C4ISR系統(tǒng)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化模型和方法研究

張杰勇, 藍(lán)羽石, 易　侃, 毛少杰, 王　珩

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210007;

2. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077)

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C4ISR系統(tǒng)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化模型和方法研究

張杰勇1,2, 藍(lán)羽石1, 易侃1, 毛少杰1, 王珩1

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210007;

2. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 陜西 西安 710077)

摘要：研究了C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化問(wèn)題。構(gòu)建了C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的指揮控制關(guān)系模型,在對(duì)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化過(guò)程分析和描述的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了演化過(guò)程中的指揮控制關(guān)系的結(jié)構(gòu)變化代價(jià)和性能代價(jià),并以最小化總的演化代價(jià)為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建了指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。提出了基于n-Best策略層級(jí)聚類方法和遺傳算法(genetic algorithm, GA)的問(wèn)題模型求解思路。n-Best策略層級(jí)聚類方法用來(lái)獲取每個(gè)任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系集合,而GA用來(lái)搜索最優(yōu)的演化路徑。最后通過(guò)某一仿真算例驗(yàn)證了求解方法的可行性、穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：C4ISR系統(tǒng); 指揮控制關(guān)系; 適應(yīng)性演化; n-Best策略; 層次聚類方法; 遺傳算法

0引言

C4ISR (command,control,communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance)系統(tǒng)是集指揮控制、預(yù)警探測(cè)、情報(bào)偵察、通信、電子對(duì)抗和其他作戰(zhàn)信息保障等功能為一體,用于軍事信息的獲取、處理、傳遞、決策支持和對(duì)部隊(duì)實(shí)施指揮與控制以及戰(zhàn)場(chǎng)管理的軍事信息系統(tǒng)[1]。網(wǎng)絡(luò)中心化條件下的C4ISR系統(tǒng)是一個(gè)典型的開(kāi)放復(fù)雜系統(tǒng),具備“即插即用,柔性重組、協(xié)同運(yùn)行、按需服務(wù)”等新的能力[2]。其中,“柔性重組”是指在激烈的對(duì)抗環(huán)境下,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)系統(tǒng)外部環(huán)境和內(nèi)部要素的變化,對(duì)自身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的適應(yīng)性調(diào)整,以適應(yīng)這種變化,從而始終保持系統(tǒng)整體的功能和性能。網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)的這種“柔性重組”能力在對(duì)抗環(huán)境下可以表現(xiàn)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的“適應(yīng)性演化”行為。雖然,“柔性重組”、“適應(yīng)性演化”等概念提出來(lái)已經(jīng)多年了,但是公開(kāi)的資料文獻(xiàn)中有關(guān)這些概念深入的研究和探索較少。其中,C4ISR系統(tǒng)單元之間的指揮控制關(guān)系作為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,在實(shí)際的作戰(zhàn)過(guò)程中,它也應(yīng)該具有“柔性重組”能力,即具備“適應(yīng)性演化”的行為。本文主要對(duì)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指揮控制關(guān)系的“適應(yīng)性演化”過(guò)程和行為進(jìn)行研究,構(gòu)建指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,并依據(jù)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的求解方法。

1C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指揮控制關(guān)系模型

C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)單元?jiǎng)澐址椒ㄓ泻芏?一般根據(jù)不同的研究對(duì)象和問(wèn)題的需要,可以有不同的劃分方法。其中,比較常見(jiàn)的一種劃分方法是將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)單元?jiǎng)澐譃?類[3]:情報(bào)獲取單元(observe,O)、情報(bào)處理單元(process,P)、決策控制單元(decide,D)和響應(yīng)執(zhí)行單元(act,A),其他的方法基本就是這4種方法的簡(jiǎn)單變型,比如:將P和D合并為一類,稱為指揮控制單元[4],系統(tǒng)基本單元中不包含A[5]等。

由于本文的研究對(duì)象為C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系,因此,只將C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)單元?jiǎng)澐譃閮纱箢?指揮控制單元類和被指揮控制單元類。

定義 1指揮控制單元,即決策資源,是信息處理并進(jìn)行決策的單元,是C4ISR系統(tǒng)資源的指揮者,主要功能是信息處理并進(jìn)行指揮決策。設(shè)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所擁有的指揮控制單元數(shù)量為K,那么整個(gè)指揮控制單元集合為:D={D1,D2,…,DK}。

定義 2被指揮控制單元,即各類作戰(zhàn)平臺(tái),包括各類探測(cè)單元和火力單元,是具有某種完成任務(wù)能力的獨(dú)立實(shí)體,它受指揮控制單元指揮來(lái)執(zhí)行任務(wù),是指揮控制單元執(zhí)行任務(wù)的憑借。設(shè)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所擁有的被指揮控制單元的數(shù)量為N,那么整個(gè)被指揮控制單元集合為:P={P1,P2,…, PN}。

同時(shí),只考慮兩類C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系:一是指揮控制單元與被指揮控制單元之間的指揮控制關(guān)系；

二是指揮控制單元之間的協(xié)作關(guān)系。

由以上定義和描述可得,一個(gè)簡(jiǎn)單的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指揮控制關(guān)系模型如圖1所示。由圖1可知,為了避免決策沖突和混亂,每一個(gè)被指揮控制單元在同一時(shí)刻只能受一個(gè)指揮控制單元的指揮。

圖1　C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系模型

2指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題建模

2.1問(wèn)題的基本描述

C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化的輸入條件是作戰(zhàn)任務(wù)的分配方案,即被指揮控制單元與作戰(zhàn)任務(wù)之間的分配方案,該方案可以用甘特圖來(lái)表示[6]。指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化是指隨著時(shí)間的推進(jìn),由于不同的時(shí)間階段執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務(wù)分配方案,使得底層的被指揮控制單元之間的協(xié)作關(guān)系不斷發(fā)生變化,通過(guò)對(duì)上層指揮控制關(guān)系模式的適當(dāng)調(diào)整,可以達(dá)到上層指揮控制關(guān)系適應(yīng)底層被指揮控制單元間在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)上協(xié)作關(guān)系的變化。指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)上層指揮控制關(guān)系的適當(dāng)改變,使得系統(tǒng)能夠在底層任務(wù)分配關(guān)系不斷發(fā)生變化的情況下,仍就可以保持很高的任務(wù)完成效率,包括信息處理效率和指揮決策效率。

指揮控制關(guān)系模式隨任務(wù)分配方案的執(zhí)行而適應(yīng)性演化的簡(jiǎn)單描述如圖2所示,圖中Gi(i=1,2,3,…)表示第i個(gè)任務(wù)階段所采用的指揮控制關(guān)系模式。

圖2　C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系演化過(guò)程

由圖2可知,每個(gè)任務(wù)階段的不同任務(wù)分配關(guān)系對(duì)應(yīng)不同的指揮控制關(guān)系模式,假設(shè)某一次作戰(zhàn)過(guò)程具有L個(gè)任務(wù)階段(如:在圖2中,L=3),相鄰的任務(wù)階段之間由演化時(shí)間點(diǎn)分隔(如:在圖2中,演化時(shí)間點(diǎn)的數(shù)量為2),通常一次作戰(zhàn)過(guò)程的指揮控制關(guān)系演化的時(shí)間點(diǎn)的設(shè)置是由軍事領(lǐng)域?qū)＜医Y(jié)合某一具體戰(zhàn)役使命的特點(diǎn)給出。記第i(i=1,2,…,L)個(gè)任務(wù)階段的任務(wù)分配方案為Si(i=1,2,…,L),這樣,整個(gè)任務(wù)分配方案S可以用每個(gè)任務(wù)階段的任務(wù)分配方案的序列來(lái)表示,即S=S1→S2→…→SL。

而指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化過(guò)程就是執(zhí)行不同任務(wù)階段的任務(wù)分配方案為Si(i=1, 2,…,L)的指揮控制關(guān)系模式Gi(i=1,2,…,L)的不斷變化過(guò)程。這樣,C4ISR系統(tǒng)指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化過(guò)程可以描述為這樣一個(gè)多階段的決策問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)多階段決策問(wèn)題中每個(gè)階段的任務(wù)分配方案,都可以對(duì)應(yīng)著許多個(gè)可行的指揮控制關(guān)系的結(jié)構(gòu)模式,相鄰階段的不同指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)模式之間存在單向的連接關(guān)系,表示上一階段的指揮控制關(guān)系的結(jié)構(gòu)模式經(jīng)過(guò)變換后可以轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱浑A段的指揮控制關(guān)系的結(jié)構(gòu)模式。

從一種指揮控制關(guān)系模式G1演化為另一種指揮控制關(guān)系模式G2,這種關(guān)系模式的演化會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)變化的代價(jià),同時(shí),也會(huì)帶來(lái)指揮控制關(guān)系模式G2執(zhí)行該任務(wù)階段的任務(wù)分配方案的性能變化,本文將這種性能的變化稱為性能代價(jià),而整個(gè)指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化過(guò)程就是結(jié)構(gòu)變化代價(jià)和性能代價(jià)之間的權(quán)衡折中。

2.2結(jié)構(gòu)變化代價(jià)

這里的結(jié)構(gòu)變化代價(jià)包括指揮控制單元與被指揮控制單元之間的指揮控制關(guān)系的變化代價(jià)和指揮控制單元之間的協(xié)作關(guān)系變化的代價(jià)。

假設(shè)在兩個(gè)指揮控制關(guān)系模式G1、G2中,增加或減少一個(gè)指揮控制單元的被指揮控制單元,產(chǎn)生的代價(jià)為WA;在指揮控制單元之間協(xié)作關(guān)系中,增加或刪除一條指揮控制單元之間的連接,變化的代價(jià)為WC。那么指揮控制關(guān)系模式G1與G2之間結(jié)構(gòu)變化的代價(jià)為

(1)式中,N為被指揮控制單元的數(shù)目；K為指揮控制單元的數(shù)目；R(G1,G2)為指揮控制關(guān)系模式G1和指揮控制關(guān)系模式G2中指揮控制單元與被指揮控制單元關(guān)系的差別；F(G1,G2)為指揮控制關(guān)系模式G1和指揮控制關(guān)系模式G2中指揮控制單元之間協(xié)作關(guān)系的差別。其中

(2)由于在整個(gè)指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)模式中,一個(gè)被指揮控制單元變化了它的隸屬關(guān)系,這樣必將會(huì)使在整個(gè)結(jié)構(gòu)模式中某一個(gè)指揮控制單元增加一個(gè)被指揮控制單元,而另一個(gè)指揮控制單元?jiǎng)偤脺p少這個(gè)被指揮控制單元。因此,兩個(gè)指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)模式間最大可能的指揮控制單元與被指揮控制單元之間指揮關(guān)系差別為2N。

(3)在指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)模式中,不論是在兩個(gè)指揮控制單元之間刪除一條己有的協(xié)作關(guān)系還有建立一條新的協(xié)作關(guān)系,這兩種變化方式對(duì)于整個(gè)指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)方案所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變化代價(jià)是相同的。因此,關(guān)系結(jié)構(gòu)模式中的指揮控制單元之間從沒(méi)有任何一條協(xié)作關(guān)系到兩兩之間都有相互的協(xié)作關(guān)系之間的差別為K(K-1)/2。

2.3性能代價(jià)

(4)式中,Gi表示執(zhí)行任務(wù)階段i的任務(wù)分配方案Si的指揮控制關(guān)系模式。

2.4演化代價(jià)

(5)

2.5指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化的數(shù)學(xué)模型

以指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化方案Δ為決策變量的極小化演化代價(jià)CE(Δ)的指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中,CE(Δ)為指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化方案Δ的演化代價(jià)函數(shù);Π為指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化方案的集合,是整個(gè)優(yōu)化模型的解空間,并且解空間是有限的;GΔi(t)t為演化方案Δi中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),表示演化方案Δi在任務(wù)階段t選擇的指揮控制關(guān)系;Yt為執(zhí)行任務(wù)階段t的任務(wù)分配方案的可行指揮控制關(guān)系的集合,也是有限的。

3指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題模型的求解方法

由式(6)的指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可知,要對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行求解,主要解決問(wèn)題模型中的兩個(gè)子問(wèn)題:每個(gè)任務(wù)階段t(t=1,2,…,L)可行的指揮控制關(guān)系集合Yt的產(chǎn)生,在產(chǎn)生的Yt基礎(chǔ)上搜索相鄰任務(wù)階段間最佳的指揮控制關(guān)系的演化路徑。

針對(duì)問(wèn)題模型中兩個(gè)子問(wèn)題,本節(jié)提出的求解方法整體思路是:采用基于n-Best策略[9-12]的層次聚類方法獲取每個(gè)任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系集合,使用遺傳算法(genetic algorithms, GA)搜索最優(yōu)的演化路徑。

3.1基于n-Best策略層次聚類的可行指揮控制關(guān)系集合的產(chǎn)生

由文獻(xiàn)[6-8]可知,采用基于層次聚類方法可以求得某一任務(wù)階段t(i=1,2,…,L)的任務(wù)分配方案Si(i=1,2,…,L)的最優(yōu)指揮控制關(guān)系,本節(jié)在此方法的基礎(chǔ)上,提出了基于n-Best策略的層次聚類方法來(lái)求得某一任務(wù)階段t(t=1,2,…,L)的任務(wù)分配方案St(t=1,2,…,L)的可行指揮控制關(guān)系集合?；趎 -Best策略的層次聚類方法的具體流程如圖3所示。

由圖3可知,針對(duì)每個(gè)任務(wù)階段t(t=1,2,…,L)的不同St(t=1,2,…,L),產(chǎn)生可行的指揮控制關(guān)系集合的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是被指揮控制單元的聚類問(wèn)題,當(dāng)被指揮控制單元的分組數(shù)量Know≥(K+D)(K為指揮控制單元的數(shù)量,也就是最終的被指揮控制單元分組的數(shù)量;D為常數(shù),D≥0,用于控制產(chǎn)生可行指揮控制關(guān)系集合的最大數(shù)量)的時(shí)候,每次產(chǎn)生一個(gè)最佳的被指揮控制單元合并選項(xiàng),具體的過(guò)程可參考文獻(xiàn)[6],在這里就不再贅述,具體的合并規(guī)則有基于最小矢量距離合并規(guī)則[6,13]、基于最小工作負(fù)載合并規(guī)則[6,13]和基于最小工作負(fù)載均方根(root mean square, RMS)[6],本文設(shè)計(jì)的層級(jí)聚類方法采用的合并規(guī)則是基于工作負(fù)載的RMS合并規(guī)則,合并規(guī)則中有關(guān)指揮控制單元工作負(fù)載的定義方法也可參考文獻(xiàn)[6-8]。而當(dāng)被指揮控制單元的分組數(shù)量Know<(K+D)的時(shí)候,每次產(chǎn)生n-Best個(gè)最佳的被指揮控制單元合并選項(xiàng)。由圖3可知,使用基于n-Best策略的層次聚類方法求得可行的指揮控制關(guān)系集合的關(guān)鍵步驟是n-Best個(gè)最佳的被指揮控制單元合并選項(xiàng)產(chǎn)生和集合中不滿足性能要求的指揮控制關(guān)系的裁剪,如圖3中虛線框內(nèi)部分所示,本節(jié)以下內(nèi)容就是這兩部分的具體描述。

圖3　基于n -Best策略的層次聚類方法流程圖

3.1.1n-Best個(gè)最佳的被指揮控制單元合并選項(xiàng)產(chǎn)生

采用基于工作負(fù)載的RMS合并規(guī)則來(lái)產(chǎn)生n-Best個(gè)最佳的被指揮控制單元合并選項(xiàng),這一操作可以使用如下具體步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。

步驟 1任意選擇兩個(gè)被指揮控制單元分組進(jìn)行合并操作。假設(shè)在進(jìn)行被指揮控制單元分組合并之前,存在著Know個(gè)被指揮控制單元的分組,從這Know個(gè)被指揮控制單元的分組中任意取出兩個(gè)被指揮控制單元的分組,記為Bh和Bk(h,k=1, 2,…,Know且h≠k),合并Bh和Bk為新的分組Bg。

步驟 2計(jì)算新的分組Bg以及其余Dnow-2個(gè)分組的工作負(fù)載,并計(jì)算這Dnow-1個(gè)分組工作負(fù)載的RMS值,具體詳細(xì)的方法見(jiàn)文獻(xiàn)[6-8]。

步驟 3選擇結(jié)構(gòu)性能最佳的前n個(gè)(n-Best)合并選項(xiàng)。假設(shè)被指揮控制單元的分組數(shù)量為Know,這樣的話,所有可能的被指揮控制單元分組合并方案的數(shù)量為Know·(Know-1)/2個(gè),選擇所有合并方案中RMS值最小的前n個(gè)進(jìn)行下一次的合并。

假設(shè)1stBest的合并選項(xiàng)為(r,s),則

(7)

假設(shè)2ndBest的合并選項(xiàng)為(u,v),則

(8)

由以上步驟可知,如果沒(méi)有迭代中裁剪的環(huán)節(jié)和最后對(duì)不滿足指揮控制關(guān)系執(zhí)行任務(wù)分配方案性能閾值要求的關(guān)系方案裁剪環(huán)節(jié),每一次迭代1個(gè)分組方案就有n個(gè)不同的合并選項(xiàng),就會(huì)產(chǎn)生n個(gè)不同合并結(jié)果,這樣,最多可以產(chǎn)生nD個(gè)指揮控制關(guān)系方案,而通過(guò)方法中兩次裁剪環(huán)節(jié)產(chǎn)生的可行指揮控制關(guān)系集合的數(shù)量一般要小于nD。

3.1.2對(duì)集合中不滿足性能要求的指揮控制關(guān)系的裁剪

(9)

式中,fmatch為指揮控制關(guān)系模式Gt與任務(wù)階段的任務(wù)分配方案St在性能上是否匹配的閾值。

3.2基于GA的最優(yōu)演化路徑搜索

由式(6)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可知,搜索最優(yōu)演化路徑的問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的多階段決策問(wèn)題。由于指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化過(guò)程是前后關(guān)聯(lián)的,并且具有后效性的影響,因此不適合使用常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)其進(jìn)行求解[14],而GA作為一種啟發(fā)式智能搜索方法,經(jīng)常被用來(lái)求解這樣的多階段的具有后效影響的動(dòng)態(tài)決策問(wèn)題[15]。本文采用GA來(lái)搜索指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的最優(yōu)演化路徑。

3.2.1染色體的編碼方式

因此,可采用整數(shù)型的編碼方式對(duì)染色體進(jìn)行編碼:一個(gè)染色體就是一條演化路徑,它由L個(gè)整數(shù)構(gòu)成的有序序列Z=(z1,…,zt,…,zL)組成,其中zt∈{1,2,…,ht},t=1,2,…,L，zt=i表示選擇第t(t=1,2,…,L)個(gè)任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系方案集合為ΩGt中的第i個(gè)指揮控制關(guān)系。

3.2.2適應(yīng)度函數(shù)

由式(6)可知,評(píng)判一個(gè)染色體性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)是該染色體的演化代價(jià),即演化路徑的演化代價(jià),一個(gè)染色體的演化代價(jià)越小,該染色體的性能越優(yōu)。因此,本文采用染色體演化代價(jià)CE(Δ)的倒數(shù)為GA的適應(yīng)度函數(shù)

(10)

3.2.3遺傳算子

(1) 交叉算子

(11)

(12)

(2) 變異算子

(13)

式中,V(1,ht)表示區(qū)間[1, ht]內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)。

(3) 選擇算子

將交叉種群(初始種群進(jìn)行交叉操作后得到的種群)、變異種群(初始種群進(jìn)行變異操作后得到的種群)以及初始種群3個(gè)種群進(jìn)行合并操作,得到合并種群,采用式(10)計(jì)算適應(yīng)度值的方法計(jì)算這個(gè)合并種群中每個(gè)染色體的適應(yīng)度值,使用以下選擇方法進(jìn)行選擇操作:精英策略(使得操作中得到的最優(yōu)個(gè)體能夠保存下來(lái))和賭輪盤(能夠保持個(gè)體的多樣性)兩種選擇方式相結(jié)合。

3.2.4算法步驟

步驟 1采用本文的編碼方式隨機(jī)產(chǎn)生ND個(gè)染色體,這一初始種群記為NI;

步驟 2對(duì)初始種群NI分別進(jìn)行概率為Pc的交叉操作和概率為Pm的變異操作,分別產(chǎn)生交叉種群NC和變異種群NM;

步驟 3將3個(gè)種群進(jìn)行合并操作,并進(jìn)行選擇,產(chǎn)生一個(gè)新的種群,并替代NI;

步驟 4重復(fù)步驟2~步驟3直至最大迭代次數(shù)。

4算例分析

以C4ISR系統(tǒng)執(zhí)行某一聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)役想定為仿真算例,在計(jì)算機(jī)上使用Java程序進(jìn)行分析和驗(yàn)證。假設(shè)聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)役想定中有36個(gè)作戰(zhàn)任務(wù),N=20個(gè)被指揮控制單元,并且假設(shè)有K=5個(gè)指揮控制單元;設(shè)該作戰(zhàn)想定中某一次規(guī)劃的任務(wù)分配方案的甘特圖如圖4所示(C4ISR系統(tǒng)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的輸入是已知的)。

圖4　某一任務(wù)分配方案的甘特圖

由軍事領(lǐng)域?qū)＜医o出該任務(wù)分配方案任務(wù)階段的個(gè)數(shù)L=5,演化時(shí)間點(diǎn)分別為{70,135,180, 230},如圖4中的紅線所示,基于n-Best策略的層次聚類方法中的參數(shù)設(shè)置為:n=2,D=6,WR=1,WP=3,WA=1,WC=1,Pmatch=95%。關(guān)于指揮控制單元工作負(fù)載的定義方法和參數(shù)設(shè)置可以參考文獻(xiàn)[6-8];而GA的參數(shù)設(shè)置為ND=20,Pc=0.8,Pm=0.2,最大迭代次數(shù)為100。

按照算例的以上設(shè)置,做了以下仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)1采用本文提出的基于n-Best策略層次聚類方法得到5個(gè)任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系集合以及它們的性能值如圖5所示,理論上每個(gè)任務(wù)階段最多可行的方案?jìng)€(gè)數(shù)為nD=26=64個(gè),而由圖5可知,每個(gè)任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系的數(shù)量分別為{20,18,11,16,5},要小于理論上的最大值,是因?yàn)榛趎-Best策略層次聚類方法在n-Best個(gè)最佳方案合并環(huán)節(jié)可能會(huì)產(chǎn)生很多重復(fù)的方案,以及產(chǎn)生的指揮控制關(guān)系可能不能滿足性能閾值的要求。

圖5　基于n -Best策略層次聚類方法得到的各任務(wù)階段可行的指揮控制關(guān)系方案以及演化路徑

圖6　GA的收斂曲線

仿真實(shí)驗(yàn)2為了進(jìn)一步驗(yàn)證求解方法的可行性,做了100次GA搜索最優(yōu)解的仿真實(shí)驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證GA搜索最優(yōu)解的穩(wěn)定性(即:是不是每次GA都能夠得到最優(yōu)解,是不是有時(shí)會(huì)陷入局部最優(yōu),陷入的局部最優(yōu)解與最優(yōu)解的差距如何),這100次GA搜索得到的最優(yōu)解的變化曲線如圖8所示,由圖8可知,100次GA中只有4次不能得到最優(yōu)解,并且這4次得到的解也非常接近最優(yōu)解,這4次解的平均優(yōu)化率為96.673 9%,可以得出本文設(shè)計(jì)的GA具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖7　GA搜索得到的最優(yōu)指揮控制方案演化形式

圖8　100次GA得到最優(yōu)解的變化曲線

5總結(jié)

本文針對(duì)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中指揮控制關(guān)系的適應(yīng)性演化問(wèn)題,構(gòu)建了指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化的模型及其求解方法。通過(guò)對(duì)指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化過(guò)程的分析和描述,在設(shè)計(jì)指揮控制關(guān)系結(jié)構(gòu)變化代價(jià)和性能代價(jià)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型,并針對(duì)所建的數(shù)學(xué)模型,提出了基于n-Best策略層級(jí)聚類方法以及GA的問(wèn)題求解方法,最后通過(guò)算例的仿真結(jié)果說(shuō)明本文所提方法有效、可行。

但是本文的模型存在著以下不足:①本文所建指揮控制關(guān)系模型中只考慮了指揮控制單元與被指揮控制單元之間的指揮控制關(guān)系以及指揮控制單元之間的協(xié)作關(guān)系,而真正意義上的指揮控制關(guān)系模式在指揮控制單元之間應(yīng)該也是指揮控制關(guān)系,就是要將指揮控制單元之間協(xié)作關(guān)系轉(zhuǎn)化為指揮控制關(guān)系的問(wèn)題,關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的解決可以借鑒在C2組織設(shè)計(jì)三階段方法中第三階段[7]的求解思路;②在基于n-Best策略的層次聚類方法產(chǎn)生可行的指揮控制關(guān)系集合過(guò)程中,參數(shù)n以及D的設(shè)置直接關(guān)系每個(gè)階段可行的指揮控制關(guān)系的數(shù)量,這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置帶有很強(qiáng)的主觀性,在很多時(shí)候比較難以把握,因此,需要重點(diǎn)研究這兩個(gè)參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題。這些將是本文指揮控制關(guān)系適應(yīng)性演化問(wèn)題下一步的研究工作。

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網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141019.2345.009.html

Model and solving method for adaptive evolution of command and

control relationship in C4ISR system

ZHANG Jie-yong1,2, LAN Yu-shi1, YI Kan1, MAO Shao-jie1, WANG Heng1

(1.ScienceandTechnologyonInformationSystemsEngineeringLaboratory,The28thResearch

InstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Nanjing210007,China; 2.Collegeof

InformationandNavigation,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,China)

Abstract:The adaptive evolution of command and control (C2) relationship in C4ISR system structure is studied. The model of the C2 relationship is established, the process of the C2 relationship adaptive evolution is analyzed and depicted, the cost of structure change and the cost of performance are designed, and the mathematic model with the value of sum of evolution cost minimization as the objective function is built for the problem of the C2 relationship adaptive evolution. Then the method based on the n-Best strategy hierarchical clustering algorithm and genetic algorithm (GA) to solve this model is designed. The hierarchical clustering algorithm based on n-Best strategy is used for getting the feasible C2 relationship in each task window, and the GA is used for searching the best path of evolution. Finally, the applicability and stability of this solving algorithm are illustrated by a case of joint operational plan.

Keywords:C4ISR system; command and control relationship; adaptive evolution; n-Best strategy; hierarchical clustering algorithm; genetic algorithms (GA)

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：E 919; C 394

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.13

基金項(xiàng)目：總裝預(yù)研基金(513060204)資助課題

收稿日期：2014-04-21；修回日期：2014-07-29；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014-10-19。