數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度框架研究

，，，，

(1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072；2.裝甲兵工程學(xué)院 裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京 100072)

數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度框架研究

昝翔1，陳春良1，張仕新1，張會(huì)奇2，陳偉龍1

(1.裝甲兵工程學(xué)院技術(shù)保障工程系，北京100072；2.裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京100072)

針對(duì)數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障需求，提出裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度問(wèn)題，從復(fù)雜性、重要性和實(shí)時(shí)性3個(gè)方面分析問(wèn)題特點(diǎn)，并對(duì)研究范圍進(jìn)行定位；基于霍爾三維結(jié)構(gòu)，從要素維、邏輯維和知識(shí)維3個(gè)方面構(gòu)建裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的體系結(jié)構(gòu)，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的組成要素、實(shí)施程序和技術(shù)方法進(jìn)行系統(tǒng)論述；最后，對(duì)裝備維修任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類、裝備維修任務(wù)分配和裝備維修任務(wù)調(diào)度3個(gè)研究要點(diǎn)的內(nèi)涵和技術(shù)方法進(jìn)行描述。

數(shù)字化部隊(duì)；裝備維修保障；任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類；任務(wù)分配；任務(wù)調(diào)度

0 引言

數(shù)字化部隊(duì)是陸軍的發(fā)展方向，在指揮信息系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，實(shí)現(xiàn)各功能要素的精確協(xié)同，才能充分發(fā)揮體系作戰(zhàn)的最大效能[1]。關(guān)于數(shù)字化作戰(zhàn)的相關(guān)研究較為深入，從作戰(zhàn)理論到硬件條件建設(shè)，幾乎涉及部隊(duì)建設(shè)與作用行動(dòng)的各個(gè)方面[2-3]。但是，作為數(shù)字化部隊(duì)的重要組成部分，裝備維修保障卻被忽略了。目前，關(guān)于數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障的研究幾乎都停留在表面，并未進(jìn)行深入研究。對(duì)裝備維修保障研究的不足，不利于數(shù)字化部隊(duì)的平衡發(fā)展。

數(shù)字化部隊(duì)的裝備種類繁多、損傷比例高，使得維修保障任務(wù)繁重。戰(zhàn)時(shí)裝備維修保障以作戰(zhàn)任務(wù)為牽引，而數(shù)字化部隊(duì)的作戰(zhàn)任務(wù)具有新的特點(diǎn)。為了適應(yīng)這些全新的變化，對(duì)裝備維修保障任務(wù)進(jìn)行分配與調(diào)度，可以提高裝備維修保障系統(tǒng)的效能，確保數(shù)字化部隊(duì)順利遂行作戰(zhàn)任務(wù)。在此背景下，提出了數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度問(wèn)題。

數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度指的是對(duì)數(shù)字化部隊(duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程產(chǎn)生的維修保障任務(wù)進(jìn)行合理的分配與調(diào)度，以達(dá)到保證作戰(zhàn)任務(wù)順利進(jìn)行的目的，它既是數(shù)字化部隊(duì)的重要組成部分，又對(duì)裝備維修保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要作用。

1 研究定位與問(wèn)題特點(diǎn)

1.1 研究定位

裝備維修保障指揮是裝備維修保障的關(guān)鍵活動(dòng)，既要與作戰(zhàn)指揮保持一致，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)指揮員在裝備維修保障方面的意圖，又是裝備維修保障的核心組成部分，對(duì)裝備維修保障行動(dòng)起指導(dǎo)作用。裝備維修保障指揮由計(jì)劃、組織與控制三部分組成[4]。計(jì)劃功能是根據(jù)已知的維修需求進(jìn)行決策和計(jì)劃制定。組織功能是根據(jù)對(duì)計(jì)劃的具體組織實(shí)施。控制功能是為了應(yīng)對(duì)計(jì)劃外的維修需求制定一個(gè)反饋機(jī)制，是計(jì)劃功能的重要補(bǔ)充。裝備維修保障指揮功能的充分發(fā)揮是裝備維修保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行基礎(chǔ)，各子功能及相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 裝備維修保障指揮各子功能及相互關(guān)系

其中，裝備維修保障任務(wù)分配和任務(wù)分配分別體現(xiàn)了其中的計(jì)劃功能和控制功能，基本框架如圖2所示。

圖2 裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度基本框架

數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度包括裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類、裝備維修保障任務(wù)分配、裝備維修保障任務(wù)調(diào)度。其中，維修維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類是基礎(chǔ)，必須集中力量去修復(fù)對(duì)裝備體系具有重大影響、資源消耗少、維修工時(shí)短的裝備。維修保障任務(wù)分配合理是前提，可以使得維修保障力量充分發(fā)揮作用。維修保障任務(wù)調(diào)度是關(guān)鍵，能夠針對(duì)實(shí)時(shí)出現(xiàn)的維修保障需求做出快速地反應(yīng)。為使該裝備維修保障系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，必須合理進(jìn)行維修保障任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分類、分配與調(diào)度，才能對(duì)裝備維修保障系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足數(shù)字化部隊(duì)的需求。

1.2 問(wèn)題特點(diǎn)

1)數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障對(duì)象的種類多且故障規(guī)律復(fù)雜，增加了裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的復(fù)雜性，使得維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類的必要性凸顯出來(lái)。

數(shù)字部隊(duì)部隊(duì)包含多個(gè)作戰(zhàn)要素，所含裝備種類繁雜，再加上信息化戰(zhàn)場(chǎng)敵方威脅的多樣性，導(dǎo)致其維修保障對(duì)象的故障規(guī)律復(fù)雜。裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度要求在有限時(shí)間和資源的限制下修復(fù)盡可能多的裝備，以最大程度地發(fā)揮對(duì)作戰(zhàn)的支援作用。因此，面對(duì)作戰(zhàn)的支援程度、修理時(shí)間、消耗資源和所處位置均不同的維修保障任務(wù)，如何作出最佳維修決策，是數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類可以對(duì)不同屬性的維修保障任務(wù)進(jìn)行綜合評(píng)估和分類，明確維修保障任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序，是維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的基礎(chǔ)。

2)戰(zhàn)術(shù)級(jí)裝備維修保障的核心作用突出，對(duì)維修保障任務(wù)分配提出了更高的要求。

對(duì)于戰(zhàn)時(shí)裝備維修保障，只有在作戰(zhàn)持續(xù)期間修復(fù)的裝備才是有效修復(fù)，能夠?qū)ψ鲬?zhàn)起到支援作用。作戰(zhàn)時(shí)間縮短是未來(lái)信息化作戰(zhàn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，由于戰(zhàn)場(chǎng)空間擴(kuò)大，數(shù)字化部隊(duì)各功能要素之間的地理距離也相應(yīng)加長(zhǎng)，一旦本級(jí)保障力量無(wú)法完成保障任務(wù)，上級(jí)保障力量的支援行動(dòng)需要更長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)動(dòng)，這就使得上級(jí)的支援行動(dòng)很難形成有效修復(fù)，戰(zhàn)術(shù)級(jí)裝備維修保障的核心作用凸顯出來(lái)。因此，在戰(zhàn)術(shù)級(jí)對(duì)維修保障任務(wù)的橫向分配必須更加合理和迅速，才能制定有效的維修保障計(jì)劃，從而提高維修保障效率，充分發(fā)揮維修保障系統(tǒng)的效能。

3)裝備維修保障保障需求反饋的實(shí)時(shí)性增強(qiáng)，對(duì)維修保障任務(wù)調(diào)度提出了更高的要求。

數(shù)字化部隊(duì)擁有強(qiáng)大指揮信息網(wǎng)絡(luò)，使得裝備維修保障需求的實(shí)時(shí)反饋更加迅速。為了提高裝備維修保障系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)保障需求的反應(yīng)能力，需要對(duì)維修保障任務(wù)做出及時(shí)地調(diào)度，使得維修保障保障計(jì)劃可以根據(jù)需求進(jìn)行有效地調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)裝備維修保障行動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，充分發(fā)揮數(shù)字化通信系統(tǒng)所帶來(lái)信息優(yōu)勢(shì)。

2 研究體系結(jié)構(gòu)

2.1 體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工程方法論是系統(tǒng)工程分析和處理問(wèn)題的方法步驟和總體框架[5]。霍爾三維結(jié)構(gòu)[6]是Hall A D在1962年提出，是一種分層的立體解構(gòu)體系，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析研究。針對(duì)數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障中的任務(wù)分配與調(diào)度問(wèn)題，采用霍爾三維結(jié)構(gòu)理論的框架和方法，從體系結(jié)構(gòu)、組成部分和研究步驟等方面進(jìn)行分析，建立數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)與調(diào)度的三維體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字化部隊(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度體系結(jié)構(gòu)

2.2 要素維

裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的要素維由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：

1)維修保障任務(wù)。維修保障任務(wù)是裝備維修保障系統(tǒng)的客體[7]，是維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的實(shí)施對(duì)象，維修保障任務(wù)的特點(diǎn)和需求是進(jìn)行維修保障任務(wù)分配的核心要素，包括裝備種類、裝備作戰(zhàn)任務(wù)、裝備故障規(guī)律和裝備防護(hù)性能等子因素。

2)維修保障力量。維修保障力量是裝備維修保障系統(tǒng)的主體，是維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的實(shí)施者，維修保障力量的特點(diǎn)和維修能力是制約維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的重要影響因素，包括維修保障人員數(shù)量、技能水平、疲勞程度、維修保障資源攜行量、機(jī)動(dòng)能力等子因素。

3)維修保障信息。維修保障信息指的是與裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度相關(guān)的所有信息，包括待修裝備修復(fù)時(shí)間和所需資源、待修裝備位置、作戰(zhàn)持續(xù)時(shí)間、作戰(zhàn)環(huán)境等信息。

2.3 過(guò)程維

過(guò)程維反映裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的過(guò)程，由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：

1)信息收集：對(duì)于裝備維修保障信息進(jìn)行收集，為維修保障任務(wù)分配與調(diào)度提供信息支持。

2)任務(wù)分析：通過(guò)裝備維修保障信息，結(jié)合裝備的特點(diǎn)和作戰(zhàn)任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)維修保障任務(wù)進(jìn)行全面分析。

3)任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類：通過(guò)維修保障任務(wù)分析的結(jié)果，根據(jù)待修裝備修理時(shí)間、所需資源、所處位置和裝備對(duì)作戰(zhàn)的貢獻(xiàn)程度等信息，對(duì)維修保障任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分類，明確維修任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序。

4)任務(wù)分配：對(duì)已有的維修保障任務(wù)進(jìn)行分配，在維修保障任務(wù)分配時(shí)要綜合考慮維修任務(wù)優(yōu)先級(jí)，維修保障力量消耗和作戰(zhàn)持續(xù)時(shí)間等因素。

5)任務(wù)調(diào)度：在制定了維修計(jì)劃后，根據(jù)新出現(xiàn)的計(jì)劃外維修保障任務(wù)，對(duì)維修保障任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使得裝備維修保障系統(tǒng)能夠更好地為作戰(zhàn)服務(wù)。

2.4 知識(shí)維

裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度的知識(shí)維，由分析和構(gòu)建該問(wèn)題所需的學(xué)科和知識(shí)構(gòu)成，有利全面了解所研究問(wèn)題和進(jìn)行建模優(yōu)化，包括：

1)系統(tǒng)分析方法可以為裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行全面和系統(tǒng)分析提供方法支持，理清系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律、要點(diǎn)和不足。

2)系統(tǒng)建模方法用于對(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度系統(tǒng)的要點(diǎn)進(jìn)行建模分析，對(duì)研究要點(diǎn)的本質(zhì)屬性進(jìn)行抽象化描述。

3)系統(tǒng)優(yōu)化方法是在系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，對(duì)其中缺陷和不足進(jìn)行補(bǔ)足或改進(jìn)的方法，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢，更好的發(fā)揮系統(tǒng)效能。

4)系統(tǒng)仿真方法是建立和運(yùn)行裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度系統(tǒng)的方法，可以對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估。

5)其它相關(guān)方法是與該研究相關(guān)的一切方法。

3 研究問(wèn)題分析

3.1 裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類問(wèn)題分析

裝備維修保障任務(wù)分類問(wèn)題是綜合考慮裝備維修任務(wù)的多種特性，決策出維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)的過(guò)程。對(duì)維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)影響的特性包括裝備對(duì)作戰(zhàn)的貢獻(xiàn)程度、維修資源需求、修理時(shí)間、損壞位置。維修資源需求和修理時(shí)間在維修任務(wù)確定后均可以明確，裝備對(duì)作戰(zhàn)的貢獻(xiàn)程度主要是定量說(shuō)明該裝備對(duì)作戰(zhàn)體系的影響。保證作戰(zhàn)體系的平穩(wěn)運(yùn)行是裝備維修保障的終極目標(biāo)，因此裝備在作戰(zhàn)體系中的重要度就是裝備對(duì)作戰(zhàn)支援作用的具體體現(xiàn)，也是裝備維修保障任務(wù)分類問(wèn)題的核心之一。該問(wèn)題的輸入與輸出條件如圖4所示。

圖4 裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類問(wèn)題描述

裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類問(wèn)題本質(zhì)上屬于多屬性決策問(wèn)題，是在考慮多種相關(guān)屬性的前提下，使用一定的方法對(duì)備選方案排序，選取最優(yōu)或滿意方案的過(guò)程[10]。裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類問(wèn)題可以采用采用線性加權(quán)模型，獲得各個(gè)維修任務(wù)的評(píng)估指數(shù)值，即：

(1)

其中，vj是第j個(gè)維修任務(wù)的評(píng)估值，mi是第i個(gè)影響因素，αi是第i個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。

在獲得了各個(gè)維修任務(wù)對(duì)應(yīng)的評(píng)估值以后，按照一定的規(guī)則對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行排序，就可以解決裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類問(wèn)題。

多屬性決策的研究重點(diǎn)集中在指標(biāo)權(quán)重確定方法與備選方案排序方法，指標(biāo)權(quán)重確定方法包括主要包括層次分析法[11]、德爾菲法[12]、主成分分析法[13]等，備選方案排序方法包括模糊綜合評(píng)判[14]、TOPSIS[15]等。

3.2 裝備維修保障任務(wù)分配問(wèn)題分析

裝備維修保障任務(wù)分配是根據(jù)已有的維修保障需求，對(duì)維修保障任務(wù)進(jìn)行合理分配的過(guò)程。維修任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分類結(jié)果是維修任務(wù)分配的基礎(chǔ)，必須集中維修資源去恢復(fù)優(yōu)先級(jí)較高的裝備。維修保障任務(wù)分配問(wèn)題的輸入、輸出及約束條件如圖5所示。

圖5 裝備維修保障任務(wù)分配問(wèn)題描述

裝備維修保障任務(wù)分配問(wèn)題可以抽象為運(yùn)籌學(xué)中的指派問(wèn)題[16]，主要用來(lái)解決如何一定的約束條件下，將若干單元分配去完成若干任務(wù)，使得效益最佳的問(wèn)題，屬于整數(shù)規(guī)劃的一種特殊形式。裝備維修保障任務(wù)分配問(wèn)題的基本模型為：

maxX

(2)

其中：X為修復(fù)裝備的數(shù)量。

裝備維修保障任務(wù)分配問(wèn)題以修復(fù)裝備最大為決策目標(biāo)，在多種約束條件下使得決策目標(biāo)最大化。

3.3 裝備維修保障任務(wù)調(diào)度問(wèn)題分析

裝備維修保障任務(wù)分配是設(shè)計(jì)一套完整的反饋機(jī)制，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的計(jì)劃外的維修保障任務(wù)，維修保障任務(wù)調(diào)度的基本流程及約束條件如圖6所示。

計(jì)劃外的維修保障任務(wù)對(duì)原定的維修保障任務(wù)實(shí)施計(jì)劃產(chǎn)生影響，將其作為外界刺激輸入維修保障任務(wù)調(diào)度模型，該模型在維修保障資源和維修作業(yè)時(shí)間的約束下獲得決策結(jié)果，并制定新的維修保障任務(wù)實(shí)施計(jì)劃，新的計(jì)劃可以減小計(jì)劃外的維修保障任務(wù)對(duì)原維修保障任務(wù)實(shí)施計(jì)劃的影響。

圖6 裝備維修任務(wù)調(diào)度基本問(wèn)題描述

裝備維修保障任務(wù)調(diào)度問(wèn)題可以抽象為旅行商問(wèn)題[17]，作為一類典型的NP問(wèn)題，對(duì)該類問(wèn)題的研究大多集中于求解模型的算法方面，基本算法包括遺傳算法[18]、蟻群算法[19]、粒子群優(yōu)化算法[20]等智能算法。裝備維修保障任務(wù)調(diào)度問(wèn)題的基本模型為：

maxY

(3)

其中：Y為修復(fù)裝備的數(shù)量。

裝備維修保障任務(wù)調(diào)度問(wèn)題以修復(fù)裝備最大為決策目標(biāo)，在多種不確定性因素條件下使得決策目標(biāo)最大化。

4 結(jié)束語(yǔ)

裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度是裝備維修保障的重要組成部分，對(duì)裝備維修保障系統(tǒng)能否平穩(wěn)有效運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。從問(wèn)題背景出發(fā)，分析了問(wèn)題來(lái)源及特點(diǎn)，并明確了研究定位。運(yùn)用霍爾三維結(jié)構(gòu)理論，對(duì)裝備維修保障任務(wù)分配與調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，分析出了裝備維修保障任務(wù)優(yōu)先級(jí)分類、裝備維修保障任務(wù)分配和裝備維修保障任務(wù)調(diào)度3個(gè)研究要點(diǎn)；提出了研究的5個(gè)步驟，指明了研究的具體過(guò)程；梳理知識(shí)體系，確定了基本方法。對(duì)各研究要點(diǎn)進(jìn)行了描述，分析了研究問(wèn)題所需的技術(shù)方法與基本模型結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的深入研究打下基礎(chǔ)。

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ArchitectureResearchonDigitalArmyArmoredEquipmentMaintenanceTaskAllocationandScheduling

Zan Xiang1, Chen Chunliang1, Zhang Shixin1, Zhang Huiqi2, Chen Weilong1

(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)

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. According 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 equipment maintenance task scheduling is analyzed.

digital army armored; equipment maintenance; task priority sorting; task allocation; task scheduling

2017-02-21；

2017-04-05。

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2015WG57)。

昝 翔(1989-)，安徽太和人，博士研究生，主要從事裝備保障方向的研究。

陳春良(1963-)，河北容城人，教授，博生導(dǎo)師，主要從事裝備保障方向的研究。

張仕新(1971-)，河北青龍人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事裝備保障方向的研究。

1671-4598(2017)09-0099-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.026

E92; TJ07

A