齊玉東 宋 冰

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

關(guān)鍵字 軍用裝備；滾裝船；配載

1 引言

為應(yīng)對(duì)國(guó)家安全威脅，必須做好兩棲登陸作戰(zhàn)準(zhǔn)備。兩棲登陸作戰(zhàn)中海上投送是作戰(zhàn)的初始階段和首要環(huán)節(jié)，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(tǒng)的船舶裝載方案由人工編制，主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和基本原則。急需對(duì)裝載問題進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，利用信息化技術(shù)，研究科學(xué)可行的配載方案，以提高方案編制的效率。

滾裝船是最適應(yīng)部隊(duì)實(shí)施海上輸送的船型，由于其實(shí)現(xiàn)了裝備車輛在水平方向的滾動(dòng)開進(jìn)，能夠快速提高部隊(duì)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(qiáng)的裝載能力。例如軍民兩用大型滾裝船“渤海翠珠”號(hào)，排水量達(dá)3.6萬噸，可裝載大小車輛300余輛［2］。據(jù)了解，我國(guó)大中型民用滾裝船的數(shù)量較為可觀，在戰(zhàn)時(shí)若以軍用登陸艦船為骨干，民用滾裝船為重要補(bǔ)充，充分發(fā)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(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軍事裝備在民用滾裝船上裝載的研究還不多。文獻(xiàn)［3］通過分析裝載的主要流程，設(shè)計(jì)了一種借助線性規(guī)劃求解的船運(yùn)裝配載系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］研究滾裝船的裝載特點(diǎn)，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(biāo)模型，并使用貪婪算法對(duì)問題進(jìn)行仿真解算。文獻(xiàn)［5］提出了可以對(duì)船舶裝配載方案計(jì)劃進(jìn)行效能評(píng)分的優(yōu)化算法，并利用該算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配載計(jì)劃的選擇打分。文獻(xiàn)［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?jī)?nèi)容，提出了相關(guān)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(shù)量和位置，在保證最大載重量和船只穩(wěn)性安全的前提下，使得船艙甲板利用率、所裝載裝備價(jià)值最大化。根據(jù)滾裝船的相關(guān)資料和文獻(xiàn)，確定問題的相關(guān)數(shù)據(jù)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(nèi)都會(huì)擁有較大的裝載空間，每個(gè)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(jìn)而實(shí)施裝載。車道線通常在附近預(yù)設(shè)底座、地鈴等設(shè)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(fā)生位移造成事故。因此，在配載時(shí)可以將載車線的長(zhǎng)度作為主要的影響因素，裝備的配載轉(zhuǎn)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(hào)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(zhàn)車、自行火炮、運(yùn)輸車等，在具體配載時(shí)可以簡(jiǎn)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(yīng)保持一定間距，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，輪式裝備前后距離應(yīng)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(yīng)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(fā)生位移產(chǎn)生碰撞，二是確保有足夠的空間進(jìn)行裝備捆綁加固［8］。

2.4 船舶載重和穩(wěn)性要求

為保證船舶海上輸送的安全，需重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方面的裝載狀態(tài)：一是載重量要求。所有裝載車輛裝備的質(zhì)量之和不得超過船舶的裝載能力。二是船舶的穩(wěn)性要求。船舶在橫傾狀態(tài)下，橫向的水壓以及裝載貨物會(huì)產(chǎn)生較大的橫向力矩，從而引起船舶橫向傾斜。因此在計(jì)劃方案時(shí)，車輛應(yīng)當(dāng)左右和前后盡量均衡分布，在方案制定完成后還要進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)算，保證船舶的穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。三是甲板強(qiáng)度要求。由于軍事裝備的重量較大，要提前計(jì)算甲板強(qiáng)度是否能滿足裝備的裝載要求。

2.5 裝備數(shù)量限制

在具體的裝載實(shí)踐中，每種裝備的數(shù)量并不是無限的，一般來說會(huì)有最大數(shù)量限制。具體情況需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行分析。

3 配載數(shù)學(xué)模型

3.1 變量定義

首先將模型中涉及的符合進(jìn)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(shí)，根據(jù)任務(wù)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(shù)：

定義船艙載重量利用率函數(shù)：

通過多目標(biāo)規(guī)劃的加權(quán)系數(shù)法［9］，目標(biāo)函數(shù)可以表示為

其中k1，k2為權(quán)重因子，通常根據(jù)具體情況由經(jīng)驗(yàn)確定，其權(quán)重之和為1，目標(biāo)函數(shù)值越大越好［10］。

約束條件為

式（4）為載車線長(zhǎng)度約束，表示每條載車線上各種車型的長(zhǎng)度加上車間隔之和不能超過該條載車線總長(zhǎng)度；式（5）為質(zhì)量約束，表示裝備總質(zhì)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(shù)量是不小于0的整數(shù)。

3.3 考慮所裝載裝備的戰(zhàn)斗力價(jià)值因素

4 配載算法

本文所涉及的配載問題需要解決兩個(gè)問題：一是確定裝載裝備的類型、數(shù)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(yōu)化問題，是在特定的空間范圍內(nèi)得到滿足最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的分布方式，由于組合優(yōu)化問題是NP難問題，在大規(guī)模問題中全局最優(yōu)解較難取得，通常使用優(yōu)化算法求得近似最優(yōu)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(shí)例分析

某部現(xiàn)有一批待運(yùn)裝備，計(jì)劃運(yùn)用某型客滾船進(jìn)行運(yùn)輸。船艙共有3條載車線，長(zhǎng)度分別為90，105，85m，最大載重1000t，最大橫傾力矩1000kN·m。本文設(shè)定裝備間距為0.75m，裝備的具體參數(shù)見表2。

表2 裝備部分參數(shù)

5.1 考慮船艙的最大利用率

假設(shè)每種待裝載裝備的數(shù)量沒有限制，權(quán)重系數(shù)k1為0.8，k2為0.2。使用遺傳算法仿真，相關(guān)參數(shù)的制定對(duì)算法的結(jié)果將產(chǎn)生較大影響，為獲得最佳參數(shù)組合，通常需要多次實(shí)驗(yàn)才能得到最佳參數(shù)［12］。本文參數(shù)設(shè)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(shù)為300，在Matlab中求解得出優(yōu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2 考慮所裝載裝備的戰(zhàn)斗力價(jià)值因素

情況一：每種裝備的數(shù)量沒有限制。

在Matlab中使用遺傳算法求解得出優(yōu)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(jié)果見表4。

表4 情況1計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以看出在戰(zhàn)斗力價(jià)值影響下，由于每種裝備數(shù)量不受限制，算法優(yōu)先安排單位長(zhǎng)度價(jià)值最高的Ⅳ型裝備進(jìn)行配載。

情況二：裝備的數(shù)量有限制。

假設(shè)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(yōu)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(jié)果見表5。

表5 情況2計(jì)算結(jié)果

綜上，該模型和算法可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)配載安排，實(shí)際裝載時(shí)，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照每條載車線上每種裝備數(shù)量依次裝載即可滿足要求。

6 結(jié)語

軍事裝備的船舶配載是海上投送中的一項(xiàng)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(guān)配載的模型，并利用遺傳算法求解結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)提高部隊(duì)船舶配載方案的編制效率、提升運(yùn)輸安全具有指導(dǎo)意義。但本文研究的算法還不夠深入，對(duì)算法效率的優(yōu)化改進(jìn)是下步研究的主要方向。