王龍濤,姜 寧

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

基于蝙蝠算法的艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度

王龍濤,姜 寧

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)作為全新的信息系統(tǒng),射頻資源調(diào)度是其作戰(zhàn)效能充分發(fā)揮的關(guān)鍵,運用蝙蝠算法,以單艦對空作戰(zhàn)為例,以“作戰(zhàn)步驟”為銜接,建立了“目標(biāo)—射頻資源”分配策略,定義了多目標(biāo)多任務(wù)射頻資源調(diào)度模型,并進行仿真計算,資源調(diào)度優(yōu)化結(jié)果符合單艦對空作戰(zhàn)基本原則,對艦載雷達電子對抗一體化資源調(diào)度具有實際指導(dǎo)作用。

蝙蝠算法; 一體化雷達電子對抗; 射頻資源; 資源調(diào)度

姜 寧(1964-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。

艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)作為全新的艦載綜合信息系統(tǒng),打破了傳統(tǒng)的單艦各傳感器設(shè)備條塊分割界限,通過一體化信息處理、數(shù)據(jù)充分共享對各射頻資源進行協(xié)同調(diào)度,多目標(biāo)多任務(wù)并發(fā)狀態(tài)下的射頻資源調(diào)度是其作戰(zhàn)使用的核心問題,其調(diào)度效率直接影響一體化雷達電子對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)效能,作為典型的多目標(biāo)多射頻資源調(diào)度問題,艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度算法在本質(zhì)上屬于NP-hard問題,對其射頻資源調(diào)度進行研究具有重要的理論意義和作戰(zhàn)應(yīng)用價值。

1 艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)基本組成

通過對國外海軍艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)的分析研究,典型的艦艇一體化雷達電子對抗系統(tǒng)一般包括米波段警戒雷達、S波段相控陣?yán)走_、X波段相控陣設(shè)備、干擾相控陣設(shè)備、雷達偵察設(shè)備、用于防空導(dǎo)彈制導(dǎo)的相關(guān)波段雷達及相關(guān)的信息處理調(diào)度等設(shè)備,系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。各設(shè)備通過射頻前端集成實現(xiàn)對探測、偵察、干擾等信息的綜合處理、綜合調(diào)度,雷達電子對抗系統(tǒng)的一體化集成及應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的各傳感器獨立工作的模式,通過系統(tǒng)內(nèi)的各射頻資源協(xié)同工作提高作戰(zhàn)效能,系統(tǒng)功能主要包括對海上目標(biāo)和遠中近程空中目標(biāo)的預(yù)警探測及識別,對中遠程反艦導(dǎo)彈、中近程艦空導(dǎo)彈、主炮、副炮等硬武器系統(tǒng)的跟蹤、制導(dǎo)信息保障,以及對敵方雷達輻射源信號實施電子偵察及有源干擾等。

圖1 典型艦艇一體化雷達電子對抗系統(tǒng)

1.2 射頻資源保障需求分析

以水面艦艇典型的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)為例,根據(jù)艦艇裝備作戰(zhàn)性能的不同,一般將對空作戰(zhàn)區(qū)域分為遠、中、近以及末端抗擊四個區(qū)域,主要作戰(zhàn)目標(biāo)包括來襲飛機和導(dǎo)彈,針對典型作戰(zhàn)目標(biāo)的射頻資源保障需求,如表1所示。

表1 典型對空作戰(zhàn)目標(biāo)射頻資源保障需求

1.3 射頻資源調(diào)度方法

當(dāng)前,世界主要國家海軍的艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)大部分尚處于研制及初步應(yīng)用階段,比如2013年10月下水的美國海軍DDG1000,列裝的先進多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)初步實現(xiàn)了雷達電子對抗的一體化集成及應(yīng)用,相關(guān)研究成果密級普遍較高,公開發(fā)表的有關(guān)艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度的研究較少,國內(nèi)涉及艦載射頻資源調(diào)度的研究主要集中在多傳感器協(xié)同使用方面[3],一般根據(jù)目標(biāo)的優(yōu)先級和傳感器對目標(biāo)的作戰(zhàn)效能值,按照效能最優(yōu)準(zhǔn)則進行傳感器和目標(biāo)的分配,相關(guān)的調(diào)度模型構(gòu)建主要采用動態(tài)規(guī)劃(DP)、線性規(guī)劃(LP)等精確算法以及遺傳算法(GA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNS)、粒子群優(yōu)化算法(PSO)等智能優(yōu)化算法。

蝙蝠算法(Bat Algorithm,BA)是英國劍橋大學(xué)學(xué)者Yang于2010年提出的一種新的啟發(fā)式搜索算法,模擬自然界中的蝙蝠利用回聲搜索、定位、規(guī)避障礙物、捕獵等行為而實現(xiàn)搜索問題的最優(yōu)解,其原理簡單、計算量小、優(yōu)化速度快,是當(dāng)前仿生群智能計算研究的熱點內(nèi)容,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于簡單函數(shù)優(yōu)化、資源調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度、分類識別、模式識別等優(yōu)化問題,相對于PSO、GA以及NNS等,BA具有更大潛能[4]。

2 艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度描述及建模

1)作戰(zhàn)目標(biāo)的每一個作戰(zhàn)步驟可用的射頻保障資源有多個,但是每次只能從可選的射頻資源集中選擇一個進行保障;

2)多個“作戰(zhàn)步驟”對一個射頻資源產(chǎn)生競爭時,射頻資源依據(jù)最優(yōu)匹配策略選擇保障哪一個“作戰(zhàn)步驟”,在此基礎(chǔ)上按照保障時間選擇搭配;

3)不同的“作戰(zhàn)步驟”到達同一個射頻資源時,依據(jù)目標(biāo)作戰(zhàn)步驟的緊要程度進行保障排序和選擇;

4)每一個作戰(zhàn)步驟一旦開始進行射頻資源保障,在保障過程中不能中斷;

5)每一個射頻資源在同一時間最多只能保障一個“作戰(zhàn)步驟”;

6)每一個作戰(zhàn)步驟到達射頻資源的時間包含在保障時間內(nèi);

7)已經(jīng)完成保障的射頻資源在沒有“作戰(zhàn)步驟”到達時,可以選擇資源保障停止。

在滿足以上約束條件的基礎(chǔ)上,一體化雷達電子對抗系統(tǒng)射頻資源調(diào)度的任務(wù)目標(biāo)是找出m個作戰(zhàn)目標(biāo)所有作戰(zhàn)步驟的一個資源保障順序,使得總的資源保障時間最小,則對全部作戰(zhàn)目標(biāo)所有的“作戰(zhàn)步驟”進行射頻資源保障時間可表示為:

(1)

3 基于蝙蝠算法的艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度

3.1 “目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略

針對多目標(biāo)多任務(wù)多射頻資源調(diào)度問題,首先要解決的就是目標(biāo)與射頻資源的分配選擇問題[5],這里通過“目標(biāo)-射頻資源”(target-Radio frequency resources,T-RFE)分配編碼策略實現(xiàn)。在一體化雷達電子對抗對空作戰(zhàn)任務(wù)背景下,進行“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼主要遵循原則如下:

1)要能夠區(qū)別不同作戰(zhàn)目標(biāo)相關(guān)“作戰(zhàn)步驟”的緊要程度;

2)以對抗目標(biāo)的緊要程度為基礎(chǔ),進行每個目標(biāo)“作戰(zhàn)步驟”的資源保障排序;

3)表達出每個作戰(zhàn)目標(biāo)的所有“作戰(zhàn)步驟”所分配的射頻保障資源;

4)“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼要簡潔明了,清楚直觀地表達作戰(zhàn)過程中的資源調(diào)度。

基于以上原則,進行“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼,編碼大小為λ,分配編碼表示為:O=|β1,β2,…,βp,…,βλ|,其中,βp表示某一作戰(zhàn)目標(biāo)的“作戰(zhàn)步驟”所選擇的射頻保障資源,且βp∈[1,n],“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略O(shè),首先表示出了艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)面臨作戰(zhàn)目標(biāo)所有“作戰(zhàn)步驟”的資源保障順序;其次表示出了每一個“作戰(zhàn)步驟”所需要的射頻保障資源βp。下面以一個“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略示例說明,表2表示的是一個3×4的“目標(biāo)-射頻資源”分配,符號“—”表示相應(yīng)的“作戰(zhàn)步驟”不能由該射頻資源保障;“*”表示“作戰(zhàn)步驟”與“射頻資源”是已知最優(yōu)匹配。

表2 典型對空作戰(zhàn)目標(biāo)射頻資源保障需求

圖2 “作戰(zhàn)步驟”射頻資源保障編碼圖

“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略如圖3所示,其中各射頻資源對需保障的不同“作戰(zhàn)步驟”保障順序,按照各“作戰(zhàn)步驟”的到達時間排序,當(dāng)不同的“作戰(zhàn)步驟”同一時間到達相關(guān)射頻資源時,根據(jù)各“作戰(zhàn)步驟”此時的緊要程度進行排序,有關(guān)作戰(zhàn)目標(biāo)“緊要程度”計算的方法很多,常見的有多屬性決策、威脅權(quán)重混合評價等算法,一般根據(jù)目標(biāo)的距離、速度、平臺屬性等參數(shù)進行威脅判斷,之后便可得出相關(guān)“作戰(zhàn)步驟”此時的緊要程度,限于篇幅這里就不詳細(xì)介紹。從分配編碼策略中可以看出射頻資源1、3、4,都保障了至少2個“作戰(zhàn)步驟”,作戰(zhàn)目標(biāo)α1最先到達,如果出現(xiàn)同時到達資源競爭的情況,則可根據(jù)此時刻的“作戰(zhàn)步驟”緊要程度進行排序,圖3顯示情況是對于射頻資源1、2、3、4來說,各“作戰(zhàn)步驟”在到達時間上不存在沖突,對于作戰(zhàn)資源1來說,“1-1”先于“2-2”到達;對于作戰(zhàn)資源2來說,只保障了“2-3”;對于作戰(zhàn)資源3來說,“3-1”先于“1-3”到達;對于作戰(zhàn)資源3來說,作戰(zhàn)目標(biāo)α2比α3先到達。對于作戰(zhàn)資源4來說,“1-1”資源保障時間較長,導(dǎo)致“1-2”比“3-2”到達時間晚,所以優(yōu)先進行“3-2”的資源保障。

圖3 “目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略示例圖

3.2 蝙蝠種群初始化

對蝙蝠種群進行初始化是應(yīng)用蝙蝠算法求解的基礎(chǔ)工作,相關(guān)定義操作如下:

作戰(zhàn)目標(biāo)的各“作戰(zhàn)步驟”所需的射頻資源保障選擇矩陣PRM(Process Selection Resources Matrix):表述了各作戰(zhàn)目標(biāo)的所有“作戰(zhàn)步驟”所可用的射頻資源保障集合。以表2的數(shù)據(jù)為例,則

矩陣PRM是λ×max(Sij)型,其中max(Sij)表示所有的“作戰(zhàn)步驟”中所需的最大射頻資源保障數(shù)量,∞表示該“作戰(zhàn)步驟”不需要此射頻資源保障,如第9行的(2,3,4,∞)表示o32可由射頻資源2,3,4進行保障,其他同理。

各“作戰(zhàn)步驟”選擇射頻資源數(shù)矩陣PRMN(Process Selection Resources Number Matrix),表示整個作戰(zhàn)任務(wù)過程中相關(guān)作戰(zhàn)目標(biāo)每一個“作戰(zhàn)步驟”所需保障的射頻資源數(shù)量,如第9行的(9,3)表示o32可選擇的射頻資源保障數(shù)量為3,其他同理。則對蝙蝠種群初始化的算法偽代碼如下:

“作戰(zhàn)步驟”最大選擇射頻資源矩陣:PRM;“作戰(zhàn)步驟”選擇射頻資源數(shù)矩陣:PRMN位置:X;種群規(guī)模:PS;“作戰(zhàn)步驟”數(shù)量:λ。

begin:

for i=1 to ps do

begin:

for j=1 to λ do

begin:

x(i,j)=PRM(j,randi[PRMN(j,2)],1,1)

end

end

end

3.3 數(shù)學(xué)模型

3.3.1 算法基本模型

蝙蝠算法[6-7]主要包含三個要素,即搜索脈沖頻率、脈沖聲強和發(fā)射脈沖的頻度。蝙蝠在搜尋獵物時,一開始發(fā)射脈沖的頻度較低而脈沖聲強較大,一旦發(fā)現(xiàn)了獵物,就逐漸減小脈沖聲強而增大發(fā)射脈沖次數(shù),求解過程中,將每只蝙蝠看成解空間內(nèi)的一個解,每個解對應(yīng)一個適應(yīng)值,每只蝙蝠通過調(diào)整脈沖頻率、脈沖聲強和發(fā)射脈沖的頻度來追尋當(dāng)前處于最優(yōu)位置的蝙蝠,最終通過用好的可行解代替較差可行解的迭代,使得種群在整個求解空間中產(chǎn)生由無序到有序的變化,獲得最優(yōu)解。

fi=fmin+(fmax-fmin)×rand

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.3.2 算法步驟及流程

Step1對各參數(shù)進行初始化,包括蝙蝠種群規(guī)模PS、脈沖聲強Ai、脈沖頻率fi、脈沖頻度ri、脈沖頻度增加系數(shù)脈沖聲強衰減系數(shù)a、采用線性減小的慣性權(quán)重,區(qū)間值為別[ωmin,ωmax]、最大迭代次數(shù)MaxIter;

Step2基于“目標(biāo)-射頻資源”分配編碼策略對種群進行初始化;

Step3將m個作戰(zhàn)目標(biāo)放入射頻資源保障矩陣(此矩陣存儲的是“目標(biāo)”與“作戰(zhàn)步驟”的相關(guān)信息,包括未被激活、等待保障、正在保障和已經(jīng)完成保障等信息)和臨時資源池中(此池中存儲的是射頻資源的2種狀態(tài):0,不可用狀態(tài);1,可用狀態(tài));

Step4遍歷整個射頻資源保障矩陣,從每個作戰(zhàn)目標(biāo)的第1個“作戰(zhàn)步驟”開始保障,首先判斷該“作戰(zhàn)步驟”所需要的射頻資源是否被其他“作戰(zhàn)步驟”所占用,如果未被占用,則該作戰(zhàn)目標(biāo)標(biāo)記為可保障狀態(tài),同時將對應(yīng)的作戰(zhàn)目標(biāo)號和“作戰(zhàn)步驟”號進行記錄,否則標(biāo)記該作戰(zhàn)目標(biāo)為等待保障狀態(tài);

Step5在資源保障矩陣和臨時資源池中,從第1個作戰(zhàn)目標(biāo)(最先出現(xiàn)的)開始射頻資源保障,首先判斷該作戰(zhàn)目標(biāo)是否處于正在被保障狀態(tài),如果是且剩余時間大于0,則該目標(biāo)繼續(xù)被保障;如果不是,則判斷該作戰(zhàn)目標(biāo)的所有“作戰(zhàn)步驟”是否都已經(jīng)保障完畢:如果已經(jīng)保障完畢,則釋放該目標(biāo)所占用的射頻資源;否則,將該作戰(zhàn)目標(biāo)的下一個“作戰(zhàn)步驟”加入資源保障矩陣和臨時資源池中;

Step6判斷所有作戰(zhàn)目標(biāo)是否都已經(jīng)保障完成,如果是,則轉(zhuǎn)Step7,否則轉(zhuǎn)Step4;

Step7輸出適應(yīng)度值fit;

Step8判斷是否到達終止條件,如果是,轉(zhuǎn)Step3;否則轉(zhuǎn)Step9;

Step9通過式(2)、(3)、(4)調(diào)整頻率、更新速度、位置產(chǎn)生新解xnew;

Step10計算xnew對應(yīng)的適應(yīng)度值fitnew;

Step11判斷fitnew

Step12轉(zhuǎn)Step8;

Step13輸出最佳解。

4 仿真實例

作戰(zhàn)背景:艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)在某次對空作戰(zhàn)任務(wù)中,態(tài)勢假設(shè)為在近程作戰(zhàn)區(qū),來襲目標(biāo)3個,分別為AP1、MS1、MS2,相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示,作戰(zhàn)目標(biāo)AP1、MS1同時到達,作戰(zhàn)目標(biāo)MS2最后到達,作戰(zhàn)步驟同一時間到達時的“緊要程度”做已知結(jié)論處理。利用蝙蝠算法對艦艇一體化雷達電子對抗資源調(diào)度進行求解,通過Matlab軟件,進行仿真計算,初始參數(shù)設(shè)置:種群規(guī)模ps:100;最大迭代次數(shù)MaxIter為300;頻率搜索范圍fmax為1,fmin為0;脈沖聲強衰減系數(shù)a為0.8;是脈沖頻度增加系數(shù)γ為0.9;脈沖聲強A為0.5;最小慣性權(quán)重ωmin為0.2,最大慣性權(quán)ωmax為0.8。

表3 目標(biāo)-射頻資源初始態(tài)勢參數(shù)表

經(jīng)過100次的獨立仿真計算,最后得出資源調(diào)度時間為63s,優(yōu)化后的目標(biāo)-射頻資源分配圖如圖4所示,整個作戰(zhàn)過程中,射頻資源利用率如圖5所示。由圖4可以看出,在優(yōu)化過程中,充分考慮了目標(biāo)到達時間以及目標(biāo)“緊要程度”,其中主要的資源沖突在于射頻資源B和C,對于射頻資源B,在已進行優(yōu)化計算的情況下,如果不考慮目標(biāo)“緊要程度”,此時的總資源調(diào)度優(yōu)化時間為61s,但實際作戰(zhàn)情況中,作戰(zhàn)步驟“1-2”與“3-3”存在時間競爭沖突,經(jīng)計算“3-3”的緊要程度優(yōu)于“1-2”,因此,資源B優(yōu)先保障“”3-3;同時在整個作戰(zhàn)過程中,只有作戰(zhàn)目標(biāo)AP1存在“資源保障空窗”,主要原因就在于“1-2”與“3-3”對于射頻資源B產(chǎn)生了保障時間競爭。將此優(yōu)化分配結(jié)果帶入實際作戰(zhàn)過程衡量,符合作戰(zhàn)指揮對空決策的基本原則,具有雷達電子對抗一體化資源調(diào)度的實際指導(dǎo)作用。

圖4 優(yōu)化后的目標(biāo)-射頻資源分配圖

圖5 各射頻資源利用率

由仿真計算可以看出,在整個“作戰(zhàn)步驟”不是太多的情況下,進化資源調(diào)度優(yōu)化效率較高,存在的資源保障空窗較少,但是隨著作戰(zhàn)目標(biāo)增多,在作戰(zhàn)步驟急劇增加的情況下,勢必會造成“資源保障空窗”的增多,這對于實際作戰(zhàn)將產(chǎn)生不利影響,為了解決這一問題,可以通過細(xì)分射頻資源,增加射頻資源保障數(shù)量來提升調(diào)度效果,而艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)最大的優(yōu)勢正是大多射頻資源采用了相控陣體制,通過陣面細(xì)分、重組可靈活增加射頻資源量,為艦載雷達電子對抗一體化系統(tǒng)進行復(fù)雜條件下的多目標(biāo)對抗、全系統(tǒng)資源調(diào)度提供了必要的資源細(xì)化條件和基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

針對艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)特點及射頻資源組成,本文提出了“目標(biāo)-射頻資源”分配策略,進行了種群映射,成功地將蝙蝠算法應(yīng)用于系統(tǒng)的資源調(diào)度優(yōu)化,對單艦一體化雷達電子對抗系統(tǒng)對空作戰(zhàn)中的實際資源調(diào)度需求,建立了調(diào)度模型,設(shè)計了具體算法,仿真計算結(jié)果表明,基于“目標(biāo)-射頻資源”分配策略的蝙蝠算法對于求解艦載一體化雷達電子對抗資源調(diào)度的可行性和有效性,下一步可就“單作戰(zhàn)步驟的多資源保障調(diào)度”、“射頻資源搶占”以及“資源保障空窗”與射頻資源保障數(shù)量需求等問題做進一步的深入研究。

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Shipborne Integrated Radar and ECM Resource Scheduling Based on BA

WANG Long-tao， JIANG Ning

(Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China)

The shipborne integrated radar and ECM system as a new information system,radio resource scheduling is the key to give full play to the combat effectiveness,using the bat algorithm,with a single ship to air combat as an example,the "operational steps" for cohesion,established the "target—radio resources" allocation strategy,multi requency resources scheduling model of multi target is defined,and simulation results are consistent with the principle of resource scheduling optimization of single ship to air,which is instructive for the shipborne Integrated radar and ECM system resource scheduling.

BA; integrated radar and ECM; radio frequency resources; resource scheduling

TN974；E866

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.003

1673-3819(2017)05-0012-06

2017-08-16

2017-08-27

王龍濤(1986-),男,河南泌陽人,博士研究生,研究方向為信息作戰(zhàn)。