登陸作戰典型岸灘卸載系統優化問題研究

汪 欣， 王廣東

(1.陸軍軍事交通學院學員五大隊研究生隊，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院軍事交通運輸研究所，天津 300161)

登陸作戰需要依托岸灘卸載系統實施大規模裝備、物資和人員卸載上陸，岸灘卸載系統作為由多種卸載裝備組成的大型岸灘作業系統，不需要固定港口設施，作業環境復雜、操作難度大、安全風險高，容易受到風、天氣和海況等各種條件限制。在典型岸灘卸載系統中，主要作業科目不僅有吊裝過駁、滾裝過駁、船岸轉運，還包括泛水卸載、灘頭卸載、沙灘通行等，存在較多作業節點，影響著作業能力，系統運行應使各種卸載裝備功能相互銜接、作業能力相互匹配、載荷轉運界面相互兼容，從而提高卸載系統整體能力。選取登陸作戰典型岸灘卸載系統，從分析系統組成入手，圍繞系統運行時閑置資源最少的目標，實現系統最短時間內完成最大工作量，計算得出系統最優化配置方案。研究岸灘卸載系統優化方法對部隊未來開展岸灘卸載演練演習有較強的指導作用。

1 登陸作戰典型岸灘卸載系統組成

登陸作戰典型岸灘卸載系統由運輸船、海上過駁平臺、駁運船(各型登陸艇和棧橋渡船)組成。運輸船將裝載的裝備物資進行卸載，海上過駁平臺用于海上卸載和過駁，駁運船用于近距離駁運，抵灘輸送裝備、物資上岸，運輸船、海上過駁平臺和駁運船可在近岸水域形成一個裝備物資的“卸載-轉運”循環系統[1]。登陸作戰典型岸灘卸載系統組成如圖1所示。

圖1 典型岸灘卸載系統組成

2 岸灘卸載系統優化模型構建

2.1 典型岸灘卸載系統優化思路

典型岸灘卸載系統優化本質是對系統組成進行調整，影響岸灘卸載系統能力的參數包括定量參數和變量參數兩大類，需要通過建立目標函數并分析約束條件，進行系統能力求解。通過采用預先建立的類型和數量組合，當求解結果不能使系統能力提高，則再次對系統組成進行調整，當求解結果使系統能力提高，則認為是實現了優化[2]，在求解結果中選取最大值的配置組合，即為系統最優化配置。典型岸灘卸載系統優化思路如圖2所示。

圖2 典型岸灘卸載系統優化思路

2.2 典型岸灘卸載系統相關參數定義

典型岸灘卸載系統相關參數包括定量參數和變量參數兩大類，定量參數分為系統組成參數、系統性能參數，變量參數分為外部環境參數、系統決策參數。

(1)系統組成參數：i表示駁運船類型，其中，i=1表示Ⅰ型登陸艇，i=2表示Ⅱ型登陸艇，i=3表示Ⅲ型登陸艇，i=4表示Ⅳ型登陸艇，i=5表示Ⅴ型登陸艇，i=6表示棧橋渡船。j表示海上卸載通道數量(個)。k表示裝備(物資)過駁方式，其中，k=1表示履帶式裝備滾裝滾卸，k=2表示輪式裝備滾裝滾卸，k=3表示輪式裝備吊裝滾卸，k=4表示集裝箱吊裝吊卸。Mi表示第i種可用駁運船的最大數量(艘)。Qj表示在卸載通道j中的裝備(物資)總量(t)。L表示離岸距離(海里)。

(2)系統性能參數：Ri表示第i種駁運船的作業時間；Gi表示第i種駁運船轉運行駛1海里的時間；Ai,k表示第i種駁運船運輸第k種類型貨物在船上的裝載時間；Bi,k表示第i種駁運船運輸第k種類型貨物在岸上的卸載時間。

(3)外部環境參數：σ表示每24 h中的岸灘卸載行動時間。s表示3級海況或更高海況所占比例(%)。

(4)系統決策參數：Ni,j表示在卸載通道j中第i種駁運船的數量(艘)。Ti,j表示在卸載通道j中第i種駁運船的運送次數(次)。Pi,k表示指定行程中第i種駁運船運送第k種類型裝備(物資)的量(t)。Dj,k表示若通道j被指定運送第k種類型裝備(物資)，則Dj,k=1，否則Dj,k=0。

2.3 系統優化目標函數確立

典型岸灘卸載系統的優化目標應是使得整個系統中等待被轉運的裝備(物資)量最小，即所有卸載通道中的裝備(物資)總量與所有卸載通道中駁船運輸各類型貨物總量之差最小[3]。該系統的幾個主要約束條件分別為：

(1)駁運船數量約束。卸載系統中所有卸載通道內的駁船數量之和應小于各類駁船的數量綜合。

(2)駁運船作業時間約束。所有通道內的駁運船運行時間與裝載時間、卸載時間之和應小于等于駁運船作業總時間。

(3)裝卸作業限制約束。系統中各種駁運船運送各種類型貨物在岸(船)上的裝卸時間，小于等于系統在3級海況或更高海況下和可作業時間的乘積，即駁運船只能在3級海況下進行裝載和卸載作業。

(4)裝備(物資)量約束。系統中所有駁運船運送次數與各類型裝備(物資)運輸量的乘積，小于等于系統所有卸載通道中的裝備(物資)總量。

(5)駁運船運送次數非負且為整數。

在此基礎上，同時借鑒美軍JOTE模型[4]，可建立系統優化目標函數為：

3 卸載系統優化模型求解

3.1 優化模型數據輸入

分析登陸作戰典型岸灘卸載系統參數可以發現，優化模型主要有兩種輸入參數，即定量參數和變量參數。

(1)定量參數輸入：輸入系統組成參數、系統性能參數。選取登陸作戰某典型岸灘卸載系統，海上卸載通道有8條；各海上卸載通道的裝備(物資)總量Qj分別為200、360、440、500、700、480、380和420 t;駁船類型有6種，各類駁運船可用數量Mi分別為8、8、8、4、4和6艘。對于不同類型駁運船的在運時間Ri，分析典型岸灘卸載系統的作業流程可知，駁運船載運時間包括七個部分：靠近并停泊在船邊；在船上裝載貨物；解船攬并清理船只；向岸灘行駛；靠近并停泊在岸灘；在岸灘卸載上陸；解船攬并清理岸灘。設典型岸灘卸載系統離岸距離3海里(1海里=1.852 km)，不同類型駁運船運行時間如表1所示。

從表1也可得出各種駁運船運輸第1種類型貨物在岸(船)上的裝載時間Ai,k和卸載時間Bi,k。

(2)變量參數輸入：輸入外部環境參數、系統決策參數。對于外部環境參數，設可作業海況比例σ=84%，可作業時間為20 h。則需要輸入四種系統決策變量,即:①在卸載通道j中第i種駁運船的數量Ni,j；②在卸載通道j中第i種駁運船的運送次數Ti,j；③指定行程中第i種駁運船運送第k種類型裝備(物資)的量Pi,k；④通道j是否運送第k種類型裝備(物資)Dj,k。

表1 離岸距離3海里下不同類型駁運船運行時間 h∶min

3.2 LINGO軟件處理

LINGO是一種交互式的線性和通用優化求解器，可用于求解非線性規劃，也可以用于一些線性和非線性方程組的求解等，功能十分強大，是求解優化模型的最佳選擇[5]。對于典型岸灘卸載系統最優化問題，建立目標函數和約束條件后，輸入數據并利用LINGO中的非線性規劃優化處理器，可得到最優化結果。LINGO軟件處理流程如圖3所示。

圖3 LINGO軟件處理流程

以離岸距離3海里典型岸灘卸載系統為例，LINGO求解部分偽代碼為[6]：

model:

sets:

num_i/1..8/:a,b,c;

num_j/1,6/;

link_ij(num_j,num_i):x;

endsets

data:

c=200,360,440,500,700,480,380,420;a=8,8,8,4,4,6;b=11.23,14.34,12.15,14.72,14.66;

enddata

[OBJ]min=@sum(num_i(i):(1-a(i))^(x(1,i))*(1-b(i))^(x(2,i)));

(3/4)*@sum(num_i(i):s(i)*x(1,i))+(7/12)*@sum(num_i(i):s(i)*x(2,i))+100*@sum(link_ij(j,i):x(j,i))<=2700;

x(1,1)+x(1,2)+x(1,3)+x(1,4)<=42;

x(2,1)+x(2,2)+x(2,3)+x(2,4)<=456;

@for(num_i(i):x(1,i)+x(2,i)>=1;x(1,i)+x(2,i)<=2;);

@for(link_ij(j,i):x(j,i)>=0;@GIN(x(j,i)););

end

3.3 優化模型數據輸出

對于有8條海上卸載通道的典型岸灘卸載系統，優化模型數據輸出即是不同離岸距離下各卸載通道過駁類型、駁運船類型與數量的最佳組合，則離岸距離3海里的典型岸灘卸載系統最優化配置如表2所示。

表2 優化模型數據輸出

此時的系統目標函數值為100 t。

4 系統優化結果分析

將離岸距離分別設置為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0海里，將各個卸載通道內過駁方式、駁運船類型和數量進行優化組合配置，如表3所示。

不同離岸距離求解的目標函數值，可以繪制離岸距離與目標函數的關系曲線如圖4所示。分析圖4可以發現：

(1)不同離岸距離下典型岸灘卸載系統都可實現最優化，但最優化目標值不同。

(2)目標函數值隨著離岸距離增大呈現出先下降、后上升的特點，說明離岸距離可決定典型岸灘卸載系統最優化所能達到的極值。

(3)離岸距離在3.0海里時目標函數值最小，可認為在離岸距離3.0海里處典型岸灘卸載系統作業效率最高；離岸距離超過5.0海里以后目標函數值過大，即離岸距離超過5.0海里時典型岸灘卸載系統效率較低，可認為實際作業時應保持離岸距離在5.0海里以內。

表3 不同離岸距離下系統最優組合

圖4 離岸距離與目標函數的關系

5 結論

提出岸灘卸載系統優化方法可以解決多種環境因素影響下的系統優化問題，有較強的實用性，下一步可結合演訓實際，對其他類型岸灘卸載系統優化配置進行研究，為未來開展多樣化岸灘卸載演習訓練提供理論支撐。