多平臺防空作戰(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

多平臺防空作戰(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

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

針對多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃過度依賴指揮員作戰(zhàn)經(jīng)驗，信息洪流下指揮員腦力負荷過大導致任務(wù)規(guī)劃合理性和時效性降低等問題，研究多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)。通過對防空任務(wù)分解，設(shè)計作戰(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)建多平臺防空配置規(guī)劃、協(xié)同探測規(guī)劃、通信組網(wǎng)規(guī)劃和打擊規(guī)劃等模型，自動生成規(guī)劃方案，提高任務(wù)規(guī)劃的科學性和合理性，為形成快速作戰(zhàn)決策能力提供支撐。

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

0 引言

在瞬息萬變的作戰(zhàn)形勢下，戰(zhàn)場決策速度與準確性將成為戰(zhàn)斗勝負的決定因素，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)，是實現(xiàn)對敵有效打擊的關(guān)鍵。而目前作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃局限于傳統(tǒng)經(jīng)驗，自動化程度低，無法保證任務(wù)規(guī)劃的合理性和時效性，因此，本文提出多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，將人工智能、作戰(zhàn)決策“尋優(yōu)”算法等先進技術(shù)融入作戰(zhàn)指控系統(tǒng)，科學規(guī)劃作戰(zhàn)任務(wù)，快速準確生成規(guī)劃方案，為作戰(zhàn)行動提供依據(jù)。

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

1.1 多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)分解

多平臺防空一般采用分層防御的方式實現(xiàn)遠（遠程航空兵，距多平臺核心180 km以外）、中（中遠程區(qū)域防空，距多平臺核心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，可對多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)劃分如下：

1）戰(zhàn)術(shù)行動：綜合運用平臺資源，中遠結(jié)合、軟硬結(jié)合，通過合理配置隊形形成縱深、梯次防御體系；

2）預(yù)警探測：利用平臺所攜各種電子探測器材，預(yù)先發(fā)現(xiàn)來襲目標，提供及時的預(yù)警，為各種防御提供充裕的時間和目標數(shù)據(jù)；

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

4）協(xié)同打擊：對進入防御區(qū)域的敵方目標，統(tǒng)一分配所屬平臺的防空武器進行協(xié)同抗擊，利用多平臺整體探測和交戰(zhàn)能力應(yīng)對空襲，提高區(qū)域防空效能。

1.2 多平臺防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案組成

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

根據(jù)多平臺防空作戰(zhàn)特點及需求[2]，本文將多平臺防空作戰(zhàn)規(guī)劃分為多平臺防空作戰(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)劃由多平臺編成規(guī)劃和隊形配置規(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)平臺作戰(zhàn)能力，基于遺傳算法對作戰(zhàn)編成內(nèi)的參戰(zhàn)平臺進行部署優(yōu)化，形成配置方案；防空任務(wù)決策規(guī)劃通過通信組網(wǎng)規(guī)劃、預(yù)警探測規(guī)劃和協(xié)同打擊規(guī)劃完成，確定作戰(zhàn)行動單元—任務(wù)分配方案，使作戰(zhàn)效能最優(yōu)。

為實現(xiàn)多平臺防空作戰(zhàn)自動規(guī)劃，建立防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案框架層次結(jié)構(gòu)模型進行形式化描述，通過多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)組成分析，構(gòu)建多平臺防空作戰(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

多平臺防空資源配置的過程是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標情況、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，生成多平臺配置信息。

2.1 多平臺編成規(guī)劃

根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標情況、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，采用多目標優(yōu)化算法優(yōu)化多平臺編成。

多平臺編成空間可表示為：

防空自適應(yīng)兵力編成優(yōu)化模型描述如式（3）所示：

2.2 多平臺防空隊形部署規(guī)劃

在多平臺規(guī)劃基礎(chǔ)上，對敵情進行分析，獲取敵來襲規(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 平臺耦合殺傷區(qū)計算示意圖

按照多平臺反導攔截要求，考慮平臺機動、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算量大，而遺傳算法對參數(shù)空間進行編碼后，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，非常適合求解隊形優(yōu)化問題[6]。

本文以隊形類型、間距、角度等為特征，對每個染色體編碼，完成遺傳個體的建模，對不滿足約束條件的個體采取淘汰機制，通過遺傳進化完成對多平臺防空隊形的尋優(yōu)求解。具體過程不再贅述。

3 防空任務(wù)決策規(guī)劃

防空任務(wù)主要包含對空探測、通信組網(wǎng)和對目標攔截打擊，因此任務(wù)決策規(guī)劃通過預(yù)警探測規(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)警探測規(guī)劃

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

3.2 通信組網(wǎng)規(guī)劃

3.3 協(xié)同打擊規(guī)劃

多平臺防空協(xié)同打擊規(guī)劃的目標是根據(jù)多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)優(yōu)先級，對我方武器、傳感器資源進行合理調(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)效能最大化為目標牽引，得到武器—目標分配規(guī)劃方案。其中本文可攔截性判斷根據(jù)目標威脅等級、可參與攔截作戰(zhàn)的武器集及已被分配的目標集，計算可攔截目標集，在可攔截目標集和時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，即多平臺中傳感器是否可提供滿足武器對目標信息精度要求的信息保障。

利用多平臺傳感器對武器打擊的信息支持，最大程度完成抗擊任務(wù)，從目標發(fā)現(xiàn)概率、目標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

本文對預(yù)警探測規(guī)劃和通信組網(wǎng)規(guī)劃模型采用數(shù)學解析方法進行求解，具體求解過程不再贅述。

多平臺防空協(xié)同打擊規(guī)劃在決策選擇時估計當前收益，也要考慮對后期造成的影響，這種決策過程即序貫策略。蒙特卡洛樹搜索算法（Monte Carlo Tree Search，MCTS）是一種在采取隨機抽樣的決策空間，根據(jù)結(jié)果建立搜索樹尋找最優(yōu)決策的方法，解決序貫決策問題有很好的適用性[11]。基于MCTS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

在我方多平臺典型兩種類型4個平臺兵力配置，初始隊形為菱形，在面臨敵方8架飛機從兩個方向在8 km高度，采用4機編組、機機間距5 km方式，以0.73 Ma的速度從距我方多平臺150 km處向多平臺序貫來襲的紅藍雙方對抗想定下，如圖4所示。針對上述各模型規(guī)劃出的方案進行仿真分析，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（我方兵力配置及隊形信息、敵方威脅區(qū)域等信息），根據(jù)我方兵力配置和隊形部署、敵方威脅等想定信息，生成相應(yīng)隊形優(yōu)化方案，如圖5所示。

圖5 隊形配置規(guī)劃生成界面

上述隊形配置規(guī)劃模型采用遺傳算法在想定態(tài)勢下的規(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批目標時，兩種類型每種類型兩個平臺同時參戰(zhàn)，綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)最高；多平臺隊形為平臺間距為25 km的菱形隊；根據(jù)通信效率，規(guī)劃出該想定下最優(yōu)的通信組網(wǎng)方案為兩個子網(wǎng)分別為1號+2號平臺和3號+4號平臺；生成參與探測平臺為1、3、4號平臺的預(yù)警探測方案，滿足覆蓋率及掃描頻率要求；考慮目標來襲方向，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)過規(guī)劃計算，將1、2、3、4、5號目標分配給我方1號平臺攔截，由1號平臺進行信息保障，6、9、12號目標分配給我方2號平臺攔截，1號平臺提供信息保障，7號目標由2號平臺攔截和信息保障，8、10、11號目標均由4號平臺攔截和信息保障，決策時延0.14 s，各目標作戰(zhàn)任務(wù)開始時間和結(jié)束時間如圖7界面顯示。在該規(guī)劃方案下評估完成任務(wù)數(shù)量7.78，任務(wù)完成概率為97.25%。

可以看出，通過對防空任務(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，對各方案模型集成形成多平臺防空作戰(zhàn)規(guī)劃方案，提高了作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的科學性。

5 結(jié)語

本文針對多平臺防空作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)開展探究，圍繞作戰(zhàn)任務(wù)、規(guī)劃結(jié)構(gòu)和組成進行剖析，并對作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃進行模型的搭建和仿真分析，以數(shù)據(jù)為中心、自動處理為主要手段進行作戰(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，在科學理論和現(xiàn)代化技術(shù)手段的支撐下，實現(xiàn)了作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的自動化，為指揮員提供輔助決策支持。但是現(xiàn)代戰(zhàn)爭是一個高度復(fù)雜的過程，本文僅提供了多平臺防空作戰(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)劃訓練過程，進一步豐富規(guī)劃方案，提高作戰(zhàn)規(guī)劃的智能化和自動化，為快速精準指揮決策提供支撐。

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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，主要研究方向為協(xié)同作戰(zhàn)信息系統(tǒng)。

國防科技基礎(chǔ)加強計劃資助