曹 璐，胡紅波

（1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.海裝武漢局駐宜昌地區(qū)軍事代表室，湖北 宜昌 443003）

0 引言

有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)是在分布式協(xié)同作戰(zhàn)理念指導(dǎo)下應(yīng)用較為廣泛的典型作戰(zhàn)模式，為了提升反水雷作業(yè)安全性，反水雷母艦不進入雷區(qū)，在其指揮下由空中反水雷系統(tǒng)、水面無人反水雷系統(tǒng)、水下無人反水雷系統(tǒng)進入雷區(qū)執(zhí)行反水雷任務(wù)[1]。各種反水雷裝備聯(lián)合起來協(xié)同工作，在功能、用途、使用方式等各個方面形成優(yōu)勢互補，最大限度地發(fā)揮各型反水雷裝備的綜合作戰(zhàn)效能。

協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃是指在滿足戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)任務(wù)要求、反水雷平臺和武器性能約束、戰(zhàn)術(shù)使用條件等的前提下，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺，其目的是實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高反水雷武器平臺協(xié)同作戰(zhàn)能力、動態(tài)戰(zhàn)場適應(yīng)能力以及整體作戰(zhàn)效能[2]。協(xié)同水雷任務(wù)規(guī)劃是一個多約束、強耦合的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化與決策問題，涉及到任務(wù)、環(huán)境、平臺等多方面因素。因此本文通過分析反水雷任務(wù)規(guī)劃的作用及功能，構(gòu)建有人/無人協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架，明確協(xié)同任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，有力推動反水雷作戰(zhàn)指揮控制技術(shù)的發(fā)展。

1 反水雷任務(wù)規(guī)劃作用與定位

反水雷作戰(zhàn)指揮控制的使命任務(wù)就是掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，統(tǒng)籌作戰(zhàn)資源，指揮和控制反水雷兵力作戰(zhàn)，監(jiān)控與協(xié)調(diào)作戰(zhàn)過程，最大限度提高反水雷作戰(zhàn)效能[3-4]。其特點是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息環(huán)境為依托，以網(wǎng)絡(luò)為中心，用數(shù)字化設(shè)備將反水雷指揮、控制、通信、計算機、情報、專家輔助決策等系統(tǒng)聯(lián)為一體，構(gòu)建反水雷作戰(zhàn)的多維信息空間，實現(xiàn)各類反水雷作戰(zhàn)信息資源的共享與交換[5]。

反水雷指揮控制貫穿于反水雷作戰(zhàn)全過程，具體包括作戰(zhàn)任務(wù)生成、作戰(zhàn)兵力配置、作業(yè)計劃制定（含人工制定和根據(jù)戰(zhàn)場感知自動生成預(yù)案）、作業(yè)計劃執(zhí)行（含依照計劃執(zhí)行和根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢輔助決策或自動擇優(yōu)）、作業(yè)效果評估（含建立效果評估模型、生成效果評估報告）。反水雷作戰(zhàn)指揮控制過程如圖1所示。

圖1 反水雷作戰(zhàn)指揮控制過程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of MCM command and control process

如圖1所示，反水雷任務(wù)規(guī)劃處于反水雷作戰(zhàn)指揮控制的重要階段，獲取作戰(zhàn)任務(wù)后，通過任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行下一步反水雷行動。反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要包括作戰(zhàn)模式規(guī)劃、作戰(zhàn)兵力配置、作戰(zhàn)計劃制定等。作戰(zhàn)模式規(guī)劃根據(jù)不同作戰(zhàn)行動（水雷清除任務(wù)、水雷偵察任務(wù)、導(dǎo)航反水雷任務(wù)和疏通航道等），提供具有針對性的任務(wù)規(guī)劃向?qū)В⒅С肿鲬?zhàn)模式的擴展；作戰(zhàn)計劃制定根據(jù)反水雷戰(zhàn)斗命令制定的詳盡作戰(zhàn)計劃，包括獵掃雷制度、作戰(zhàn)兵力配置、線路配置、效果預(yù)測、行動方案等，解決在滿足戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)任務(wù)要求、反水雷平臺和武器性能約束、戰(zhàn)術(shù)使用條件等前提下，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺，可根據(jù)向?qū)ё詣由煞此鬃鲬?zhàn)計劃供戰(zhàn)術(shù)指揮員參考，也可支持人工定制作戰(zhàn)計劃。

2 協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃框架

2.1 任務(wù)規(guī)劃總體框架

反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃可分為單艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃、編隊作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃和岸基任務(wù)規(guī)劃。單艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要功能是完成本艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃及制定，注重解決本艦裝載的各型獵掃雷裝備之間的協(xié)同反水雷作戰(zhàn)及計劃制定。編隊作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要功能是完成編隊反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，作戰(zhàn)計劃制定及分發(fā)。注重解決編隊各作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同反水雷作戰(zhàn)，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢變化可及時調(diào)整作戰(zhàn)計劃并實施。反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架如圖2所示，該框架是一種有限中央控制的分布式控制結(jié)構(gòu)。

圖2 反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架Fig.2 General framework of MCM mission planning

有限中央控制的分布式控制的主要思想是通過允許同層控制實體間的對等通信以松弛遞階控制結(jié)構(gòu)中的主從關(guān)系，提高底層模塊的決策控制能力[6]。在有限中央控制的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，岸基/艦隊指揮中心根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)確定每個反水雷編隊的構(gòu)成及每個編隊的初始作戰(zhàn)任務(wù)，為各反水雷編隊分配任務(wù)并進行任務(wù)規(guī)劃。在任務(wù)執(zhí)行過程中岸基/艦隊指揮中心只對編隊進行高層次的綜合控制，負(fù)責(zé)做出全局決策。而每個編隊的戰(zhàn)術(shù)級任務(wù)規(guī)劃主要由該編隊反水雷母艦指揮員和平臺自主規(guī)劃/控制模塊協(xié)同完成，根據(jù)編隊作戰(zhàn)任務(wù)、編隊成員狀態(tài)信息和戰(zhàn)場態(tài)勢信息，進行局部決策。

在整個作戰(zhàn)過程中，反水雷母艦指揮員始終監(jiān)視反水雷平臺執(zhí)行任務(wù)的情況并保留隨時干預(yù)的權(quán)利，但反水雷母艦的集中式控制僅是在各反水雷平臺一定自主規(guī)劃和協(xié)商之上更高層次的管理，而并非一味地向反水雷平臺發(fā)布指揮遙控指令，只是在必要的時候向反水雷平臺發(fā)布命令，因此其工作負(fù)荷大為減輕，使反水雷母艦控制更多反水雷平臺執(zhí)行任務(wù)成為可能。有限中央控制的分布式綜合控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)綜合了集中式體系結(jié)構(gòu)和分布式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，能夠更好地發(fā)揮反水雷平臺個體自主與集中指揮的互補優(yōu)勢以及反水雷母艦指揮員的主觀能動性。

2.2 任務(wù)規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

針對有限中央控制結(jié)構(gòu)的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)模式，協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃在不同的層次關(guān)注和處理的作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)資源的細(xì)節(jié)不同，通過分層將編隊反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃復(fù)雜而眾多的約束條件按照其抽象程度分散到不同的層次，以降低問題的難度。協(xié)同反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃分為編隊層任務(wù)規(guī)劃、集群層任務(wù)規(guī)劃和平臺層任務(wù)規(guī)劃。

根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分層特性可知，上層關(guān)注的問題規(guī)模較大，模糊性較強，下層關(guān)注問題規(guī)模較小，確定性較大，精度也較高。上層任務(wù)規(guī)劃結(jié)果是下層任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的要求，對下層任務(wù)規(guī)劃產(chǎn)生約束作用。不過，上層任務(wù)規(guī)劃可以影響但不能夠完全控制下層的任務(wù)規(guī)劃，即各層在一定范圍內(nèi)具有自己獨立的自主任務(wù)規(guī)劃權(quán)，處理實際面臨的戰(zhàn)場問題，以避免傳統(tǒng)的逐級上報的任務(wù)規(guī)劃體系帶來的貽誤戰(zhàn)機情況的發(fā)生。并且，任務(wù)規(guī)劃層次之間存在明顯的耦合性和迭代特性。

從編隊層到平臺層代表了一個完整的任務(wù)規(guī)劃工作周期，在作戰(zhàn)過程中，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，需要在編隊層、集群層和平臺層這3個層次上對任務(wù)規(guī)劃進行調(diào)整，尋求對反水雷編隊的最優(yōu)控制。編隊層、集群層和平臺層在協(xié)同反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃中的地位和作用如圖3所示。

圖3 任務(wù)規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hierarchy chart of mission planning

3 協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

3.1 作戰(zhàn)任務(wù)分配技術(shù)

作戰(zhàn)任務(wù)分配以初始信息為輸入，包含3個主要目標(biāo)：1）采用目標(biāo)分群算法將整體作戰(zhàn)任務(wù)按照任務(wù)點位置、任務(wù)屬性等進行分解；2）根據(jù)分解后的作戰(zhàn)任務(wù)需求進行配置，確定反水雷平臺及其攜帶的裝備、傳感器類型與數(shù)量，形成{任務(wù)集–反水雷平臺}組合，在保證任務(wù)完成概率的同時降低資源的消耗；3）基于戰(zhàn)場情報信息，確定可能存在水雷的區(qū)域，將該區(qū)域作為反水雷平臺的作戰(zhàn)區(qū)域。

作為Agent之間進行協(xié)商的重要方法，合同網(wǎng)協(xié)議被廣泛用于解決多智能體系統(tǒng)的任務(wù)分配問題，通過模仿經(jīng)濟行為中“招標(biāo)–投標(biāo)–中標(biāo)”機制實現(xiàn)任務(wù)的委派和遷移[7]。合同網(wǎng)協(xié)議任務(wù)分配的基本思想是將任務(wù)的分配通過結(jié)點之間的招投標(biāo)過程實現(xiàn)，將協(xié)商引入到招標(biāo)者和投標(biāo)者的雙向選擇過程中。當(dāng)招標(biāo)者有任務(wù)需要其它結(jié)點幫助解決時，它就向其它結(jié)點廣播有關(guān)該任務(wù)信息，即發(fā)布任務(wù)通告（招標(biāo)），接到招標(biāo)的結(jié)點則檢查自己解決該問題的相關(guān)能力，然后發(fā)出自己的投標(biāo)值并使自己成為投標(biāo)者，最后由招標(biāo)者評估這些投標(biāo)值并選出最合適的中標(biāo)者授予任務(wù)。在招投標(biāo)過程中，利用通信機制，對每個任務(wù)的分配進行協(xié)商，避免資源、知識等的沖突，使系統(tǒng)以較低的代價、較高的質(zhì)量完成分布式任務(wù)。

3.2 編隊隊形控制技術(shù)

根據(jù){任務(wù)集–反水雷平臺}組合結(jié)果，確定各反水雷平臺在什么時間執(zhí)行什么任務(wù)，以及是否需要協(xié)作。目標(biāo)屬性不同其對應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)也就不同，如：掃雷、探測、滅雷、探測–滅雷、探測–滅雷–確認(rèn)等，針對不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要選擇相應(yīng)的裝備（武器、干擾、傳感器等），將任務(wù)分配給適合的反水雷平臺，同時還要考慮任務(wù)的執(zhí)行順序。因此執(zhí)行任務(wù)過程中反水雷平臺需要聚集成一定的隊形進行作業(yè)，并且在出現(xiàn)不確定情況時，能夠通過隊形重構(gòu)對反水雷平臺進行自適應(yīng)控制。目前此類算法包括領(lǐng)航–跟隨法、基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法和圖論法等，它們都是通過群體中個體間的信息溝通，建立控制策略，再對個體實現(xiàn)逐一控制來達到預(yù)期目標(biāo)。

領(lǐng)航–跟隨法結(jié)構(gòu)簡單，易于理解，并且整個隊形的行為由領(lǐng)航者直接確定，因而得到了廣泛的應(yīng)用[8]。該方法將反水雷平臺整體拆分為兩兩一組，一個領(lǐng)航平臺，一個跟隨平臺，通過跟隨者對領(lǐng)航者保持一定的角度和距離來實現(xiàn)隊形控制，根據(jù)領(lǐng)航者與跟隨者之間的相對位置關(guān)系，可以形成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即不同的隊形。例如在掃雷過程中，使各個反水雷裝備產(chǎn)生的物理場特征，通過一定的隊形模擬成大尺度艦船產(chǎn)生的物理場，如圖4所示。

圖4 大尺度艦船物理場模擬Fig.4 Physical field simulation of a large-scale ship

3.3 協(xié)同區(qū)域搜索與路徑規(guī)劃技術(shù)

多個反水雷裝備可以攜帶不同設(shè)備和載荷，通過區(qū)域劃分，可以將各自有限的能源充分利用。同時，這樣擴大了一些傳感器的感知范圍，而且將形成龐大的水面通信網(wǎng)，使得岸基與反水雷裝備之間的通信更為緊密，各司其責(zé)，高效地完成協(xié)同搜索任務(wù)。但多個反水雷裝備進行協(xié)同搜索任務(wù)時，勢必要考慮到各自的有效路徑和協(xié)調(diào)問題，否則，協(xié)同搜索反而事倍功半。

協(xié)同路徑規(guī)劃在滿足各種約束條件（空間約束、時間約束、環(huán)境約束、任務(wù)約束等）的前提下，為每個反水雷平臺規(guī)劃出一條從起始點到目標(biāo)點的航跡，并且使得集群的整體性能達到最優(yōu)。在協(xié)同航跡規(guī)劃中，航跡個體的適應(yīng)度計算不僅考慮單條航跡的性能，更重要的是考慮各航跡之間的協(xié)同性能[9]。因此，對于協(xié)同航跡規(guī)劃的適應(yīng)度計算，在單個航跡規(guī)劃適應(yīng)度的基礎(chǔ)上，增加碰撞危險代價和完成時間要求來滿足空域協(xié)同和時域協(xié)同，基本流程如圖5所示。

圖5 協(xié)同路徑規(guī)劃基本流程圖Fig.5 Basic flowchart of cooperative path planning

對于每個反水雷平臺來說，最短的航行路徑意味著：航行時問最短，能源損耗最低?？紤]到反水雷平臺在執(zhí)行搜索任務(wù)時最主要的路徑約束就是回轉(zhuǎn)半徑，參考了無人機路徑規(guī)劃中經(jīng)典的Dubins路徑：最簡單形式的路徑是由直線段和常曲率圓弧段組成，將這些直線段和圓弧連接起來就產(chǎn)生一條連接空間兩位姿點間的飛行器最短的運動[10]。常見的如平行搜索法，每個反水雷平臺沿同一方向平行進行搜索，相互之間互不影響、同步作業(yè)，如圖6所示。

圖6 平行協(xié)同搜索路徑Fig.6 Parallel cooperative search path

考慮到攝像、激光測距傳感器和聲吶等設(shè)備的搜索范圍限制，為保證相鄰的反水雷平臺得到的感知信息重復(fù)率低，覆蓋密度高，多個平行作業(yè)的反水雷平臺在航行至搜索區(qū)域縱向邊界返回時，需要統(tǒng)一回轉(zhuǎn)方向，統(tǒng)一向右（或向左）進行回轉(zhuǎn)返回。d為側(cè)掃聲吶的水平掃描范圍，那么相鄰的反水雷平臺出發(fā)時的橫向間距則為4d。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代反水雷作戰(zhàn)流程復(fù)雜，自身控制單元眾多并且互相交聯(lián)，同時與外界作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的交聯(lián)需求也日益突出，需要建立一種基于網(wǎng)絡(luò)為中心的綜合反水雷指控系統(tǒng)，滿足戰(zhàn)術(shù)級、戰(zhàn)役級、戰(zhàn)略級不同層次反水雷作戰(zhàn)任務(wù)需求。但在這一過程中，面對大量的信息必須不斷地進行計算、判斷、決策以及正確的操作，因此協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃就成為研究的重點。本文根據(jù)協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃的主要功能，建立了一套有人/無人協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃框架體系模型，使其能夠依據(jù)上級作戰(zhàn)任務(wù)以及戰(zhàn)場情報、實時環(huán)境信息、作戰(zhàn)目標(biāo)特性和兵力狀況等多因素，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷平臺，并自動規(guī)劃生成相應(yīng)的作業(yè)計劃，實現(xiàn)基于多因素綜合決策的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃。分析了協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了相應(yīng)的技術(shù)解決途徑，為后續(xù)協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐。