改進(jìn)合同網(wǎng)協(xié)議在防空武器目標(biāo)分配中的應(yīng)用*

郭智杰，糜玉林，肖陽(yáng)，姜文志，賀林波

(海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.訓(xùn)練部；c.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001)

改進(jìn)合同網(wǎng)協(xié)議在防空武器目標(biāo)分配中的應(yīng)用*

郭智杰a，糜玉林b，肖陽(yáng)a，姜文志c，賀林波a

(海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.訓(xùn)練部；c.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001)

針對(duì)現(xiàn)代防空作戰(zhàn)呈現(xiàn)出的協(xié)同性和動(dòng)態(tài)性，引入多智能體系統(tǒng)的概念，對(duì)武器目標(biāo)分配問題進(jìn)行描述，建立了基于改進(jìn)合同網(wǎng)的武器目標(biāo)分配體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)合同網(wǎng)的招投標(biāo)策略、中標(biāo)策略及簽約策略進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提出了一種基于改進(jìn)合同網(wǎng)的防空武器目標(biāo)分配策略。最后以防空作戰(zhàn)想定為例，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)基于合同網(wǎng)和改進(jìn)合同網(wǎng)的武器目標(biāo)分配策略進(jìn)行了比較分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后者更具合理性和有效性。

武器目標(biāo)分配； 智能體； 多智能體系統(tǒng)；防空體系； 合同網(wǎng)；NetLogo

0 引言

武器目標(biāo)分配(weapon target assignment，WTA)問題一直以來(lái)都是防空作戰(zhàn)研究的熱點(diǎn)，最初來(lái)源于防空領(lǐng)域的資源分配問題，其重點(diǎn)解決如何在時(shí)間T內(nèi)合理地分配M個(gè)武器到N個(gè)目標(biāo)，使得防空作戰(zhàn)效能最大化[1-2]。隨著防空作戰(zhàn)面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日益復(fù)雜，如何在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)武器進(jìn)行快速有效地調(diào)配是一個(gè)較為復(fù)雜的問題。

目前絕大部分的多Agent系統(tǒng)采用合同網(wǎng)機(jī)制，并且合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制的求解質(zhì)量和收斂性已被廣泛認(rèn)同[3]。為了適應(yīng)防空作戰(zhàn)中涌現(xiàn)出的協(xié)同性和動(dòng)態(tài)性，這里采用相對(duì)成熟的合同網(wǎng)協(xié)議(contract net protocol，CNP)進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)分配[4]。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行大量的研究，提出基于擴(kuò)展合同網(wǎng)的任務(wù)分配方法[5-8]，國(guó)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)合同網(wǎng)的不足進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)[9-10]。本文正是基于前人的研究基礎(chǔ)上，提出一種基于多智能體系統(tǒng)(multiple agent systems，MAS)的改進(jìn)合同網(wǎng)策略，并將其用于解決防空作戰(zhàn)武器目標(biāo)分配領(lǐng)域，有效解決防空作戰(zhàn)單元的動(dòng)態(tài)協(xié)同問題，提升了系統(tǒng)整體效率。

1 要地防空WTA問題描述

現(xiàn)代要地防空作戰(zhàn)中的WTA問題，通常是指處于不同空間位置的多種作戰(zhàn)平臺(tái)、多種武器單元協(xié)同打擊目標(biāo)，以最小代價(jià)來(lái)?yè)Q取整體防空作戰(zhàn)效能的最大化。為了更好地對(duì)問題進(jìn)行描述，這里將防空作戰(zhàn)武器目標(biāo)分配映射成一個(gè)MAS[11]，在該MAS中定義3類智能體：武器智能體(weapon agent，WA)，平臺(tái)管理智能體(platform management agent，PMA)，指控智能體(command agent，CA)。其中CA本質(zhì)上是從多個(gè)PMA中選擇出來(lái)的指控中心。表1對(duì)系統(tǒng)中各符號(hào)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

表1 MAS符號(hào)參數(shù)說(shuō)明

防空作戰(zhàn)武器目標(biāo)分配實(shí)質(zhì)就是Z求極值的過程，即MAS中各智能體如何協(xié)作以求系統(tǒng)效能最優(yōu)的過程。則系統(tǒng)整體效能Z可表示為

(1)

式中：Mj表示第j個(gè)目標(biāo)的威脅度；Xij表示第j個(gè)目標(biāo)是否分配給第i個(gè)武器作戰(zhàn)單元，若成功分配則取值為1，否則取值為0；Vi和Vj分別表示武器作戰(zhàn)單元和目標(biāo)的能力價(jià)值；p表示武器作戰(zhàn)單元攔截目標(biāo)概率；p′表示武器作戰(zhàn)單元被目標(biāo)攻擊概率。

2 基于改進(jìn)CNP的防空WTA體系結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)CNP

CNP是Smith在1980年對(duì)分布式問題研究過程中提出的一種Agent協(xié)同手段[12-13]，其基本原理是引入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的招標(biāo)-投標(biāo)-中標(biāo)-簽約機(jī)制。基于合同網(wǎng)協(xié)議的整個(gè)任務(wù)分配過程中，招標(biāo)者以廣播形式發(fā)布任務(wù)信息，投標(biāo)者根據(jù)自身能力相應(yīng)地進(jìn)行投標(biāo)，招標(biāo)者對(duì)投標(biāo)者完成任務(wù)的能力進(jìn)行評(píng)估，從而決定是否與其簽訂任務(wù)合同。傳統(tǒng)合同網(wǎng)基本原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)CNP基本原理Fig.1 Basic principle of traditional CNP

2.2 改進(jìn)CNP

針對(duì)傳統(tǒng)CNP理論的不足，主要對(duì)合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行以下3方面的改進(jìn)：

(1) 為了篩選合適的WA，這里引進(jìn)黃頁(yè)服務(wù)的思想，要求所有的WA將自身的能力、類型及服務(wù)內(nèi)容注冊(cè)在CA的系統(tǒng)目錄里，這樣CA就能隨時(shí)掌握WA的狀態(tài)，從而篩選合適的個(gè)體進(jìn)行任務(wù)分配，減少與個(gè)體的協(xié)商次數(shù)，從而提高系統(tǒng)執(zhí)行效率。

(2) 通常來(lái)說(shuō)，一方面，系統(tǒng)中的Agent存在自私性，會(huì)隱瞞自身所能承受的任務(wù)負(fù)荷和自身所具備的能力[14]，因此，這里假設(shè)系統(tǒng)個(gè)體均誠(chéng)實(shí)可靠；另一方面，針對(duì)WA無(wú)限制的投標(biāo)和評(píng)標(biāo)機(jī)制，這里引入新的投標(biāo)策略和評(píng)標(biāo)策略，用于在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)系統(tǒng)Agent的投標(biāo)和評(píng)標(biāo)工作。

(3) 針對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性不足的問題，設(shè)計(jì)一種可解約的風(fēng)險(xiǎn)合同用于解決。系統(tǒng)中Agent可能隨時(shí)進(jìn)入和退出，會(huì)導(dǎo)致原有分配方案受到影響，設(shè)計(jì)該合同可降低任務(wù)沖突和執(zhí)行缺失的情況，一定程度上可避免死鎖現(xiàn)象。

改進(jìn)后的CNP方案與傳統(tǒng)CNP方案的特性比較如表2所示。

表2 傳統(tǒng)CNP與改進(jìn)CNP特性比較

2.3 體系結(jié)構(gòu)

為了更好地對(duì)防空WTA問題進(jìn)行研究，建立如圖2所示基于改進(jìn)CNP的防空WTA體系結(jié)構(gòu)，這里作出以下假設(shè)：

(1) 整個(gè)防空體系采用理想的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。在CA有限的集中指揮方式下，各網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)WA均可進(jìn)行獨(dú)立或協(xié)同作戰(zhàn)。防空作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)里的信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)共享，網(wǎng)絡(luò)體系中WA，PMA和CA三者之間通信鏈路可靠，隨時(shí)可用。

(2) 體系中所有的Agent處于理想狀態(tài)，指控中心CA下達(dá)給武器平臺(tái)的任務(wù)，都是經(jīng)過分解之后所得到的最小粒度的任務(wù)，并且各子任務(wù)之間是相互獨(dú)立的。所構(gòu)建的武器目標(biāo)分配體系，是針對(duì)多目標(biāo)的多平臺(tái)協(xié)同決策；對(duì)于單一來(lái)襲目標(biāo)則無(wú)需進(jìn)行協(xié)同。

(3) 體系中各執(zhí)行任務(wù)的Agent地位均等，所構(gòu)建目標(biāo)分配體系中所有Agent只存在與外界交互，以及Agent之間進(jìn)行交互協(xié)作。Agent自身不帶有其他特性，在目標(biāo)分配期間CA，PMA和WA三者之間不存在互相干擾，也考慮外界來(lái)襲目標(biāo)的物理或電子干擾。

圖2 基于改進(jìn)CNP的防空WTA體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of WTA based on improved CNP

3 基于改進(jìn)CNP的防空WTA策略

3.1 招標(biāo)準(zhǔn)備

這里引入黃頁(yè)服務(wù)的概念，黃頁(yè)是國(guó)際上對(duì)照企業(yè)性質(zhì)或產(chǎn)品類別編排的商業(yè)電話號(hào)碼固稱，因其慣用黃色紙張印刷，故稱黃頁(yè)[15-16]。

招標(biāo)開始前，防空體系結(jié)構(gòu)下的所有WA需要向PMA注冊(cè)自己的信息，包括武器類型、射程及飛行速度等戰(zhàn)技指標(biāo)，初始化后形成完整的黃頁(yè)目錄由PMA進(jìn)行管理，系統(tǒng)目錄則由CA進(jìn)行統(tǒng)一管理，體系中各PMA共享該目錄。在每一次目標(biāo)分配完成后，都需要更新目錄，尤其是當(dāng)防空作戰(zhàn)過程中有新平臺(tái)進(jìn)入或平臺(tái)因故障退出時(shí)，也需要向系統(tǒng)注冊(cè)或注銷自身信息，隨時(shí)保持目錄動(dòng)態(tài)更新。

3.2 招標(biāo)階段策略

當(dāng)初始集中分配結(jié)果不理想或目錄發(fā)生更新時(shí)，此時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行公開招標(biāo)。若此時(shí)只有1個(gè)目標(biāo)需要分配，則通過查詢目錄向具備完成此目標(biāo)的WA發(fā)送招標(biāo)書；若此時(shí)有多批目標(biāo)需要進(jìn)行分配，則按照目標(biāo)威脅程度進(jìn)行排列，依次發(fā)送招標(biāo)書至WA。其中招標(biāo)任務(wù)書的信息如表3所示。

3.3 投標(biāo)階段策略

在向PMA發(fā)送招標(biāo)書后，各火力平臺(tái)所屬的武器單元WA進(jìn)行公開招標(biāo)，由底層的WA進(jìn)行投標(biāo)。假設(shè)Wi接收到招標(biāo)書時(shí)已簽訂k個(gè)合同，此時(shí)對(duì)自身投標(biāo)能力進(jìn)行評(píng)估決定是否投標(biāo)。設(shè)計(jì)Wi的投標(biāo)規(guī)則如下：

表3 招標(biāo)書內(nèi)容描述

(1) 時(shí)間約束估計(jì)

Wi根據(jù)發(fā)來(lái)的任務(wù)目標(biāo)信息計(jì)算擊毀目標(biāo)所需的時(shí)間Ti，k+1、完成上一個(gè)任務(wù)所需時(shí)間Ti，k以及Wi所能等待任務(wù)響應(yīng)時(shí)間T(i，k+1)，則此時(shí)應(yīng)滿足Ti，k+1TEva。

(2) 投標(biāo)值估計(jì)

Wi首先計(jì)算自身目前整體效能和投標(biāo)后預(yù)計(jì)的整體效能，然后按照式(2)計(jì)算此次投標(biāo)值Bi，k+1，若Bi，k+1>0，則可以考慮投標(biāo)。

(2)

Wi將計(jì)算結(jié)果寫入投標(biāo)書并反饋給Ai，體系里所有PMA將投標(biāo)書發(fā)送匯總至CA等待進(jìn)行處理。

3.4 中標(biāo)階段策略

指控中心CA在收到投標(biāo)書后，需要對(duì)投標(biāo)者進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，以此避免或減少資源重復(fù)使用次數(shù)。假設(shè)投標(biāo)書數(shù)量為l，這里采用時(shí)間、效能、代價(jià)3類主要指標(biāo)對(duì)標(biāo)書內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)估，具體評(píng)標(biāo)策略如下：

(1) 任務(wù)完成時(shí)間指標(biāo)評(píng)估

對(duì)于打擊同一目標(biāo)任務(wù)，招標(biāo)者CA希望以最快的時(shí)間完成任務(wù)，故需要從所有投標(biāo)者中篩選出完成任務(wù)耗時(shí)最少的為中標(biāo)者，則有

(3)

(2) 作戰(zhàn)能力指標(biāo)評(píng)估

對(duì)每個(gè)投標(biāo)者進(jìn)行作戰(zhàn)能力的評(píng)估主要是從2方面的因素進(jìn)行考慮，一方面考慮投標(biāo)者反饋的投標(biāo)值Bi，j，另一方面則考慮投標(biāo)者已有負(fù)載Qi大小，則有

(4)

(3) 執(zhí)行任務(wù)代價(jià)指標(biāo)評(píng)估

所有WA執(zhí)行任務(wù)都會(huì)付出相應(yīng)代價(jià)，這些代價(jià)包括通信代價(jià)、作戰(zhàn)資源消耗成本及武器保障成本等，則有

(5)

這里綜合考慮以上3種指標(biāo)影響，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)評(píng)價(jià)。其中各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)由防空作戰(zhàn)指揮員的決策意圖和任務(wù)的客觀需求來(lái)具體確定，其中αt+αa+αc=1，最終得出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

(6)

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選最優(yōu)的武器單元WA執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)篩選出的WA無(wú)法完成任務(wù)時(shí)，即可進(jìn)行二次篩選，在已投標(biāo)的WA中選擇最優(yōu)的個(gè)體進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，以此循環(huán)直到任務(wù)完成為止。

3.5 簽約階段策略

CA在對(duì)所有投標(biāo)者進(jìn)行評(píng)估之后篩選出最優(yōu)的中標(biāo)者并與之簽訂合同，此時(shí)中標(biāo)的WA更新黃頁(yè)目錄上注冊(cè)的信息，可有效降低二次招標(biāo)時(shí)通信量。為了適應(yīng)防空作戰(zhàn)的動(dòng)態(tài)性及協(xié)同性，這里設(shè)計(jì)一種可解約的風(fēng)險(xiǎn)合同。風(fēng)險(xiǎn)合同規(guī)定描述如下：

(1) 正常情況。CA與中標(biāo)者簽訂合同之后，中標(biāo)WA正常執(zhí)行并順利完成任務(wù)。

(2) 任務(wù)出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。在簽訂合同之后，由于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化使得任務(wù)復(fù)雜度增大導(dǎo)致WA無(wú)法正常完成任務(wù)。此時(shí)在保證系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能不發(fā)生較大變化的前提下，CA尋找其他適合的WA與當(dāng)前任務(wù)WA進(jìn)行合同交換。通過交換任務(wù)避免系統(tǒng)陷入死鎖，保證系統(tǒng)任務(wù)完成率。

(3) 武器作戰(zhàn)單元WA無(wú)法獨(dú)立完成任務(wù)。隨著防空作戰(zhàn)資源的消耗，原本有能力執(zhí)行合約的WA由于不再滿足發(fā)射條件而無(wú)法進(jìn)行獨(dú)立作戰(zhàn)，這時(shí)可由該WA充當(dāng)招標(biāo)者重新對(duì)任務(wù)進(jìn)行公開招標(biāo)，通過與其他WA進(jìn)行協(xié)商招標(biāo)請(qǐng)求與其進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)。

3.6 策略流程

本文對(duì)CNP的招投標(biāo)策略、中標(biāo)策略以及簽約策略進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)合防空WTA問題得出基于改進(jìn)CNP的防空WTA策略。具體策略流程如圖3所示。

由以上工作流程可以看出，改進(jìn)的WTA分配策略有以下特點(diǎn)：

(1) 在招標(biāo)階段引入黃頁(yè)服務(wù)的手段，通過查詢黃頁(yè)目錄可以減少防空作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)體系中不必要的通信負(fù)載，大大降低CA計(jì)算量。

(2) 在選擇中標(biāo)者階段，采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)投標(biāo)者進(jìn)行整體作戰(zhàn)能力的評(píng)估，避免由于單一指標(biāo)評(píng)價(jià)帶來(lái)的決策失誤。

(3) 在合同簽約階段，設(shè)計(jì)雙向可解約的風(fēng)險(xiǎn)合同具有一定程度的容錯(cuò)能力，可以避免死鎖現(xiàn)象帶來(lái)的防空間隙，增強(qiáng)系統(tǒng)的協(xié)同性。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出策略的有效性，采用多主體建模仿真平臺(tái)NetLogo，設(shè)計(jì)基于改進(jìn)CNP的防空WTA模型并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為方便開展仿真實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)前文的假設(shè)，這里對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

假設(shè)防空作戰(zhàn)在正常的氣象條件下發(fā)生，目標(biāo)分配期間不考慮地形環(huán)境以及電磁干擾等外界影響，在一個(gè)長(zhǎng)300 km，寬300 km的仿真區(qū)域內(nèi)，存在1個(gè)固定要地K位于仿真區(qū)域中心，整個(gè)防空作戰(zhàn)體系主要由1個(gè)區(qū)域防空指揮中心CA(位于仿真區(qū)域中心)和3個(gè)防空武器作戰(zhàn)平臺(tái)PMA組成，每個(gè)武器平臺(tái)PMA下屬4個(gè)武器作戰(zhàn)單元WA。其中區(qū)域指控中心CA的警戒范圍包括整個(gè)仿真區(qū)域，各作戰(zhàn)武器單元探測(cè)范圍為邊長(zhǎng)150 km的矩形區(qū)域，整個(gè)防空體系里各Agent個(gè)體以鏈相連接，以此保證各智能體之間的信息傳遞以及任務(wù)的正常執(zhí)行。設(shè)定3個(gè)武器作戰(zhàn)平臺(tái)PMA的初始能力價(jià)值分別為4.5，5，5.5，評(píng)標(biāo)的時(shí)間約束、作戰(zhàn)能力及作戰(zhàn)代價(jià)的權(quán)重系數(shù)分別設(shè)為0.1，0.5，0.4。整個(gè)防空作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生n個(gè)威脅等級(jí)相同的敵方目標(biāo)，并設(shè)置來(lái)襲目標(biāo)的威脅度大小為0.5，能力價(jià)值設(shè)置為5。整個(gè)防空作戰(zhàn)區(qū)域隨機(jī)產(chǎn)生的n個(gè)目標(biāo)，不予考慮自身電磁干擾特性，攻防作戰(zhàn)在正常條件下進(jìn)行，因此，這里設(shè)置防空武器作戰(zhàn)單元被目標(biāo)攻擊的平均概率為0.3，各平臺(tái)內(nèi)部的武器作戰(zhàn)單元對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的平均殺傷概率為0.65。

仿真開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)隨機(jī)生成n個(gè)目標(biāo)，CA感知外界目標(biāo)存在，系統(tǒng)中各武器作戰(zhàn)單元WA的狀態(tài)信息進(jìn)行目錄注冊(cè)，并統(tǒng)一由CA進(jìn)行管理。當(dāng)敵方目標(biāo)進(jìn)入到矩形探測(cè)范圍之內(nèi)，由戰(zhàn)術(shù)單位決策中心CA開始執(zhí)行策略，各火力單元PMA組網(wǎng)協(xié)同完成目標(biāo)分配。

由NetLogo所構(gòu)建的WTA模型如圖4所示。

這里以n=10，m=12進(jìn)行作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)，研究防空作戰(zhàn)整體效能在2種合同網(wǎng)策略下的變化情況。圖5為在CNP和改進(jìn)CNP策略下系統(tǒng)效能隨時(shí)間變化的曲線。

由圖5可以得出，與傳統(tǒng)CNP 相比，改進(jìn)CNP策略下的系統(tǒng)整體效能較優(yōu)，主要是因?yàn)楦倪M(jìn)CNP中引進(jìn)多指標(biāo)的評(píng)標(biāo)策略和風(fēng)險(xiǎn)合同機(jī)制，在CA篩選武器單元的過程中對(duì)其進(jìn)行綜合能力評(píng)估而不是單一的局部評(píng)估，加上引入風(fēng)險(xiǎn)合同機(jī)制可以使得WA根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)決定是否改簽，其中每個(gè)轉(zhuǎn)折處代表一次合同簽訂，WA之間通過協(xié)商進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)從而減少局部最優(yōu)現(xiàn)象。

圖3 基于改進(jìn)CNP的防空WTA策略流程Fig.3 Process of WTA strategy based on improved CNP

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)界面示意圖Fig.4 Sketch map of simulation interface strategies

圖5 2種策略下系統(tǒng)整體效能比較Fig.5 Comparison of system efficiency between two strategies

這里以n=11，m=12為例進(jìn)行100次仿真實(shí)驗(yàn)，研究2種策略下任務(wù)完成時(shí)間的變化情況，經(jīng)過多次仿真得出如圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 2種策略下任務(wù)完成時(shí)間比較Fig.6 Comparison of task completion time between two strategies

由圖6可以看出基于改進(jìn)CNP的WTA策略比基于CNP的WTA策略完成所有作戰(zhàn)任務(wù)耗時(shí)更少。這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)策略里引進(jìn)黃頁(yè)服務(wù)，相較于傳統(tǒng)CNP廣播式的招標(biāo)方式更能夠迅速地找到合適的招標(biāo)對(duì)象和協(xié)同單元，因此更有利于提高武器作戰(zhàn)反應(yīng)速度，減少不必要的計(jì)算時(shí)間。

這里利用NetLogo的行為空間實(shí)驗(yàn)工具對(duì)目標(biāo)數(shù)為5～12的情況分別進(jìn)行100次仿真實(shí)驗(yàn)，研究作戰(zhàn)單元之間協(xié)同次數(shù)隨目標(biāo)數(shù)量變化的情況，經(jīng)過多次仿真得到如圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖7 2種策略下作戰(zhàn)單元協(xié)同次數(shù)比較Fig.7 Comparison of cooperative frequency between two strategies

由圖7可知，總體上改進(jìn)CNP策略比傳統(tǒng)CNP策略作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同次數(shù)要高，當(dāng)n<8時(shí)2種策略下的協(xié)同次數(shù)基本呈上升趨勢(shì)，但是當(dāng)n>8時(shí)，CNP策略下的協(xié)同次數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而改進(jìn)CNP策略下的協(xié)同次數(shù)依舊保持上升。主要原因是在CNP策略下隨著目標(biāo)數(shù)量的增加，作戰(zhàn)單元的目標(biāo)分配逐漸趨于飽和，單一的合同使得作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同性減弱；而在改進(jìn)CNP策略下引進(jìn)多類型的合同可以使得作戰(zhàn)單元之間進(jìn)行靈活的協(xié)同交互，作戰(zhàn)單元在目標(biāo)分配趨于飽和時(shí)，通過黃頁(yè)目錄查詢可以迅速找到合適的作戰(zhàn)單元簽訂風(fēng)險(xiǎn)合同來(lái)執(zhí)行協(xié)同作戰(zhàn)。

由圖5，7可以看出，作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同性一定程度上決定系統(tǒng)整體效能的變化，加強(qiáng)作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同能力具有提高系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能的潛力。

上面的實(shí)驗(yàn)均是在防空作戰(zhàn)單元數(shù)量和空襲目標(biāo)數(shù)量固定的靜態(tài)條件下進(jìn)行的，雖然可以體現(xiàn)策略的協(xié)同性，但是對(duì)于策略的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性還未進(jìn)行研究分析。這里考慮作戰(zhàn)單元由于故障退出作戰(zhàn)的情況，對(duì)所構(gòu)建防空作戰(zhàn)WTA模型在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配情況下的系統(tǒng)效能變化情況進(jìn)行研究。假設(shè)系統(tǒng)在目標(biāo)分配之初n=10，m=12，保持來(lái)襲目標(biāo)數(shù)量和威脅度大小不變，初始作戰(zhàn)平臺(tái)單元能力不變。系統(tǒng)中的武器作戰(zhàn)單元執(zhí)行策略進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，在系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)分配過程中，隨機(jī)選取1個(gè)武器單元退出系統(tǒng)，2種策略在動(dòng)態(tài)調(diào)整前后系統(tǒng)效能的仿真結(jié)果如圖8，9所示。

圖8 靜態(tài)目標(biāo)分配下系統(tǒng)效能Fig.8 Sketch map of system efficiency under SWTA

圖9 動(dòng)態(tài)目標(biāo)分配下系統(tǒng)效能Fig.9 Sketch map of system efficiency under DWTA

結(jié)合圖 8 靜態(tài)目標(biāo)分配下系統(tǒng)效能和圖 9 動(dòng)態(tài)目標(biāo)分配下系統(tǒng)效能可以看出，一方面無(wú)論是在靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)目標(biāo)分配情況下，本文所提改進(jìn)CNP策略的系統(tǒng)效能明顯要高于傳統(tǒng)CNP策略的系統(tǒng)效能；另一方面也可以看出，改進(jìn)CNP策略下的系統(tǒng)效能相較于動(dòng)態(tài)調(diào)整前系統(tǒng)效能基本沒有發(fā)生變化，而傳統(tǒng)CNP策略下系統(tǒng)效能相較于動(dòng)態(tài)調(diào)整前來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的效能下降幅度較大，遠(yuǎn)低于調(diào)整前的系統(tǒng)平均效能。由此可知，本文所提目標(biāo)分配策略對(duì)于動(dòng)態(tài)隨機(jī)的作戰(zhàn)情況具有良好的適應(yīng)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代防空作戰(zhàn)充滿不確定性，目標(biāo)分配問題隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)復(fù)雜性，需要智能自動(dòng)化的決策方法用于解決。針對(duì)防空作戰(zhàn)的特點(diǎn)，本文利用多智能體系統(tǒng)的自主性和適應(yīng)性，結(jié)合CNP的分布協(xié)同特性建立基于改進(jìn)CNP的防空WTA體系結(jié)構(gòu)，提出改進(jìn)CNP的WTA策略，最后利用NetLogo平臺(tái)驗(yàn)證了該策略的有效性。下一步將考慮武器單元的動(dòng)態(tài)進(jìn)入、武器單元的自私性以及任務(wù)的緊迫程度，通過分析這些不定因素對(duì)策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而更好地為防空作戰(zhàn)輔助決策提供服務(wù)。

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Application of Improved Contract Net Protocol on Weapon Target Assignment of Air Defense Combat

GUO Zhi- jieb，MI Yu- lina，XIAO Yanga，JIANG Wen- zhic，HE Lin- boa

(Naval Aeronautical and Astronautical University，a.Graduate Students’ Brigade；b.Department of Training； c.Department of Ordnance Science & Technology，Shandong Yantai 264001，China)

Due to the cooperativity and the dynamic in air defense operations, the concept of multiple agent systems is introduced to describe weapon target assignment (WTA)， and the architecture of WTA based on improved contract net protocol (CNP) is established. The strategies of announcement, biding and bid evaluation are designed, and WTA is realized by applying of the strategy based on improved CNP. A comparison was made between CNP and improved CNP based on WTA strategy through an operational scenario. Simulation results show that the proposed strategy is more reasonable and efficient.

weapon target assignment； agent； multiple agent systems； antiaircraft defense system； contract net protocol； NetLogo

2016-08-30；

2016-11-18 作者簡(jiǎn)介：郭智杰(1992-)，男，回族，福建莆田人。碩士生，主要研究方向?yàn)楣芾砜茖W(xué)與工程。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.017

E926；TN915.04

A

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