基于地空導(dǎo)彈裝備指揮任務(wù)的個(gè)體行為模式研究

汪禹喆，周林，王毅，許勇

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

0 引言

地空導(dǎo)彈裝備指揮任務(wù)的動(dòng)態(tài)性通過(guò)任務(wù)中個(gè)體的行為模式體現(xiàn)，即裝備保障指揮中心根據(jù)任務(wù)需求和地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)狀態(tài)，通過(guò)合理運(yùn)用裝備保障單元以確保裝備維持良好系統(tǒng)狀態(tài)和戰(zhàn)術(shù)性能的過(guò)程［1］。但由于任務(wù)需求和裝備狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)性以及任務(wù)過(guò)程本身較強(qiáng)的不確定性，現(xiàn)有的研究大多傾向于對(duì)系統(tǒng)的定性分析［2-4］或?qū)w系能力［5-7］及結(jié)構(gòu)的評(píng)估［8-9］，而對(duì)內(nèi)部機(jī)制及基本行為模式的研究和數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)較少。因此，通過(guò)復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)理論［10］和粒子群算法(PSO)［11］的機(jī)制原理研究裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體行為模式不僅能為裝備保障指揮系統(tǒng)的研究提供有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，也對(duì)進(jìn)一步的系統(tǒng)建設(shè)和改進(jìn)提供了新的思路。

1 地空導(dǎo)彈裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體行為分析與概念建模

由于裝備指揮任務(wù)的過(guò)程具有復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)特征［12］，因此應(yīng)根據(jù)裝備保障指揮體系的組織構(gòu)成并按照CAS 的基本觀點(diǎn)［13］對(duì)指揮任務(wù)中的個(gè)體屬性及其行為關(guān)系進(jìn)行概念建模。

1.1 地空導(dǎo)彈裝備指揮任務(wù)的特點(diǎn)與組織構(gòu)成分析

地空導(dǎo)彈裝備作為一類(lèi)復(fù)雜的高技術(shù)裝備，其保障難度和復(fù)雜性比一般的空軍地面武器高得多，并且在作戰(zhàn)運(yùn)用上更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性及持續(xù)性。因此在保障形式上，地空導(dǎo)彈一般采用預(yù)防性維護(hù)及3 級(jí)保障體制，盡管在基本細(xì)節(jié)上與其他武器類(lèi)似，但其保障過(guò)程卻要求在最短的時(shí)間以最優(yōu)的成本實(shí)現(xiàn)裝備保障行動(dòng)的實(shí)時(shí)性及精確性，體現(xiàn)在裝備指揮上則表現(xiàn)為對(duì)信息使用的3 種能力，即全局把握能力、高效利用能力和實(shí)時(shí)預(yù)判能力。

目前，地空導(dǎo)彈部隊(duì)普遍采取“以平臺(tái)為中心”的統(tǒng)分結(jié)合保障模式，所有的保障力量按編制配備，具體保障任務(wù)包括平時(shí)保障和戰(zhàn)時(shí)保障等，并且所有任務(wù)在過(guò)程和組織結(jié)構(gòu)上具有共通性。裝備指揮任務(wù)的實(shí)體要素主要為裝備保障指揮中心、地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)和裝備保障單元，要素間通過(guò)裝備保障、指揮控制和組織協(xié)調(diào)等關(guān)系相互關(guān)聯(lián)形成任務(wù)過(guò)程。其中:裝備保障指揮中心是保障任務(wù)的指揮決策機(jī)關(guān);地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是需求的產(chǎn)生者;裝備保障單元是保障任務(wù)的具體實(shí)施者。

1.2 裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體行為關(guān)系概念建模

裝備保障指揮任務(wù)又稱(chēng)裝備指揮任務(wù)，是實(shí)施裝備保障行動(dòng)的一系列策略及手段的結(jié)合，也是執(zhí)行裝備保障任務(wù)的組織基礎(chǔ)。地空導(dǎo)彈的裝備指揮任務(wù)通過(guò)具體的裝備保障行動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而裝備保障行動(dòng)的執(zhí)行則體現(xiàn)了裝備指揮的過(guò)程及效果。因此，研究裝備保障任務(wù)中的個(gè)體行為應(yīng)將裝備指揮及裝備保障視作統(tǒng)一的整體，而根據(jù)地空導(dǎo)彈裝備保障指揮及裝備保障任務(wù)的組織結(jié)構(gòu)及任務(wù)要素，可將裝備保障指揮任務(wù)定義為如下形式:

裝備指揮任務(wù)L-Task 包括任務(wù)個(gè)體集合Swarm、信息流FI、個(gè)體間關(guān)系集合AR 及任務(wù)環(huán)境Env 和任務(wù)效益評(píng)估EF. 其中:FI 為任務(wù)過(guò)程中所有信息的集合，包括指令、情報(bào)和需求等;AR 為個(gè)體間、過(guò)程間以及行動(dòng)間的相互關(guān)系描述，包括指揮控制關(guān)系、結(jié)構(gòu)從屬關(guān)系等;Env 為任務(wù)環(huán)境描述，包括所有的外部信息;EF 為任務(wù)整體及各階段的效益評(píng)價(jià)，是任務(wù)過(guò)程中保障行動(dòng)執(zhí)行情況的信息反饋;Swarm 為任務(wù)的核心要素，對(duì)應(yīng)實(shí)體要素又可具體描述為

Swarm 的對(duì)象包括:

1)保障對(duì)象UL. 即地空導(dǎo)彈武器，定義要素包括客體標(biāo)識(shí)ID、裝備需求Fn 和裝備系統(tǒng)狀態(tài)St.其中:Fn 包括任務(wù)緊迫度TP、保障復(fù)雜度LP、保障便利度LC 和保障費(fèi)效比LT;St 包括資源補(bǔ)給狀態(tài)SR 和技術(shù)維持狀態(tài)SM.

2)保障者LL. 即裝備保障單元，定義要素包括實(shí)體標(biāo)識(shí)ID、保障者類(lèi)型Type、保障狀態(tài)State、行為規(guī)則Rules、保障能力Capacity、保障域δ 和保障意向PrU. 其中:State 為保障過(guò)程中LL 的3 種狀態(tài)，即保障準(zhǔn)備、保障執(zhí)行和保障完成;Type 包括資源補(bǔ)給型R 和技術(shù)支持型M 兩類(lèi)，R 為數(shù)量消耗型單位，保障過(guò)程中提供自身持有的補(bǔ)給資源，資源消耗后逐漸喪失保障能力，M 為時(shí)間占有型單位，保障過(guò)程只消耗時(shí)間;Rules 包括聚合(Aggregation)、解聚(Remove-Aggregation )、待 命 (Wait )和 執(zhí) 行(Execution)4 種LL 行為規(guī)則;Capacity 為L(zhǎng)L 的保障能力描述，針對(duì)不同的Type，Capacity 具有不同的定義和細(xì)節(jié);δ 為L(zhǎng)L 的保障域，當(dāng)UL 處于保障域范圍內(nèi)時(shí)，LL 和UL 按照Rules 產(chǎn)生相應(yīng)的行為;PrU 是LL 具有保障意向的UL 標(biāo)識(shí)，一般為L(zhǎng)L 在保障行動(dòng)中感知到的具有高保障價(jià)值的UL 或AC 指示的UL.

3)指揮控制者AC. 即裝備保障指揮中心，主要任務(wù)確保LL 按照任務(wù)目的滿(mǎn)足UL 的保障需求。三者的任務(wù)行為關(guān)系如圖1 所示。

圖1 裝備指揮任務(wù)中的行為關(guān)系描述Fig.1 Description of the behavioral relationship in equipment support command task

AC 根據(jù)任務(wù)情況和UL 的保障需求產(chǎn)生保障指令，并通過(guò)FI 向LL 提出任務(wù)要求。當(dāng)收到AC 的命令或自身感知到UL 的保障需求時(shí)，LL 首先按照自主意識(shí)進(jìn)行判定:若滿(mǎn)足保障類(lèi)型且LL 具備相應(yīng)的保障能力則進(jìn)行PrU 確認(rèn)，由初始態(tài)轉(zhuǎn)入保障準(zhǔn)備狀態(tài)并開(kāi)始向UL 移動(dòng)，否則與其他LL 進(jìn)行協(xié)商或向AC 反饋情況。當(dāng)UL 進(jìn)入LL 的保障域δ 時(shí)，LL 和UL 之間通過(guò)聚合形成相對(duì)穩(wěn)定的保障結(jié)構(gòu)，之后LL 進(jìn)入保障執(zhí)行狀態(tài)并根據(jù)需求進(jìn)行資源保障或技術(shù)支援。保障行動(dòng)結(jié)束時(shí)LL 和UL 解聚合，LL 進(jìn)入保障完成狀態(tài)并向AR 反饋信息，保障結(jié)束。

2 基于PSO 的裝備指揮個(gè)體行為建模

裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體一定程度上具備與PSO中粒子相似的運(yùn)行機(jī)制，因此可通過(guò)重新設(shè)計(jì)行為模式和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建裝備指揮任務(wù)過(guò)程中個(gè)體行為的計(jì)算模型。

2.1 裝備指揮任務(wù)中個(gè)體群落的確定

在實(shí)際的裝備指揮任務(wù)中，AC 的行為模式表現(xiàn)為決策、指揮和控制過(guò)程，其本身并不直接參與保障，而是根據(jù)UL 產(chǎn)生的需求生成相應(yīng)策略，并指揮LL 執(zhí)行保障行動(dòng)，即UL 和LL 在指揮過(guò)程中只是作為AC 的客體存在。但同時(shí)應(yīng)注意到，整個(gè)保障任務(wù)的具體過(guò)程實(shí)際上是由LL 和UL 間的相互作用體現(xiàn)，并且LL 的行為除了自發(fā)傾向性外還受到AC的影響，也就是說(shuō)兩者的行為模式實(shí)際上反應(yīng)了AC的指揮與控制過(guò)程。因此，按照PSO 的運(yùn)行機(jī)制［14］，可將AC 對(duì)UL、LL 的影響及其基本的保障策略轉(zhuǎn)化為全局參數(shù)，即PSO 公式中的c2、pl 和pg.按照上述分析，可設(shè)UL 和AC 為靜態(tài)對(duì)象，LL 為動(dòng)態(tài)對(duì)象，由于保障行為的直接過(guò)程只存在于LL 和UL 之間，而AC 作為管理者不產(chǎn)生具體的動(dòng)作，則保障過(guò)程可相應(yīng)簡(jiǎn)化，只考慮LL 和UL 間的相互作用，將粒子群及保障屬性定義為如下形式。

UL 中的保障對(duì)象ui具有保障需求fi和任務(wù)緊迫度tpi二個(gè)屬性;LL-M 為L(zhǎng)L 中技術(shù)支援型單元的集合，每個(gè)mj的屬性包括最大可占用時(shí)間zj和保障域δj;LL-R 為L(zhǎng)L 中資源補(bǔ)給型單位的集合，每個(gè)rk的屬性包括最大資源上限sj和保障域λk(λk≤δj).

2.2 裝備指揮任務(wù)中個(gè)體屬性參數(shù)與行動(dòng)策略設(shè)置

由于UL 和AC 為靜態(tài)對(duì)象，因此只存在LL 的運(yùn)動(dòng)，首先定義對(duì)象的狀態(tài)參數(shù):

(4)式為保障周期T 內(nèi)的任意時(shí)刻k，保障對(duì)象ui和保障者v 的參數(shù)及關(guān)系描述，分別包括保障域D、ui保障需求SN、k 時(shí)刻需求S(k)、保障需求差detS以及v 的保障能力成本val. 其中，補(bǔ)給保障能力以物資數(shù)量計(jì)算，支援保障能力以占用時(shí)間k 度量。同時(shí)，按照運(yùn)動(dòng)特性分別定義個(gè)體的運(yùn)算參數(shù):

1)定義AC 為平衡點(diǎn)，ui為聚合點(diǎn)即備選解，二者位置在任務(wù)初始確定，運(yùn)行過(guò)程中速度為0;

2)v 為解參量，其速度和位置按照PSO 迭代公式生成，其中w 為v 的速度調(diào)整值，c1為v 對(duì)ui保障需求的個(gè)體感知，pl 為v 感知到保障價(jià)值最大的ui位置，c2為AC 對(duì)v 的指控系數(shù)，pbest 為任務(wù)緊迫度tp 最大的ui位置。

由于任務(wù)過(guò)程中AC 會(huì)根據(jù)ui的需求、保障的難度和成本等因素進(jìn)行綜合判斷后下達(dá)保障指示，因此可定義保障指揮的相關(guān)參數(shù)如下:

任務(wù)的整體保障價(jià)值F 由所有個(gè)體的任務(wù)緊迫度tpi、保障效益p 和保障便利度c 決定。其中:tpi由AC 根據(jù)任務(wù)需要?jiǎng)討B(tài)生成;保障效益p 由v 的保障能力極值P 和保障成本t 決定，在可接受的范圍內(nèi)(t≤P)，t 越低效益越高，反之(t ＞P)則t 與保障效益成反比增長(zhǎng)，當(dāng)不存在保障需求(t =0)時(shí)p 不產(chǎn)生影響;c 由ui和v 之間的歐式距離確定，一般二者間距越近越容易保障，則c 越高。

2.3 裝備指揮任務(wù)中個(gè)體行為規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)概念模型以及LL 和UL 之間的關(guān)系，分別定義和設(shè)計(jì)4 種行為規(guī)則為:

1)等待。v 按照一定速度或AC 的指示在初始位置附近以及指定區(qū)域進(jìn)行慢速搜索。

2)聚合。當(dāng)ui產(chǎn)生保障需求(detS ＞0)且v 與ui間距離小于v 的保障域D 時(shí)發(fā)生聚合，若D 內(nèi)還存在其他需求者，則按照保障價(jià)值f 排序選擇聚合對(duì)象。聚合時(shí)，v 的速度降為0 并與選中的ui形成一對(duì)一的保障結(jié)構(gòu)并進(jìn)入執(zhí)行準(zhǔn)備。

3)執(zhí)行。執(zhí)行過(guò)程中，v 無(wú)法解聚和移動(dòng)，并且根據(jù)保障類(lèi)型不同，v 分別消耗自身持有的資源或可被占用的保障時(shí)間。當(dāng)qj(k)＞detS 時(shí)，ui的需求得到滿(mǎn)足后兩者解聚合;如果保障能力無(wú)法完全滿(mǎn)足需求(qj(k)＜detS)，則按最大能力進(jìn)行保障;一旦v 喪失保障能力(qj(k)=0)則解聚當(dāng)前v，由AC按保障策略或由其他v 的自身感知產(chǎn)生新的替代者。

4)解聚。保障完畢或v 喪失保障能力時(shí)，v 重新進(jìn)入等待搜索狀態(tài)，開(kāi)始恢復(fù)速度并按照ui的坐標(biāo)進(jìn)行位置變換，使當(dāng)前ui脫離自身保障域D.

同時(shí)，為更好地研究群落中個(gè)體間的行為狀態(tài)，以文獻(xiàn)［15］中提出的直覺(jué)模糊種群熵來(lái)定義聚合熵Hi作為v 在所有保障對(duì)象ui周?chē)木酆蠣顟B(tài)的判定參數(shù)，并采用相應(yīng)的基于距離的隸屬度、非隸屬度和猶豫度確定方法［14］來(lái)計(jì)算法Hi.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

首先，以現(xiàn)役的某型地空導(dǎo)彈裝備為對(duì)象確定任務(wù)參數(shù):

1)群落規(guī)模參數(shù)。保障對(duì)象u(按系統(tǒng)區(qū)分)N=10，技術(shù)支援型(v1)的單元數(shù)L =15，物資補(bǔ)給保障(v2)的單元數(shù)K=20.

2)運(yùn)算參數(shù)。周期T =200 代;維度Dr =2;u 的位置生成基準(zhǔn)值為100，AC 的位置按照u 的分布隨機(jī)生成;保障者v 中50%在AC 處聚合，其余v按照u 的分布隨機(jī)生成，v1和v2的速度生成基準(zhǔn)值分別為10 和5.

3)屬性參數(shù)。任務(wù)緊迫度tp 的生成基準(zhǔn)值為10;v1 所持的資源數(shù)量在30 ～60 間隨機(jī)生成，P 為所持資源數(shù)的80%，且資源消耗不可補(bǔ)充;v2的P生成基準(zhǔn)值為10;v1和v2保障域D 的生成基準(zhǔn)值分別為15 和10.

4)保障需求參數(shù)。u 按照低于40%的隨機(jī)比例產(chǎn)生補(bǔ)給及技術(shù)支援需求，而在保障過(guò)程中的u不產(chǎn)生任何保障需求。

5)控制參數(shù)。為了使v 的速度不至于過(guò)大而超出u 所在范圍，參數(shù)滿(mǎn)足w =0.77，0 ＜c1，c2＜1 且c1+ c2=1. 同時(shí)，為了計(jì)算的方便，設(shè)v1和v2的保障單位價(jià)值val=1，同時(shí)對(duì)c1，c2的取值使用2 種較極端策略分別進(jìn)行獨(dú)立隨機(jī)實(shí)驗(yàn)。則不同時(shí)期下不同保障對(duì)象的保障數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的狀態(tài)如表1、表2及圖2、圖3 所示。

表1 策略1(c1 =0.1，c2 =0.9)下裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體狀態(tài)參數(shù)Tab.1 State parameters of the units in equipment command task under Strategy 1(c1 =0.1，c2 =0.9)

表2 策略2(c1 =0.9，c2 =0.1)下裝備指揮任務(wù)中的個(gè)體狀態(tài)參數(shù)Tab.2 State parameters of the units in equipment command task under Strategy 2(c1 =0.9，c2 =0.1)

圖2 策略1(c1 =0.1，c2 =0.9)下裝備指揮任務(wù)個(gè)體行為狀態(tài)與保障效益變化Fig.2 The performance of the units in equipment command task under Strategy 1

圖3 策略2(c1 =0.9，c2 =0.1)下裝備指揮任務(wù)個(gè)體行為狀態(tài)與保障效益變化Fig.3 The performance of the units in equipment command task under Strategy 2

如圖2 所示，在AC 認(rèn)知占優(yōu)(策略1)的情況下，初期v 的分布呈現(xiàn)總體集中和部分分散的情況;但在末期(t =200 代時(shí))，v 基本脫離AC 而局部集中于任務(wù)緊迫度較高的u 周?chē)?。同樣從?的數(shù)據(jù)也可以看出，tp 高的u 周?chē)鷙 的聚合程度(Hi)也較高，而相對(duì)于保障需求(SN1，SN2)較高的個(gè)體，雖然存在一些聚合，但總體上仍是任務(wù)效益優(yōu)先。

如圖3 所示，在個(gè)體認(rèn)知占優(yōu)(策略2)的情況下，v 的收斂速度大幅提高，在后期(t =135 代時(shí))更出現(xiàn)了v2的高度聚合，表2 的數(shù)據(jù)也顯示出，v 更傾向于需求較高的u，而tp 高的個(gè)體往往不一定得到保障。并且由于后期個(gè)體的速度衰減和搜索收斂，v 的狀態(tài)不會(huì)有太大變化，此時(shí)盡管還有u 產(chǎn)生新的保障需求，剩余的v 也很難對(duì)其進(jìn)行保障。

同時(shí)根據(jù)圖2(c)和圖3(c)，策略1 的保障效益遠(yuǎn)高于策略2，因此可知，策略1 中v 的行為主要受tp 的影響而自身感知能力較弱。并且由于一對(duì)一保障模式的限制，部分v 也只能在相對(duì)確定的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，一些需求高而任務(wù)價(jià)值較低的u 僅能得到有限的滿(mǎn)足。因此盡管整體保障效益(1.0 ×1017)高于策略2(1.0 ×1012)，但仍存在一些保障的盲點(diǎn)。而策略2 中v 的個(gè)體認(rèn)知雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)需求的靈敏感知，但由于保障域和自身的感知局限，行為上會(huì)出現(xiàn)一些偏差，因此任務(wù)條件下整體保障效益較低，并且由于保障的偏向性強(qiáng)，保障末期很難出現(xiàn)個(gè)體行為的跳變。

4 結(jié)論

信息感知能力對(duì)裝備指揮效能的影響毋庸置疑，通過(guò)對(duì)實(shí)際裝備保障任務(wù)的分析可知，所有保障單元主要依靠保障指揮中心的命令執(zhí)行任務(wù);當(dāng)指揮中心提供的信息受阻或態(tài)勢(shì)感知不完整時(shí)，保障單元也可通過(guò)自身的感知能力進(jìn)行保障行動(dòng)，但后者的效益一般低于前者。

本文在分析裝備保障指揮體系的基礎(chǔ)上，首次針對(duì)地空導(dǎo)彈裝備的保障特點(diǎn)建立相應(yīng)的計(jì)算模型，模擬和設(shè)計(jì)了裝備保障單元間的行為關(guān)系準(zhǔn)則以及基本的裝備指揮策略，建立基于裝備指揮任務(wù)的個(gè)體行為模型，并研究不同行為模式下個(gè)體的行為特征，得到了個(gè)體感知能力、行為模式與裝備指揮效益間的變化關(guān)系。通過(guò)對(duì)兩類(lèi)極端策略的實(shí)驗(yàn)可知，分組數(shù)據(jù)驗(yàn)證了不同認(rèn)知水平上的個(gè)體行為差異及其與指揮效益間的關(guān)系，因此模型的運(yùn)行規(guī)律符合實(shí)際任務(wù)中信息感知與整體效益的一般性規(guī)律，同時(shí)其運(yùn)行數(shù)據(jù)也提供了信息感知能力影響裝備指揮效益的實(shí)用性證據(jù)。

但由于任務(wù)環(huán)境的多變性及保障過(guò)程的復(fù)雜性，個(gè)體仍可能存在一些較復(fù)雜的行為關(guān)系模式，而這些模式可能對(duì)任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的影響，因此對(duì)裝備指揮尤其是個(gè)體行為模式的研究仍存在需要進(jìn)一步深入的地方，主要包括:

1)個(gè)體的高級(jí)行為模式建模，尤其應(yīng)考慮時(shí)變因素;

2)個(gè)體間非線(xiàn)性因素的分析與建模;

3)個(gè)體屬性參數(shù)設(shè)置與模型狀態(tài)多樣性間的關(guān)系研究。

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