基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法与流程

[0001]
本发明涉及舰船维修保障技术领域，具体地指一种基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法。


背景技术：

[0002]
舰艇等级修理计划是根据舰艇实力、有关规定和指示，结合战备、训练及其它任务情况，所做出的预防性修理安排。在装备维修保障工作中，舰艇等级修理由于修理工期长、经费需求大、耗费资源多、对使用影响大，其计划的科学制定就显得尤为重要。随着海军装备建设快速发展，大量新型舰艇集中入役，国家对海洋安全日益重视，舰艇训练任务明显增多、使用强度增大，对舰艇能力的保持和恢复提出了更高要求，尤其是体系化运用使得从编队角度考虑等级修理安排的需求更加突出。
[0003]
当前，舰艇等级修理计划编制的基本模式之一是：以相对固定的时间间隔范围确定修理时机，同时明确修理级别、修理工期等(控计划)，根据给定的预算指标设定修理范围和修理深度(控经费)，进而安排修理活动。在此框架下，考虑到不同的目标和效果，不同的计划编制方法被提出，如基于可靠度和费用的维修间隔确定方法，以风险最小为目标的计划编制方法等；考虑到舰艇的体系化运用，以舰艇编队为对象的计划优化方法也被提出，如以减少编队服役期内可用舰艇数量波动幅度的优化方法、以提高编队部署时间的修理结构确定方法以及基于多艘同型舰艇部署能力的优化方法等。
[0004]
目前舰艇编队等级修理计划编制方法存在着以下不足：一是主要从在航率、完好性等角度对修理活动进行优化，缺乏从体系效能角度考虑舰艇编队修理安排，更没有考虑到不同类别、不同型号舰艇使用和修理之间的关联性，难以满足舰艇编队执行战备演训任务的需要；二是将舰艇总体效能视为恒定值，不能有效适应舰艇效能随着使用而呈现衰减趋势的客观情况；三是由于缺乏对舰艇编队体系效能及其衰减情况的考虑，也就未能考虑到体系效能受到决策者主观期望以及风险偏好的影响。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的就是要提供一种基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法，该方法基于现行的舰艇等级修理模式，考虑舰艇编队的体系化运用、舰艇的效能衰减特性以及决策者的期望和偏好，构建舰艇编队的期望体系效能评估模型，进一步以舰艇编队在一定时期内的期望体系效能最大化为目标，以舰艇是否修理以及修理起始时间为决策变量，综合考虑修理工期、跨期修理经费、修理总经费、效能、在航率等约束条件，建立舰艇编队等级修理计划优化模型，采用混合编码粒子群算法对模型进行优化求解，最终获得舰艇编队等级修理计划安排。该方法对于科学拟制舰艇编队等级修理计划，确保舰艇使命任务的有效履行能够提供有力的技术支撑。
[0006]
为实现此目的，本发明所设计的基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法，它包括如下步骤：
[0007]
步骤1：建立舰艇编队等级修理计划基础数据库，舰艇编队等级修理计划基础数据库包括舰艇在决策起始时间点的初始效能和舰艇修理数据参数；
[0008]
步骤2：根据初始效能中各分项能力对总体效能的贡献度、舰艇效能随时间衰减特性、舰艇编队履行使命任务对各分项能力值的期望以及决策者对风险的偏好程度建立舰艇编队期望体系效能评估模型；
[0009]
步骤3：利用舰艇编队期望体系效能评估模型，以舰艇编队在一定时期内的期望体系效能最大化为目标，以舰艇是否修理以及修理起始时间为决策变量，考虑修理工期约束、跨期修理经费约束、修理总经费约束、效能约束和在航率约束建立舰艇编队等级修理计划优化模型；
[0010]
步骤4：运用混合编码粒子群算法对舰艇编队等级修理计划优化模型进行求解得到舰艇是否修理以及修理起始时间，进而确定舰艇编队等级修理计划。
[0011]
本发明的有益效果：
[0012]
本发明中通过建立舰艇效能衰减模型，考虑舰艇效能客观存在的衰减特性，更加真实全面反映舰艇的使用和修理等活动对自身状态的影响；通过建立舰艇编队期望体系效能评估模型，考虑舰艇修理计划编制决策者的主观期望以及风险偏好，更好体现舰艇使用和修理活动对于效能的本质追求，也更加符合当前舰艇修理计划管理实际；综合考虑舰艇效能衰减的固有特性、舰艇编队效能的基本期望以及修理计划安排的各项约束，以期望体系效能最大为目标对舰艇编队等级修理计划进行编制安排，能够避免传统编制方法存在的不足，增强舰艇编队等级修理计划制定的科学性和有效性。
附图说明
[0013]
图1为本发明方法的流程图；
[0014]
图2为本发明中舰艇初始效能及分项能力值；
[0015]
图3为本发明中舰艇修理数据参数；
[0016]
图4为本发明中舰艇效能衰减函数；
[0017]
图5为本发明中基于期望体系效能舰艇编队等级修理计划；
[0018]
图6为本发明中基于期望体系效能舰艇编队分项能力价值函数；
[0019]
图7为本发明中基于期望体系效能舰艇编队可用状态；
[0020]
图8为本发明中基于传统方法舰艇编队等级修理计划；
[0021]
图9为本发明中基于传统方法舰艇编队分项能力价值函数；
[0022]
图10为本发明中基于传统方法舰艇编队可用状态。
[0023]
图6中，u
x
、u
m
、u
f
、u
j
和u
l
分别表示舰艇编队的指挥控制能力、机动能力、防御能力、进攻能力和保障能力的价值函数；
[0024]
图9中，u
x
、u
m
、u
f
、uj和u
l
分别表示舰艇编队的指挥控制能力、机动能力、防御能力、进攻能力和保障能力的价值函数。
具体实施方式
[0025]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0026]
本发明所设计的基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法，如图1所
示，它包括如下步骤：
[0027]
步骤1中，根据舰艇实际技术状态和现行舰艇等级修理规定，建立舰艇编队等级修理计划基础数据库，舰艇编队等级修理计划基础数据库包括舰艇在决策起始时间点的初始效能，用于描述舰艇在该时间点的能力表现，以及舰艇修理数据参数，作为舰艇编队等级修理计划优化模型的基础数据；
[0028]
步骤2：根据初始效能中各分项能力对总体效能的贡献度、舰艇效能随时间衰减特性、舰艇编队履行使命任务对各分项能力值的期望以及决策者对风险的偏好程度建立舰艇编队期望体系效能评估模型；
[0029]
步骤3：利用舰艇编队期望体系效能评估模型，以舰艇编队在一定时期内的期望体系效能最大化为目标，以舰艇是否修理以及修理起始时间为决策变量，考虑修理工期约束、跨期修理经费约束、修理总经费约束、效能约束和在航率约束建立舰艇编队等级修理计划优化模型；
[0030]
步骤4：运用混合编码粒子群算法对舰艇编队等级修理计划优化模型进行求解得到舰艇是否修理以及修理起始时间，进而确定舰艇编队等级修理计划。
[0031]
上述技术方案的步骤1中，舰艇在决策起始时间点的初始效能包括指挥控制能力值、机动能力值、防御能力值、进攻能力值、保障能力值，能力值表示各个分项能力的大小，具体针对装备技术状态综合评估得到；舰艇修理数据参数包括舰艇编号、根据现行舰艇等级修理规定初步拟定的修理级别、预算指标、修理工期和恢复效能、上次等级修理或入役保修结束至决策起始点的时间长度、根据使用需求确定的使用效能下限。
[0032]
上述技术方案的步骤2的具体方法为首先根据初始效能中各分项能力对总体效能的贡献度建立单艘舰艇效能评估模型；
[0033]
单艘舰艇效能分为指挥控制能力值、机动能力值、防御能力值、进攻能力值和保障能力值，考虑各分项能力对总体效能的贡献度，得到单艘舰艇s
i
的总体效能为：
[0034]
p
i
＝w
c1
x
i
+w
c2
m
i
+w
c3
f
i
+w
c4
j
i
+w
c5
l
i
[0035]
式中，p
i
表示舰艇s
i
的总体效能，x
i
、m
i
、f
i
、j
i
、l
i
分别表示舰艇的指挥控制能力值、机动能力值、防御能力值、进攻能力值和保障能力值，w
c1
～w
c5
分别表示分项能力对总体效能的贡献度权重，具体由计划编制者根据舰艇使命任务、有关规定指示和基层部队意见综合确定；
[0036]
然后，针对舰艇在实际使用过程中其效能随时间衰减的特性，采用逆向logistic函数建立舰艇效能的衰减模型；
[0037][0038]
式中，p
i
(t)表示舰艇s
i
的效能函数，p
io
表示舰艇的初始效能，即在决策起始时间点的效能，k
i
表示效能衰减速率，与舰艇特点、使用强度相关，t表示时间，a
i
表示效能衰减长度，反映舰艇使用初期效能缓慢衰减的时间长度，与舰艇本身的固有特性和使用强度有关，b
i
表示舰艇上次等级修理或入役保修完成至决策起始时间点的时间长度,e为自然常数；
[0039]
进一步以舰艇效能的衰减模型为基础，考虑等级修理使效能得到恢复，舰艇s
i
的效能变化情况为：
[0040][0041]
式中，[0,t]表示该时期的起止时间，t
is
和t
ie
分别表示修理的起止时间点，p
′
io
表示舰艇修理前的效能，δp
i
表示修理后所能恢复的效能，具体参照历史修理情况，根据预算指标和修理工期确定；
[0042]
建立舰艇编队体系效能评估模型，根据舰艇效能衰减模型，得到舰艇编队的单项能力值：
[0043][0044]
式中，c
x
表示舰艇编队的某单项能力值，w
i
表示舰艇s
i
在舰艇编队中的权重，具体根据舰艇和所在部队的重要程度以及舰艇在编队中的使命任务确定，x
i
表示舰艇s
i
的初始单项能力值；
[0045]
进一步得到舰艇编队体系效能：
[0046]
c(t)＝w
c1
c
x
(t)+w
c2
c
m
(t)+w
c3
c
f
(t)+w
c4
c
j
(t)+w
c5
c
l
(t)
[0047]
式中，c(t)表示舰艇编队体系效能，c
x
(t)、c
m
(t)、c
f
(t)、c
j
(t)、c
l
(t)表示舰艇编队的指挥控制能力值、机动能力值、防御能力值、进攻能力值和保障能力值，w
c1
～w
c5
表示分项能力对总体效能的贡献度权重；
[0048]
建立舰艇编队期望体系效能评估模型，考虑舰艇编队履行使命任务时对各分项能力值的期望，以及为避免单项能力恢复不均衡造成浪费，运用前景理论建立舰艇编队体系效能价值函数；
[0049][0050]
式中，u
x
(t)表示舰艇编队某单项能力的价值函数，c
x
(t)表示舰艇编队该单项能力的实际值，e
x
表示舰艇编队该单项能力的期望值，λ
i
和β
i
分别表示实际值高于期望和低于期望时的风险厌恶系数且0<λ
i
<1<β
i
；
[0051]
进一步得到舰艇编队期望体系效能评估模型：
[0052]
u(t)＝w
c1
u
x
(t)+w
c2
u
m
(t)+w
c3
u
f
(t)+w
c4
u
j
(t)+w
c5
u
l
(t)
[0053]
式中，u(t)表示舰艇编队期望体系效能，w
c1
～w
c5
表示分项能力对总体效能的贡献度权重，u
x
(t)、u
m
(t)、u
f
(t)、u
j
(t)、u
l
(t)表示舰艇编队的指挥控制能力、机动能力、防御能力、进攻能力和保障能力的价值函数。
[0054]
上述技术方案的步骤3的具体方法为优化模型的优化目标为舰艇编队在一定时期t内的期望体系效能最大化，表示为：
[0055]
[0056]
式中，u(t)表示舰艇编队在t时刻的期望体系效能，f
u
表示舰艇编队在时期[0,t]内的期望体系效能；
[0057]
优化模型的决策变量及其取值范围为：对于舰艇s
i
是否修理x
i
，x
i
＝1表示修理，x
i
＝0表示不修理；和修理的起始时间t
is
，t
is
∈[0,t]；
[0058]
优化模型的约束条件为：
[0059]
对于修理工期约束，根据现行修理工作规定，对于舰艇s
i
有：
[0060]
t
ie-t
is
＝t
i
[0061]
式中，t
ie
表示修理结束时间，t
is
表示修理起始时间，t
i
表示根据规定明确的修理工期；
[0062]
对于跨期修理经费约束，当舰艇存在跨越[0,t]时间段修理时，当期[0,t]修理经费为修理预算指标与当期[0,t]修理时间占比的乘积，舰艇s
i
跨期修理经费为：
[0063][0064]
式中，c
i
表示当期[0,t]修理经费，c
i
表示修理预算指标，t
′
i
表示当期[0,t]修理时间；
[0065]
对于修理总经费约束，需修舰艇的总经费不得超过总的经费预算指标，具体表示为：
[0066][0067]
式中，x
i
为0时，表示舰艇s
i
不修理；x
i
为1时，表示舰艇s
i
需要修理；c
i
表示舰艇s
i
当期[0,t]修理经费，c
z
表示总的经费预算指标；
[0068]
对于效能约束，在不改装条件下，修理只能使效能得到有限恢复，而不会达到上次等级修理或入役保修结束时的初始效能，此时：
[0069]
p
′
io
+δp
i
≤p
io
[0070]
式中，p
io
表示舰艇的初始效能，p
′
io
表示舰艇修理前的效能，δp
i
表示舰艇修理后所能恢复的效能；
[0071]
对于在航率约束，具体表示为：
[0072][0073]
式中，n表示舰艇总数，n
r
表示处于修理状态的舰艇数量，n
u
表示处于失修状态的舰艇数量，r表示规定的最低在航率要求。
[0074]
上述技术方案的步骤4中，运用混合编码粒子群算法对舰艇编队等级修理计划优化模型进行求解的具体步骤为：
[0075]
首先，编码，考虑到舰艇编队等级修理计划优化模型的决策变量为舰艇是否修理以及修理的起始时间，其中既有离散变量又有连续变量，采用两类变量分段混合编码的方式，具体为其中，[x1,x2,
…
,x
n
]采用二进制编码(决策变量的前一部分，表示舰艇是否修理)，取0或1，x1,x2,
…
,x
n
表示第1艘至第n艘舰艇是否进行
修理；采用实数编码(决策变量的后一部分，表示舰艇修理的起始时间)，表示第1艘至第n艘舰艇修理的起始时间，取值范围为[0,t]；
[0076]
此时，对于由n个粒子组成的种群(粒子是粒子群算法中的特定表述方式，粒子的位置表示按照既定的编码规则给定的解)，粒子m(m＝1,2,
…
,n)的当前位置表示为x
m1
,x
m2
,...,x
mn
表示第m个粒子对应决策变量[x1,x2,
…
,x
n
]的一组解，表示舰艇是否修理；表示第m个粒子对应决策变量的一组解，表示舰艇修理的起始时间，当前飞行速度(飞行速度表示粒子位置下一步发生变化的趋势)表示为粒子位置是一个多维变量，对于每个维度而言，飞行速度是不一样的，因此，飞行速度也是多维的，因此分别表示对应粒子位置不同维度的飞行速度，p
m
表示粒子m所经历过的具有最好适应值的位置，称为个体最优位置；p
g
表示整个粒子群中所有粒子迄今为止搜索到的最优适应度值的位置，称为全局最优位置；
[0077]
初始化粒子群，即随机设定粒子m的初始位置x
m
(1)和初始速度v
m
(1)；
[0078]
然后，将舰艇编队等级修理计划优化模型中的目标函数f
u
直接作为粒子群算法中的适应度函数，计算每个粒子的适应度值；
[0079]
对每个粒子，比较它的适应度值和个体最优位置p
m
的适应度值，如果更好，则更新p
m
，对于每个粒子，每次迭代都可以得到一个新的位置(也就是模型的一组解)，此处的“更新”个体最优位置是指在迭代过程中如果遇到适应度更高的解，就将该粒子此时对应的位置记录下来，作为到目前为止历次迭代中的最优解；对每个粒子，比较它的适应度值和全局最优位置p
g
的适应度值，如果更好，则更新p
g
，此处记录所有粒子的历次迭代中的最优位置，而不仅仅只针对单个粒子的历史最优位置；
[0080]
对每个粒子的飞行速度和位置同步更新：
[0081]
飞行速度更新，具体表示为：
[0082]
v
m
(k+1)＝w(k)*v
m
(k)+c1*rand()*(p
m-x
m
(k))+c2*rand()*(p
g-x
m
(k))
[0083]
其中，v
m
(k+1)表示第k+1代粒子的速度，v
m
(k)表示第k代粒子的速度，c1、c2为预设的相对于不同最优位置(个体最优位置p
m
和全局最优位置p
g
)的学习因子；rand()是在[0，1]范围内的随机数，w(k)为用于控制搜索范围的惯性权重。
[0084]
对于惯性权重w(k)，采用线性递减权值策略：
[0085][0086]
其中，w
max
表示最大惯性权重，w
min
表示最小惯性权重，k表示当前迭代次数，t
max
表示最大迭代次数；
[0087]
为防止粒子速度过大而直接跳出优化区间，对粒子在每一维的速度限制在[v
min
,v
max
]内，对于超过速度范围的粒子，则重新对该粒子的速度进行初始化。
[0088]
粒子位置更新(即模型的一组解)，对于离散编码，具体表示为：
[0089][0090]
对于连续编码，具体表示为：
[0091]
x
m
(k+1)＝x
m
(k)+v
m
(k+1)
[0092]
式中，x
m
(k+1)表示第k+1代粒子的位置，x
m
(k)表示第k代粒子的位置,s表示粒子飞行速度转换函数；
[0093]
迭代优化，按照上述步骤进行迭代，记录和更新历次迭代中粒子群体的最优适度值以及相应的粒子位置，同步更新粒子的飞行速度和位置，当达到预先设定的最大迭代次数t
max
后，得到最优适应度值的粒子位置，其对应的就是舰艇编队等级修理计划模型中的最优决策变量，即舰艇是否修理以及修理的起始时间，据此实现舰艇编队等级修理计划的编制。
[0094]
本实施例以7艘舰艇组成的编队为对象，编制其年度等级修理计划。
[0095]
根据步骤1，舰艇在决策起始时间点的初始效能及分项能力值如图2所示，各项修理数据参数如图3所示。
[0096]
根据步骤2，单艘舰艇分项能力对总体效能的贡献度权重，由计划编制者根据战略目标、使命任务、有关规定指示和基层部队意见综合确定，(w
c1
,w
c2
,w
c3
,w
c4
,w
c5
)＝(0.2,0.15,0.25,0.25,0.15)；舰艇效能衰减函数，根据对舰艇各项能力在不同时间点的评估数据曲线拟合获得，如图4所示；单艘舰艇在编队中的权重，根据舰艇和部队的重要程度、舰艇在编队中的使命任务确定，(w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7)＝(0.17,0.17,0.14,0.14,0.14,0.12,0.12)；舰艇编队能力期望值，根据战略目标、使命任务、上级指示和基层部队意见确定，(e
x
,e
m
,e
f
,e
j
,e
l
)＝(25,40,25,25,30)；风险厌恶系数λ
i
和β
i
，根据决策者对风险的偏好确定，分别为0.6和1.2。
[0097]
根据步骤3，舰艇修理经费预算指标为7000万元，最低在航率根据部队类型和现行规定综合确定为r＝60％；
[0098]
根据步骤4，粒子群算法参数设置为：n＝100，t
max
＝200，c1＝1.5，c2＝1.5，w
max
＝0.9，w
min
＝0.4，v
max
＝2，v
min
＝-2。
[0099]
通过优化求解，得到舰艇编队等级修理计划如图5所示，舰艇编队分项能力的价值函数变化情况如图6所示，舰艇可用状态如图7所示。
[0100]
为进行对比分析，采用传统的基于日历时间的修理计划编制方法，舰艇等级修理计划如表8所示，舰艇编队分项能力的价值函数变化情况如图9所示，舰艇可用状态如图10所示。
[0101]
通过比较，相对于传统方法编制的修理计划，舰艇编队体系效能更高，展现出更高的战斗力水平；舰艇编队分项能力全年均能达到分项能力期望值，能够随时满足使用需求；舰艇同时在修数量分布更加均匀，更好地处理了舰艇使用与修理、不同舰艇之间的协调关系。
[0102]
本发明提供了一种基于期望体系效能的舰艇编队等级修理计划编制方法，能够充分考虑舰艇编队的体系效能、舰艇的效能衰减特性以及决策者的期望和偏好，在现有修理模式框架下，科学拟制舰艇编队等级修理计划，确保舰艇编队有效满足体系运用需求。
[0103]
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。