基于作战辅助决策系统的目标分配研究*

2010-04-26姜文志

舰船电子工程 2010年4期

刘涛姜文志

(海军航空工程学院烟台 264001)

1 引言

现代战争越来越注重使用飞机或导弹对地面目标的袭击,对海军港口、要地来说,来自空中目标的威胁日益成为海军所面临的重大空中威胁。人工进行对空防御决策已经难以满足现代作战的需要。运用智能决策支持技术建立的对空防御辅助决策系统,可以在复杂而瞬息万变的战场态势下帮助指挥员迅速、准确地做出对空防御决策。该系统能根据当前战场情况向指挥员提供一个或若干个具有相应领域知识的专家所能提供的决策方案供其参考。

目标分配是防空作战指挥控制中的关键环节,分配的优劣直接关系到防空作战效果及整体效能的发挥。而现代防空作战目标分配通常是多个防空武器系统对多个目标进行火力攻击,所涉及的因素也相应增加,对目标的优化分配难度增大。建立科学、合理的防空导弹作战单元目标分配模型,为防空作战目标分配提供科学依据就显得尤为关键。

2 防空作战辅助决策系统的构建

防空作战辅助决策支持系统是以系统工程、军事运筹学、人工智能为基础,以计算机技术、信息技术、专家系统、数据库和仿真数学模型为手段[1],针对作战过程中的半结构化和非结构化决策问题,利用模型和数据支持决策活动的具有智能作用的人-机交互系统。

2.1 设计思想

作战辅助决策系统立足点是辅助指挥员对空防御作战,通过信息技术的运用,改善指挥人员的行为,为指挥员进行科学决策提供支持,而非代替指挥员进行决策,人仍是整个作战系统中起决定作用的关键因素[2]。该系统加载于指控系统之内,并通过指控系统获取必要的战场数据信息,在决策过程中使用模型和数据,并采用模型驱动机制,来完成定性的知识推理、定量的模型计算,在进行一系列的数据处理后,将其转换成相应的行动方案,合理分配防空资源,以比人快得多的速度实施科学指挥。

2.2 体系结构

防空作战辅助决策系统以防空武器指控系统为其运行平台,它把各种传感器实时获取的各种数据,经过传输、相关处理等数据融合后,从而更加准确地实现目标识别和跟踪,并把处理后的数据作为本系统必要的决策数据信息。决策系统依靠这些信息建立相关数据库,并利用知识库和模型库产生辅助决策方案。防空辅助决策系统与防空武器指控系统共用同一硬件环境,其软件是选择合适的计算机语言开发的决策系统、知识库和推理机构成该软件的核心,模型库和数据库构成决策环境,可以较好地解决模型的半结构化和非结构化问题。其基本组成包括数据库及其管理系统、模型库及其管理系统、知识库及其管理系统和人机交互系统等。系统的总体结构如图1所示。

图1 作战辅助决策系统体系结构图

3 基于辅助决策系统的目标分配模型

所谓目标分配是指上级指挥控制中心向其下级分配需要拦截的空中目标,通过合理的目标分配,达到尽可能高的作战效能。在防空指挥自动化系统中,目标分配决策依据的主要信息是目标的航路捷径、目标在发射区(杀伤区)内飞行时间和目标的飞临时间。系统通过所获情报信息,经数据融合等预处理后,获得目标的综合信息。然后计算目标的飞行诸元,并进行威胁判定排序。关于敌我双方的态势数据、目标飞行诸元和威胁等级都将存入综合数据库。在综合数据库中还保存有我防空兵器的数据、配置、火力范围等数据。计算机根据综合数据库中相关信息以及指挥员的决心等,对目标进行最优分配。

3.1 目标分配模型

根据防空作战的特点、当时的态势,以及敌、我双方的兵器性能等,建立一套分配规则作为知识库里的知识,使分配结果接近军事专家所期望的最佳效果。推理机运用知识库的知识、综合数据库的数据和实时情报,按照指定的推理方法和检索策略进行各种推理,并调用目标分配模型库模型,得出各种解决问题的方案,以适应目标分配辅助决策系统实时性和动态性特点和要求。人机接口提供用户或专家与系统之间的对话机制,通过解释系统可使用户及时了解系统的推理原则和推理过程,并可为指挥员进行干预提供条件。还可通过人机接口为知识库提供和修改知识,通过对实际情况的归纳总结获取新的知识。其模型图如图2所示[3]。

图2 作战辅助决策系统目标分配模型图

3.2 模型知识表示

存放在知识库中的各类知识由知识库管理系统进行管理和维护,包括知识的存储、检索、获取及检查等工作。军事知识的表示模糊性很强,一般用产生式规则来表示。目标的可拦截条件及目标优化分配准则是知识库里的重要知识,下面以地空导弹拦截空中目标为例,作简要介绍。

3.2.1 目标的可拦截条件

目标可拦截性判断是火力单元拦截目标的必要条件。这里仅仅是根据目标位置、属性识别结果和武器控制状态,决定是否适宜进行拦截。

1)基本问题假定

m批空中来袭目标,n个防空火力单元。

2)空间约束条件

空间约束条件是指目标必须能够经过防空区域某一火力单元的杀伤区。第j批目标能被第i火力单元拦截的条件为:

式中,Pij、Hj、vj分别表示目标 j对火力单元i的航路捷径、目标j的飞行高度和速度;Pmax、Himax、Himin、vimax分别是火力单元i可射击目标的最大航路捷径、最大高度、最小高度和可拦截目标的最大速度。

3)时间约束条件

时间约束条件描述了目标的飞抵发射区时间与火力单元的最小射击周期之间的关系。设第j批目标到达火力单元i发射区远界的时间为tj1,导弹近界的时间为tj2,火力单元发射导弹的时间为tj f,对第k批目标发射导弹的时间为tkf,最小射击周期为tz,则有tj1≤tjf≤tj2、|tjf-tkf|≥tz(k≠f)。

4)物质约束条件

物质约束条件是指防空火力单元处于正常战斗状态,而非故障状态,并且在射击过程中作战资源是否满足射击拦截目标的条件。

只有满足上述约束条件的目标才会进行威胁评估排序和目标分配,以提供防空作战指挥辅助决策。

3.2.2 目标优化分配函数的选择与解算

1)目标函数

假设目标分配之前已经进行了威胁评估,并设目标 j的威胁权重为ωj。

确定决策变量xij:第i个火力单元对第j个目标进行拦截,取值为1;否则取值为0。

火力单元对目标的拦截时间tij:第i个火力单元拦截第j个目标时的拦截时间。

目标函数的建立是围绕作战效能指标的要求进行的,于是可得理想目标函数表达式:

2)函数解算

目标分配问题是一个N-P问题,求解最优的目标分配方案是十分困难的。而且本文模型主要针对工程应用,模型解算不一定苛求最优,但要保证是满意解,且寻优时间不能太长。本文采用启发式[4]方法,按照分配准则,在保证每次约束都是可行的基础上,动态地进行优选,寻求最优的分配方案。该方法实现较易,且满足实时性要求,适用于工程应用。其解算步骤如下:

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(1)确定目标分配区域:目标分配区域是指在进行地空导弹武器系统目标分配时,能够使所分配的目标在经历正常的作战流程后,在杀伤区同导弹相遇的所有目标位置点所构成的空间区域。如果同样用高界、低界、远界、近界来表征目标分配区域,则其高、低界与杀伤区高、低界应完全一致。所以,这里只需讨论目标分配区域远、近界,如图3所示。目标分配区域远界实际就是武器系统进行目标分配的起始线,武器系统对于越过该线的目标按目标到达的前后次序,不断用后续目标顶替前面的目标,循环进行火力分配;目标分配区域近界是武器系统进行目标分配的终了线,系统对于越过该线的目标不进行目标火力分配。