林 華，周 翔，盧發(fā)興

（1.海軍工程大學，武漢 430033；2.武漢理工大學能源與動力學院，武漢 430063）

分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃問題*

林 華1，周 翔2，盧發(fā)興1

（1.海軍工程大學，武漢 430033；2.武漢理工大學能源與動力學院，武漢 430063）

分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃是實現(xiàn)海上聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵。首先分析了海戰(zhàn)場資源的分類及戰(zhàn)場資源規(guī)劃特點，建立了基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)，深入分析了該規(guī)劃系統(tǒng)的組成和功能，并構(gòu)造了相應的資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型，為實現(xiàn)定性和定量相結(jié)合的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃與管理提供了一條有效的途徑。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)，戰(zhàn)場資源規(guī)劃，分布式，多智能體

引言

海上聯(lián)合作戰(zhàn)是現(xiàn)代海戰(zhàn)的基本作戰(zhàn)形式，海軍各兵種各種力量通過科學合理的編成編組，形成功能互補、有機聯(lián)系的聯(lián)合作戰(zhàn)力量體系，依托網(wǎng)絡化信息系統(tǒng)，圍繞同一作戰(zhàn)目的，根據(jù)不同的任務需求，精心選擇、使用相應的作戰(zhàn)力量，通過發(fā)揮不同兵種的獨特優(yōu)長，實現(xiàn)功能互補，揚長避短，形成綜合優(yōu)勢。聯(lián)合作戰(zhàn)要求整個作戰(zhàn)指揮體系能夠在極短的時間內(nèi)、在廣闊的空間范圍完成信息獲取、情報處理、兵力分配和武器系統(tǒng)的指揮控制。

在此過程中，需根據(jù)戰(zhàn)場形勢的變化，對分布式海戰(zhàn)場資源進行實時的、動態(tài)的規(guī)劃，并進行靈活調(diào)度。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)具有如下特點：

（1）戰(zhàn)役涉及的兵種多、作戰(zhàn)活動、作戰(zhàn)樣式多，作戰(zhàn)要素、信息和作戰(zhàn)活動之間的關(guān)系復雜;

（2）指揮機構(gòu)多，以網(wǎng)絡為中心的指揮、協(xié)同、支援關(guān)系復雜;

（3）戰(zhàn)場廣闊，戰(zhàn)場資源種類多、資源屬性各異、地域分散；

（4）信息化條件下海上作戰(zhàn)行動的快節(jié)奏、作戰(zhàn)情況的多變性，作戰(zhàn)任務不確定性和突發(fā)性，使得戰(zhàn)斗過程中資源規(guī)劃方案的動態(tài)生成和實時調(diào)整的時間非常有限；

（5）作戰(zhàn)樣式的多樣化和雙方對抗的激烈化，加上海量信息，使決策過程復雜化。

以上各方面的復雜性導致了海戰(zhàn)場資源規(guī)劃復雜特殊。

分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃的目的就是要在復雜的海上聯(lián)合作戰(zhàn)過程中，根據(jù)作戰(zhàn)計劃，給出所需獲取的海戰(zhàn)場資源集合，確定何時使用何種資源，從眾多資源中得到滿足海軍作戰(zhàn)任務需求滿意的資源服務，得到可行任務資源集，優(yōu)化管理海戰(zhàn)場的各種資源，協(xié)調(diào)戰(zhàn)場作戰(zhàn)行動，減少作戰(zhàn)指揮過程中戰(zhàn)場不確定因素的影響。

多智能體是當今人工智能中的前沿學科，是分布式人工智能研究的一個重要分支，其目標是將大的復雜系統(tǒng)建造成小的、彼此相互通信及協(xié)調(diào)的、易于管理的系統(tǒng)［1-2］。同時，由于智能體具有自主性、協(xié)作性、分布性以及自適應性等特點，使得構(gòu)造基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃與管理系統(tǒng)，成為降低海戰(zhàn)場資源管理復雜性，實現(xiàn)戰(zhàn)場資源綜合集成的有效途徑。

1 海戰(zhàn)場資源的分類及特點

海戰(zhàn)場資源包含物理資源（武器裝備、大型物資設(shè)備等）和信息資源（數(shù)據(jù)、信息、知識等），種類眾多［3］。為了便于實施資源的規(guī)劃與管理，必須對戰(zhàn)場資源實施有效的分類。按照資源的功能可分為指揮控制資源、武器平臺資源、作戰(zhàn)保障資源和探測感知資源等（如圖1所示），具有分布性、移動性、交互性以及約束性的特點，并已經(jīng)逐漸成為有機的整體，呈現(xiàn)出相互制約、相互依存的一體化趨勢，海上聯(lián)合作戰(zhàn)所具有的作戰(zhàn)效能愈來愈依賴于戰(zhàn)場資源所發(fā)揮出來的整體效能。

圖1 海戰(zhàn)場資源的分類

2 基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)

假定海軍參與作戰(zhàn)兵力包括水面艦艇、潛艇、殲轟機、艦載直升機等。每個作戰(zhàn)兵力均有指揮與控制單元，可以實時感知戰(zhàn)場態(tài)勢，交互作戰(zhàn)指揮信息。對上述兵力分別建立探測感知資源、作戰(zhàn)保障資源、指揮控制資源和武器平臺資源的單元功能模型，通過分布式組網(wǎng)，構(gòu)成一個一體化的綜合作戰(zhàn)實體，建立相應的戰(zhàn)場資源屬性數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)術(shù)使用規(guī)則庫、資源規(guī)劃算法庫，對所包含的各種資源進行統(tǒng)一作戰(zhàn)運用。通過結(jié)合各種不同功能、不同性能、不同成本的傳感器、武器的靜態(tài)優(yōu)化配置和合理的動態(tài)分配，可以克服單個平臺傳感器和武器系統(tǒng)的限制，擴展武器的作戰(zhàn)范圍，顯著提高艦艇編隊的作戰(zhàn)效能。

基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)組成框圖

基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 基于多智能體的海戰(zhàn)場資源規(guī)劃系統(tǒng)技術(shù)框架

系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：

（1）任務分解智能體［4］

開始時接受作戰(zhàn)任務，根據(jù)知識庫中的作戰(zhàn)任務分類和任務約束條件、任務目標以及資源能力等知識進行任務分解，分解后的子任務按樹型結(jié)構(gòu)列入任務表中。在獲得任務指令后，進行任務分解和集聚，安排給相應的智能體來執(zhí)行。

（2）任務圖

任務圖的構(gòu)建依據(jù)是作戰(zhàn)計劃，由一系列任務和任務間的順序關(guān)系構(gòu)成，是進行資源到任務分配的依據(jù)［5］。

根據(jù)（戰(zhàn)前）海軍作戰(zhàn)計劃和資源信息，按照作戰(zhàn)任務分解的原則和方法，對作戰(zhàn)任務進行分解，得到相應的子任務和元任務，建立任務關(guān)系圖，明確作戰(zhàn)階段劃分及需要處理的所有任務之間的執(zhí)行順序、信息和數(shù)據(jù)流向、任務處理時間需求、資源需求等。

（3）輸入消息隊列

緊急任務插入或者作戰(zhàn)資源故障時，產(chǎn)生消息進入作戰(zhàn)任務綜合集成管理系統(tǒng)。通過消息隊列與指揮決策人員、其他系統(tǒng)實施交互或進行戰(zhàn)場態(tài)勢信息的反饋，同時具備主動感知戰(zhàn)場態(tài)勢的能力。

（4）任務隊列

是作戰(zhàn)任務的形式化描述模型，包括將要執(zhí)行的任務，所有任務之間的約束關(guān)系，任務的開始和截止時間等屬性。

（5）規(guī)劃智能體

對任務隊列的輸入數(shù)據(jù)進行規(guī)劃，其輸出是任務執(zhí)行隊列。將任務隊列中的開始、截止時間，任務約束關(guān)系等作為初始條件，選擇適合的算法，進行資源規(guī)劃。

（6）規(guī)劃算法庫

集成一定的算法進行調(diào)度優(yōu)化，包括各種算法模塊。算法由規(guī)劃智能體進行初始化，計算后，將結(jié)果返回任務隊列，生成優(yōu)化的可執(zhí)行任務隊列。

（7）資源智能體

資源智能體是具備獨立執(zhí)行任務能力的一個作戰(zhàn)資源，是由作戰(zhàn)資源模型映射生成，如一艘艦艇上的某一傳感器或武器。通過綜合集成信息系統(tǒng)動態(tài)地進入任務集成管理系統(tǒng)，代表作戰(zhàn)資源與外界交談，參與上級與友鄰艦艇決策，根據(jù)自身的運行狀態(tài)和任務狀態(tài)，和各任務智能體進行任務協(xié)商，來分配各個任務并完成各個粗粒度的任務調(diào)度，解決相互間的沖突。

（8）任務執(zhí)行隊列

作戰(zhàn)任務完成后所返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括已完成任務標簽、執(zhí)行中任務狀態(tài)和執(zhí)行任務的資源智能體集合以及未執(zhí)行的任務。

（9）協(xié)商消息隊列

是任務智能體和資源智能體進行協(xié)商相互選擇的消息隊列。根據(jù)各資源智能體的工作狀態(tài)，監(jiān)控執(zhí)行智能體的任務完成情況及整個系統(tǒng)的總體狀況，合理調(diào)用通訊智能體和知識庫知識獲取必要的信息，協(xié)調(diào)各資源智能體完成任務。

（10）知識庫

存儲作戰(zhàn)資源的模型和使用約束以及資源狀態(tài)，作戰(zhàn)任務分類分解構(gòu)成的樹形作戰(zhàn)任務分解圖、領(lǐng)受任務模板以及與資源匹配約束條件、任務分解規(guī)則等知識。

3 基于多智能體的分布式戰(zhàn)場資源規(guī)劃模型

戰(zhàn)場資源規(guī)劃的目標包括以下幾個方面：

①最短時間內(nèi)完成搜索、警戒、攻擊等作戰(zhàn)任務；

②確定合適的探測傳感器執(zhí)行警戒搜索任務，使得發(fā)現(xiàn)目標的概率最大；

③確定合適的跟蹤傳感器執(zhí)行跟蹤任務，使得獲取的目標信息質(zhì)量最高；

④確定合適的攻擊武器以獲得最佳的作戰(zhàn)效能；

⑤充分利用各類戰(zhàn)場資源等。

為完成上述目標，利用多智能體具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性特點以及自組織能力、學習能力和推理能力，構(gòu)建具有較強的魯棒性和可靠性的分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃與管理節(jié)點，建立基于多智能體的分布式戰(zhàn)場資源規(guī)劃模型，以充分發(fā)揮海戰(zhàn)場資源的功能，使用提高效率［6］。

基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)論

通過對基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場資源規(guī)劃問題的研究，可以更好地使用戰(zhàn)場資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的作用，迅速處理突發(fā)事件，高質(zhì)量地完成作戰(zhàn)任務。

［1］劉金琨，爾聯(lián)潔.多智能體技術(shù)應用綜述［J］.控制與決策，2001，16（2）：133-134.

［2］史忠植.智能主體及其應用［M］.北京：科學出版社，2000.

［3］王 剛，李為民，何 晶.基于多Agent的分布式防空戰(zhàn)場資源管理研究［J］.軍事運籌與系統(tǒng)工程，2002（2）：29-32.

［4］顧東杰.綜合集成系統(tǒng)作戰(zhàn)組織中任務集成方法研究［D］.武漢：海軍工程大學，2009.11.

［5］魯音隆，陽東升，劉 忠，戴長華.聯(lián)合作戰(zhàn)規(guī)劃中資源調(diào)度算法研究［J］.火力與指揮控制，2006，31（2）：12-16.

［6］王 超，趙曉哲，康曉予.面向編隊協(xié)同防空決策的多智能體規(guī)劃方法［J］.艦船電子工程，2009（1）：62-64.

Research on Distributed Naval Field Resources Programming

LIN Hua1，ZHOU Xiang2，LU Fa-xing1
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；
2.College of Energy Resources and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

Distributed naval field resources programming is the key of realizing joint warfare at sea .First of all，sort and characteristic of resources programming are analyzed.And then the distributed naval field resources programming system based on multi-agents is established.The composition and function of the programming system is analyzed thoroughly，and the corresponding structure model is built.An effective approach is provided to program and manage the naval field resources qualitative and quantitative.

joint warfare at sea，battlefield resource programming，distributed，multi-agents

TP18

A

1002-0640（2014）11-0179-04

2013-08-05

2013-11-07

軍隊預研基金資助項目（51306030302）

林 華（1967- ），女，江蘇丹陽人，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)工程、系統(tǒng)建模與仿真。