基于擴展HTN 的不確定作戰(zhàn)任務(wù)分解*

俞錦濤，肖 兵，崔玉竹

（1.空軍預警學院信息對抗系，武漢 430019；2.空軍預警學院預警情報系，武漢 430019；3.之江實驗室，杭州 311121）

0 引言

作戰(zhàn)單位在執(zhí)行任務(wù)前，需要明確自己的具體任務(wù)，而上級下發(fā)的任務(wù)通常比較簡略，所以必須將概略任務(wù)進行分解，細化為具體的可執(zhí)行任務(wù)。作戰(zhàn)任務(wù)分解通過將若干具體且相互關(guān)聯(lián)子任務(wù)進行優(yōu)化設(shè)計和串聯(lián)，形成清晰的任務(wù)鏈條，有助于作戰(zhàn)單位達到最大的作戰(zhàn)效果和實現(xiàn)資源的優(yōu)化利用。當前，作戰(zhàn)任務(wù)分解主要依靠指揮員和參謀人員的經(jīng)驗判斷，缺乏靈活便捷的輔助決策手段，無法適應信息化條件下多變的戰(zhàn)爭環(huán)境需求，因此，研究作戰(zhàn)任務(wù)分解輔助決策框架非常有必要。

任務(wù)分解方法主要有過程流網(wǎng)［1］、時序邏輯公式和層級任務(wù)網(wǎng)絡(luò)（hierarchical task network，HTN）等方法［2-4］。目前相關(guān)研究大部分是基于HTN 規(guī)劃及其改進形式進行作戰(zhàn)任務(wù)的建模和分解，比如，耿松濤等提出了基于擴展HTN 框架的電子對抗作戰(zhàn)任務(wù)分解算法［5］；ZHAO 等提出了面向任務(wù)的武器裝備體系方案生成方法［6］；趙宇飛利用屬性提取策略，設(shè)計了作戰(zhàn)任務(wù)標準化描述方法和層次化分解規(guī)則［7］；杜偉偉等提出了一種通用的基于HTN 任務(wù)分解的方法框架［8］。以上研究主要針對確定情形下的任務(wù)分解，但是由于多變的戰(zhàn)場環(huán)境和情報信息偏差等因素，任務(wù)執(zhí)行有很多不確定性因素，不確定情形下的任務(wù)分解問題還有待于進一步研究。潘明聰?shù)冉o出了概率表示的不確定情形下作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述方法［9］。王紅衛(wèi)等總結(jié)了不確定HTN規(guī)劃的幾種情形，將其劃分為系統(tǒng)狀態(tài)不確定、動作效果不確定和任務(wù)分解不確定等［10］。HTN 框架下的不確定作戰(zhàn)任務(wù)分解沒有系統(tǒng)性的研究，尚存在一些不足，主要表現(xiàn)為：1）作戰(zhàn)任務(wù)不確定的形式化描述沒有統(tǒng)一的框架，任務(wù)間的關(guān)系描述存在片面性；2）基于HTN 框架的分解方法通常達到可行解就停止搜索，對于不確定情形下多方法分解難以擇優(yōu)輸出結(jié)果；3）沒有考慮不確定情形下任務(wù)分解的粒度。

針對以上問題，分析了作戰(zhàn)任務(wù)分解中存在的4 類不確定性情形，根據(jù)這些不確定性問題，分別建立了基于W4A 的作戰(zhàn)任務(wù)要素規(guī)范化描述框架和任務(wù)關(guān)系規(guī)范化描述方法。在經(jīng)典HTN 分解方法的基礎(chǔ)上，引入領(lǐng)域知識對HTN 方法進行擴展，通過多方法分解和設(shè)定分解閾值的方式，解決分解方法不確定和分解粒度不確定的問題，然后通過作戰(zhàn)分解約束和效用值優(yōu)選得出最終的分解結(jié)果。應用案例表明，所提的方法有助于解決不確定情形下作戰(zhàn)任務(wù)的分解問題，為指揮員提供一個清晰的任務(wù)規(guī)劃參考。

1 作戰(zhàn)任務(wù)分解的不確定性

作戰(zhàn)任務(wù)分解作為復雜性決策的一環(huán)，受到多種不確定因素的影響，不準確情報信息，復雜多變的任務(wù)環(huán)境以及武器裝備的健康狀態(tài)，都有可能影響任務(wù)執(zhí)行效果，甚至導致遂行使命失敗。因此，分析歸納作戰(zhàn)任務(wù)分解活動中的不確定性因素，盡可能地排除不確定性帶來的影響，是作戰(zhàn)任務(wù)分解建模的首要前提。作戰(zhàn)任務(wù)分解的不確定性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 任務(wù)屬性的不確定性

任務(wù)能否執(zhí)行通過任務(wù)的屬性特征來表示，戰(zhàn)場的態(tài)勢環(huán)境、作戰(zhàn)單元的交互協(xié)同以及自身的作戰(zhàn)能力，都會對任務(wù)屬性的分配產(chǎn)生影響，比如參戰(zhàn)裝備的數(shù)量、編隊的選擇、任務(wù)完成的可能性和起止時間等。在任務(wù)分解階段只能按照情報信息憑經(jīng)驗作出決策判斷，存在較大的不確定性。

1.2 任務(wù)關(guān)系的不確定性

不同任務(wù)之間包含著不同的關(guān)系，比如子任務(wù)之間的順序關(guān)系、與關(guān)系和或關(guān)系等約束，以及上一層任務(wù)對下層任務(wù)的遞進關(guān)系等。任務(wù)關(guān)系主要依靠情報獲取單元得到的情報信息和感知的戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢來判斷，不確定的信息源導致了任務(wù)關(guān)系的不確定性。

1.3 任務(wù)粒度的不確定性

面對不同的作戰(zhàn)需求，有的任務(wù)即使是復合任務(wù)分解到一定程度也可以直接執(zhí)行了；而有的任務(wù)需要進一步細化才能執(zhí)行，因此，對于任務(wù)分解的不同粒度也存在不確定性。

1.4 任務(wù)分解方法的不確定性

任務(wù)分解方法如果只有唯一結(jié)果，那么分解任務(wù)狀態(tài)會向著唯一確定的方向轉(zhuǎn)移；如果有多個結(jié)果（比如按照不通粒度需求采用多種分解方法，或者任務(wù)分解時同時滿足多個不同分解狀態(tài)的前提條件），那么規(guī)劃的結(jié)果只能隨機地選擇其中一個，所以任務(wù)分解方法的不確定將產(chǎn)生不同的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，進而影響最終的任務(wù)分解結(jié)果。

2 作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)范化描述

在上級指揮員定下決心下達作戰(zhàn)任務(wù)時，由于任務(wù)內(nèi)涵比較寬泛，將其稱為作戰(zhàn)任務(wù)；作戰(zhàn)任務(wù)可以由若干個包含復合任務(wù)的子任務(wù)組成，子任務(wù)不能被直接執(zhí)行，需要進一步分解為可以執(zhí)行的元任務(wù)。為了得到可執(zhí)行的元任務(wù)，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)分解時首先要完成對作戰(zhàn)任務(wù)的規(guī)范化描述，主要包括任務(wù)的要素描述和任務(wù)間的關(guān)系描述。通過規(guī)范得到可量化、通用性強的任務(wù)特征，有助于后續(xù)的規(guī)劃分解。

2.1 作戰(zhàn)任務(wù)W4A 要素描述框架

根據(jù)作戰(zhàn)過程涉及的屬性要素和其他相關(guān)指標，可以將作戰(zhàn)認任務(wù)描述成W4A 框架下的形式化系統(tǒng)，即What，Who，When，Where 和Aim 等。按照上述框架中的要素要點，作戰(zhàn)任務(wù)的規(guī)范化描述可以表示為

其中：

1）Tsubject為任務(wù)主體，表示對作戰(zhàn)任務(wù)的基本描述，包含任務(wù)的編號sid，任務(wù)的名稱sname，任務(wù)的類型stype和直接可執(zhí)行性scondut等。

2）Tforce為任務(wù)的作戰(zhàn)力量，包括作戰(zhàn)力量類型ftype，武器裝備fequip和相應的數(shù)量famount等。

3）Ttime為任務(wù)的時間，包含任務(wù)的起止時間tstart、tend和持續(xù)時間tlast。由于戰(zhàn)場態(tài)勢和情報信息造成的不確定性，任務(wù)的起止時間和持續(xù)時間通常都用區(qū)間數(shù)的形式表示。當任務(wù)時間確定時，區(qū)間數(shù)退化為精確數(shù)。

4）Tspace為任務(wù)的空間，包括作戰(zhàn)的區(qū)域parea和作戰(zhàn)區(qū)域坐標pcoord，坐標按照作戰(zhàn)區(qū)域?qū)膮⒖枷颠M行確定。

5）Taim為任務(wù)需要達到的各種目標。

2.2 任務(wù)之間的關(guān)系描述

作戰(zhàn)任務(wù)之間有著復雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系［11］，但大多對任務(wù)之間關(guān)系的描述集中在層次關(guān)系和時序關(guān)系上，結(jié)合上文的任務(wù)關(guān)系不確定分析，將任務(wù)之間的關(guān)系劃分為層次關(guān)系和邏輯關(guān)系兩類，從而更好地支持任務(wù)分解。若給定兩個任務(wù)Ta和Tb，則兩者的關(guān)系表示為

其中，Rhiera表示層次關(guān)系，說明任務(wù)Ta與Tb具有上下級的層級關(guān)系。Rlogic表示邏輯關(guān)系，包括任務(wù)Ta和Tb的時間順序關(guān)系、非關(guān)系、與關(guān)系以及或關(guān)系，具體的邏輯關(guān)系內(nèi)涵如圖1 所示。在順序關(guān)系中，由于不確定性的存在，任務(wù)之間的執(zhí)行順序不一定是嚴格按照時序的，定義一個優(yōu)先執(zhí)行概率p。當p=100%時，任務(wù)Tb只能在Ta完成之后執(zhí)行。給出一個作戰(zhàn)任務(wù)分解關(guān)系的例子，如圖2 所示。

圖1 邏輯關(guān)系內(nèi)涵示意圖Fig.1 Schematic diagram of the connotation of logical relations

圖2 作戰(zhàn)任務(wù)分解關(guān)系示例Fig.2 Example of a combat task decomposition relation

從圖2 中可以看出，作戰(zhàn)任務(wù)劃分成子任務(wù)1和子任務(wù)2，并且子任務(wù)1 的優(yōu)先概率為50%。元任務(wù)1 ～3 是子任務(wù)1 分解出來的，元任務(wù)4 ～7 是子任務(wù)2 分解出來的。元任務(wù)1 和2 滿足與關(guān)系，即只有兩者同時滿足時才能執(zhí)行元任務(wù)3；元任務(wù)4和5 滿足或關(guān)系，即只要有一個滿足就可以執(zhí)行元任務(wù)6，元任務(wù)6 和7 滿足非關(guān)系，只有元任務(wù)6 不執(zhí)行時才能執(zhí)行元任務(wù)7。

根據(jù)任務(wù)要素和相互關(guān)系的規(guī)范化描述，結(jié)合已有的作戰(zhàn)經(jīng)驗、作戰(zhàn)案例等歷史數(shù)據(jù)以及專家的經(jīng)驗知識，構(gòu)建作戰(zhàn)任務(wù)清單和專家知識元字典，預先將得到的海量作戰(zhàn)任務(wù)數(shù)據(jù)進行清洗規(guī)范，進一步分解成符合規(guī)范化描述的子任務(wù)和元任務(wù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建任務(wù)清單的數(shù)據(jù)庫。當任務(wù)分解按照給定的算法執(zhí)行后，得到作戰(zhàn)任務(wù)分解的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)W={Ts，R}，其中，Ts={Tij|i=1，2，…，m，y=1，2，…，n}為任務(wù)集合，m 為層級數(shù)，n 為當前層級包含的任務(wù)數(shù)；R 為任務(wù)之間的關(guān)系。

3 擴展HTN 分解方法

3.1 任務(wù)分解框架

通過任務(wù)的規(guī)范化描述和建立的任務(wù)清單數(shù)據(jù)庫，支撐解決作戰(zhàn)任務(wù)分解中面臨的不確定性問題。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建擴展HTN 任務(wù)分解算法和多方案優(yōu)選和任務(wù)網(wǎng)絡(luò)評價方法，建立作戰(zhàn)任務(wù)分解的框架如圖3 所示。

任務(wù)分解的輸入內(nèi)容包括初始作戰(zhàn)任務(wù)、構(gòu)建的任務(wù)數(shù)據(jù)庫和相關(guān)的領(lǐng)域知識等3 方面［5］，輸出為最終的任務(wù)分解網(wǎng)絡(luò)，擴展HTN 任務(wù)分解的模型與算法是整個框架的核心，在不斷進行領(lǐng)域知識約束下的搜索和對任務(wù)數(shù)據(jù)庫的匹配后，完成遞歸操作的全過程。

3.2 擴展HTN 分解算法

擴展的HTN 作戰(zhàn)任務(wù)分解算法是在經(jīng)典HTN的基礎(chǔ)上，引入領(lǐng)域知識和多分解方法進行擴展，然后通過綜合篩選和評價得到最終的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，以此應對任務(wù)分解中的不確定問題。

3.2.1 領(lǐng)域知識

領(lǐng)域知識是針對HTN 規(guī)劃在特定領(lǐng)域引入的擴展方法，通常的做法是將包含了操作算子和操作方法規(guī)劃領(lǐng)域進行改寫，從而引入領(lǐng)域知識。在這里定義領(lǐng)域知識為包含任務(wù)分解方法集合、操作算子和任務(wù)關(guān)系模板的三元組

3.2.2 擴展HTN

1）多方法問題

經(jīng)典的HTN 為單一分解方法，只要搜索到一個匹配的分解方案就轉(zhuǎn)入下一個狀態(tài)，但是對于具有多種分解結(jié)果的情形，需要考慮擴展分解方法。在領(lǐng)域知識中已經(jīng)提到，任務(wù)Tij具有的分解方法集為Mij，它包含了多種分解方法，在操作算子OP 里，根據(jù)前提條件pre 里的規(guī)則確定分解動作對應的方法是否可行。若flag=1，保留可行方法m（k），反之剔除不可行的方法，把可行方法分解的結(jié)果進行標記，然后將當前的子任務(wù)存入任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，并在原任務(wù)集合中進行刪除。所有確定的可行方法形成多方法并行分解結(jié)構(gòu)，為任務(wù)分解帶來了更多的可能性。

2）多粒度問題

作戰(zhàn)任務(wù)分解的粒度確定性體現(xiàn)在分解的多粒度特性上，變粒度的實現(xiàn)主要依托領(lǐng)域知識，先在規(guī)范化描述中提前申明可執(zhí)行的非元任務(wù)，然后在操作算子的前提條件里判斷是否繼續(xù)細化表示。通過對特定的子任務(wù)設(shè)定分解層次的閾值，當任務(wù)分解粒度達到閾值時，則對該子任務(wù)的分解終止。對于沒有提前聲明的任務(wù)，默認將其分解到可直接執(zhí)行的元任務(wù)。

3.2.3 多方法篩選評價

采用多種任務(wù)分解方法會造成分解結(jié)果數(shù)量眾多，無法確定最終的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分解結(jié)果，只能通過效用分析評估來對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)進行篩選優(yōu)化。

由于分解結(jié)果多，為了減少計算量，先通過一定的約束條件初步篩選滿足條件的任務(wù)分解方案，使任務(wù)分解后得到的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)滿足作戰(zhàn)資源約束、作戰(zhàn)目標約束和作戰(zhàn)規(guī)則約束，這一步為任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的評價。如果沒有符合約束條件的任務(wù)分解方案，則讓專家參與任務(wù)分解并更新領(lǐng)域知識。然后令初篩后的每一個分解方案的質(zhì)量為Q（di），完成作戰(zhàn)任務(wù)的成本為C（di），由于分解質(zhì)量是效益型指標，指標值越大越好，而成本值越小越好，因此，定義每個方案的效用為

其中，di為第i 中初篩后的任務(wù)分解方案。每個分解方案的效用反映了分解方法的優(yōu)劣，效用值越大分解方法越好。遍歷計算得到不同分解方法下的分解方案效用值，依據(jù)效用值對不同的任務(wù)分解方案進行降序排列，選出效用值最大的分解方案對應的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，即為最終滿足條件的結(jié)果。

為了更清楚地表明上述步驟，繪制了基于擴展HTN 的不確定作戰(zhàn)任務(wù)分解流程圖，如下頁圖4 所示。

圖4 作戰(zhàn)任務(wù)分解流程圖Fig.4 Flowchart of combat task decomposition

4 應用案例

為了驗證方法的可行性，以某次海上聯(lián)合作戰(zhàn)為想定背景，進行應用案例的驗證。面對A 國派遣到某區(qū)域?qū)⒁獙 國的武裝力量進行攻擊的海上艦隊，C 國迅速啟動應急響應機制，派出軍隊對A國的軍隊實施驅(qū)趕，以捍衛(wèi)國家的領(lǐng)土主權(quán)。C 國軍隊的作戰(zhàn)目標為通過海岸線部署的導彈威懾限制航母的活動范圍，清除?？漳繕送{，對敵反制打擊陸上目標。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的邏輯關(guān)系和相關(guān)情報信息，將作戰(zhàn)任務(wù)的W4A 要素規(guī)范性描述如下：

1）Tsubject={001，海上聯(lián)合防空，聯(lián)合作戰(zhàn)，可執(zhí)行}；

2）Tforce= {〈導彈部隊，XX，XX〉，〈航空兵部隊，XX，XX〉，〈航母艦隊，XX，XX〉}；

3）Ttime= {XX+［1，2］h，XX+［5，5.5］h，XX+［6，7.5］h}；

4）Tspcae= {〈陸，XX〉，〈海，XX〉，〈空，XX〉，0，0，0}；

5）Taim：通過導彈威懾限制航母的活動范圍，清除?？漳繕送{，打擊敵陸上目標。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合獲取的情報信息、戰(zhàn)場態(tài)勢和領(lǐng)域知識，將作戰(zhàn)任務(wù)分解為如圖5 所示。從圖中可以看出，清除海上威脅相對清除陸上威脅子任務(wù)有90%的優(yōu)先性，打擊護衛(wèi)艦相對于打擊驅(qū)逐艦元任務(wù)有85%的優(yōu)先性，干擾防空系統(tǒng)相對于打擊陸上目標有85%的優(yōu)先性。彈道導彈威懾子任務(wù)達到了分解閾值，不再往下劃分元任務(wù)。另外，清除空中威脅和清除海上威脅是邏輯與關(guān)系，只有這兩個子任務(wù)完成后才能進行清除陸上威脅任務(wù)，同理攔截戰(zhàn)斗機A、B 編隊也是邏輯與關(guān)系，兩者都完成后才能進行摧毀預警機的任務(wù)。

圖5 海上聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)分解圖Fig.5 Decomposition diagram of maritime joint operation task decomposition

圖6 通過圖5 的任務(wù)關(guān)系類型，給出任務(wù)間的時序邏輯關(guān)系明確的作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃整體流程圖，以便指揮員清晰地了解作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行計劃。在此任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，T1表示彈道導彈威懾子任務(wù)；T2為空中巡邏預警；T3為攔截戰(zhàn)斗機A 編隊；T4為攔截戰(zhàn)斗機B 編隊；T5為摧毀預警機；T6為打擊護衛(wèi)艦；T7為打擊驅(qū)逐艦；T8為干擾防空系統(tǒng)；T9為打擊陸上目標。

圖6 海上聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 Tasks network of maritime joint operation

5 結(jié)論

本文擴展了HTN 作戰(zhàn)任務(wù)分解的方法，對于作戰(zhàn)任務(wù)要素和作戰(zhàn)任務(wù)關(guān)系的不確定性，通過任務(wù)的規(guī)范化描述和建立的任務(wù)清單數(shù)據(jù)庫，支撐解決作戰(zhàn)任務(wù)分解中面臨的不確定性問題。對于多方法和多粒度的不確定性，通過多方法并行執(zhí)行和設(shè)置分解閾值的方法，給出任務(wù)分解的解空間，然后利用作戰(zhàn)相關(guān)約束和效用值優(yōu)選選出最優(yōu)作戰(zhàn)任務(wù)分解方案。應用案例表明，本文提出的方法具有可行性和有效性，該方法可為指揮員決策部署提供輔助手段。在后續(xù)研究中，將考慮把作戰(zhàn)需求和作戰(zhàn)能力引入任務(wù)分解和規(guī)劃中，以匹配更好的任務(wù)分解方案，促進作戰(zhàn)力量和武器裝備的運用。