基于作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)的目標(biāo)分配研究*

劉 濤 姜文志

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越注重使用飛機或?qū)棇Φ孛婺繕?biāo)的襲擊,對海軍港口、要地來說,來自空中目標(biāo)的威脅日益成為海軍所面臨的重大空中威脅。人工進行對空防御決策已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)的需要。運用智能決策支持技術(shù)建立的對空防御輔助決策系統(tǒng),可以在復(fù)雜而瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢下幫助指揮員迅速、準(zhǔn)確地做出對空防御決策。該系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場情況向指揮員提供一個或若干個具有相應(yīng)領(lǐng)域知識的專家所能提供的決策方案供其參考。

目標(biāo)分配是防空作戰(zhàn)指揮控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),分配的優(yōu)劣直接關(guān)系到防空作戰(zhàn)效果及整體效能的發(fā)揮。而現(xiàn)代防空作戰(zhàn)目標(biāo)分配通常是多個防空武器系統(tǒng)對多個目標(biāo)進行火力攻擊,所涉及的因素也相應(yīng)增加,對目標(biāo)的優(yōu)化分配難度增大。建立科學(xué)、合理的防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)單元目標(biāo)分配模型,為防空作戰(zhàn)目標(biāo)分配提供科學(xué)依據(jù)就顯得尤為關(guān)鍵。

2 防空作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)的構(gòu)建

防空作戰(zhàn)輔助決策支持系統(tǒng)是以系統(tǒng)工程、軍事運籌學(xué)、人工智能為基礎(chǔ),以計算機技術(shù)、信息技術(shù)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和仿真數(shù)學(xué)模型為手段[1],針對作戰(zhàn)過程中的半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化決策問題,利用模型和數(shù)據(jù)支持決策活動的具有智能作用的人-機交互系統(tǒng)。

2.1 設(shè)計思想

作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)立足點是輔助指揮員對空防御作戰(zhàn),通過信息技術(shù)的運用,改善指揮人員的行為,為指揮員進行科學(xué)決策提供支持,而非代替指揮員進行決策,人仍是整個作戰(zhàn)系統(tǒng)中起決定作用的關(guān)鍵因素[2]。該系統(tǒng)加載于指控系統(tǒng)之內(nèi),并通過指控系統(tǒng)獲取必要的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息,在決策過程中使用模型和數(shù)據(jù),并采用模型驅(qū)動機制,來完成定性的知識推理、定量的模型計算,在進行一系列的數(shù)據(jù)處理后,將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的行動方案,合理分配防空資源,以比人快得多的速度實施科學(xué)指揮。

2.2 體系結(jié)構(gòu)

防空作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)以防空武器指控系統(tǒng)為其運行平臺,它把各種傳感器實時獲取的各種數(shù)據(jù),經(jīng)過傳輸、相關(guān)處理等數(shù)據(jù)融合后,從而更加準(zhǔn)確地實現(xiàn)目標(biāo)識別和跟蹤,并把處理后的數(shù)據(jù)作為本系統(tǒng)必要的決策數(shù)據(jù)信息。決策系統(tǒng)依靠這些信息建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫,并利用知識庫和模型庫產(chǎn)生輔助決策方案。防空輔助決策系統(tǒng)與防空武器指控系統(tǒng)共用同一硬件環(huán)境,其軟件是選擇合適的計算機語言開發(fā)的決策系統(tǒng)、知識庫和推理機構(gòu)成該軟件的核心,模型庫和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成決策環(huán)境,可以較好地解決模型的半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化問題。其基本組成包括數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、模型庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其管理系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)等。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

3 基于輔助決策系統(tǒng)的目標(biāo)分配模型

所謂目標(biāo)分配是指上級指揮控制中心向其下級分配需要攔截的空中目標(biāo),通過合理的目標(biāo)分配,達到盡可能高的作戰(zhàn)效能。在防空指揮自動化系統(tǒng)中,目標(biāo)分配決策依據(jù)的主要信息是目標(biāo)的航路捷徑、目標(biāo)在發(fā)射區(qū)(殺傷區(qū))內(nèi)飛行時間和目標(biāo)的飛臨時間。系統(tǒng)通過所獲情報信息,經(jīng)數(shù)據(jù)融合等預(yù)處理后,獲得目標(biāo)的綜合信息。然后計算目標(biāo)的飛行諸元,并進行威脅判定排序。關(guān)于敵我雙方的態(tài)勢數(shù)據(jù)、目標(biāo)飛行諸元和威脅等級都將存入綜合數(shù)據(jù)庫。在綜合數(shù)據(jù)庫中還保存有我防空兵器的數(shù)據(jù)、配置、火力范圍等數(shù)據(jù)。計算機根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫中相關(guān)信息以及指揮員的決心等,對目標(biāo)進行最優(yōu)分配。

3.1 目標(biāo)分配模型

根據(jù)防空作戰(zhàn)的特點、當(dāng)時的態(tài)勢,以及敵、我雙方的兵器性能等,建立一套分配規(guī)則作為知識庫里的知識,使分配結(jié)果接近軍事專家所期望的最佳效果。推理機運用知識庫的知識、綜合數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)和實時情報,按照指定的推理方法和檢索策略進行各種推理,并調(diào)用目標(biāo)分配模型庫模型,得出各種解決問題的方案,以適應(yīng)目標(biāo)分配輔助決策系統(tǒng)實時性和動態(tài)性特點和要求。人機接口提供用戶或?qū)＜遗c系統(tǒng)之間的對話機制,通過解釋系統(tǒng)可使用戶及時了解系統(tǒng)的推理原則和推理過程,并可為指揮員進行干預(yù)提供條件。還可通過人機接口為知識庫提供和修改知識,通過對實際情況的歸納總結(jié)獲取新的知識。其模型圖如圖2所示[3]。

圖2 作戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)目標(biāo)分配模型圖

3.2 模型知識表示

存放在知識庫中的各類知識由知識庫管理系統(tǒng)進行管理和維護,包括知識的存儲、檢索、獲取及檢查等工作。軍事知識的表示模糊性很強,一般用產(chǎn)生式規(guī)則來表示。目標(biāo)的可攔截條件及目標(biāo)優(yōu)化分配準(zhǔn)則是知識庫里的重要知識,下面以地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)為例,作簡要介紹。

3.2.1 目標(biāo)的可攔截條件

目標(biāo)可攔截性判斷是火力單元攔截目標(biāo)的必要條件。這里僅僅是根據(jù)目標(biāo)位置、屬性識別結(jié)果和武器控制狀態(tài),決定是否適宜進行攔截。

1)基本問題假定

m批空中來襲目標(biāo),n個防空火力單元。

2)空間約束條件

空間約束條件是指目標(biāo)必須能夠經(jīng)過防空區(qū)域某一火力單元的殺傷區(qū)。第j批目標(biāo)能被第i火力單元攔截的條件為:

式中,Pij、Hj、vj分別表示目標(biāo) j對火力單元i的航路捷徑、目標(biāo)j的飛行高度和速度;Pmax、Himax、Himin、vimax分別是火力單元i可射擊目標(biāo)的最大航路捷徑、最大高度、最小高度和可攔截目標(biāo)的最大速度。

3)時間約束條件

時間約束條件描述了目標(biāo)的飛抵發(fā)射區(qū)時間與火力單元的最小射擊周期之間的關(guān)系。設(shè)第j批目標(biāo)到達火力單元i發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界的時間為tj1,導(dǎo)彈近界的時間為tj2,火力單元發(fā)射導(dǎo)彈的時間為tj f,對第k批目標(biāo)發(fā)射導(dǎo)彈的時間為tkf,最小射擊周期為tz,則有tj1≤tjf≤tj2、|tjf-tkf|≥tz(k≠f)。

4)物質(zhì)約束條件

物質(zhì)約束條件是指防空火力單元處于正常戰(zhàn)斗狀態(tài),而非故障狀態(tài),并且在射擊過程中作戰(zhàn)資源是否滿足射擊攔截目標(biāo)的條件。

只有滿足上述約束條件的目標(biāo)才會進行威脅評估排序和目標(biāo)分配,以提供防空作戰(zhàn)指揮輔助決策。

3.2.2 目標(biāo)優(yōu)化分配函數(shù)的選擇與解算

1)目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)目標(biāo)分配之前已經(jīng)進行了威脅評估,并設(shè)目標(biāo) j的威脅權(quán)重為ωj。

確定決策變量xij:第i個火力單元對第j個目標(biāo)進行攔截,取值為1;否則取值為0。

火力單元對目標(biāo)的攔截時間tij:第i個火力單元攔截第j個目標(biāo)時的攔截時間。

目標(biāo)函數(shù)的建立是圍繞作戰(zhàn)效能指標(biāo)的要求進行的,于是可得理想目標(biāo)函數(shù)表達式:

2)函數(shù)解算

目標(biāo)分配問題是一個N-P問題,求解最優(yōu)的目標(biāo)分配方案是十分困難的。而且本文模型主要針對工程應(yīng)用,模型解算不一定苛求最優(yōu),但要保證是滿意解,且尋優(yōu)時間不能太長。本文采用啟發(fā)式[4]方法,按照分配準(zhǔn)則,在保證每次約束都是可行的基礎(chǔ)上,動態(tài)地進行優(yōu)選,尋求最優(yōu)的分配方案。該方法實現(xiàn)較易,且滿足實時性要求,適用于工程應(yīng)用。其解算步驟如下:

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(1)確定目標(biāo)分配區(qū)域:目標(biāo)分配區(qū)域是指在進行地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)目標(biāo)分配時,能夠使所分配的目標(biāo)在經(jīng)歷正常的作戰(zhàn)流程后,在殺傷區(qū)同導(dǎo)彈相遇的所有目標(biāo)位置點所構(gòu)成的空間區(qū)域。如果同樣用高界、低界、遠(yuǎn)界、近界來表征目標(biāo)分配區(qū)域,則其高、低界與殺傷區(qū)高、低界應(yīng)完全一致。所以,這里只需討論目標(biāo)分配區(qū)域遠(yuǎn)、近界,如圖3所示。目標(biāo)分配區(qū)域遠(yuǎn)界實際就是武器系統(tǒng)進行目標(biāo)分配的起始線,武器系統(tǒng)對于越過該線的目標(biāo)按目標(biāo)到達的前后次序,不斷用后續(xù)目標(biāo)頂替前面的目標(biāo),循環(huán)進行火力分配;目標(biāo)分配區(qū)域近界是武器系統(tǒng)進行目標(biāo)分配的終了線,系統(tǒng)對于越過該線的目標(biāo)不進行目標(biāo)火力分配。

(2)按照威脅度、到火時間、航路捷徑等對目標(biāo)進行攔截順序排隊,按照虛擬飛臨時間給出攔截目標(biāo)的火力單元隊列。當(dāng)有多個火力單元可以對同一個目標(biāo)進行射擊時,需要選擇一個射擊效果最佳的火力單元。文中采用綜合多種因素的虛擬飛臨時間[5]作為選擇準(zhǔn)則。如圖4所示,已知目標(biāo)到達殺傷區(qū)近界的飛臨時間:

其中,dj、dmin分別為目標(biāo)到火力單元的水平距離和火力單元殺傷區(qū)的近界。

根據(jù)文獻[5],對上式進行改進,計算

α是幾何意義上的航路角。

顯然Δt值與目標(biāo)航路捷徑成正比。

若其它條件相同,虛擬飛臨時間最短的火力單元最有利。

(3)求可行解,即驗證第(2)步求出的解是否滿足空間、時間、物資約束條件。

(4)求滿意解,即在可行解基礎(chǔ)上,設(shè)法減少未遭攔截的目標(biāo)數(shù)。

4 結(jié)語

本文給出的目標(biāo)分配模型以及數(shù)學(xué)推理,具有很好的工程可實現(xiàn)性;采用可調(diào)整的分配區(qū)域,可較好滿足實際要求。該模型中的不足是有待在實踐中進一步改進和完善。

[1]陳文偉,廖建文.決策支持系統(tǒng)及其開發(fā)[M].第三版.北京:清華大學(xué)出版社,2008

[2]王瑛,侯朝楨,馮天飛.DIS作戰(zhàn)指揮輔助決策系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2002(7):20～22

[3]曾繁倫,劉進忙,惠永輝.基于智能決策支持系統(tǒng)的目標(biāo)分配模型[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2007,27(3):261～263

[4]張雷,孫金萍,劉向民.基于主從遞階決策的戰(zhàn)術(shù)級防空武器目標(biāo)分配模型[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(4):676～677

[5]呂輝,賀正洪.防空指揮自動化系統(tǒng)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003