采用最小熵準(zhǔn)則的多傳感器任務(wù)分配方法研究

楊華明，石春燕，班陽陽，劉亞帥

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

為了在現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭中實現(xiàn)對目標(biāo)的多角度快速發(fā)現(xiàn)和截獲，現(xiàn)代艦艇均裝配有集成警戒、跟蹤、導(dǎo)航、識別等多個功能的多型多部雷達、光電、電子偵察等傳感器設(shè)備[1-3]；在復(fù)雜電磁環(huán)境、雜波環(huán)境[4]中，為了更好地應(yīng)對高速高機動目標(biāo)[5]、隱身目標(biāo)[6]、無人機集群目標(biāo)[7]等新型目標(biāo)的威脅(如采用多方位、多批次、飽和式[8]等方式攻擊)，將艦艇雷達、光電、電子偵察等多部多型傳感器設(shè)備有機組織、形成綜合探測能力，已成為艦艇綜合探測系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。

多傳感器設(shè)備的高效組織、綜合探測能力的形成要求對多型傳感器設(shè)備進行統(tǒng)籌調(diào)度綜合控制、對多傳感器探測信息進行聯(lián)合信息處理，才能形成統(tǒng)一的綜合探測態(tài)勢信息，其中任務(wù)綜合管理及資源統(tǒng)籌調(diào)度是多傳感器設(shè)備實現(xiàn)綜合探測能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。對傳感器資源調(diào)度的顆粒度和控制的耦合度決定了綜合探測資源的利用精細(xì)水平以及決策調(diào)度的靈活程度，這也是影響綜合探測效能的重要因素。多傳感器設(shè)備控制耦合度可分為4級：一級是基于傳感器模式管理，即控制傳感器的工作模式設(shè)置，并可針對部分任務(wù)進行低頻度干預(yù)性管理，這些任務(wù)一般時敏性不強；二級是基于任務(wù)分配管理，即將一個任務(wù)完全交給一個設(shè)備承擔(dān)，這種方式易于實現(xiàn)，但綜合效能較低；三級是基于任務(wù)進程管理，即按探測任務(wù)時間進程實時計算相應(yīng)探測設(shè)備的執(zhí)行時隙和執(zhí)行參數(shù)，并發(fā)送到相應(yīng)探測設(shè)備，這種方式對任務(wù)管理實時性要求較高，實現(xiàn)起來有一定難度，但綜合效能較高；四級是基于任務(wù)細(xì)粒度管理，即探測設(shè)備波形和參數(shù)控制，是強實時性深度控制，實現(xiàn)難度大，但效率高。

目前，基于任務(wù)分配管理一直是多傳感器綜合探測的主要手段，而基于任務(wù)進程管理、基于任務(wù)細(xì)粒度管理等方面的研究主要針對單一傳感器任務(wù)分配問題，而對多傳感器任務(wù)分配問題鮮有公開報道。由于多傳感器之間在體制、性能、指標(biāo)等方面存在較大差異，傳統(tǒng)的基于任務(wù)進程管理、基于任務(wù)細(xì)粒度管理的單一傳感器任務(wù)分配方法研究成果不能直接應(yīng)用于多傳感器任務(wù)分配。

本文基于最小熵的任務(wù)分配方法著重用于解決基于任務(wù)進程管理的多傳感器任務(wù)分配問題，在分析任務(wù)管理及資源調(diào)度的功能和典型流程的基礎(chǔ)上聚焦任務(wù)分配的內(nèi)涵與限制因素，進而提出了基于最小熵的任務(wù)分配準(zhǔn)則，并通過仿真驗證了算法的有效性。

1 任務(wù)管理及資源調(diào)度的功能和典型流程分析

艦艇平臺綜合探測任務(wù)管理及資源調(diào)度的目標(biāo)是以最低的資源開銷、匹配的任務(wù)調(diào)度策略，最高質(zhì)量地完成探測任務(wù)，實現(xiàn)各傳感器能力的充分發(fā)揮，從而提高綜合探測的效能。任務(wù)管理及資源調(diào)度是針對當(dāng)前的任務(wù)集合，通過任務(wù)周期規(guī)劃和分析實現(xiàn)優(yōu)先級排序，按照優(yōu)先級順序生成和優(yōu)化任務(wù)分配方案，完成任務(wù)下達和各傳感器任務(wù)執(zhí)行列表生成。任務(wù)管理及資源調(diào)度主要包括任務(wù)解析、全任務(wù)周期規(guī)劃、單執(zhí)行周期規(guī)劃、傳感器任務(wù)適宜度分析、任務(wù)優(yōu)先級分析、單執(zhí)行周期任務(wù)分配方案生成及優(yōu)化、資源適宜性評估、綜合效能評估、任務(wù)下達等，如圖1所示，其中全任務(wù)周期規(guī)劃、單執(zhí)行周期規(guī)劃及傳感器適宜性分析等內(nèi)容不是本文主要研究內(nèi)容，不作贅述。

圖1 任務(wù)管理及資源調(diào)度流程

2 任務(wù)分配的內(nèi)涵和制約因素

任務(wù)分配就是在當(dāng)前確定要完成的任務(wù)之后，按照一定原則將任務(wù)分配給參與綜合探測的各相關(guān)傳感器，并明確各個任務(wù)執(zhí)行的參數(shù)要求，使整體任務(wù)執(zhí)行效果、任務(wù)調(diào)度成功率、任務(wù)執(zhí)行效果和期望的匹配度盡可能優(yōu)化。由于各傳感器設(shè)備在探測威力、覆蓋范圍(含遮擋)、探測精度以及抗干擾和反雜波能力等方面存在差異，首先要進行任務(wù)適宜度分析，將任務(wù)分配到可勝任的傳感器，以保證任務(wù)完成的質(zhì)量符合預(yù)期。在滿足任務(wù)適宜度的基礎(chǔ)上考慮任務(wù)匹配性，準(zhǔn)則就是將有匹配要求的任務(wù)優(yōu)先分配到匹配的探測設(shè)備執(zhí)行。

艦艇平臺是一個多任務(wù)系統(tǒng)，往往可能同時面對空、海、陸、潛多方面作戰(zhàn)，因此警戒探測裝備需要能夠同時執(zhí)行多種探測任務(wù)，滿足多種不同應(yīng)用和用戶的信息需求。艦艇平臺綜合探測的任務(wù)管理及資源調(diào)度面臨如下問題：

(1) 任務(wù)限制因素

每項任務(wù)都有其限制因素，一般包括任務(wù)執(zhí)行時間、任務(wù)耗用資源[9]、任務(wù)質(zhì)量要求等方面。

(2) 探測設(shè)備能力限制

探測設(shè)備的能力限制主要體現(xiàn)在覆蓋范圍、威力范圍、跟蹤能力、探測精度[10]、分辨力、多任務(wù)能力以及雷達調(diào)度控制能力等方面。

(3) 環(huán)境影響

環(huán)境因素主要有電磁環(huán)境、雜波環(huán)境[11]、能見度和電磁傳輸條件等，都影響探測設(shè)備對目標(biāo)的探測能力。

(4) 目標(biāo)影響因素

影響主動探測設(shè)備探測和跟蹤能力的目標(biāo)因素主要有目標(biāo)等效散射面積[12]、目標(biāo)運動速度、加速度、目標(biāo)角速度等。

(5) 信息用戶的匹配性要求

一般情況下，作戰(zhàn)指揮決策設(shè)備、武器系統(tǒng)設(shè)備、本艦導(dǎo)航設(shè)備及其他有信息引導(dǎo)需求的設(shè)備、不同探測設(shè)備等輸出的信息在誤差分布特征方面、系統(tǒng)差與環(huán)境狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系方面、對不同運動目標(biāo)的響應(yīng)方面等存在一定差異。為滿足武器系統(tǒng)等設(shè)備對精確信息保障的要求，需要探測設(shè)備與其保障設(shè)備具有一定的匹配性。

(6) 不同方向任務(wù)的差異化要求

在不同的探測方向上，目標(biāo)的分布情況以及任務(wù)的分配情況各不相同，在調(diào)度時應(yīng)考慮資源的可達性，并選擇合適的準(zhǔn)則。

(7) 飽和情況下的作戰(zhàn)要求

任務(wù)飽和是指任務(wù)集合所需要的資源總量大于所有探測資源量總和。在任務(wù)飽和情況下，必須按一定準(zhǔn)則選取執(zhí)行任務(wù)，有些任務(wù)必須放棄。

在任務(wù)過飽和情況下，為提升總體效能，采用降額與優(yōu)選相結(jié)合的任務(wù)分配處理方式。為充分發(fā)揮各探測設(shè)備的能力、最大限度完成任務(wù)，本文提出了采用最小熵的任務(wù)分配準(zhǔn)則，在最大程度上保證任務(wù)調(diào)度成功率。

3 最小熵準(zhǔn)則的任務(wù)分配模型構(gòu)建

艦艇平臺綜合探測系統(tǒng)的任務(wù)分配優(yōu)化原則是：

(1) 重要的任務(wù)優(yōu)先，且保質(zhì)量完成執(zhí)行；

(2) 利用現(xiàn)有的傳感器資源，盡可能多地執(zhí)行任務(wù)；

(3) 在保證任務(wù)完成執(zhí)行情況下盡量提高任務(wù)執(zhí)行的質(zhì)量；

(4) 充分發(fā)揮各傳感器尤其是能力較差傳感器的作用。為滿足任務(wù)分配優(yōu)化原則要求，最大限度地發(fā)揮各傳感器設(shè)備資源，盡可能保證能力需求強的任務(wù)得到較好執(zhí)行，能力較弱傳感器優(yōu)先執(zhí)行低質(zhì)量要求任務(wù)，本文提出了一種基于最小熵準(zhǔn)則的任務(wù)分配模型，用于實現(xiàn)任務(wù)分配方案的生成和優(yōu)化。

最小熵定義：每一條“知識”存在一個固定熵值，代表其本質(zhì)的信息量，但在對“知識”未徹底掌握前，估量“知識”的過程會帶入未知因素信息，造成估量的“知識”熵值是其固定熵值的上界，采用最小熵估計意味著降低“知識”熵值的上界，減少未知因素影響，逼近固有信息熵值。

本文提出的最小熵準(zhǔn)則中的“知識”是希望任務(wù)資源消耗較少的任務(wù)優(yōu)先分配到能力較弱的傳感器執(zhí)行，即追求資源質(zhì)量能積P最小的準(zhǔn)則，其中P是任務(wù)消耗資源與執(zhí)行任務(wù)傳感器能力值的乘積和。

假設(shè)艦船綜合探測系統(tǒng)共有N部傳感器，將n個任務(wù)分配到這N部傳感器執(zhí)行，則每個任務(wù)消耗的資源為

T=[T1,T2,…,Tn]

(1)

且每個任務(wù)對應(yīng)的執(zhí)行任務(wù)傳感器能力值為

(2)

若使任務(wù)分配結(jié)果最優(yōu)，則約束條件為

minP=T·G

(3)

式中，P為n個任務(wù)的資源質(zhì)量能積；Tj為第j個任務(wù)消耗資源；Gj為第j個任務(wù)執(zhí)行探測設(shè)備能力值。

資源質(zhì)量能積P的物理意義是任務(wù)分配的匹配程度，即資源質(zhì)量能積較小時，表示能力較弱的傳感器優(yōu)先分配執(zhí)行資源消耗較少的任務(wù)，以保障能力較強的傳感器盡可能執(zhí)行資源消耗較大的任務(wù)。

任務(wù)消耗資源T的衡量指標(biāo)是執(zhí)行任務(wù)所需要的時間。任務(wù)消耗資源計算式如下：

(4)

式中，c為電磁波在空氣中的傳播速度；R為探測目標(biāo)到傳感器的距離；m為傳感器完成目標(biāo)探測任務(wù)所需要的探測周期數(shù)。

探測設(shè)備能力值G的主要衡量指標(biāo)是最大探測距離和精度，其計算式為

G=aGr+bGs，a+b=1

(5)

式中，Gr為距離能力值；Gs為精度能力值；a和b為根據(jù)具體綜合探測系統(tǒng)組成與任務(wù)使命確定的兩個系數(shù)：當(dāng)探測系統(tǒng)對距離能力要求較高時，設(shè)置系數(shù)a>b；當(dāng)探測系統(tǒng)對精度能力要求較高時，設(shè)置系數(shù)a

距離能力值Gr和精度能力值Gs采用序位計分法計算能力值，即對綜合探測系統(tǒng)所有的探測設(shè)備按單項指標(biāo)大小進行排序，按序位確定該項指標(biāo)的能力值大小，忽略其指標(biāo)差距的影響。根據(jù)綜合探測系統(tǒng)探測設(shè)備的組成確定序位積分的準(zhǔn)則。等間隔計分是一種簡潔的方式，適用于大部分情況。對于部分綜合探測系統(tǒng)，存在兩部設(shè)備絕對能力相近的情況，為增加相鄰兩探測設(shè)備調(diào)度的靈活性，需要降低其能力值的差距；或某探測設(shè)備絕對能力明顯高于其他探測設(shè)備，留用執(zhí)行困難任務(wù)，需要加大能力值差距，也可采用不等間隔的計分方式。能力值宜設(shè)定在(0, 1]區(qū)間，最低能力值不能為0。

另外，有些特殊的任務(wù)只有少量或單一探測設(shè)備能夠勝任，則任務(wù)分配中不用進行能力值判斷，通過適宜度判斷即可，如專用識別探測任務(wù)等。

最小熵準(zhǔn)則的任務(wù)分配流程如下：

(1) 計算各探測設(shè)備的能力值，得出探測設(shè)備能力值從小到大的排序；

(2) 按任務(wù)優(yōu)先級順序取出待分配任務(wù)；

(3) 按資源質(zhì)量能積最低優(yōu)先準(zhǔn)則，將任務(wù)分配到能力值最低的探測設(shè)備。

4 仿真分析

為了驗證最小熵任務(wù)分配準(zhǔn)則的有效性，本文根據(jù)最小熵任務(wù)分配準(zhǔn)則需求，設(shè)定了傳感器設(shè)備參數(shù)、跟蹤類任務(wù)參數(shù)及應(yīng)用場景，并在此基礎(chǔ)上進行了100次的蒙特卡羅仿真試驗，對比分析了本文最小熵算法與傳統(tǒng)隨機分配算法。

假定使用3部傳感器即雷達1、2、3對目標(biāo)進行綜合探測，傳感器的探測范圍及精度參數(shù)如表1所示。

表1 3部傳感器的相關(guān)參數(shù)

主要針對單方向飽和的跟蹤任務(wù)執(zhí)行情況進行分析，且設(shè)定的跟蹤類任務(wù)分為粗跟、精跟、目指跟蹤及火控跟蹤4種。各類跟蹤任務(wù)的精度要求如表2所示。設(shè)定粗跟任務(wù)采用3脈沖跟蹤方式；精跟、目指跟蹤和火控跟蹤任務(wù)采用8脈沖跟蹤。跟蹤任務(wù)耗費的時間資源分為4檔：30 km、60 km、120 km和210 km，對應(yīng)的單個脈沖消耗的時間資源分別為200 μs、400 μs、800 μs和1 400 μs。

表2 4種任務(wù)的相關(guān)參數(shù)

在仿真中，僅考慮單方向45°扇區(qū)內(nèi)飽和的跟蹤任務(wù)執(zhí)行情況。假定3部雷達都為旋轉(zhuǎn)體制雷達，天線轉(zhuǎn)速均為30 r/min，單方向45°扇區(qū)對應(yīng)的時間資源為250 ms，且50%的時間資源用于跟蹤任務(wù)，通過100次蒙特卡羅試驗，采用任務(wù)調(diào)度成功率[13](Scheduling Success Ratio，SSR)、任務(wù)調(diào)度時間利用率(Time Utilization Ratio，TUR)及任務(wù)執(zhí)行威脅率(Threat Ratio of Executed，TRE)3種評估指標(biāo)[14-16]對3部雷達共視區(qū)內(nèi)跟蹤任務(wù)的完成情況和資源利用情況進行對比分析，其中SSR指成功調(diào)度的任務(wù)數(shù)量與請求調(diào)度的任務(wù)數(shù)量之比，調(diào)度成功率越高，算法性能越好；TUR指成功執(zhí)行的所有跟蹤任務(wù)所用時間與可用于執(zhí)行跟蹤任務(wù)的時間資源的比值，時間利用率越高，算法性能越佳；TRE指調(diào)度成功的任務(wù)所具有的目標(biāo)威脅度總和與請求任務(wù)目標(biāo)威脅度總和之比，執(zhí)行威脅率越高，算法性能越好。

蒙特卡羅仿真實驗結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a)、(b)、(c)分別為最小熵準(zhǔn)則分配算法與隨機分配算法的調(diào)度成功率、時間利用率和任務(wù)執(zhí)行威脅率對比。

圖2 調(diào)度性能對比

可以看出，隨著跟蹤任務(wù)的增加，隨機分配算法在目標(biāo)數(shù)達到95批時任務(wù)已經(jīng)開始丟失，執(zhí)行威脅率也隨之下降，但其資源利用率約為82%；本文采用的最小熵準(zhǔn)則分配算法在目標(biāo)數(shù)達到105批時任務(wù)才開始丟失，其資源利用率基本接近90%。雖然隨著任務(wù)量的增加，兩種算法的資源利用率最終都可以達到99%以上，但在任務(wù)數(shù)接近飽和過程中，本文算法執(zhí)行威脅率大于隨機分配算法的執(zhí)行威脅率。

與隨機分配算法相比，在可用時間資源相同且保證執(zhí)行威脅率為100%的情況下，本文算法能夠成功執(zhí)行的跟蹤任務(wù)數(shù)更多；在執(zhí)行威脅率由100%下降到90%的過程中，本文算法的時間利用率和任務(wù)調(diào)度成功率都更高，所以本文算法的抗飽和任務(wù)能力更強。

5 結(jié)束語

針對艦艇綜合探測系統(tǒng)中多個傳感器任務(wù)分配問題，首先分析了任務(wù)管理及資源調(diào)度流程中的任務(wù)分配內(nèi)涵和制約因素，在此基礎(chǔ)上采用最小熵準(zhǔn)則設(shè)計了一種系統(tǒng)任務(wù)分配方法；通過仿真試驗與基于隨機分配準(zhǔn)則的任務(wù)分配方法進行對比，驗證了基于最小熵準(zhǔn)則的系統(tǒng)任務(wù)分配方法的有效性。與基于隨機分配準(zhǔn)則的算法相比，基于最小熵準(zhǔn)則的任務(wù)分配方法可以充分利用時間資源，實現(xiàn)更多任務(wù)的成功調(diào)度，且抗飽和任務(wù)能力更強，可以為后續(xù)的實際工程應(yīng)用提供重要參考。