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一种考虑多任务的无人机集群“一站式”维修策略

朱文金 王罗昊佶 白光晗 许贝 税浩轩

朱文金,王罗昊佶,白光晗, 等. 一种考虑多任务的无人机集群“一站式”维修策略[J]. 机械科学与技术,2023,42(2):301-308 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560
引用本文: 朱文金,王罗昊佶,白光晗, 等. 一种考虑多任务的无人机集群“一站式”维修策略[J]. 机械科学与技术,2023,42(2):301-308 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560
ZHU Wenjin, WANG Luohaoji, BAI Guanghan, XU Bei, SHUI Haoxuan. One-stop Maintenance Strategy for UAV Swarm with Successive Missions[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(2): 301-308. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560
Citation: ZHU Wenjin, WANG Luohaoji, BAI Guanghan, XU Bei, SHUI Haoxuan. One-stop Maintenance Strategy for UAV Swarm with Successive Missions[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(2): 301-308. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560

一种考虑多任务的无人机集群“一站式”维修策略

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200560
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(71701163,71701207)
详细信息
    作者简介:

    朱文金(1985−),助理教授,博士,研究方向为复杂系统可靠性建模与优化, wenjin.zhu@nwpu.edu.cn

    通讯作者:

    白光晗,讲师,博士,baiguanghan@nudt.edu.cn

  • 中图分类号: V267

One-stop Maintenance Strategy for UAV Swarm with Successive Missions

  • 摘要: 多架无人机通过协同配合、能力互补和行动协调,实现整体作战效能提升,因此研究战场环境下无人机集群维修具有重要意义。对于执行多次任务的无人机集群,在任务间隙进行维修维护是提高集群作战的稳定性的重要手段。研究战场环境下无人机集群维修,有效地修复无人机的故障模块,短时间内迅速恢复集群战斗力水平,对执行多次连续任务的集群具有重要意义。本文针对无人机集群的特殊性,基于不同维修规模、到达方式和信息可用情况的不同假设,建立基本的维修模型;基于作战环境的特殊要求和约束,提出针对战场环境下大批快速抢修 “一站式”维修策略。以在规定的时间内完成最多的无人机维修数量为目标进行优化,为连续任务的执行提供保障。
  • 图  1  确定批量完全维修模型维修过程

    图  2  确定批量的不完全维修模型维修过程

    图  3  随机批量维修模型维修过程

    图  4  无人机模块示意图

    表  1  初步维修模型变量

    变量名变量含义
    $ {t_s} $每拆装一架无人机k所需启动时间
    $ {t_c} $每检查一个模块所需时间
    $ {t_d} $每拆一个模块需要的时间
    $ {t_k} $组装模块k所需时间
    $ {t_p} $从仓库调用一个备用模块的时间
    $ c $并行维修组的数量
    $ {S_k} $模块k的全新备件数量
    $T$总维修时长
    ${T_c}$单批次检测总计时长
    ${T_d}$单批次无人机拆卸模块总计时长
    $ {T_k} $单批次无人机组装模块总计时长
    ${T_s}$单批次无人机拆装总计时长
    ${T_p}$单批次无人机需要从仓库调用备用模块时长
    $M$单架无人机功能模块数量
    $N$返航无人机数目
    ${C_{\max }}$单架无人机最大战斗能力
    ${C_{\min }}$单架无人机最小战斗能力
    ${m_1}$需要拆卸无人机数量
    ${m_2}$需要组装无人机数量
    ${q_k}$需要更换模块k的无人机数量
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    表  2  随机批量到达维修模型系统运行指标

    指标名称指标含义指标值
    ${L_s}$平均维修批次$ \dfrac{\lambda }{{\mu - \lambda }} $
    ${L_q}$等待维修的无人机批次$ \dfrac{{\rho \lambda }}{{\mu - \lambda }} $
    ${W_s}$无人机在系统中逗留时间的期望值$ \dfrac{1}{{\mu - \lambda }} $
    ${W_q}$无人机在队列中等待的时间的期望值$ \dfrac{\rho }{{\mu - \lambda }} $
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    表  3  维修时长参数

    参数名称参数含义参数值
    ${t_c}$检查时间0.1
    ${t_d}$拆卸时间0.5
    ${t_k}$组装时间1
    ${t_p}$调取备件时间0.1
    ${t_s}$启动时间0.3
    $c$并行组数1
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    表  4  确定批量完全维修模型实例结果

    模型实例参数结果值
    矩阵规模$N \times M$ 23 × 5
    损坏模块数量$Q$ 60
    检测时间${T_c}$ 11.5
    启动时间${T_s}$ 13.8
    组装时间${T_k}$ 60
    拆卸时间${T_d}$ 30
    调取备件时间${T_p}$ 6
    总计维修时长$T$ 121.3
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    表  5  确定批量完全维修模型准确性检验

    $N$$Q$${T_c}$${T_s}$${T_k}$${T_d}$${T_p}$$T$
    5182.531891.834.3
    100248506024812424.8506.8
    1000246450060024641232246.45042.4
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    表  6  确定批量不完全维修模型实例结果

    模型实例参数A组结果B组结果对照组
    矩阵规模$N \times M$ 108 × 5 92 × 5 108 × 5
    损坏模块数量$Q$ 170 314 267
    检测时间${T_c}$ 10.8 9.2 20.9
    启动时间${T_s}$ 64.8 27.6 64.8
    组装时间${T_k}$ 170 0 267
    拆卸时间${T_d}$ 85 73 193.5
    调取备件时间${T_p}$ 22.4 0 22.4
    总计时长 353 109.8 568.4
    总计维修时长$T$ 462.8 568.4
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    表  7  模型三实例运算结果

    参数实验一实验二实验三
    维修的无人机 49 43 46
    组装时间${T_k}$ 176 174 175
    调用时间${T_p}$ 17.7 16.8 17.3
    拆卸时间${T_d}$ 86.4 85 86.5
    启动时间${T_s}$ 29.4 28.8 27.6
    检测时间${T_c}$ 39 38 37.5
    总计维修时间$T$ 348.5 342.6 343.9
    下载: 导出CSV
  • [1] 罗德林, 张海洋, 谢荣增, 等. 基于多Agent系统的大规模无人机集群对抗[J]. 控制理论与应用, 2015, 32(11): 1498-1504

    LUO D L, ZHANG H Y, XIE R Z, et al. Unmanned aerial vehicles swarm conflict based on multi-agent system[J]. Control Theory & Applications, 2015, 32(11): 1498-1504 (in Chinese)
    [2] 刘怡彪, 徐淦, 袁野. 无人机系统维修保障模式探索与研究[J]. 科技传播, 2015, 7(15): 96-98

    LIU Y B, XU G, YUAN Y. Exploration and research on maintenance support mode of UAV system[J]. Public Communication of Science & Technology, 2015, 7(15): 96-98 (in Chinese)
    [3] 雷刚, 张文芝, 梅洪富. 无人机系统与有人机系统的维修模式对比研究[J]. 航空维修与工程, 2016(10): 29-30

    LEI G, ZHANG W Z, MEI H F. Comparative study of the maintenance mode between UAV system and MAV[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2016(10): 29-30 (in Chinese)
    [4] 王瑞朝, 王远达, 郭俊强, 等. 军用无人机两级维修保障系统研究[J]. 飞航导弹, 2009(11): 53-56

    WANG R C, WANG Y D, GUO J Q, et al. Research on two-level maintenance support system for military UAV[J]. Winged Missiles Journal, 2009(11): 53-56 (in Chinese)
    [5] 李尧, 吕瑞, 朱帅. 军用无人机远程维修信息需求分析[J]. 航空工程进展, 2014, 5(S1): 15-19

    LI Y, LYU R, ZHU S. On requirement analysis of the remote maintenance support information for a military UAV[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2014, 5(S1): 15-19 (in Chinese)
    [6] 乔振磊, 时旭东. 无人机系统基地级维修模式研究[J]. 航空维修与工程, 2016(6): 35-37

    QIAO Z L, SHI X D. Research on the depot-level maintenance mode of UAV system[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2016(6): 35-37 (in Chinese)
    [7] PETRITOLI E, LECCESE F, CIANI L. Reliability and maintenance analysis of unmanned aerial vehicles[J]. Sensors, 2018, 18(9): 3171 doi: 10.3390/s18093171
    [8] ANDREWS J D, POOLE J, CHEN W H. Fast mission reliability prediction for unmanned aerial vehicles[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2013, 120: 3-9
    [9] BA H T, CHOLETTE M E, BORGHESANI P, et al. Opportunistic maintenance considering non-homogenous opportunity arrivals and stochastic opportunity durations[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2017, 160: 151-161
    [10] SEIF J, YU A J, RAHMANNIYAY F. Modelling and optimization of a Bi-objective flow shop scheduling with diverse maintenance requirements[J]. International Journal of Production Research, 2018, 56(9): 3204-3225 doi: 10.1080/00207543.2017.1403660
    [11] 李耀华, 魏启东, 孙世磊. 机会维修策略下的民机系统维修决策优化模型[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(5): 808-815

    LI Y H, WEI Q D, SUN S L. Maintenance decision optimization model of civil aircraft system under opportunistic maintenance[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(5): 808-815 (in Chinese)
    [12] 王达梦, 马志勇, 柳亦兵, 等. 风电机组的机会成组更换维修策略[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(9): 1470-1476

    WANG D M, MA Z Y, LIU Y B, et al. Opportunistic group replacement maintenance strategy for wind turbines[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(9): 1470-1476 (in Chinese)
    [13] 黄伟, 阎春平, 王星荣, 等. 面向复杂工程项目型产品作业车间调度问题[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(3): 400-410

    HUANG W, YAN C P, WANG X R, et al. Job shop scheduling problem for complex engineering project products[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(3): 400-410 (in Chinese)
    [14] ROSS S M. Introduction to probability models[M]. 11th ed. Oxford: Academic Press, 2014
    [15] 李鹏举, 毛鹏军, 耿乾, 等. 无人机集群技术研究现状与趋势[J]. 航空兵器, 2020, 27(4): 25-32

    LI P J, MAO P J, GENG Q, et al. Research status and trend of UAV swarm technology[J]. Aero Weaponry, 2020, 27(4): 25-32 (in Chinese)
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  • 收稿日期:  2020-11-20
  • 刊出日期:  2023-02-25

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