登陆作战典型岸滩卸载系统优化问题研究

汪 欣， 王广东

(1.陆军军事交通学院学员五大队研究生队，天津 300161；2.陆军军事交通学院军事交通运输研究所，天津 300161)

登陆作战需要依托岸滩卸载系统实施大规模装备、物资和人员卸载上陆，岸滩卸载系统作为由多种卸载装备组成的大型岸滩作业系统，不需要固定港口设施，作业环境复杂、操作难度大、安全风险高，容易受到风、天气和海况等各种条件限制。在典型岸滩卸载系统中，主要作业科目不仅有吊装过驳、滚装过驳、船岸转运，还包括泛水卸载、滩头卸载、沙滩通行等，存在较多作业节点，影响着作业能力，系统运行应使各种卸载装备功能相互衔接、作业能力相互匹配、载荷转运界面相互兼容，从而提高卸载系统整体能力。选取登陆作战典型岸滩卸载系统，从分析系统组成入手，围绕系统运行时闲置资源最少的目标，实现系统最短时间内完成最大工作量，计算得出系统最优化配置方案。研究岸滩卸载系统优化方法对部队未来开展岸滩卸载演练演习有较强的指导作用。

1 登陆作战典型岸滩卸载系统组成

登陆作战典型岸滩卸载系统由运输船、海上过驳平台、驳运船(各型登陆艇和栈桥渡船)组成。运输船将装载的装备物资进行卸载，海上过驳平台用于海上卸载和过驳，驳运船用于近距离驳运，抵滩输送装备、物资上岸，运输船、海上过驳平台和驳运船可在近岸水域形成一个装备物资的“卸载-转运”循环系统[1]。登陆作战典型岸滩卸载系统组成如图1所示。

图1 典型岸滩卸载系统组成

2 岸滩卸载系统优化模型构建

2.1 典型岸滩卸载系统优化思路

典型岸滩卸载系统优化本质是对系统组成进行调整，影响岸滩卸载系统能力的参数包括定量参数和变量参数两大类，需要通过建立目标函数并分析约束条件，进行系统能力求解。通过采用预先建立的类型和数量组合，当求解结果不能使系统能力提高，则再次对系统组成进行调整，当求解结果使系统能力提高，则认为是实现了优化[2]，在求解结果中选取最大值的配置组合，即为系统最优化配置。典型岸滩卸载系统优化思路如图2所示。

图2 典型岸滩卸载系统优化思路

2.2 典型岸滩卸载系统相关参数定义

典型岸滩卸载系统相关参数包括定量参数和变量参数两大类，定量参数分为系统组成参数、系统性能参数，变量参数分为外部环境参数、系统决策参数。

(1)系统组成参数：i表示驳运船类型，其中，i=1表示Ⅰ型登陆艇，i=2表示Ⅱ型登陆艇，i=3表示Ⅲ型登陆艇，i=4表示Ⅳ型登陆艇，i=5表示Ⅴ型登陆艇，i=6表示栈桥渡船。j表示海上卸载通道数量(个)。k表示装备(物资)过驳方式，其中，k=1表示履带式装备滚装滚卸，k=2表示轮式装备滚装滚卸，k=3表示轮式装备吊装滚卸，k=4表示集装箱吊装吊卸。Mi表示第i种可用驳运船的最大数量(艘)。Qj表示在卸载通道j中的装备(物资)总量(t)。L表示离岸距离(海里)。

(2)系统性能参数：Ri表示第i种驳运船的作业时间；Gi表示第i种驳运船转运行驶1海里的时间；Ai,k表示第i种驳运船运输第k种类型货物在船上的装载时间；Bi,k表示第i种驳运船运输第k种类型货物在岸上的卸载时间。

(3)外部环境参数：σ表示每24 h中的岸滩卸载行动时间。s表示3级海况或更高海况所占比例(%)。

(4)系统决策参数：Ni,j表示在卸载通道j中第i种驳运船的数量(艘)。Ti,j表示在卸载通道j中第i种驳运船的运送次数(次)。Pi,k表示指定行程中第i种驳运船运送第k种类型装备(物资)的量(t)。Dj,k表示若通道j被指定运送第k种类型装备(物资)，则Dj,k=1，否则Dj,k=0。

2.3 系统优化目标函数确立

典型岸滩卸载系统的优化目标应是使得整个系统中等待被转运的装备(物资)量最小，即所有卸载通道中的装备(物资)总量与所有卸载通道中驳船运输各类型货物总量之差最小[3]。该系统的几个主要约束条件分别为：

(1)驳运船数量约束。卸载系统中所有卸载通道内的驳船数量之和应小于各类驳船的数量综合。

(2)驳运船作业时间约束。所有通道内的驳运船运行时间与装载时间、卸载时间之和应小于等于驳运船作业总时间。

(3)装卸作业限制约束。系统中各种驳运船运送各种类型货物在岸(船)上的装卸时间，小于等于系统在3级海况或更高海况下和可作业时间的乘积，即驳运船只能在3级海况下进行装载和卸载作业。

(4)装备(物资)量约束。系统中所有驳运船运送次数与各类型装备(物资)运输量的乘积，小于等于系统所有卸载通道中的装备(物资)总量。

(5)驳运船运送次数非负且为整数。

在此基础上，同时借鉴美军JOTE模型[4]，可建立系统优化目标函数为：

3 卸载系统优化模型求解

3.1 优化模型数据输入

分析登陆作战典型岸滩卸载系统参数可以发现，优化模型主要有两种输入参数，即定量参数和变量参数。

(1)定量参数输入：输入系统组成参数、系统性能参数。选取登陆作战某典型岸滩卸载系统，海上卸载通道有8条；各海上卸载通道的装备(物资)总量Qj分别为200、360、440、500、700、480、380和420 t;驳船类型有6种，各类驳运船可用数量Mi分别为8、8、8、4、4和6艘。对于不同类型驳运船的在运时间Ri，分析典型岸滩卸载系统的作业流程可知，驳运船载运时间包括七个部分：靠近并停泊在船边；在船上装载货物；解船揽并清理船只；向岸滩行驶；靠近并停泊在岸滩；在岸滩卸载上陆；解船揽并清理岸滩。设典型岸滩卸载系统离岸距离3海里(1海里=1.852 km)，不同类型驳运船运行时间如表1所示。

从表1也可得出各种驳运船运输第1种类型货物在岸(船)上的装载时间Ai,k和卸载时间Bi,k。

(2)变量参数输入：输入外部环境参数、系统决策参数。对于外部环境参数，设可作业海况比例σ=84%，可作业时间为20 h。则需要输入四种系统决策变量,即:①在卸载通道j中第i种驳运船的数量Ni,j；②在卸载通道j中第i种驳运船的运送次数Ti,j；③指定行程中第i种驳运船运送第k种类型装备(物资)的量Pi,k；④通道j是否运送第k种类型装备(物资)Dj,k。

表1 离岸距离3海里下不同类型驳运船运行时间 h∶min

3.2 LINGO软件处理

LINGO是一种交互式的线性和通用优化求解器，可用于求解非线性规划，也可以用于一些线性和非线性方程组的求解等，功能十分强大，是求解优化模型的最佳选择[5]。对于典型岸滩卸载系统最优化问题，建立目标函数和约束条件后，输入数据并利用LINGO中的非线性规划优化处理器，可得到最优化结果。LINGO软件处理流程如图3所示。

图3 LINGO软件处理流程

以离岸距离3海里典型岸滩卸载系统为例，LINGO求解部分伪代码为[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 优化模型数据输出

对于有8条海上卸载通道的典型岸滩卸载系统，优化模型数据输出即是不同离岸距离下各卸载通道过驳类型、驳运船类型与数量的最佳组合，则离岸距离3海里的典型岸滩卸载系统最优化配置如表2所示。

表2 优化模型数据输出

此时的系统目标函数值为100 t。

4 系统优化结果分析

将离岸距离分别设置为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0海里，将各个卸载通道内过驳方式、驳运船类型和数量进行优化组合配置，如表3所示。

不同离岸距离求解的目标函数值，可以绘制离岸距离与目标函数的关系曲线如图4所示。分析图4可以发现：

(1)不同离岸距离下典型岸滩卸载系统都可实现最优化，但最优化目标值不同。

(2)目标函数值随着离岸距离增大呈现出先下降、后上升的特点，说明离岸距离可决定典型岸滩卸载系统最优化所能达到的极值。

(3)离岸距离在3.0海里时目标函数值最小，可认为在离岸距离3.0海里处典型岸滩卸载系统作业效率最高；离岸距离超过5.0海里以后目标函数值过大，即离岸距离超过5.0海里时典型岸滩卸载系统效率较低，可认为实际作业时应保持离岸距离在5.0海里以内。

表3 不同离岸距离下系统最优组合

图4 离岸距离与目标函数的关系

5 结论

提出岸滩卸载系统优化方法可以解决多种环境因素影响下的系统优化问题，有较强的实用性，下一步可结合演训实际，对其他类型岸滩卸载系统优化配置进行研究，为未来开展多样化岸滩卸载演习训练提供理论支撑。