1、運(yùn)籌學(xué)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，運(yùn)籌學(xué)已滲入很多領(lǐng)域里，發(fā)揮了越來越重要的作用。在航天領(lǐng)域，主要應(yīng)用在航天裝備的發(fā)展和航天試驗任務(wù)中。中國和巴西兩國合作的測控衛(wèi)星工程項目就是在航天領(lǐng)域運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的一個成功事例。關(guān)鍵詞：運(yùn)籌學(xué)，航天裝備，航天試驗，測控衛(wèi)星工程一、運(yùn)籌學(xué)的簡述運(yùn)籌學(xué)是20世紀(jì)40年代初發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)和形式科學(xué)的跨領(lǐng)域研究，利用統(tǒng)計學(xué)、數(shù)學(xué)模型和算法等方法，去尋找復(fù)雜問題中的最佳或近似最佳的解答。運(yùn)籌學(xué)主要研究經(jīng)濟(jì)活動和軍事活動中能用數(shù)量來表達(dá)的有關(guān)策劃、管理方面的問題。運(yùn)籌學(xué)經(jīng)常用于解決現(xiàn)實生活中的復(fù)雜問題，特別是改善或優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的

2、效率。運(yùn)籌學(xué)的具體內(nèi)容包括：規(guī)劃論（包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃）、庫存論、圖論、決策論、對策論、排隊論、博弈論、可靠性理論等。運(yùn)籌學(xué)的特點是：1.運(yùn)籌學(xué)已被廣泛應(yīng)用于工商企業(yè)、軍事部門、民政事業(yè)等研究組織內(nèi)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)問題，故其應(yīng)用不受行業(yè)、部門之限制；2.運(yùn)籌學(xué)既對各種經(jīng)營進(jìn)行創(chuàng)造性的科學(xué)研究，又涉及到組織的實際管理問題，它具有很強(qiáng)的實踐性，最終應(yīng)能向決策者提供建設(shè)性意見，并應(yīng)收到實效；3.它以整體最優(yōu)為目標(biāo)，從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，力圖以整個系統(tǒng)最佳的方式來解決該系統(tǒng)各部門之間的利害沖突。對所研究的問題求出最優(yōu)解，尋求最佳的行動方案，所以它也可看成是一門優(yōu)化技術(shù)，提供的是解決各類

3、問題的優(yōu)化方法。近年來，我國的航天事業(yè)迅猛發(fā)展，面臨的問題也越來越復(fù)雜，運(yùn)籌學(xué)的加入使很多問題得以最優(yōu)化的解決。二、運(yùn)籌學(xué)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用2. 1在航天裝備發(fā)展上的應(yīng)用 運(yùn)籌學(xué)在航天裝備發(fā)展中的應(yīng)用主要包括在立項與研制前分析航天裝備的使用需求，評估航天裝備的預(yù)期運(yùn)行效果以及航天裝備體 系效能。目前，對航天裝備的使用需求分析主要采用的是定性分析方法、少有定量分析方法。在評估航天裝備的預(yù)期運(yùn)行效果方面目前采用的方法主要包括解析計算方法(如蘭徹斯特方程等)、基于指標(biāo)體系的綜合評估方法(如多屬性效用分析、模糊綜合評判、價值中心法等)和基于仿真的方法。其中，解析計算方法需要確定航天裝備的各項技術(shù)指標(biāo)對運(yùn)

4、行效果的影響關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，而航天裝備涉及的分系統(tǒng)多、相互之間關(guān)系復(fù)雜，所建數(shù)學(xué)模型應(yīng)能充分反映這些因素。 目前解析方法還難以對航天裝備運(yùn)行效能進(jìn)行評估；基于指標(biāo)體系的綜合評估方法主要是建立航天裝備運(yùn)行效能指標(biāo)體系，并在獲取底層指標(biāo)值的基礎(chǔ)上經(jīng)過綜合得到綜合的運(yùn)行效能，該方法的主觀性較強(qiáng)，評估結(jié)果不易解釋，對指標(biāo)間的影響關(guān)系及動態(tài)性考慮不足，因此難以適合航天裝備運(yùn)行效能評估；基于仿真的方法是指用建模仿真技術(shù)建立系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真實驗，由實驗得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計處理后得到效能指標(biāo)評估值?；诜抡娴姆椒ㄊ窃u估航天裝備運(yùn)行效能的有效方法，目前已運(yùn)用于航天裝備運(yùn)行效能評估。22在航天試驗任

5、務(wù)中的應(yīng)用 運(yùn)籌學(xué)在航天試驗中的應(yīng)用主要包括航天裝備試驗計劃制定、航天裝備試驗測控資源調(diào)度和航天裝備試驗評估等。目前航天裝備試驗計劃制定主要采用網(wǎng)絡(luò)計劃圖方法，通過網(wǎng)絡(luò)計劃圖可以清晰表示各項工作之間的先后順序及每項工作所需的時間或費(fèi)用。航天裝備試驗測控資源調(diào)度目前采用的方法主要是建立問題的規(guī)劃模型，采用遺傳算法、啟發(fā)式搜索算法等進(jìn)行模型求解。在航天裝備試驗過程中，有限的測控資源不僅要保障試驗任務(wù)的順利進(jìn)行，還需要監(jiān)測其它在軌航天裝備的狀態(tài)，而且在試驗過程中存在許多不確定性因素。如何在規(guī)劃調(diào)度模型中綜合考慮這些復(fù)雜動態(tài) 因素是航天裝備試驗測控資源調(diào)度有待解決的問題。航天裝備試驗評估目前采用的方法

6、主要是在關(guān)鍵節(jié)點比較試驗得到的功能性能指標(biāo)與相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)。三、典型事例中巴測控衛(wèi)星工程項目中國和巴西兩國合作測控衛(wèi)星工程項目是一個國際合作項目，工程項目取得了圓滿成功，為我國今后在航天測控領(lǐng)域進(jìn)行國際合作積累了豐富的經(jīng)驗。3. 1 人員配備 中巴合作測控衛(wèi)星工程項目人員配備有一個要求：即在滿足工程項目需求的條件下使人員數(shù)量最少，以最大限度地減少對測控系統(tǒng)其它工作的影響，因為參加工程項目的人員都還承擔(dān)著其它測控工作。人員配備最優(yōu)表人員能力人員種類項目需求P1P2P3P4P5C1Pc11Pc12Pc13Pc14Pc15R1C2Pc21Pc22Pc23Pc24Pc25R2C3Pc31Pc32Pc3

7、3Pc34Pc35R3C4Pc41Pc42Pc43Pc44Pc45R4C5Pc51Pc52Pc53Pc54Pc55R5C6Pc61Pc62Pc63Pc64Pc65R6C7Pc71Pc72Pc73Pc74Pc75R7IE1E2E3E4E5人員配備最優(yōu)表中Pm（m=15）代表第m類人員，實施中巴合作測控衛(wèi)星工程項目需要5 類人員: 管理人員、衛(wèi)星系統(tǒng)總體分析人員、計算機(jī)軟硬件人員、翻譯人員和外事人員； C n (n= 1 7) 代表人員具備的第n個能力；Pcmn為第m種人具備第n種能力的值； Ej(j=15) 表示抽調(diào)該類人員參加中巴合作測控衛(wèi)星工程項目后對測控系統(tǒng)其它工作的影響程度, I為總影響

8、程度;Rk(K=17) 為該工程項目對各種能力的需求。Pcmn、Ej、Rk應(yīng)用系統(tǒng)工程分析方法進(jìn)行量化處理得到到具體數(shù)值。中巴合作測控衛(wèi)星工程項目要求人員具備的能力為:C1：管理C2：衛(wèi)星系統(tǒng)總體分析C3：衛(wèi)星動力學(xué)建模C4：計算機(jī)軟件編程C5：計算機(jī)通信C6：翻譯C7：外事設(shè)Y1、Y2、Y3、Y4、Y5分別為完成工程項目所需的5 類人員的數(shù)量，則人員配備的線性規(guī)劃模型為:minI=E1Y1+E2Y2+E3Y3+E4Y4+E5Y5s.t.為：Pc11Y1+Pc12Y2+Pc13Y3+Pc14Y4+Pc15Y5R1Pc21Y1+Pc22Y2+Pc23Y3+Pc24Y4+Pc25Y5R2Pc31Y

9、1+Pc32Y2+Pc33Y3+Pc34Y4+Pc35Y5R3Pc41Y1+Pc42Y2+Pc43Y3+Pc44Y4+Pc45Y5R4Pc51Y1+Pc52Y2+Pc53Y3+Pc54Y4+Pc55Y5R5Pc61Y1+Pc62Y2+Pc63Y3+Pc64Y4+Pc65Y5R6Pc71Y1+Pc72Y2+Pc73Y3+Pc74Y4+Pc75Y5R73. 2任務(wù)分配任務(wù)分配問題屬于運(yùn)籌學(xué)中的“ 如何安排人員以使各項工作盡快完成” 問題。先建立任務(wù)分配模型的效率矩陣，然后應(yīng)用匈牙利法對效率矩陣進(jìn)行處理(具體處理方法略去)，以達(dá)到優(yōu)化分配技術(shù)人員， 使工程盡快完成。在中巴合作測控衛(wèi)星工程項目中，技術(shù)

10、工作有6 項， 承擔(dān)技術(shù)工作的人員有6個，技術(shù)人員都具有與該工程項目有關(guān)的多方面經(jīng)驗和能力，根據(jù)任務(wù)分工，每個技術(shù)人員在項目中只能主要承擔(dān)一項工作。下表為完成該工程項目技術(shù)工作的效率矩陣。工作日技術(shù)工作T1T2T3T4T5T6P1Wd11Wd12Wd13Wd14Wd15Wd16P2Wd21Wd22Wd23Wd24Wd25Wd26P3Wd31Wd32Wd33Wd34Wd35Wd36P4Wd41Wd42Wd43Wd44Wd45Wd46P5Wd51Wd52Wd53Wd54Wd55Wd56P6Wd61Wd62Wd63Wd64Wd65Wd66矩陣中Pm代表第m（m=16）個人員，Tn代表第n項任務(wù)，Wd

11、mn表示第m個技術(shù)人員完成第n（n=16）項任務(wù)所需的工作日。Tn的定義如下：T1:衛(wèi)星測控任務(wù)分析 T2: 衛(wèi)星飛行計劃設(shè)計T3:衛(wèi)星動力學(xué)建模 T4: 衛(wèi)星測控軟件設(shè)計T5:文檔翻譯 T6:技術(shù)審核3. 3工程進(jìn)度控制工程進(jìn)度控制問題屬于運(yùn)籌學(xué)網(wǎng)絡(luò)分析中的路徑確定問題。中巴合作測控衛(wèi)星工程項目分為多個事件，各事件在實施時有相關(guān)性，有些事件要并行實施，有些事件必須在其它事件完成后才能實施，完成工程項目的關(guān)聯(lián)圖中的最長路徑，即為完成工程所需的時間。應(yīng)用運(yùn)籌學(xué)知識解決工程進(jìn)度控制問題就是計算工程項目事件實施關(guān)聯(lián)圖中的最長路徑,在工程實施過程中，重點控制最長路徑上的事件以盡可能縮短工程完成時間。計算最長路徑使用運(yùn)籌學(xué)中的破圈法等, 關(guān)聯(lián)圖的調(diào)整優(yōu)化使用計劃評審法或統(tǒng)籌法。下圖為中巴合作測控衛(wèi)星工程項目的關(guān)聯(lián)圖。圖中箭頭旁邊的TX（X=az）表示實施事件所需的時間。Ek（k=113）表示工程中的各個具體事件，各事件的定義如下：E1:工程準(zhǔn)備E2:總合同制定E3:總計劃制定E4:子合同制定E5:子計劃制定E6:飛行計劃系統(tǒng)設(shè)計E7:測控方案設(shè)計E8:衛(wèi)星模擬系統(tǒng)設(shè)計E9:設(shè)計評審E10: 飛行計劃系統(tǒng)設(shè)計軟件E11:形成綜合方案E12:衛(wèi)星模擬系統(tǒng)軟件E13:驗收四、結(jié)束語本文主要論述了運(yùn)籌學(xué)在航天裝備和航天試驗中的應(yīng)用，并舉出中巴測控