CN112396318B - 一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，属于保障资源分配领域。具体为：1)输入初始机群保障作业调度方案，包括各工序的作业开始时间、结束时间和对应分配的保障设备；2)每个保障设备分别对应若干保障工序，统计各设备所对应的所有保障工序集合；将当前设备的所有工序集合按照各自的作业开始时间升序排序，由小到大对每个工序进行鲁棒性调整；3)将每个类型保障设备的工序集合归到一起，按照作业开始时间升序排序，按排序为各工序进行鲁棒性保障人员的分配；本发明充分利用资源流信息和时间间隔缓冲定义鲁棒性指标，可有效指导提升机群保障作业完成时间的鲁棒性。

Description

一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法
技术领域
本发明属于保障资源分配领域，具体涉及一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法。
背景技术
根据作战或训练任务要求，军机一般采用波次出动的样式执行任务，在起飞前需完成一系列航空保障作业，如调运、飞行前检查、加油、充气、挂弹、惯导对准和滑行起飞等，并需要相应的保障人员和保障设备参与保障作业的实施。
相比民用机场作业，军机机群保障存在以下几个方面特点和难点：
一是对时序要求严格，飞行计划即对各波次机群出动的保障时间提出限定，若发生时间延误则可能导致任务失效；
二是作业环境多变，装备或设备故障失效频发；
三是工序流程及资源约束复杂，任务种类繁多。
因此，如何科学规划机群保障作业的时序和资源分配方案，优化作业的鲁棒性，对提升机群战斗力具有重要意义。
目前国内外针对机群保障方案的研究，主要集中在面向保障完工时间最小化的调度方案优化，属于静态调度问题，而未考虑工时不确定等干扰下对完工时间的影响。在保障调度方案中，保障人员和保障设备等资源的分配同样对作业进程的鲁棒性有较大影响，目前尚缺乏在给定初始保障方案下，对保障人员和保障设备进行鲁棒性分配和调整的方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种考虑时间鲁棒性的机群保障调度方案资源分配及调整方法。在人工制定和计算机辅助生成机群保障作业初始调度方案的基础上，针对资源分配所形成的资源流和工序之间的时间缓冲对作业进程时间鲁棒性的影响，进行保障设备的鲁棒性调整和保障人员的鲁棒性分配，使得工序尽量分配在相同资源流上，或者预留充足时间进行缓冲，以抵抗其它前序工序作业延迟所造成的时间影响，从而提升机群保障作业调度方案的整体鲁棒性。
所述的机群保障调度方案资源分配及调整方法，包括以下步骤：
步骤一、输入初始机群保障的作业调度方案；
保障对象是有人机群，每架飞机均包含若干工序需要保障；作业调度方案包括各工序的作业开始时间、结束时间和分配的保障设备。
步骤二、每个保障设备分别对应若干保障工序，统计各设备所对应的所有保障工序集合；
步骤三、将当前设备的所有工序集合按照各自的作业开始时间升序排序，由小到大对每个工序进行鲁棒性调整；
所述的调整步骤如下：
步骤3-1、针对第k类设备l的当前工序Oij，计算该工序的局部鲁棒性指标
Figure BDA0002782453310000021
计算公式如下；
Figure BDA0002782453310000022
其中
Figure BDA0002782453310000023
为工序Oij与分配在相同设备下的前继工序的空闲时差；
Figure BDA0002782453310000024
为工序Oij与分配在相同设备下的后续工序的空闲时差；
步骤3-2、选择能与设备l进行交换分配或转移分配的设备l'；
具体如下：
首先，查找除设备l外的其它可保障工序Oij的第k类设备l'，判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有保障工序，如果没有，表示工序Oij可转移分配至设备l'；否则，继续判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有且仅有一个保障工序Oeg，且工序Oij与工序Oeg交换保障设备不会造成与其它工序的时序冲突，如果是，则表示工序Oij与工序Oeg可交换分配设备l和设备l'；否则，则表示工序Oij没有可交换分配的设备。
步骤3-3、针对设备l'，计算与工序Oij相对应的待调整区域的当前局部鲁棒性指标；
指标计算如下：
Figure BDA0002782453310000025
其中，
Figure BDA0002782453310000026
为工序Oeg与分配在相同设备下的前继工序的空闲时差；
Figure BDA0002782453310000027
为工序Oeg与分配在相同设备下的后续工序的空闲时差；PFvacancy为待插入空位的活动时差，即该空位的前继工序和后续工序之间的空闲时差；
步骤3-4、根据设备l的工序Oij的局部鲁棒性指标
Figure BDA0002782453310000028
以及设备l'相对应的待调整区域的鲁棒性指标
Figure BDA0002782453310000029
计算设备l'执行调整后的局部鲁棒性指标变化值ΔREkl′；
计算公式如下：
Figure BDA00027824533100000210
Figure BDA00027824533100000211
为设备l'调整到工序Oij后，工序Oij对应的局部鲁棒性指标；
Figure BDA00027824533100000212
为工序Oij原属设备l调整到对应的待调整区域后，对应的待调整区域的局部鲁棒性指标；
步骤3-5、对所有可调整的设备l'，判断是否存在ΔREkl′＜0，如果是，选择ΔREkl′当中的最小值所对应的设备，执行相应的工序交换分配或转移分配操作，并更新第k类设备的调整次数；否则，不执行调整操作。
步骤3-6、选择工序集合中的下一个工序作为当前工序，重复步骤3-1至步骤3-5直至第k类保障设备对应的保障工序集均搜索完成；
步骤3-7、判断当前第k类设备l中是否存在工序的调整次数大于0，如果是，则将该工序的调整次数置零，并作为当前工序重复步骤3-1至步骤3-6直至无任何调整；
步骤四、更换下一类型保障设备，重复步骤二和三，直至所有类型保障设备均搜索完成，输出保障设备调整方案。
步骤五、将每个类型保障设备的工序集合归到一起，按照作业开始时间升序排序，对开始时间相同的两个工序，自由时差越小排序越靠前；
步骤六、按排序为各工序进行鲁棒性保障人员的分配；
具体过程为：
步骤6-1、对当前工序Oij，检索其所需保障人员的各种类型和数量rijk；
步骤6-2、针对工序Oij所需第k类保障人员，在工序Oij的开始时刻搜索空闲的该类保障人员集合Upk；
步骤6-3、对集合Upk中的每个保障人员，分别计算每个保障人员要执行工序Oij时的空闲时差；
针对保障人员m要执行工序Oij的空闲时差，计算公式如下：
Figure BDA0002782453310000031
其中，Sij为工序Oij的开始时刻；LFTkl表示保障人员m完成最近工序Oeg的时刻；Pij表示工序Oij的紧前工序集，包括流程先后关系中对应的紧前工序，以及由于相同保障设备分配所形成的资源流关系中对应的紧前工序；BM是人为定义的实数，远大于整个计划完成时间即可。
步骤6-4、利用每个保障人员要执行工序Oij时的空闲时差，分别计算每个保障人员分配的鲁棒性指标；
保障人员m的鲁棒性指标，计算如下：
RPijkm＝exp(-IFijkm)；
步骤6-5、将可分配人员集合Upk按照鲁棒性指标升序排列，选择前rijk位作为分配至工序Oij的保障人员；
步骤6-6、选择工序Oij所需下一类保障人员，重复步骤6-2至步骤6-5，直至工序Oij所需的所有类型保障人员完成分配；
步骤6-7、选择下一个工序作为当前工序，重复步骤6-1至步骤6-6直至所有工序均完成保障人员分配，输出保障人员分配方案。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，考虑了资源分配对作业进程时间鲁棒性的影响，针对保障设备和保障人员两类可更新资源，假设在初始方案中设备已分配而人员未分配的情况，从减少资源流和增加相邻作业工序之间时间缓冲的角度，制定鲁棒性保障设备调整和保障人员分配的方法，从而提升机群保障作业完成时间的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法流程图；
图2是本发明鲁棒性设备调整示意图；
图3是本发明单机保障作业流程及资源需求示图；
图4是本发明随机保障人员分配下的调度甘特图；
图5是本发明初始保障设备分配下的调度甘特图；
图6是本发明鲁棒性调整后保障设备分配调度甘特图；
图7是本发明鲁棒性保障人员分配调度甘特图；
图8是本发明保障作业工时随机扰动下不同资源分配组合的完工时间盒状图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
本发明一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、输入初始机群保障的作业调度方案；
保障对象是有人机群，每架飞机均包含若干工序需要保障；作业调度方案包括各工序的作业开始时间、结束时间和分配的保障设备。
步骤二、每个保障设备分别对应若干保障工序，统计各设备所对应的所有保障工序集合；
步骤三、对保障设备分配方案进行鲁棒性调整；
对第k类保障设备l，将其对应的保障工序集合中的工序按照各自的作业开始时间升序排列，由小到大对每个工序执行如下步骤操作；
步骤3-1、对当前工序Oij，计算该工序的当前局部鲁棒性指标：
Figure BDA0002782453310000051
其中，Oij表示第i架飞机的第j道工序；
Figure BDA0002782453310000052
为工序Oij与分配在相同设备下的前继工序的空闲时差；
Figure BDA0002782453310000053
为工序Oij与分配在相同设备下的后续工序的空闲时差；
如图2所示中设备
Figure BDA0002782453310000054
对应甘特图含义，检索该工序对应分配的设备l；
设备
Figure BDA0002782453310000055
表示第k类保障设备l；
步骤3-2、查找第k类保障设备除设备l外的其它可保障工序Oij的设备l'，判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有保障工序，如果没有，则表示工序Oij可转移分配至设备l'；否则，继续判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有且仅有一个保障工序Oeg，且两个工序交换保障设备不会造成与其它工序的时序冲突，如果是，则表示工序Oij与工序Oeg可交换分配设备l和设备l'；否则，则表示工序Oij没有可交换分配的设备。
Oeg表示第e架飞机的第g道工序；
步骤3-3、针对待调整目标设备l'，定义并计算与工序Oij相对应的待调整区域的当前局部鲁棒性指标：
Figure BDA0002782453310000056
其中，待插入空位的活动时差PFvacancy为该空位的前继和后续工序之间的空闲时差，变量含义如图2所示；
步骤3-4、按照鲁棒性指标
Figure BDA0002782453310000057
和
Figure BDA0002782453310000058
的定义，计算调整后的工序Oij对应的局部鲁棒性指标
Figure BDA0002782453310000059
和工序Oij原属设备l调整后对应待调整区域的局部鲁棒性指标
Figure BDA00027824533100000510
进而可得待调整目标设备l'执行调整后的局部鲁棒性指标变化值：
Figure BDA00027824533100000511
步骤3-5、对所有可调整的设备l'，判断是否存在ΔREkl′＜0，如果是，选择ΔREkl′当中的最小值所对应的目标设备，执行相应的工序交换分配或转移分配操作，更新第k类设备的调整次数；否则，不执行调整操作。
步骤3-6、选择工序集合中的下一个工序作为当前工序，重复步骤3-1至步骤3-5直至第k类保障设备对应保障工序集均搜索完成；
步骤3-7、判断当前第k类设备l中是否存在工序的调整次数大于0，如果是，则将该工序的调整次数置零，并作为当前工序重复步骤3-1至步骤3-6直至无任何调整；
步骤四、更换下一类型保障设备，重复步骤二和步骤三，直至所有类型保障设备均搜索完成，输出保障设备调整方案。
步骤五、将每个类型保障设备的工序集合归到一起，按照作业开始时间升序排序，对开始时间相同的两个工序，自由时差越小排序越靠前；
步骤六、按排序对每个工序执行如下步骤操作，进行鲁棒性保障人员分配；
具体过程为：
步骤6-1、对任一工序Oij，检索其所需保障人员的各种类型和数量rijk；
步骤6-2、对工序Oij所需第k类保障人员，搜索在工序Oij开始时刻空闲的人员集合Upk；对集合中任一保障人员m，定义并计算保障人员m要执行工序Oij的空闲时差：
Figure BDA0002782453310000061
其中，Sij为工序Oij的开始时刻；LFTkl表示保障人员m完成最近工序Oeg的时刻；Pij表示工序Oij的紧前工序集，包括流程先后关系中对应的紧前工序，以及由于相同保障设备分配所形成的资源流关系中对应的紧前工序；BM是人为定义的实数，远大于整个计划完成时间即可。
步骤6-3、定义并计算每个保障人员分配的鲁棒性指标；
保障人员m的鲁棒性指标，计算如下：
RPijkm＝exp(-IFijkm)；
步骤6-4、将可分配人员集合Upk按照鲁棒性指标的升序排序，选择排序靠前的rijk位保障人员，作为分配至工序Oij的保障人员；
步骤6-5、选择工序Oij所需下一类保障人员，重复步骤6-2至步骤6-4，直至工序Oij所需的所有类型保障人员完成分配；
步骤6-6、选择下一个工序作为当前工序，重复步骤6-1至步骤6-6直至所有工序均完成保障人员分配，输出保障人员分配方案。
实施例：
本实施例为一个12机保障案例，单机的保障作业流程及资源需求如图3所示，各作业工序对应的Kpk1和Kek2分别表示该工序作业需要第k1类保障人员和k2类保障设备，数量均为1，共包含4类保障人员和5类保障设备，其中4类保障人员的配置数量为[5,5,8,10]，5类保障设备配置数量为[6,9,5,5,6]。
给定机群保障时序方案下，随机保障人员分配调度甘特图如图4所示，其中
Figure BDA0002782453310000071
表示第k类第l个保障人员，各工序甘特框中Ii-j表示工序Oij，从图中可显示各工序的作业开始时间和结束时间。初始保障设备分配下的调度甘特图如图5所示，其中
Figure BDA0002782453310000072
表示第k类第l个保障设备。
以第2类设备为例，输出鲁棒性调整后保障设备分配甘特图如图6所示，可实现资源流数量的最小化。所有工序均完成保障人员分配，输出的保障人员分配方案，如图7所示。
将上述所得不同资源分配方案进行组合，在保障作业工时随机扰动条件下，对机群保障作业进行蒙特卡洛仿真，得到机群保障完工时间的盒状图如图8所示。其中组合1表示鲁棒性人员分配方案与鲁棒性设备调整方案的组合，组合2表示随机人员分配方案与鲁棒性设备调整方案的组合，组合3表示鲁棒性人员分配方案与初始设备分配方案的组合，组合4表示随机人员分配方案与初始设备分配方案的组合。
由盒状图可以看出，鲁棒性人员分配方案与鲁棒性设备调整方案对机群保障完工时间的鲁棒性均有所提升，从而验证了所设计的考虑时间鲁棒性的机群保障调度方案资源分配及调整方法的有效性。

Claims (3)

1.一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、输入初始机群保障的作业调度方案；
步骤二、每个保障设备分别对应若干保障工序，统计各设备所对应的所有保障工序集合；
步骤三、将当前设备的所有工序集合按照各自的作业开始时间升序排序，由小到大对每个工序进行鲁棒性调整；
所述的调整步骤如下：
步骤3-1、针对第k类设备l的当前工序Oij，计算该工序的局部鲁棒性指标
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000011
计算公式如下；
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000012
其中
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000013
为工序Oij与分配在相同设备下的前继工序的空闲时差；
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000014
为工序Oij与分配在相同设备下的后续工序的空闲时差；
步骤3-2、选择能与设备l进行交换分配或转移分配的设备l'；
步骤3-3、针对设备l'，计算与工序Oij相对应的待调整区域的当前局部鲁棒性指标；
指标计算如下：
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000015
其中，
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000016
为工序Oeg与分配在相同设备下的前继工序的空闲时差；
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000017
为工序Oeg与分配在相同设备下的后续工序的空闲时差；PFvacancy为待插入空位的活动时差，即该空位的前继工序和后续工序之间的空闲时差；
步骤3-4、根据设备l的工序Oij的局部鲁棒性指标
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000018
以及设备l'相对应的待调整区域的鲁棒性指标
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000019
计算设备l'执行调整后的局部鲁棒性指标变化值ΔREkl′；
计算公式如下：
Figure DEST_PATH_FDA00027824533000000110
Figure DEST_PATH_FDA00027824533000000111
为设备l'调整到工序Oij后，工序Oij对应的局部鲁棒性指标；
Figure DEST_PATH_FDA00027824533000000112
为工序Oij原属设备l调整到对应的待调整区域后，对应的待调整区域的局部鲁棒性指标；
步骤3-5、对所有可调整的设备l'，判断是否存在ΔREkl′＜0，如果是，选择ΔREkl′当中的最小值所对应的设备，执行相应的工序交换分配或转移分配操作，并更新第k类设备的调整次数；否则，不执行调整操作；
步骤3-6、选择工序集合中的下一个工序作为当前工序，重复步骤3-1至步骤3-5直至第k类保障设备对应的保障工序集均搜索完成；
步骤3-7、判断当前第k类设备l中是否存在工序的调整次数大于0，如果是，则将该工序的调整次数置零，并作为当前工序重复步骤3-1至步骤3-6直至无任何调整；
步骤四、更换下一类型保障设备，重复步骤二和三，直至所有类型保障设备均搜索完成，输出保障设备调整方案；
步骤五、将每个类型保障设备的工序集合归到一起，按照作业开始时间升序排序，对开始时间相同的两个工序，自由时差越小排序越靠前；
步骤六、按排序为各工序进行鲁棒性保障人员的分配；
具体过程为：
步骤6-1、对当前工序Oij，检索其所需保障人员的各种类型和数量rijk；
步骤6-2、针对工序Oij所需第k类保障人员，在工序Oij的开始时刻搜索空闲的该类保障人员集合Upk；
步骤6-3、对集合Upk中的每个保障人员，分别计算每个保障人员要执行工序Oij时的空闲时差；
针对保障人员m要执行工序Oij的空闲时差，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_FDA0002782453300000021
其中，Sij为工序Oij的开始时刻；LFTkm 表示保障人员m完成最近工序Oeg的时刻；Pij表示工序Oij的紧前工序集，包括流程先后关系中对应的紧前工序，以及由于相同保障设备分配所形成的资源流关系中对应的紧前工序；BM是人为定义的实数，远大于整个计划完成时间即可；
步骤6-4、利用每个保障人员要执行工序Oij时的空闲时差，分别计算每个保障人员分配的鲁棒性指标；
保障人员m的鲁棒性指标，计算如下：
RPijkm＝exp(-IFijkm)；
步骤6-5、将可分配人员集合Upk按照鲁棒性指标升序排列，选择前rijk位作为分配至工序Oij的保障人员；
步骤6-6、选择工序Oij所需下一类保障人员，重复步骤6-2至步骤6-5，直至工序Oij所需的所有类型保障人员完成分配；
步骤6-7、选择下一个工序作为当前工序，重复步骤6-1至步骤6-6直至所有工序均完成保障人员分配，输出保障人员分配方案。
2.如权利要求1所述的一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，其特征在于，步骤一中所述的作业调度方案包括各工序的作业开始时间、结束时间和分配的保障设备。
3.如权利要求1所述的一种考虑时间鲁棒性的机群保障人员和设备的分配方法，其特征在于，所述步骤3-2具体如下：
首先，查找除设备l外的其它可保障工序Oij的第k类设备l'，判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有保障工序，如果没有，表示工序Oij可转移分配至设备l'；否则，继续判断设备l'在工序Oij的作业起止时间范围是否有且仅有一个保障工序Oeg，且工序Oij与工序Oeg交换保障设备不会造成与其它工序的时序冲突，如果是，则表示工序Oij与工序Oeg可交换分配设备l和设备l'；否则，则表示工序Oij没有可交换分配的设备。
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