楊光，段曉穩(wěn)

（1 中國人民解放軍91404部隊 066000；2 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著防御對象不斷拓展，目標性能持續(xù)提升，應用電磁環(huán)境日益復雜，以及決策系統(tǒng)快速響應的實際需求，要求防空作戰(zhàn)決策系統(tǒng)在未來具有針對大量目標數據高效的處理與分析能力，而這正是當前人工智能技術發(fā)展主要解決的問題[1,2]。同時，多武器節(jié)點如果在指揮節(jié)點的集中指揮下進行作戰(zhàn)，則指揮節(jié)點必須進行戰(zhàn)場所有信息的集中式處理與任務分配，對指揮節(jié)點的處理能力提出了極高的要求，并且多節(jié)點魯棒性較差。而在分布式體制下，多武器節(jié)點可以基于戰(zhàn)場一致態(tài)勢進行信息處理與決策評估，大大減少對系統(tǒng)處理能力的要求[3]。

為了支撐防空作戰(zhàn)決策系統(tǒng)在未來對復雜戰(zhàn)場環(huán)境下大批量目標信息的實時及有效處理、更加準確地評估系統(tǒng)面臨的來自目標的威脅等信息、實現在提升作戰(zhàn)系統(tǒng)魯棒性和實時性的同時更加有效和全面進行控制決策的能力、直接提升武器系統(tǒng)對目標的打擊效果，并最終更加客觀準確地對作戰(zhàn)結果進行效能評估，本文提出基于數據驅動的防空作戰(zhàn)分布式協同決策系統(tǒng)設計方案。

1 系統(tǒng)組成

1.1 武器系統(tǒng)組成

下面給出典型武器系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

圖1 武器系統(tǒng)組成圖

1.2 分布式協同武器系統(tǒng)

在武器系統(tǒng)基礎之上應用協同處理技術，各武器系統(tǒng)之間通過數據鏈連接便可以形成分布式協同武器系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 分布式協同武器系統(tǒng)

1.3 分布式協同決策系統(tǒng)

分布式協同決策系統(tǒng)是分布式協同武器系統(tǒng)的決策中心，包括警戒探測模塊、數據分發(fā)模塊、態(tài)勢分析模塊、任務分配模塊、武器控制模塊和效能評估模塊。其中警戒探測模塊負責戰(zhàn)場態(tài)勢信息的收集，包括環(huán)境信息和敵方目標信息等；數據分發(fā)模塊負責不同平臺間數據的共享，包括目標信息共享和作戰(zhàn)方案共享等；在各平臺形成一致性態(tài)勢之后，態(tài)勢分析模塊對一致性態(tài)勢進行分析，得到敵方目標的作戰(zhàn)意圖等信息；基于任務分配模塊，位于不同站位的武器系統(tǒng)得到武器打擊方案，方案將實現內部共享，如存在沖突將通過協調機制解決；在武器打擊方案的基礎之上，武器控制模塊實現對目標的打擊過程；效能評估模塊對武器的打擊效果進行評估，為下一步的作戰(zhàn)行動提供支撐。分布式協同決策系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 分布式協同決策系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)設計流程

3 基于數據驅動的目標狀態(tài)空間分析

對于單個目標，其在n時刻的狀態(tài)空間變量X(n)可以細化表示為[Px,Py,Pz;Vx,Vy,Vz;...]，其中Px,Py,Pz分別表示目標在n時刻的位置坐標，Vx,Vy,Vz分別表示目標在n時刻的速度坐標。多目標在n時刻的狀態(tài)空間變量可以表示為單目標狀態(tài)空間變量的集合{()}nX。對目標狀態(tài)空間分析的思路如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)設計流程圖

圖5 狀態(tài)空間分析思路示意圖

首先針對戰(zhàn)場數據，進行目標特征的提取，特征包括位置、速度等。在此基礎上，形成所有目標的狀態(tài)空間，狀態(tài)空間按目標編號和時刻獨立存儲，形成所有目標對應的狀態(tài)空間矩陣，可采用動態(tài)貝葉斯網絡模型（DBN）對狀態(tài)空間矩陣進行分析[4]，最終得到目標的威脅信息和作戰(zhàn)意圖信息等。

4 分布式決策機制構建技術

協同打擊分布式決策是在各武器節(jié)點的組織關系、作戰(zhàn)能力下，根據作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)環(huán)境并綜合考慮各節(jié)點的決策過程、協調方法，生成一致的決策結果。本文從節(jié)點組成、分布式決策同步機制、一致性協調機制三個方面開展研究。

4.1 節(jié)點組成

本文按照武器平臺的指揮關系將節(jié)點分為指揮節(jié)點、協同節(jié)點。指揮節(jié)點進行任務分發(fā)、指揮決策、一致性協調等，協同節(jié)點對具體的作戰(zhàn)任務進行分解，將任務分解為不同的決策過程并進行求解，同時協同節(jié)點將本節(jié)點的決策結果上報指揮節(jié)點進行一致性協調。按以上思路，可將分布式決策分解為指揮決策層、協同決策層、決策控制層三個方面，具體如下：

（1）指揮決策層進行任務分發(fā)、指揮決策，對各協同節(jié)點進行一致性協調。

（2）協同決策層對指揮節(jié)點下發(fā)的任務及既定的作戰(zhàn)任務進行自主決策，并將決策結果上報指揮節(jié)點進行協調。

（3）決策控制層對具體的作戰(zhàn)過程進行解算，得出決策結果。

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4.2 分布式決策同步機制

每一個武器節(jié)點均具有一定的信息處理、決策能力，各節(jié)點分布在不同的位置，具有不同的時鐘，也具有不同的決策時機。故分布式決策同步機制包含時間同步與事件處理同步。

（1）時間同步

在分布式系統(tǒng)中，各節(jié)點擁有不同的物理時鐘，由于網絡延時等因素造成各節(jié)點不可能完全時鐘同步，在不同的決策周期，為保證各節(jié)點對某決策過程有序處理需要對時間同步機制進行研究。時間同步方法有三種：

a.時間排序。該機制不需要校準各節(jié)點的時間，只需要確定各節(jié)點上事件的發(fā)生順序即可。該同步機制主要應用于不需要知道決策節(jié)點的準確事件的場合；

b.相對同步。該機制每個節(jié)點維持自己的時鐘，并保存一張與自己有聯系的其他節(jié)點的時間轉換表，在各決策階段進行適應性調整，以實現各節(jié)點的時間同步；

c.絕對同步。各節(jié)點在每次運行時間同步后，修改存儲的時鐘參數，保證各節(jié)點的時鐘與參考點時鐘一致。

本文擬采用相對同步方式，實現各節(jié)點的時間同步。

（2）事件處理同步

事件處理同步是指各節(jié)點在執(zhí)行某決策時，由于各節(jié)點的觸發(fā)時機不同，導致節(jié)點產生決策的時間不在同一個協調周期，而先產生決策結果的節(jié)點可能不是最佳處理平臺，故需要對各節(jié)點執(zhí)行某決策的時機進行同步。

本文中擬采用慢啟動的方式進行協調。具體過程如下：

a.想定我方武器平臺在執(zhí)行協同作戰(zhàn)某決策過程時，A節(jié)點先于其他節(jié)點被某事件觸發(fā)，此時，只有A節(jié)點產生決策結果，但有可能不是最佳方案；

b.協調中心獲取到 A節(jié)點對該決策過程的決策結果，但不立刻做出響應，將其記錄在事件隊列中，等待其他平臺一段時間；

c.在預定的等待時間內，協調中心獲取到其他節(jié)點的決策結果，按照一致性協調機制進行協調得出協調結果；若無其他節(jié)點的決策信息，則按照A節(jié)點的決策結果進行執(zhí)行；

d.在決策完成后，將決策結果同步到各決策節(jié)點中完成該決策過程。

4.3 一致性協調機制

在分布式決策系統(tǒng)中，各決策單元在問題描述、求解策略、評價標準以及對環(huán)境的認知等方面的不同將導致求解過程的不一致。對于一個決策過程，各決策單元的求解均具有一個滿意度，本文認為，一致性協調的目標是，通過尋找到一個決策結果，使各決策單元的綜合滿意度最高[5]。

設計一致性協調流程如圖6所示。

5 多平臺武器目標分配技術

5.1 問題描述

防空作戰(zhàn)武器面臨的來襲目標主要包括作戰(zhàn)飛機、導彈、炸彈和無人機等。因為各火力單位對目標的毀傷效能以及諸目標本身價值的不同，所以火力單位對目標的分配存在諸多方案。火力分配的任務在于發(fā)揮諸火力單位的整體協調優(yōu)勢，尋求在給定約束條件下總毀傷效果相對較好的分配方案。

圖6 一致性協調流程框圖

5.2 流程設計

由于不同防空武器分別具有不同的作用對象和作用距離，所以認為針對這些火力單元整體的目標分配可以通過同步針對每一型的目標分配來實現。目標分配流程示意圖如圖7所示。圖7中整個作戰(zhàn)過程中的目標分配可以理解為每個規(guī)劃周期內目標分配的滾動過程，后一階段的決策需要將前一階段的決策結果作為約束引入。在每一規(guī)劃周期內，首先確定己方的所有武器集合和敵方的目標集合，然后根據每型武器的作用對象和作用距離確定其對應的待打擊目標集合，緊隨其后針對每型武器同步執(zhí)行目標分配等后續(xù)過程，過程的主要環(huán)節(jié)包括設定規(guī)劃周期、設定目標規(guī)劃函數、設定約束條件以及生成打擊方案，各火力單元基于生成的打擊方案執(zhí)行任務，并對打擊結果進行效果評估，如果滿足作戰(zhàn)結束要求，則結束目標分配等過程，否則繼續(xù)基于目標集和武器集確定下一階段針對哪些火力單元進行目標分配。

6 結束語

本文首先分析了武器系統(tǒng)和分布式協同武器系統(tǒng)的組成，在此基礎上，進一步對分布式協同決策系統(tǒng)的組成及相關模塊的功能進行分析。緊隨其后，將決策系統(tǒng)分為四個層次并給出了系統(tǒng)的設計流程圖。通過對目標狀態(tài)空間的構成進行分析，給出了對狀態(tài)空間的分析流程。緊接著，通過節(jié)點組成、分布式決策同步機制和一致性協調機制三部分對分布式決策機制進行介紹。最后，設計了多平臺武器的目標分配流程。

圖7 目標分配流程示意圖