李 琳，李雙霖，劉 欽，韓春雷，張修社

多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究

李 琳，李雙霖，劉 欽，韓春雷，張修社

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

針對(duì)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃過(guò)度依賴指揮員作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，信息洪流下指揮員腦力負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致任務(wù)規(guī)劃合理性和時(shí)效性降低等問(wèn)題，研究多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。通過(guò)對(duì)防空任務(wù)分解，設(shè)計(jì)作戰(zhàn)任務(wù)框架結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)規(guī)劃組成分析結(jié)果，構(gòu)建多平臺(tái)防空配置規(guī)劃、協(xié)同探測(cè)規(guī)劃、通信組網(wǎng)規(guī)劃和打擊規(guī)劃等模型，自動(dòng)生成規(guī)劃方案，提高任務(wù)規(guī)劃的科學(xué)性和合理性，為形成快速作戰(zhàn)決策能力提供支撐。

多平臺(tái)防空；任務(wù)規(guī)劃；快速生成；作戰(zhàn)決策；作戰(zhàn)規(guī)劃

0 引言

在瞬息萬(wàn)變的作戰(zhàn)形勢(shì)下，戰(zhàn)場(chǎng)決策速度與準(zhǔn)確性將成為戰(zhàn)斗勝負(fù)的決定因素，制定合理可行的規(guī)劃方案作為指揮決策的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)對(duì)敵有效打擊的關(guān)鍵。而目前作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃局限于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)化程度低，無(wú)法保證任務(wù)規(guī)劃的合理性和時(shí)效性，因此，本文提出多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，將人工智能、作戰(zhàn)決策“尋優(yōu)”算法等先進(jìn)技術(shù)融入作戰(zhàn)指控系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)劃作戰(zhàn)任務(wù)，快速準(zhǔn)確生成規(guī)劃方案，為作戰(zhàn)行動(dòng)提供依據(jù)。

1 多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃框架結(jié)構(gòu)

1.1 多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)分解

多平臺(tái)防空一般采用分層防御的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)（遠(yuǎn)程航空兵，距多平臺(tái)核心180 km以外）、中（中遠(yuǎn)程區(qū)域防空，距多平臺(tái)核心50～180 km之間）和近（近距末端防御）的協(xié)同[1]，根據(jù)區(qū)域劃分，可對(duì)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)劃分如下：

1）戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)：綜合運(yùn)用平臺(tái)資源，中遠(yuǎn)結(jié)合、軟硬結(jié)合，通過(guò)合理配置隊(duì)形形成縱深、梯次防御體系；

2）預(yù)警探測(cè)：利用平臺(tái)所攜各種電子探測(cè)器材，預(yù)先發(fā)現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)，提供及時(shí)的預(yù)警，為各種防御提供充裕的時(shí)間和目標(biāo)數(shù)據(jù)；

3）通信組網(wǎng)：利用平臺(tái)所攜信息傳輸系統(tǒng)，使所有平臺(tái)能夠共享各種各樣的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)信息的縱向、橫向傳輸和雙向交互，保持實(shí)時(shí)性和精確性；

4）協(xié)同打擊：對(duì)進(jìn)入防御區(qū)域的敵方目標(biāo)，統(tǒng)一分配所屬平臺(tái)的防空武器進(jìn)行協(xié)同抗擊，利用多平臺(tái)整體探測(cè)和交戰(zhàn)能力應(yīng)對(duì)空襲，提高區(qū)域防空效能。

1.2 多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案組成

多平臺(tái)防空是以多個(gè)水面作戰(zhàn)平臺(tái)為載體，通過(guò)作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)將各作戰(zhàn)平臺(tái)、武器、傳感器、通信等資源共享和高度融合，實(shí)現(xiàn)阻滯和消除敵方空中威脅的作戰(zhàn)方式。因此，要完成多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)，需要合理組織多平臺(tái)內(nèi)傳感器、武器、通信、指控等要素，完成戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)、預(yù)警探測(cè)、通信組網(wǎng)、協(xié)同打擊等子任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)防空作戰(zhàn)。

根據(jù)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)特點(diǎn)及需求[2]，本文將多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃分為多平臺(tái)防空作戰(zhàn)資源配置規(guī)劃和任務(wù)決策規(guī)劃，框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃框架

圖1中，作戰(zhàn)資源配置規(guī)劃由多平臺(tái)編成規(guī)劃和隊(duì)形配置規(guī)劃組成，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和可用兵力，基于多目標(biāo)規(guī)劃模型確定作戰(zhàn)所需的作戰(zhàn)資源種類和規(guī)模，并根據(jù)作戰(zhàn)平臺(tái)作戰(zhàn)能力，基于遺傳算法對(duì)作戰(zhàn)編成內(nèi)的參戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行部署優(yōu)化，形成配置方案；防空任務(wù)決策規(guī)劃通過(guò)通信組網(wǎng)規(guī)劃、預(yù)警探測(cè)規(guī)劃和協(xié)同打擊規(guī)劃完成，確定作戰(zhàn)行動(dòng)單元—任務(wù)分配方案，使作戰(zhàn)效能最優(yōu)。

為實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)自動(dòng)規(guī)劃，建立防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案框架層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行形式化描述，通過(guò)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)組成分析，構(gòu)建多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案的框架層次結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

2 防空作戰(zhàn)資源配置規(guī)劃

多平臺(tái)防空資源配置的過(guò)程是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標(biāo)情況、我方用作戰(zhàn)力量等信息，配置防空兵力編成，規(guī)劃最優(yōu)兵力部署方案，生成多平臺(tái)配置信息。

2.1 多平臺(tái)編成規(guī)劃

根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標(biāo)情況、我方兵力及武器配備情況，分析兵力編成與作戰(zhàn)能力需求之間的關(guān)系，分別基于各兵力作戰(zhàn)能力協(xié)同需求[3]，將其集成搭建防空自適應(yīng)兵力編成優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化多平臺(tái)編成。

多平臺(tái)編成空間可表示為：

防空自適應(yīng)兵力編成優(yōu)化模型描述如式（3）所示：

2.2 多平臺(tái)防空隊(duì)形部署規(guī)劃

在多平臺(tái)規(guī)劃基礎(chǔ)上，對(duì)敵情進(jìn)行分析，獲取敵來(lái)襲規(guī)模和方向等作戰(zhàn)任務(wù)，并根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、兵力編成及作戰(zhàn)約束條件等，搭建基于任務(wù)需求的作戰(zhàn)兵力優(yōu)化部署模型[4,5]，采用遺傳算法獲取作戰(zhàn)兵力部署方案，完成自適應(yīng)兵力配置規(guī)劃，提高多平臺(tái)防御能力。

1）約束條件分析

為保證必要的武器攔截次數(shù)，需滿足耦合殺傷區(qū)，如圖2所示，即有：

圖2 平臺(tái)耦合殺傷區(qū)計(jì)算示意圖

按照多平臺(tái)反導(dǎo)攔截要求，考慮平臺(tái)機(jī)動(dòng)、安全距離和保證必要的攔截次數(shù)，有：

2）部署規(guī)劃模型

2.3 模型求解

隊(duì)形部署規(guī)劃模型非線性，變量解空間范圍較大，常規(guī)優(yōu)化算法處理難度較大且計(jì)算量大，而遺傳算法對(duì)參數(shù)空間進(jìn)行編碼后，利用遺傳、變異和選擇三種遺傳算子將種群向更優(yōu)化的方向引導(dǎo)，非常適合求解隊(duì)形優(yōu)化問(wèn)題[6]。

本文以隊(duì)形類型、間距、角度等為特征，對(duì)每個(gè)染色體編碼，完成遺傳個(gè)體的建模，對(duì)不滿足約束條件的個(gè)體采取淘汰機(jī)制，通過(guò)遺傳進(jìn)化完成對(duì)多平臺(tái)防空隊(duì)形的尋優(yōu)求解。具體過(guò)程不再贅述。

3 防空任務(wù)決策規(guī)劃

防空任務(wù)主要包含對(duì)空探測(cè)、通信組網(wǎng)和對(duì)目標(biāo)攔截打擊，因此任務(wù)決策規(guī)劃通過(guò)預(yù)警探測(cè)規(guī)劃、通信組網(wǎng)規(guī)劃和協(xié)同打擊規(guī)劃完成。

3.1 預(yù)警探測(cè)規(guī)劃

根據(jù)多平臺(tái)防空探測(cè)任務(wù)、傳感器特性，制定多平臺(tái)內(nèi)傳感器協(xié)同探測(cè)方案，主要要素為探測(cè)輻射區(qū)域、參與協(xié)同探測(cè)任務(wù)平臺(tái)、執(zhí)行探測(cè)傳感器工作方式等。

3.2 通信組網(wǎng)規(guī)劃

3.3 協(xié)同打擊規(guī)劃

多平臺(tái)防空協(xié)同打擊規(guī)劃的目標(biāo)是根據(jù)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，對(duì)我方武器、傳感器資源進(jìn)行合理調(diào)度，確定由哪些資源，采用何種策略共同配合完成抗擊任務(wù)。本文在考慮傳感器、武器、目標(biāo)之間制約關(guān)系基礎(chǔ)上，建立武器協(xié)同打擊分配模型，其中武器殺傷區(qū)模型[9]、可攔截性判斷模型[10]（該模型應(yīng)用較廣，在此不做贅述）提供是否滿足協(xié)同打擊條件判據(jù)，攔截效能模型確定協(xié)同打擊優(yōu)化分配效能函數(shù)，以整體作戰(zhàn)效能最大化為目標(biāo)牽引，得到武器—目標(biāo)分配規(guī)劃方案。其中本文可攔截性判斷根據(jù)目標(biāo)威脅等級(jí)、可參與攔截作戰(zhàn)的武器集及已被分配的目標(biāo)集，計(jì)算可攔截目標(biāo)集，在可攔截目標(biāo)集和時(shí)間空間可攔截性判斷的基礎(chǔ)上，增加信息保障可行性判斷，即多平臺(tái)中傳感器是否可提供滿足武器對(duì)目標(biāo)信息精度要求的信息保障。

利用多平臺(tái)傳感器對(duì)武器打擊的信息支持，最大程度完成抗擊任務(wù)，從目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率、目標(biāo)毀傷概率和傳感器保障能力三方面入手打擊攔截效能模型如式（10）所示：

3.4 模型求解

本文對(duì)預(yù)警探測(cè)規(guī)劃和通信組網(wǎng)規(guī)劃模型采用數(shù)學(xué)解析方法進(jìn)行求解，具體求解過(guò)程不再贅述。

多平臺(tái)防空協(xié)同打擊規(guī)劃在決策選擇時(shí)估計(jì)當(dāng)前收益，也要考慮對(duì)后期造成的影響，這種決策過(guò)程即序貫策略。蒙特卡洛樹(shù)搜索算法（Monte Carlo Tree Search，MCTS）是一種在采取隨機(jī)抽樣的決策空間，根據(jù)結(jié)果建立搜索樹(shù)尋找最優(yōu)決策的方法，解決序貫決策問(wèn)題有很好的適用性[11]?；贛CTS決策規(guī)劃算法流程如圖3所示。

圖3 基于MCTS的決策規(guī)劃算法流程

4 仿真結(jié)果及分析

在我方多平臺(tái)典型兩種類型4個(gè)平臺(tái)兵力配置，初始隊(duì)形為菱形，在面臨敵方8架飛機(jī)從兩個(gè)方向在8 km高度，采用4機(jī)編組、機(jī)機(jī)間距5 km方式，以0.73 Ma的速度從距我方多平臺(tái)150 km處向多平臺(tái)序貫來(lái)襲的紅藍(lán)雙方對(duì)抗想定下，如圖4所示。針對(duì)上述各模型規(guī)劃出的方案進(jìn)行仿真分析，生成相應(yīng)防空作戰(zhàn)方案。

圖4 作戰(zhàn)想定示意圖

讀取作戰(zhàn)想定信息（我方兵力配置及隊(duì)形信息、敵方威脅區(qū)域等信息），根據(jù)我方兵力配置和隊(duì)形部署、敵方威脅等想定信息，生成相應(yīng)隊(duì)形優(yōu)化方案，如圖5所示。

圖5 隊(duì)形配置規(guī)劃生成界面

上述隊(duì)形配置規(guī)劃模型采用遺傳算法在想定態(tài)勢(shì)下的規(guī)劃結(jié)果的遺傳算法適應(yīng)度曲線如圖6所示。

圖6 隊(duì)形規(guī)劃適應(yīng)度曲線圖

根據(jù)上述想定和相應(yīng)作戰(zhàn)需求，包括作戰(zhàn)威脅區(qū)域覆蓋率、掃描頻率、組網(wǎng)間距等要求，生成預(yù)警探測(cè)方案、通信組網(wǎng)方案和協(xié)同打擊方案，如 圖7所示。

圖7 作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃界面示意

在該想定下規(guī)劃作戰(zhàn)方案結(jié)果為：在8批目標(biāo)時(shí)，兩種類型每種類型兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)參戰(zhàn)，綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)最高；多平臺(tái)隊(duì)形為平臺(tái)間距為25 km的菱形隊(duì)；根據(jù)通信效率，規(guī)劃出該想定下最優(yōu)的通信組網(wǎng)方案為兩個(gè)子網(wǎng)分別為1號(hào)+2號(hào)平臺(tái)和3號(hào)+4號(hào)平臺(tái)；生成參與探測(cè)平臺(tái)為1、3、4號(hào)平臺(tái)的預(yù)警探測(cè)方案，滿足覆蓋率及掃描頻率要求；考慮目標(biāo)來(lái)襲方向，規(guī)劃協(xié)同打擊方案如表2所示。

表2 協(xié)同打擊規(guī)劃

經(jīng)過(guò)規(guī)劃計(jì)算，將1、2、3、4、5號(hào)目標(biāo)分配給我方1號(hào)平臺(tái)攔截，由1號(hào)平臺(tái)進(jìn)行信息保障，6、9、12號(hào)目標(biāo)分配給我方2號(hào)平臺(tái)攔截，1號(hào)平臺(tái)提供信息保障，7號(hào)目標(biāo)由2號(hào)平臺(tái)攔截和信息保障，8、10、11號(hào)目標(biāo)均由4號(hào)平臺(tái)攔截和信息保障，決策時(shí)延0.14 s，各目標(biāo)作戰(zhàn)任務(wù)開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間如圖7界面顯示。在該規(guī)劃方案下評(píng)估完成任務(wù)數(shù)量7.78，任務(wù)完成概率為97.25%。

可以看出，通過(guò)對(duì)防空任務(wù)分解，得到規(guī)劃框架結(jié)構(gòu)和組成，采用分而治之的思路，針對(duì)每部分規(guī)劃模型，都根據(jù)作戰(zhàn)要求或效能生成相應(yīng)的規(guī)劃方案，模型合理，算法可行，對(duì)各方案模型集成形成多平臺(tái)防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案，提高了作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的科學(xué)性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)開(kāi)展探究，圍繞作戰(zhàn)任務(wù)、規(guī)劃結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行剖析，并對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行模型的搭建和仿真分析，以數(shù)據(jù)為中心、自動(dòng)處理為主要手段進(jìn)行作戰(zhàn)方案的規(guī)劃，使任務(wù)規(guī)劃不再局限于傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)，在科學(xué)理論和現(xiàn)代化技術(shù)手段的支撐下，實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的自動(dòng)化，為指揮員提供輔助決策支持。但是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程，本文僅提供了多平臺(tái)防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的框架和一種可行的技術(shù)手段，未來(lái)可考慮引入人工智能，將人的主觀影響和模型的擬合遷移到作戰(zhàn)規(guī)劃訓(xùn)練過(guò)程，進(jìn)一步豐富規(guī)劃方案，提高作戰(zhàn)規(guī)劃的智能化和自動(dòng)化，為快速精準(zhǔn)指揮決策提供支撐。

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Research on Multi-Platform Anti-Air Combat Mission Planning Technology

LI Lin, LI Shuanglin, LIU Qin, HAN Chunlei, ZHANG Xiushe

Aimed at the multi-platform anti-air combat mission planning excessively depends on the combat experience of commanders, and the commander’s mental load is too large under the information flood, which leads to the rationality and timeliness of the mission planning, multi-platform anti-air combat mission planning technology is studied. By decomposing the air defense task, the frame structure model of the combat mission is designed. According to the analysis results of the planning composition, the models of multi-platform air defense configuration planning, cooperative detection planning, communication networking planning and cooperative strike planning are constructed and combat planning is generated automatically. Thus improving the scientificity and rationality of the mission planning, and provides support for forming rapid combat decision-making capability.

Multi-Platform Air Defense; Mission Planning; Rapid Generating; Combat Decisions; Combat Planning

TN966

A

1674-7976-(2022)-05-344-06

2022-07-25。李琳（1990.02—），陜西延安人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)閰f(xié)同作戰(zhàn)信息系統(tǒng)。

國(guó)防科技基礎(chǔ)加強(qiáng)計(jì)劃資助