牟之英 劉博

隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念的提出,戰(zhàn)爭形式已不再是過去平臺(tái)對(duì)平臺(tái)的離散式對(duì)抗,而是體系與體系的對(duì)抗[1].在體系對(duì)抗環(huán)境下,作戰(zhàn)飛機(jī)所面臨的電磁環(huán)境十分惡劣,誘餌干擾非常復(fù)雜,加上新的作戰(zhàn)模式不斷涌現(xiàn),對(duì)傳統(tǒng)單平臺(tái)單傳感器的探測方式提出了挑戰(zhàn).新一代作戰(zhàn)飛機(jī)往往會(huì)配備有源無源等多種探測傳感器,為擴(kuò)大探測的空域、頻域、時(shí)域的覆蓋范圍,實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢的及時(shí)有效感知,必須根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)態(tài)勢對(duì)有源無源傳感器進(jìn)行多模配置,并對(duì)其他參戰(zhàn)平臺(tái)傳感器進(jìn)行協(xié)同探測管理,利用多平臺(tái)多傳感器的冗余、互補(bǔ)信息提高復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境中對(duì)復(fù)雜目標(biāo)的檢測、跟蹤、識(shí)別能力.

無人機(jī)編隊(duì)或集群執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的過程中,具有分布式與智能化的特點(diǎn),而為保證作戰(zhàn)任務(wù)的有效執(zhí)行,無人系統(tǒng)分布式自組織態(tài)勢感知和智能化管理是前提,需要充分利用整個(gè)系統(tǒng)的資源,發(fā)揮各異類平臺(tái)的探測優(yōu)勢,把各平臺(tái)/傳感器探測節(jié)點(diǎn)置于一個(gè)相互聯(lián)系、相互作用、相互依賴的網(wǎng)絡(luò)上,形成分布式組網(wǎng)探測與最大限度的空域/頻域/時(shí)域覆蓋,以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中、地面復(fù)雜目標(biāo)的分布式快速精確探測、跟蹤、識(shí)別,實(shí)現(xiàn)探測任務(wù)統(tǒng)一部署、功能統(tǒng)一調(diào)度、資源統(tǒng)一管理,提升整個(gè)系統(tǒng)的攻防能力、生存能力與任務(wù)完成率.

1 問題的提出

分布式異構(gòu)多平臺(tái)協(xié)同探測管理的難點(diǎn)在于:當(dāng)多個(gè)平臺(tái)多個(gè)傳感器同時(shí)用于多目標(biāo)的檢測、跟蹤和識(shí)別時(shí),必須解決平臺(tái)、傳感器與目標(biāo)、任務(wù)之間的資源分配問題[2];此外,如何平衡系統(tǒng)的生存能力和跟蹤識(shí)別精度要求,選用合適的有源無源協(xié)同探測模式和組網(wǎng)方式來減少系統(tǒng)輻射時(shí)間和輻射能量;如何根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢變化同時(shí)或交替使用不同平臺(tái)不同傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)、穩(wěn)定、精確的跟蹤,并解決由此帶來的多平臺(tái)多傳感器協(xié)同搜索動(dòng)態(tài)規(guī)劃以及相互引導(dǎo)、目標(biāo)快速交接問題,這些都對(duì)當(dāng)前機(jī)載傳感器控制與管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)[3?6].

異構(gòu)多平臺(tái)傳感器智能控制與管理的目標(biāo)應(yīng)該是綜合考慮系統(tǒng)各方面需求(如:檢測需求、跟蹤識(shí)別需求、隱身需求、攻擊需求、協(xié)同需求等),使得系統(tǒng)在探測范圍、檢測概率、截獲概率、輻射能量、航跡精度、目標(biāo)丟失概率等各方面獲得整體性能最優(yōu).在文獻(xiàn)[7?9]中,提出了一個(gè)開放式多源傳感器管理的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[10]基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步給出了面向多任務(wù)的單平臺(tái)多傳感器管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.由于目前傳感器管理技術(shù)已向多平臺(tái)、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,需要考慮體系化作戰(zhàn)情況下分布式多異構(gòu)平臺(tái)的協(xié)同需求以及系統(tǒng)的整體任務(wù)完成率與生存能力,本文在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上,針對(duì)以往的研究缺陷,提出了一種基于多智能體的異構(gòu)多平臺(tái)傳感器管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來解決分布式多異構(gòu)平臺(tái)協(xié)同探測模式下的多機(jī)多探測通道任務(wù)分配與智能協(xié)同難題.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 多智能體構(gòu)架體系

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多機(jī)多探測通道任務(wù)分配與智能協(xié)同的最佳方式就是應(yīng)用多智能體技術(shù)(Multi-Agent Technology,MAT),即把探測網(wǎng)中的傳感器看作一個(gè)智能體(Agent),單個(gè)傳感器Agent可以單獨(dú)執(zhí)行任務(wù),也可以和其他傳感器Agent組成多Agent系統(tǒng)共同完成任務(wù),以解決單個(gè)Agent不能解決的復(fù)雜問題,體現(xiàn)傳感器的自主性和協(xié)作性.

多異構(gòu)平臺(tái)分布式作戰(zhàn)體系可以由3類智能體組成,即指揮機(jī)傳感器管理Agent、作戰(zhàn)平臺(tái)傳感器管理Agent、傳感器成員Agent.如圖1所示,指揮機(jī)傳感器管理Agent除了完成任務(wù)的產(chǎn)生以及對(duì)各平臺(tái)的任務(wù)分配外,還要完成本平臺(tái)各傳感器Agent的管理與調(diào)度,并負(fù)責(zé)各平臺(tái)之間的任務(wù)協(xié)調(diào)、協(xié)商與相互牽引,通過與其他平臺(tái)的傳感器管理Agent進(jìn)行信息交互,監(jiān)視其任務(wù)完成情況.每個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的傳感器管理Agent,其職能主要是將指揮機(jī)下發(fā)的任務(wù)分配給本平臺(tái)內(nèi)各傳感器成員Agent,對(duì)整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控,并協(xié)助不同傳感器成員Agent之間進(jìn)行信息交流.傳感器成員Agent根據(jù)傳感器管理平臺(tái)Agent的任務(wù)請求完成相應(yīng)的探測任務(wù),也能夠調(diào)度傳感器各方面資源自主完成空域時(shí)域頻域范圍內(nèi)的探測.傳感器成員Agent直接作用于未知的或具備一定先驗(yàn)信息的目標(biāo)環(huán)境.

我們將異構(gòu)多平臺(tái)傳感器管理系統(tǒng)分為協(xié)同管理、宏觀管理和微觀管理3層.協(xié)同層管理用以支持各平臺(tái)的互補(bǔ)、合作和協(xié)同搜索能力,主要完成多異構(gòu)平臺(tái)協(xié)同探測任務(wù)的提取分析,并進(jìn)行編隊(duì)飛機(jī)的空域分配、任務(wù)分配、目標(biāo)分配以及相互引導(dǎo)計(jì)算;宏觀管理主要在綜合考慮系統(tǒng)各方面需求的基礎(chǔ)上,確定傳感器服務(wù)列表并進(jìn)行服務(wù)優(yōu)先級(jí)排序,制定在各任務(wù)階段各傳感器的負(fù)荷分配和工作方式,形成傳感器的調(diào)度計(jì)劃表.而微觀管理則根據(jù)宏觀管理形成的調(diào)度計(jì)劃,確定最佳工作參數(shù),如雷達(dá)波束分配、波束指向、駐留時(shí)間、輻射能量、輻射頻率、輻射波形、脈沖重復(fù)頻率、脈沖調(diào)制方式等.

根據(jù)各類Agent所需完成的功能,指揮機(jī)(預(yù)警機(jī)或長機(jī)平臺(tái))平臺(tái)傳感器管理Agent包括協(xié)同管理層、宏觀管理層、微觀管理層;各參戰(zhàn)平臺(tái)傳感器管理Agent包括宏觀管理層和微觀管理層;傳感器成員Agent主要完成自身的微觀管理.

2.2 多平臺(tái)傳感器管理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖2以指揮機(jī)平臺(tái)為例給出了多平臺(tái)傳感器管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),它由協(xié)同管理層、宏觀管理層、微觀管理層組成(由于對(duì)不同的傳感器,微觀管理實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)不同,所以圖中未畫出微觀管理具體結(jié)構(gòu)).

如圖2所示,協(xié)同管理層由任務(wù)分析與提取、協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別、相互牽引計(jì)算、協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同搜索規(guī)劃等功能模塊組成.其中,任務(wù)分析與提取模塊根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)活動(dòng)、智能決策中心的任務(wù)規(guī)劃,結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢,分析并提取下一拍系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)傳感器的任務(wù)需求,然后進(jìn)行分類和優(yōu)先級(jí)排序,形成任務(wù)列表;協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別模塊確定哪些任務(wù)需要多架戰(zhàn)機(jī)協(xié)同完成,并選擇可協(xié)同的戰(zhàn)機(jī)形成聯(lián)盟;協(xié)同任務(wù)分配模塊以最大效能為原則,將智能決策中心規(guī)劃的多個(gè)任務(wù)分配給協(xié)同作戰(zhàn)的單機(jī)平臺(tái)或動(dòng)態(tài)組建的聯(lián)盟;相互牽引計(jì)算模塊分析哪些任務(wù)需要交接,并以交接成功概率為目標(biāo)、交接時(shí)間為代價(jià),確定需要交接的平臺(tái)和任務(wù).協(xié)同搜索規(guī)劃模塊考慮作戰(zhàn)平臺(tái)的探測能力、機(jī)動(dòng)能力和生存能力需求,對(duì)所需搜索的已知或未知空域進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配,形成時(shí)空覆蓋計(jì)劃.

宏觀管理層由傳感器服務(wù)請求處理、服務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分、傳感器負(fù)荷分配、傳感器搜索空域定義、傳感器監(jiān)視、工作時(shí)序管理、工作模式/工作參數(shù)計(jì)算模塊、傳感器控制等組成[10],如圖2所示.其中,服務(wù)請求處理主要根據(jù)協(xié)同探測管理模塊的任務(wù)需求、駕駛員控制命令、火控需求以及傳感器監(jiān)視模塊的突發(fā)事件信息等,確定下一拍航跡服務(wù)需求,并判斷哪些傳感器可以加以利用、哪些服務(wù)請求會(huì)被拒絕.服務(wù)請求處理的結(jié)果是輸出一個(gè)航跡服務(wù)列表,它包括服務(wù)請求的內(nèi)容、來源及所請求傳感器的可用性.服務(wù)請求處理還記錄一段時(shí)間內(nèi)被拒絕和未分配的服務(wù)請求,以確定該服務(wù)請求是否可列入當(dāng)前航跡服務(wù)列表或是否需要友機(jī)支持,對(duì)確實(shí)不能滿足的服務(wù)請求應(yīng)立即作出響應(yīng),并向協(xié)同管理中心發(fā)出協(xié)同需求.服務(wù)請求優(yōu)先級(jí)劃分主要對(duì)被接受的服務(wù),確定其優(yōu)先級(jí).搜索空域定義主要定義了各傳感器在各種任務(wù)活動(dòng)、各種工作模式下的搜索空域范圍及約束;傳感器負(fù)荷分配模塊,結(jié)合目標(biāo)航跡服務(wù)列表及其優(yōu)先級(jí)排序,按一定準(zhǔn)則進(jìn)行最終裁決,形成傳感器任務(wù)分配列表,并將未完成的任務(wù)分配反饋給服務(wù)請求處理模塊,由服務(wù)請求處理模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將一段時(shí)間未完成的任務(wù)反饋給協(xié)同管理中心,以發(fā)起協(xié)同需求;工作時(shí)序管理、工作模式/工作參數(shù)計(jì)算模塊進(jìn)一步確定傳感器工作模式、工作時(shí)間與主要工作參數(shù),形成傳感器調(diào)度計(jì)劃.傳感器控制根據(jù)傳感器調(diào)度計(jì)劃生成相應(yīng)傳感器控制信號(hào).傳感器監(jiān)視主要接收傳感器當(dāng)前的工作狀態(tài)信息,分析傳感器任務(wù)完成情況,監(jiān)視其完好狀態(tài),并將其儲(chǔ)存起來以便以后傳感器選擇及負(fù)荷分配時(shí)參考,另一方面?zhèn)鞲衅髫?fù)責(zé)監(jiān)視并及時(shí)報(bào)告未預(yù)測的突發(fā)事件.

圖2 指揮機(jī)平臺(tái)的傳感器管理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

3 功能模塊設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[10]給出了宏觀管理層各模塊的功能設(shè)計(jì),本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出協(xié)同管理層各模塊的功能設(shè)計(jì).

3.1 任務(wù)提取與分析模塊

智能決策中心根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢及作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,形成每個(gè)階段的任務(wù)命令、協(xié)同方式以及輻射等級(jí)限制等,多平臺(tái)多傳感器管理系統(tǒng)收到命令后,首先要根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)活動(dòng)、智能決策中心的任務(wù)規(guī)劃(包括協(xié)同規(guī)劃、攻擊規(guī)劃、對(duì)抗防御規(guī)劃),結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢,分析并提取下一拍系統(tǒng)對(duì)整個(gè)編隊(duì)各平臺(tái)傳感器的任務(wù)需求及使用命令,然后進(jìn)行任務(wù)分類和優(yōu)先級(jí)排序,形成需要編隊(duì)執(zhí)行的任務(wù)列表.

需要將任務(wù)進(jìn)行分類,如:搜索類、目標(biāo)交接類、跟蹤類、識(shí)別類、干擾類、攻擊類.每一類任務(wù)需求都需要標(biāo)注需求來源、性能要求,如對(duì)搜索類應(yīng)標(biāo)注搜索時(shí)間窗口、搜索速度需求;對(duì)跟蹤類應(yīng)標(biāo)注跟蹤精度要求、數(shù)據(jù)更新率;對(duì)引導(dǎo)類應(yīng)標(biāo)注引導(dǎo)成功概率要求、引導(dǎo)時(shí)間要求;對(duì)識(shí)別類應(yīng)標(biāo)注識(shí)別置信度要求、識(shí)別速度要求(或時(shí)間要求);對(duì)攻擊類,應(yīng)標(biāo)注照射時(shí)間要求、攻擊精度(或跟蹤精度)要求;對(duì)干擾類,需要標(biāo)注干擾類型(有源、無源、自衛(wèi)、支援)、干擾時(shí)間.

3.2 協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別

協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別是多平臺(tái)協(xié)同任務(wù)分配的前提,只有及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別協(xié)同機(jī)會(huì),才能圍繞協(xié)同機(jī)會(huì)采取各種優(yōu)化措施和方法,取得相應(yīng)的效果.多平臺(tái)傳感器管理系統(tǒng)收到命令后,首先要確定哪些任務(wù)需要多架戰(zhàn)機(jī)協(xié)同完成以及協(xié)同方式(如:無源組網(wǎng)協(xié)同定位、有源組網(wǎng)協(xié)同探測、有源無源復(fù)合探測、有源無源融合跟蹤、多平臺(tái)融合識(shí)別、目標(biāo)交接等等);其次要根據(jù)一定準(zhǔn)則,在滿足一定的幾何條件、傳感器配置、武器配置的多平臺(tái)之間尋找可協(xié)同的平臺(tái),組建多平臺(tái)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟,共同完成協(xié)同搜索、定位、跟蹤、識(shí)別任務(wù).

協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別可以從任務(wù)需求分析和平臺(tái)協(xié)同條件、性能互補(bǔ)等多個(gè)方面進(jìn)行.當(dāng)滿足協(xié)同條件的聯(lián)盟有多個(gè)時(shí),選擇具有最小聯(lián)盟成員的聯(lián)盟.

3.3 相互牽引計(jì)算

相互牽引計(jì)算模塊首先要分析哪些任務(wù)需要交接,并考慮所需交接平臺(tái)的傳感器配置、武器配置需求及所處的地理位置,選擇合適的交接平臺(tái),然后計(jì)算對(duì)每個(gè)交接平臺(tái)的交接成功概率、交接時(shí)間,以交接成功概率為目標(biāo)、交接時(shí)間為代價(jià),確定需要交接的平臺(tái)、任務(wù)以及交接平臺(tái)傳感器所需搜索的區(qū)域.

需要進(jìn)行多平臺(tái)之間相互牽引(引導(dǎo))和交接的原因有如下幾種:

1)當(dāng)一個(gè)目標(biāo)即將脫離某一平臺(tái)傳感器的監(jiān)測控制而進(jìn)入另一平臺(tái)傳感器的探測范圍時(shí),應(yīng)該及時(shí)提示該平臺(tái)傳感器,以使它們迅速搜索并截獲該目標(biāo).

2)在多機(jī)協(xié)同攻擊中,經(jīng)常采用它機(jī)探測、本機(jī)發(fā)射+制導(dǎo)、他機(jī)探測+制導(dǎo)、本機(jī)發(fā)射、接力制導(dǎo)等多種模式,這些都需要兩個(gè)平臺(tái)之間進(jìn)行目標(biāo)指示和交接.

3)在異構(gòu)多無人機(jī)編隊(duì)中,由于每架無人機(jī)配置的載荷有限,當(dāng)一架無人機(jī)對(duì)目標(biāo)的跟蹤識(shí)別精度不能滿足任務(wù)需求時(shí),需要將目標(biāo)交接給另一架無人機(jī)或與另一架無人機(jī)協(xié)同跟蹤.

一般情況下,視場大、分辨率低的引導(dǎo)視場小分辨率高的傳感器、無源傳感器引導(dǎo)有源傳感器.

在目標(biāo)指示和交接過程中必須進(jìn)行兩類處理:指示平臺(tái)必須向被指示平臺(tái)傳感器提供需要交接的目標(biāo)信息以及快速搜索區(qū)域,被指示的平臺(tái)傳感器必須到指定的區(qū)域內(nèi)去搜索那個(gè)目標(biāo),并證實(shí)已經(jīng)截獲了該目標(biāo),才算交接成功.因此,引導(dǎo)傳感器(或平臺(tái))必須根據(jù)引導(dǎo)成功概率要求計(jì)算出合適的引導(dǎo)區(qū)域,發(fā)送至被引導(dǎo)傳感器(或平臺(tái)),如果引導(dǎo)區(qū)域過大,會(huì)增加目標(biāo)交接時(shí)間,不能滿足交接時(shí)效性要求.但引導(dǎo)區(qū)域過小,則目標(biāo)可能跑出引導(dǎo)區(qū)域,無法完成目標(biāo)交接;被引導(dǎo)傳感器(或平臺(tái))在引導(dǎo)區(qū)域內(nèi)應(yīng)采取一定的快速搜索策略,在最短的時(shí)間內(nèi)截獲該目標(biāo),并盡量減小誤交接概率.

3.4 協(xié)同任務(wù)分配

協(xié)同任務(wù)分配模塊是將任務(wù)提取與分析模塊形成的任務(wù)列表,以整體效能最大為原則,分配給協(xié)同作戰(zhàn)的各單機(jī)平臺(tái)或多機(jī)平臺(tái)組成的聯(lián)盟,以形成每個(gè)平臺(tái)的任務(wù)列表(包括任務(wù)來源、任務(wù)內(nèi)容、目標(biāo)指示信息、跟蹤識(shí)別精度要求等),確定需要交付的目標(biāo)信息,并將引導(dǎo)信息及任務(wù)分配信息,通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至編隊(duì)友機(jī)平臺(tái).

科學(xué)合理的協(xié)同任務(wù)分配方法是綜合考慮和平衡系統(tǒng)各方面的需求,使得系統(tǒng)在探測范圍、檢測概率、輻射能量、航跡精度、目標(biāo)丟失概率等各方面獲得整體性能最優(yōu).因此,為實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)多傳感器資源的合理分配,首先要根據(jù)任務(wù)活動(dòng)任務(wù)目標(biāo)建立面向任務(wù)的綜合效能函數(shù)和約束條件,在滿足系統(tǒng)各方面約束的條件下,使系統(tǒng)的綜合效能值最大[11].

系統(tǒng)的綜合效能函數(shù)由收益函數(shù)和代價(jià)函數(shù)(或浪費(fèi)函數(shù))加權(quán)組成,應(yīng)按不同任務(wù)目標(biāo)、任務(wù)活動(dòng)(協(xié)同搜索、定位、跟蹤、識(shí)別、攻擊)分別定義,收益函數(shù)可考慮探測目標(biāo)總數(shù)、目標(biāo)檢測概率、截獲概率、目標(biāo)定位精度、跟蹤精度、跟蹤穩(wěn)定性、識(shí)別準(zhǔn)確性、識(shí)別速度、目標(biāo)擊毀概率、任務(wù)完成率等指標(biāo),對(duì)特定的任務(wù)可選擇使某幾項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu);代價(jià)函數(shù)可考慮平臺(tái)被截獲概率、傳感器資源代價(jià)、時(shí)間代價(jià)、航跡丟失概率等等,約束條件可考慮傳感器能力約束、資源約束、傳感器沖突、射頻隱身約束等.因此,多平臺(tái)協(xié)同任務(wù)的智能分配實(shí)際上是一個(gè)多約束條件下的多目標(biāo)優(yōu)化問題,要用智能優(yōu)化算法解決.

3.5 協(xié)同搜索規(guī)劃

協(xié)同搜索規(guī)劃應(yīng)考慮各作戰(zhàn)平臺(tái)的地理位置以及探測能力、機(jī)動(dòng)能力和生存能力需求,以實(shí)現(xiàn)空域、頻域最大覆蓋為原則,對(duì)智能決策中心所規(guī)劃的搜索區(qū)域進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配,形成多平臺(tái)協(xié)同搜索的時(shí)空覆蓋計(jì)劃,送各平臺(tái)傳感器管理系統(tǒng)進(jìn)行有源無源傳感器協(xié)同搜索任務(wù)的分配.

協(xié)同搜索規(guī)劃應(yīng)重點(diǎn)考慮時(shí)間因素的影響.由于體系對(duì)抗環(huán)境下,戰(zhàn)場態(tài)勢呈現(xiàn)復(fù)雜速變狀態(tài),每個(gè)待搜索區(qū)域都有對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗口,它定義了對(duì)該區(qū)域搜索的最早時(shí)間和最晚時(shí)間,形成協(xié)同搜索規(guī)劃必須保證對(duì)該區(qū)域的搜索時(shí)間要早于最遲搜索時(shí)間;不滿足時(shí)間約束條件時(shí),傳感器可能無法在該區(qū)域搜索到目標(biāo),特別是時(shí)敏目標(biāo),造成分配失敗.

其次,由于體系對(duì)抗環(huán)境下常常存在欺騙、干擾,隨時(shí)都有被敵方導(dǎo)彈擊落的危險(xiǎn),協(xié)同搜索規(guī)劃不僅要考慮空域規(guī)劃,還要考慮對(duì)搜索區(qū)域的頻域覆蓋、射頻輻射限制、時(shí)間限制等因素.在資源和時(shí)間約束下,對(duì)未知空域盡可能進(jìn)行多頻段覆蓋,使未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率總和為最小;對(duì)有信息引導(dǎo)的已知空域,應(yīng)使總的目標(biāo)檢測概率最大.

3.6 傳感器管理專家知識(shí)庫

傳感器管理專家知識(shí)庫應(yīng)包括面向各種任務(wù)活動(dòng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序策略、各種探測條件下各種輻射等級(jí)限制下的傳感器配置策略、協(xié)同探測策略、輻射控制策略、傳感器使用規(guī)則和調(diào)度邏輯、傳感器性能模型等.

4 管理策略與實(shí)現(xiàn)方法

4.1 任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分策略

在任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分時(shí),有以下原則:1)來自駕駛員的控制命令始終具有最高優(yōu)先級(jí);2)火控需求(如要求傳感器對(duì)發(fā)射后的導(dǎo)彈進(jìn)行制導(dǎo)等)的優(yōu)先級(jí)別應(yīng)高于協(xié)同需求(如目標(biāo)交接等);3)協(xié)同需求又高于融合系統(tǒng)需求(信息需求);任務(wù)的優(yōu)先級(jí)還需考慮任務(wù)階段、態(tài)勢威脅綜合評(píng)估結(jié)果、目標(biāo)丟失的可能性等因素.

任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分的策略是先將來源于駕駛員手動(dòng)控制命令置于最高優(yōu)先級(jí),然后按任務(wù)類型進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)的初步劃分,最后在同一任務(wù)類型中再按目標(biāo)威脅評(píng)估結(jié)果、時(shí)間的緊迫性以及信息需求高低進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序.

顯然攻擊任務(wù)類優(yōu)先級(jí)最高,依次應(yīng)為干擾類和目標(biāo)交接類,最后是識(shí)別類、跟蹤類和搜索類.這是因?yàn)楣纛?、干擾類和目標(biāo)交接類都有機(jī)會(huì)成本,而識(shí)別類、跟蹤類、搜索類都屬于信息需求類.

對(duì)攻擊類任務(wù)而言,應(yīng)首先滿足目標(biāo)照射(制導(dǎo))需求,其次根據(jù)攻擊排序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,攻擊排序本身就已考慮了時(shí)間成本;對(duì)干擾類任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分可根據(jù)威脅源狀態(tài)及威脅排序進(jìn)行;對(duì)目標(biāo)交接類任務(wù)則首先要滿足對(duì)友機(jī)的目標(biāo)交接,其次可按威脅排序、時(shí)間限制進(jìn)行;由于跟蹤類、識(shí)別類都屬于信息需求,可按以下規(guī)則排序:1)高威脅、高信息需求的敵方目標(biāo)排在最前;2)低威脅、高信息需求的目標(biāo)排在其次;3)對(duì)跟蹤而言,狀態(tài)不明的目標(biāo)應(yīng)靠后;對(duì)識(shí)別而言,身份確定的目標(biāo)應(yīng)靠后;4)我方及友方目標(biāo)排在最后.對(duì)即將丟失目標(biāo)的信息需求可定義為高信息需求,依次是補(bǔ)充信息需求和、目標(biāo)狀態(tài)信息更新需求等.

4.2 協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別方法

多平臺(tái)協(xié)同機(jī)會(huì)識(shí)別可以從以下多個(gè)方面進(jìn)行:

1)從任務(wù)需求方面,主要分析任務(wù)活動(dòng)類型、目標(biāo)特性以及輻射等級(jí)限制、氣候、戰(zhàn)場環(huán)境等多方面因素對(duì)協(xié)同的需求,并確定相應(yīng)的協(xié)同模式.

比如需要對(duì)目標(biāo)執(zhí)行隱蔽探測任務(wù)時(shí),由于單機(jī)無源定位需要做機(jī)動(dòng),會(huì)影響戰(zhàn)機(jī)攻擊效能,因此,可能需要2架或3架戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行無源組網(wǎng)協(xié)同完成,然后將目標(biāo)定位信息交給攻擊機(jī)進(jìn)行攻擊;對(duì)隱身藏匿目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí),由于目標(biāo)不可能全向、全頻段隱身,因此,可選擇多架飛機(jī)組網(wǎng)、從不同方向、不同頻段進(jìn)行復(fù)合探測、融合識(shí)別,提高目標(biāo)檢測概率;一個(gè)平臺(tái)能探測到目標(biāo),但受輻射限制只能工作在無源狀態(tài)(有方位沒距離),或僅能提供一些有限信息(如有位置沒有識(shí)別信息等),在這種情況下,為了獲得目標(biāo)更全面的信息,有必要另一平臺(tái)協(xié)同去收集所需要的其他信息.多機(jī)協(xié)同攻擊和聯(lián)合防御也需要多架飛機(jī)共同完成.

2)從平臺(tái)協(xié)同條件、性能互補(bǔ)方面,主要根據(jù)平臺(tái)的傳感器配置、武器配置、相對(duì)幾何位置、時(shí)空覆蓋范圍、最大過載分析是否滿足協(xié)同條件,根據(jù)協(xié)同探測誤差模型或性能分析、信息有效性分析計(jì)算協(xié)同帶來的收益和代價(jià),進(jìn)而組建滿足任務(wù)需求的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟.如:為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距隱蔽接敵,需要進(jìn)行無源探測,為更好地對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行無源定位,并有效濾除虛假點(diǎn),需要3個(gè)平臺(tái)無源組網(wǎng)聯(lián)合空間三角編隊(duì)對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位,如需同時(shí)發(fā)起攻擊,則需要選擇第4個(gè)平臺(tái)作為攻擊機(jī),將無源融合定位信息傳遞給攻擊機(jī),對(duì)目標(biāo)偷偷地發(fā)起攻擊.

4.3 多平臺(tái)多傳感器協(xié)同探測策略

為減少戰(zhàn)機(jī)被截獲概率,需要盡可能采用無源探測[12].多平臺(tái)多傳感器協(xié)同探測管理策略如下:1)用多平臺(tái)ESM進(jìn)行全空域覆蓋;2)遠(yuǎn)距盡量采用多平臺(tái)無源組網(wǎng)探測模式,實(shí)現(xiàn)隱蔽接敵;3)根據(jù)系統(tǒng)輻射等級(jí)確定雷達(dá)輻射方式,如:等級(jí)=1:連續(xù)輻射;等級(jí)=2:間隙輻射或輪流輻射;等級(jí)=3:猝發(fā)輻射;等級(jí)=4:只能開通訊設(shè)備;等級(jí)=5:靜默;4)當(dāng)檢測概率、虛警概率、頻率覆蓋、搜索時(shí)間、被截獲概率都滿足要求時(shí),盡量用一個(gè)平臺(tái)來完成該區(qū)域的搜索任務(wù),也就是各平臺(tái)的搜索區(qū)域盡量區(qū)分開來,以實(shí)現(xiàn)空域、頻域最大覆蓋;5)在雷達(dá)容許輻射的情況下,首先用雷達(dá)進(jìn)行探測與跟蹤,如單平臺(tái)雷達(dá)不能滿足檢測或跟蹤精度要求,則可考慮與該平臺(tái)紅外協(xié)同搜索或跟蹤,如仍無法滿足要求,則可考慮與其他平臺(tái)的雷達(dá)或紅外協(xié)同;6)在雷達(dá)不容許輻射情況下,用雷達(dá)無源搜索和紅外協(xié)同探測,如單平臺(tái)雷達(dá)紅外協(xié)同搜索仍達(dá)不到檢測概率或跟蹤要求,則考慮與其他平臺(tái)協(xié)同;7)當(dāng)單平臺(tái)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(時(shí)間約束)達(dá)不到檢測概率要求,則考慮與其他平臺(tái)協(xié)同;8)當(dāng)單平臺(tái)對(duì)搜索區(qū)域的頻段覆蓋達(dá)不到要求情況下,也需要考慮與其他平臺(tái)協(xié)同;9)當(dāng)某個(gè)區(qū)域目標(biāo)較多,需花費(fèi)的搜索時(shí)間較長,可用別的平臺(tái)來分擔(dān)該區(qū)域的搜索任務(wù);10)當(dāng)對(duì)某個(gè)區(qū)域的雷達(dá)探測受到干擾時(shí),檢測概率較低,虛警率較高,則需用紅外協(xié)同探測,以提高檢測概率,這時(shí)需要本平臺(tái)的紅外傳感器、ESM或另一個(gè)平臺(tái)的紅外傳感器、ESM(無人機(jī)平臺(tái)往往只能裝1-2種傳感器)輔助探測;11)對(duì)隱身目標(biāo),雷達(dá)的檢測概率較低,可能需要多個(gè)平臺(tái)的雷達(dá)組網(wǎng)從不同角度協(xié)同探測,進(jìn)行能量積累,如果該區(qū)域有威脅,可采用輪流探測來降低被截獲概率;12)為了減少多平臺(tái)傳感器之間的相互干擾,協(xié)同探測的傳感器應(yīng)選擇在不同的工作波段;若不可避免地選擇相同的工作波段,則制定工作時(shí)序或選擇不同的工作方式,即一個(gè)為主動(dòng)式,一個(gè)被動(dòng)式.

4.4 多平臺(tái)多傳感器任務(wù)分配算法

多平臺(tái)多傳感器動(dòng)態(tài)協(xié)同任務(wù)分配是一個(gè)非線性、多目標(biāo)、多約束、大規(guī)模和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的NP—hard問題,需要用群體智能優(yōu)化算法來解決,經(jīng)典的群智能優(yōu)化方法有:禁忌搜索(Tabu Search,TS)算法、模擬退火(Simulated Annealing,SA)算法、遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)、粒子群優(yōu)化算法(Particle swarm optimization,PSO)等等,但這些都是集中式的任務(wù)分配方法,隨著無人機(jī)分布式控制研究的迅猛發(fā)展,分布式任務(wù)分配與協(xié)調(diào)方法越來越受到人們的重視.分布式任務(wù)分配方法主要包括:基于合同網(wǎng)(Contract Net)市場競拍機(jī)制的方法、動(dòng)態(tài)分布式約束優(yōu)化方法(Dynamic distributed constraint optimization,D-DCOP)、多智能體滿意決策論(Multi-agnet satisfying decision theory,MSDT)等[13?15].

合同網(wǎng)是將每架戰(zhàn)機(jī)看作是一個(gè)智能體,引入招標(biāo)、投標(biāo)競爭機(jī)制,通過協(xié)商獲得整體最優(yōu)的任務(wù)分配方案;近年來,合同網(wǎng)協(xié)議被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)調(diào)度、無人機(jī)、多機(jī)器人系統(tǒng)等具體領(lǐng)域,展現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性、擴(kuò)展性、魯棒性,逐步取代了傳統(tǒng)的集中式任務(wù)分配方法,成為這些領(lǐng)域解決任務(wù)分配問題的重要手段.

圖3 基本合同網(wǎng)協(xié)議

基于合同網(wǎng)協(xié)議的多平臺(tái)多傳感器任務(wù)分配過程是:任何一個(gè)智能體(平臺(tái)或傳感器)都可以作為管理者發(fā)布要處理的任務(wù)列表,并隨機(jī)生成各智能體競拍的順序,宣布拍賣開始.各執(zhí)行智能體(平臺(tái)或傳感器)按順序根據(jù)任務(wù)列表和自身資源構(gòu)造所有可能的配對(duì)方案,并計(jì)算相應(yīng)的配對(duì)函數(shù)和代價(jià)函數(shù),輪到自己競拍時(shí),根據(jù)貪婪法則從構(gòu)造好的方案中選擇自認(rèn)為最優(yōu)的方案,向管理者投標(biāo),所有的智能體競拍完成后,管理者對(duì)標(biāo)書進(jìn)行評(píng)估,消除沖突,得到一個(gè)多機(jī)目標(biāo)分配方案,然后計(jì)算總的目標(biāo)分配效能值,若時(shí)間允許,則進(jìn)入下一輪拍賣,通過拍賣不斷尋求綜合效能最大的分配方案,直到時(shí)間超出限制為止,最后管理者才向投標(biāo)者發(fā)布中標(biāo)合同,完成一次任務(wù)分配過程[16].

限于篇幅,本文不詳細(xì)列出實(shí)現(xiàn)流程和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

5 結(jié)論

本文面向未來多異構(gòu)平臺(tái)分布式作戰(zhàn)場景,提出了一套異構(gòu)多平臺(tái)多傳感器智能控制與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該方案能面向多任務(wù)多目標(biāo)和多異構(gòu)平臺(tái),綜合考慮和平衡系統(tǒng)各方面的需求(如:檢測需求、跟蹤識(shí)別需求、隱身需求、攻擊需求、協(xié)同需求等)等,使得系統(tǒng)在探測范圍、檢測概率,截獲概率,輻射能量、航跡精度、目標(biāo)丟失概率等各方面獲得整體性能最優(yōu).本文提出了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能模塊設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述,以及多平臺(tái)多傳感器協(xié)同探測管理策略和實(shí)現(xiàn)方法,目前該方案已在實(shí)驗(yàn)室地面原理樣機(jī)中實(shí)現(xiàn),取得了很好的設(shè)計(jì)效果,實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)多傳感器協(xié)同探測任務(wù)的智能化分配與控制,有效提高了系統(tǒng)的協(xié)同能力、反應(yīng)能力、生存能力和任務(wù)完成率.