多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

林福良，宋 穎，王建宏，張 超

(1.北京控制與電子技術(shù)研究所信息系統(tǒng)工程重點實驗室，北京 100038;2.解放軍駐國營699廠軍事代表室，北京 100039)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)發(fā)展到系統(tǒng)、體系或網(wǎng)絡(luò)的對抗，導(dǎo)彈集群協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)是其重要組成部分。建立在高新技術(shù)基礎(chǔ)上的多彈聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃的籌劃活動在近幾場局部戰(zhàn)爭中嶄露頭角。聯(lián)合火力的有效協(xié)同，不僅能夠做到優(yōu)勢互補，而且還能實現(xiàn)整體效能倍增。如何綜合運用現(xiàn)有導(dǎo)彈武器裝備并通過聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃提高或形成超預(yù)期的實戰(zhàn)能力，是導(dǎo)彈武器裝備發(fā)展領(lǐng)域亟待解決的難題。新的戰(zhàn)爭形態(tài)和新技術(shù)、新方法催生出了新的作戰(zhàn)需求，當(dāng)前的任務(wù)規(guī)劃要求多彈聯(lián)合規(guī)劃，實現(xiàn)效能最優(yōu);戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，要求規(guī)劃時間短;根據(jù)作戰(zhàn)需求，可隨時進行任務(wù)重規(guī)劃。本文基于新的作戰(zhàn)需求，探討使用新的技術(shù)手段實現(xiàn)多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃的新方法。

1 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃作戰(zhàn)需求

現(xiàn)有任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)主要存在的以下幾個問題。

1)各武器系統(tǒng)單獨作戰(zhàn)

此前，不同體制的武器系統(tǒng)通常建設(shè)各自的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，同時各型號武器常單獨配置任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。但是未來高技術(shù)戰(zhàn)爭是體系化的戰(zhàn)爭，是體系與體系的對抗，取得作戰(zhàn)勝利的決定因素不再局限于單件武器的現(xiàn)代化水平，而是如何應(yīng)用武器裝備體系快速形成體系作戰(zhàn)能力，以及如何快速適應(yīng)千變?nèi)f化的戰(zhàn)場環(huán)境。

2)計算量大、規(guī)劃時間長

目前，困擾任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一是計算時間問題，一些型號武器對作戰(zhàn)任務(wù)進行規(guī)劃的時間超出預(yù)期。在稍縱即逝的戰(zhàn)場環(huán)境中，如果任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)不能在短時間內(nèi)快速有效地做出反應(yīng)，很容易給敵人喘息之機，而貽誤戰(zhàn)機。

3)通常只進行射前任務(wù)規(guī)劃

當(dāng)前一些型號的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)在導(dǎo)彈發(fā)射之后便無法再對其進行控制，尤其是對于可移動的目標(biāo)，射前的信息保障誤差較大，信息保障能力較弱，很難準(zhǔn)確地鎖定目標(biāo)，并且沒有一個很好的機制對一次打擊任務(wù)的作戰(zhàn)效果做出快速評估并進行第二波次的打擊規(guī)劃。通常兩次規(guī)劃的時間間隔較長，很容易使敵方抓住時機進行反擊。

信息化戰(zhàn)爭需要整體效能最優(yōu)的武器裝備體系的支持，強調(diào)的是作戰(zhàn)力量的整體實力，單件武器系統(tǒng)效能的好壞對作戰(zhàn)勝負(fù)的影響越來越小，武器裝備體系的整體效能、國家軍事整體實力的強弱是決定戰(zhàn)爭進程和結(jié)局的關(guān)鍵。

2 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)主要特性

要滿足多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃的作戰(zhàn)需求，需要采用新的技術(shù)手段，制定合理的多彈聯(lián)合攻擊過程，實現(xiàn)高效、快速、靈活、可視化的多彈聯(lián)合攻擊，本文提出了一套多彈聯(lián)合攻擊的過程，如圖1所示。

圖1 多彈聯(lián)合攻擊過程

由此可見，多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的主要特性可以概括如下:

1)多彈聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃，避免各個武器系統(tǒng)單獨作戰(zhàn)

在軍事應(yīng)用中，為了使摧毀目標(biāo)的概率最大，通常需要實施飽和攻擊，即同時從不同方向?qū)δ繕?biāo)進行攻擊。解決多彈種、多目標(biāo)協(xié)同控制中的任務(wù)分配和資源調(diào)度問題，實現(xiàn)多彈聯(lián)合作戰(zhàn)方案制定，促進各個武器系統(tǒng)效能的最大化，避免各個武器系統(tǒng)各自為政，單獨作戰(zhàn)。

2)快速制定火力實施方案，縮短任務(wù)規(guī)劃時間

對作戰(zhàn)時機的籌劃，意味著必須快速進行彈道規(guī)劃，制定火力實施方案，縮短任務(wù)規(guī)劃時間，才能抓住稍縱即逝的作戰(zhàn)時機。

3)實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實時任務(wù)規(guī)劃

戰(zhàn)場態(tài)勢的變化是多樣的，偵查探測的信息也在不斷更新，隨著敵情和戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，可隨時進行作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，對提高整體作戰(zhàn)效能是不言而喻的。

4)根據(jù)效果評估結(jié)果，支持多波次任務(wù)規(guī)劃

隨著偵查手段的多樣化，對戰(zhàn)后效果評估的準(zhǔn)確性也在不斷提高，根據(jù)效果評估的結(jié)果，進行多波次的任務(wù)規(guī)劃和攻擊，是高科技條件下必備的手段。

3 實現(xiàn)多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的技術(shù)手段

多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)支持多彈種、多種目標(biāo)、多波次的打擊規(guī)劃，并滿足聯(lián)合作戰(zhàn)、快速反應(yīng)的要求，其實現(xiàn)的技術(shù)手段是本文要討論的主要問題。

多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃方法主要包括:1)基于建模理論和優(yōu)化理論進行火力計算模型的建設(shè);2)采用仿真的方法，構(gòu)建目標(biāo)體系模型;3)彈地數(shù)據(jù)鏈和彈間數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是作戰(zhàn)任務(wù)重規(guī)劃的保障;4)基于圖像匹配、分析處理技術(shù)的打擊效果評估，為多波次的任務(wù)規(guī)劃提供依據(jù);5)軟總線技術(shù)提高軟件計算、運行能力。

3.1 基于火力計算模型的多彈聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃

常規(guī)導(dǎo)彈聯(lián)合火力打擊中目標(biāo)與火力分配需要回答2個方面的問題:1)火力分配，即確定打擊不同目標(biāo)需要使用的彈型、戰(zhàn)斗部及導(dǎo)彈數(shù)量;2)任務(wù)劃分，即各導(dǎo)彈部隊所要打擊的目標(biāo)、發(fā)射導(dǎo)彈的數(shù)量以及使用的作戰(zhàn)區(qū)?；鹆Ψ峙淠Ｐ椭校紤]參戰(zhàn)的彈型及其可分配的導(dǎo)彈數(shù)量是不確定的，結(jié)合導(dǎo)彈造價、目標(biāo)毀傷代價和目標(biāo)毀傷程度要求3個方面因素，建立相應(yīng)的優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)。

在火力分配優(yōu)化問題中，一方面盡量要求所消耗的彈量越少越好;另一方面盡量要求所打擊的目標(biāo)價值越高越好，同時滿足所打擊目標(biāo)的毀傷要求。模型在彈量滿足條件的情況下可以確保完成對目標(biāo)的打擊任務(wù)要求，同時也可以在完成打擊任務(wù)要求的前提下節(jié)省一些彈量。建立火力計算模型對增強常規(guī)導(dǎo)彈任務(wù)分配的科學(xué)性、合理性，避免彈藥或兵力的浪費，更好地發(fā)揮常規(guī)導(dǎo)彈部隊作戰(zhàn)效能，提高作戰(zhàn)效果具有非常重要的現(xiàn)實意義。

3.2 基于目標(biāo)體系模型的快速彈道規(guī)劃

信息化條件下衡量部隊作戰(zhàn)能力的一個重要指標(biāo)就是戰(zhàn)場快速反應(yīng)能力。這對指揮信息系統(tǒng)中任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的快速決策能力提出了更高要求，而如何提高任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的快速決策能力，首先是要有一個制定快速任務(wù)規(guī)劃的方法。

對于固定目標(biāo)來說，快速任務(wù)規(guī)劃的瓶頸問題在其圖像匹配的仿真計算部分，一次仿真需要很長時間。而通過構(gòu)建目標(biāo)體系模型(包括目標(biāo)點信息、對應(yīng)的圖像匹配信息以及防御信息等)，找到相對該固定目標(biāo)的可匹配區(qū)域和防御區(qū)域的范圍，研究不同類型雷達和不同防御條件下的彈道與可匹配區(qū)域和防御區(qū)域的空間對應(yīng)的關(guān)系，建立目標(biāo)體系模型數(shù)據(jù)庫，將以往通過仿真的規(guī)劃方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ蜆?gòu)建的方式，可以大幅減少規(guī)劃時間，實現(xiàn)快速任務(wù)規(guī)劃。

3.3 基于數(shù)據(jù)鏈的作戰(zhàn)任務(wù)重規(guī)劃

遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈載數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲嫦蜻h(yuǎn)程精確打擊的作戰(zhàn)使命/任務(wù)，基于遠(yuǎn)程通信手段，動態(tài)連接傳感器平臺、指揮控制平臺及飛行中的導(dǎo)彈武器，以高效的消息格式實時交換探測信息、狀態(tài)信息、目標(biāo)指示信息和飛行控制指令的專用數(shù)據(jù)鏈。

通過建立基于數(shù)據(jù)鏈的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，在導(dǎo)彈飛行過程中用實時信息再裝訂技術(shù)，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程目標(biāo)參數(shù)的重新裝訂，通過改變導(dǎo)彈的飛行彈道達到對運動中的目標(biāo)進行精確打擊的目的，進行作戰(zhàn)任務(wù)的重規(guī)劃。

3.4 基于圖像分析的打擊效果評估

打擊效果評估是指及時、準(zhǔn)確地評估因運用軍事力量而造成的預(yù)定敵方目標(biāo)的毀傷效果。影響打擊效果評估的主要因素包括打擊前后的圖像質(zhì)量、配準(zhǔn)精度和變化檢測3個方面。通過圖像高精度配準(zhǔn)和變化檢測技術(shù)，分析打擊前后的圖像變化以及目標(biāo)特征的變化與毀傷等級的對應(yīng)關(guān)系，來實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的打擊效果評估。

可利用基于區(qū)域灰度相關(guān)的圖像匹配算法分析打擊前后圖像的變化，并根據(jù)打擊前后圖像區(qū)域目標(biāo)特征變化大小，確定目標(biāo)的毀傷程度?；趨^(qū)域灰度相關(guān)的圖像匹配算法的基本思想是:在參考圖上逐像素滑動實時圖，計算實時圖與其覆蓋的參考圖子圖間的相關(guān)系數(shù);遍歷全圖后，相關(guān)系數(shù)構(gòu)成相關(guān)面，根據(jù)相關(guān)面中的極值點反演最佳匹配位置，該算法能夠大幅度降低運算量和存儲時間。基于圖像分析的打擊效果評估技術(shù)，可以最大限度地優(yōu)化火力、提高戰(zhàn)役資源利用率、節(jié)約戰(zhàn)爭成本。

3.5 基于打擊效果評估的多波次任務(wù)規(guī)劃

利用偵察裝置將導(dǎo)彈的毀傷效果和戰(zhàn)場態(tài)勢信息進行實時探測及回傳，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)接收到毀傷圖像及有關(guān)信息后，將此圖像與毀傷之前的圖像進行高精度配準(zhǔn)比對，得出毀傷結(jié)論，并根據(jù)毀傷結(jié)論對前期規(guī)劃結(jié)果進行調(diào)整，做出第二波次打擊的決策。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)回傳的探測信息快速做出毀傷效果評估，可為第二波次打擊提供最直接的決策依據(jù)，從而縮短兩次規(guī)劃的時間間隔，為達成預(yù)期作戰(zhàn)目標(biāo)贏得時間。

3.6 基于信息軟總線的實時業(yè)務(wù)調(diào)度

實時業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)實際上是應(yīng)用了實時信息分發(fā)技術(shù)(DDS)，將數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息打包成統(tǒng)一信息格式，在各應(yīng)用間進行數(shù)據(jù)交互和業(yè)務(wù)流程的實施。實時信息分發(fā)技術(shù)規(guī)范了分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(Data-Centric Publish/Subscribe)機制，提供了一個與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言。該技術(shù)是一種輕便的、能夠提供實時信息傳送的中間件技術(shù)。其目的是簡化分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的有效發(fā)布，它主要應(yīng)用在要求高性能、可預(yù)見性和對資源有效使用的關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域。

實時業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)通過以主題數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布-訂閱模式，將數(shù)據(jù)信息及業(yè)務(wù)信息打包成統(tǒng)一信息格式，在各模塊間建立一條信息傳輸軟總線，使各應(yīng)用之間通過一種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口進行實時數(shù)據(jù)交互，并保證業(yè)務(wù)流程有序進行。

3.7 可視化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

通過建立基于地理信息的態(tài)勢規(guī)劃系統(tǒng)，使整個戰(zhàn)場態(tài)勢更直觀，規(guī)劃過程更清晰;用三維可視化技術(shù)實現(xiàn)仿真演示系統(tǒng)，在任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)運行過程中，實現(xiàn)規(guī)劃結(jié)果的三維顯示與交互，通過建立目標(biāo)毀傷模型和突防模型，使作戰(zhàn)人員直觀、形象地了解任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)執(zhí)行的狀態(tài)，研究中間結(jié)果及成果的可用性等信息。以超大規(guī)模三維地形可視化、三維虛擬數(shù)字地球模型和基于三維的人機交互為基礎(chǔ)，實現(xiàn)可視化仿真，嵌入到任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)中，推動系統(tǒng)高效運行。

4 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)總體框架

多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)在建立各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，通過接收上級作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)要求以及情報保障系統(tǒng)的各類保障信息(包括戰(zhàn)場環(huán)境、部隊裝備信息、目標(biāo)信息等)，進行任務(wù)規(guī)劃作業(yè)。系統(tǒng)在搭建快速計算平臺和三維顯示平臺的基礎(chǔ)上分為2大部分:應(yīng)用級規(guī)劃和技術(shù)級規(guī)劃。其中:應(yīng)用級規(guī)劃系統(tǒng)通過火力模型計算，形成包括火力方案、目標(biāo)分配方案以及打擊方案在內(nèi)的各類規(guī)劃方案，之后進行任務(wù)擬制并下發(fā)到各技術(shù)級規(guī)劃系統(tǒng);技術(shù)級規(guī)劃系統(tǒng)接收到任務(wù)后進行彈道規(guī)劃、毀傷分析以及方案優(yōu)化等作業(yè)，并對規(guī)劃結(jié)果進行效能評估。系統(tǒng)中各模塊之間的任務(wù)調(diào)度及信息傳遞通過業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)實現(xiàn)。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)總體框架

4.1 硬件組成

硬件系統(tǒng)包括圖形工作站、服務(wù)器、高性能微機、交換機、高分辨率彩色顯示器、投影設(shè)備等。其中:圖形工作站主要完成圖像處理及顯示功能，負(fù)責(zé)生成任務(wù)預(yù)演及回放模塊所需的三維地理圖像、導(dǎo)彈運動狀態(tài)和進行彈道的顯示;地理信息服務(wù)器主要存儲及處理數(shù)字地圖數(shù)據(jù);計算服務(wù)器主要完成導(dǎo)彈參數(shù)及圖像匹配計算等;高性能微機主要完成各地面規(guī)劃任務(wù);規(guī)劃得到的任務(wù)數(shù)據(jù)由相關(guān)的海量存儲設(shè)備進行存儲與備份。值得注意的是:新增了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)鏈路與衛(wèi)星或預(yù)警雷達等進行實時通信;導(dǎo)彈通過數(shù)據(jù)鏈與衛(wèi)星進行通信來獲得新的目標(biāo)定位信息和毀傷圖片的回傳。整個作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的硬件通過以太網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起。系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

4.2 軟件組成

為了滿足計算量大、實時性高、可視化、易用性、易維護性和通用性的要求，多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)采用層級體系和分布式架構(gòu)模式。整個系統(tǒng)分4個層次設(shè)計，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和表示層，系統(tǒng)軟件組成如圖4所示。

1)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括預(yù)案庫、算法庫、業(yè)務(wù)庫、模型庫以及空間數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫。其中:預(yù)案庫用來存儲各模塊計算的成果，包括規(guī)劃成果、打擊方案成果等;算法庫用來存儲算法數(shù)據(jù)，例如捕獲概率算法、突防概率算法、火力解算算法等;模型庫用來存儲目標(biāo)模型、武器模型以及三維模型等;業(yè)務(wù)庫用來存儲與業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)包括文電數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及一些基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)等;空間數(shù)據(jù)庫用來存儲與地理信息相關(guān)的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等。

2)服務(wù)層

服務(wù)層提供模型計算服務(wù)、彈道計算服務(wù)以及業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)等。其中:彈道計算服務(wù)通過最優(yōu)的CPU分配方式為上層模塊提供計算服務(wù)，以提高任務(wù)規(guī)劃的效率;業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)通過發(fā)布/訂閱的模式為各個模塊提供一種交互渠道，使得各模塊之間能夠通過一種統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的接口進行數(shù)據(jù)交互，有效提高系統(tǒng)資源利用率，同時業(yè)務(wù)調(diào)度服務(wù)可根據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)類型控制任務(wù)規(guī)劃的流程，調(diào)動各應(yīng)用模塊按流程執(zhí)行規(guī)劃任務(wù);模型計算服務(wù)通過建立火力分配模型，為火力規(guī)劃系統(tǒng)提供火力計算服務(wù)，使規(guī)劃系統(tǒng)能夠在較短時 間內(nèi)生成火力方案。

圖3 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)硬件組成

圖4 多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)軟件組成

3)業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層分為應(yīng)用級規(guī)劃和技術(shù)級規(guī)劃2大部分。其中:應(yīng)用級規(guī)劃部分包括目標(biāo)分析子系統(tǒng)、火力規(guī)劃子系統(tǒng)、信息保障子系統(tǒng)和武器特性分析子系統(tǒng)等4部分;技術(shù)級規(guī)劃部分包括技術(shù)規(guī)劃子系統(tǒng)和仿真子系統(tǒng)2部分。各模塊在實時信息分發(fā)服務(wù)的調(diào)度下完成規(guī)劃任務(wù)。

4)表示層

表示層包括態(tài)勢指揮和仿真推演，整個任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)在二維/三維態(tài)勢的基礎(chǔ)上進行，使用戶能夠直觀方便地查看整個戰(zhàn)場態(tài)勢情況，并作進一步的規(guī)劃作業(yè);規(guī)劃結(jié)果通過三維仿真的方式進行仿真驗證，并對于不滿足要求的規(guī)劃結(jié)果進行返回，做方案調(diào)整后重新驗證。

5 結(jié)束語

海灣戰(zhàn)爭以來的軍事斗爭實踐表明，單件武器裝備的能力總是有限的。因此提高武器裝備體系的整體作戰(zhàn)能力，是獲取信息優(yōu)勢和決策優(yōu)勢進而獲得戰(zhàn)爭主動權(quán)的基本保障。構(gòu)建多彈聯(lián)合快速任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多彈種、多種目標(biāo)、多波次以及聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃，具有實時、快速、可視化以及通用的特點，是未來多種型號武器的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的發(fā)展方向。

［1］ 嚴(yán)江江，袁鴻翼，關(guān)世義，等.體系對抗下的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2010(3):12-15.

［2］ 李北林，劉玉潔，李安興.火力打擊時敏目標(biāo)的方案實時制作設(shè)想［J］.火力與指揮控制，2008(10):5-8.

［3］ 馬向玲，高波，李國林.導(dǎo)彈集群協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)［J］.飛行力學(xué)，2009(1):1-5.