航空兵出動計劃方案沖突自動探測問題

鄧紅艷，鄧桂龍，董冬梅，張 燕

(空軍指揮學院,北京 100097)

現(xiàn)代空中進攻作戰(zhàn)具有打擊目標多、出動架次多、出動量大、作戰(zhàn)節(jié)奏快、強度高、指揮控制與協(xié)同復雜的特點?？罩羞M攻作戰(zhàn)時,指揮員的作戰(zhàn)決心和意圖主要通過航空兵出動計劃體現(xiàn)。然而,隨著當前作戰(zhàn)規(guī)模的不斷擴大、作戰(zhàn)樣式的不斷增加,航空兵作戰(zhàn)半徑的不斷增大,航空兵出動計劃方案變得越來越復雜[1]。為了適應聯(lián)合作戰(zhàn),航空兵出動計劃方案日益復雜,不僅包括殲擊機、轟炸機等主戰(zhàn)兵力的使用,而且包括預警機、偵察機、電子戰(zhàn)飛機等保障兵力的使用;并且對于不同規(guī)模、不同樣式的作戰(zhàn),航空兵出動的數(shù)量和要求也各不相同,不僅需要考慮各部隊的戰(zhàn)斗編隊、每日執(zhí)行的具體任務(wù)、航行諸元、武器掛載等常規(guī)因素,而且需要考慮通信規(guī)定、機場保障、作戰(zhàn)效果等其他諸多因素。

如何通過計算機輔助手段提高航空兵出動計劃方案制定效率,如何確保制定的航空兵出動計劃方案切實可行，是當前空軍作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)建設(shè)中需要解決的核心問題之一。要確保制定的航空兵出動計劃方案切實可行,如何自動探測識別航空兵出動計劃方案中的沖突問題是率先要解決的問題。

1 航空兵出動計劃沖突問題分析

相對于民航飛行任務(wù)只考慮空間域、時間域等方面沖突[2-7],航空兵出動計劃方案的沖突問題更為復雜。受戰(zhàn)場復雜性以及不確定性所決定,航空兵出動計劃方案沖突可分為三類:決策沖突、資源沖突和時空沖突:

1)決策沖突

航空兵出動計劃方案決策沖突主要是指不同計劃人員對同一問題的決策結(jié)果不同而導致的沖突或不同問題的決策結(jié)果之間產(chǎn)生的相互沖突。聯(lián)合作戰(zhàn)條件下,航空兵出動計劃方案的制定是一個典型的群體決策問題。為提高出動計劃方案的制定效率,現(xiàn)階段廣泛采用分布式群決策模式[8-10]。在分布式航空兵出動計劃方案群決策模式下,受信息差異、經(jīng)驗知識、偏好等影響,不同的出動計劃方案制定人員往往從局部出發(fā)根據(jù)自身目的和條件進行決策,在全局上就可能導致沖突。

典型的如備降機場數(shù)量有限,不同決策人在制定計劃時各自按照自己的局部利益來申請安排計劃,有可能導致最終飛機備降需求超出現(xiàn)有機場保障能力;在制定突擊某機場跑道的計劃任務(wù)時,針對飛機的武器掛載,計劃人員A建議使用航空炸彈突擊,而同時參與計劃的人員B建議飛機掛載激光制導空地導彈突擊,這就產(chǎn)生了計劃人員A與B在武器選用問題上的決策沖突。

2)資源沖突

資源沖突是航空兵出動計劃制定過程中最常見的沖突。相對于一般民航飛行計劃資源沖突只考慮保障資源沖突,如跑道占用時間、燃料裝載、地面保障設(shè)施等不同,航空兵出動計劃方案資源沖突更加復雜。航空兵出動計劃方案由于其核心目標是作戰(zhàn)任務(wù),因此根據(jù)任務(wù)需求的不同，還涉及兵力使用、武器性能、目標特性等一些特殊需求。兵力使用主要是指根據(jù)任務(wù)需要的飛機架次或者空中加油機等保障飛機的出動數(shù)量;武器性能主要是指根據(jù)任務(wù)需求所采用的不同機型或者武器掛載方案,如執(zhí)行突擊任務(wù)應優(yōu)先采用轟炸機,執(zhí)行攔截任務(wù)應優(yōu)先采用殲擊機;目標特性則是由戰(zhàn)場環(huán)境所決定,如防空武器特性、防空火力范圍、目標建筑材質(zhì)等。

3)航空兵出動計劃時空沖突

航空兵出動計劃時空沖突主要是指飛機在執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)小于時間安全間隔和空間安全間隔的現(xiàn)象。在時間上,信息條件下的軍事斗爭規(guī)模大,時間緊,節(jié)奏快,對出動計劃提出了更高的要求,一方面需要空中兵力緊密銜接,另一方面還要充分考慮由于時間上的問題引發(fā)的飛行矛盾沖突。這種沖突主要因為各型飛機的航線、飛行剖面不一樣，續(xù)航時間不同，飛行高度不同，飛行速度不同，起飛機場不同，上升率、下降率不同等等,造成航線的交叉、保障能力不足等時間上的沖突。在空間上,當前作戰(zhàn)飛機作戰(zhàn)半徑大,機動性強,占用高度層比較多,需要的飛行空間大,另外作戰(zhàn)時,還需要一定的保障兵力,如預警機、偵察機、電子戰(zhàn)飛機等兵力,保障兵力與作戰(zhàn)飛機航路規(guī)劃不一樣,高度配備也不一樣,為了實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)需要,增加了領(lǐng)航方案的計劃難度,必然造成空間上的矛盾沖突。

2 基于仿真推演的航空兵出動計劃沖突自動探測

基于以上分析可知,航空兵出動計劃方案中的沖突不僅受復雜多變的任務(wù)影響而具有不確定性,而且具有復雜性。如果單靠指揮員人工發(fā)現(xiàn)或企圖用一種通用的模型解析，所有沖突問題不僅難以實現(xiàn),而且也無法滿足信息化條件下空軍大規(guī)模應急作戰(zhàn)的實際需求。基于此,本文提出了基于仿真推演的航空兵出動計劃沖突自動探測方法(如圖1所示),其基本原理是基于航空兵出動計劃沖突檢測知識庫,利用仿真推演的方法[11-14]將航空兵出動計劃過程離散化為一系列航跡點的集合,通過監(jiān)測航跡點上的狀態(tài)集合來實現(xiàn)航空兵出動計劃全時段的沖突探測。

具體實現(xiàn)過程是:航空兵出動計劃方案首先經(jīng)過仿真推演預處理,采用出動計劃格式化模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟茯?qū)動仿真推演的XML格式航空兵出動計劃,采用時間策略機制確定航空兵出動計劃方案離散航跡點的疏密程度;處理好的XML格式航空兵出動計劃想定基于仿真引擎依據(jù)制定好的時間策略機制進行仿真推演;在仿真推演過程中,實時基于沖突檢測知識庫利用沖突檢測模塊檢測,并對產(chǎn)生沖突的部分進行沖突警告，并基于沖突檢測知識庫進行沖突致因分析;推演結(jié)束后,根據(jù)綜合分析沖突警告結(jié)果和沖突致因,進行航空兵出動計劃方案修改,修改完成后再進行仿真推演,直到消除所有沖突為止。

在基于仿真推演的航空兵出動計劃沖突自動探測具體實現(xiàn)過程中需要解決兩個核心問題:一是時間策略機制,由于整個探測過程是按照仿真時間的推進,時間間隔的大小直接決定航跡點的多少。如果采用常規(guī)等步長時統(tǒng)推進機制,步長過小時則航跡點數(shù)量過多,計算復雜,仿真效率過低;如果步長過大則航跡點數(shù)量過少,容易導致對潛在沖突檢測發(fā)生遺漏;二是知識庫和數(shù)據(jù)庫支撐層的設(shè)計,沖突知識庫的好壞不僅能夠決定是否有效探測沖突,而且直接影響后續(xù)沖突消解的效率。針對這兩個問題,本文分別設(shè)計了切實可行的解決方案。

2.1 時間策略機制

考慮到航空兵出動計劃沖突發(fā)生時機往往具有集中性這一特點,本文提出了基于沖突敏感區(qū)域的動態(tài)仿真推演時間策略機制,其基本原理是:利用預處理機制對航空兵出動計劃各種可能產(chǎn)生沖突的敏感區(qū)域進行分析計算;選出敏感區(qū)域后,根據(jù)敏感區(qū)域動態(tài)調(diào)整時間步長,在非敏感區(qū)域采用較大步長推進機制,即采用秒級的步長推進機制,而在敏感區(qū)域采用小步長推進機制,可采用毫秒級的步長推進機制。

整個動態(tài)時間策略機制的核心在于敏感區(qū)域的計算。在出動計劃沖突探測中敏感區(qū)域主要是指最有可能發(fā)生沖突的位置或者時間點,即最容易引發(fā)資源或時空沖突的區(qū)域。

計算空間上的敏感區(qū)域本文采用分組解析方法進行預先處理:首先將所有出動計劃涉及的航線按照出動計劃執(zhí)行時間段進行分組,分組原則是所有出動計劃執(zhí)行時間段重合的分為一組;在同組內(nèi)將所有的航線一方面利用空間解析方法兩兩相交進行解算,求出所有的可能沖突點,另一方面根據(jù)不同飛機的性能參數(shù)將航線進行安全距離的擴展,將航線變?yōu)榭罩凶呃葍蓛上嘟贿M行解算,求出所有的可能沖突區(qū)域;將可能沖突點與可能沖突區(qū)域進行一定范圍的擴展，就構(gòu)成空間上的敏感區(qū)域。

采用分組的方法可以將判斷限制在時間上有重合的航路段之間。典型的如航空兵出動計劃1的任務(wù)開始時間是10時25分,任務(wù)結(jié)束時間是13時35分,航空兵出動計劃2的任務(wù)開始時間是13時45分,任務(wù)結(jié)束時間是15時55分,經(jīng)過簡單的分組對比明顯發(fā)現(xiàn),航空兵出動計劃1已經(jīng)執(zhí)行完成了10分鐘,航空兵出動計劃2才開始執(zhí)行,因此可以判斷這兩個航路段是不存在航線沖突的。這樣的預先分組判斷,可以使得沖突的探測與判定工作只針對時間上存在重合的航線進行。而讀取計劃的起止時間并進行比對,只需要執(zhí)行數(shù)量較少的計算機指令,避免了進行空間位置的比對,從而極大地減少比對與探測判斷的時間。

采用解析方法進行沖突預判斷可以將判斷操作限制在空間上有重合的航路段之間。當分組方法不能排除航線沖突的可能性時,首先進行飛行高度的比對,對于平飛的航路段直接將高度差與安全高度進行比較,如果不是平飛航路段,如直線爬升段、直線下降段、轉(zhuǎn)彎上升、下降段等情況,則要讀取這兩個航路段的最高、最低航線高度,然后進行類似的對比,從而判定在高度上是否存在沖突;在進行高度對比的基礎(chǔ)上,將航線進行安全距離擴展,進行解析求交點,如圖2所示,得出敏感區(qū)域。

圖2 航路可能出現(xiàn)的兩種情況

對于資源敏感區(qū)的計算,由于航空兵出動計劃資源沖突往往集中在起飛和降落兩個時段,因此與計算空間沖突敏感區(qū)域類似,同樣將航空兵出動計劃按照起飛和降落時間短進行分組,有重疊的部分設(shè)為敏感區(qū)域。

2.2 知識庫和數(shù)據(jù)庫支撐層的設(shè)計

在基于仿真推演的航空兵出動計劃沖突自動探測中,知識庫主要是由與沖突產(chǎn)生相關(guān)的知識所構(gòu)成,數(shù)據(jù)庫主要由保障資源庫、武器裝備庫、機場信息庫、目標信息庫等與沖突來源相關(guān)聯(lián)的資源數(shù)據(jù)組成。

基于航空兵出動計劃涉及資源沖突要素的分析,從計算機表達的角度,本文將航空兵出動計劃資源沖突中的知識大概分為三類,分別是事實性知識、經(jīng)驗性知識和元知識三類,其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中,事實性知識在航空兵出動計劃制定過程中大量存在,主要是指在航空兵出動計劃制定過程中必須遵循的各種強制性要求或規(guī)則,如為了保證飛行安全飛機之間的最小安全間隔等。具體而言主要包括飛行安全規(guī)則、飛機機型與武器的搭配規(guī)則、機型與執(zhí)行任務(wù)的匹配規(guī)則、武器使用條件限制相關(guān)規(guī)則、機型相互配合基本規(guī)則、機型協(xié)同規(guī)則、機場保障規(guī)則以及使用武器打擊目標類型規(guī)則。事實性知識是整個沖突知識庫的核心,在仿真推演過程中,沖突探測模塊在每個仿真步長依據(jù)事實性知識進行檢測并對不符合的部分進行告警。

圖3 航空兵出動計劃沖突知識庫結(jié)構(gòu)

經(jīng)驗性知識主要是指沒有嚴格的信息來源,主要是憑借航空兵計劃制定人員的經(jīng)驗和熟悉程度而確定的一類知識。經(jīng)驗性知識有其相應的適應范圍,不同的計劃制定人員得到的經(jīng)驗并不完全一致。在整個計劃制定過程中,特別是對于航空兵出動計劃的組織以及針對目標信息的出動計劃決策中,經(jīng)驗性知識對于在滿足事實性知識基礎(chǔ)上追求更大作戰(zhàn)效能具有重要意義。具體而言主要包括使用武器優(yōu)先規(guī)則、武器組合建議規(guī)則、協(xié)同組合建議規(guī)則、保障建議四類。與事實性知識使用不同,經(jīng)驗性知識并不是必須遵循的,只是在沖突致因分析時為便于更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能基于經(jīng)驗性知識給出修改意見建議。

航空兵出動計劃沖突元知識與元數(shù)據(jù)類似,實際是關(guān)于航空兵出動計劃沖突知識的知識,包括知識的適用范圍、來源、法規(guī)依據(jù)、時效性,是利用知識進行沖突探測和消解的輔助保證。如在沖突消解時,對于法規(guī)依據(jù)性的事實性知識必須遵循。

對于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計,主要是在原有數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進行改造,增加相關(guān)字段,以便于沖突識別探測。為了有效地識別航空兵出動計劃方案資源沖突,本文將航空兵出動計劃方案制定過程中所涉及的資源分為耗損型和重復利用型兩大類。其中,重復利用型又可分為共享型和不可共享型兩類。共享型資源是指只能為有限用戶共同使用的有限容量的共享型資源,典型的如機場跑道等;不可共享型資源,其特點是在一個時間區(qū)間內(nèi)只能有一個用戶對該資源擁有使用權(quán),例如某一時刻的作戰(zhàn)飛機使用等。耗損型資源,主要是指一旦使用就不能被其他用戶使用的資源,典型的如彈藥、油料。相關(guān)數(shù)據(jù)庫增加項如表1所示。

表1 航空兵出動計劃沖突自動探測數(shù)據(jù)庫增加字段

3 實驗及結(jié)論

采用本文中提出的解決方案對指揮員擬定的某作戰(zhàn)方向的航空兵出動計劃方案進行沖突探測,該方案涉及出動批次120批,航路段781個,與常規(guī)解析沖突探測方法進行比較,結(jié)論如表2所示。

從實驗結(jié)果來看,基于仿真推演的方法由于涉及沖突告警等實時顯示,用時5 min遠大于常規(guī)解析方法的2 s,但是即使對于空軍應急作戰(zhàn)而言,5 min也是能夠滿足實際作戰(zhàn)需求的。相反,在識別空間沖突、資源沖突、武器使用沖突、保障沖突方面,是否分析沖突原因,是否給出修改意見方面,基于仿真推演的方法具有常規(guī)解析方法所不可比擬的優(yōu)勢。

表2 基于仿真推演的航空兵出動計劃自動探測與常規(guī)解析方法對比