基于任務邏輯和戰(zhàn)位匹配的作戰(zhàn)流程優(yōu)化

尤俊郎,李勝勇,陳佳俊,宗思光

(海軍工程大學,湖北武漢 430033)

作戰(zhàn)任務邏輯是作戰(zhàn)系統(tǒng)在不同態(tài)勢下執(zhí)行的動作流程,對指定的作戰(zhàn)系統(tǒng),在一定作戰(zhàn)態(tài)勢下,作戰(zhàn)流程是固定的[1]。為縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)執(zhí)行復雜作戰(zhàn)任務時的時間,需要對其生成的作戰(zhàn)流程進行優(yōu)化。目前對作戰(zhàn)流程優(yōu)化的研究主要集中在對作戰(zhàn)資源的管理、作戰(zhàn)模型的構建和流程中節(jié)點的信息交互設計。文獻[2]從軍事需求的角度出發(fā),描述模型之間的導入導出模塊的接口關系,設計了基于平臺運行的防空作戰(zhàn)流程,給出了防空作戰(zhàn)流程的模型驗證方法; 文獻[3]以UM建模方法為基礎,以不確定環(huán)境作戰(zhàn)為背景,研究了不確定作戰(zhàn)環(huán)境因素對作戰(zhàn)流程產生的影響;文獻[4]通過提供一種基于規(guī)則的資源約束機制,實現艦艇編隊防空作戰(zhàn)過程中資源管理調度沖突的發(fā)現與解決;文獻[5] 以DoDAF作戰(zhàn)視圖為研究工具,通過建模為新型驅逐艦防空武器系統(tǒng)頂層設計和風險控制提供技術支撐。

本文通過構建作戰(zhàn)任務的邏輯模型,得到作戰(zhàn)流程執(zhí)行時間計算方法,根據戰(zhàn)位——元任務匹配關系,得出所有的作戰(zhàn)流程,通過對各流程執(zhí)行時間和戰(zhàn)位——元任務匹配關系分析,找到影響整個流程執(zhí)行時間的關鍵節(jié)點,利用甘特圖驗證優(yōu)化流程的可行性,最終選出最優(yōu)流程,并得到實現最優(yōu)流程的基本途徑。

1 戰(zhàn)位及元任務模型

戰(zhàn)位即作戰(zhàn)人員進行戰(zhàn)斗活動的位置,這里是指具有完成作戰(zhàn)任務的能力的戰(zhàn)斗人員或戰(zhàn)斗人員與裝備的組合。戰(zhàn)位主要根據作戰(zhàn)需要,配備相應的裝備和人員,通過人員操作裝備來達到履行職責的目的[6]。戰(zhàn)位模型主要包括戰(zhàn)位名稱或編號和可執(zhí)行的任務。因此,戰(zhàn)位可形式化為以下二元組:

Posj={ID,Opej}

式中，ID表示戰(zhàn)位的編號,Opej表示戰(zhàn)位Posj可執(zhí)行的元任務集合。

作戰(zhàn)任務是指在特定戰(zhàn)場時空中,為達成作戰(zhàn)目標而執(zhí)行的作戰(zhàn)行動集合。作戰(zhàn)任務可按層次分解為若干層子任務,子任務可分解至元任務。其中子任務是作戰(zhàn)流程的中間節(jié)點,元任務是作戰(zhàn)任務的底層,不可再分解,通常是由戰(zhàn)位直接執(zhí)行的具體作戰(zhàn)行動。作戰(zhàn)流程是元任務有序執(zhí)行的過程。元任務可形式化為三元組:

Opei={ID,Posj,tj-i}

式中，ID表示元任務的編號;tj-i表示元任務Opei由戰(zhàn)位Posj執(zhí)行時所需的時間值;Posj表示執(zhí)行元任務Opei的戰(zhàn)位。

2 作戰(zhàn)任務邏輯模型構建

任務分解細化得到戰(zhàn)位可執(zhí)行的具體元任務,分解細化后的具體元任務不是離散孤立的,是存在邏輯關系關聯的,這種邏輯關系確保了具體元任務的有序性,使得所有元任務的有序執(zhí)行能夠達到整個任務的完成。元任務之間的關系是一種橫向的“兄弟”關系,集合Ope={ope1,ope2,…,open}中的元任務opei在行動執(zhí)行的先后上表現為時序關系,包括順序關系中的連續(xù)、間歇關系,以及在行動成敗對任務成敗的影響上表現為邏輯關系,包括與、或、選擇、異或關系。綜合考慮這兩類關系,得到作戰(zhàn)行動間的時序邏輯關系。元任務執(zhí)行時序邏輯描述可采用統(tǒng)籌圖形式進行描述,如圖1所示。圖中節(jié)點即元任務,圖中的鏈接即元任務間序列關系。

圖1 任務統(tǒng)籌示意圖

元任務的時序轉換主要有四種情況:“一對一”、“一對多”、“多對一”和“多對多”四種情況[7]:

1) “一對一”的情況,即opei的下一節(jié)點只有opej,且opej的上一節(jié)點也只有opei,則opei和opej為順序與的關系,只有當opei與opej都執(zhí)行成功時,這條路徑才能繼續(xù)向前推進,此時opei與opej為連續(xù)的邏輯關系。如圖2所示。

圖2 “一對一”示意圖

在此情況下,從

ope

i

至

ope

j

的任務執(zhí)行時間值按照以下公式計算:

t=ti+tj

2) “一對多”的情況,即opei的下一節(jié)點有多個元任務,而opej(j=1,2,3,4)的上一節(jié)點只有一個元任務。當opei執(zhí)行完畢后,opej(j=1,2,3,4)中所有元任務都開始執(zhí)行,則opej(j=1,2,3,4)中各任務間為并發(fā)與的邏輯關系。如圖3所示。

圖3 “一對多”示意圖

當opej(j=1,2,3,4)中各元任務間為并發(fā)與的邏輯關系時,opej(j=1,2,3,4)中各任務開始時間不存在先后順序,則tj的大小取決于opej(j=1,2,3,4)中執(zhí)行時間最長的任務,因此,從opei至opej的任務執(zhí)行時間值按照以下公式計算:

t=ti+tj=ti+max(t1,t2,t3,t4)

3) “多對一”的情況,即opej的上一節(jié)點有多個元任務,而opei(i=1,2,3,4)的下一節(jié)點只有一個元任務。當opei(i=1,2,3,4)中只要有一個元任務執(zhí)行成功,其他任務中止執(zhí)行,立即執(zhí)行opej時,opei(i=1,2,3,4)中各元任務是異或關系。當opei(i=1,2,3,4)中所有任務必須全部執(zhí)行完畢后,才能執(zhí)行opej時,opei(i=1,2,3,4)中各元任務是與關系。如圖4所示。

圖4 “多對一”示意圖

當opei(i=1,2,3,4)中各元任務間為異或的邏輯關系時,則ti的大小取決于opei(i=1,2,3,4)中執(zhí)行時間最短的任務,因此,從opei至opej的任務執(zhí)行時間值按照以下公式計算:

t=ti+tj=tj+min(t1,t2,t3,t4)

當opei(i=1,2,3,4)中各任務間為與的邏輯關系時,則ti的大小取決于opei(i=1,2,3,4)中執(zhí)行時間最長的任務,因此,從opei至opej的任務執(zhí)行時間值按照以下公式計算:

t=ti+tj=tj+max(t1,t2,t3,t4)

4) “多對多”的情況,即opei(i=1,2)的下一節(jié)點有多個元任務,而opej(j=3,4)的上一節(jié)點也有多個元任務。當ope1和ope3或ope2和ope4執(zhí)行成功時,ope2和ope4或ope1和ope3不需要執(zhí)行,路徑即可向前推進,且當ope1和ope4或ope2和ope3執(zhí)行成功時,ope2和ope3或ope1和ope4不需要執(zhí)行,路徑即可向前推進,則此時opei和opej中各任務之間為選擇的邏輯關系;否則可以將其分解為“一對多”和“多對一”的組合。如圖5所示。

圖5 “多對多”示意圖

當opei和opej中各任務之間為選擇的邏輯關系時,則ti的大小取決于opei(i=1,2)中執(zhí)行時間最短的任務,則tj的大小取決于opej(i=3,4)中執(zhí)行時間最短的任務,因此,從opei至opej的任務執(zhí)行時間值按照以下公式計算:

t=ti+tj=min(t1,t2)+min(t3,t4)

綜上所述,完整作戰(zhàn)任務流程中元任務之間的關系不外乎以上4中情況,在已知各元任務執(zhí)行所需時間和元任務間邏輯關系的基礎上,不難求出整個作戰(zhàn)流程完成所需的時間T。在實際作戰(zhàn)中,不同的戰(zhàn)位執(zhí)行同一元任務對整個作戰(zhàn)流程具有不同的影響,因此,可以將戰(zhàn)位作為變量對作戰(zhàn)流程進行靈敏度分析,并利用計算軟件完成所有組合的窮舉,生成甘特圖。為確保流程的合理性,需排除不符合實際的情況,排除條件為實際作戰(zhàn)過程中的規(guī)則和條令,如:一個戰(zhàn)位不能同時執(zhí)行兩個元任務,以此選擇該流程的最優(yōu)路徑,實現流程的優(yōu)化。由于實際作戰(zhàn)中作戰(zhàn)流程具有特殊性,各元任務之間邏輯關系相對固定,因此作戰(zhàn)流程優(yōu)

化的求解主要通過示例來說明。

3 戰(zhàn)位-元任務的匹配

戰(zhàn)位-元任務的匹配是指戰(zhàn)位與元任務的關聯,即任務分解得到的元任務由什么戰(zhàn)位來執(zhí)行。匹配關系通過戰(zhàn)位功能建立了元任務集合與戰(zhàn)位之間的映射關系,戰(zhàn)位是功能的提供方,元任務是功能的需求方。戰(zhàn)位與元任務一般是一對一的映射關系,即每個戰(zhàn)位負責本戰(zhàn)位主要作戰(zhàn)任務,但在實際作戰(zhàn)中,為提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀傷性和穩(wěn)定性,往往會為作戰(zhàn)流程中的關鍵任務節(jié)點預備具有復用功能的戰(zhàn)位,當執(zhí)行該任務的主要戰(zhàn)位發(fā)生故障或被摧毀后,復用戰(zhàn)位在空閑狀態(tài)下能夠替代主要戰(zhàn)位執(zhí)行該任務,從而確保作戰(zhàn)流程順利向前推進,此時戰(zhàn)位與元任務時一對多的映射關系,即一個戰(zhàn)位可以執(zhí)行多個元任務。

4 作戰(zhàn)流程優(yōu)化

本文創(chuàng)建一個15個元任務節(jié)點的作戰(zhàn)流程進行分析計算,流程如圖6所示。

圖6 作戰(zhàn)流程示例

在該作戰(zhàn)流程中,共有15個戰(zhàn)位執(zhí)行以上15個元任務,戰(zhàn)位-元任務匹配如表1所示。

表1 戰(zhàn)位-元任務匹配表

對作戰(zhàn)流程進行分解,得出2條分路徑，如圖7、8所示。

圖7分路徑A

由以上路徑可得分流程A的執(zhí)行時間TA:

TA=max((min(t1,t2,t3)+t6),(max(t1,t2)+t7))+t8+max(t13,t14)+t15

(1)

圖8 分路徑B

由以上路徑可得分流程B的執(zhí)行時間TB:

TB=max(t3,t4)+t5+min((min(t9,t10)+t12),(max(t9,t10)+t11))+t15

(2)

可得,總流程T的執(zhí)行時間:

T=TA+TB=min(TA,TB)

(3)

將表1中數值代入式(3)中,通過Matlab軟件計算出總時間T,可得表2。

表2 作戰(zhàn)流程全舉表

從表2可得,未經優(yōu)化的作戰(zhàn)流程執(zhí)行總時間T=31,甘特圖如圖9所示。

圖9 未優(yōu)化作戰(zhàn)流程甘特圖

從表2可知,作戰(zhàn)流程執(zhí)行總時間最短為T=29.7,這四種情況中,元任務Ope6由戰(zhàn)位Pos4執(zhí)行,元任務Ope8由戰(zhàn)位Pos5執(zhí)行,元任務Ope9由戰(zhàn)位Pos6或Pos9執(zhí)行,元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos7或Pos10執(zhí)行,共有以下四種情況:

流程標號13:元任務Ope9由戰(zhàn)位Pos6執(zhí)行,元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos7執(zhí)行，如圖10所示。

流程標號14:元任務Ope9由戰(zhàn)位Pos6執(zhí)行,元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos10執(zhí)行，如圖11所示。

流程標號15:元任務Ope9由戰(zhàn)位Pos9執(zhí)行,元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos7執(zhí)行，如圖12所示。

流程標號16:元任務Ope9由戰(zhàn)位Pos9執(zhí)行,元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos10執(zhí)行，如圖13所示。

圖10 作戰(zhàn)流程甘特圖(流程編號13)

圖11 作戰(zhàn)流程甘特圖(流程編號14)

圖12 作戰(zhàn)流程甘特圖(流程編號15)

圖13 作戰(zhàn)流程甘特圖(流程編號16)

從以上四種選優(yōu)結果可知,元任務Ope5和Ope8是整個作戰(zhàn)流程中的關鍵節(jié)點,這兩個元任務都是承接上下階段任務的單節(jié)點,它們的執(zhí)行時間直接影響了整個作戰(zhàn)流程的執(zhí)行時間,而且在實際作戰(zhàn)中,由于單個戰(zhàn)位不可能同時執(zhí)行兩個以上的作戰(zhàn)任務,因此以上選優(yōu)結果在實際中不能實現,即元任務Ope8必須由戰(zhàn)位Pos8來執(zhí)行。由表2可知,當元任務Ope8由戰(zhàn)位Pos8來執(zhí)行,且元任務Ope10由戰(zhàn)位Pos7來執(zhí)行時,可以實現作戰(zhàn)流程的優(yōu)化,即編號為2、4、10、12的流程為優(yōu)化后的流程。

從以上選優(yōu)過程可以看出:通過作戰(zhàn)任務邏輯模型的構建,尋找出影響作戰(zhàn)流程執(zhí)行時間的關鍵節(jié)點,通過調配作戰(zhàn)能力更強的戰(zhàn)位來執(zhí)行關鍵節(jié)點元任務或提升戰(zhàn)位執(zhí)行關鍵節(jié)點元任務的能力,可以縮短作戰(zhàn)流程的執(zhí)行時間,最終實現作戰(zhàn)流程的優(yōu)化。如在上例中,可以通過提高戰(zhàn)位Pos5的作戰(zhàn)效能,縮短戰(zhàn)位Pos5執(zhí)行元任務Ope5的時間,使元任務Ope5的結束時間小于元任務Ope8的開始時間,最終實現最優(yōu)作戰(zhàn)流程。提升作戰(zhàn)任務執(zhí)行效能的核心途徑是人員裝備的有效結合,但在裝備確定的情況下,作戰(zhàn)人員將會是影響作戰(zhàn)任務執(zhí)行效能的主要因素,因此在軍事活動中,提升作戰(zhàn)能力的主要途徑就是提高戰(zhàn)位人員的操作熟練程度,強化作戰(zhàn)人員完成任務的能力。

5 結束語

本文通過構建作戰(zhàn)任務邏輯模型,計算出作戰(zhàn)流程的執(zhí)行總時間,并通過戰(zhàn)位與元任務匹配關系調配,找出影響作戰(zhàn)流程執(zhí)行總時間的關鍵節(jié)點,在作戰(zhàn)流程相對簡單的情況下能夠實現最優(yōu)作戰(zhàn)流程的遴選,并為縮短流程時間提供初步的實現途徑。但是，作戰(zhàn)過程中元任務間邏輯關系更為復雜,不僅需要滿足作戰(zhàn)流程的減時需求,而且要考慮實際作戰(zhàn)過程中戰(zhàn)位執(zhí)行任務成功率和作戰(zhàn)裝備技術性能發(fā)揮的不確定性對作戰(zhàn)任務的影響,還需找到更加合理的算法,使其更貼近作戰(zhàn)過程實際。