數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度框架研究

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(1.裝甲兵工程學院 技術保障工程系，北京 100072；2.裝甲兵工程學院 裝備試用與培訓大隊，北京 100072)

數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度框架研究

昝翔1，陳春良1，張仕新1，張會奇2，陳偉龍1

(1.裝甲兵工程學院技術保障工程系，北京100072；2.裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊，北京100072)

針對數字化部隊裝備維修保障需求，提出裝備維修保障任務分配與調度問題，從復雜性、重要性和實時性3個方面分析問題特點，并對研究范圍進行定位；基于霍爾三維結構，從要素維、邏輯維和知識維3個方面構建裝備維修保障任務分配與調度的體系結構，并且在此基礎上對裝備維修保障任務分配與調度的組成要素、實施程序和技術方法進行系統論述；最后，對裝備維修任務優先級分類、裝備維修任務分配和裝備維修任務調度3個研究要點的內涵和技術方法進行描述。

數字化部隊；裝備維修保障；任務優先級分類；任務分配；任務調度

0 引言

數字化部隊是陸軍的發展方向，在指揮信息系統的統一協調下，實現各功能要素的精確協同，才能充分發揮體系作戰的最大效能[1]。關于數字化作戰的相關研究較為深入，從作戰理論到硬件條件建設，幾乎涉及部隊建設與作用行動的各個方面[2-3]。但是，作為數字化部隊的重要組成部分，裝備維修保障卻被忽略了。目前，關于數字化部隊裝備維修保障的研究幾乎都停留在表面，并未進行深入研究。對裝備維修保障研究的不足，不利于數字化部隊的平衡發展。

數字化部隊的裝備種類繁多、損傷比例高，使得維修保障任務繁重。戰時裝備維修保障以作戰任務為牽引，而數字化部隊的作戰任務具有新的特點。為了適應這些全新的變化，對裝備維修保障任務進行分配與調度，可以提高裝備維修保障系統的效能，確保數字化部隊順利遂行作戰任務。在此背景下，提出了數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度問題。

數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度指的是對數字化部隊遂行作戰任務過程產生的維修保障任務進行合理的分配與調度，以達到保證作戰任務順利進行的目的，它既是數字化部隊的重要組成部分，又對裝備維修保障系統的平穩運行具有重要作用。

1 研究定位與問題特點

1.1 研究定位

裝備維修保障指揮是裝備維修保障的關鍵活動，既要與作戰指揮保持一致，實現作戰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，對裝備維修保障行動起指導作用。裝備維修保障指揮由計劃、組織與控制三部分組成[4]。計劃功能是根據已知的維修需求進行決策和計劃制定。組織功能是根據對計劃的具體組織實施。控制功能是為了應對計劃外的維修需求制定一個反饋機制，是計劃功能的重要補充。裝備維修保障指揮功能的充分發揮是裝備維修保障系統平穩運行基礎，各子功能及相互關系如圖1所示。

圖1 裝備維修保障指揮各子功能及相互關系

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

圖2 裝備維修保障任務分配與調度基本框架

數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度包括裝備維修保障任務優先級分類、裝備維修保障任務分配、裝備維修保障任務調度。其中，維修維修保障任務優先級分類是基礎，必須集中力量去修復對裝備體系具有重大影響、資源消耗少、維修工時短的裝備。維修保障任務分配合理是前提，可以使得維修保障力量充分發揮作用。維修保障任務調度是關鍵，能夠針對實時出現的維修保障需求做出快速地反應。為使該裝備維修保障系統能夠平穩運行，必須合理進行維修保障任務的優先級分類、分配與調度，才能對裝備維修保障系統進行優化，以滿足數字化部隊的需求。

1.2 問題特點

1)數字化部隊裝備維修保障對象的種類多且故障規律復雜，增加了裝備維修保障任務分配與調度的復雜性，使得維修保障任務優先級分類的必要性凸顯出來。

數字部隊部隊包含多個作戰要素，所含裝備種類繁雜，再加上信息化戰場敵方威脅的多樣性，導致其維修保障對象的故障規律復雜。裝備維修保障任務分配與調度要求在有限時間和資源的限制下修復盡可能多的裝備，以最大程度地發揮對作戰的支援作用。因此，面對作戰的支援程度、修理時間、消耗資源和所處位置均不同的維修保障任務，如何作出最佳維修決策，是數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度面臨的一個重大問題。維修保障任務優先級分類可以對不同屬性的維修保障任務進行綜合評估和分類，明確維修保障任務的優先級順序，是維修保障任務分配與調度的基礎。

2)戰術級裝備維修保障的核心作用突出，對維修保障任務分配提出了更高的要求。

對于戰時裝備維修保障，只有在作戰持續期間修復的裝備才是有效修復，能夠對作戰起到支援作用。作戰時間縮短是未來信息化作戰發展的必然趨勢。同時，由于戰場空間擴大，數字化部隊各功能要素之間的地理距離也相應加長，一旦本級保障力量無法完成保障任務，上級保障力量的支援行動需要更長時間的機動，這就使得上級的支援行動很難形成有效修復，戰術級裝備維修保障的核心作用凸顯出來。因此，在戰術級對維修保障任務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劃，從而提高維修保障效率，充分發揮維修保障系統的效能。

3)裝備維修保障保障需求反饋的實時性增強，對維修保障任務調度提出了更高的要求。

數字化部隊擁有強大指揮信息網絡，使得裝備維修保障需求的實時反饋更加迅速。為了提高裝備維修保障系統對實時保障需求的反應能力，需要對維修保障任務做出及時地調度，使得維修保障保障計劃可以根據需求進行有效地調整，從而實現裝備維修保障行動的實時控制，充分發揮數字化通信系統所帶來信息優勢。

2 研究體系結構

2.1 體系結構

系統工程方法論是系統工程分析和處理問題的方法步驟和總體框架[5]。霍爾三維結構[6]是Hall A D在1962年提出，是一種分層的立體解構體系，適用于復雜系統的分析研究。針對數字化部隊裝備維修保障中的任務分配與調度問題，采用霍爾三維結構理論的框架和方法，從體系結構、組成部分和研究步驟等方面進行分析，建立數字化部隊裝備維修保障任務與調度的三維體系結構如圖3所示。

圖3 數字化部隊裝備維修保障任務分配與調度體系結構

2.2 要素維

裝備維修保障任務分配與調度的要素維由以下幾個方面構成：

1)維修保障任務。維修保障任務是裝備維修保障系統的客體[7]，是維修保障任務分配與調度的實施對象，維修保障任務的特點和需求是進行維修保障任務分配的核心要素，包括裝備種類、裝備作戰任務、裝備故障規律和裝備防護性能等子因素。

2)維修保障力量。維修保障力量是裝備維修保障系統的主體，是維修保障任務分配與調度的實施者，維修保障力量的特點和維修能力是制約維修保障任務分配與調度的重要影響因素，包括維修保障人員數量、技能水平、疲勞程度、維修保障資源攜行量、機動能力等子因素。

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分配與調度相關的所有信息，包括待修裝備修復時間和所需資源、待修裝備位置、作戰持續時間、作戰環境等信息。

2.3 過程維

過程維反映裝備維修保障任務分配與調度的過程，由以下幾個方面構成：

1)信息收集：對于裝備維修保障信息進行收集，為維修保障任務分配與調度提供信息支持。

2)任務分析：通過裝備維修保障信息，結合裝備的特點和作戰任務特點，對維修保障任務進行全面分析。

3)任務優先級分類：通過維修保障任務分析的結果，根據待修裝備修理時間、所需資源、所處位置和裝備對作戰的貢獻程度等信息，對維修保障任務的優先級進行分類，明確維修任務的優先級順序。

4)任務分配：對已有的維修保障任務進行分配，在維修保障任務分配時要綜合考慮維修任務優先級，維修保障力量消耗和作戰持續時間等因素。

5)任務調度：在制定了維修計劃后，根據新出現的計劃外維修保障任務，對維修保障任務進行調度，使得裝備維修保障系統能夠更好地為作戰服務。

2.4 知識維

裝備維修保障任務分配與調度的知識維，由分析和構建該問題所需的學科和知識構成，有利全面了解所研究問題和進行建模優化，包括：

1)系統分析方法可以為裝備維修保障任務分配與調度系統進行全面和系統分析提供方法支持，理清系統的運行規律、要點和不足。

2)系統建模方法用于對裝備維修保障任務分配與調度系統的要點進行建模分析，對研究要點的本質屬性進行抽象化描述。

3)系統優化方法是在系統建模的基礎上，對其中缺陷和不足進行補足或改進的方法，使得系統運行更加流暢，更好的發揮系統效能。

4)系統仿真方法是建立和運行裝備維修保障任務分配與調度系統的方法，可以對系統優化的結果進行驗證與評估。

5)其它相關方法是與該研究相關的一切方法。

3 研究問題分析

3.1 裝備維修保障任務優先級分類問題分析

裝備維修保障任務分類問題是綜合考慮裝備維修任務的多種特性，決策出維修保障任務優先級的過程。對維修保障任務優先級影響的特性包括裝備對作戰的貢獻程度、維修資源需求、修理時間、損壞位置。維修資源需求和修理時間在維修任務確定后均可以明確，裝備對作戰的貢獻程度主要是定量說明該裝備對作戰體系的影響。保證作戰體系的平穩運行是裝備維修保障的終極目標，因此裝備在作戰體系中的重要度就是裝備對作戰支援作用的具體體現，也是裝備維修保障任務分類問題的核心之一。該問題的輸入與輸出條件如圖4所示。

圖4 裝備維修保障任務優先級分類問題描述

裝備維修保障任務優先級分類問題本質上屬于多屬性決策問題，是在考慮多種相關屬性的前提下，使用一定的方法對備選方案排序，選取最優或滿意方案的過程[10]。裝備維修保障任務優先級分類問題可以采用采用線性加權模型，獲得各個維修任務的評估指數值，即：

(1)

其中，vj是第j個維修任務的評估值，mi是第i個影響因素，αi是第i個影響因素所對應的權重值。

在獲得了各個維修任務對應的評估值以后，按照一定的規則對維修任務進行排序，就可以解決裝備維修保障任務優先級分類問題。

多屬性決策的研究重點集中在指標權重確定方法與備選方案排序方法，指標權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判[14]、TOPSIS[15]等。

3.2 裝備維修保障任務分配問題分析

裝備維修保障任務分配是根據已有的維修保障需求，對維修保障任務進行合理分配的過程。維修任務的優先級分類結果是維修任務分配的基礎，必須集中維修資源去恢復優先級較高的裝備。維修保障任務分配問題的輸入、輸出及約束條件如圖5所示。

圖5 裝備維修保障任務分配問題描述

裝備維修保障任務分配問題可以抽象為運籌學中的指派問題[16]，主要用來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，使得效益最佳的問題，屬于整數規劃的一種特殊形式。裝備維修保障任務分配問題的基本模型為：

maxX

(2)

其中：X為修復裝備的數量。

裝備維修保障任務分配問題以修復裝備最大為決策目標，在多種約束條件下使得決策目標最大化。

3.3 裝備維修保障任務調度問題分析

裝備維修保障任務分配是設計一套完整的反饋機制，以應對可能出現的計劃外的維修保障任務，維修保障任務調度的基本流程及約束條件如圖6所示。

計劃外的維修保障任務對原定的維修保障任務實施計劃產生影響，將其作為外界刺激輸入維修保障任務調度模型，該模型在維修保障資源和維修作業時間的約束下獲得決策結果，并制定新的維修保障任務實施計劃，新的計劃可以減小計劃外的維修保障任務對原維修保障任務實施計劃的影響。

圖6 裝備維修任務調度基本問題描述

裝備維修保障任務調度問題可以抽象為旅行商問題[17]，作為一類典型的NP問題，對該類問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]、粒子群優化算法[20]等智能算法。裝備維修保障任務調度問題的基本模型為：

maxY

(3)

其中：Y為修復裝備的數量。

裝備維修保障任務調度問題以修復裝備最大為決策目標，在多種不確定性因素條件下使得決策目標最大化。

4 結束語

裝備維修保障任務分配與調度是裝備維修保障的重要組成部分，對裝備維修保障系統能否平穩有效運行具有至關重要的作用。從問題背景出發，分析了問題來源及特點，并明確了研究定位。運用霍爾三維結構理論，對裝備維修保障任務分配與調度系統結構進行探索，分析出了裝備維修保障任務優先級分類、裝備維修保障任務分配和裝備維修保障任務調度3個研究要點；提出了研究的5個步驟，指明了研究的具體過程；梳理知識體系，確定了基本方法。對各研究要點進行了描述，分析了研究問題所需的技術方法與基本模型結構，為后續的深入研究打下基礎。

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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。

軍隊科研計劃項目(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

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