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        基于AHP和遺傳算法的導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配問(wèn)題研究

        2018-04-16 08:08:27王玉玫
        關(guān)鍵詞:一致性導(dǎo)彈權(quán)重

        楊 曉 王玉玫

        (華北計(jì)算技術(shù)研究所 北京 100083)

        1 引言

        導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配問(wèn)題是進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提。其目的是按照上級(jí)下達(dá)的作戰(zhàn)命令或作戰(zhàn)任務(wù),為每個(gè)導(dǎo)彈部隊(duì)分配攻擊目標(biāo),選擇適合的武器型號(hào),使部隊(duì)作戰(zhàn)效能最高,并且作戰(zhàn)代價(jià)最小。任務(wù)分配是任務(wù)規(guī)劃中的重中之重,任務(wù)分配的方案將直接影響作戰(zhàn)的效果。因此,研究任務(wù)分配問(wèn)題,尋找最優(yōu)分配方案,提高作戰(zhàn)效能,仍是當(dāng)前任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題中的重要研究方向。

        對(duì)于該問(wèn)題,文獻(xiàn)[1]描述了導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配流程,但是并沒(méi)有提出具體解決方案;文獻(xiàn)[2]使用并行的蟻群算法求解常規(guī)導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配,但是評(píng)價(jià)指標(biāo)比較單一;文獻(xiàn)[3]提出了基于作戰(zhàn)能力的部隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)分配,并未具體說(shuō)明部隊(duì)如何量化部隊(duì)作戰(zhàn)能力;文獻(xiàn)[4]主要解決的是航空突擊作戰(zhàn)中的任務(wù)分配問(wèn)題,應(yīng)用范圍較小。現(xiàn)有研究都是闡述任務(wù)分配問(wèn)題中的部隊(duì)和導(dǎo)彈之間的匹配,忽視了目標(biāo)的選擇。實(shí)際導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配流程中,目標(biāo)選擇正確與否將直接影響作戰(zhàn)的效果。因此本文綜合考慮實(shí)際導(dǎo)彈作戰(zhàn)流程,將目標(biāo)優(yōu)選考慮在任務(wù)分配過(guò)程中,并求解目標(biāo)、部隊(duì)以及導(dǎo)彈之間最佳匹配方案。

        由此可見(jiàn),任務(wù)分配的實(shí)質(zhì)就是獲取目標(biāo)、部隊(duì)以及導(dǎo)彈之間的最優(yōu)匹配方案的過(guò)程。為了科學(xué)地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配,本文將整個(gè)分配過(guò)程分為兩步:先求得打擊目標(biāo)的相對(duì)重要權(quán)重,再確定部隊(duì)打擊最優(yōu)方案。綜合考慮目標(biāo)在作戰(zhàn)中的地位、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及打擊目標(biāo)的緊迫性和可行性等因素,使用層次分析法[5]確定目標(biāo)的重要程度。在此基礎(chǔ)上,以多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題[6]描述任務(wù)分配,將目標(biāo)毀傷效能最大與部隊(duì)耗彈量最小作為優(yōu)化的目標(biāo),最后通過(guò)遺傳算法[7~9]得到最優(yōu)分配方案。

        2 層次分析法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)選

        2.1 目標(biāo)優(yōu)選考慮的因素

        在實(shí)際作戰(zhàn)中,影響目標(biāo)價(jià)值的的因素有很多。綜合參考多個(gè)文獻(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用中的目標(biāo)優(yōu)選,影響目標(biāo)價(jià)值的因素主要有:

        1)目標(biāo)地位

        目標(biāo)地位是指目標(biāo)在作戰(zhàn)中所起中的作用。主要包括三個(gè)方面:一是直接作戰(zhàn)能力,目標(biāo)在作戰(zhàn)中所具有的火力點(diǎn)、攔阻能力等;二是指揮控制功能,目標(biāo)在作戰(zhàn)中的指揮、控制和通信能力;三是支援作戰(zhàn)能力,目標(biāo)在作戰(zhàn)中能夠提供經(jīng)濟(jì)和后勤物資保障的能力。

        2)目標(biāo)價(jià)值

        目標(biāo)價(jià)值是目標(biāo)本身已有的價(jià)值,主要包括三個(gè)方面:經(jīng)濟(jì)價(jià)值、軍事價(jià)值和政治價(jià)值。本文新提出考慮目標(biāo)的軍事價(jià)值和政治價(jià)值,在實(shí)際作戰(zhàn)中,目標(biāo)的軍事價(jià)值和政治價(jià)值非常重要。

        3)打擊可行性

        打擊可行性是指對(duì)當(dāng)前目標(biāo)進(jìn)行打擊是否可行,主要包括目標(biāo)易損性和打擊該目標(biāo)的效能。目標(biāo)易損性是指目標(biāo)受到攻擊時(shí)是否容易損壞的一種特性。打擊該目標(biāo)的效能指我軍對(duì)該目標(biāo)的射擊效能。

        4)緊迫性

        緊迫性是指打擊當(dāng)前目標(biāo)的緊迫程度,主要包括對(duì)我軍的威脅程度,即對(duì)我軍實(shí)施火力攻擊的可能性。

        2.2 層次分析法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)選

        層次分析法[10](Analysis Hierarchy Processing,AHP),是一種多準(zhǔn)則決策方法。AHP求解決策問(wèn)題時(shí),將綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題的各因素進(jìn)行層次分解,建立目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu);然后再兩兩比較每一層中的各元素,確定各元素相對(duì)重要權(quán)重;最后計(jì)算組合權(quán)重,獲得各方案的相對(duì)重要性排序。層次分析法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)選的具體流程如下:

        1)建立目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)

        根據(jù)目標(biāo)優(yōu)選考慮的因素,將目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系分為四層:目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、方案層。目標(biāo)層,即對(duì)目標(biāo)重要性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);準(zhǔn)則層,即影響目標(biāo)重要性綜合評(píng)價(jià)的四個(gè)因素;指標(biāo)層,影響目標(biāo)重要性綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)指標(biāo);方案層,即待評(píng)價(jià)的目標(biāo)。具體層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

        圖1 目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)層次模型

        2)確定各層元素的相對(duì)重要權(quán)重

        建立目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)后,就已明確了評(píng)價(jià)目標(biāo)的因素與目標(biāo)之間的關(guān)系。層次分析法將對(duì)各方案的綜合評(píng)價(jià)分解為多層次的相對(duì)重要權(quán)重確定問(wèn)題?;驹瓌t是以上一層的元素為準(zhǔn)則,確定該元素所支配的下一層各元素的相對(duì)重要性權(quán)重。

        (1)構(gòu)造判斷矩陣

        兩兩比較每層兩元素,構(gòu)造判斷矩陣。由于對(duì)兩元素進(jìn)行相對(duì)重要性比較時(shí),比較結(jié)果具有主觀性,精確量化比較困難。因此,在實(shí)際操作時(shí),將相對(duì)重要性劃分為不同等級(jí),根據(jù)重要性等級(jí)量化為一定數(shù)值。通常采用1~9標(biāo)度法,將兩元素相對(duì)重要程度量化,其標(biāo)度含義如表1所示。

        表1 1~9標(biāo)度的含義

        假定有n個(gè)元素 A1,A2,…,An,它們的相對(duì)重要性權(quán)重為 w1,w2,…,wn,將它們進(jìn)行兩兩比較,以兩元素的權(quán)重比值作為比較值即相對(duì)權(quán)重,可得n×n矩陣:

        在數(shù)學(xué)上可以證明,具有上述特點(diǎn)的矩陣A具有唯一的非零最大特征值λmax=n。記權(quán)重向量W=(w1,w2,…,wn)T,而且容易驗(yàn)證:

        因此,矩陣A的最大特征值n對(duì)應(yīng)的特征向量即為權(quán)重向量W。

        以上即是通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣法來(lái)獲得權(quán)重向量W的數(shù)學(xué)依據(jù)。即對(duì)各元素進(jìn)行兩兩比較,來(lái)建立判斷矩陣A,并求出A的最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量,作為各元素重要性的權(quán)重向量。

        (2)判斷矩陣一致性校驗(yàn)

        為避免判斷矩陣不一致性偏差太大,需要進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。

        檢驗(yàn)判斷矩陣一致性指標(biāo)如下

        CI值越大,說(shuō)明構(gòu)造出的判斷矩陣與理想情況的偏差也就越大,其一致性越差。

        當(dāng)一致性指標(biāo)CI<0.1時(shí),則認(rèn)為判斷矩陣的一致性比較好,否則需要對(duì)判斷矩陣的取值進(jìn)行調(diào)整。此時(shí),引入維數(shù)修正值RI,當(dāng)修正后的一致性指標(biāo)CR=CI/RI<0.1時(shí),則認(rèn)為滿足一致性要求。其中,RI的值由表2給出。

        表2 不同維數(shù)的RI值

        (3)單元權(quán)重計(jì)算

        在獲得具有滿意一致性的判斷矩陣之后,上層元素所支配的各元素間的重要性權(quán)重就可以由判斷矩陣最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量來(lái)表示。

        2.3 計(jì)算組合權(quán)重

        1)層次權(quán)重矩陣

        規(guī)定層次模型中目標(biāo)層的層次序號(hào)為1,層次序號(hào)從目標(biāo)層至方案層遞增。假定第i層有m個(gè)元素,第(i+1)層有n個(gè)元素,第(i+1)層各元素對(duì)第i層各元素的權(quán)重向量分別為…,,均為1×n的列向量。記L(i)=…,n×m,稱為第i層的層次權(quán)重矩陣。

        2)組合權(quán)重計(jì)算

        得到各層次權(quán)重矩陣后,采用層次遞推的方式計(jì)算各方案的組合權(quán)重。

        第K層各元素即各方案對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重向量就是層次模型中各層次權(quán)重矩陣的乘積:

        向量Z(K)的mK個(gè)分量的值就表示了相應(yīng)方案對(duì)綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要性大小。

        3 多目標(biāo)優(yōu)化求解任務(wù)分配

        3.1 多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題概述

        作戰(zhàn)任務(wù)分配[11~15]是一個(gè)涉及多種資源合理分配的復(fù)雜的規(guī)劃問(wèn)題,本文采用多目標(biāo)優(yōu)化方法解決此問(wèn)題。多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,就是求得多于一個(gè)的目標(biāo)函數(shù)在多約束條件下的最優(yōu)解。

        一般來(lái)說(shuō),多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題是由一組目標(biāo)函數(shù)和若干約束條件構(gòu)成,數(shù)學(xué)上的描述如下:

        式中x表示解向量,y表示目標(biāo)向量,X表示解向量x形成的解空間,Y表示目標(biāo)向量y形成的目標(biāo)空間,式(1)的約束條件確定解向量的可行取值范圍。

        多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)遺傳算法求得最優(yōu)解。首先采取權(quán)系數(shù)法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,方便求最優(yōu)解。對(duì)于一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,如果為它的各個(gè)子目標(biāo)函數(shù) fi(x)(i=1,2,…,M)賦予不同的固定的權(quán)系數(shù)值ωi(x)(i=1,2,…,M),其中 ωi滿足:0≤ωi≤1(i=1,2,…,M)且ωi=1,各ωi的值表示對(duì)應(yīng)子目標(biāo)函數(shù)fi(x)在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中所占的重要程度。則各子目標(biāo)函數(shù)的線性加權(quán)和即為

        則多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題便轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,然后通過(guò)遺傳算法求得最優(yōu)解。

        3.2 任務(wù)分配問(wèn)題描述

        本文考慮的導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配的目標(biāo)函數(shù)是盡可能的使目標(biāo)的毀傷效能達(dá)到最大,同時(shí)使部隊(duì)導(dǎo)彈的使用量最少。其中,毀傷效能指標(biāo)用毀傷目標(biāo)數(shù)目的數(shù)學(xué)期望來(lái)描述。一般來(lái)說(shuō),一定數(shù)量的第i種導(dǎo)彈打擊第j個(gè)目標(biāo)的毀傷概率[10]可用下式表示:

        因此,m種導(dǎo)彈打擊第j個(gè)目標(biāo)的毀傷概率 pj為

        毀傷目標(biāo)數(shù)的期望M為

        綜上,本文求解導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配問(wèn)題的、目的有兩個(gè),一是使目標(biāo)的毀傷效能指標(biāo)達(dá)到最大;二是對(duì)導(dǎo)彈的使用量最小。所以,最優(yōu)化的目標(biāo)函

        4 導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配問(wèn)題實(shí)例

        假設(shè)3個(gè)部隊(duì)打擊4個(gè)目標(biāo),相應(yīng)的每個(gè)部隊(duì)配有不同類型的導(dǎo)彈,其中部隊(duì)T1配備導(dǎo)彈D1且至多具有8個(gè)單位,部隊(duì)T2配備導(dǎo)彈D2且至多具有12個(gè)單位,部隊(duì)T3配備導(dǎo)彈D3且至多具有15個(gè)單位。求使目標(biāo)毀傷效能達(dá)到最大并且導(dǎo)彈使用量最小的導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配方案。其中不同導(dǎo)彈型號(hào)打擊各目標(biāo)的毀傷概率分別如表3和所示。

        表3 導(dǎo)彈毀傷概率

        1)通過(guò)改進(jìn)的層次分析法求得目標(biāo)重要程度

        (1)建立目標(biāo)重要性綜合評(píng)價(jià)的層次模型

        為簡(jiǎn)單起見(jiàn),基于上面層次分析法介紹,建立如下所示的包含3層的目標(biāo)重要性評(píng)價(jià)層次模型。

        圖2 目標(biāo)重要性評(píng)價(jià)層次模型

        (2)單元權(quán)重確定

        ①傳染病可疑癥狀整合不足,疾病早期甄別能力有限。我國(guó)目前的癥狀監(jiān)測(cè)一方面依托發(fā)熱門(mén)診為主進(jìn)行流感樣病例監(jiān)測(cè)[9],另一方面是以腸道門(mén)診為主的感染性腹瀉癥狀監(jiān)測(cè)[9-10],但仍缺乏針對(duì)皮疹、出血、黃疸、結(jié)膜出血等癥狀的監(jiān)測(cè),對(duì)傳染病可疑癥狀的系統(tǒng)整合以及疾病早期的甄別能力存在不足。

        根據(jù)目標(biāo)重要性評(píng)價(jià)層次模型,建立第一層對(duì)對(duì)第二層各判斷指標(biāo)的判斷矩陣,使用1~9標(biāo)度法賦予相應(yīng)數(shù)值,建立A-B判斷矩陣,如表4所示。

        表4 A-B判斷矩陣

        求得A-B判斷矩陣的最大特征值 λmax=4.0735,且最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量為[0.3950,0.0473,0.3950,0.1626]T。

        進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

        因此,A-B判斷矩陣的一致性滿足要求。所以,四個(gè)判斷指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)值為:目標(biāo)地位0.3950;經(jīng)濟(jì)價(jià)值 0.0473;緊急性 0.3950;可行性0.1626。

        同樣的方法求第二層中各評(píng)價(jià)元素對(duì)第三層各目標(biāo)的判斷矩陣,分別如表5~表8所示。

        目標(biāo)地位對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣如表5所示。

        表5 目標(biāo)地位對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣

        最大特征值為4.1170,對(duì)應(yīng)的特征向量為:[0.5650,0.2622,0.1175,0.0553]T。進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

        經(jīng)濟(jì)價(jià)值對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣如表6所示。

        表6 經(jīng)濟(jì)價(jià)值對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣

        最大特征值為4.1341,對(duì)應(yīng)的特征向量為:[0.0913,0.0646,0.1910,0.6530]T。進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

        緊迫性對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣如表7所示。

        表7 緊迫性對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣

        最大特征值為4.0820,對(duì)應(yīng)的特征向量為:[0.0581,0.1253,0.3633,0.4532]T。進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

        可行性對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣如表8所示。

        表8 可行性對(duì)各目標(biāo)的判斷矩陣

        最大特征值為4.1707,對(duì)應(yīng)的特征向量為:[0.6574,0.0942,0.0457,0.2027]T。進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

        (3)組合權(quán)重計(jì)算

        根據(jù)求解的單元權(quán)重結(jié)果,第一層和第二層的層次權(quán)重矩陣分別為:

        各目標(biāo)的重要性組合權(quán)重為

        Z(3)=L(2)L(1)=[0.3573,0.1714,0.2064,0.2647]T

        因此,各目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重為:M1:0.3573;M2:0.1714;M3:0.2064;M4:0.2647。

        2)確定分配方案

        設(shè)xij為第i(i=1,2,3)種導(dǎo)彈分配給第j(j=1,2,3,4)個(gè)目標(biāo)的數(shù)量。最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為

        使用遺傳算法求解,經(jīng)過(guò)計(jì)算,迭代400次求得上式的最優(yōu)適應(yīng)度值如圖3所示。

        對(duì)應(yīng)圖3的最優(yōu)分配方案的結(jié)果如表9所示。

        表9 最優(yōu)分配方案

        最優(yōu)解為:部隊(duì)T1使用導(dǎo)彈D1打擊目標(biāo)M1用2枚導(dǎo)彈,部隊(duì)T1使用導(dǎo)彈D1打擊目標(biāo)M2用3枚導(dǎo)彈;部隊(duì)T3使用導(dǎo)彈目標(biāo)D3打擊M3用3枚導(dǎo)彈;部隊(duì)T1使用導(dǎo)彈D1打擊目標(biāo)M4用3枚導(dǎo)彈。

        圖3 最優(yōu)適應(yīng)度值

        5 結(jié)語(yǔ)

        常規(guī)導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配問(wèn)題的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和軍事應(yīng)用價(jià)值。本文在分析導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分配流程下,將任務(wù)分配問(wèn)題分為了目標(biāo)優(yōu)選和任務(wù)分配。通過(guò)層次分析法分析計(jì)算各目標(biāo)的重要程度,又通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題描述任務(wù)分配,通過(guò)遺傳算法求得最優(yōu)解。從實(shí)例來(lái)看,該方法能較好地完成任務(wù)分配。

        [1]李淑媛.導(dǎo)彈作戰(zhàn)任務(wù)分解分配問(wèn)題[J].火力與指揮控制,2010,35(4):177-182.LIShuyuan.Missile CombatMission Decomposition Allocation Problem[J].Fire Control and Command Control,2010,35(4):177-182.

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