張 磊 朱 琳 顧 頎

(1.海軍指揮學(xué)院 南京 210016)(2.海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

基于MAS艦艇編隊(duì)協(xié)同防空作戰(zhàn)決策模型研究*

張 磊1朱 琳2顧 頎1

(1.海軍指揮學(xué)院 南京 210016)(2.海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

從協(xié)作決策的角度重點(diǎn)研究了編隊(duì)區(qū)域防空和點(diǎn)防御區(qū)防空火力的協(xié)作決策求解模型。其中區(qū)域防空火力的協(xié)作采用受制的協(xié)作方式,應(yīng)用了“因需設(shè)崗”的協(xié)作思想,提出了“角色能力匹配+主客觀綜合賦權(quán)+直接命令”的協(xié)作機(jī)制,并針對(duì)權(quán)重的不確定性引入了多目標(biāo)模糊決策理論。點(diǎn)防御區(qū)的協(xié)作采用自治的協(xié)作方式,提出了計(jì)劃融合沖突消解的協(xié)作機(jī)制。最后,通過實(shí)例對(duì)協(xié)作決策模型進(jìn)行計(jì)算分析,驗(yàn)證了模型的合理性。

協(xié)作; 編隊(duì)防空; 模糊決策

Class Number TP391.9

1 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中,艦艇編隊(duì)在遂行海上作戰(zhàn)任務(wù)過程中,對(duì)空中目標(biāo)的防御要貫穿始終。對(duì)空防御必須實(shí)時(shí)處理大量信息,并實(shí)時(shí)做出防御決策,比如編隊(duì)指揮員對(duì)編隊(duì)區(qū)域防空導(dǎo)彈的分配、各艦指揮員對(duì)本艦近程防空武器的分配等,這些決策任務(wù)對(duì)指揮員的指揮能力提出很高的要求,需要借助防空作戰(zhàn)軟件來(lái)提供輔助決策。而隨著海上作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜及通信技術(shù)、飛航技術(shù)等高科技的不斷發(fā)展,如精確制導(dǎo)武器和電子戰(zhàn)手段的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)有的編隊(duì)防空決策模型已日益凸顯出靈活性動(dòng)態(tài)性不夠、復(fù)雜決策問題處理困難、缺乏協(xié)作等問題。因此一個(gè)具有智能化的分布式編隊(duì)輔助決策模型將是提高編隊(duì)防空效能、保障艦艇生命力的重要保證。

多智能體系統(tǒng)(Multi-Agent System,MAS)是當(dāng)今分布式人工智能研究的熱點(diǎn),該理論不僅擁有單個(gè)Agent本身自主性、社會(huì)性等優(yōu)良特性,而且具有Agent之間相互協(xié)調(diào)合作解決復(fù)雜決策任務(wù)的能力。因此,鑒于當(dāng)前艦艇編隊(duì)防空決策模型的局限性和未來(lái)海戰(zhàn)防空決策問題的復(fù)雜性特點(diǎn),基于MAS的復(fù)雜決策建模理論能為編隊(duì)防空決策提供一種新的思路和方法。

2 艦艇編隊(duì)區(qū)域防空火力的協(xié)作決策流程

區(qū)域防空火力分配的決策問題主要指在來(lái)襲導(dǎo)彈的航路上分配最適合的區(qū)域防空導(dǎo)彈進(jìn)行抗擊,盡量將來(lái)襲導(dǎo)彈攔截在最遠(yuǎn)距離上,且抗擊失敗后能有下一波的導(dǎo)彈繼續(xù)發(fā)射進(jìn)行抗擊。艦艇編隊(duì)區(qū)域防空火力分配決策任務(wù)的動(dòng)態(tài)協(xié)作流程,如圖1所示[1～2]。

圖1 編隊(duì)區(qū)域防空火協(xié)作配決策的流程圖

3 艦艇編隊(duì)區(qū)域防空火力的協(xié)作機(jī)制

3.1 協(xié)作機(jī)制的主要內(nèi)容

作為實(shí)現(xiàn)任務(wù)求解的主要方式—協(xié)作,其實(shí)現(xiàn)過程是很復(fù)雜的,協(xié)作過程能否順利實(shí)現(xiàn),是動(dòng)態(tài)協(xié)作任務(wù)求解問題所要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題。為了使協(xié)作過程能夠順利地實(shí)現(xiàn),建立相應(yīng)的協(xié)作機(jī)制是十分必要也是十分重要的。

協(xié)作機(jī)制具體包括協(xié)作方式、協(xié)作策略和協(xié)作方法三部分內(nèi)容[3]。協(xié)作方式是指協(xié)作主體采用什么樣的協(xié)作方案進(jìn)行協(xié)作;協(xié)作策略是在協(xié)作方案確定的情況下,具體實(shí)現(xiàn)的過程,而協(xié)作方法是指對(duì)協(xié)作的每一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)過程所采用的具體方法。

3.2 編隊(duì)區(qū)域防空火力的協(xié)作機(jī)制

根據(jù)上文對(duì)協(xié)作機(jī)制三個(gè)方面的分析和研究,本文設(shè)計(jì)編隊(duì)區(qū)域防空的協(xié)作機(jī)制為:“角色能力匹配+主客觀綜合賦權(quán)+指揮艦直接命令”。具體表述如下[4～5]:

指揮艦Agent發(fā)布協(xié)作任務(wù),下屬Agent艦接收協(xié)作任務(wù),通過角色能力匹配判斷是否參與協(xié)作,角色能力匹配是指根據(jù)空中目標(biāo)的距離和自身艦空導(dǎo)彈的射程及編隊(duì)中的職能角色等進(jìn)行匹配,匹配規(guī)則如下:

Rule1:目標(biāo)在點(diǎn)防御區(qū)內(nèi),如果協(xié)作時(shí)間允許,且空中無(wú)其他目標(biāo),所有半自治Agent均可參與協(xié)作。

Rule2:目標(biāo)在近程區(qū)域防空導(dǎo)彈射程之內(nèi)、點(diǎn)防御區(qū)之外,優(yōu)先選擇具有區(qū)域防空導(dǎo)彈且導(dǎo)彈有剩余的艦艇,即區(qū)域防空艦Agent參與競(jìng)爭(zhēng)。

Rule3:目標(biāo)在遠(yuǎn)程區(qū)域防空導(dǎo)彈射程之內(nèi)、近程區(qū)域防空導(dǎo)彈射程之外,優(yōu)先選擇具有遠(yuǎn)程區(qū)域防空導(dǎo)彈且導(dǎo)彈有剩余的艦艇,即遠(yuǎn)程區(qū)域防空艦Agent參與競(jìng)爭(zhēng)。

Rule4:目標(biāo)在遠(yuǎn)程區(qū)域防空導(dǎo)彈射程外,可優(yōu)先選擇具有遠(yuǎn)程區(qū)域防空導(dǎo)彈且導(dǎo)彈有剩余的艦艇,即遠(yuǎn)程區(qū)域防空艦Agent參與競(jìng)爭(zhēng)。

Rule5:如果導(dǎo)彈的射擊禁危區(qū)內(nèi)有我友鄰艦,不參與對(duì)該目標(biāo)的協(xié)作。

Rule6:因自身狀態(tài)原因,如無(wú)閑置防空通道或?qū)検Ｓ酁榱愕惹闆r而無(wú)能力參與協(xié)作,向指揮艦返回協(xié)作失敗的信息。

Rule7:指揮艦根據(jù)以上原則也需要進(jìn)行參與協(xié)作競(jìng)爭(zhēng)。

Rule8:多目標(biāo)下,對(duì)威脅程度高的目標(biāo)優(yōu)先分配防空火力通道。

根據(jù)匹配,形成協(xié)作群體Region(),協(xié)作群體內(nèi)各艦修改規(guī)劃,并上報(bào)相關(guān)信息:抗擊方案(單發(fā)或雙發(fā)等)、導(dǎo)彈的射程、完成抗擊的總時(shí)間,抗擊方案的毀傷概率及抗擊所需的武器資源情況等,以上信息構(gòu)成了參與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的性能指標(biāo)。本文根據(jù)對(duì)空防御又快又準(zhǔn)地?fù)魵Э罩心繕?biāo)為原則,主要選擇競(jìng)爭(zhēng)的性能指標(biāo)有實(shí)戰(zhàn)能力值Cap、完成抗擊的時(shí)間T、抗擊方案的殺傷概率P。

有了性能指標(biāo),下一步就需要確定相應(yīng)的權(quán)重,并按照具體算法計(jì)算協(xié)作群體內(nèi)每個(gè)半自治防空Agent的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),由具有最大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的Agent來(lái)執(zhí)行抗擊。由于各個(gè)權(quán)重具有不確定性,需要融入指揮員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、期望等偏好信息,因此,偏好信息的獲得是解決該問題的關(guān)鍵。

指揮艦直接命令源于編隊(duì)指揮艦的權(quán)威性,在防空作戰(zhàn)中,指揮艦處于核心地位,能全面掌握海面和空中動(dòng)態(tài),因此指揮艦可以直接命令下屬防空艦執(zhí)行抗擊任務(wù),即該下屬艦直接獲得最大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。指揮艦直接命令的優(yōu)勢(shì)在于增加了人的因素,符合了當(dāng)前編隊(duì)作戰(zhàn)的實(shí)際情況,在處理部分問題時(shí),減少協(xié)作需要的時(shí)間,減少了資源的消耗。

4 多目標(biāo)時(shí)編隊(duì)區(qū)域防空火力的協(xié)作決策

現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)中,對(duì)海上艦艇編隊(duì)的攻擊往往呈現(xiàn)多方向、多批次,因此,在單目標(biāo)防御的研究基礎(chǔ)上,對(duì)多目標(biāo)下的協(xié)作決策也作了初步研究。首先作如下定義:

艦艇編隊(duì)集合A={ag1,ag2,…,agm},即有m艘艦艇組成;

空中目標(biāo)集合G={G1,G2,…,Gn},G是動(dòng)態(tài)變化的;

威脅系數(shù)rj(j=1,2,…,n),rj≥0,威脅判斷模型可以采用如下算法[6]:rj=W·T(其中W為編隊(duì)各艦的權(quán)重向量,T為各目標(biāo)對(duì)各艦的攻擊概率矩陣,通過雷達(dá)情報(bào)分析可以得到);

每艘艦艇可有防空火力通道數(shù)fi(i=1,2,…,m),fi≥0,當(dāng)fi=0時(shí),表明無(wú)閑置防空通道,即不參與區(qū)域防空協(xié)作;

各艦剩余導(dǎo)彈數(shù)Mi(i=1,2,…,m),Mi≥0,當(dāng)Mi=0時(shí)該艦不參與區(qū)域防空的協(xié)作。

參考單目標(biāo)時(shí)編隊(duì)區(qū)域防空火力的協(xié)作流程,多目標(biāo)下編隊(duì)區(qū)域防空火力分配決策的協(xié)作流程如圖2所示。

圖2 多目標(biāo)下編隊(duì)區(qū)域防空火力分配決策的協(xié)作流程

4.1 模糊多目標(biāo)決策模型

所謂多目標(biāo)決策是指在具有相互沖突、不可公度的多個(gè)目標(biāo)情況下進(jìn)行決策。模糊集理論是解決含有模糊不確定因素的復(fù)雜決策問題的有效工具。模糊集理論與多目標(biāo)決策的有機(jī)結(jié)合就是模糊多目標(biāo)決策[7～8]。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中有19種特征，其中特征7-13、15-17的值在測(cè)試數(shù)據(jù)集中被隱藏，特征14(Correct First Attempt)為需要預(yù)測(cè)的分類特征。因此，在訓(xùn)練過程中也排除了特征7-13和特征15-17。我們將剩下的8種非類別特征分為三類，一是與學(xué)生相關(guān)的特征，即特征2；二是與題目相關(guān)的特征，即特征3-6；第三類是與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的特證，即特征18和19。在對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行距離度量過程中采用協(xié)同過濾算法，把學(xué)生當(dāng)做主體，即協(xié)同過濾算法中的客戶，將題目和知識(shí)點(diǎn)看作與客戶相關(guān)的項(xiàng)目。

多目標(biāo)決策過程如下:對(duì)于一個(gè)由n個(gè)決策方案xj(j=1,2,…,n)所組成方案集和m個(gè)目標(biāo)fi(i=1,2,…,m)組成目標(biāo)集的多目標(biāo)決策問題,得到?jīng)Q策矩陣F=(fij)m*n。通常情況下,多個(gè)目標(biāo)之間相互沖突,不可公度。同時(shí),在決策過程中,含有決策者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、判斷等模糊經(jīng)驗(yàn)。為此,需要確定方案xj關(guān)于目標(biāo)fi的優(yōu)屬度μi(xj),簡(jiǎn)記為μij。目標(biāo)相對(duì)優(yōu)屬度的確定方法很多,常見的有效益型,成本型,固定型,區(qū)間型。確定了μij后,則可用多目標(biāo)決策模糊最優(yōu)解的若干求解方法進(jìn)行建模求解。然而,使用這些方法的前提條件是事先知道目標(biāo)集f的權(quán)重向量ωi=(ω1,ω2,…,ωm)T。所以權(quán)重的確定就成為解決多目標(biāo)決策問題的關(guān)鍵所在。

4.2 隸屬度線性加權(quán)規(guī)劃方法

隸屬度線形加權(quán)規(guī)劃方法是解決偏好信息不完全確知的一種模糊多目標(biāo)決策方法[9～10],可以假定前P個(gè)目標(biāo)權(quán)重是待定的,而后(m-P)各權(quán)重是已經(jīng)給定的,其中0≤P≤m,即

(1)

記

?=(ω1,ω2,…,ωp)T

設(shè)決策矩陣F及其目標(biāo)相對(duì)優(yōu)屬度矩陣μ已給定,于是可得方案xj∈X的目標(biāo)相對(duì)優(yōu)屬度線性加權(quán)平均綜合值為

(2)

顯然,對(duì)于給定的權(quán)重向量ω,ρj(?)越大則xj越優(yōu)。因此,可以建立下式的多目標(biāo)決策模型為

由于每個(gè)方案都是非劣的,所以它們之間不存在任何優(yōu)劣關(guān)系,具有相同的重要性,于是可將上述多目標(biāo)決策問題等權(quán)重集結(jié)為等價(jià)的單目標(biāo)非線性規(guī)劃,可求解得

(3)

將式(3)和式(1)代入式(2)可得到各個(gè)方案的目標(biāo)相對(duì)優(yōu)屬度線性加權(quán)平均綜合值,并按其從大到小的順序即得方案集X的優(yōu)劣排序。

顯然,當(dāng)p=m即偏好信息完全不確知時(shí),有d=1。若偏好信息完全確知即ω已知時(shí),直接利用式(2)便可做出決策。由此可見,隸屬度線性加權(quán)規(guī)劃方法同樣適用于偏好信息完全不確知和完全確知這兩種極端情況的多目標(biāo)決策問題。

5 實(shí)例分析

5.1 情況設(shè)定

艦艇編隊(duì)編成為D1、D2、D3、D4四艘驅(qū)護(hù)艦,隊(duì)形為菱形隊(duì),D3,D4居兩側(cè)。假定本文實(shí)例中編隊(duì)各艦的防空實(shí)戰(zhàn)能力評(píng)價(jià)如表1所示,另外表中軍事價(jià)值權(quán)重通常是根據(jù)編隊(duì)各艦在編隊(duì)中的地位和實(shí)際價(jià)值由編隊(duì)指揮員來(lái)設(shè)定。

表1 編隊(duì)各艦實(shí)戰(zhàn)能力值及軍事價(jià)值權(quán)重

圖3 編隊(duì)對(duì)空防御態(tài)勢(shì)圖

在執(zhí)行任務(wù)航渡時(shí),敵向我編隊(duì)共發(fā)射三枚反艦導(dǎo)彈,現(xiàn)假設(shè)三枚空中目標(biāo)的屬性如表2所示。

表2 空中目標(biāo)群屬性

5.2 實(shí)例計(jì)算

通過計(jì)算,可以得到艦艇編隊(duì)防空火力的協(xié)作抗擊流程,如表3所示。限于篇幅,計(jì)算過程中假設(shè)目標(biāo)f2、f3為一次攔截成功,目標(biāo)f1為二次攔截成功。另外,考慮到目標(biāo)到編隊(duì)各艦的相對(duì)距離雖然不同,但是對(duì)的協(xié)作及決策的影響較小,因此為便于計(jì)算,在計(jì)算過程中將編隊(duì)看作是一個(gè)整體,只計(jì)算目標(biāo)至編隊(duì)的距離,分別用D1,D2,D3表示,不分別計(jì)算目標(biāo)至各艦的相對(duì)距離。

1) 威脅度排序

根據(jù)表2中的目標(biāo)屬性應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析,得出三個(gè)空中目標(biāo)的威脅排序如下:f1?f2?f3?？罩心繕?biāo)狀態(tài)發(fā)生變化,需要對(duì)威脅度進(jìn)行重新排序。

2) 協(xié)作群體的形成及演化

指揮艦根據(jù)態(tài)勢(shì)發(fā)布任務(wù),根據(jù)目標(biāo)距離、威脅程度和艦艇火力通道數(shù)對(duì)四個(gè)目標(biāo)形成初始的三個(gè)動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)組Regionf1(),Regionf2(),Regionf3(),隨態(tài)勢(shì)變化可以重新演化編組。

5.3 實(shí)例分析結(jié)論

以三枚超音速反艦導(dǎo)彈從三個(gè)方向向我編隊(duì)進(jìn)攻為防空態(tài)勢(shì),模型根據(jù)威脅排序和各艦的防空通道數(shù),形成三個(gè)動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)組,每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)組在抗擊過程中根據(jù)態(tài)勢(shì)的改變而動(dòng)態(tài)演化,直到目標(biāo)被摧毀或進(jìn)入點(diǎn)防御區(qū),體現(xiàn)了模型對(duì)態(tài)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。其中對(duì)目標(biāo)的第一次抗擊采用直接反應(yīng)模式,保證了艦空導(dǎo)彈在最遠(yuǎn)距離上攔截目標(biāo)的要求,體現(xiàn)了半自治Agent的自主性和對(duì)應(yīng)急問題的處理,減少了決策的時(shí)間。另外,在模型中還有編隊(duì)指揮艦人工干預(yù)直接命令一個(gè)環(huán)節(jié),雖然在實(shí)例中沒有表現(xiàn)出來(lái),但是也符合目前編隊(duì)的作戰(zhàn)指揮特點(diǎn),體現(xiàn)了半自治防空Agent的受制性。

表3 多目標(biāo)下編隊(duì)防空協(xié)作流程

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Model of Decision-making Research Based on MAS in Fleet Collaborative Anti-air Warfare

ZHANG Lei1ZHU Lin2GU Qi1

(1. Naval Command College, Nanjing 210016)(2. Naval Submarine Acadamy, Qingdao 266071)

The collaborative model is studied on formation area-defence and point-defence. The restricted collaborative fashion is adopted in the collaboration of area-defence in which a new idea of collaboration is put forward. Then an arithmetic of "role matching&subjective and objective weight enacting&direct command" is adoped in the collaborative mechanism in which the theory of fuzzy multiobjective decision-making is applied to solve the problem of uncertainty weight. In the point-defence, the automony collaborative fashion is adopted and a collaborative mechanism of plan merging is put forward. Finally, instances are given to analyze the collaborative flow of decision-making on formation air-defence, which are validated rationality.

collaboration, formation air-defence, fuzzy decision-making

2013年8月9日,

2013年9月29日

軍隊(duì)國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目(編號(hào):51306060401)資助。

張磊,男,博士,研究方向:海軍合同戰(zhàn)斗效能分析。朱琳,男,博士研究生,講師,研究方向:海軍潛艇戰(zhàn)術(shù)。顧頎,男,博士,教授,研究方向:海軍合同戰(zhàn)術(shù)。

TP391.9

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.006