戰術層次裝備保障指揮控制組織優化

2016-04-13 08:17:11張守玉

裝備學院學報 2016年1期

張守玉，　張　煒

(裝備學院裝備指揮系，北京 101416)

戰術層次裝備保障指揮控制組織優化

張守玉，張煒

(裝備學院裝備指揮系，北京 101416)

摘要針對戰術層次裝備保障指揮控制效能問題，采用決策者、資源平臺和任務3類要素描述戰術層次裝備保障指揮控制的組織結構，以組織的負載最小為優化目標建立裝備保障組織優化模型，基于遺傳算法對組織結構確定程序進行了設計，采用罰函數處理優化模型中的資源約束問題，實例驗證了模型和算法的可行性。

關鍵詞裝備保障；指揮控制；組織優化；遺傳算法；罰函數

Optimization of Equipment Support Command Control Organization at Tactic Level

ZHANG Shouyu,ZHANG Wei

(Department of Equipment Command， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

AbstractTo enhance the effectiveness of equipment support command and control, the paper describes the organizational structure of equipment support command and control at static level with three elements including decision maker, resource platform and task, establishes organization and optimization model taking the minimal load of organization as the goal, designs organizational structure determination procedure based on genetic algorithm and verifies the feasibility of model and algorithm empirically using penalty function to process and optimize resource constraint.

Keywordsequipment support； command and control； organization optimization； genetic algorithm； penalty function

指揮控制是作戰行動的核心，關系到戰術行動的結局。戰術層次裝備保障指揮控制組織應根據戰場情況對裝備保障資源有效配置，組織關系應依據戰場情勢動態調整，使裝備保障指揮控制機構在復雜惡劣環境下高效可靠運轉。當前諸多研究[1-5]提出了C2組織的魯棒性和適應性模型，對組織結構的性能進行了分析。但戰術層面裝備保障指揮控制組織結構優化的研究仍然局限于定性論述層面，組織的優化設計和定量數據分析仍然處于空白狀態，急需開展相關研究工作。

1裝備保障指揮控制組織描述

裝備保障指揮控制組織是為完成裝備保障任務，決策實體對相關保障活動參與人員以及裝備保障資源平臺進行指揮、控制、調度和運用，形成與任務執行過程相適應的結構關系。裝備保障組織可以描述成三元組的形式，即組織={實體，關系，任務}。實體包括決策實體和資源平臺2類，關系指決策實體之間、決策實體和資源平臺之間、資源平臺和保障任務之間、決策實體與保障任務之間所形成的各種關系，任務是一定使命環境下的裝備保障任務集合。

決策者集合表示為：m={m1,m2,…mM}，M為決策者數量。

資源平臺是資源要素的集合體，將資源平臺的全部能力集合記為F={f1,f2,…fL}，L為裝備保障資源的功能總數。裝備保障資源平臺主要指相關的移動平臺和固定平臺，將資源平臺集合記為P，P={Pi|i=1,2,…K}，Pi={Vimax,A(Pi)}。其中，K是資源平臺數目，Vimax是平臺Pi的最大機動速度，A(Pi)={ri1,ri2,…riL}代表平臺Pi的功能。

實體要素之間關系表示為R={R1,R2,R3,R4}。其中，R1為決策者之間的縱向指揮層級關系和橫向協調關系，R2為決策者對資源平臺的調度和使用關系，R1、R2稱為組織結構的內部關系；R3為決策者對任務的管理和分配關系，R4為資源平臺根據保障任務形成的配置關系。以上各種關系可表示為三角對稱的矩陣形式。譬如決策者實體之間的關系矩陣可以表示為

每2個對象之間的關系是相互的，從而，R1(i,j)=R1(j,i),令R1(i,i)=0。各種關系數量值定義如下。

2裝備保障組織模型設計

2.1組織設計的三階段方法

裝備保障組織結構分析首先需要對作戰使命任務進行分析和建模，由作戰任務確定出相應的裝備保障任務。裝備保障任務是確定裝備保障組織結構的使命輸入。

組織結構常用的設計方法是三階段法，該方法首先確定保障任務和可用的平臺資源，第一階段是根據平臺資源和任務類型確定資源到任務的對應關系，第二階段是平臺資源到決策者之間聚類，第三階段是確定決策者之間的層次關系。如圖1所示。

圖1　指揮控制組織結構設計流程

2.2裝備保障組織的決策者負載

在高強度的戰場環境下，裝備保障指揮控制組織優化的目標是使組織的負載最小，這是基于裝備保障任務高效完成的總體目標。決策者的負載來源于2個方面：

1) 決策者之間所發生的指揮、協調關系而產生的負載，稱為決策者內部負載I(m)；

2) 負載是決策者根據任務對所掌握的資源平臺進行調度，稱為決策者的外部負載E(m)。總負載的計算公式如下：

(1)

(2)

實際上，決策實體之間的外部協作關系是通過任務執行過程來體現的，可以在負載定義的基礎上進一步定義決策實體m和決策實體n之間的協作量，記為

(3)

式中，m=1,2,…M；n=1,2,…M；E(m,m)=0。

決策實體m總的外部協作工作總量又可以表示為

同樣的，定義決策實體m對資源平臺k之間的控制工作量為決策實體利用資源平臺完成所有任務花費的總時間，重修修訂I(m)的表達式，記為

(4)

其中，

根據組織決策者負載最小，建立裝備保障組織結構的規劃模型

(5)

式(5)中第一個約束代表每一項任務至少由一個決策者負責，第二個約束代表每一個資源平臺只能分配給一個決策者，第三個約束代表同一時間內對于同一類資源的需求總量不能大于所有平臺所具有的該類資源的總和。

2.3裝備保障組織結構分層設計

假定裝備保障的組織結構有如下特性：(1) 裝備保障資源可重復利用；(2) 一個決策者掌握多個資源平臺；(3) 多個決策者可能掌握同一類型的資源平臺；(4) 多個資源平臺可以執行相同的保障任務。

從而，組織中的決策者、資源平臺、功能集合和任務執行關系可以形成如圖2所示的結構。

圖2　裝備保障組織結構中各要素之間的結構關系示意圖

記決策實體m的協作工作量

(6)

T∈Δ(M)有所有決策實體構成的決策樹的節點集合。

由式(6)可知，組織層次結構關系就是賦權組織協作網下的最小生成樹，可以采用避圈法或破圈法[6]獲得協作網中的最小生成樹。

3基于遺傳算法的組織結構優化設計

當任務規模較大、資源平臺數量較多時，公式(5)問題的組合解數量急劇擴大，將成一個非確定多項式(Non-deterministic Polymonial hard)問題，可采用遺傳算法進行問題的求解，解算步驟為：

3) 設定遺傳算法的基本參數；

4) 依據公式(5)設計適應度函數；

5) 按照遺傳算法的基本計算步驟進行代次計算，獲取優化結果，得到裝備保障組織協作網關系。

6) 根據避圈法或破圈法得到協作網中的最小生成樹，獲得組織結構層次關系。

公式(5)中前2個約束條件通過步驟1)、步驟2)自動得到滿足，可采用罰函數的方法處理式(5)中第三個約束關系，主要目的是降低不符合約束條件的個體的適應度值。

罰函數的設計方法為：依據步驟1)、步驟2)可以計算任務的資源需求差距，取差距的均方差為s(xi)，定義罰函數P(xi)=Fit(xi)·s(xi)/Max(s(x1),s(x2),…s(xn))，Fit(xi)是根據式(5)計算得到的個體適應度值，Max(s(x1),s(x2),…s(xn))為該種群均方差的最大值。新的個體適應度值為F(xi)=Fit(xi)-P(xi)。基于遺傳算法求取裝備保障組織結構的流程如圖3所示。

圖3　采用遺傳算法計算裝備保障指揮控制組織結構的流程

4實證分析

以復雜地域進攻作戰為例驗證以上模型和算法任務，任務分為接敵展開、前沿突破、縱深奪要、奪占核心陣地4個階段。各階段、時節的任務流程如圖4所示(任務名稱略)。裝備保障的任務情況如圖5所示(任務名稱略)。圖中C代表沖擊時刻。

圖4　復雜地域進攻作戰過程示意圖

圖5　裝備保障任務過程圖

資源平臺包括履帶裝甲搶救搶修車(LQJQX)、履帶坦克搶救牽引車(LTQJQY)、拆裝工程車(CZGCC)、軍械修理車(JXXLC)、輪式車輛修理車(LSCLXLC)、彈藥輸送車(DYSSC)、彈藥庫(DYK)、軍械器材庫(JXK)、輪式車輛器材庫(LSCLQCK)、綜合修理所(ZHXLS)、指揮所(ZHS)等；裝備保障平臺所擁有的功能包括履帶牽引類資源f1、履帶搶修類資源f2、履帶拆裝類資源f3、輪式拆裝類資源f4、輪式搶修類資源f5、軍械修理類資源f6、彈藥槍械輸送類資源f7、彈藥槍械儲備類資源f8、器材儲備類資源f9、綜合修理類資源f10。平臺資源的參數如表1所示，相應數字經過歸一化處理(例如彈藥儲備：0.5個基數設為1，彈藥運輸2輛車設為1，速度10km/h設為1)。裝備保障任務資源需求的參數設置如表2所示。

表1　裝備保障資源平臺參數

表2　保障任務需求增大后的任務需求參數

續表2

以決策實體集合資源平臺和任務集合進行編碼，資源平臺編碼長度為18，任務序列編碼長度為21。

遺傳算法的基本參數設置為：種群數量為200，進化代數150，交叉概率0.75，變異概率為0.05，代溝為0.9。

任務和資源的優化分配結果如表3所示。

表3　參數調整后的資源平臺-保障任務決策實體

資源平臺和任務集合相對于決策者的優化適應度值在150代內的演變過程計算結果,如圖6、圖7所示。

圖6　資源分配種群適應度值變化進程

按照遺傳算法的設計步驟2)，任務分配方式仍然是任務只能由一個決策者承擔，為了使決策者產生任務協同，采用將任務進行整合劃分的方法。將任務1，4，5，6歸結成新的S1類，任務2，3，7，12，13歸結成新的S2類，任務8，9，10，11，15，21歸結成S3類，任務14，16，17，18，19，20結成S4類。按照新的任務聚合，將資源平臺、新的任務聚集、決策者形成要素關系圖(為清晰起見，同一組決策者之間的聯系只標一條連接線)，如圖8所示。將組織結構要素的網絡圖變換成決策者之間的權重連接圖，權重值為決策者共同協作完成的任務數。如圖9所示。