基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的防空作戰(zhàn)分布式協(xié)同決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊光，段曉穩(wěn)

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

0 引言

隨著防御對(duì)象不斷拓展，目標(biāo)性能持續(xù)提升，應(yīng)用電磁環(huán)境日益復(fù)雜，以及決策系統(tǒng)快速響應(yīng)的實(shí)際需求，要求防空作戰(zhàn)決策系統(tǒng)在未來具有針對(duì)大量目標(biāo)數(shù)據(jù)高效的處理與分析能力，而這正是當(dāng)前人工智能技術(shù)發(fā)展主要解決的問題[1,2]。同時(shí)，多武器節(jié)點(diǎn)如果在指揮節(jié)點(diǎn)的集中指揮下進(jìn)行作戰(zhàn)，則指揮節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)所有信息的集中式處理與任務(wù)分配，對(duì)指揮節(jié)點(diǎn)的處理能力提出了極高的要求，并且多節(jié)點(diǎn)魯棒性較差。而在分布式體制下，多武器節(jié)點(diǎn)可以基于戰(zhàn)場(chǎng)一致態(tài)勢(shì)進(jìn)行信息處理與決策評(píng)估，大大減少對(duì)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(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下大批量目標(biāo)信息的實(shí)時(shí)及有效處理、更加準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)面臨的來自目標(biāo)的威脅等信息、實(shí)現(xiàn)在提升作戰(zhàn)系統(tǒng)魯棒性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)更加有效和全面進(jìn)行控制決策的能力、直接提升武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的打擊效果，并最終更加客觀準(zhǔn)確地對(duì)作戰(zhàn)結(jié)果進(jìn)行效能評(píng)估，本文提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的防空作戰(zhàn)分布式協(xié)同決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xié)同武器系統(tǒng)

在武器系統(tǒng)基礎(chǔ)之上應(yīng)用協(xié)同處理技術(shù)，各武器系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)鏈連接便可以形成分布式協(xié)同武器系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 分布式協(xié)同武器系統(tǒng)

1.3 分布式協(xié)同決策系統(tǒng)

分布式協(xié)同決策系統(tǒng)是分布式協(xié)同武器系統(tǒng)的決策中心，包括警戒探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、態(tài)勢(shì)分析模塊、任務(wù)分配模塊、武器控制模塊和效能評(píng)估模塊。其中警戒探測(cè)模塊負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的收集，包括環(huán)境信息和敵方目標(biāo)信息等；數(shù)據(jù)分發(fā)模塊負(fù)責(zé)不同平臺(tái)間數(shù)據(jù)的共享，包括目標(biāo)信息共享和作戰(zhàn)方案共享等；在各平臺(tái)形成一致性態(tài)勢(shì)之后，態(tài)勢(shì)分析模塊對(duì)一致性態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，得到敵方目標(biāo)的作戰(zhàn)意圖等信息；基于任務(wù)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部共享，如存在沖突將通過協(xié)調(diào)機(jī)制解決；在武器打擊方案的基礎(chǔ)之上，武器控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的打擊過程；效能評(píng)估模塊對(duì)武器的打擊效果進(jìn)行評(píng)估，為下一步的作戰(zhàn)行動(dòng)提供支撐。分布式協(xié)同決策系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 分布式協(xié)同決策系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)狀態(tài)空間分析

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

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

圖5 狀態(tài)空間分析思路示意圖

首先針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行目標(biāo)特征的提取，特征包括位置、速度等。在此基礎(chǔ)上，形成所有目標(biāo)的狀態(tài)空間，狀態(tài)空間按目標(biāo)編號(hào)和時(shí)刻獨(dú)立存儲(chǔ)，形成所有目標(biāo)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間矩陣，可采用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型（DBN）對(duì)狀態(tài)空間矩陣進(jìn)行分析[4]，最終得到目標(biāo)的威脅信息和作戰(zhàn)意圖信息等。

4 分布式?jīng)Q策機(jī)制構(gòu)建技術(shù)

協(xié)同打擊分布式?jīng)Q策是在各武器節(jié)點(diǎn)的組織關(guān)系、作戰(zhàn)能力下，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)環(huán)境并綜合考慮各節(jié)點(diǎn)的決策過程、協(xié)調(diào)方法，生成一致的決策結(jié)果。本文從節(jié)點(diǎn)組成、分布式?jīng)Q策同步機(jī)制、一致性協(xié)調(diào)機(jī)制三個(gè)方面開展研究。

4.1 節(jié)點(diǎn)組成

本文按照武器平臺(tái)的指揮關(guān)系將節(jié)點(diǎn)分為指揮節(jié)點(diǎn)、協(xié)同節(jié)點(diǎn)。指揮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)分發(fā)、指揮決策、一致性協(xié)調(diào)等，協(xié)同節(jié)點(diǎn)對(duì)具體的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分解，將任務(wù)分解為不同的決策過程并進(jìn)行求解，同時(shí)協(xié)同節(jié)點(diǎn)將本節(jié)點(diǎn)的決策結(jié)果上報(bào)指揮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一致性協(xié)調(diào)。按以上思路，可將分布式?jīng)Q策分解為指揮決策層、協(xié)同決策層、決策控制層三個(gè)方面，具體如下：

（1）指揮決策層進(jìn)行任務(wù)分發(fā)、指揮決策，對(duì)各協(xié)同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一致性協(xié)調(diào)。

（2）協(xié)同決策層對(duì)指揮節(jié)點(diǎn)下發(fā)的任務(wù)及既定的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行自主決策，并將決策結(jié)果上報(bào)指揮節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

（3）決策控制層對(duì)具體的作戰(zhàn)過程進(jìn)行解算，得出決策結(jié)果。

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4.2 分布式?jīng)Q策同步機(jī)制

每一個(gè)武器節(jié)點(diǎn)均具有一定的信息處理、決策能力，各節(jié)點(diǎn)分布在不同的位置，具有不同的時(shí)鐘，也具有不同的決策時(shí)機(jī)。故分布式?jīng)Q策同步機(jī)制包含時(shí)間同步與事件處理同步。

（1）時(shí)間同步

在分布式系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)擁有不同的物理時(shí)鐘，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等因素造成各節(jié)點(diǎn)不可能完全時(shí)鐘同步，在不同的決策周期，為保證各節(jié)點(diǎn)對(duì)某決策過程有序處理需要對(duì)時(shí)間同步機(jī)制進(jìn)行研究。時(shí)間同步方法有三種：

a.時(shí)間排序。該機(jī)制不需要校準(zhǔn)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，只需要確定各節(jié)點(diǎn)上事件的發(fā)生順序即可。該同步機(jī)制主要應(yīng)用于不需要知道決策節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確事件的場(chǎng)合；

b.相對(duì)同步。該機(jī)制每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持自己的時(shí)鐘，并保存一張與自己有聯(lián)系的其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)間轉(zhuǎn)換表，在各決策階段進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步；

c.絕對(duì)同步。各節(jié)點(diǎn)在每次運(yùn)行時(shí)間同步后，修改存儲(chǔ)的時(shí)鐘參數(shù)，保證各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘與參考點(diǎn)時(shí)鐘一致。

本文擬采用相對(duì)同步方式，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。

（2）事件處理同步

事件處理同步是指各節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行某決策時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)時(shí)機(jī)不同，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生決策的時(shí)間不在同一個(gè)協(xié)調(diào)周期，而先產(chǎn)生決策結(jié)果的節(jié)點(diǎn)可能不是最佳處理平臺(tái)，故需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行某決策的時(shí)機(jī)進(jìn)行同步。

本文中擬采用慢啟動(dòng)的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)。具體過程如下：

a.想定我方武器平臺(tái)在執(zhí)行協(xié)同作戰(zhàn)某決策過程時(shí)，A節(jié)點(diǎn)先于其他節(jié)點(diǎn)被某事件觸發(fā)，此時(shí)，只有A節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生決策結(jié)果，但有可能不是最佳方案；

b.協(xié)調(diào)中心獲取到 A節(jié)點(diǎn)對(duì)該決策過程的決策結(jié)果，但不立刻做出響應(yīng)，將其記錄在事件隊(duì)列中，等待其他平臺(tái)一段時(shí)間；

c.在預(yù)定的等待時(shí)間內(nèi)，協(xié)調(diào)中心獲取到其他節(jié)點(diǎn)的決策結(jié)果，按照一致性協(xié)調(diào)機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)得出協(xié)調(diào)結(jié)果；若無其他節(jié)點(diǎn)的決策信息，則按照A節(jié)點(diǎn)的決策結(jié)果進(jìn)行執(zhí)行；

d.在決策完成后，將決策結(jié)果同步到各決策節(jié)點(diǎn)中完成該決策過程。

4.3 一致性協(xié)調(diào)機(jī)制

在分布式?jīng)Q策系統(tǒng)中，各決策單元在問題描述、求解策略、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)環(huán)境的認(rèn)知等方面的不同將導(dǎo)致求解過程的不一致。對(duì)于一個(gè)決策過程，各決策單元的求解均具有一個(gè)滿意度，本文認(rèn)為，一致性協(xié)調(diào)的目標(biāo)是，通過尋找到一個(gè)決策結(jié)果，使各決策單元的綜合滿意度最高[5]。

設(shè)計(jì)一致性協(xié)調(diào)流程如圖6所示。

5 多平臺(tái)武器目標(biāo)分配技術(shù)

5.1 問題描述

防空作戰(zhàn)武器面臨的來襲目標(biāo)主要包括作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈、炸彈和無人機(jī)等。因?yàn)楦骰鹆挝粚?duì)目標(biāo)的毀傷效能以及諸目標(biāo)本身價(jià)值的不同，所以火力單位對(duì)目標(biāo)的分配存在諸多方案?；鹆Ψ峙涞娜蝿?wù)在于發(fā)揮諸火力單位的整體協(xié)調(diào)優(yōu)勢(shì)，尋求在給定約束條件下總毀傷效果相對(duì)較好的分配方案。

圖6 一致性協(xié)調(diào)流程框圖

5.2 流程設(shè)計(jì)

由于不同防空武器分別具有不同的作用對(duì)象和作用距離，所以認(rèn)為針對(duì)這些火力單元整體的目標(biāo)分配可以通過同步針對(duì)每一型的目標(biāo)分配來實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)分配流程示意圖如圖7所示。圖7中整個(gè)作戰(zhàn)過程中的目標(biāo)分配可以理解為每個(gè)規(guī)劃周期內(nèi)目標(biāo)分配的滾動(dòng)過程，后一階段的決策需要將前一階段的決策結(jié)果作為約束引入。在每一規(guī)劃周期內(nèi)，首先確定己方的所有武器集合和敵方的目標(biāo)集合，然后根據(jù)每型武器的作用對(duì)象和作用距離確定其對(duì)應(yīng)的待打擊目標(biāo)集合，緊隨其后針對(duì)每型武器同步執(zhí)行目標(biāo)分配等后續(xù)過程，過程的主要環(huán)節(jié)包括設(shè)定規(guī)劃周期、設(shè)定目標(biāo)規(guī)劃函數(shù)、設(shè)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(wù)，并對(duì)打擊結(jié)果進(jìn)行效果評(píng)估，如果滿足作戰(zhàn)結(jié)束要求，則結(jié)束目標(biāo)分配等過程，否則繼續(xù)基于目標(biāo)集和武器集確定下一階段針對(duì)哪些火力單元進(jìn)行目標(biāo)分配。

6 結(jié)束語

本文首先分析了武器系統(tǒng)和分布式協(xié)同武器系統(tǒng)的組成，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)分布式協(xié)同決策系統(tǒng)的組成及相關(guān)模塊的功能進(jìn)行分析。緊隨其后，將決策系統(tǒng)分為四個(gè)層次并給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖。通過對(duì)目標(biāo)狀態(tài)空間的構(gòu)成進(jìn)行分析，給出了對(duì)狀態(tài)空間的分析流程。緊接著，通過節(jié)點(diǎn)組成、分布式?jīng)Q策同步機(jī)制和一致性協(xié)調(diào)機(jī)制三部分對(duì)分布式?jīng)Q策機(jī)制進(jìn)行介紹。最后，設(shè)計(jì)了多平臺(tái)武器的目標(biāo)分配流程。

圖7 目標(biāo)分配流程示意圖