基于擴展層級任務網(wǎng)絡的聯(lián)合作戰(zhàn) 電子對抗任務分解方法

耿松濤, 操新文， 李曉寧, 張曉海

(1. 國防大學聯(lián)合作戰(zhàn)學院， 河北 石家莊 050084； 2. 31683 部隊，甘肅 蘭州 730300)

任務分解是受領作戰(zhàn)任務后，根據(jù)對敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境等因素的分析判斷，將上級賦予的作戰(zhàn)任務細化分解為若干子任務，以降低決策復雜度的過程。

近年來，任務分解研究越來越受到重視，在諸多領域也陸續(xù)取得了一些成果。如：董濤等[1]應用有向網(wǎng)絡圖(Activity-On-Node,AON)方法對反導作戰(zhàn)任務進行分解，得到整個反導作戰(zhàn)子任務序列，并通過有向網(wǎng)絡圖描述任務分解關系；曹裕華等[2]設計形式化的方法描述了作戰(zhàn)任務的分解結構和流程；董濤等[3]針對反導作戰(zhàn)任務分解方案優(yōu)劣參差不齊的問題，應用內(nèi)聚系數(shù)和粒度評估分解方案的優(yōu)劣，保證了任務分解結果的可控性。目前，作戰(zhàn)任務分解方法主要有時序邏輯公式[4-5]、流程網(wǎng)[6-7]和層級任務網(wǎng)絡(Hierarchical Task Network,HTN)[8-9]3大類，其中：時序邏輯公式側(cè)重于描述邏輯關系;流程網(wǎng)側(cè)重于描述任務流程;而HTN通過在任務分解過程中引入領域知識，可模擬領域?qū)＜业乃季S方式，并能利用任務樹[10]較好地描述任務關系。HTN主要應用于平臺級、簡單問題的任務規(guī)劃或行動規(guī)劃，如衛(wèi)星偵察任務規(guī)劃、無人機飛行路線規(guī)劃等[9,11-12],該類應用具有2個特點：1)任務分解模型確定，每個復雜任務對應一個確定的分解模型；2)任務分解模型以資源狀態(tài)為應用條件可控制變量，任務分解與資源分配或行動規(guī)劃同步進行。

聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務分解問題的特點是：1)作戰(zhàn)任務一般存在多種實現(xiàn)手段，確定性的任務分解模型并不適用；2)作戰(zhàn)資源狀態(tài)尚不明確，缺乏HTN方法的應用條件。為此，筆者提出了基于擴展HTN的聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務分解方法。通過構建規(guī)范化的電子對抗任務描述模型建立電子對抗任務列表，引入電子對抗作戰(zhàn)能力構建任務分解模型，并采用啟發(fā)式前向搜索算法求解任務分解模型，最后通過聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務分解案例驗證了分解模型和算法的可行性和有效性。

1 基于擴展HTN的任務分解思路

1.1 HTN的基本原理

HTN是20世紀70年代出現(xiàn)并逐步發(fā)展起來的基于領域知識推理的智能規(guī)劃技術[13]。HTN方法借助強大的領域知識表達能力對復雜的決策問題進行有效的知識管理和規(guī)劃，其基本思想是：從初始任務開始，利用任務分解模型進行遞歸分解，將復雜任務分解為簡單的子任務，最終生成由元任務組成的有序任務網(wǎng)絡，并以任務樹的形式呈現(xiàn)任務間的關系。HTN方法主要由任務、子任務、元任務、復雜任務、任務網(wǎng)絡、任務分解模型構成[13-14]。

1) 任務(Task)。任務一般指作戰(zhàn)任務，并由任務編號(ID)、任務名稱(TN)、任務要素(TF)來描述，即

Task=。

2) 子任務(SubTask)。子任務是指作戰(zhàn)任務分解過程中形成的中間任務節(jié)點,其與任務具有相同的構成要素及描述方法。

3) 元任務(MetaTask)。元任務是指作戰(zhàn)任務分解最終形成的、可直接執(zhí)行的末端任務節(jié)點，是一類特殊的子任務。

4) 復雜任務(ComplexTask)。復雜任務是指部隊不能獨立完成或直接執(zhí)行的任務。

5) 任務網(wǎng)絡(TaskNet)。任務網(wǎng)絡是指任務分解過程中形成的、由初始任務和多級子任務構成的樹狀網(wǎng)絡，其由任務節(jié)點集合(TaskNodeSet，包括任務、子任務、元任務等)、約束關系集合(ConstraintSet)來描述，即

TaskNet=。

6) 任務分解模型(Decomposition)。任務分解模型是指將復雜任務轉(zhuǎn)換為子任務的模型，其由模型名稱(Name)、待分解的復雜任務(ComplexTask)、分解前提條件(Preconditions)、分解形成的子任務(SubTask)來描述，即

Decomposition=。

1.2 基于擴展HTN的任務分解框架

基于擴展HTN的任務分解主要由知識庫、數(shù)據(jù)庫及搜索算法3部分協(xié)作構成，如圖1所示。

知識庫由任務分解模型和任務分解算法構成，其中：任務分解模型通過引入領域知識模擬專家思維，用來定義復雜任務及其分解方法；任務分解算法是運用各類任務分解模型的一般方法。數(shù)據(jù)庫由任務描述模型和預定義任務集合構成，其中：任務描述模型用來提取和規(guī)范任務要素，并將其轉(zhuǎn)換為可被計算機系統(tǒng)識別、處理的數(shù)據(jù)化形式；預定義任務是任務描述模型的具體化、實例化，預定義任務集合包括了任務分解過程中形成的全部可能的任務狀態(tài)。搜索算法讀取初始任務，并運用知識庫和數(shù)據(jù)庫進行迭代搜索，最終得到任務分解方案，它是整個任務分解研究框架的驅(qū)動器。

2 電子對抗任務描述模型與預定義任務

2.1 電子對抗任務描述模型

從形式化建模的角度來看[15]，聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務由多個要素構成，其中軍種屬性、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)目的、目標類型、專業(yè)類別、對抗手段稱為其6個基本要素。

根據(jù)作戰(zhàn)任務的要素構成，可將任務描述模型定義為六元組，即T=。且各個要素均為枚舉型數(shù)據(jù)：“軍種屬性”={陸軍，海軍，空軍，火箭軍，戰(zhàn)略支援部隊}；“作戰(zhàn)空間”={陸上，水面，水下，空中，高空}；“作戰(zhàn)目的”={偵察，干擾壓制，電磁佯動}；“目標類型”={指揮控制系統(tǒng)，火控制導系統(tǒng)，偵察預警系統(tǒng)，導航識別系統(tǒng)}；“專業(yè)類別”={通信對抗，雷達對抗，光電對抗，導航對抗，聲納對抗}；“對抗手段”={遠距離支援對抗，伴隨對抗，自衛(wèi)對抗，反輻射攻擊}。如：在防空反導作戰(zhàn)中的陸軍對敵方機載火控雷達干擾壓制任務，依據(jù)任務描述模型可規(guī)范化描述為T=<陸軍，空中，干擾壓制，火控制導系統(tǒng)，雷達對抗，地對空遠距離支援干擾>。

2.2 預定義電子對抗任務

電子對抗任務包括元任務和復雜任務2大類，其中：元任務是指單個電子對抗部(分)隊或單個臺站就能完成的任務；復雜任務是指需要多個電子對抗部(分)隊合作才能完成的任務。元任務、復雜任務都是相對的概念，不同的指揮層級對其定義不盡相同。在擴展HTN方法中，需預先對元任務、復雜任務進行定義，并將此作為任務復雜性判定的依據(jù)。

2.2.1 預定義元任務

依據(jù)任務描述模型，元任務實際上就是全部任務要素均已具體賦值的任務。筆者依據(jù)各任務要素的取值，采用正交方法設計預定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗元任務的列表，如表1所示。需要注意的是，采用正交方法設計的任務列表可能存在部分不合理的任務(如陸軍任務一般沒有自衛(wèi)對抗手段)，所以需要設計人員逐一檢驗預定義任務的合理性，以確保預定義任務列表是合理、完備的。

2.2.2 預定義復雜任務

與元任務相對，復雜任務是具有一個或多個任務要素尚未進行具體賦值的任務。筆者同樣采用正交方法設計預定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗復雜任務列表，如表2所示。

表1 預定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗元任務列表

表2 預定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗復雜任務列表

3 電子對抗任務分解模型與分解算法

3.1 電子對抗任務分解模型

每個預先定義的復雜任務均對應一個分解模型，利用任務分解模型可將復雜任務分解為多個任務要素更加明確的子任務。任務分解的過程也是明確任務要素的過程。復雜任務分解模型包括待分解復雜任務、任務分解條件、子任務集合，如圖2所示。

分解形成的子任務包括必需任務和輔助任務2類，其中：必需任務均必須執(zhí)行，其對應的邏輯關系為“與”的關系；輔助任務可量力執(zhí)行，其對應的邏輯關系為“或”的關系。

在電子對抗任務描述模型中，軍種屬性、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)目的、目標類型、專業(yè)類別、對抗手段6個任務要素由前至后具有明顯的優(yōu)先級和層次性，要素排列次序符合聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗的指揮決策流程，所以筆者以任務要素為層級，采用按層級分解的策略進行任務分解。

第1層：軍種屬性?！败姺N屬性”(Services)={Army，Navy，Air-force，Rocket-force，Strategic-support-force}，采用規(guī)劃域定義語言(Planning Domain Definition Language,PDDL)[16]定義其對應的分解模型：

Name：1906∥該分解模型對應的復雜任務編號

ComplexTask：Services

Preconditions：Services==NULL

SubTask：Decompose_algorithm()∥擴展HTN的任務分解算法

第2層：作戰(zhàn)空間?！白鲬?zhàn)空間”(Space)={Land，Surface，Subsea，Aviation，Aerospace}，由于任務分解條件“Services”可能的取值包括Army /Navy /Air-force /Rocket-force /Strategic-support- force五種情況，所以第2層作戰(zhàn)空間的分解模型有5個，以Services ==Army為例，其分解模型為

Name：1901

ComplexTask：Space

Preconditions：Services==Army&&Space==NULL

SubTask：Decompose_algorithm()

同理可得第3、4、5、6層級的任務分解模型，限于篇幅，此處不再贅述。

3.2 電子對抗任務分解算法

鑒于聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務分解問題具有作戰(zhàn)資源不明確、任務分解方法不唯一的特點，筆者提出了擴展HTN方法，即引入“電子對抗作戰(zhàn)能力”代替作戰(zhàn)資源，并設計相應的任務分解實施算法，解決了HTN難以分解兵種及以上層級任務的問題，確保了電子對抗任務分解模型能夠靈活地分解作戰(zhàn)任務。

3.2.1 電子對抗作戰(zhàn)能力

由于C和CT0不隨具體作戰(zhàn)任務而變，在實施任務分解前，預先構建聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表(C)和預定義作戰(zhàn)任務T0能力列表(CT0)。而CT隨具體作戰(zhàn)任務而變，故當前任務T的作戰(zhàn)能力需求列表(CT)需在實施任務分解時依據(jù)上級賦予的任務具體構建。

綜合梳理聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力類型和所屬部隊作戰(zhàn)能力，構建聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表，如表3所示。

表3 聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表

聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力實際上是由各預先定義的作戰(zhàn)任務所需作戰(zhàn)能力組成的集合，因此在構建預定義元任務列表和預定義復雜任務列表過程中，需要同步構建預定義任務T0作戰(zhàn)能力列表CT0。由于CT0?C，因此預定義任務T0作戰(zhàn)能力列表CT0與聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表(C)之間存在分表與總表的關系，且分表和總表相互兼容、協(xié)調(diào)一致。如：預定義任務對敵機載火控雷達的干擾壓制任務T0的作戰(zhàn)能力主要包括地對空雷達對抗偵察和地對空雷達對抗干擾，如表4所示。

表4 預定義任務T0能力列表

3.2.2 任務分解實施算法

為便于計算機識別處理，筆者運用PDDL描述復雜任務分解算法。擴展HTN主要是應用電子對抗作戰(zhàn)能力作為模型選用斷定依據(jù)，具體算法定義如下：

Decompose _ algorithm ()

…}

4 任務分解搜索算法

基于任務分解框架的知識庫與數(shù)據(jù)庫，筆者設計了啟發(fā)式前向搜索算法。該算法依據(jù)任務分解模型進行局部分解，而不是盲目搜索，可有效避免無效分支，快速實現(xiàn)任務分解。具體算法流程如下：

1) 讀取當前任務T及其能力集合CT，其中任務網(wǎng)絡N存儲待分解任務，任務分解方案Nfinal存儲完整任務分解網(wǎng)絡，初始化N=Nfinal=T；

2) 若待分解任務網(wǎng)絡N為空集，則表示任務分解完成，得到任務分解網(wǎng)絡Nfinal，否則繼續(xù)分解；

3) 在任務網(wǎng)絡N中，按照任務執(zhí)行順序選擇無前序任務t；

4) 對照預定義元任務列表，檢查任務t是否屬于元任務，若是，則轉(zhuǎn)入步驟7)；

5) 對照預定義復雜任務列表，檢查任務t是否屬于復雜任務，若不是，說明該任務無法完成，返回并由指揮人員進行干預；

6) 調(diào)用任務t對應的分解模型實施任務分解，得到子任務網(wǎng)絡n，利用子任務網(wǎng)絡n替換任務t，更新任務網(wǎng)絡N和Nfinal；

7) 已判定任務t為元任務或已將任務t分解為一系列子任務，則從待分解任務網(wǎng)絡N中移除任務t，然后轉(zhuǎn)入步驟2)。

5 案例分析

在聯(lián)合邊境反擊作戰(zhàn)中，一般賦予陸上電子對抗作戰(zhàn)的主要任務為“以電子對抗進攻手段干擾壓制敵方指揮信息系統(tǒng)，支援陸上作戰(zhàn)行動”。以該任務分解為例驗證筆者提出的聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務分解模型和算法的有效性。

1) 分析當前任務T的能力需求，對照表3列出當前任務T作戰(zhàn)能力需求列表(CT)，如表5所示。

表5 當前任務T作戰(zhàn)能力需求列表

2) 基于擴展HTN按層級分解作戰(zhàn)任務。首先調(diào)用作戰(zhàn)空間層任務分解模型，進行作戰(zhàn)空間層任務分解，此時任務網(wǎng)絡N中有1個無前序任務t=，“作戰(zhàn)空間”要素分解模型如圖3所示。在該分解模型內(nèi)，根據(jù)當前任務T作戰(zhàn)能力需求列表(CT)，調(diào)用任務分解實施算法Decompose _ algorithm ()，得到子任務網(wǎng)絡n1，如圖4所示，記子任務分別為t1、t2，其對應的作戰(zhàn)能力需求列表分別如表6、7所示。

其次，依次進行作戰(zhàn)目的、目標類型、專業(yè)類別、對抗手段等層級的任務分解，限于篇幅，此處不再一一呈現(xiàn)。

表6 子任務t1作戰(zhàn)能力需求列表

表7 子任務t2作戰(zhàn)能力需求列表

3)完成作戰(zhàn)任務分解，形成 “以電子對抗進攻手段干擾壓制敵方指揮信息系統(tǒng)，支援陸上作戰(zhàn)行動”的任務分解方案，如圖5所示。其中：任務分解方案包含10個葉節(jié)點，即t18，t19，t20，t21，t22，t23，t24，t25，t26，t27，為初始任務T的等價元任務，指揮人員據(jù)此可方便地進行下一步的任務區(qū)分、兵力分配等作戰(zhàn)指揮活動。