本发明属于舰载机出动回收保障，涉及一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法。
背景技术：
1、传统舰载机着舰调度依赖于空中交通管制中心根据现有机群信息和以往经验进行人工调度，安排制定合理的调度方案。空中交通管制中心根据海况、天气情况向飞机发出有关着舰跑道、速度和高度的指示，以便飞机与分配的跑道保持一致，并与前一架飞机保持安全距离。若机群调度仅由空中交通管制中心完成，这不仅给其增加了很大的负担和压力，而且当回收机群数量庞大时，难以在短期内得到有效的调度方案。近年来，通过舰载机调度模型的处理与转化，以求解舰载机群的着舰最优序列，在着舰调度领域获得了广泛的关注。然而舰载机只有一条着舰跑道且跑道长度远远小于陆基机场，导致舰载机发生逃逸的概率将大大增加。
2、现有的舰载机着舰调度问题主要存在以下两个方面问题：一方面，模型建立时很少考虑逃逸和空中加油等突发情况，即使考虑，其设定也过于简洁，缺乏理论依据，如中国发明专利基于深度强化学习的舰载机出动回收在线调度方法（cn 110781614 a）仅提到了突发情况的出现，但并未对其进行详细分析和处理；另一方面，大多数研究，如中国发明专利一种飞机海上平台出动回收协同调度方法（cn 118094778 a），只是给出一个静态的调度方案，并没有模拟真实的动态调度过程，故无法对舰载机的着舰次序进行动态调整，求解得到的最优调度方案无法进行验证，实验结果缺乏说服力。
3、为此，面向考虑逃逸和空中加油的舰载机着舰调度问题的可靠求解，有必要发展一种合理高效的动态调度方法。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提出一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法。本发明通过引入逃逸和空中加油处理对舰载机着舰调度问题进行建模并进行相关约束分析和目标函数设计，从而在元启发式算法下求解最优调度方案，并在其基础上进行动态仿真模拟。为保证舰载机回收着舰的安全和效率，首先通过引入随机变量，对舰载机着舰过程中，可能发生的逃逸和空中加油情况进行分析和规定，并综合剩余燃油量、战损程度等指标建立舰载机着舰调度问题模型，通过萤火虫算法与交叉变异思想相结合的方式设计一种改进算法对模型进行求解，最后设计了一种动态调度仿真过程，对真实的机群着舰过程如顺序着舰，逃逸，空中加油等进行模拟，并实现在线重调度，验证了求解方法的有效性。
2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，所述的舰载机动态着舰调度方法为：步骤1，考虑着舰过程中可能发生的特殊情况，对逃逸和空中加油情况进行分析；步骤2，根据机群信息，设计约束条件和目标函数，建立舰载机着舰调度问题模型；步骤3，基于进化思想设计改进的萤火虫算法，求解舰载机着舰调度问题的最优着舰方案；步骤4，以步骤3中方案为初始方案，并设计面向特情的在线重调度机制进行着舰方案的动态调整。具体包括以下步骤：
4、步骤1：考虑着舰过程中可能发生的特殊情况，对逃逸和空中加油情况进行分析，具体为：
5、步骤1-1：逃逸情况分析；
6、在回收过程中，前序飞机逃逸会对后序飞机的着舰过程产生影响。显然这种影响与舰载机所处的回收顺序有关，即回收顺序越靠后，前序飞机的逃逸架数可能会越多，影响就会越大。本发明将处于回收顺序第位的舰载机的前序飞机逃逸次数设定为一个随机变量，由假设可知其服从二项分布，即，表示逃逸概率，故其期望如公式（1）计算：
7、（1）
8、式中，表示舰载机回收顺序；表示舰载机可能逃逸架数；表示组合数，则处于回收顺序第位的逃逸导致的额外回收时间可如下设定：
9、（2）
10、式中，表示向上取整；表示一架舰载机逃逸所导致的额外回收时间的最大值，即：
11、（3）
12、式中，表示舰载机逃逸航线的飞行时间；表示最大尾流间隔时间。
13、步骤1-2：空中加油情况分析；
14、油量不足的舰载机将进行空中加油处理，空中加油的舰载机在加油完毕后，若后续还有舰载机未进行着舰，该舰载机在加油后须重新返回马歇尔等待航线的最上层，待其他舰载机完成着舰后再进行着舰，为了避免因前序舰载机逃逸次数过多，使后序舰载机出现二次或多次加油的情况，本发明假设舰载机的加油量与随机变量有关，为待回收舰载机数量。规定完全安全着舰概率为，则可确定极端情况逃逸架数：
15、（4）
16、其中，表示满足不等式的舰载机逃逸架数；表示事件发生的概率。
17、然后即可确定加油量为：
18、（5）
19、式中，表示逃逸一次所造成的油量消耗；表示安全着舰燃油量，其可如下确定：
20、（6）
21、式中，表示最小着舰燃油量，保证其能到达空中加油位置；表示着舰一次所造成的油量消耗。如此规定的能够保证舰载机在自身发生逃逸后仍能到加油机处进行加油。
22、步骤2：根据机群信息，设计约束条件和目标函数，建立舰载机着舰调度问题模型，具体为：
23、步骤2-1：约束条件描述；
24、步骤2-1-1：燃油约束；
25、燃油量是保证舰载机空中续航时间的主要因素，本发明采用表示舰载机初始时刻的燃油量，表示舰载机着舰时刻的燃油量，受舰载机起落架以及阻拦索承载能力的限制，防止对甲板资源造成损害，舰载机在着舰时刻的燃油量不应超过最大着舰燃油量，结合之前设定的，可得舰载机进行安全着舰时的燃油量需满足约束：
26、（7）
27、称式（7）为安全油量约束，同时规定不满足安全油量约束的舰载机将进行空中加油处理。
28、为便于处理，本发明将舰载机的燃油量转化为燃油可用时间进行后续研究，记为舰载机在初始时刻的燃油可用时间，可如下计算：
29、（8）
30、式中，表示舰载机的耗油率，其值与舰载机的机型大小有关。这样就可以计算出，舰载机着舰时刻的燃油可用时间为：
31、（9）
32、式中，表示舰载机的着舰完成时间。为了简化问题，以首架舰载机经过马歇尔点的时刻为初始时刻，计算舰载机的着舰完成时间，即有：
33、（10）
34、式中，表示舰载机的着舰时刻。
35、相应地，将也转化为，分别表示安全着舰燃油可用时间，最大着舰燃油可用时间，最小着舰燃油可用时间，逃逸航线的飞行时间和着舰航线的飞行时间。
36、那么式（6）和（7）可转化为如下表述：
37、（11）
38、（12）
39、式中，表示不需要加油的舰载机集合；表示需要加油的舰载机集合。
40、由于引进了逃逸处理，故需考虑逃逸导致的额外回收时间，假定舰载机位于回收顺序的第位，对式（12）作如下改进：
41、（13）
42、其中，表示处于回收顺序第位的逃逸导致的额外回收时间。
43、步骤2-1-2：尾流间隔约束；
44、舰载机在进行顺序着舰的过程中，为避免由前序飞机的飞行尾流对后序飞机的着舰产生影响，规定在相邻飞机经过航线上的相同位置时须满足一定的时间间隔，来保证回收过程的安全，即满足：
45、（14）
46、式中，表示舰载机的着舰完成时间；表示舰载机的着舰完成时间；表示前序舰载机和后序舰载机的尾流间隔，其具体数值与前后两架舰载机的机型有关。通常情况下，前序飞机的机型越大，对后序飞机的飞行影响越大，尾流时间间隔越长；相反，后序飞机的机型越小，受前序飞机的尾流影响越大，尾流时间间隔越长。
47、步骤2-2：目标函数设计；
48、步骤2-2-1：完整度指标设计；
49、采用表示舰载机的完整度，取值越小表示舰载机的完整度越低。故本发明引入作为评价函数中的评价指标：
50、（15）
51、其中，表示舰载机的完整度；表示舰载机的完整度。
52、的值随着的减小而增大，研究表明舰载机受损较严重的应安排其提前着舰。
53、步骤2-2-2：任务优先级指标设计；
54、采用表示舰载机后续任务的优先级，取值越低，代表后续任务的优先级越高。类似的，可定义：
55、（16）
56、其中，表示舰载机的任务优先级；表示舰载机的任务优先级。的值随着的减小而增大，研究表明舰载机任务优先级较高的应安排其提前着舰，使其尽快投入新的任务。
57、步骤2-2-3：燃油指标设计；
58、基于本发明对燃油可用时间的约束条件的分析，可知在着舰方案确定后，各舰载机着舰时刻的燃油可用时间可确定，假定舰载机位于回收顺序的第位，则可定义如下：
59、（17）
60、的值随着的减小而增大，表明燃油少的舰载机应安排其提前着舰，以免进行空中加油，造成资源消耗。
61、步骤2-2-4：加权目标函数设计；
62、本发明结合以上三种评价指标，设计出了一种基于加权着舰完成时间的目标函数：
63、（18）
64、式中，分别为完整度、任务优先级、燃油所对应的权重；表示舰载机的着舰完成时间；表示舰载机的完整度指标；表示舰载机的任务优先级指标；表示舰载机的燃油指标；表示舰载机的加权指标。
65、在实际过程中，的值可以由空中交通管制中心的顶层主观评估对当前情况的判断来确定。由于式（18）中每个都是两个正数的乘积再进行求和得到，故由排序不等式可知，求的最小值相当于在较大时令较小，即将舰载机排在机群着舰排序的前列，故该目标函数的设计具有其合理性。
66、步骤2-2-5：加油惩罚项设计；
67、当有舰载机无法满足安全油量约束时，为保证其着舰的安全性，会对其进行空中加油处理，显然这样的处理可以使完成加油的舰载机的值减小，进而使目标函数值减小。但空中加油处理会造成资源的消耗并增加调度人员的负担，一般而言，只有在迫不得已的情况下才会进行空中加油处理，并希望空中加油次数尽可能少。因此本发明通过引入惩罚项来体现空中加油对目标函数的影响，即修改为：
68、（19）
69、式中，表示进行空中加油次数。
70、步骤2-3：构建舰载机着舰调度问题模型；
71、基于步骤1、步骤2-1、步骤2-2的处理和设定，可以将舰载机着舰调度问题概括为通过合理调整舰载机群的着舰顺序，使公式（19）所示的目标函数值最小的组合优化问题。其中组合优化问题的决策变量可以用混合整数规划模型表示如下：
72、（20）
73、基于式（20），可以给出舰载机着舰调度问题的数学模型，如下：
74、（21）
75、服从于：
76、（22）
77、（23）
78、（24）
79、（25）
80、（26）
81、具体的：式（22）表示两个约束条件；式（23）表示加油的舰载机应在未加油的舰载机之后进行着舰；式（24）表示进行空中加油的舰载机加完油后才能进行着舰，式中表示舰载机的加油次序，表示空中加油时间，表示舰载机去加油的时刻；式（25）表示除了首架飞机，每架飞机的前序飞机有且只有一架；式（26）表示除了最后一架飞机，每架飞机的后序飞机有且只有一架。
82、步骤3：基于进化思想设计改进的萤火虫算法，求解舰载机着舰调度问题的最优着舰方案，具体为：
83、步骤3-1：编码；
84、本发明以舰载机的着舰顺序进行整数编码，将架舰载机从、编号，则架舰载机的着舰顺序，即为编码顺序。
85、步骤3-2：原始方案处理；
86、在对原始的调度方案进行评估时，若方案中出现需要加油的舰载机，则进行空中加油的舰载机须脱离原始着舰序列，到加油机位置进行加油，这样会导致各舰载机在马歇尔等待航线上频繁运动，导致回收时间增长，故本发明对原始方案做如下处理：
87、步骤3-2-1：将所有舰载机加入集合，按照原始调度方案确定各舰载机的着舰完成时间，检验其是否满足安全油量约束，若满足则其还按照原顺序着舰，加入着舰集合，进行步骤3-2-2；若不满足，则将其从原调度方案中删除，加入空中加油集合，进行步骤3-2-2；
88、步骤3-2-2：更新集合，判断是否为空集，若为空集，则进行步骤3-2-3；否则进行步骤3-2-1；
89、步骤3-2-3：对中的舰载机按燃油可用时间进行排序，越小，排序越靠前，排序后将此顺序放在的后面进行着舰，这样即形成新的回收排序方案，进行步骤3-2-4；
90、步骤3-2-4：按照新的调度方案重新确定各舰载机的着舰完成时间，检验中的舰载机是否满足安全油量约束，若满足将该舰载机从移入，进行步骤3-2-5；若不满足，则对其进行加油，将该舰载机从移入，进行步骤3-2-5；
91、步骤3-2-5：判断是否为空集，若为空集，则输出新的排序方案，流程结束；否则进行步骤3-2-4；
92、步骤3-3：改进萤火虫算法；
93、步骤3-3-1：萤火虫距离计算；
94、每只萤火虫的编码就是n的全排列，故定义两只萤火虫的距离为编码对应位置上不同元素的数目。
95、步骤3-3-2：萤火虫位置更新；
96、步骤3-3-2-1：位置更新方式；
97、本发明结合ga（遗传算法）中的交叉操作来实现萤火虫的位置更新，同时仿照原位置更新公式，设计新位置更新方式得到具体步骤如下（假设萤火虫被萤火虫吸引）：
98、步骤3-3-2-1-1：计算萤火虫和之间的距离；
99、步骤3-3-2-1-2：确定萤火虫和交叉片段的长度，的计算公式为：
100、（27）
101、式中，为当前迭代次数；表示光吸收系数；表示取两个数之间的随机整数；表示萤火虫和之间的距离。
102、步骤3-3-2-1-3：在满足交叉片段为的前提下，确定萤火虫和的交叉位置；
103、步骤3-3-2-1-4：将萤火虫交叉片段移动到萤火虫之前，然后依次删除重复出现的且位于后面的元素，最终形成新的萤火虫。
104、步骤3-3-2-2：位置更新次数设定；
105、本发明根据每次迭代种群目标函数值的标准差来控制每代交叉个数的上界，来避免迭代后期无意义的搜索，同时为了算法能有效地更新种群，寻找最优解，需规定每代交叉个数的下界，即：
106、（28）
107、式中，表示当前迭代每个个体与其他个体的交叉次数；表示交叉次数的下界；表示交叉次数的上界；表示当前种群的标准差；表示迭代过程中每代种群标准差的最大值；表示取两个数的最大值。
108、步骤3-3-3：引入变异操作；
109、步骤3-3-3-1：变异方式设计；
110、为了尽量避免算法陷入局部最优，引入与遗传算法中类似的变异操作，变异方式选择翻转变异，交换变异和插入变异三种，具体变异方式如下：
111、步骤3-3-3-1-1：翻转变异设计；
112、将萤火虫个体编码的一个片段翻转，插入原来的位置。
113、步骤3-3-3-1-2：交换变异设计；
114、交换萤火虫个体的两个编码的位置。
115、步骤3-3-3-1-1：插入变异设计；
116、将染萤火虫个体的一个编码插入到另一个编码的前面。
117、步骤3-3-3-2：变异概率设定；
118、本发明使变异概率随着的改变而改变，但由于变异不是种群进化的主要方式且自然界中发生变异的几率很小，故规定变异概率的范围<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>[</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>_min</mi></mrow></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>,</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>p</mi></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><msub><mrow /><mrow><mi>m</mi><mi>_max</mi></mrow></msub></mstyle><mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>]</mi></mstyle></mstyle>，并如下确定：
119、（29）
120、步骤4：以步骤3中方案为初始方案，并设计面向特情的在线重调度机制进行着舰方案的动态调整，具体为：
121、本发明在步骤3求解得到的初始方案的基础上，模拟真实的动态调度过程，其中包括了舰载机的顺序着舰、逃逸和空中加油等，实现动态重调度的过程如下：
122、步骤4-1：将步骤3求解得到的回收方案中需要进行加油的舰载机按顺序进行加油；
123、步骤4-2：将所有舰载机按照步骤3求解得到的回收方案顺序加入集合；
124、步骤4-3：判断处于当前着舰顺序的舰载机是否发生逃逸，若发生，进行步骤4-4；否则，则该舰载机着舰成功，将该舰载机从集合移入集合，进行步骤4-7；
125、步骤4-4：按逃逸处理时的假设重新安排着舰失败的舰载机的着舰顺序，更新集合，进行步骤4-5；
126、步骤4-5：判断新的着舰顺序下，是否有舰载机不满足安全油量约束，若存在舰载机不满足安全油量约束，进行步骤4-6；否则进行步骤4-7；
127、步骤4-6：对不满足安全油量约束的舰载机进行空中加油处理，并将其放在机群的最后进行着舰，更新集合，进行步骤4-7；
128、步骤4-7：判断集合是否为空集，若为空集，则回收过程结束；否则，重新进行步骤4-3。
129、本发明的有益效果为：
130、本发明通过引入随机变量对逃逸和空中加油情况中涉及到的逃逸增加的额外回收时间、空中加油量进行了设定，为模型的处理提供了理论依据。同时综合舰载机完整度，任务优先级，燃油量等评价指标设计了目标函数，并结合燃油约束和尾流间隔约束，建立了舰载机着舰调度模型。根据交叉变异算子的思想，改进萤火虫算法求解舰载机着舰调度模型，以获得舰载机着舰的最优方案。在着舰最优方案的基础上，设计在线重调度机制，能够再发生突发情况时，动态调整舰载机的着舰序列，保证了舰载机群的着舰安全和效率。
1.一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，所述的舰载机动态着舰调度方法为：
2.根据权利要求1所述的一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，所述的步骤1中：
4.根据权利要求2所述的一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，所述的步骤2-1约束条件具体为：
5.根据权利要求2所述的一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，所述的步骤3-3-2-1具体为，假设萤火虫被萤火虫吸引：
6.根据权利要求2所述的一种考虑逃逸和空中加油的舰载机动态着舰调度方法，其特征在于，所述的步骤3-3-3-1中，变异方式包括翻转变异，交换变异和插入变异三种，具体变异方式如下：
