基于隊(duì)形控制的電子對抗智能體協(xié)同方法

姜福濤，黃學(xué)軍

（1.中國人民解放軍92768 部隊(duì)，廣東 汕頭，515800；2.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，安徽 合肥，230037）

0 引言

第二次納卡沖突讓世人領(lǐng)略了無人作戰(zhàn)的威力，電子對抗無人裝備（簡稱無人裝備，下同）運(yùn)用問題成為關(guān)注熱點(diǎn)。對海軍瀕海要地防御來說，適當(dāng)增加無人裝備可以提高作戰(zhàn)效費(fèi)比，而且電子對抗無人裝備集群（簡稱集群，下同）已經(jīng)成為研究無人作戰(zhàn)的新課題。但受某些特定地域地理環(huán)境、電磁環(huán)境影響以及部署要求，集群需保持一定的隊(duì)形，并通過優(yōu)化隊(duì)形充分獲取戰(zhàn)場態(tài)勢、利用火力和電磁盲區(qū)規(guī)避海上高威脅區(qū)。隊(duì)形控制是集群協(xié)同的基礎(chǔ)性問題，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提出“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”和“鄰接跟隨”2 種協(xié)同隊(duì)形控制模式，并根據(jù)C++仿真結(jié)果，提出集群協(xié)同的相關(guān)建議。

1 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式下集群協(xié)同控制方法

在未來局部戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場上的電子對抗無人裝備可能來自不同軍種，發(fā)射點(diǎn)隨機(jī)性較大，組織協(xié)同時(shí)需要對其位置進(jìn)行初始化處理。參照當(dāng)前演訓(xùn)任務(wù)中對作戰(zhàn)模塊的編號方法，也可對無人裝備進(jìn)行編號。

1.1 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式下無人裝備編號序列生成方法

“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式運(yùn)用在作戰(zhàn)層面，關(guān)鍵是確定領(lǐng)航無人機(jī)。根據(jù)“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”算法，一般取集群的幾何中心作為中心點(diǎn)，把距離中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)定為領(lǐng)航無人機(jī)，把與的連線作為初始運(yùn)動方向，最后構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)系（→→），為所有無人裝備分配序號，并按升序排列軸坐標(biāo)值。在軸方向，如果坐標(biāo)值為負(fù)則編號為奇數(shù)，若為正則編號為偶數(shù)，按照此規(guī)律輪流編號，直到無人裝備都被編號。在另一個(gè)半平面內(nèi)的成員緊隨先編號的半平面的最后一個(gè)成員連續(xù)編號，如圖1 所示。通過計(jì)算機(jī)仿真演示了無人裝備的序列分配結(jié)果，如圖2 所示。

圖1 集群序列實(shí)現(xiàn)示意圖

圖2 無人裝備序列分配仿真結(jié)果

1.2 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式下無人裝備協(xié)同算法

一般情況下，無人裝備進(jìn)行集群機(jī)動時(shí)，要考慮在三維空間的編組，為簡化問題，本文暫時(shí)以平面研究為主，主要分析單線和多線隊(duì)形。單線隊(duì)形包括水平線、垂直線、弧形、圓、楔形等，重點(diǎn)要考慮無人裝備之間的距離和角度。其算法為：

Step1：輸入序列號，的坐標(biāo)和隊(duì)形結(jié)構(gòu)。

Step2：判斷序列號奇偶性，若為偶數(shù)，標(biāo)記為1，反之為-1。

Step3：計(jì)算目標(biāo)位置坐標(biāo)。

Step4：輸出目標(biāo)坐標(biāo)值。

多線隊(duì)形還要考慮水平線的數(shù)目，判斷隊(duì)形是水平型還是垂直型，具體算法如下：

Step1：輸入序列號，的坐標(biāo)和協(xié)同隊(duì)形結(jié)構(gòu)。

Step2：計(jì)算水平線數(shù)，假設(shè)無人裝備數(shù)目為,如果是多線縱隊(duì)（列數(shù)為），且%=0，等于[]，反之，：=[/]+1；如果是多線橫隊(duì)，:=。

Step3：計(jì)算隊(duì)形長度。如果/2 的余數(shù)是0，：=[((ID%)+1)/2]×d；如果余數(shù)不為零，則需進(jìn)一步判定

①當(dāng)ID/的商是偶數(shù)時(shí)，：=[((ID%)+1)/2]×d，

②若為奇數(shù)且序列號為偶數(shù)時(shí)，：=[((ID%)+2)/2]×d，

③若為奇數(shù)且序列號為奇數(shù)時(shí)：=[(ID%)/2]×d。此處ID為第個(gè)無人 裝備的序列號。

Step4：進(jìn)行標(biāo)記，同單線隊(duì)形標(biāo)記。

Step5：計(jì)算第個(gè)無人裝備目標(biāo)位置坐標(biāo)，u:=u-[ID/]×d,v:=×。此處，代表Step4 中的標(biāo)記值。

Step6：輸出目標(biāo)坐標(biāo)值。

確定無人裝備在集群中的目標(biāo)位置后，下一個(gè)重要問題就是正確設(shè)置移動路徑，以節(jié)省隊(duì)形形成時(shí)間、縮短形成路程。由于電子對抗力量時(shí)效性要求高，經(jīng)常需要緊急編隊(duì)，所以縮短編隊(duì)時(shí)間、贏得時(shí)間優(yōu)勢很重要。但在設(shè)置路徑時(shí)，還需要解決避碰問題，為此提出以下算法：根據(jù)初始位置和在目標(biāo)位置建立模型，計(jì)算任意2 點(diǎn)之間是否有碰撞點(diǎn)。假設(shè)無人裝備速度一致，在每個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)距離記為一個(gè)步長，當(dāng)2 個(gè)起始位置和路徑形成等腰三角形，則會出現(xiàn)碰撞點(diǎn)，記為，此時(shí)序列號小的先通過。

依上述算法仿真得到圖3-4 所示結(jié)果。圖3 仿真了12 個(gè)無人裝備如何形成圓形隊(duì)形；圖4 通過改變角度值，形成不同隊(duì)形；圖5 演示不同數(shù)量的無人裝備形成扇形。

圖3 領(lǐng)導(dǎo)跟隨法中圓形隊(duì)形生成仿真

圖4 12 個(gè)無人裝備形成5 種隊(duì)形的仿真結(jié)果

圖5 不同數(shù)目的無人裝備形成的扇形

1.3 無人裝備協(xié)同運(yùn)動與隊(duì)形轉(zhuǎn)換

圖6 楔形隊(duì)伍協(xié)同運(yùn)動仿真（任務(wù)完成需要5.74 s）

隊(duì)形轉(zhuǎn)換算法的核心思想是確定最短距離和最小時(shí)間。傳統(tǒng)算法會采用兩點(diǎn)位移法，計(jì)算新舊坐標(biāo)位移向量，但會存在延遲。為此進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，建立一個(gè)包含不同隊(duì)形參數(shù)和隊(duì)形轉(zhuǎn)換參數(shù)數(shù)據(jù)庫，在轉(zhuǎn)換隊(duì)形時(shí)可直接調(diào)用子函數(shù)。立足于隊(duì)形優(yōu)化研究背景，本節(jié)研究集群隊(duì)形轉(zhuǎn)換，目的在于解決集群利用盲區(qū)規(guī)避對方偵察或打擊，如圖7 所示。圖中集群形成圓形疏散隊(duì)形，通過對方偵察盲區(qū)（圖中缺口處）時(shí)，需要形成密集隊(duì)形進(jìn)行隱蔽機(jī)動。同時(shí)，集群在面臨任務(wù)調(diào)整時(shí)需要在機(jī)動過程中進(jìn)行隊(duì)形轉(zhuǎn)換，例如從縱隊(duì)式的戰(zhàn)斗隊(duì)形轉(zhuǎn)換為圓形的偵察隊(duì)形，如圖8 所示。

圖7 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”仿真結(jié)果（環(huán)境適應(yīng)性）

圖8 無人裝備動態(tài)轉(zhuǎn)化仿真

1.4 無人裝備協(xié)同方式選擇

上文介紹了基于隊(duì)形控制的集群協(xié)同方法，落實(shí)到電子對抗力量運(yùn)用層面，需要討論協(xié)同方式的選擇。有2 種序列生成方法，即自組織方法（A）和固定序列方法（F），對應(yīng)的分別是有數(shù)據(jù)庫索引和無數(shù)據(jù)庫索引2 種方式。利用程序計(jì)算機(jī)動距離（可按照計(jì)算機(jī)屏幕尺寸比較）和時(shí)間，得到數(shù)據(jù)如表1-2 所示?？梢钥闯?，在數(shù)據(jù)庫支撐下效率更高，這要求當(dāng)前在大規(guī)模作戰(zhàn)準(zhǔn)備期間，加快無人裝備協(xié)同方法研究，豐富戰(zhàn)法數(shù)據(jù)庫。利用EXCEL 軟件可以將表格轉(zhuǎn)化為圖9。

圖9 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式對比

表1 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式生成的A、F 隊(duì)形的距離數(shù)據(jù)（一個(gè)基本單位：1 mm）

表2 “領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式生成的A、F 隊(duì)形的時(shí)間數(shù)據(jù)

2 “鄰近引導(dǎo)”模式下集群協(xié)同方法

“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式屬于基于“中心化”的協(xié)同方式，領(lǐng)航裝備一旦失效，整個(gè)集群會失去控制。為此，提出了一種優(yōu)化模式，即“鄰近引導(dǎo)”，該模式等同于“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”模式，不同點(diǎn)在于選取的參考點(diǎn)不同。在該模式下，各無人裝備實(shí)時(shí)位置的確定基點(diǎn)是其“鄰近者”。所以算法重點(diǎn)是尋找每個(gè)無人裝備的“鄰近者”。同樣為簡化問題，首先先討論F 類隊(duì)形（無數(shù)據(jù)庫索引）情況。

2.1 確定“鄰近者”與隊(duì)形生成

單線隊(duì)形中，無人裝備對稱分布于→軸兩側(cè)，規(guī)定第個(gè)裝備（序列號定義為）將第2 個(gè)裝備作為“鄰近者”。如果小于3，則“鄰近者”為第1 個(gè)裝備。多線隊(duì)形中，的余數(shù)即為第個(gè)裝備所在行數(shù)（），例如，0 時(shí)，第個(gè)裝備就在第0 行。在第0 行可以通過求的值確定“鄰近者”?！? 時(shí)，則先求（+1）/2 的商，再求-的值，即為“鄰近者”的序列號N。

確定“鄰近者”后，需要從初始狀態(tài)形成隊(duì)形，方法同于“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”法。但需要在算法上做出優(yōu)化：當(dāng)0 位裝備損壞后，后續(xù)裝備依次擔(dān)任0 位；當(dāng)裝備的非0 位“鄰近者”損壞后，自動將損壞裝備的“鄰近者”作為新的“鄰近者”。

2.2 無人裝備協(xié)同與隊(duì)形轉(zhuǎn)換

確定好目標(biāo)隊(duì)形后，第1 個(gè)裝備帶領(lǐng)其他裝備形成隊(duì)形。在隊(duì)形機(jī)動過程中，每一個(gè)裝備都與其“鄰近者”保持一定的距離，并且保持自身軸方向與向量→之間角度不變。向量→即為裝備與其“鄰近者”之間的距離向量。圖10 對弧形隊(duì)形進(jìn)行演示，按照100 單位的速度和30°的舷角朝目標(biāo)運(yùn)動，在每個(gè)時(shí)節(jié)都進(jìn)行點(diǎn)跡檢驗(yàn)。

圖10 弧形隊(duì)形的集群協(xié)同仿真

利用仿真來演示集群利用“鄰近引導(dǎo)”模式提高戰(zhàn)場適應(yīng)性。仿真距離為75 個(gè)單位，角度取15°。在機(jī)動過程中，遇到障礙或利用盲區(qū)機(jī)動時(shí)，能從疏散隊(duì)形變換為密集隊(duì)形，如圖11 所示。

圖11 基于“鄰近者引導(dǎo)”的仿真

2.3 無人裝備協(xié)同方式選擇

同樣對比自組織方法（A）和固定序列方法（F），利用程序計(jì)算機(jī)動距離（可按照計(jì)算機(jī)屏幕尺寸比較）和時(shí)間，得到數(shù)據(jù)如表3-4 所示。可以看出，在數(shù)據(jù)庫索引下協(xié)同效率更高，更加驗(yàn)證了平時(shí)做好協(xié)同戰(zhàn)法研究的必要性。圖12 為表格轉(zhuǎn)化圖。

圖12 “鄰近者引導(dǎo)”方法模式對比

表3 “鄰近者引導(dǎo)”方法生成的A 隊(duì)形與F 隊(duì)形的距離數(shù)據(jù)（一個(gè)基本單位：1 mm）

表4 “鄰近者引導(dǎo)”方法生成的A 隊(duì)形與F 隊(duì)形的時(shí)間數(shù)據(jù)

對比圖9、12，可以發(fā)現(xiàn)“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”時(shí)效性更高，所以在防空反導(dǎo)等對時(shí)間要求比較高的行動中，可以采取這種協(xié)同方式；而在抗海上襲擾時(shí)，由于目標(biāo)抗毀性能大，對集群的抗毀性、穩(wěn)定性要求更高，此時(shí)“鄰近引導(dǎo)”協(xié)同可以發(fā)揮在不規(guī)則圖形中保持固定間隔的優(yōu)勢，提高集群的穩(wěn)定性。另外，還可以采取混合策略，例如，通過某電磁盲區(qū)前，基于“領(lǐng)導(dǎo)跟隨”的集群變換成四路橫隊(duì)，此時(shí)四路橫隊(duì)的機(jī)動采取“鄰近引導(dǎo)”方法，通過盲區(qū)后恢復(fù)隊(duì)形。

3 結(jié)束語

本文主要對比了2 種隊(duì)形控制方法在電子對抗智能體協(xié)同中的穩(wěn)定性和時(shí)效性，其中穩(wěn)定性參照的是形成隊(duì)形的距離，遵循距離越短能耗越低、穩(wěn)定性越高的先驗(yàn)準(zhǔn)則。在衡量距離要素時(shí)，采用的是測量智能體集群的“領(lǐng)航者”或“零號”智能體在形成隊(duì)形或轉(zhuǎn)換隊(duì)形時(shí)，在顯示器上的位移。由于不同性能計(jì)算機(jī)影響，隊(duì)形形成距離和時(shí)間差距較大，但對2 種隊(duì)形的對比來說，影響較低，具有一定的參考價(jià)值。作為電子對抗指揮領(lǐng)域最復(fù)雜的問題，協(xié)同始終是推動電子對抗力量體系這一復(fù)雜巨系統(tǒng)效能發(fā)揮的驅(qū)動力，好的協(xié)同方法可以達(dá)成量變到質(zhì)變的戰(zhàn)場非線性態(tài)勢轉(zhuǎn)換。本文主要從數(shù)理層面進(jìn)行了初步研究，而對于復(fù)雜系統(tǒng)理論中的突變和混沌等機(jī)理在電子對抗智能體協(xié)同中的表現(xiàn)還未深入探究。■