資源約束條件下艦艇編隊(duì)多智能體協(xié)作規(guī)劃

楊 飛 王 青 吳振東

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

資源約束條件下艦艇編隊(duì)多智能體協(xié)作規(guī)劃

楊 飛 王 青 吳振東

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

從分析艦艇編隊(duì)對(duì)海作戰(zhàn)的流程出發(fā),在決策過程中引入多智能體系統(tǒng)(MAS,Multi-Agent System)理論,建立了編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn) Agent模型.針對(duì)艦艇編隊(duì) Agent協(xié)作規(guī)劃過程中受資源約束產(chǎn)生資源占用沖突的問題,建立一種主從式結(jié)構(gòu)多 Agent協(xié)作規(guī)劃模型,并提出一種集中與分布規(guī)劃相結(jié)合的 MAS協(xié)作規(guī)劃方法.仿真實(shí)例表明:該方法可有效實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)編隊(duì)各 Agent之間的協(xié)作與協(xié)調(diào),保證艦艇編隊(duì)在滿足資源約束條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)期戰(zhàn)術(shù)目標(biāo).

資源約束;Agent;編隊(duì)協(xié)同;反艦作戰(zhàn);規(guī)劃

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化的戰(zhàn)爭(zhēng),與以往的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)相比,信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是多維領(lǐng)域中的兵種協(xié)同和多平臺(tái)聯(lián)合的一體化作戰(zhàn)[1].通過一體化作戰(zhàn),使得參戰(zhàn)部隊(duì)能夠在各種層次上充分利用武器系統(tǒng)資源,從而可以擴(kuò)大作戰(zhàn)空間,提高部隊(duì)的實(shí)際作戰(zhàn)能力.在海上作戰(zhàn)中,艦艇編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)已成為現(xiàn)代海上作戰(zhàn)的主要形式,對(duì)其進(jìn)行研究的重要性也日趨明顯.

艦艇編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)的核心問題,在于如何實(shí)現(xiàn)各作戰(zhàn)成員之間高效的協(xié)作與協(xié)調(diào).基于智能體(Agent)和多智能體(MAS,Multi-Agent System)規(guī)劃[2]是研究協(xié)作問題的一種非常重要的方法,但 Agent協(xié)同效率不是簡(jiǎn)單的線性求和,而是一個(gè)高耦合度個(gè)體間相互作用的增量.在實(shí)際對(duì)海作戰(zhàn)中,艦艇編隊(duì)要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),需要達(dá)到時(shí)間、空間以及武器數(shù)量的多樣式協(xié)同,而艦艇編隊(duì)以及導(dǎo)彈武器受自身性能限制,在規(guī)劃作戰(zhàn)方案時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生彼此間的資源占用沖突.目前,基于 Agent的作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域,相關(guān)學(xué)者建立了多種不同層次的 Agent協(xié)作模型[3-4],但考慮實(shí)際協(xié)作過程中資源約束的研究甚少.如何在滿足資源約束的條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),協(xié)調(diào)和消解沖突,是保證協(xié)同攻擊順利實(shí)施的關(guān)鍵.

因此,本文基于 MAS理論研究資源約束條件下的艦艇編隊(duì)協(xié)同規(guī)劃方法,旨在為海上編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究提供貼近實(shí)戰(zhàn)的方法.

1 編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn) Agent分類

一次反艦作戰(zhàn)的基本流程是:收到敵情通報(bào)→情報(bào)探測(cè)→數(shù)據(jù)融合(建立敵我態(tài)勢(shì)圖)→目標(biāo)分配→方案制定→作戰(zhàn)實(shí)施→射擊效果評(píng)定,滿足射擊要求則執(zhí)行其他任務(wù),否則重新進(jìn)行威脅判斷并進(jìn)行目標(biāo)分配,繼續(xù)打擊.

根據(jù)反艦作戰(zhàn)任務(wù)的流程分析,在編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)過程中,需要設(shè)置的 Agent主要包括:戰(zhàn)場(chǎng)感知 Agent、總體指揮 Agent、編隊(duì)指揮 Agent、作戰(zhàn)單元 Agent和通信 Agent,各 Agent之間交互關(guān)系圖如圖 1所示.

圖1 編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)Agent交互關(guān)系圖

各組成 Agent的作用描述如下:

戰(zhàn)場(chǎng)感知Agent:接收來自地面雷達(dá)站或空中預(yù)警機(jī)關(guān)于目標(biāo)的數(shù)據(jù)情報(bào),經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算融合等預(yù)處理后,獲得目標(biāo)的綜合航跡信息,并根據(jù)威脅目標(biāo)的參數(shù)確定該目標(biāo)的威脅等級(jí),進(jìn)行威脅程度排序.

總體指揮Agent:負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分析、明確上級(jí)意圖,判斷敵我雙方戰(zhàn)況、進(jìn)行地形分析,綜合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及參謀人員意見后形成初步作戰(zhàn)方案,分配給各作戰(zhàn)編隊(duì).

編隊(duì)指揮 Agent:接收初步作戰(zhàn)方案,根據(jù)目標(biāo)態(tài)勢(shì)、戰(zhàn)術(shù)要求、作戰(zhàn)編隊(duì)的武器裝備以及其它打擊約束條件進(jìn)行武器-目標(biāo)分配,制定本作戰(zhàn)編隊(duì)的火力分配方案.

作戰(zhàn)單元 Agent:實(shí)施編隊(duì)指揮 Agent制定的火力分配方案,對(duì)敵目標(biāo)進(jìn)行火力打擊.

通信Agent:負(fù)責(zé)火力分配方案制定過程中多Agent間協(xié)作與協(xié)調(diào)的相關(guān)通信.

2 編隊(duì)作戰(zhàn)中的資源約束分析

資源是 Agent操作的對(duì)象,也是 Agent產(chǎn)生的對(duì)象.艦艇編隊(duì)在打擊目標(biāo)時(shí),各作戰(zhàn) Agent為完成所擔(dān)負(fù)的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),規(guī)劃自身的行為進(jìn)行問題求解,必須占用和消耗相關(guān)資源要素,如時(shí)間、空間、武器裝備、通信通道等.根據(jù)資源的使用和消耗特性,資源可分為重復(fù)性資源和消耗性資源,重復(fù)資源是指可以多次使用的資源,消耗性資源如燃料、彈藥等,一旦被消耗掉后就無法再生,其他Agent便無法使用.而編隊(duì)中的時(shí)間和空間這兩種資源,它們屬于重復(fù)性資源還是消耗性資源是相對(duì)的:當(dāng)時(shí)間相同時(shí),空間就是消耗性資源;當(dāng)時(shí)間不相同時(shí),空間就是重復(fù)性資源;同理,空間相同時(shí),時(shí)間是消耗性資源;空間不同時(shí),時(shí)間是重復(fù)性資源.

圖2是空間資源沖突與時(shí)間資源沖突的典型示例.當(dāng)艦艇 1要打擊目標(biāo) A時(shí),艦艇 2正位于艦艇 1的射向上,這就發(fā)生了空間消耗性資源沖突.時(shí)間資源沖突與此類似,受艦上發(fā)射平臺(tái)射前準(zhǔn)備時(shí)間限制,同一發(fā)射平臺(tái)不可能在同一時(shí)間發(fā)射出 2枚導(dǎo)彈.

圖2 空間與時(shí)間資源沖突示意圖

對(duì)于艦艇編隊(duì),協(xié)同打擊敵目標(biāo)群的情況比打擊單一目標(biāo)復(fù)雜得多.在滿足自身資源約束的條件下,還應(yīng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),因此艦艇編隊(duì)協(xié)同攻擊需考慮的資源要素包括以下 4類:

1)我方火力單元特性.主要有型號(hào)、數(shù)量、位置,對(duì)各種目標(biāo)的毀傷效能以及可用載彈量,轉(zhuǎn)移火力反應(yīng)時(shí)間等.

2)目標(biāo)單位特性.主要有目標(biāo)類別、數(shù)量、位置、價(jià)值、威脅程度、易損性以及目標(biāo)幾何特性(點(diǎn)目標(biāo)、面目標(biāo)、群目標(biāo))等.

3)最優(yōu)準(zhǔn)則.最大化對(duì)目標(biāo)的毀傷程度(或毀傷目標(biāo)數(shù)),最小化所有火力單位數(shù)目和彈藥消耗.

4)射擊時(shí)機(jī)條件.主要指目標(biāo)出現(xiàn)到進(jìn)行目標(biāo)分配過程的時(shí)間及時(shí)機(jī),各平臺(tái)的火力轉(zhuǎn)移時(shí)間等,所有時(shí)間應(yīng)在分配起始線和分配終了線構(gòu)成的分配區(qū)之內(nèi)進(jìn)行.

3 編隊(duì)協(xié)同 MAS協(xié)作規(guī)劃模型設(shè)計(jì)

在艦艇編隊(duì)中,如果僅將各條艦艇抽象為獨(dú)立的作戰(zhàn)智能體,根據(jù)上級(jí)下達(dá)的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),自主制定行動(dòng)和攻擊方案,由于共享資源的有限性,每個(gè)作戰(zhàn)單元 Agent在進(jìn)行行為規(guī)劃時(shí),必然會(huì)與其他 Agent發(fā)生沖突,主要表現(xiàn)在對(duì)資源的占用沖突[5],并且難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo).因此,本文提出一種主從式層次體系結(jié)構(gòu)的 MAS協(xié)作規(guī)劃模型(如圖 3所示),其中,管理者 Agent保存著自身的信息、組內(nèi)成員的信息及同一層次其它Agent的信息,而組內(nèi) Agent只保存有其自身的本體信息.當(dāng) Agent依靠自身能力不能完成目標(biāo)或與其它 Agent產(chǎn)生行為沖突時(shí),它通知組內(nèi)管理者 Agent,該 Agent進(jìn)行沖突消解,或者調(diào)動(dòng)其它Agent作為協(xié)作者來完成目標(biāo);如果組內(nèi)管理者Agent在組內(nèi)找不到協(xié)作者,則與上一級(jí)或者同一級(jí)管理者 Agent進(jìn)行交互,直到找到合作伙伴協(xié)作完成目標(biāo).

圖3 主從式MAS協(xié)作規(guī)劃模型

基于文獻(xiàn)[6]的抽象模型理論,本文對(duì)協(xié)作規(guī)劃過程進(jìn)行擴(kuò)展,共分為 6個(gè)階段,將協(xié)作模型Cm定義為

Ma:管理者 Agent.在協(xié)作過程中,管理者Agent負(fù)責(zé)制訂、分發(fā)計(jì)劃和任務(wù)目標(biāo).管理者Agent本身又可以分為系統(tǒng)級(jí)管理者和組內(nèi)管理者兩類.系統(tǒng)級(jí)管理者 Agent負(fù)責(zé)制訂總體計(jì)劃,組內(nèi)管理者 Agent能夠制訂(或者選擇)子計(jì)劃.子計(jì)劃包含于系統(tǒng)總計(jì)劃.在多 Agent協(xié)作規(guī)劃過程中,管理者 Agent提出協(xié)作需求,對(duì)協(xié)作目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃并根據(jù)其它 Agent特性分發(fā)任務(wù)和選擇協(xié)作伙伴.

Cp:協(xié)作規(guī)劃.協(xié)作規(guī)劃是面向目標(biāo)的問題求解的開始.多個(gè) Agent規(guī)劃的結(jié)果是初步確定出完成協(xié)作目標(biāo)所需要的合作伙伴應(yīng)當(dāng)具備的能力及相關(guān)特性,以及相互間的分工協(xié)作關(guān)系.

Ct:參與協(xié)作的協(xié)作 Agent組.組內(nèi)管理者Agent屬于 Ct.協(xié)作 Agent組的生成是系統(tǒng)級(jí)管理者 Agent根據(jù)參與協(xié)作的Agent的主要特性,主要是在完成總體目標(biāo)過程中可能表現(xiàn)出的能力特性而分成的組.有沖突時(shí)先從組內(nèi)協(xié)調(diào),再到系統(tǒng)內(nèi)協(xié)調(diào),可在一定程度上避免混亂狀態(tài).

Cs:協(xié)作方案.與 Ct相對(duì)應(yīng),并且屬于 Cp的一部分.

Ga:目標(biāo).多個(gè) Agent協(xié)作要達(dá)到的目標(biāo).系統(tǒng)目標(biāo)由系統(tǒng)級(jí)管理者 Agent根據(jù)實(shí)際情況產(chǎn)生,子目標(biāo)由組內(nèi) Agent產(chǎn)生.

Ev:評(píng)估能力狀況及協(xié)作行動(dòng)結(jié)果.

4 編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn) MAS規(guī)劃方法

編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)方案是在總體指揮機(jī)構(gòu)的組織下,各艦艇兵力經(jīng)過充分的協(xié)商而制定的,因此,應(yīng)首先由編隊(duì)各艦艇指揮智能體針對(duì)各自的作戰(zhàn)任務(wù)以及戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)實(shí)施集中規(guī)劃,并在形成最初的作戰(zhàn)方案后,采用分布協(xié)商方式對(duì)方案沖突進(jìn)行消除.對(duì)于各作戰(zhàn)單元間無法通過協(xié)商達(dá)成一致的矛盾由總體指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行仲裁.

由此,根據(jù)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的特點(diǎn),本文提出一種集中與分布相結(jié)合的 MAS規(guī)劃方法.

4.1 變量定義

規(guī)劃動(dòng)作的常用描述方式是由文獻(xiàn)[7-8]提出的動(dòng)作描述語言(ADL,Action Description Language),用動(dòng)作的前提和效果構(gòu)成的二元組〈P,E〉來進(jìn)行描述,即 P為動(dòng)作的前提條件,E為動(dòng)作的效果.

本文對(duì) ADL進(jìn)行了擴(kuò)展來描述 MAS系統(tǒng)中Agent的動(dòng)作,在二元組描述的基礎(chǔ)上,引入發(fā)生動(dòng)作的 Agent的描述,采用三元組來描述動(dòng)作.

定義 1動(dòng)作 O是三元組〈A,Ps,E〉,A為執(zhí)行動(dòng)作的 Agent,Ps為前提條件集合,E為動(dòng)作的效果.O〈A,Ps,E〉表示 Agent(A)在條件 Ps下,執(zhí)行動(dòng)作 O,產(chǎn)生狀態(tài) E.用 Po表示動(dòng)作 O的前提條件,用 Eo表示動(dòng)作 O的效果.

定義 2規(guī)劃 P是四元組〈Is,Os,St,Gs〉,Is為規(guī)劃的初始狀態(tài),Os為動(dòng)作集合,St為執(zhí)行動(dòng)作過程的約束集及最優(yōu)準(zhǔn)則,Gs為規(guī)劃的目標(biāo)狀態(tài).

定義 3 任務(wù)是 Agent為完成規(guī)劃而必須承擔(dān)的工作.任務(wù)描述為M〈Mk,Mt,Ms〉,Mk為任務(wù)M的類型,Mt為 M所針對(duì)的威脅目標(biāo),Ms為任務(wù)M的消耗.

Agent的各項(xiàng)任務(wù)構(gòu)成一個(gè)任務(wù)集合,表示為 Ma={M1,M2,…,Mn}.任務(wù)之間的優(yōu)先順序約束記為 Ma?Mb,表明任務(wù) A優(yōu)先任務(wù) B執(zhí)行.

4.2 規(guī)劃描述

1)初始狀態(tài).總體指揮 Agent根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),將反艦作戰(zhàn)的總?cè)蝿?wù)分解為各編隊(duì) Agent的任務(wù)集并下發(fā).

2)目標(biāo)狀態(tài).各編隊(duì)指揮 Agent的任務(wù)處理完畢,編隊(duì)協(xié)同反艦火力分配決策方案已制定,作戰(zhàn)單元Agent依據(jù)行動(dòng)序列進(jìn)行實(shí)施.

3)資源約束集與最優(yōu)準(zhǔn)則.本文中,艦艇編隊(duì)對(duì)敵作戰(zhàn)武器假定為反艦導(dǎo)彈,資源約束條件下制定火力分配方案過程中應(yīng)遵循如下約束關(guān)系以及最優(yōu)準(zhǔn)則:①導(dǎo)彈飛行航路必須符合自身性能要求,即導(dǎo)彈可用過載和轉(zhuǎn)向半徑、導(dǎo)彈動(dòng)力航程等約束;②導(dǎo)彈飛行航路滿足航路距離最小以及航路轉(zhuǎn)向點(diǎn)最少原則,即在存在多條可行航路的情況下,應(yīng)該使選取的可用航路航程盡可能短,航路點(diǎn)數(shù)目盡量少,以減少導(dǎo)彈自控終點(diǎn)散布誤差,提高捕獲概率;③協(xié)同實(shí)施飽和攻擊原則,在導(dǎo)彈武器射前準(zhǔn)備時(shí)間相對(duì)固定的情況,應(yīng)通過設(shè)置發(fā)射時(shí)間差,使不同時(shí)刻由不同作戰(zhàn)單元Agent發(fā)射的導(dǎo)彈經(jīng)不同的航路飛行,同時(shí)到達(dá)一個(gè)或多個(gè)目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的飽和攻擊;④全方位打擊原則,對(duì)同一目標(biāo)的攻擊中,為避免多枚導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的相互干擾,應(yīng)使多枚導(dǎo)彈攻入方向互相保持一定夾角;⑤滿足轉(zhuǎn)移火力時(shí)間原則,對(duì)同一作戰(zhàn)單元 Agent,向前一目標(biāo)開火射擊以后,在向后一目標(biāo)開火射擊之前,需要有一段轉(zhuǎn)移火力的時(shí)間間隔,如果齊發(fā) 2枚導(dǎo)彈還需一定的射前準(zhǔn)備時(shí)間.

4)規(guī)劃步驟.依據(jù)以上對(duì)反艦作戰(zhàn)編隊(duì)規(guī)劃的相關(guān)描述,制定 MAS協(xié)同規(guī)劃步驟如下:

步驟 1 總體指揮 Agent對(duì)當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分析,在綜合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及參謀人員意見后形成初步作戰(zhàn)方案,分配給各作戰(zhàn)編隊(duì).

步驟 2 編隊(duì)指揮 Agent接收作戰(zhàn)方案,對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行排序,構(gòu)建自身任務(wù)堆棧集合 Ma.

步驟 3 編隊(duì)指揮 Agent從 Ma中順序獲取當(dāng)前處理任務(wù) Mi.如 Ma為空集,說明 Agent所有任務(wù)規(guī)劃都已處理完成,轉(zhuǎn)至步驟 10,規(guī)劃成功.

步驟 4 若 Mi為作戰(zhàn)任務(wù),編隊(duì)指揮 Agent根據(jù)自身能力,針對(duì) Mi進(jìn)行協(xié)作需求分析,若需要其它 Agent的協(xié)作,轉(zhuǎn)入步驟 6,否則,繼續(xù)下一步;若 Mi為協(xié)作任務(wù),由編隊(duì)指揮 Agent根據(jù)協(xié)作內(nèi)容生成協(xié)作行動(dòng)預(yù)案,轉(zhuǎn)入步驟 8.

步驟 5 編隊(duì)指揮 Agent基于自身作戰(zhàn)資源制定針對(duì) Mi的行動(dòng)預(yù)案,轉(zhuǎn)入步驟 8.

步驟 6 編隊(duì)指揮 Agent根據(jù)協(xié)作需求分析結(jié)果和編隊(duì)其它 Agent的能力,確定當(dāng)前任務(wù)的協(xié)作伙伴集合,并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,完成后轉(zhuǎn)入下一步.如無協(xié)作伙伴,轉(zhuǎn)入步驟 5.

步驟 7 編隊(duì)指揮 Agent按照協(xié)作伙伴集合順序,通過通訊 Agent向協(xié)作伙伴發(fā)送協(xié)作申請(qǐng).協(xié)作伙伴接收申請(qǐng)后,對(duì)該申請(qǐng)進(jìn)行評(píng)估,若同意協(xié)作,則由協(xié)作伙伴根據(jù)協(xié)作目標(biāo)和自身作戰(zhàn)資源情況制定協(xié)作預(yù)案;若未批準(zhǔn),編隊(duì)指揮 Agent從以下 3種路徑中進(jìn)行選擇:①向其它協(xié)作伙伴申請(qǐng)協(xié)作,轉(zhuǎn)入步驟 7;②上報(bào)總體指揮 Agent進(jìn)行仲裁,返回仲裁結(jié)果,轉(zhuǎn)入步驟 2;③放棄針對(duì)Mi的協(xié)作,轉(zhuǎn)入步驟 5.

步驟 8 編隊(duì)指揮 Agent生成作戰(zhàn)預(yù)案后,通過通訊 Agent將該預(yù)案發(fā)送給所有其它 Agent進(jìn)行沖突檢測(cè).若無沖突,該預(yù)案正式成為方案,加入作戰(zhàn)方案集,供各作戰(zhàn)單元 Agent進(jìn)行實(shí)施;若存在沖突,采用沖突消除規(guī)則對(duì)預(yù)案進(jìn)行沖突消除,返回處理結(jié)果.完成后轉(zhuǎn)入下一步.

步驟 9 編隊(duì)指揮Agent當(dāng)前任務(wù)Mi處理完成,將 Mi從 Ma中刪除,轉(zhuǎn)入步驟 2,進(jìn)行下一任務(wù)的規(guī)劃.

步驟 10 當(dāng)所有編隊(duì)指揮 Agent的所有任務(wù)規(guī)劃均完成后,規(guī)劃結(jié)束.

步驟 11 作戰(zhàn)單元 Agent根據(jù)規(guī)劃結(jié)果對(duì)方案集進(jìn)行順序?qū)嵤?

這種 MAS規(guī)劃方法將集中規(guī)劃與分布規(guī)劃的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,具體作戰(zhàn)方案的制定由各編隊(duì)指揮 Agent分布完成,減輕了作為中央?yún)f(xié)調(diào)者的總體指揮 Agent的計(jì)算量,在保證總體指揮Agent在作戰(zhàn)規(guī)劃中主導(dǎo)作用的基礎(chǔ)上,減少了對(duì)總體指揮的依賴性,使編隊(duì)數(shù)量不受中央?yún)f(xié)調(diào)者計(jì)算能力的制約.

5 仿真實(shí)例分析

5.1 戰(zhàn)局假設(shè)

設(shè)問題為紅、藍(lán)軍對(duì)抗,假設(shè)藍(lán)方雷達(dá)發(fā)現(xiàn) 4艘敵艦 T1～T4,其中 T1為敵指揮艦,T2～T4為某型驅(qū)逐艦,藍(lán)方組織指揮艦 G1與 4艘具有多目標(biāo)攻擊能力的驅(qū)逐艦 S1～S4組成作戰(zhàn)編隊(duì)對(duì)其進(jìn)行打擊.假設(shè)藍(lán)方裝備武器為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,資源約束描述:總載彈數(shù)目為 15枚,各作戰(zhàn)單元 S1～S4載彈數(shù)目分別為 5,3,4,3,對(duì)同一驅(qū)逐艦作戰(zhàn)單元,射前準(zhǔn)備時(shí)間約束為相鄰 2枚導(dǎo)彈發(fā)射間隔大于45s,火力轉(zhuǎn)移時(shí)間約束為從前一目標(biāo)至后一目標(biāo)的火力轉(zhuǎn)移時(shí)間大于 56 s.

應(yīng)用編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn) MAS規(guī)劃方法,對(duì)協(xié)同作戰(zhàn)方案實(shí)施規(guī)劃,規(guī)劃過程及結(jié)果如下:

1)指揮艦 G1作為總體指揮 Agent,生成戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)與總體方案:

{以擊沉敵指揮艦 T1為首要目標(biāo);對(duì)敵艦編隊(duì)實(shí)施打擊;在武器資源有限條件下,對(duì)敵目標(biāo)實(shí)施飽和攻擊}

2)驅(qū)逐艦 S1作為編隊(duì)指揮 Agent,接收作戰(zhàn)總體方案后,構(gòu)建任務(wù)堆棧 Ma為:①作戰(zhàn)任務(wù)M1:擊沉敵指揮艦 T1;②協(xié)作任務(wù) M2:消耗不同作戰(zhàn)單元共 4枚導(dǎo)彈對(duì)敵指揮艦 T1實(shí)施協(xié)同飽和攻擊;③作戰(zhàn)任務(wù) M3:重創(chuàng)敵驅(qū)逐艦 T2,T3,T4;④協(xié)作任務(wù) M4:擊沉敵指揮艦 T1后,各作戰(zhàn)平臺(tái)利用剩余載彈量,對(duì)敵 T2,T3,T4實(shí)施協(xié)同飽和攻擊,導(dǎo)彈數(shù)目分配為 3枚、3枚、2枚.

3)編隊(duì)指揮 Agent從 Ma中順序獲取當(dāng)前任務(wù)Mi.

如 Mi為作戰(zhàn)任務(wù),則編隊(duì)指揮 Agent獲取編隊(duì)當(dāng)前作戰(zhàn)單元資源(載彈量),根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)指定目標(biāo)方位與作戰(zhàn)單元位置,計(jì)算從各作戰(zhàn)單元發(fā)射攻擊該目標(biāo)的所有飛行航路及捕獲概率,作為備選行動(dòng)預(yù)案.

如 Mi是協(xié)作任務(wù),則根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求,實(shí)施飽和攻擊的協(xié)作原則為:①判定當(dāng)前作戰(zhàn)單元Agent載彈量,如載彈量不足則需要其它 Agent協(xié)作;②對(duì)同一目標(biāo),判定當(dāng)前作戰(zhàn)單元 Agent連射 2枚導(dǎo)彈能否滿足射前準(zhǔn)備時(shí)間約束,如不能滿足則需要其它 Agent協(xié)作;③對(duì)不同目標(biāo),判定當(dāng)前作戰(zhàn)單元 Agent連射 2枚導(dǎo)彈能否滿足火力轉(zhuǎn)移時(shí)間約束,如不能滿足則需要其它 Agent協(xié)作.

導(dǎo)彈飛行航程、對(duì)目標(biāo)捕獲概率、發(fā)射計(jì)時(shí)的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[9],當(dāng)前任務(wù) Mi的協(xié)作作戰(zhàn)單元 Agent優(yōu)先級(jí)排序原則為:①載彈量多的優(yōu)先選取;②飛行航路打擊主要目標(biāo)的優(yōu)先選取;③飛行航路航程較短的優(yōu)先選取;④對(duì)當(dāng)前目標(biāo)捕獲概率較大的優(yōu)先選取.

經(jīng)過最終沖突檢測(cè)后,形成作戰(zhàn)方案集為:參與打擊目標(biāo) T1的作戰(zhàn)單元 Agent組為 S1,S3,打擊目標(biāo) T2的作戰(zhàn)單元 Agent組為 S1,S2,S3,打擊目標(biāo) T3的作戰(zhàn)單元 Agent組為 S2,S4,打擊目標(biāo)T4的作戰(zhàn)單元 Agent組為 S2,S3,最終 Agent編隊(duì)對(duì)多目標(biāo)實(shí)施協(xié)同攻擊的態(tài)勢(shì)圖見圖 4,規(guī)劃產(chǎn)生的協(xié)同作戰(zhàn)方案見表 1.

圖4 Agent編隊(duì)對(duì)多目標(biāo)實(shí)施協(xié)同攻擊態(tài)勢(shì)圖

表 1 規(guī)劃產(chǎn)生的協(xié)同作戰(zhàn)方案

5.2 結(jié)果分析

最終形成的作戰(zhàn)方案已消除所有沖突,滿足載彈量以及火力轉(zhuǎn)移時(shí)間等資源約束,編隊(duì)指揮Agent將作戰(zhàn)方案分發(fā)至各火力單元 Agent后,各火力單元 Agent根據(jù)方案中本單元發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)以及發(fā)射時(shí)間順序發(fā)射,就可以使不同火力單元不同時(shí)刻發(fā)射的多枚導(dǎo)彈同時(shí)到達(dá)目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該目標(biāo)的協(xié)同飽和攻擊.

6 結(jié)束語

協(xié)同作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭(zhēng)的重要作戰(zhàn)模式.本文基于多 Agent理論方法進(jìn)行編隊(duì)協(xié)同反艦作戰(zhàn)Agent功能分類,并提出一種集中與分布相結(jié)合的MAS規(guī)劃方法,可對(duì) Agent間規(guī)劃產(chǎn)生的資源沖突進(jìn)行協(xié)調(diào)和消除,保證艦艇編隊(duì)在滿足資源約束條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)期戰(zhàn)術(shù)目標(biāo),仿真的結(jié)果可以為部隊(duì)發(fā)射平臺(tái)配置和火力分配提供依據(jù)與參考.為了方便研究,仿真過程中對(duì)導(dǎo)彈攻擊過程中航路規(guī)劃進(jìn)行了簡(jiǎn)化,資源約束的種類還可以進(jìn)一步擴(kuò)充,例如考慮海上島嶼障礙以及禁飛區(qū)等.在通用性較高的對(duì)抗仿真中,這些因素是不可回避的難點(diǎn)問題,也是下一階段研究的重點(diǎn).

References)

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(編 輯:劉登敏)

Form ation cooperative planning m ethod based on mu lti-agent with resource constraints

Yang Fei Wang Qing Wu Zhendong

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

After analysis on the anti-ship combat process of ship formation,theory of multi-agent system(MAS)was introduced into the decision-making process,and then the formation cooperative anti-ship combat agent model was established.Aiming at the key problem that the resource constraints among formation agents induced resource occupied conflict in the formation agent cooperation process,a principal and subordinate structure multi-agent planning pattern was proposed accomplished with proposinga MASp lanning method combining centralization with distribution.The simulation result showed that the method could effectively realize the cooperation among combat formation agents,and ensured the formation agents achieving anticipated tactical goal under the condition of resource constraints.

resource constraint;Agent;formation cooperation;anti-ship combat;planning

TP 391.9

A

1001-5965(2011)02-0210-06

2010-01-04

總裝國(guó)防預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A 04040109HK 01)

楊 飛(1983-),男,山東聊城人,博士生,Yangfei0306@163.com.