基于預定作業周期的航母作戰部署調度研究*

周曉光，張佳利，何曉蕾，田懷英

（海軍航空兵學院，遼寧　葫蘆島　125001）

基于預定作業周期的航母作戰部署調度研究*

周曉光，張佳利，何曉蕾，田懷英

（海軍航空兵學院，遼寧葫蘆島125001）

為科學籌劃航母作戰部署調度，優化航母作戰兵力的運用，對航母作戰部署調度問題進行建模研究。介紹航母預定作業周期，重點闡述航母綜合訓練期、維修保障期和人員/作戰節奏等相關內容；在此基礎上，分析航母作戰部署調度的約束條件，在滿足對作戰區域有效時間覆蓋條件下，以最小化航母作戰兵力數量為目標函數，構建航母作戰部署調度優化模型，并通過實例進行驗證。結果表明，該模型是有效、實用的，可為科學決策航母作戰部署調度提供依據和方法。

航母，部署調度，線形規劃

0　引言

航母作戰部署有其自身的特點和規律，相對于其他作戰平臺，航母作戰部署更加強調計劃性，更加重視統籌規劃。航母作戰平臺作為一個海上的大型機場，通過前置兵力部署，實現了對作戰海域的兵力存在，形成了對作戰區域的有效期覆蓋［1-2］。航母作戰調度優化的目的是如何有效利用有限的航母作戰平臺實現對作戰海域的最大化兵力存在時間，形成對該作戰區域的打擊威懾。美軍在航母作戰調度方面積累了一定的經驗，制定了相應的航母作戰調度政策和制度［3-4］，在航母作戰調度方法和手段上也進行了一定的研究。文獻［5］提出了一種前置兵力模型（Navy’s Force Presence Model，FPM），考慮航母維修保障需求的條件下，計算了每艘航母平均的覆蓋能力。文獻［6］分析了前置部署航母對國家安全戰略的意義，并提出了航母覆蓋和響應評估模型（Coverage and Response Estimation Model，CORE），分析了不同覆蓋要求下對航母數量的需求。筆者在上述研究的基礎上，提出了一個航母作戰兵力調度優化模型。

1　航母預定作業周期

一般地，從航母下水服役開始，便為航母制定一個預定作業周期（Engineered Operating Cycle，EOC）［7］。這個周期首先是包括一個18個月的訓練和部署時間，之后進行休整。工作日的時間長度和數量需要能夠完成休整期間的工作量，這些隨著航母的老化會持續增長。在第1次部署之后會有一個3個月的廠級維修（Selected Restricted Availability，SRA），第2次部署之后會有一個5個月的入塢級維修（Docking Selected Restricted Availability，DSRA），第3次部署之后會進行第2次3個月的SRA，第4次部署之后會有一個18個月的復雜大修（Complex Overhaul，COH）。這個SRA-DSRA-SRA-COH循環進行重復，第2次大修會持續24個月，如圖1所示。

圖1　航母預定作業周期

由圖1可知，航母作業周期內的時間可以分為2類：一是作戰訓練期；二是維修保障期。作戰訓練期和維修保障期時間的長短不是固定不變的，是根據航母自身的狀態進行調整。作戰訓練期主要用于航母進行綜合訓練和作戰部署；維修保障期主要用于航母維修保障。對航母預定作業周期進行進一步細化，將作戰訓練期進行拆分，航母預定作業周期可以進一步分為3個階段：一是航母綜合訓練期；二是航母作戰部署期；三是維修保障期［8］。

1.1航母綜合訓練期

在航母作戰部署之前，首先要對航母艦員和飛行員進行技能培訓，熟悉崗位業務能力，以滿足航母作戰部署過程中各崗位復雜操作的需要。航母綜合訓練期的主要作用就是用于培訓航母艦員和飛行員。航母綜合訓練期一般持續8個月，由4個階段組成［9］。第1個階段是一個短期的海試階段，主要用于檢驗航母自身主要系統的工作情況。第2階段為艦員更換期，該階段主要用于培訓新的艦員和飛行員，用于取代需要離艦的老艦員和老飛行員。第3階段為艦員進修訓練期，在這個階段艦員得到更多的技能培訓，重視協作能力，團隊精神的培養，使得航母艦上操作更加順暢，各戰位人員形成高效有序的整體。第4階段為綜合檢驗階段，在該階段主要用于測試在戰爭條件下，航母編隊船只以及編隊船只艦員的穩定性，提高應對未來作戰的能力。經過航母綜合訓練期的訓練和檢驗后，航母離開母港，巡航部署與需要部署的作戰區域。

1.2維修保障期

航母自身設備技術復雜，科技含量高，為提高系統運行的穩定性，必須定期進行裝備維修保障。航母維修保障大體可以分為3個層次［10］：一是自主性維護；二是中級維護；三是靠港性維護。自主性維護和中級維護是小范圍的維護，可以在航渡過程中進行維護，可以忽略對航母可用性的影響?？扛坌跃S護一般是在航母母港進行，某型特定設備的維護還需要在某型特定工廠和船塢進行更換維護，因此，靠港性維護可以認為航母不具備作戰能力。

在航母作戰部署調度過程中，除了考慮航母預定作業周期外，人員/作戰節奏政策也是要考慮的重要因素之一。

2　人員/作戰節奏政策

人員/作戰節奏解釋為單位時間內航母的離港比率，為保證航母作戰訓練人員的生活質量和工作狀態，航母作戰部署必須考慮人員/作戰節奏問題。提出人員/作戰節奏政策的原因是在航母作戰部署階段，一旦發生緊急事件，為應對威脅，航母部署時間將變長，部署間隔時間將變短。長時間地處于作戰部署狀態，航母自身系統負擔過大，需要的維修保障費用急劇增加。艦員長期處于緊張狀態，也容易出現事故。為解決這些問題，美軍提出了人員/作戰節奏政策。人員/作戰節奏政策的目的是尋找作戰部署與作戰休息時間的均衡點。人員/作戰節奏政策主要有3個指標［11-12］：

①航母部署時間長度不能大于6個月（180天）；

②部署和停留時間比率小于1∶2。在2個連續6個月部署之間必須存在至少12個月的休息整頓時間；

③在每個5年的部署計劃周期內，航母在母港休息時間大于50%時間。

3　航母作戰部署約束條件

3.1部署可用期限制

下頁圖2是一個航母維修保障期規劃圖，時間單位為月。圖中黑色條形部分為航母靠港維護期，在該期間的航母不可進行部署規劃。白色條形為航母非維修期，即作戰訓練期。航母綜合訓練期時間一般為8個月，航渡與部署時間為6個月，如果作戰訓練期時間長度大于14個月，那么航母便有充足的時間進行航母綜合訓練和作戰部署，因此，一個大于14個月的作戰訓練期稱為一個可部署期，如圖3所示。小于14個月的作戰訓練期是不可以進行部署的。在圖2中，標注（1）的航母作戰訓練期是一個航母不可部署期。在一個規劃周期內，依據航母維修保障期規劃，一艘航母一般具有2個～3個可部署期。假定航母作戰部署航渡所用時間為1個月，部署于作戰區時間為半個月，返回母港時間為半個月，為簡化問題，假定航渡與部署時間為6個月的最后一個月用于航渡，那么航母部署于作戰海域的時間為5個月。航母部署與作戰海域的時間稱為陣位部署期。如果航母可部署期的時間正好為14個月，那么只存在一個陣位部署期，開始于第9個月，結束于第13個月，第14個月用于往返航渡。如果航母可部署期長度大于14個月，那么將存在多個陣位部署期。

圖2　航母維修保障期規劃圖

圖3　航母部署涉及的重要時間期的相互關系

圖4顯示了2個航母的作戰部署規劃問題，其中航母Carrier1在作戰部署規劃周期內存在2個可部署期，航母Carrier2存在一個可部署期。Carrier1的第一個可部署期內，存在3個陣位部署期，如圖2所示。Carrier1欄內第一縱欄為一個陣位部署期，第1個陣位部署期時間為1991年7月至1991年11月；第2個陣位部署期為1991年8月至1991年12月；第3個陣位部署期為1991年9月至1992年1月。

3.2人員/作戰節奏政策限制

為了對人員/作戰節奏政策限制進行建模描述，引入2個人員/作戰節奏系數變量ai，bi。圖5給出了ai，bi的含義，ai為第i次部署規劃結束時到維修保障期開始期間的月份數量，bi為維修保障期開始到下一次部署規劃期開始期間的月份數量。為確保連續2個部署規劃期之間的間隔大于13個月，那么要求ai+bi≥13。部署規劃期的第一個可部署期的人員/作戰節奏限制由最后一次已知部署月到該次部署規劃的月數大于12月確定。

圖4　航母作戰部署期

圖5　人員/作戰節奏系數變量

為保障部署和停留休整時間比率大于1∶2，引入系數pi對每個陣位部署規劃i進行描述。假定屬于同一航母可部署期的陣位部署規劃擁有同一個參數pi。pi為在一次陣位部署結束到下一次陣位部署結束階段，航母停留休整時間的月數減去航母部署的月數。pi的值有可能為負值。在模型中，滿足條件pi≥0的陣位規劃才能進行部署。

4　航母作戰兵力需求模型

4.1相關變量定義說明

為建模方便，引入如下符號。

①索引變量：c=1…C為航母索引；i=1…I為陣位部署索引；j=1…J為可部署期索引；k=1…K為月份索引。

②數據變量：Scj為航母c在可部署期j內所有可部署期規劃的集合；ai為陣位部署規劃i后航母在母港的月數；bi為陣位部署規劃i前航母在母港的月數；pi為航母部署時陣位部署i的人員/作戰節奏系數；qi為航母未部署時陣位部署i的人員/作戰節奏系數；Nc為在規劃期內航母c的可部署規劃期數量；f為期望的時間覆蓋系數；dik為二元決策變量，如果陣位部署規劃i覆蓋月k，那么dik=1，否則dik=0。

③決策變量：xi為陣位部署規劃決策變量，如果陣位部署規劃i被選擇，那么xi=1，否則xi=0。yk為月覆蓋決策變量，如果k月被航母覆蓋，那么yk=1，否則yk=0。zc為航母選擇決策變量，如果航母被選擇用來執行作戰任務，那么zc=1，否則zc=0。

4.2航母作戰調度模型

根據上述符號定義，構建覆蓋作戰區域的最少航母數量的航母兵力需求模型如下：其中，式（1）目標函數為最小化覆蓋作戰區域所需的航母數量；式（2）確保對于每個航母在每個可部署周期內僅能部署一次；式（3）確保陣位部署規劃被賦予那些被選擇用來執行作戰的航母；式（4）確保只用滿足2∶1轉化比率的陣位部署規劃才能被選擇；式（5）確保航母在母港的月數減去航母不在母港的月數大于0，確保航母50%的時間在母港；式（6）確保在作戰規劃期內航母平均時間覆蓋滿足期望的覆蓋水平。

5　航母作戰兵力需求實例

5.1輸入數據

假定期望的覆蓋水平為1，航母的數量為8，作戰規劃時間段為9010～9807（1990年10月至1998 年07月），每艘航母的具體數據如表1所示。對于每個航母，需要輸入的參數主要有5個：①上一次陣位部署結束時間，如航母1上一次陣位部署結束的時間8912為1989年12月；②在作戰規劃時間內航母可部署規劃期數量，如航母1在作戰規劃期內可部署規劃期為3個；第③個和第④個參數分別是每個可部署規劃期開始時間和結束時間，如航母1的可部署規劃期1的時間段為9010～9205，即開始于1990年10月，結束于1992年5月；⑤上一次陣位部署結束到本次陣位部署時間段內航母在母港內月數減去航母出航不在母港月數的差，用于計算陣位部署的人員節奏。

表1　數據輸入

表2　陣位部署期

5.2數據準備計算

根據輸入數據，計算作戰規劃周期的月數為94，陣位部署期數量為145。陣位部署期1的開始月數為作戰規劃周期的第9個月，結束于作戰規劃周期的第13個月。陣位部署規劃期對月的覆蓋情況如表2所示。

根據輸入數據，分別計算145個陣位部署期的所屬航母及各陣位部署期的人員/作戰節奏系數。陣位部署規劃期1～7位于航母1的第1個可部署期內，人員/作戰節奏參數為0。相關參數計算結果如表3所示。

表3　陣位部署期的相關參數

5.3仿真結果分析

根據以上數據，采用LINGO數學規劃軟件，進行編程，求解方程，模型的最優解為8，即采用8個航母便可以進行對作戰部署規劃期的覆蓋。采用航母4對作戰規劃期第9～13個月進行部署，采用航母1對作戰周期第14～18個月進行部署，其中航母4和航母5在規劃周期內部署2次，其他航母部署1次。最終的覆蓋結果如表4所示。

表4　航母作戰部署規劃結果

改變時間覆蓋系數，分別設定時間覆蓋系數為0.5、0.6、0.75、1.0，對模型進行求解，求解結果如表5所示。從表中可以看出，時間覆蓋系數對航母兵力數量需求的影響是巨大的，適當減少時間覆蓋系數可以有效減少覆蓋作戰區域所需的航母數量。

表5　覆蓋系數對航母兵力數量需求的影響

6　結論

筆者對航母兵力作戰調度問題進行了研究，提出了一個航母兵力作戰部署調度模型。最后應用實例驗證了模型的有效性和可行性，并分析了不同作戰覆蓋強度對航母兵力數量需求的影響，仿真結果顯示，合理設定航母作戰時間覆蓋強度，可以有效減少對航母作戰兵力數量的需求。本文中，所構建的模型，假定航母預定運作周期是給定的，沒有考慮維修保障期對航母作戰部署調度的影響。下一步將進一步分析航母維修保障計劃對航母部署調度的影響。

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OptimalResearch on Deployment Scheduling for Aircraft Carriers Based on Engineered Operating Cycle

ZHOU Xiao-guang，ZHANG Jia-li，HEXiao-lei，TIAN Huai-ying
（Naval Flight Institute，Huludao 125001，China）

In order to scientific make of plan of deployment of aircraft carrier，and optimize force using，the deployment scheduling for aircraft carriers is researched.Firstly the engineered operating cycle（EOC）is developed.The work-up cycles，maintenance periods and personnel and operating tempo（PERSTEMPO/OPTEMPO）are introduced.Based on that，the factors and constraints of deployment scheduling are discussed，and a carrier deploymentmodel is presented.The output of the model provides optimal station coverage assignments for a given level of coverage under constraints associated with carrier operations.Finally a type example is given，and the computational results show that the model is effective and practically useful.The results of this paper can provide quantity basis and theory guidance for carrier deployment.

aircraftcarriers，deploymentscheduling，linear programming

E926.392

A

1002-0640（2016）08-0070-05

2015-05-05

2015-08-07

國家社會科學基金資助項目（14GJ003—???）

周曉光（1982-），男，吉林蛟河人，博士，工程師。研究方向：作戰運籌，飛行仿真。