航母甲板作业规划优化算法

二.航母甲板环境仿真环境被为了复制当前舰队的美国尼米兹级航母飞行甲板操作。

图像仿真环境如图 1所示。

DCAP 仿真是基于代理的与每个实体（机组人员、飞机和固定式甲板资源）单独行事独立的基础上规定的规则和模式。

利用四个不同的通用飞机类，包含所有可能的组合，快、慢和载人无人值守的飞机（表 1）。

在图 1 中，每个运行其自己的队列服务在甲板上的飞机同时标有甲板资源的四种类型。

人类的船员和其他支持车辆也建模，但主要用于支持飞机和资源的行动。

在航母甲板上的活动驱动主要由现役飞机，所需的任务，这样所有其他实体（包括机组人员）可视为资源用于。

当创建计划的行动在甲板上，主管必须定义分配序启动弹射器的飞机。

当执行时间表，飞机和资源工作同时在世界中执行任务。

一般情况下，飞机开始在停放状态下，他们必须将燃料和装有武器，然后出租车到弹射器并启动。

后来，他们飞到任务区以外的航母甲板，持续一段时间，在那里呆，然后回到承运人。

一旦这样做，他们进入着陆模式（元帅堆栈）等待降落间隙。

在执行计划时，飞机、机组人员、支援车辆和资源操作同时在飞行甲板上的相同的共享空间。

这就需要各种各样的约束，包括约束对运动穿过甲板（以避免碰撞）和发射（相邻弹射器不能同时启动），复杂的调度执行。

制作精确的一种先验的预测以及何时以及有多少车辆会进行交互时可能发生延迟是几乎不可能的意思任何时间来完成一项任务的估计可能极不准确的。

此外，在系统中的故障影响资源和更复杂的操作在甲板上的飞机。

飞机燃料或液压系统漏可能限制业务车辆，需要新的日程安排的行动，确保飞机的生存时间。

甲板资源故障可能会阻止系统执行操作的当前时间表（例如，它是无法启动所有飞机从甲板下它们当前的弹射器分配），要求飞机之间的剩余的业务资源完成调动。

像这些失败都是致命的当前的日程安排和需要一个新的经营计划。

在创建新时间表的行动，人力规划者有一个主要的目标，最大限度地启动和恢复从甲板上飞机的速度。

一般情况下，这被通过创建需要的最低限度的绝对时间，同时尽量减少所需的工作时间的机组人员，飞机，执行和支持资源的日程。

人力规划也必须重新计划快，这些环境是至关重要的时间以及需要快速反应，以确保系统的性能和安全。

这种环境的仿真模型应该反映现实世界的变化。

因此，任务完成时间和失败工期（以及各种环境的其他方面）被定义为具有指定的平均值和标准偏差的高斯分布。

当在模拟执行任务时，完成时间随机抽取的相关的分布，和因此任务的多个副本会有不同的竣工时间。

然而上可以用来生成这些模型的飞行甲板操作, 没有公布的数据。

因此，从组合中建立了 DCAP 任务和失效模型其他来源——飞行甲板船员访谈、观察飞行甲板船员、飞行甲板操作视频的评论和观察现场操作一艘航母前往海军培训学校的培训业务。

在某些情况下，定时任务；在其他情况下，经营者被要求为他们的各项任务的完成时间的估计为失效模式所采取的类似行动。

缺乏详细的已发布数据，不进行任何正式的仿真验证。

然而，模拟的整个发展过程的各类海军人员审查并视为对现实的准确表达。

经过仿真环境的发展，它被集成 ILP 策划人与附加的显示元素，方便用户系统的重新设计。

实施了两个不同的航迹选择：第一次采用一个手动的规划接口，而后者利用 ILP 策划人。

手动规划接口涉及应用使用的重新规划；经营者的内部试探法专家级用户这些试探法将在第四节晚些时候讨论。

人权——自动化协作接口利用 ILP，结合人类操作员指定高级别目标的计划。

下一部分将讨论 ILP 的规划算法，具有明确规定的代价函数最小化。

三.ILP 策划人的特点当前自动化的计划中使用的 DCAP 系统是飞机的最小化总加权的时间机队采取完成给定的任务序列的 ILP。

规划师能满足一组征收在给定的时刻，以及安全要求完成任何任务的资源可用性的硬约束和前一节中描述的其他物理限制。

的规划师也占所有软约束由包括违反边距。

这些软约束由人类用户的喜好，为完成某些特定飞机的任务或所有任务指定的机载和甲板上的飞机在指定的时间（软约束的一个例子将是在那里人类操作员指定车辆新的时间表应由 10 分钟延迟其原始的启动时间）。

这样，当用户请求一个新的计划，环境的状态信息发送给规划计算与仿真环境中，集成计划。

此外，计算的计划然后发送给操作员在执行前的审查。

而其他规划的方法，如也可以使用元启发式方法、时序逻辑或约束规划，我们选择 ILP 获得一个可行的办法，在真正的时间，而不需要密钥算法参数的适当选择满足所有类型的软、硬约束。

此外，所得的 ILP 溶液进行了实证验证要接近全局最优解。

我们按照整数规划配方二鉴于 [2] 中处理与世俗任务依赖项和不规则的任务开始的时间成本。

二叉决策变量 yijk 是等于 1 如果飞机我∈ {1，...，我} 开始任务 j ∈V 在时间步 k ∈ {1，...，K}，否则为 0。

每架飞机有一个用户指定优先级 pi ∈ R + 和一组任务 Vi = {......，j1 集团}，它需要完成。

一个任务可以分为两种类型：一种需要可用甲板资源（如着陆、启动、停车、和加油，和另一种不需要如滑行、去特派团，或接近甲板上的任何资源。

此外，第一种类型的任务可以具体比如着陆、发射和加油要紧的弹射器或加油加气站正在服刑的飞机，或如停车作为它的资源不可知论者并不重要的停车位用两种资源。

制作、越南难民和 Vra 表示资源要求、具体，资源和资源不可知论者的集任务分别。

每个任务 j 也属于一项的任务类型设置 Ej，是 j 非常相似的如果它是资源要求的任务，并包括要求的相同的类别，例如启动或否则加油与相关联的任务的所有资源。

请注意，只有一个资源的一种特定类型的特定任务目前在六。

最初的选择，是用户自定义，但然后它可能会改变由优化程序的操作过程。

Vs 表示的资源由于安全不能同时执行的特定任务对一套原因，是在依赖该型号飞机。

这些任务包括着陆和发射从任一弹射器 3 或 4，以及从 1、 2 或 3 和 4 两个弹射器发射。

每架飞机的任务的时序依赖由一个加权有向图 Gi = (六，Ai) 与 Ai = {(mi, ni)： dmini >∞}，其中 dmini 是滞后时间，这样任务的开始时间镍、 sni 公司，相关 Smi，任务mi 的开始时间由一个不等式形式 Sni ≥ Smi + dmini。

目标函数是加权总完工时间的飞机的所有任务的总和在那里每个完成时间加权的飞机优先。

在这里请注意最小化完工时间的最后一项任务，即，使命期间，就不占到不同的任务的重要性程度不同。

ILP 然后写成受约束在这里，瞬是完成任务 j 由飞机第一和 Njk 表示的可用甲板资源来执行任务 j 在时间 k.Njk 数始终是二进制资源特定的任务并小于资源不可知论者任务的资源的总数的估计的时间。

瞬，要么被认为是确定性的价值为任务工期等执行任务或模特甲板上的任何资源的处理时间的高斯分布的均值进行研究的。

甲板资源加工时间还需船员包括预计的到达的时间。

因此，(2) 及 (3) 一起执行每个任务已由与表演只有一个资源特定的任务（3）被强加某种特定类型的所需额外经费的每一架飞机一次启动。

方程（4）（5）任务执行过程中强制执行时间优先条件可确保只有甲板上的资源被用来执行规定的任务及 (6) 任何资源的可用数可确保任何可能导致安全问题，如果并发执行的两个任务都分头开始。

Ic 和 Ip 表示设置的关键开发了燃油的飞机或液压泄漏和飞机与用户组指定首选项，分别。

Sci 是允许在限定时间内，关键的飞机，我应该开始登陆任务 jl Spij是用户规定的时间限制来完成任务 j 飞机我∈ Ip 和 Tm 是违反任何飞机任务优先约束允许的时间余地。

注意所有的实际时间值保守地转换为整数值乘两个连续时间瞬间(t) 为常数之间的时间间隔。

此外请注意是否 Tm、分配模拟之前设置 Ip 填充的初期，我们最初值将导致一个可行的解决方案，我们增加它直到问题有最优解。

在 c + + 使用 g + + 编译器作为实施 ILP。

飞机优先事项分配在整数规模的 [1-5]，每个都有 3 初始优先级。

同时重新规划，所有关键的飞机被重新分配的优先级值为 5 （航迹的过程的详细信息，请参阅 [27]）。

总规划的时间范围被选定基于通过假设均值和三个西格玛值的总和为随机任务工期和场景中只有一个甲板资源，可在任何时间即时执行某项任务完成的所有任务的最坏情况估计。

对于特定的测试场景中，所有约束被都初始化一旦在策划代码中，除了那会改变的动态过程中的任何操作，即，将被视为与用户首选时间的关键，任务的飞机限制和甲板资源失败。

此初始化便利快速重新通过修改、添加或删除只有几个约束。

我们用启发式引导、深度优先的分支，绑定搜索来解决一 ILP。

搜索试探法是由以下三个规则组成。

第一，我们分配任务给所有关键的飞机在最早的可能时间瞬间优先考虑那些有更多的剩余任务和随机断交的同等数量的任务。

第二，如果没有关键的飞机在场，任务被分配了最早的可能时间瞬间在飞机上的最大数目的任务，然后到一个以中排名第二的任务，和等等，再一次打破关系随机。

第三，划拨了资源，这样所有可用的资源，为特定的任务类型会视为相等，尽可能的工作负荷的工作量作为将在生成的计划利用资源的飞机总数的定义所在的甲板。

所有的规则采用相同的顺序如上文所述分支在修复对决策变量的整数值。

而把前两个规则直截了当的决定哪些决策变量设置为统一，实现第三个规则是更多地参与。

它需要从每个资源中删除任务的最小数目（即，设置相应的决策变量为零）直到该任务类型的所有资源在整个规划地平线上都有同等数目的指派的飞机。

定界框进行简单地比较得到的解与现任（当前最好）解决方案。

搜索被终止时可行解和计算时间超过半秒。

第二个终止标准被强加了基于实时生成计划的必要性。

虽然提供履约担保的方法理论分析超出了本文的范围，与第六节中的广泛应用优化的实证比较建立了它的效用。

四.专家用户启发式算法二十多个经验丰富的海军人员咨询在整个设计过程中的 DCAP 系统，包括前海军飞行员，甲板船员，空中飞行指挥官规划人员的前成员的一个海军训练基地的教官和两名指挥官的海军训练基地甲板船员。

在发生在人的会议，与会者提出了示例场景这可能发生在真实生活行动中，并被问及他们对情况的反应会是什么。

尽管缺乏规范化培训重新航母操作 [17]，这些指导的访谈允许 DCAP 的研究团队在解决方案生成中标识相对的一致性。

在一组试探法被俘，这种一致性：人类的决策规则由经验和习惯简化航母规划问题，并快速生成近似解 [28] —— [30]。

启发式的列表将显示在表二，分为三种一般类别（一般，甲板和机载）但不是一定按顺序的重要性。

一般启发式，适用于所有的航迹场景。

一般启发式包括 (启发式 1) 的时间安排变动最小化、最小化时间，但不是危及安全 (启发式 2)，和停止操作，如果任何人类处于立即危险 (启发式 3)。