耿松濤, 操新文， 李曉寧, 張曉海

(1. 國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院， 河北 石家莊 050084； 2. 31683 部隊(duì)，甘肅 蘭州 730300)

任務(wù)分解是受領(lǐng)作戰(zhàn)任務(wù)后，根據(jù)對敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境等因素的分析判斷，將上級賦予的作戰(zhàn)任務(wù)細(xì)化分解為若干子任務(wù)，以降低決策復(fù)雜度的過程。

近年來，任務(wù)分解研究越來越受到重視，在諸多領(lǐng)域也陸續(xù)取得了一些成果。如：董濤等[1]應(yīng)用有向網(wǎng)絡(luò)圖(Activity-On-Node,AON)方法對反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分解，得到整個(gè)反導(dǎo)作戰(zhàn)子任務(wù)序列，并通過有向網(wǎng)絡(luò)圖描述任務(wù)分解關(guān)系；曹裕華等[2]設(shè)計(jì)形式化的方法描述了作戰(zhàn)任務(wù)的分解結(jié)構(gòu)和流程；董濤等[3]針對反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)分解方案優(yōu)劣參差不齊的問題，應(yīng)用內(nèi)聚系數(shù)和粒度評估分解方案的優(yōu)劣，保證了任務(wù)分解結(jié)果的可控性。目前，作戰(zhàn)任務(wù)分解方法主要有時(shí)序邏輯公式[4-5]、流程網(wǎng)[6-7]和層級任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(Hierarchical Task Network,HTN)[8-9]3大類，其中：時(shí)序邏輯公式側(cè)重于描述邏輯關(guān)系;流程網(wǎng)側(cè)重于描述任務(wù)流程;而HTN通過在任務(wù)分解過程中引入領(lǐng)域知識，可模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S方式，并能利用任務(wù)樹[10]較好地描述任務(wù)關(guān)系。HTN主要應(yīng)用于平臺級、簡單問題的任務(wù)規(guī)劃或行動(dòng)規(guī)劃，如衛(wèi)星偵察任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)飛行路線規(guī)劃等[9,11-12],該類應(yīng)用具有2個(gè)特點(diǎn)：1)任務(wù)分解模型確定，每個(gè)復(fù)雜任務(wù)對應(yīng)一個(gè)確定的分解模型；2)任務(wù)分解模型以資源狀態(tài)為應(yīng)用條件可控制變量，任務(wù)分解與資源分配或行動(dòng)規(guī)劃同步進(jìn)行。

聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)分解問題的特點(diǎn)是：1)作戰(zhàn)任務(wù)一般存在多種實(shí)現(xiàn)手段，確定性的任務(wù)分解模型并不適用；2)作戰(zhàn)資源狀態(tài)尚不明確，缺乏HTN方法的應(yīng)用條件。為此，筆者提出了基于擴(kuò)展HTN的聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)分解方法。通過構(gòu)建規(guī)范化的電子對抗任務(wù)描述模型建立電子對抗任務(wù)列表，引入電子對抗作戰(zhàn)能力構(gòu)建任務(wù)分解模型，并采用啟發(fā)式前向搜索算法求解任務(wù)分解模型，最后通過聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)分解案例驗(yàn)證了分解模型和算法的可行性和有效性。

1 基于擴(kuò)展HTN的任務(wù)分解思路

1.1 HTN的基本原理

HTN是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)并逐步發(fā)展起來的基于領(lǐng)域知識推理的智能規(guī)劃技術(shù)[13]。HTN方法借助強(qiáng)大的領(lǐng)域知識表達(dá)能力對復(fù)雜的決策問題進(jìn)行有效的知識管理和規(guī)劃，其基本思想是：從初始任務(wù)開始，利用任務(wù)分解模型進(jìn)行遞歸分解，將復(fù)雜任務(wù)分解為簡單的子任務(wù)，最終生成由元任務(wù)組成的有序任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并以任務(wù)樹的形式呈現(xiàn)任務(wù)間的關(guān)系。HTN方法主要由任務(wù)、子任務(wù)、元任務(wù)、復(fù)雜任務(wù)、任務(wù)網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)分解模型構(gòu)成[13-14]。

1) 任務(wù)(Task)。任務(wù)一般指作戰(zhàn)任務(wù)，并由任務(wù)編號(ID)、任務(wù)名稱(TN)、任務(wù)要素(TF)來描述，即

Task=。

2) 子任務(wù)(SubTask)。子任務(wù)是指作戰(zhàn)任務(wù)分解過程中形成的中間任務(wù)節(jié)點(diǎn),其與任務(wù)具有相同的構(gòu)成要素及描述方法。

3) 元任務(wù)(MetaTask)。元任務(wù)是指作戰(zhàn)任務(wù)分解最終形成的、可直接執(zhí)行的末端任務(wù)節(jié)點(diǎn)，是一類特殊的子任務(wù)。

4) 復(fù)雜任務(wù)(ComplexTask)。復(fù)雜任務(wù)是指部隊(duì)不能獨(dú)立完成或直接執(zhí)行的任務(wù)。

5) 任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(TaskNet)。任務(wù)網(wǎng)絡(luò)是指任務(wù)分解過程中形成的、由初始任務(wù)和多級子任務(wù)構(gòu)成的樹狀網(wǎng)絡(luò)，其由任務(wù)節(jié)點(diǎn)集合(TaskNodeSet，包括任務(wù)、子任務(wù)、元任務(wù)等)、約束關(guān)系集合(ConstraintSet)來描述，即

TaskNet=。

6) 任務(wù)分解模型(Decomposition)。任務(wù)分解模型是指將復(fù)雜任務(wù)轉(zhuǎn)換為子任務(wù)的模型，其由模型名稱(Name)、待分解的復(fù)雜任務(wù)(ComplexTask)、分解前提條件(Preconditions)、分解形成的子任務(wù)(SubTask)來描述，即

Decomposition=。

1.2 基于擴(kuò)展HTN的任務(wù)分解框架

基于擴(kuò)展HTN的任務(wù)分解主要由知識庫、數(shù)據(jù)庫及搜索算法3部分協(xié)作構(gòu)成，如圖1所示。

知識庫由任務(wù)分解模型和任務(wù)分解算法構(gòu)成，其中：任務(wù)分解模型通過引入領(lǐng)域知識模擬專家思維，用來定義復(fù)雜任務(wù)及其分解方法；任務(wù)分解算法是運(yùn)用各類任務(wù)分解模型的一般方法。數(shù)據(jù)庫由任務(wù)描述模型和預(yù)定義任務(wù)集合構(gòu)成，其中：任務(wù)描述模型用來提取和規(guī)范任務(wù)要素，并將其轉(zhuǎn)換為可被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別、處理的數(shù)據(jù)化形式；預(yù)定義任務(wù)是任務(wù)描述模型的具體化、實(shí)例化，預(yù)定義任務(wù)集合包括了任務(wù)分解過程中形成的全部可能的任務(wù)狀態(tài)。搜索算法讀取初始任務(wù)，并運(yùn)用知識庫和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行迭代搜索，最終得到任務(wù)分解方案，它是整個(gè)任務(wù)分解研究框架的驅(qū)動(dòng)器。

2 電子對抗任務(wù)描述模型與預(yù)定義任務(wù)

2.1 電子對抗任務(wù)描述模型

從形式化建模的角度來看[15]，聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)由多個(gè)要素構(gòu)成，其中軍種屬性、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)目的、目標(biāo)類型、專業(yè)類別、對抗手段稱為其6個(gè)基本要素。

根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的要素構(gòu)成，可將任務(wù)描述模型定義為六元組，即T=。且各個(gè)要素均為枚舉型數(shù)據(jù)：“軍種屬性”={陸軍，海軍，空軍，火箭軍，戰(zhàn)略支援部隊(duì)}；“作戰(zhàn)空間”={陸上，水面，水下，空中，高空}；“作戰(zhàn)目的”={偵察，干擾壓制，電磁佯動(dòng)}；“目標(biāo)類型”={指揮控制系統(tǒng)，火控制導(dǎo)系統(tǒng)，偵察預(yù)警系統(tǒng)，導(dǎo)航識別系統(tǒng)}；“專業(yè)類別”={通信對抗，雷達(dá)對抗，光電對抗，導(dǎo)航對抗，聲納對抗}；“對抗手段”={遠(yuǎn)距離支援對抗，伴隨對抗，自衛(wèi)對抗，反輻射攻擊}。如：在防空反導(dǎo)作戰(zhàn)中的陸軍對敵方機(jī)載火控雷達(dá)干擾壓制任務(wù)，依據(jù)任務(wù)描述模型可規(guī)范化描述為T=<陸軍，空中，干擾壓制，火控制導(dǎo)系統(tǒng)，雷達(dá)對抗，地對空遠(yuǎn)距離支援干擾>。

2.2 預(yù)定義電子對抗任務(wù)

電子對抗任務(wù)包括元任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)2大類，其中：元任務(wù)是指單個(gè)電子對抗部(分)隊(duì)或單個(gè)臺站就能完成的任務(wù)；復(fù)雜任務(wù)是指需要多個(gè)電子對抗部(分)隊(duì)合作才能完成的任務(wù)。元任務(wù)、復(fù)雜任務(wù)都是相對的概念，不同的指揮層級對其定義不盡相同。在擴(kuò)展HTN方法中，需預(yù)先對元任務(wù)、復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行定義，并將此作為任務(wù)復(fù)雜性判定的依據(jù)。

2.2.1 預(yù)定義元任務(wù)

依據(jù)任務(wù)描述模型，元任務(wù)實(shí)際上就是全部任務(wù)要素均已具體賦值的任務(wù)。筆者依據(jù)各任務(wù)要素的取值，采用正交方法設(shè)計(jì)預(yù)定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗元任務(wù)的列表，如表1所示。需要注意的是，采用正交方法設(shè)計(jì)的任務(wù)列表可能存在部分不合理的任務(wù)(如陸軍任務(wù)一般沒有自衛(wèi)對抗手段)，所以需要設(shè)計(jì)人員逐一檢驗(yàn)預(yù)定義任務(wù)的合理性，以確保預(yù)定義任務(wù)列表是合理、完備的。

2.2.2 預(yù)定義復(fù)雜任務(wù)

與元任務(wù)相對，復(fù)雜任務(wù)是具有一個(gè)或多個(gè)任務(wù)要素尚未進(jìn)行具體賦值的任務(wù)。筆者同樣采用正交方法設(shè)計(jì)預(yù)定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗復(fù)雜任務(wù)列表，如表2所示。

表1 預(yù)定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗元任務(wù)列表

表2 預(yù)定義聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗復(fù)雜任務(wù)列表

3 電子對抗任務(wù)分解模型與分解算法

3.1 電子對抗任務(wù)分解模型

每個(gè)預(yù)先定義的復(fù)雜任務(wù)均對應(yīng)一個(gè)分解模型，利用任務(wù)分解模型可將復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)任務(wù)要素更加明確的子任務(wù)。任務(wù)分解的過程也是明確任務(wù)要素的過程。復(fù)雜任務(wù)分解模型包括待分解復(fù)雜任務(wù)、任務(wù)分解條件、子任務(wù)集合，如圖2所示。

分解形成的子任務(wù)包括必需任務(wù)和輔助任務(wù)2類，其中：必需任務(wù)均必須執(zhí)行，其對應(yīng)的邏輯關(guān)系為“與”的關(guān)系；輔助任務(wù)可量力執(zhí)行，其對應(yīng)的邏輯關(guān)系為“或”的關(guān)系。

在電子對抗任務(wù)描述模型中，軍種屬性、作戰(zhàn)空間、作戰(zhàn)目的、目標(biāo)類型、專業(yè)類別、對抗手段6個(gè)任務(wù)要素由前至后具有明顯的優(yōu)先級和層次性，要素排列次序符合聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗的指揮決策流程，所以筆者以任務(wù)要素為層級，采用按層級分解的策略進(jìn)行任務(wù)分解。

第1層：軍種屬性?！败姺N屬性”(Services)={Army，Navy，Air-force，Rocket-force，Strategic-support-force}，采用規(guī)劃域定義語言(Planning Domain Definition Language,PDDL)[16]定義其對應(yīng)的分解模型：

Name：1906∥該分解模型對應(yīng)的復(fù)雜任務(wù)編號

ComplexTask：Services

Preconditions：Services==NULL

SubTask：Decompose_algorithm()∥擴(kuò)展HTN的任務(wù)分解算法

第2層：作戰(zhàn)空間?！白鲬?zhàn)空間”(Space)={Land，Surface，Subsea，Aviation，Aerospace}，由于任務(wù)分解條件“Services”可能的取值包括Army /Navy /Air-force /Rocket-force /Strategic-support- force五種情況，所以第2層作戰(zhàn)空間的分解模型有5個(gè)，以Services ==Army為例，其分解模型為

Name：1901

ComplexTask：Space

Preconditions：Services==Army&&Space==NULL

SubTask：Decompose_algorithm()

同理可得第3、4、5、6層級的任務(wù)分解模型，限于篇幅，此處不再贅述。

3.2 電子對抗任務(wù)分解算法

鑒于聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)分解問題具有作戰(zhàn)資源不明確、任務(wù)分解方法不唯一的特點(diǎn)，筆者提出了擴(kuò)展HTN方法，即引入“電子對抗作戰(zhàn)能力”代替作戰(zhàn)資源，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)分解實(shí)施算法，解決了HTN難以分解兵種及以上層級任務(wù)的問題，確保了電子對抗任務(wù)分解模型能夠靈活地分解作戰(zhàn)任務(wù)。

3.2.1 電子對抗作戰(zhàn)能力

由于C和CT0不隨具體作戰(zhàn)任務(wù)而變，在實(shí)施任務(wù)分解前，預(yù)先構(gòu)建聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表(C)和預(yù)定義作戰(zhàn)任務(wù)T0能力列表(CT0)。而CT隨具體作戰(zhàn)任務(wù)而變，故當(dāng)前任務(wù)T的作戰(zhàn)能力需求列表(CT)需在實(shí)施任務(wù)分解時(shí)依據(jù)上級賦予的任務(wù)具體構(gòu)建。

綜合梳理聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力類型和所屬部隊(duì)作戰(zhàn)能力，構(gòu)建聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表，如表3所示。

表3 聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表

聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力實(shí)際上是由各預(yù)先定義的作戰(zhàn)任務(wù)所需作戰(zhàn)能力組成的集合，因此在構(gòu)建預(yù)定義元任務(wù)列表和預(yù)定義復(fù)雜任務(wù)列表過程中，需要同步構(gòu)建預(yù)定義任務(wù)T0作戰(zhàn)能力列表CT0。由于CT0?C，因此預(yù)定義任務(wù)T0作戰(zhàn)能力列表CT0與聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗作戰(zhàn)能力列表(C)之間存在分表與總表的關(guān)系，且分表和總表相互兼容、協(xié)調(diào)一致。如：預(yù)定義任務(wù)對敵機(jī)載火控雷達(dá)的干擾壓制任務(wù)T0的作戰(zhàn)能力主要包括地對空雷達(dá)對抗偵察和地對空雷達(dá)對抗干擾，如表4所示。

表4 預(yù)定義任務(wù)T0能力列表

3.2.2 任務(wù)分解實(shí)施算法

為便于計(jì)算機(jī)識別處理，筆者運(yùn)用PDDL描述復(fù)雜任務(wù)分解算法。擴(kuò)展HTN主要是應(yīng)用電子對抗作戰(zhàn)能力作為模型選用斷定依據(jù)，具體算法定義如下：

Decompose _ algorithm ()

…}

4 任務(wù)分解搜索算法

基于任務(wù)分解框架的知識庫與數(shù)據(jù)庫，筆者設(shè)計(jì)了啟發(fā)式前向搜索算法。該算法依據(jù)任務(wù)分解模型進(jìn)行局部分解，而不是盲目搜索，可有效避免無效分支，快速實(shí)現(xiàn)任務(wù)分解。具體算法流程如下：

1) 讀取當(dāng)前任務(wù)T及其能力集合CT，其中任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N存儲(chǔ)待分解任務(wù)，任務(wù)分解方案Nfinal存儲(chǔ)完整任務(wù)分解網(wǎng)絡(luò)，初始化N=Nfinal=T；

2) 若待分解任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N為空集，則表示任務(wù)分解完成，得到任務(wù)分解網(wǎng)絡(luò)Nfinal，否則繼續(xù)分解；

3) 在任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N中，按照任務(wù)執(zhí)行順序選擇無前序任務(wù)t；

4) 對照預(yù)定義元任務(wù)列表，檢查任務(wù)t是否屬于元任務(wù)，若是，則轉(zhuǎn)入步驟7)；

5) 對照預(yù)定義復(fù)雜任務(wù)列表，檢查任務(wù)t是否屬于復(fù)雜任務(wù)，若不是，說明該任務(wù)無法完成，返回并由指揮人員進(jìn)行干預(yù)；

6) 調(diào)用任務(wù)t對應(yīng)的分解模型實(shí)施任務(wù)分解，得到子任務(wù)網(wǎng)絡(luò)n，利用子任務(wù)網(wǎng)絡(luò)n替換任務(wù)t，更新任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N和Nfinal；

7) 已判定任務(wù)t為元任務(wù)或已將任務(wù)t分解為一系列子任務(wù)，則從待分解任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N中移除任務(wù)t，然后轉(zhuǎn)入步驟2)。

5 案例分析

在聯(lián)合邊境反擊作戰(zhàn)中，一般賦予陸上電子對抗作戰(zhàn)的主要任務(wù)為“以電子對抗進(jìn)攻手段干擾壓制敵方指揮信息系統(tǒng)，支援陸上作戰(zhàn)行動(dòng)”。以該任務(wù)分解為例驗(yàn)證筆者提出的聯(lián)合作戰(zhàn)電子對抗任務(wù)分解模型和算法的有效性。

1) 分析當(dāng)前任務(wù)T的能力需求，對照表3列出當(dāng)前任務(wù)T作戰(zhàn)能力需求列表(CT)，如表5所示。

表5 當(dāng)前任務(wù)T作戰(zhàn)能力需求列表

2) 基于擴(kuò)展HTN按層級分解作戰(zhàn)任務(wù)。首先調(diào)用作戰(zhàn)空間層任務(wù)分解模型，進(jìn)行作戰(zhàn)空間層任務(wù)分解，此時(shí)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)N中有1個(gè)無前序任務(wù)t=，“作戰(zhàn)空間”要素分解模型如圖3所示。在該分解模型內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前任務(wù)T作戰(zhàn)能力需求列表(CT)，調(diào)用任務(wù)分解實(shí)施算法Decompose _ algorithm ()，得到子任務(wù)網(wǎng)絡(luò)n1，如圖4所示，記子任務(wù)分別為t1、t2，其對應(yīng)的作戰(zhàn)能力需求列表分別如表6、7所示。

其次，依次進(jìn)行作戰(zhàn)目的、目標(biāo)類型、專業(yè)類別、對抗手段等層級的任務(wù)分解，限于篇幅，此處不再一一呈現(xiàn)。

表6 子任務(wù)t1作戰(zhàn)能力需求列表

表7 子任務(wù)t2作戰(zhàn)能力需求列表

3)完成作戰(zhàn)任務(wù)分解，形成 “以電子對抗進(jìn)攻手段干擾壓制敵方指揮信息系統(tǒng)，支援陸上作戰(zhàn)行動(dòng)”的任務(wù)分解方案，如圖5所示。其中：任務(wù)分解方案包含10個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，即t18，t19，t20，t21，t22，t23，t24，t25，t26，t27，為初始任務(wù)T的等價(jià)元任務(wù)，指揮人員據(jù)此可方便地進(jìn)行下一步的任務(wù)區(qū)分、兵力分配等作戰(zhàn)指揮活動(dòng)。