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        資源約束下的反導(dǎo)任務(wù)迭代收斂特性

        2013-12-19 08:58:06劉付顯
        關(guān)鍵詞:任務(wù)量反導(dǎo)總量

        董 濤 劉付顯 李 響

        (空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安710051)

        張 輝

        (93756部隊(duì),張家口075100)

        Dong Tao Liu Fuxian Li Xiang

        (School of Air and Missile Defense,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

        Zhang Hui

        (93756 Military Unit,Zhangjiakou 075100,China)

        反導(dǎo)作戰(zhàn),簡稱“反導(dǎo)”,指使用反戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈武器系統(tǒng)抗擊敵戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈突擊的作戰(zhàn).反導(dǎo)作戰(zhàn)是復(fù)雜的信息化體系作戰(zhàn),執(zhí)行反導(dǎo)任務(wù)的作戰(zhàn)資源,包括指控中心、預(yù)警衛(wèi)星、地基遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)、末段高層火力單元、末段低層火力單元等[1-2].反導(dǎo)任務(wù)包含預(yù)警探測、目標(biāo)截獲、跟蹤識(shí)別、火力攔截、殺傷效果評(píng)估等,任務(wù)環(huán)環(huán)相扣,單一資源無法承擔(dān)全部反導(dǎo)任務(wù)[3].作戰(zhàn)資源必須通過密切的信息交互進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn),分別承擔(dān)不同粒度的多類型反導(dǎo)任務(wù).

        信息實(shí)時(shí)交互也導(dǎo)致大量迭代,大大增加了反導(dǎo)任務(wù)總量,并影響到任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度,如果不清楚任務(wù)總量迭代收斂機(jī)理,就無法合理規(guī)劃反導(dǎo)任務(wù).目前,關(guān)于任務(wù)總量及其迭代收斂性研究的文獻(xiàn)較少[4-5].本文結(jié)合任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣,建立基于資源約束的任務(wù)總量模型,探究任務(wù)總量迭代收斂規(guī)律,為有效管理和控制反導(dǎo)任務(wù)提供了理論依據(jù).

        1 任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣的建立

        1.1 任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣分析

        任務(wù)迭代過程包括任務(wù)返工概率和返工量兩方面.返工概率指任務(wù)以一定的概率引起其他任務(wù)的返工從而構(gòu)成循環(huán),返工量指在循環(huán)中的某任務(wù)將以一定比例的任務(wù)量再次執(zhí)行.為有效管理與控制反導(dǎo)任務(wù)迭代,引入任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣(TTM,Task Transform Matrix)準(zhǔn)確度量任務(wù)之間的聯(lián)系與依賴程度.

        任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣A是一個(gè)N×N維的矩陣,即 A=(aij)N×N,aij∈A,i,j=1,2,…,N.aij是任務(wù)轉(zhuǎn)移量系數(shù),表示任務(wù)執(zhí)行過程中,任務(wù)Tj導(dǎo)致任務(wù)Ti進(jìn)行aij個(gè)單位任務(wù)量的返工.任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣A的對(duì)角線元素定義為0,即aii=0.

        1.2 任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣相關(guān)假設(shè)

        任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣建立在如下假設(shè)[6]基礎(chǔ)上:

        1)第1次迭代時(shí)所有任務(wù)并行執(zhí)行,而在隨后的迭代過程中按照返工概率執(zhí)行;

        2)在每一個(gè)迭代階段,上次迭代未完成的任務(wù)量再次全部執(zhí)行;

        3)任務(wù)轉(zhuǎn)移量系數(shù)保持不變,由于迭代次數(shù)的增加,引起相應(yīng)的返工概率和返工量發(fā)生變化,但多數(shù)情況下返工狀態(tài)在第1次返工后不發(fā)生太大變化;

        4)每一任務(wù)收到其他任務(wù)的信息交互請(qǐng)求時(shí)作為一次迭代的開始,直到該任務(wù)收到下一次請(qǐng)求再進(jìn)行下一次迭代.

        2 任務(wù)總量的迭代收斂機(jī)理

        2.1 任務(wù)總量模型

        反導(dǎo)任務(wù)是動(dòng)態(tài)變化的,信息實(shí)時(shí)傳遞和反饋所產(chǎn)生的大量迭代,大大增加了任務(wù)總量.如果不清楚任務(wù)總量變化趨勢(shì)及其收斂規(guī)律,就無法合理規(guī)劃反導(dǎo)任務(wù).根據(jù)假設(shè)3),令ρ(0≤ρ≤1)表示剩余任務(wù)總量每次迭代完成比例,每次均保持定值[4-5].

        其中,(1-ρ)Ut為第 t個(gè)單位時(shí)間內(nèi),因資源、時(shí)間等約束而遺留給第t+1個(gè)單位時(shí)間的剩余任務(wù)量;ρAUt為第t+1個(gè)單位時(shí)間需要返工的任務(wù)量;(1-ρ)Ut與ρAUt之和構(gòu)成了第t+1個(gè)單位時(shí)間的任務(wù)總量Ut+1.

        令UTotal表示需要完成的任務(wù)總量,是整個(gè)迭代過程中,任務(wù)向量對(duì)應(yīng)元素之和.令 A*=(1-ρ)I+ρA,則 Ut=(A*)tU0.

        對(duì)于任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣A,若存在線性無關(guān)的向量S使得

        其中,Λ為以A的各個(gè)特征值λi(i=1,2,…,N)為主對(duì)角元素的對(duì)角矩陣,稱為特征結(jié)構(gòu)矩陣;S為λi(i=1,2,…,N)對(duì)應(yīng)的特征向量組成的矩陣,稱為特征向量矩陣.

        其中,I為N×N的單位矩陣;Λ*為A*的特征結(jié)構(gòu)矩陣,Λ*=(1-ρ)I+ρΛ.

        根據(jù)式(2)~式(4),得式(5):

        通過任務(wù)總量模型的對(duì)角化,建立UTotal與Λ*及S的關(guān)系.UTotal的收斂性取決于Λ*主對(duì)角元素,可根據(jù)A*的矩陣收斂特性對(duì)UTotal進(jìn)行收斂性判定.

        2.2 迭代收斂規(guī)律

        引入任務(wù)轉(zhuǎn)移模型的目的在于研究任務(wù)總量迭代收斂規(guī)律.Λ*是任務(wù)總量模型的核心,其對(duì)角元素決定了任務(wù)總量的收斂特性的大小定性反映了收斂趨勢(shì)和速度.

        由式(6)可知,任務(wù)總量UTotal的大小取決于λi和 ρ的取值.當(dāng) λi∈(-∞,1]時(shí),A*的特征值(1-ρ+ρλi)大于 A 的各個(gè)特征值 λi.當(dāng) λi→1 時(shí),任務(wù)總量UTotal隨之不斷變大,收斂速度逐漸減緩.其次,因每次迭代僅完成一定比例ρ(0≤ρ≤1)的任務(wù)量,所以λi為定值的情況下,隨著ρ→1,UTotal逐漸減小,迭代收斂速度加快.

        2.3 資源約束的影響

        協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)過程中,作戰(zhàn)資源是有限的,資源約束是難以避免的.不合理的資源分配必然會(huì)影響反導(dǎo)作戰(zhàn)能力、降低任務(wù)總量收斂速度,從而延誤戰(zhàn)機(jī).為更有效地協(xié)同完成反導(dǎo)任務(wù),必須綜合平衡作戰(zhàn)資源和任務(wù)總量、任務(wù)執(zhí)行時(shí)間之間的矛盾[7].

        作戰(zhàn)資源是影響任務(wù)總量迭代收斂的重要因素.承擔(dān)反導(dǎo)任務(wù)的各個(gè)資源平臺(tái)存在著不同的作戰(zhàn)效率上限vi,max.當(dāng)任務(wù)總量為定值時(shí),在滿足資源約束的條件下,以最短的時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo),可得到不同作戰(zhàn)資源的最佳效率值.任務(wù)總量UTotal與作戰(zhàn)資源的任務(wù)執(zhí)行效率V、作戰(zhàn)時(shí)間T的關(guān)系可表示為式(7).

        其中,V=diag(v1,v2,…,vN),vi為任務(wù) Ti的執(zhí)行效率,表示單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)量;T=(t1,t2,…,tN)T是N×1維的時(shí)間向量,ti表示完成任務(wù)Ti消耗的時(shí)間單位.

        在資源約束下,作戰(zhàn)時(shí)間模型如式(8)所示.

        根據(jù)式(8),得到任務(wù)的最佳效率值vi,optimal.由 vi,optimal得到任務(wù)關(guān)鍵度 iimportant,如式(9)所示.

        iimportant綜合考慮了作戰(zhàn)資源的最優(yōu)效率和最大作戰(zhàn)效率,精確描述了各任務(wù)不同的作戰(zhàn)能力需求.可根據(jù)iimportant衡量任務(wù)的關(guān)鍵度,調(diào)整資源配置狀態(tài),優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行順序,提高任務(wù)總量UTotal的迭代收斂速度,縮短任務(wù)執(zhí)行時(shí)間.

        3 案例分析

        以5個(gè)敵戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈來襲時(shí)的反導(dǎo)作戰(zhàn)為例,整個(gè)反導(dǎo)任務(wù)可抽象為5個(gè)任務(wù)[8],因時(shí)間和資源的約束作用[9-10],任務(wù)之間相互影響、相互制約.5個(gè)反導(dǎo)任務(wù)之間的聯(lián)系如圖1所示.

        圖1 反導(dǎo)任務(wù)之間的聯(lián)系

        基于圖形的建模方法雖然能直觀地表達(dá)任務(wù)之間的信息交互關(guān)系,但當(dāng)任務(wù)規(guī)模相對(duì)龐大和復(fù)雜時(shí),任務(wù)間的關(guān)系也因此變得復(fù)雜,不利于深入分析任務(wù)之間的相互影響和作用程度.

        采用矩陣的形式描述任務(wù)關(guān)系,靈活且易于理解,便于計(jì)算.用模糊數(shù)來評(píng)定任務(wù)關(guān)聯(lián)程度,建立任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣,度量時(shí)序和信息對(duì)任務(wù)的影響度,揭示了反導(dǎo)任務(wù)的復(fù)雜關(guān)系.根據(jù)圖1,確定反導(dǎo)任務(wù)的任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣A,如式(10)所示.

        由式(6)可知,UTotal與ρ成反比關(guān)系.當(dāng)ρ=1時(shí),任務(wù)總量UTotal最小,即:

        圖2 任務(wù)向量的變化趨勢(shì)

        在第1個(gè)單位時(shí)間內(nèi),由于任務(wù)間的相互影響和制約,任務(wù)3和任務(wù)5的任務(wù)量變大.但隨著任務(wù)總量的迭代收斂,各任務(wù)向量逐漸收斂,任務(wù)之間的關(guān)系隨之簡化,復(fù)雜度不斷降低.

        作戰(zhàn)資源是有限的,資源約束如式(11)所示.

        根據(jù)式(8)和式(9),計(jì)算最佳效率值vi,optimal和任務(wù)關(guān)鍵度iimportant,如表1所示.

        表1 任務(wù)的執(zhí)行順序

        任務(wù)關(guān)鍵度越大,說明該任務(wù)消耗的作戰(zhàn)資源和時(shí)間越多.由表1可得,任務(wù)3和任務(wù)4的關(guān)鍵度最大,其需求的作戰(zhàn)資源在達(dá)到最大效率的情況下,才能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成此任務(wù).所以,任務(wù)3和任務(wù)4是關(guān)鍵任務(wù),必須優(yōu)先執(zhí)行.而任務(wù)5的關(guān)鍵度最小,可最后執(zhí)行,并且配置的作戰(zhàn)能力過剩,存在著比較嚴(yán)重的作戰(zhàn)資源浪費(fèi).因此,通過動(dòng)態(tài)優(yōu)化資源配置,能有效控制任務(wù)總量及其迭代收斂速度.

        4 結(jié) 束 語

        針對(duì)反導(dǎo)任務(wù)總量及其迭代收斂問題,本文引入任務(wù)量完工比例參數(shù),建立任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣,定量描述反導(dǎo)任務(wù)的復(fù)雜聯(lián)系和作用強(qiáng)度.再建立任務(wù)總量模型,深入研究任務(wù)總量迭代收斂規(guī)律.在資源約束條件下,優(yōu)化任務(wù)優(yōu)先級(jí),減少因迭代產(chǎn)生的返工和重復(fù)任務(wù),有效縮減任務(wù)總量,縮短任務(wù)執(zhí)行時(shí)間.本文對(duì)作戰(zhàn)過程進(jìn)行了一定程度的簡化,需進(jìn)一步研究反導(dǎo)任務(wù)的迭代次數(shù)、動(dòng)態(tài)特性和任務(wù)轉(zhuǎn)移矩陣精確度等問題.

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