登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化問題研究

汪 欣， 王廣東

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

登陸作戰(zhàn)需要依托岸灘卸載系統(tǒng)實施大規(guī)模裝備、物資和人員卸載上陸，岸灘卸載系統(tǒng)作為由多種卸載裝備組成的大型岸灘作業(yè)系統(tǒng)，不需要固定港口設(shè)施，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、操作難度大、安全風(fēng)險高，容易受到風(fēng)、天氣和海況等各種條件限制。在典型岸灘卸載系統(tǒng)中，主要作業(yè)科目不僅有吊裝過駁、滾裝過駁、船岸轉(zhuǎn)運，還包括泛水卸載、灘頭卸載、沙灘通行等，存在較多作業(yè)節(jié)點，影響著作業(yè)能力，系統(tǒng)運行應(yīng)使各種卸載裝備功能相互銜接、作業(yè)能力相互匹配、載荷轉(zhuǎn)運界面相互兼容，從而提高卸載系統(tǒng)整體能力。選取登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)，從分析系統(tǒng)組成入手，圍繞系統(tǒng)運行時閑置資源最少的目標(biāo)，實現(xiàn)系統(tǒng)最短時間內(nèi)完成最大工作量，計算得出系統(tǒng)最優(yōu)化配置方案。研究岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化方法對部隊未來開展岸灘卸載演練演習(xí)有較強的指導(dǎo)作用。

1 登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)組成

登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)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(zhuǎn)運”循環(huán)系統(tǒng)[1]。登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 典型岸灘卸載系統(tǒng)組成

2 岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 典型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化思路

典型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化本質(zhì)是對系統(tǒng)組成進行調(diào)整，影響岸灘卸載系統(tǒng)能力的參數(shù)包括定量參數(shù)和變量參數(shù)兩大類，需要通過建立目標(biāo)函數(shù)并分析約束條件，進行系統(tǒng)能力求解。通過采用預(yù)先建立的類型和數(shù)量組合，當(dāng)求解結(jié)果不能使系統(tǒng)能力提高，則再次對系統(tǒng)組成進行調(diào)整，當(dāng)求解結(jié)果使系統(tǒng)能力提高，則認(rèn)為是實現(xiàn)了優(yōu)化[2]，在求解結(jié)果中選取最大值的配置組合，即為系統(tǒng)最優(yōu)化配置。典型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化思路如圖2所示。

圖2 典型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化思路

2.2 典型岸灘卸載系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)定義

典型岸灘卸載系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)包括定量參數(shù)和變量參數(shù)兩大類，定量參數(shù)分為系統(tǒng)組成參數(shù)、系統(tǒng)性能參數(shù)，變量參數(shù)分為外部環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)決策參數(shù)。

(1)系統(tǒng)組成參數(shù)：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(shù)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(shù)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(tǒng)性能參數(shù)：Ri表示第i種駁運船的作業(yè)時間；Gi表示第i種駁運船轉(zhuǎn)運行駛1海里的時間；Ai,k表示第i種駁運船運輸?shù)趉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?shù)趉種類型貨物在岸上的卸載時間。

(3)外部環(huán)境參數(shù)：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(tǒng)決策參數(shù)：Ni,j表示在卸載通道j中第i種駁運船的數(shù)量(艘)。Ti,j表示在卸載通道j中第i種駁運船的運送次數(shù)(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(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)確立

典型岸灘卸載系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)是使得整個系統(tǒng)中等待被轉(zhuǎn)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(tǒng)的幾個主要約束條件分別為：

(1)駁運船數(shù)量約束。卸載系統(tǒng)中所有卸載通道內(nèi)的駁船數(shù)量之和應(yīng)小于各類駁船的數(shù)量綜合。

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

(3)裝卸作業(yè)限制約束。系統(tǒng)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(tǒng)在3級海況或更高海況下和可作業(yè)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(yè)。

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

(5)駁運船運送次數(shù)非負且為整數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，同時借鑒美軍JOTE模型[4]，可建立系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

3 卸載系統(tǒng)優(yōu)化模型求解

3.1 優(yōu)化模型數(shù)據(jù)輸入

分析登陸作戰(zhàn)典型岸灘卸載系統(tǒng)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化模型主要有兩種輸入?yún)?shù)，即定量參數(shù)和變量參數(shù)。

(1)定量參數(shù)輸入：輸入系統(tǒng)組成參數(shù)、系統(tǒng)性能參數(shù)。選取登陸作戰(zhàn)某典型岸灘卸載系統(tǒng)，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(shù)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(tǒng)的作業(yè)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(shè)典型岸灘卸載系統(tǒng)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?shù)?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(shù)輸入：輸入外部環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)決策參數(shù)。對于外部環(huán)境參數(shù)，設(shè)可作業(yè)海況比例σ=84%，可作業(yè)時間為20 h。則需要輸入四種系統(tǒng)決策變量,即:①在卸載通道j中第i種駁運船的數(shù)量Ni,j；②在卸載通道j中第i種駁運船的運送次數(shù)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(yōu)化求解器，可用于求解非線性規(guī)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(yōu)化模型的最佳選擇[5]。對于典型岸灘卸載系統(tǒng)最優(yōu)化問題，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件后，輸入數(shù)據(jù)并利用LINGO中的非線性規(guī)劃優(yōu)化處理器，可得到最優(yōu)化結(jié)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(tǒng)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(yōu)化模型數(shù)據(jù)輸出

對于有8條海上卸載通道的典型岸灘卸載系統(tǒng)，優(yōu)化模型數(shù)據(jù)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(shù)量的最佳組合，則離岸距離3海里的典型岸灘卸載系統(tǒng)最優(yōu)化配置如表2所示。

表2 優(yōu)化模型數(shù)據(jù)輸出

此時的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值為100 t。

4 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果分析

將離岸距離分別設(shè)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(nèi)過駁方式、駁運船類型和數(shù)量進行優(yōu)化組合配置，如表3所示。

不同離岸距離求解的目標(biāo)函數(shù)值，可以繪制離岸距離與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示。分析圖4可以發(fā)現(xiàn)：

(1)不同離岸距離下典型岸灘卸載系統(tǒng)都可實現(xiàn)最優(yōu)化，但最優(yōu)化目標(biāo)值不同。

(2)目標(biāo)函數(shù)值隨著離岸距離增大呈現(xiàn)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(tǒng)最優(yōu)化所能達到的極值。

(3)離岸距離在3.0海里時目標(biāo)函數(shù)值最小，可認(rèn)為在離岸距離3.0海里處典型岸灘卸載系統(tǒng)作業(yè)效率最高；離岸距離超過5.0海里以后目標(biāo)函數(shù)值過大，即離岸距離超過5.0海里時典型岸灘卸載系統(tǒng)效率較低，可認(rèn)為實際作業(yè)時應(yīng)保持離岸距離在5.0海里以內(nèi)。

表3 不同離岸距離下系統(tǒng)最優(yōu)組合

圖4 離岸距離與目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)論

提出岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化方法可以解決多種環(huán)境因素影響下的系統(tǒng)優(yōu)化問題，有較強的實用性，下一步可結(jié)合演訓(xùn)實際，對其他類型岸灘卸載系統(tǒng)優(yōu)化配置進行研究，為未來開展多樣化岸灘卸載演習(xí)訓(xùn)練提供理論支撐。