,肖顺旺.美国陆军模块建设研究[R].北京:总装 备部装甲兵技术研究所,2012. [43陈春良,张仕新,吕会强,等.装备维修保障概论[M].北京: 

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