基于双层规划的舰载机出动作业仿真优化研究

作     者：陈明星 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王能建

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：舰载机出动作业 双层规划模型 仿真优化 粒子群算法 出动方案 

摘      要：在航母众多调度作业中,舰载机出动作业是航母舰载机出动架次率的关键影响因素之一。舰载机出动作业任务规划是指为给定的出动任务制定合理高效的出动方案。该出动方案与出动任务完成的效率、出动作业安全和成本高度相关。目前舰载机出动调度问题的研究大多只考虑甲板舰载机起飞调度,未考虑执行连续多波次出动任务时会出现甲板舰载机资源不能满足出动任务需求,需要从机库中调运舰载机完成出动任务的情况。为解决出动方案规划过程中需要考虑出库调度的情况,本文在开发的舰载机出动作业软件原型系统的基础上,设计了基于仿真优化和双层规划的方案优化方法,统筹考虑出库作业和起飞作业决策变量关联关系,充分利用优化过程中的信息实现对出动作业优化方案的快速求解。具体研究工作如下:首先,本文总结了国内外舰载机出动和仿真优化相关问题的研究成果,分析了现有研究存在的局限性,通过对舰载机出动作业中出动方式、出动流程以及出动系统特点进行分析,明确了出动作业优化问题的重难点,提出针对性的基于仿真优化及双层规划的解决方法,并建立了问题的总体研究框架。其次,在对舰载机出动过程需要执行任务分类的基础上,系统分析了舰载机出动作业中存在的多类型复杂约束,建立了出动作业的仿真模型。针对出动作业阶段性特点以出动调度总时间成本最小和起飞调度时间成本最小为优化目标,建立了双层规划模型。上层模型解决出库作业舰载机甲板站位点选择问题,引入不同甲板站位点下出库作业时间和起飞作业时间的博弈关系,进一步优化上层站位点选择模型。在下层模型中,考虑起飞点和起飞次序对起飞作业时间的影响关系,建立下层优化模型。对模型进行求解时,针对本文建立的双层规划模型,提出了基于双层粒子群算法的两层优化决策架构,以上层模型粒子群算法为主体,下层模型粒子群算法通过反馈函数将下层决策反馈给上层。在进行算法操作时,上层模型基于添加禁忌搜索的粒子群算法对出库调度进行迭代优化,下层模型采用多子群协同变异的改进粒子群算法对起飞调度进行优化。针对两种算法求解对象的不同采用了不同的编解码设计。最后将出动作业仿真优化模型与双层粒子群算法相融合,开发了舰载机出动作业方案优化原型系统,通过具体的出动算例,求解出最佳的出动方案,验证了该模型和算法的可行性与有效性。