基于擴(kuò)展HTN規(guī)劃的作戰(zhàn)任務(wù)分析方法

肖海，劉新學(xué)，舒健生，李亞雄，王蘊(yùn)寶

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安710025；2.解放軍駐國營211廠軍代室，北京100076）

基于擴(kuò)展HTN規(guī)劃的作戰(zhàn)任務(wù)分析方法

肖海1，劉新學(xué)1，舒健生1，李亞雄1，王蘊(yùn)寶2

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安710025；2.解放軍駐國營211廠軍代室，北京100076）

任務(wù)分析是一個(gè)認(rèn)識和了解任務(wù)本質(zhì)的過程，作為作戰(zhàn)計(jì)劃擬制過程中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，作戰(zhàn)任務(wù)分析的結(jié)論是否準(zhǔn)確決定著作戰(zhàn)計(jì)劃的好與壞，并影響戰(zhàn)爭的結(jié)局。為了解決目前任務(wù)分析沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及合適方法的問題，分析了層級任務(wù)網(wǎng)絡(luò)（HTN）在任務(wù)分析中的不足之處，給出了OOR框架進(jìn)行任務(wù)細(xì)化的方法和步驟，將其作為領(lǐng)域知識引入HTN規(guī)劃，為任務(wù)分析提供了一個(gè)有效的方法，并設(shè)計(jì)了圖元素用于表示任務(wù)樹中任務(wù)之間的層級關(guān)系以及時(shí)序邏輯關(guān)系。最后以空間信息支援作戰(zhàn)為例，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

任務(wù)分析，作戰(zhàn)計(jì)劃，層級任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，OOR框架，空間信息支援

0　引言

作戰(zhàn)任務(wù)是指作戰(zhàn)力量為達(dá)成預(yù)定作戰(zhàn)目標(biāo)而擔(dān)負(fù)的任務(wù)［1］。一般由上級指揮員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢確定生成，并以作戰(zhàn)命令的形式下達(dá)。作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)至各個(gè)指揮中心后，各級指揮員需要對任務(wù)進(jìn)行分析，將其進(jìn)一步明確和細(xì)化為各作戰(zhàn)單元可執(zhí)行的基本作戰(zhàn)任務(wù)，并據(jù)此進(jìn)行任務(wù)的分配和作戰(zhàn)行動(dòng)的部署。由此可見，具備一種快速合理的任務(wù)分析手段成為作戰(zhàn)指揮的必然需求。

目前國內(nèi)任務(wù)分析采用的方法主要有過程流網(wǎng)、邏輯時(shí)序關(guān)系圖及HTN規(guī)劃等［2-4］，過程流網(wǎng)描述任務(wù)的流程，邏輯時(shí)序關(guān)系圖則描述任務(wù)的邏輯時(shí)序關(guān)系，HTN規(guī)劃則兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用任務(wù)樹和任務(wù)的形式化描述能很好地表述任務(wù)之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)關(guān)系，其思路與領(lǐng)域?qū)＜业那蠼庖?guī)劃問題、進(jìn)行任務(wù)分解的思維方式非常相似，并且具有很好的擴(kuò)展性，能夠引入領(lǐng)域知識進(jìn)行改進(jìn)，因此，本文對HTN規(guī)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和拓展，融入合適的領(lǐng)域知識，形成一種有效的任務(wù)分析方法，并以空間信息支援任務(wù)為例進(jìn)行驗(yàn)證。

1　作戰(zhàn)任務(wù)的定義及形式化描述

任務(wù)分析是指將一個(gè)抽象的、模糊的不可直接執(zhí)行的使命細(xì)化為一系列具體的、明確的可直接執(zhí)行任務(wù)的活動(dòng)或過程，其基本思路為先針對宏觀任務(wù)進(jìn)行定性分析，將宏觀的使命任務(wù)進(jìn)行分析細(xì)化，從而得到任務(wù)的各個(gè)子集，為任務(wù)的量化打下基礎(chǔ)。

通常，一個(gè)總體作戰(zhàn)任務(wù)經(jīng)過分析后對應(yīng)多個(gè)具體作戰(zhàn)任務(wù)［5］，且任務(wù)之間具有上下層級關(guān)系，結(jié)合上述的定義可將任務(wù)細(xì)化為：一級：總體作戰(zhàn)任務(wù)，二級：具體作戰(zhàn)任務(wù)，三級：具體作戰(zhàn)子任務(wù)，四級：具體作戰(zhàn)元任務(wù)。

下面給出相關(guān)定義及相應(yīng)數(shù)學(xué)描述［6-8］：

1.1作戰(zhàn)任務(wù)（OperationalTask）

其中，ID表示任務(wù)的編號；TN為任務(wù)的名字；TO表示任務(wù)的目標(biāo)；TR表示任務(wù)間的約束及規(guī)則，任務(wù)間的相互關(guān)系主要有順序、并列和反饋3種；TOg表示執(zhí)行任務(wù)的組織；TT=（Duration，StarTime，EndTime）表示任務(wù)的時(shí)間屬性，Duration表示任務(wù)的持續(xù)時(shí)間，StarTime表示任務(wù)的開始時(shí)間，EndTime表示任務(wù)的結(jié)束時(shí)間；TS=（Area，Boundary）表示任務(wù)的空間屬性，Area表示任務(wù)的區(qū)域，Boundary表示任務(wù)的邊界；TI=（Preconditions，Effects）表示任務(wù)的信息屬性，Preconditions是任務(wù)開始執(zhí)行必須滿足的前提條件集，Effects是任務(wù)執(zhí)行完成后所產(chǎn)生的效果集；OtherParameters是擴(kuò)充字段，可根據(jù)需要添加內(nèi)容。

1.2作戰(zhàn)子任務(wù)（Sub-task）

作戰(zhàn)子任務(wù)是指任務(wù)分解過程中的中間任務(wù)節(jié)點(diǎn)。

Sub-task=｛Sub-task 1，Sub-task i，…，Sub-taskm｝其中，Sub-task i表示某一個(gè)作戰(zhàn)子任務(wù)。每一個(gè)作戰(zhàn)子任務(wù)Sub-task i具有與Task相同的要素。

1.3作戰(zhàn)元任務(wù)（Meta-task）

作戰(zhàn)元任務(wù)是指任務(wù)分解過程中的末端任務(wù)節(jié)點(diǎn)，一般是指不需要再分的任務(wù)。

Meta-task=｛Meta-task 1，Meta-task i，…，Meta-task l｝其中，Meta-task i表示某一個(gè)作戰(zhàn)元任務(wù)。每一個(gè)作戰(zhàn)元任務(wù)Meta-task i同樣具有與Task相同的要素。

1.4任務(wù)分解集（Sets）

所有任務(wù)的集合，包括任務(wù)及作戰(zhàn)使命分解后的子任務(wù)、元任務(wù)。

作戰(zhàn)任務(wù)分析就是通過一定的方法對任務(wù)進(jìn)行分析得到上述各個(gè)層級的作戰(zhàn)任務(wù)，實(shí)質(zhì)上就是形成任務(wù)分解集的過程，本文將運(yùn)用HTN規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)此過程。

2　引入OOR框架的HTN規(guī)劃擴(kuò)展分析

2.1HTN規(guī)劃分析

HTN（Hierarchy Task Net）規(guī)劃是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的基于分層抽象和知識推理的智能規(guī)劃技術(shù)，具有強(qiáng)大的領(lǐng)域知識表達(dá)能力，能夠?qū)?fù)雜的決策問題進(jìn)行有效的知識表示和管理［9-10］。其問題為一個(gè)四元組：P=（S0，W，Ops，Mes），其中，S0表示初始狀態(tài)，W=（U，C）表示任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，U為任務(wù)節(jié)點(diǎn)集，C為約束集；Ops表示操作集；Mes表示方法集；D=（Ops，Mes）表示規(guī)劃領(lǐng)域；若?π=（a1，a2，…，an）滿足W&S0&C，則π=（a1，a2，…，an）為規(guī)劃問題的解。

HTN規(guī)劃動(dòng)作推理的基本思想是從初始任務(wù)網(wǎng)絡(luò)開始，依據(jù)方法集合進(jìn)行遞歸分解將復(fù)合任務(wù)分解為越來越具體的子任務(wù)，并依據(jù)操作集合進(jìn)行前序狀態(tài)更新來驗(yàn)證原子任務(wù)的可行性，最終選擇和組織出一組完全由原子任務(wù)組成的任務(wù)執(zhí)行序列［11］，并以任務(wù)樹的形式給出。其基本流程如圖1所示。

圖1　HTN規(guī)劃的基本流程

從圖1可以看出，HTN規(guī)劃只考慮了形成一種易于計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的自動(dòng)任務(wù)分解手段，但沒有對任務(wù)分解的方法進(jìn)行明確，同時(shí)任務(wù)分解也沒有與實(shí)際的作戰(zhàn)目的或服務(wù)相結(jié)合，因此，使用HTN規(guī)劃解決具體的問題時(shí)，需要引入相應(yīng)的領(lǐng)域知識。領(lǐng)域知識主要體現(xiàn)在操作算子集合和方法集合兩個(gè)方面，同時(shí)還包括一些約束條件及聲明。OOR框架正是一種任務(wù)細(xì)化的方法，能夠很好地描述任務(wù)對應(yīng)的具體操作知識，因此，可將其作為領(lǐng)域知識引入HTN規(guī)劃中。

2.2OOR框架分析

OOR框架是一種自頂向下的任務(wù)細(xì)化方法，通過分析作戰(zhàn)任務(wù)所涉及的因素以及因素與任務(wù)之間的相互關(guān)系，不斷反饋修正，最后確定任務(wù)分解集。圖2所示為OOR框架模型示意圖［12］。

圖2 OOR框架模型示意圖

圖2描述了目標(biāo)、組織、規(guī)則與任務(wù)之間的相互關(guān)系，說明任務(wù)應(yīng)當(dāng)包含的3個(gè)主要因素：待實(shí)現(xiàn)的作戰(zhàn)目標(biāo)、指定的作戰(zhàn)組織、必須遵守的作戰(zhàn)規(guī)則。OOR框架模型正是從這3個(gè)方面進(jìn)行分析，考慮任務(wù)本身的屬性是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，是否符合組織能力的約束以及規(guī)則的約束，據(jù)此確定任務(wù)并得出任務(wù)分解集，其具體方法為：

設(shè)上級賦予的使命為M，其對應(yīng)的目標(biāo)為O，組織為Og，規(guī)則為R，任務(wù)分析的結(jié)果是得到一個(gè)合理的任務(wù)集（Sets），由任務(wù)分析的輸入輸出模型，可將任務(wù)分析作為一個(gè)映射：

又M與O、Og、R有對應(yīng)關(guān)系，則式（3）可化為

式（4）中，do（Sets）=O表示執(zhí)行任務(wù)集Sets能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)O；Bility（Og）≥Sets表示組織Og的能力能夠完成任務(wù)集Sets；Sets（i）under R，?Sets（i）∈Sets表示任務(wù)集中的任何一個(gè)任務(wù)都必須滿足規(guī)則R。

又目標(biāo)、組織及規(guī)則可以按時(shí)間、空間或者信息屬性進(jìn)行細(xì)化，并根據(jù)作戰(zhàn)的要求確定細(xì)化的粒度，其細(xì)化表達(dá)式為

則某個(gè)任務(wù)的確定方法為

那么任務(wù)集Sets=｛Sets（1），…，Sets（i），…，Sets（n）｝。

2.3OOR框架引入HTN規(guī)劃

上述分析給出了OOR框架進(jìn)行任務(wù)細(xì)化的基本方法和步驟，將其作為領(lǐng)域知識引入到HTN規(guī)劃中，借助HTN對任務(wù)分解集進(jìn)行合理的規(guī)劃，得出任務(wù)分析的規(guī)劃解，并以任務(wù)樹的形式表示，引入OOR框架后HTN規(guī)劃的基本流程如圖3所示。

圖3　引入OOR框架的HTN規(guī)劃流程圖

時(shí)間、空間及信息屬性是任務(wù)的基本屬性，其決定了任務(wù)的執(zhí)行順序和相互關(guān)系，這些關(guān)系可利用下頁圖4所示的結(jié)構(gòu)圖元素在任務(wù)樹中表達(dá)。

3　實(shí)例應(yīng)用

空間信息支援作戰(zhàn)是指利用空間信息保障力量，從太空為陸、海、空等作戰(zhàn)力量提供偵察監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警、通信中繼、氣象觀測、導(dǎo)航定位、大地測繪等信息支援保障行動(dòng)［13］。本文以此為例，運(yùn)用上述規(guī)劃方法進(jìn)行任務(wù)分析。

圖4　任務(wù)樹中圖元素示意圖

3.1擴(kuò)展HTN規(guī)劃任務(wù)分析過程

空間信息支援作戰(zhàn)的目標(biāo)為“為陸?？章?lián)合作戰(zhàn)提供信息支援保障”，具體而言就是實(shí)施空間偵察監(jiān)視信息支援、實(shí)施空間導(dǎo)彈預(yù)警信息支援、實(shí)施空間通信支援、實(shí)施空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息支援、實(shí)施空間氣象觀測信息支援、實(shí)施大地測繪信息支援。設(shè)O為空間信息支援作戰(zhàn)的目標(biāo)，根據(jù)空間信息支援作戰(zhàn)流程，O按信息屬性可劃分為O=｛O1，O2，…，O6｝=｛“提供空間偵察監(jiān)視信息支援”，“提供空間導(dǎo)彈預(yù)警信息支援”，“提供空間通信支援”，“提供空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息支援”，“提供空間氣象觀測信息支援”，“提供空間大地測繪信息支援”｝。

空間信息支援對應(yīng)的組織Og為空間信息支援作戰(zhàn)力量，該組織可細(xì)化為Og=｛Og1，Og2，…，Og5｝=｛航天發(fā)射部隊(duì)、航天測控部隊(duì)、防天監(jiān)視部隊(duì)、空間信息應(yīng)用管理部隊(duì)、支援部隊(duì)｝。

空間信息支援作戰(zhàn)涉及的規(guī)則R主要有空間作戰(zhàn)條令、首長機(jī)關(guān)工作的相關(guān)條令條例、后勤裝備工作的相關(guān)條令條例，以及空間作戰(zhàn)過程中應(yīng)遵守的其他約束條件。

運(yùn)用OOR框架進(jìn)行任務(wù)分析，考慮到目標(biāo)的細(xì)化方式是按信息屬性進(jìn)行劃分，各目標(biāo)對應(yīng)的組織基本相同，因此，可認(rèn)為O1、O2、O3、O4、O5均由Og1、Og2、Og3、Og4、Og5共同完成，由空間作戰(zhàn)規(guī)則可得元任務(wù)t11=“發(fā)射衛(wèi)星”，t12=“跟蹤測控”，t13=“信息獲取”，t14=“信息下傳”；t21=“發(fā)射衛(wèi)星”，t22=“跟蹤測控”，t23=“預(yù)警信息獲取”，t24=“信息下傳”；t31=“發(fā)射衛(wèi)星”，t32=“跟蹤測控”，t33=“信息上傳”，t34=“信息下傳”；t41=“發(fā)射衛(wèi)星”，t42=“跟蹤測控”，t43=“導(dǎo)航定位”，t44=“發(fā)布導(dǎo)航信息”；t51=“發(fā)射衛(wèi)星”，t52=“跟蹤測控”，t53=“氣象觀測”，t54=“氣象信息下傳”；t61=“發(fā)射衛(wèi)星”，t62=“跟蹤測控”，t63=“大地測繪”，t64=“信息下傳”。

根據(jù)上述獲得的任務(wù)不斷更新任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)分析同一層級任務(wù)及不同層級任務(wù)之間的關(guān)系，運(yùn)用圖4中的圖元素表示出來，最后得到任務(wù)樹如圖5所示。

圖5　空間信息支援任務(wù)樹

3.2結(jié)論分析

由圖5的任務(wù)樹描述了任務(wù)之間的層級關(guān)系以及上下級之間的聯(lián)系，并通過圖元素表達(dá)出來，例如在現(xiàn)有衛(wèi)星不足以完成任務(wù)時(shí)，應(yīng)選擇性地發(fā)射相應(yīng)衛(wèi)星；同時(shí)，邏輯和時(shí)序關(guān)系在任務(wù)樹中也得到了體現(xiàn)，例如空間信息支援作戰(zhàn)（SN級）的下一級由6個(gè)子任務(wù)（OP級）構(gòu)成，由于這6個(gè)子任務(wù)有選擇性地發(fā)生，并不同時(shí)出現(xiàn)，而對于OP4的下一級任務(wù)的執(zhí)行則是按照t41→t42→t43→t44的順序執(zhí)行。

4　結(jié)論

任務(wù)分析是一個(gè)復(fù)雜的過程，其目的是為了更好地了解任務(wù)的本質(zhì)，明確作戰(zhàn)過程中各個(gè)階段的子任務(wù)及相應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng)，并為目標(biāo)的達(dá)成賦予合理的資源和能力。本文應(yīng)用HTN規(guī)劃進(jìn)行任務(wù)分析，并針對HTN規(guī)劃中未能明確領(lǐng)域知識的不足，將OOR框架的任務(wù)細(xì)化方法引入其中，形成一種有效的任務(wù)分析方法。最后應(yīng)用此方法對空間信息支援作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行了分析，并用設(shè)計(jì)的圖元素表示任務(wù)樹中任務(wù)之間的層級關(guān)系以及時(shí)序邏輯關(guān)系，結(jié)果表明，本文的方法合理有效。

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Research on Operational Task AnalysisM ethod Based on Extended HTN Planning

XIAOHai1，LIUXin-xue1，SHU Jian-sheng1，LIYa-xiong1，Wang Yun-bao2
（1.Rocket Force University of Engineering，Xi’an 710025，China；2.PLA Stationed in the Military Representative Office of the State-owned 211 Factory，Beijing 100076，China）

Task analysis is a process of understanding and awareness of the task，operational task analysis as a core element in the process of operational planmaking，whether accuracy of its conclusion determines the good and bad of operational plan，and influence on the war ending.In order to solve at present，there is no an unified standard and method for the task analysis，the shortcomings of the HTN in task analysis is analyzed，themethod and steps of tasks refinement by the OOR framework is given，then it is taken as domain knowledge into HTN planning，an effective method of task analysis is provided，and design the diagram elements that are used to represent the hierarchy and logic relation between the tasks in the task tree.Finally，the feasibility and effectiveness of themethod is verified by the analysis of the space information support task.

task analysis，operationalplan，hierarchical task network（HTN），OOR framework，space information support

E919

A

1002-0640（2016）09-0108-04

2015-07-05

2015-08-07

肖海（1987-），男，湖南婁底人，博士研究生。研究方向：軍事運(yùn)籌學(xué)。