面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统研究*
祝东攀 曹继平
（火箭军工程大学作战保障学院 西安 710025）
随着现代电子信息技术的快速发展和在军事领域的深入应用，武器装备电子化与信息化程度也在不断提升，装备在遂行作战任务过程中故障产生的概率也明显提高，特别是装备的一些复杂零部件、信息化核心部组件出现故障对装备完成作战任务影响重大。战时装备使用环境恶劣，作战区域广阔，作战强度大，装备发生故障的概率也会增大，从而装备的维修任务量也会加大，维修任务具有随机性、动态性、区域分布性等特点［1］。战时对装备维修保障要求的时效性越来越高，只有信息、装备、保障的无缝结合方能保障整个作战体系的高效运转，赢得战争主动权［2］。装备维修保障是维系装备生命周期的重要力量，而维修保障资源又是装备维修保障能力的重要支撑［3］，因此维修保障资源的优化就显得格外重要［4］。由于战时各作战单元维修保障资源携行能力和伴随保障能力有限，保障时效性要求高，因此，战场装备维修保障资源优化分布、调度和配送是战时装备维修保障指挥决策的关键问题。
当今世界是一个系统集成和信息技术高度发展的世界，在装备维修保障领域，网络技术和信息技术已被广泛应用，未来如何实现对装备状态信息的预测，做到维修保障网络化和精确化，无疑是一个重要发展方向。面对新的环境，如何根据部队装备维修保障工作实际，广泛应用现代信息科学技术，提高部队对信息资源的开发利用和控制能力，实现装备维修保障集约、高效、准确、可靠，是一个亟待解决的重大现实问题［5］。因此研究一种基于网络为中心，综合运用系统工程、军事运筹、系统最优化和故障诊断与预测技术等理论、方法与技术，具备对任务中装备状态的实时监控、装备维修任务规划，维修保障资源配置、调度和配送功能为一体的装备维修保障资源调度与动态优化系统，对提高装备维修精确保障能力具有重要意义。
系统能力是指面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统为适应信息化战争所必须具备的维修保障能力，主要包括装备状态感知能力、维修辅助决策能力、维修任务规划能力、维修保障资源部署能力、维修保障资源调度能力、维修保障资源配送能力等。系统目标是为解决任务时装备维修保障资源分配不科学、计划不周到、预测不准确、利用不充分等问题，为装备机关制定保障计划、规划保障资源提供技术支持，缩短装备维修保障时间，最大限度提高维修保障效能。
2.1 状态感知能力
状态感知能力是指面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统必须具备的，通过利用信息采集器、状态传感器、信息网络等软硬件手段获取装备技术状态信息的能力。具体体现在状态感知所需时长、实时性、准确度以及持续工作时间等方面。状态感知能力应达到的目标：1）利用一系列技术手段完成对装备技术状态信息的监控、存储和传送；
2）综合运用历史信息、预测模型、远程故障诊断、专家系统等技术方法完成装备故障诊断、寿命估计、故障预警等故障预测工作，并形成维修保障资源需求信息。
2.2 维修辅助决策能力
辅助决策能力是指面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统为实现有针对性的、精确的、及时高效的保障，所具备的指挥、决策、协调、控制等能力的总称。具体体现在综合分析、辅助决策、反馈协调等方面。辅助决策能力应达到的目标：1）实时了解保障需求，准确掌控保障态势，通过对大量感知的装备技术状态信息的存储、分析、处理、挖掘，将大规模数据信息高效可靠地组织起来，为装备维修保障决策提供技术支持；
2）准确把握维修管理工作中的保障资源规划布局的重点、方向和规模，把计算机数据计算与人的信息人知结合起来，进行智能的数据及信息中间处理，做出维修点库存是否充足，维修需求预测，维修时间要求，维修满意度确定，维修能力是否达到要求等预测和决策［6］。
2.3 维修任务规划能力
维修任务规划能力是指面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统在已知的作战任务条件下，为提高维修效率，合理分配保障资源，所具备的对维修保障资源、维修保障任务进行合理划分与安排的能力。具体体现在维修任务的优先程度安排、维修时间进度的计划安排、维修资源的分配、维修任务的划分等方面［7］。维修任务规划能力应达到的目标：1）根据装备类型、装备损伤程度、装备对战斗的重要程度以及待修装备与维修力量之间的距离等，确定维修任务的优先级；
2）合理优化维修计划时间，分配维修资源，减少维修成本，提高维修效率；
3）将多个维修任务优化分配给合适的维修机构，并对任务的事实进行维修排序、调度。
2.4 维修保障资源部署能力
维修保障资源点部署能力是指装备维修保障资源调度与动态优化系统在遂行任务保障时，所具备的能够结合战场态势、任务要求、资源消耗规律等因素，以对作战任务保障资源和保障时间最大满意度为目标，科学计算装备维修保障资源部署的位置、种类和数量的能力。具体现在保障资源的部署位置、部署数量以及随着任务变化后的动态调整等方面。保障资源点选址能力应达到的目标：1）任务前，能够结合既定作战任务目标，综合考虑运力、容量、时效，以对作战任务保障资源和保障时间最大满意度为目标，合理确定装备维修保障资源分布的位置、类别和数量；
2）任务中，能够结合战场环境和任务需求的变化，对保障资源的部署进行动态的相应调整。
2.5 维修保障资源调度能力
维修保障资源调度能力是指装备维修保障资源调度与动态优化系统所具备的，通过分析战场维修资源保障要求和特点，基于保障资源点的选址和资源预置，再通过信息网络获取所需的保障资源分布和需求状态信息的条件下，以最小化调度完成时间和参与调度的保障资源点数为目标，对保障活动所需要的各类资源进行合理分配［8］。从而确定最佳战场装备维修保障资源调度方案的能力。具体体现在保障资源需求的确定、参与调度的保障资源点确定、保障资源的调配等方面。保障资源调度能力应达到的目标：1）能够根据保障资源点的资源量、运力、路径情况，充分考虑潜在需求，以保障满意度最大为目标，对战时装备维修保障资源调度进行定量分析，及时给出装备维修保障资源优化调度方案；
2）针对战场突发情况，比如某一保障资源点被炸或某需求点的资源需求量损耗过多，原调度方案无法满足实际情况，能够及时动态调整修改调度方案。
2.6 维修保障资源配送能力
维修保障资源配送能力是指装备维修保障资源调度与动态优化系统为实现任务时各作战单位对保障资源数量、质量、时间和空间的需求，在维修任务规划、保障资源部署、保障资源调度分析的基础上，以最小化完成配送的时间和参与配送的保障资源点数为目标，给出最佳装备维修保障资源配送方案的能力。具体体现在配送路线的选择，配送时间、配送成本、配送对象等方面。保障资源配送能力应达到的目标：1）任务中能够根据各作战单位对维修保障资源的需求和时间要求，综合考虑各保障资源点的资源储备种类、数量、运输能力以及可选择的运输路线等因素，在资源储备量、车辆最大载重等约束下，及时给出合理的车辆配送方案；
2）针对战场突发情况，比如道路中断、车辆故障、资源需求变化等突发因素，原配送方案无法执行时，及时动态调整修改配送方案。
装备维修保障是为了使装备保持、恢复、改善规定的技术状态实施的全部活动。从本质上说，是借助各种优化决策工具和信息网络，实现保障资源与保障任务的最佳匹配，从而实现高效、低耗、快速的完成保障任务。在面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统中，保障任务是牵引，保障资源是基础，保障信息是纽带。面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统是采用故障预测健康管理和物联网等技术，利用信息采集器、状态传感器、信息网络等软硬件手段，运用剩余寿命估计、交互式电子手册、远程故障诊断、专家系统等技术方法，通过智能感知装备维修保障资源需求和拥有的资源，实现保障资源的科学运用。系统的工作机理如图1所示。
图1 面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统工作机理
感知层实现各作战单位（资源需求点）和各维修保障资源点的全面数据感知，在智能输入端，把设备传感器数据、射频数据、自动测试设备数据和人主观感知到的信息结合起来，得到装备的基本信息及表征，形成一种新的输入方式。通过传感器、监控器、自动和手动采集设备等，采集外部的数据，然后通过射频识别（RFID）、条码、军事无线网络等短距离传输技术传递数据，实现各作战单位（资源需求点）和各维修保障资源点的全面数据感知和在线处理。其中，装备编码是系统实现信息交换内部的核心和关键。编码是装备在信息网络中的身份表示，是一个物理编码，编码实现了装备的数字化，是装备实现自动识别的基础。
传输层主要用来传输信息，它通过移动通信网络、互联网等无线传输方式及中继通信模式，构建混合的信息传输网络，实现装备、资源、决策中心之间通过无线自组织子网的方式连接［9］。将装备状态信息进行汇总，通过无线网络传输给不同维修点和网络终端，保障感知数据的完整传输，完善各层次间的信息流。
处理层将物联网技术与装备维修保障需求相结合，对由网络层传输来的海量数据和信息，在高性能计算和海量存储技术的支撑下，运用神经网络、云计算、模糊识别等智能计算技术，进行快速分析，实现信息智能处理，实时生成对装备的智能化控制指令，并通过各种设备与人进行交互。实现大量感知的装备信息（如预测信息、任务单元信息、维修任务信息、维修机构信息、维修资源信息等）的存储、处理、分析、挖掘，将大规模数据信息高效、可靠地组织起来，为装备维修保障的决策提供支持。
决策层将计算机数据计算和人的信息认知结合起来，进行智能的数据及信息中间处理，做出维修点库存是否充足，维修需求预测，维修时间要求，维修满意度确定，维修能力是否达到要求等的预测和决策。
方案层把机器运算结果与人的价值决策相互匹配，根据实际需要生成可执行的维修任务规划方案、维修资源分布方案、维修资源调度方案和维修资源配送方案，实现智能化决策。
面对装备维修保障需求存在的动态性、随机性的特点，面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统必须实现从单个装备到整个维修保障系统的全维可视、整体控制和信息融合。系统利用传感器对装备技术状态和资源需求进行实时感知，从而掌握装备的总体维修态势，通过决策支持系统组织维修人员、维修资源、维修设施的调度与管理，系统主要由装备技术状态感知网络子系统、维修保障资源感知网络子系统、维修保障技术与决策网络子系统和维修保障行为实施网络子系统组成，其结构如图2所示。
图2 面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统结构图
4.1 装备技术状态感知网络子系统
装备技术状态感知网络子系统，主要由资源需求点、故障监测、故障预测等要素构成，利用传感器与测试系统实现对装备技术状态信息的监控、保存和传输，由人机交互的智能系统完成故障诊断、寿命估计、故障预警等故障预测工作，并形成维修保障资源需求信息，然后将资源需求信息及时反馈给装备维修保障指挥控制中心，从而激发维修保障资源调度与动态优化系统。
4.2 装备维修保障资源感知网络子系统
装备维修保障资源感知网络子系统具备采集各类维修保障资源信息的能力，由资源供应点及其状态监测要素构成，包括各类资源供应中心等资源实体，也包括仓储系统、运输系统、定位系统等各类附属系统，能够实时感知、传递、管理维修资源的位置、种类、可用性等信息。
4.3 装备维修保障技术与决策网络子系统
装备维修保障技术与决策网络子系统立足于装备作战使用任务要求与指挥管理者意图，充分利用信息网络技术与分布式处理能力，综合装备技术状态感知网络和维修保障资源感知网络提供的装备技术状态数据（实时状态监控与故障预测信息）与可用资源的配置信息，做出装备维修与资源配置决策。
4.4 维修保障行为实时网络子系统
维修保障行为实时网络子系统由维修保障基础设施、设备、器材等资源以及保障力量等对维修保障需求作出反应的节点构成，是面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统的响应网络，其中的节点不仅包括传统的补给链节点，还包括能满足特定需求的节点或潜在节点。各节点能够根据自身能力与需求的变化，动态地调整组织结构，全面响应不同层次和整个区域范围内的维修保障任务。
面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统建设是一项复杂的系统工程，它的实现需要综合运用故障诊断技术、状态感知技术、预测与健康管理技术、数据传输技术等多种科学技术。
5.1 状态感知技术
状态感知技术是指利用各种具有感知能力的设备组成，包括射频识别（RFID）和读写器、各类传感器、传感网络和传感器网关等装置，主要完成感知和识别装备的状态、环境等工作，如装备所处地理位置、温度、湿度、压力等［10］，从而及时获得相关技术信息，提高维修工作效率。状态感知技术目前被广泛应用于各行各业，无论是传统的医疗、电力、交通等领域，还是新兴的物联网、人工智能、网络安全等领域，状态感知技术应用都一定程度上促进了这些行业的发展［11］。
5.2 故障诊断技术
所谓故障诊断就是利用被诊断系统的各种状态信息和已有的各种知识，运用数学、物理、化学、机械动力学等基础学科的理论和方法，建立科学的故障模型，并对获取的信息进行综合处理，最终实现对系统的整体运行情况和故障状况进行综合评价的过程［12］。其目的就是快速掌握武器装备的工作状态，快速诊断出所存在的故障问题，从而快速正确的评价武器装备的整体状态，为武器装备的使用和维修提供重要依据。
5.3 预测与健康管理技术
预测与健康管理技术是指系统利用传感器等技术手段尽可能获取装备工作时的数据信息，并利用各种算法和智能模型来预测、诊断、监控和管理武器装备的状态［13］。在装备发生故障前对其可能出现的故障进行预测，并及时采取相应的维修保障措施对装备进行修理，确保装备始终处于良好的使用状态。
5.4 数据传输技术
数据传输技术是指数据源与数据终端之间通过一个或多个数据信道或链路、共同遵循一个通信协议而进行的数据传输技术的方法和设备。构建装备维修保障的信息传输网络，是实现面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统的基础。信息传输网络是保障各种维修信息快速交互流动的高速公路。广泛利用军用民用、有线无线等多种通信手段，构建保密性强、传输速度快、准确率高、易于使用的装备保障信息网络，实现各级装备系统之间、装备与保障系统之间、指挥与保障系统之间的互通互通以及信息实时共享。
本文给出了面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统应具备的关键能力，然后给出了系统的工作机理和体系结构，为建立使用面向任务的装备维修保障资源调度与动态优化系统提供了一种合理的实现方案，对提高装备维修保障能力具有重要意义。
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