呂曉峰 楊東澤 劉 瑜 王 理 孟祥玉

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.中國人民解放軍91954部隊(duì) 永州 425000）（3.中國人民解放軍92635部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

艦載機(jī)彈藥調(diào)度演示系統(tǒng)是指根據(jù)艦載機(jī)彈藥保障需求生成彈藥調(diào)度方案并以可視化的形式展示，其中主要功能為生成并展示彈藥調(diào)度方案，也是目前艦載機(jī)彈藥保障相關(guān)專業(yè)訓(xùn)練的重點(diǎn)內(nèi)容。

在大型艦船的實(shí)際彈藥保障中，會(huì)根據(jù)彈藥的存放要求和艙室的布局將彈藥存放于不同艙室，通過升降機(jī)將彈藥從艙室轉(zhuǎn)運(yùn)至甲板，其中存在不同的艙室會(huì)使用同一部升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，這里將同一升降阱道下的所有艙室劃分為一個(gè)艙群。在確定艦載機(jī)彈藥保障需求后，理論上所需的彈藥可來自符合其需求任意艙室，可以由符合條件的任意升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)。因此隨著艦載機(jī)彈藥保障需求的增大，彈藥保障方案將呈指數(shù)級(jí)增長，無法依靠人工計(jì)算方案［1］，需通過軟件解決調(diào)度方案生成問題。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)的目標(biāo)是在用戶進(jìn)行彈藥的存儲(chǔ)和出庫工作時(shí)為其提供數(shù)據(jù)匯總和輔助決策等功能，并能夠輔助調(diào)度人員計(jì)算彈藥的調(diào)度方案，同時(shí)將彈藥保障方案以可視化的形式進(jìn)行展示。

2.2 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)基于Qt Creator 5.0 開發(fā)平臺(tái)，底層支撐技術(shù)為C++語言和SQLite 數(shù)據(jù)庫等，前端以Qt 為主，還包括QCustomPlot等圖形化組件［2～3］。

Qt Creator 可以跨Linux（32 位及64 位）、Mac OS X 以及Windows等多個(gè)平臺(tái)運(yùn)行，其可通過C++代碼編輯器快速編寫代碼，并且可提供代碼的靜態(tài)檢驗(yàn)功能［4～6］；集成特定于Qt 的功能，并集成了Qt Designer 可視化布局和格式構(gòu)建器［7］；采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方案，良好的封裝機(jī)制使得其模塊化程度很高，可重用性好，對(duì)用戶開發(fā)較為方便［8～9］。

2.3 系統(tǒng)功能需求分析

系統(tǒng)的功能需求如下：

1）根據(jù)彈藥保障需求可迅速準(zhǔn)確地計(jì)算出各個(gè)型號(hào)彈藥的調(diào)度方案，為用戶提供輔助決策的功能，縮短調(diào)度方案生成的時(shí)間。

2）具備良好的交互性和和易操作性，系統(tǒng)不需安裝即可運(yùn)行，方便用戶使用，盡量減少用戶的培訓(xùn)時(shí)間，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

3）具備良好的可擴(kuò)展性，可通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的更新及擴(kuò)充來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，并根據(jù)后續(xù)需求進(jìn)一步增加系統(tǒng)功能。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)共包含6 個(gè)模塊，分別是存儲(chǔ)管理、制定方案、導(dǎo)入方案、匯總查詢、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和生成向?qū)K，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）存儲(chǔ)管理。存儲(chǔ)管理模塊包括存儲(chǔ)方案導(dǎo)入和存儲(chǔ)方案制定，可導(dǎo)入已有的存儲(chǔ)方案或者制定全新的存儲(chǔ)方案，為制定方案提供依據(jù)。

2）制定方案。制定方案模塊包括制定艙群方案和艙室方案，制定方案是系統(tǒng)的主要功能，依據(jù)現(xiàn)有的存儲(chǔ)方案，通過用戶請(qǐng)求給出定位到艙群或艙室的參考方案，主要包括方案準(zhǔn)備、方案制訂、方案管理等功能模塊，并以圖形化顯示艙群方案，如甘特圖。

3）導(dǎo)入方案。導(dǎo)入方案模塊包括導(dǎo)入艙群方案和艙室方案，主要是由用戶導(dǎo)入已有的艙群方案或艙室方案的報(bào)表，為用戶提供參考。

4）匯總查詢。匯總查詢模塊包括艙群方案查詢、艙室方案查詢和消耗匯總查詢，可以根據(jù)方案的時(shí)間和摘要等條件查詢艙群方案或艙室方案，方便用戶管理。

5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊包括彈藥類型管理、彈藥運(yùn)輸時(shí)間和艙群運(yùn)力信息，方便調(diào)度人員對(duì)彈型運(yùn)送時(shí)間、艙群運(yùn)力信息、彈型信息、模塊信息、角色信息和權(quán)限信息進(jìn)行管理。

6）生成向?qū)?。生成向?qū)K是對(duì)主要功能模塊進(jìn)行整合，采用向?qū)巾撁孢M(jìn)行順序操作，引導(dǎo)用戶依次進(jìn)行導(dǎo)入存儲(chǔ)方案、制定艙群方案、制定艙室方案和匯總查詢。

3.2 系統(tǒng)模型

本文運(yùn)用UML 時(shí)序圖從動(dòng)態(tài)角度對(duì)軟件生成調(diào)度方案時(shí)對(duì)象之間的交互關(guān)系進(jìn)行描述［10］，如圖2所示，顯示了用戶與軟件交互，并按照順序顯示了用戶與軟件之間消息的發(fā)送與接收，清晰地表達(dá)了各個(gè)對(duì)象之間的關(guān)系［11～13］。

圖2 系統(tǒng)主要功能時(shí)序圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在計(jì)算彈藥調(diào)度方案時(shí)首先需建立艦載機(jī)彈藥調(diào)度數(shù)學(xué)模型，本模型要解決的問題是基于一定的約束條件，求得以最短的時(shí)間完成艦載機(jī)彈藥保障任務(wù)對(duì)應(yīng)的調(diào)度。因此令目標(biāo)函數(shù)為

式中Tfinish為整個(gè)調(diào)度任務(wù)完成所需的時(shí)間，Ti為第i個(gè)艙群所提供的所有彈藥運(yùn)送至甲板所需的時(shí)間，M為艙群個(gè)數(shù)。

約束條件包括：

式（2）表示各個(gè)艙群提供的彈藥數(shù)量須等于任務(wù)所需的各型號(hào)的彈藥數(shù)量，式中bj為第j型彈藥的需求量，xij為第i個(gè)艙群提供第j型彈藥的數(shù)量，N為彈藥類型數(shù)；式（3）表示庫存約束，即對(duì)于各個(gè)艙群的各型彈藥，其方案數(shù)量不能超過儲(chǔ)存數(shù)量，式中aij為第i個(gè)艙群存放j型彈藥的數(shù)量。式（4）表示彈藥保障時(shí)間取值約束，本文將調(diào)度時(shí)間分為庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間和升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，其中對(duì)于庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間只在轉(zhuǎn)運(yùn)首批次彈藥時(shí)進(jìn)行考慮，第一批次之后庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)與升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)是同時(shí)進(jìn)行的，且?guī)靸?nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)所需時(shí)間小于升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。式中tmn為第m個(gè)升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)第n型彈藥所需時(shí)間，t'mn為第m個(gè)艙群在庫內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)第n型彈藥所需時(shí)間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，tmnh為第m個(gè)升降機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)第n型彈藥的第h批次時(shí)的時(shí)間函數(shù)。

系統(tǒng)中計(jì)算彈藥調(diào)度方案所使用的算法是混合粒子群算法，采用了基于遺傳算法改進(jìn)的離散粒子群算法求解彈藥調(diào)度方案，該算法有效地結(jié)合了遺傳算法與粒子群算法的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算速度快并且全局搜索能力較強(qiáng)，可根據(jù)對(duì)粒子適應(yīng)度值的評(píng)價(jià)選擇更優(yōu)的方案［14～17］，算法步驟如下：

Step 1：設(shè)定粒子群算法基本參數(shù)。

Step 2：對(duì)當(dāng)前的粒子種群進(jìn)行初始化。

Step 3：計(jì)算適應(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度值決定是否更新全局最優(yōu)解和個(gè)體最優(yōu)解。

Step 4：分別將粒子與個(gè)體最優(yōu)解、全局最優(yōu)解進(jìn)行交叉，計(jì)算適應(yīng)度值，更新全局最優(yōu)解和個(gè)體最優(yōu)解。

Step 5：對(duì)粒子進(jìn)行變異，計(jì)算適應(yīng)度值，若適應(yīng)度值更優(yōu)，則更新全局最優(yōu)解、個(gè)體最優(yōu)解和適應(yīng)度值。

Step 6：記錄當(dāng)前全局最優(yōu)解和適應(yīng)度值。

Step 7：判斷是否達(dá)到算法的結(jié)束條件，若達(dá)到則結(jié)束循環(huán)，輸出最優(yōu)解和適應(yīng)度值，否則返回Step 4。

圖3 混合離散粒子群算法流程圖

4 軟件實(shí)現(xiàn)

本軟件中彈藥調(diào)度方案的生成是系統(tǒng)的主要部分，其中用戶可先選擇本次彈藥保障任務(wù)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)方案，再輸入各型彈藥需求，最終可得到彈藥保障方案并進(jìn)行可視化展示。

4.1 軟件主界面

打開軟件之后，通過輸入用戶名和密碼登錄軟件，登陸成功后進(jìn)入軟件主界面，如圖4所示。該界面按照軟件功能設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)管理、制定方案、導(dǎo)入方案、匯總查詢、報(bào)表管理、用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、日志管理和生成向?qū)K，本文著重介紹制定方案模塊。

圖4 軟件主界面

4.2 制定方案模塊

制定方案模塊是根據(jù)用戶輸入的各型彈藥保障需求調(diào)用智能算法生成艙群方案與艙室方案。該模塊功能實(shí)現(xiàn)如下，進(jìn)入“制定方案”模塊用戶可根據(jù)彈藥存儲(chǔ)情況導(dǎo)入已有的存儲(chǔ)方案，該界面用戶可通過下拉菜單選擇彈藥類型并輸入數(shù)量，并且可以添加不同的彈藥類型。彈藥需求輸入完成后，即可生成艙群彈藥調(diào)度方案，如圖6所示，進(jìn)入“艙室方案”即可展示各個(gè)艙群下對(duì)應(yīng)艙室的彈藥調(diào)度方案，如圖7所示。

圖6 艙群彈藥調(diào)度方案

圖7 艙室彈藥調(diào)度方案

4.3 可視化展示

在生成彈藥調(diào)度方案后便可查看甘特圖，如圖8所示，在圖中可清楚地看出各型彈藥在各個(gè)艙群的調(diào)度方案，同時(shí)可顯示各個(gè)艙群調(diào)度彈藥所需時(shí)間，其中各個(gè)艙群最長的工作時(shí)間即為本次任務(wù)所需時(shí)間。

圖8 艙群彈藥調(diào)度方案甘特圖

5 結(jié)語

運(yùn)用UML 時(shí)序圖建立了軟件動(dòng)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)混合離散粒子群算法計(jì)算彈藥調(diào)度方案，最后運(yùn)用C++語言基于Qt Creator 5.0 開發(fā)平臺(tái)開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過選擇高效的艦載機(jī)彈藥調(diào)度方案，不僅能夠縮短彈藥保障方案生成的時(shí)間，為調(diào)度人員提供輔助決策功能，同時(shí)也提高了相關(guān)專業(yè)人員對(duì)艦載機(jī)彈藥調(diào)度的熟練程度和操作水平，加深了對(duì)艦載機(jī)彈藥調(diào)度方案的理解。