無人作戰(zhàn)分隊的不確定性作戰(zhàn)任務建模

張 澤，武富春，王 明，董祺寧，何澤源

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

隨著信息化戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展，無人武器在戰(zhàn)場中開始嶄露頭角，在作戰(zhàn)任務復雜、作戰(zhàn)環(huán)境惡劣的情況下，使用無人武器可以降低戰(zhàn)場損耗也提升了作戰(zhàn)效率。在基于無人武器的作戰(zhàn)背景下，以作戰(zhàn)任務為中心的特點越來越突出，在此環(huán)境下，無人分隊的任務規(guī)劃系統(tǒng)也變得格外重要，任務規(guī)劃的基礎(chǔ)是作戰(zhàn)任務的建模，如何用統(tǒng)一便捷的建模方式讓復雜多變的作戰(zhàn)任務變成通俗易懂、便于理解的作戰(zhàn)方案是本文的研究重點，為進一步轉(zhuǎn)換為計算機語言打下基礎(chǔ)。

國內(nèi)外軍事專家在任務建模方面已經(jīng)取得了一定的研究成果［1-2］，文獻［3-4］對作戰(zhàn)任務的概念進行形式化描述，形成作戰(zhàn)任務的高層本體并對作戰(zhàn)任務的過程進行了分析與描述，能夠滿足各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)對任務的統(tǒng)一理解；文獻［5］依據(jù)作戰(zhàn)任務的特點，提出了一種作戰(zhàn)任務形式化描述的流程，采用IDEF3模型表示任務的執(zhí)行過程；文獻［6］針對復雜戰(zhàn)場環(huán)境下作戰(zhàn)任務不可預知的特點，對不確定性任務形式化描述進行了進一步的研究，提出了不確定性任務形式化描述流程；文獻［7］為解決作戰(zhàn)任務的建模問題，提出了一種IDEF和UML建模語言相結(jié)合的建模方法。

查閱綜合的文獻，可以看出國內(nèi)外專家對無人分隊的不確定性作戰(zhàn)任務建模方面鮮有研究。因此，本文為解決作戰(zhàn)任務的不確定性對無人作戰(zhàn)分隊在實際戰(zhàn)場中執(zhí)行任務的影響，分析了作戰(zhàn)任務存在的不確定性因素，在經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論方法IDEF的基礎(chǔ)上，選擇其中符合需求的IDEF0和IDEF3作為本次研究的建模方法，加入了作戰(zhàn)任務的不確定性因素，提出了一種基于IDEF0和IDEF3的不確定性作戰(zhàn)任務建模方法。

1 作戰(zhàn)任務的不確定性分析

無人分隊的作戰(zhàn)任務是一個復雜的、多變的過程，在作戰(zhàn)過程中，由于戰(zhàn)場環(huán)境復雜多變、信息不準確等原因，會導致作戰(zhàn)任務遭到干擾甚至是失敗。因此，如何處理好作戰(zhàn)任務的不確定性因素是關(guān)鍵。本文主要考慮3個方面的不確定性:

1）作戰(zhàn)任務存在的不確定性。在無人分隊作戰(zhàn)中，總指揮員下達一個作戰(zhàn)命令，操作員將作戰(zhàn)任務輸入任務規(guī)劃系統(tǒng)，由系統(tǒng)對任務進行分解并分配給各個作戰(zhàn)單體，但由于情報、傳感器測量等因素的影響，任務可能是不存在的，因此，作戰(zhàn)任務是否存在具有不確定性。

2）任務之間的關(guān)系的不確定性。任務之間有著各類約束關(guān)系，如父任務對子任務有遞進關(guān)系，子任務與子任務之間存在順序關(guān)系，也有與關(guān)系和或關(guān)系。任務之間的各種關(guān)系是任務規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)傳感設備反饋回來的戰(zhàn)場態(tài)勢和情報信息進行判斷的，導致任務之間具有不確定性。

3）任務執(zhí)行時間的不確定性。包括任務開始、結(jié)束時間以及任務持續(xù)時間。不同任務對執(zhí)行時間有著不一樣的約束，而執(zhí)行時間受到很多因素的干擾，如戰(zhàn)場態(tài)勢、作戰(zhàn)環(huán)境、各單元作戰(zhàn)能力、協(xié)同作戰(zhàn)能力等，具有很強的不確定性。

當然，在任務執(zhí)行過程中也會存在一些不確定性，如機械誤差、操作員失誤等，這些屬于不可避免的，在這里不作過多的研究。

2 不確定性作戰(zhàn)任務建模

2.1 作戰(zhàn)任務建模方法分析

IDEF是美國空軍在結(jié)構(gòu)化分析和設計方法基礎(chǔ)上發(fā)展的一套系統(tǒng)分析和設計方法，是比較經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論與方法。從IDEF0到IDEF14共有16套方法，每套方法都是通過建模程序來獲得某個特定類型的信息。

其中，IDEF0模型的基本思路是結(jié)構(gòu)化分析法，它能同時表達系統(tǒng)的活動（用盒子表示）和數(shù)據(jù)流（用箭頭表示）以及它們的聯(lián)系，按照自頂向下，逐層分解的結(jié)構(gòu)化分析描述和建立系統(tǒng)的功能模型。而IDEF3建模方法則適用于并行工程中的過程描述和表示。

為滿足作戰(zhàn)需求，作戰(zhàn)任務建模需要滿足幾個要求:1）自上而下的分解功能；2）任務和任務之間的邏輯時序關(guān)系；3）作戰(zhàn)任務本身的屬性刻畫。

而IDEF0和IDEF3兩種建模方法可以滿足以上需求，因此，選用兩者相結(jié)合的建模法來進行建模，組成如圖1所示的任務分解模型。為下一步開發(fā)人員將模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型奠定基礎(chǔ)。

圖1 任務分解模型

2.2 作戰(zhàn)任務屬性描述

作戰(zhàn)任務的形式化描述不僅要讓任務規(guī)劃系統(tǒng)識別并仿真，還要使作戰(zhàn)人員能夠理解使用。作戰(zhàn)任務是對作戰(zhàn)使命的細化，涉及的主要因素包括:1）作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)環(huán)境；2）作戰(zhàn)目的；3）作戰(zhàn)關(guān)系；4）作戰(zhàn)時間。

在對作戰(zhàn)任務分析的基礎(chǔ)上，對其進行形式化描述，將其定義為由以下九元組組成:Task=＜Name，ID，Obejct，Type，Line，Number，Operation，Δt，Time＞。其中，Name表示任務名稱；ID表示作戰(zhàn)任務編號，是該作戰(zhàn)任務在任務庫的唯一標識；Object表示作戰(zhàn)任務目標對象；Type表示執(zhí)行作戰(zhàn)任務的單體類型，分為兩種:無人坦克和無人裝甲車；Line表示作戰(zhàn)任務的隊形選擇，比如:線性隊形、三角隊形、梯形隊形；Number表示作戰(zhàn)任務所需要的作戰(zhàn)單體的個數(shù)；Operation表示執(zhí)行任務所需要的能力；在任務分解的過程中，可能由于情報的不準確而導致子任務不存在，因此，定義1:Δt=p（Tj/Ti），表示上層任務Ti存在的情況下子任務Tj存在的概率；Time表示 作 戰(zhàn) 任 務 時 間 Time=＜Time_Begin，Time_Last，Time_End＞，其中Time_Begin表示任務開始的時間，Time_End表示任務結(jié)束的時間，Time_Last表示執(zhí)行任務持續(xù)的時間。

2.3 基于IDEF0的作戰(zhàn)任務功能建模

IDEF0主要是通過簡單的圖形符號和自然語言清楚、全面地描述系統(tǒng)功能活動和數(shù)據(jù)流，以及各活動、數(shù)據(jù)流之間的關(guān)系。

IDEF0模型中方框表示的是一個任務的具體屬性，其中輸入可以分為3種:輸入、控制和機制，三者共同組成ICOM，IDEF0模型利用ICOM能同時表達作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)任務的輸入輸出信息、作戰(zhàn)任務的執(zhí)行實體（用機制表示），以及作戰(zhàn)任務的控制條件（用控制表示），如圖2所示。作戰(zhàn)任務的輸入則為上一級任務的輸出，如果是頂層的作戰(zhàn)任務可以認為輸入為指揮員發(fā)出的作戰(zhàn)指令，以及偵察得到的情報信息。機制是對活動功能的制約和規(guī)定，在作戰(zhàn)任務中由裝備、隊形、數(shù)量組成，控制部分由作戰(zhàn)啟動時間、結(jié)束時間、執(zhí)行規(guī)則和執(zhí)行概率Δt組成，具體如圖3所示。

圖2 IDEF0模型示意圖

圖3 作戰(zhàn)任務的IDEF0模型

在對頂層任務進行逐層分解后最終得到若干個不可再分解的任務，這些任務是子任務也是無人作戰(zhàn)分隊最終執(zhí)行的任務，子任務之間也存在一定的聯(lián)系和不確定性關(guān)系，利用IDEF0可以清楚地表示出作戰(zhàn)任務之間的關(guān)系以及數(shù)據(jù)流的走向。

2.4 基于IDEF3的作戰(zhàn)任務過程建模

IDEF3的特性在于可以通過過程流網(wǎng)來作為獲取、管理和顯示以過程為中心的知識的主要工具。在作戰(zhàn)任務中可以通過其來表示任務之間的邏輯時序關(guān)系，幫助細化作戰(zhàn)任務的屬性。

綜合之前學者們的研究，可以將作戰(zhàn)任務之間的關(guān)系歸納為4種邏輯關(guān)系，結(jié)合文獻［3］中提出的不確定性關(guān)系的描述方法，采用IDEF3提供的圖元可以準確地表達各種邏輯關(guān)系，具體映射關(guān)系如表1所示。

表1 任務邏輯關(guān)系映射表

在無人分隊作戰(zhàn)任務的分解過程中，用表1所對應的圖元建立不確定性任務分解模型，確定任務之間的邏輯時序關(guān)系。

3 不確定性作戰(zhàn)任務建模流程

本文首先歸納總結(jié)了作戰(zhàn)任務中存在的不確定性，然后介紹了IDEF0和IDEF3兩種建模方法，分析了如何用兩種方法對不確定性作戰(zhàn)任務進行建模，建模的流程如下:

1）對受領(lǐng)的總?cè)蝿者M行分解，得到下一層的子任務，并用IDEF0對頂層任務進行建模；

2）根據(jù)任務要求判斷是否需要進行下一步分解，若需要轉(zhuǎn)回步驟1），否則進行步驟3）；

3）綜合獲取的情報資源計算分解后的子任務執(zhí)行概率；

4）分析分解過程中總?cè)蝿蘸妥尤蝿臻g以及子任務和子任務之間的邏輯關(guān)系，并用IDEF3對其進行建模；

5）每一次分解得到子任務，分析其間的邏輯關(guān)系，并用IDEF0對其進行建模。

通過該建模方法得到的作戰(zhàn)方案，充分考慮了在實際作戰(zhàn)過程中存在的由不確定性因素引起的突發(fā)情況，并以概率的方式表達，提出了不確定性作戰(zhàn)任務建模方法。讓作戰(zhàn)人員直觀地、明確地理解復雜的作戰(zhàn)任務，提高了作戰(zhàn)人員的工作效率，也為進一步轉(zhuǎn)換為電腦語言奠定基礎(chǔ)。

4 案例分析

下面給出一個具體的例子，對不確定性作戰(zhàn)任務進行建模分析。

假設紅藍雙方在主要奪控點僵持不下，紅方部隊要奪取主要控制點贏得戰(zhàn)機。紅方部署支線部隊繞過主要奪控點西側(cè)山脈至旁側(cè)行軍，截斷藍方后方部隊，但西側(cè)山脈地勢復雜，有85%的概率存在雷區(qū)，途中可能有藍方部隊的威脅；若從主要奪控點右側(cè)平原進攻，雖然東側(cè)平原地勢較為明朗，但根據(jù)情報，有75%的概率存在雷區(qū)且確定有藍方導彈部隊在此設防；主戰(zhàn)場上，紅方部署主力部隊以防御藍方主力。因北面有藍方支援部隊正在前來，故紅方西側(cè)支線部隊需在6 h內(nèi)突破地形，到達北側(cè)A大路截斷藍方支援部隊。東側(cè)支線部隊則需清除障礙物，突破藍方封鎖線，支援主力部隊；主力部隊則需在主戰(zhàn)場進行防御或者視情況進行進攻。

從總體上看，該任務的目標是突襲和防守反擊，首先建立整體任務的樹狀圖，對任務進行分解分析，如圖4所示。再根據(jù)IDEF0和IDEF3的特點，首先使用IDEF0建立頂層攻占主要奪控點任務模型，如圖5所示。因為往下層分解任務存在一個流程，所以使用IDEF3建立作戰(zhàn)任務模型，如圖6所示。

圖4 任務分解樹狀圖

圖5 IDEF0建立頂層作戰(zhàn)模型

在用IDEF0建立頂層作戰(zhàn)模型后得到了下一步的作戰(zhàn)計劃，作戰(zhàn)計劃分為3個分支，有相互之間的關(guān)聯(lián)，因此，采用IDEF3建立分解任務模型。3個任務根據(jù)作戰(zhàn)需求均為必須完成的任務，執(zhí)行概率為100%。

圖6 任務分解的IDEF3模型

以西側(cè)突襲任務為例，利用IDEF0的特點建立底層作戰(zhàn)任務的模型。西側(cè)突襲任務往下分解為3個子任務，且其相互之間有一定優(yōu)先級的關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 利用IDEF0為子任務建模

5 結(jié)論

本文以無人作戰(zhàn)分隊的不確定性任務建模作為研究目標，分析了作戰(zhàn)任務存在的3種不確定性。在經(jīng)典的系統(tǒng)分析理論方法IDEF的基礎(chǔ)上，選擇其中符合需求的IDEF0和IDEF3作為本次研究的建模方法，加入了作戰(zhàn)任務的不確定性因素，給出了不確定性作戰(zhàn)任務建模方法。并選擇了一個紅藍雙方奪取主要控制點的案例，對其進行了不確定性作戰(zhàn)任務建模，證明它是一種可行、有效的建模方法。該建模方法具有一定的研究前景。