軍用裝備滾裝船配載問題研究*

齊玉東 宋 冰

（海軍航空大學 煙臺 264001）

關鍵字 軍用裝備；滾裝船；配載

1 引言

為應對國家安全威脅，必須做好兩棲登陸作戰準備。兩棲登陸作戰中海上投送是作戰的初始階段和首要環節，而裝載方案的好壞將直接影響到海上投送的速度、安全及成本。傳統的船舶裝載方案由人工編制，主要依賴于經驗和基本原則。急需對裝載問題進行較為系統的研究，利用信息化技術，研究科學可行的配載方案，以提高方案編制的效率。

滾裝船是最適應部隊實施海上輸送的船型，由于其實現了裝備車輛在水平方向的滾動開進，能夠快速提高部隊的裝載卸載速度［1］。除部分海軍制式登陸艦船外，某些民用大型滾裝船也具有較強的裝載能力。例如軍民兩用大型滾裝船“渤海翠珠”號，排水量達3.6萬噸，可裝載大小車輛300余輛［2］。據了解，我國大中型民用滾裝船的數量較為可觀，在戰時若以軍用登陸艦船為骨干，民用滾裝船為重要補充，充分發揮民船的“第二海軍”作用，則可迅速提高我海上投送能力，具有重要的現實意義。

當前，國內外學者對軍事裝備在民用滾裝船上裝載的研究還不多。文獻［3］通過分析裝載的主要流程，設計了一種借助線性規劃求解的船運裝配載系統。文獻［4］研究滾裝船的裝載特點，建立了綜合考量船舶安全性、裝載速度以及成本收入情況的多目標模型，并使用貪婪算法對問題進行仿真解算。文獻［5］提出了可以對船舶裝配載方案計劃進行效能評分的優化算法，并利用該算法實現了對裝配載計劃的選擇打分。文獻［6］討論了軍事重裝備在民用船舶上裝載的可行性。因此，本文以軍用裝備在民用滾裝船上的裝載為研究內容，提出了相關配載的模型和算法。

2 配載問題描述與分析

本文所述的配載問題可以描述為：給定一系列需要裝載的軍用車輛以及可供裝載的民用滾裝船，通過合理安排軍用重型車輛的數量和位置，在保證最大載重量和船只穩性安全的前提下，使得船艙甲板利用率、所裝載裝備價值最大化。根據滾裝船的相關資料和文獻，確定問題的相關數據和約束條件［7］。

2.1 車輛艙及載車線

通常多層的滾裝船的船艙內都會擁有較大的裝載空間，每個船艙的地面都是劃分清晰的一條條車道，也稱載車線，車輛在車道線上依次排開進而實施裝載。車道線通常在附近預設底座、地鈴等設備用于車輛或者貨物的捆綁加固，防止車輛裝備在海上航行中發生位移造成事故。因此，在配載時可以將載車線的長度作為主要的影響因素，裝備的配載轉換為求解裝備位于具體哪條載車線上和在載車線上的具體位置。如圖1所示。

圖1 “渤海珍珠”號客滾船主甲板車道布置示意圖

2.2 軍用裝備

滾裝船上所裝載的軍用裝備主要包括坦克、步戰車、自行火炮、運輸車等，在具體配載時可以簡化為大小不等的矩形。

2.3 車輛間距要求

為保證車輛裝載安全，裝備間還應保持一定間距，根據相關技術標準，輪式裝備前后距離應不少于1.2m，左右間隔不少于0.5m。履帶裝備及自行火炮前后距離應不少于1.5m，左右間隔不少于0.5m。一是防止航行過程中裝備發生位移產生碰撞，二是確保有足夠的空間進行裝備捆綁加固［8］。

2.4 船舶載重和穩性要求

為保證船舶海上輸送的安全，需重點關注以下三個方面的裝載狀態：一是載重量要求。所有裝載車輛裝備的質量之和不得超過船舶的裝載能力。二是船舶的穩性要求。船舶在橫傾狀態下，橫向的水壓以及裝載貨物會產生較大的橫向力矩，從而引起船舶橫向傾斜。因此在計劃方案時，車輛應當左右和前后盡量均衡分布，在方案制定完成后還要進行數據驗算，保證船舶的穩定性和強度滿足設計要求。三是甲板強度要求。由于軍事裝備的重量較大，要提前計算甲板強度是否能滿足裝備的裝載要求。

2.5 裝備數量限制

在具體的裝載實踐中，每種裝備的數量并不是無限的，一般來說會有最大數量限制。具體情況需要結合實際進行分析。

3 配載數學模型

3.1 變量定義

首先將模型中涉及的符合進行定義和說明。

表1 變量說明

3.2 考慮船艙的最大利用率

這種情況是在敵情威脅不大時，根據任務需要，確定某種船型后只考慮船艙的最大利用率，也就是要求裝載盡可能多的裝備，使得總載車線的利用率以及載重利用率最大。

定義船艙載車線利用率函數：

定義船艙載重量利用率函數：

通過多目標規劃的加權系數法［9］，目標函數可以表示為

其中k1，k2為權重因子，通常根據具體情況由經驗確定，其權重之和為1，目標函數值越大越好［10］。

約束條件為

式（4）為載車線長度約束，表示每條載車線上各種車型的長度加上車間隔之和不能超過該條載車線總長度；式（5）為質量約束，表示裝備總質量不能超過船艙最大載重；式（6）是橫傾力矩約束，表示各型裝備的總橫傾力矩不能超過船艙的最大橫傾力矩；式（7）表示載車線上裝備的數量是不小于0的整數。

3.3 考慮所裝載裝備的戰斗力價值因素

4 配載算法

本文所涉及的配載問題需要解決兩個問題：一是確定裝載裝備的類型、數量；二是確定裝備在船上的具體位置。該問題也是一種組合優化問題，是在特定的空間范圍內得到滿足最優目標函數的分布方式，由于組合優化問題是NP難問題，在大規模問題中全局最優解較難取得，通常使用優化算法求得近似最優解。常用的包括模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法等［11］。本文采用遺傳算法求解該問題，算法流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程圖

5 實例分析

某部現有一批待運裝備，計劃運用某型客滾船進行運輸。船艙共有3條載車線，長度分別為90，105，85m，最大載重1000t，最大橫傾力矩1000kN·m。本文設定裝備間距為0.75m，裝備的具體參數見表2。

表2 裝備部分參數

5.1 考慮船艙的最大利用率

假設每種待裝載裝備的數量沒有限制，權重系數k1為0.8，k2為0.2。使用遺傳算法仿真，相關參數的制定對算法的結果將產生較大影響，為獲得最佳參數組合，通常需要多次實驗才能得到最佳參數［12］。本文參數設置為初始種群大小為200，交叉概率為0.8，變異概率為0.2，迭代次數為300，在Matlab中求解得出優化的配載方案為Ⅰ型裝備18輛、Ⅱ型裝備7輛、Ⅲ型裝備1輛、Ⅳ型裝備3輛、載車線使用率99.78%、載重量利用率84.33%，滿足配載需求，實驗結果見表3。

表3 仿真實驗結果

5.2 考慮所裝載裝備的戰斗力價值因素

情況一：每種裝備的數量沒有限制。

在Matlab中使用遺傳算法求解得出優化的配載方案為Ⅰ型裝備0輛、Ⅱ型裝備0輛、Ⅲ型裝備1輛、Ⅳ型裝備36輛。結果見表4。

表4 情況1計算結果

根據計算結果，可以看出在戰斗力價值影響下，由于每種裝備數量不受限制，算法優先安排單位長度價值最高的Ⅳ型裝備進行配載。

情況二：裝備的數量有限制。

假設Ⅰ裝備至Ⅳ裝備最多分別裝載15、20、20、15輛。增加條件約束后在Matlab中使用遺傳算法求解得出優化的配載方案為Ⅰ型裝備15輛、Ⅱ型裝備0輛、Ⅲ型裝備2輛、Ⅳ型裝備14輛。結果見表5。

表5 情況2計算結果

綜上，該模型和算法可以實現較為準確的實現配載安排，實際裝載時，可根據計算結果，按照每條載車線上每種裝備數量依次裝載即可滿足要求。

6 結語

軍事裝備的船舶配載是海上投送中的一項重要工作。本文通過分析軍用裝備在民用滾裝船上的裝載的基本要求，提出了相關配載的模型，并利用遺傳算法求解結果。實驗表明，該方法對提高部隊船舶配載方案的編制效率、提升運輸安全具有指導意義。但本文研究的算法還不夠深入，對算法效率的優化改進是下步研究的主要方向。