反舰导弹智能化作战在线任务分配研究

杨秀霞，周硙硙，罗 超，张 毅

(海军航空工程学院 控制工程系，山东 烟台 264001)

反舰导弹智能化作战在线任务分配研究

杨秀霞，周硙硙，罗 超，张 毅

(海军航空工程学院 控制工程系，山东 烟台 264001)

在预分配基础上，研究反舰导弹多弹协同作战的在线任务重分配。建立了多弹协同任务分配模型，采用基于拍卖协议的一致性方法研究在有中心弹和无中心弹情况下,分布式多弹协同任务重分配。实例仿真结果表明，分布式协同拍卖方法对解决多弹协同任务重分配问题是切实可行的，满足了作战系统对实时性和快速性的要求。

反舰导弹智能化作战；在线任务重分配；分布式协同拍卖

0 引言

“远程精确打击”是对海导弹攻击的必然趋势和高技术战场的主要特点，对海导弹攻击是打击敌水面舰船的主要手段，而攻击目标的确定是攻击任务中的关键要素。然而，随着高精度制导装备的迅速发展，其造价日益昂贵，因此在可靠地完成作战任务的同时，如何充分发挥反舰导弹的作战效能，减少不必要的浪费就成为实施作战指挥时必须解决的首要问题，而任务分配则是其中的一个重要环节[1]。

在实际战场环境中，将导弹攻击目标的任务分配分为两个阶段：预分配阶段和重分配阶段。预分配阶段是在任务执行开始前，针对战场态势所进行的任务分配。重分配则是在任务执行过程中，出现紧急突发问题，不能按既定任务执行方案执行，此时需要对任务进行在线快速重分配。作为新型智能导弹，具有相当的ATR能力，又有组网通信功能，因此各枚导弹可以共享、修正目标信息，这使得在线任务重分配成为可能。

多弹任务分配体系结构主要有集中式和分布式两种形式。其中，分布式又分完全分布式及有限集中式两种形式[2]。分布式分配结构灵活，适应分布式网络化要求，可扩展性和鲁棒性强，求解能力也有一定的优势，适用于环境变化较快、节点众多且动态变化的场景。任务分配的求解方法主要有合同网协议[2]、组合拍卖[3]等市场算法和完全分布式的群集智能算法[4]。其中，市场算法计算速度快，具有多项式的求解时间，可近似找到最优解。

本文在预分配基础上，研究反舰导弹多弹协同作战的在线任务重分配。建立多弹协同任务分配模型，采用合同网协议的一致性方法研究在有中心弹和无中心弹情况下分布式多弹协同任务重分配。

1 多弹协同自主任务规划建模

以单弹群攻击目标为研究对象，可以推及弹群与弹群之间及多任务的分配。

假设对N枚弹{U1,U2,…,UN}和M个目标{T1,T2,…,TM}已经完成任务分配，构成了一个多类型导弹和目标之间的分配矩阵XN×M，其中矩阵中的元素定义为：

(1)

目标分配时需考虑下面的因素。

1)攻击任务的收益值：

考虑协同攻击

(2)

(3)

其中：

ρj表示第j个目标Tj的重要性；

πj表示第j个目标Tj的被击毁概率值；

Pij表示Ui成功摧毁Tj的概率。

2)摧毁目标的消耗值：

(4)

(5)

Di(j) =f(Plenij,Pthrij,rij)

=α1Plenij+α2Pthrij+(1-α1-α2)rij

(6)

其中：

υi表示导弹Ui的价值；

ζi表示Ui攻击Tj的损耗函数；

Plenij表示Ui攻击Tj的路径代价；

Pthrij表示Ui攻击Tj的危险代价；

α1、α2表示代价函数的各项权值，且α1+α2≤1；

rij表示Ui攻击Tj时被击毁的概率。

3)攻击所有目标所需时间：

(7)

(8)

其中，Len(Pi,Tj)表示Ui攻击Tj的路径长度，Vi表示导弹组的飞行速度，(xu(i),yu(i))表示导弹组i的位置坐标，(xt(j),yt(j))表示第j类目标Tj的中心位置坐标。

2 基于分布式协同拍卖的在线自主任务重分配

在动态环境下，对导弹执行任务的预先分配结果往往不能满足任务要求，需要在线重分配。此时，需要在最短的时间内得到较满意的重分配结果。

在重分配时将每个导弹当作一个智能体。基于多Agent分布协同拍卖的目标分配算法是一种具有实时效果的动态目标分配算法。在此，“实时”并不是指计算时间越快越“实时”，而是指在满足具体任务的计算时间按约束条件得到问题的解，即在规定时间内给出问题的解。

1)有中心弹的全局网络通信任务重分配

对具有中心弹通信的弹群，作为拍卖机制中的主持者对新的任务进行拍卖。对于传统的拍卖每次都是拍卖一个物品，最后竞价最高者获胜。而在此采用的拍卖方法是，主持者每次对待可分配任务的目标生成一定的拍卖顺序，各竞拍者按此顺序进行任务竞拍，各竞拍者之间不存在竞争关系[5]。这种竞拍机制减少了拍卖者和竞拍者之间的交互，有利于减少目标分配时间。

图1是基于多Agent分布协同拍卖的目标分配算法的流程图，和一般的多Agent任务分配方法相比，此处所用的分布协同拍卖算法允许多枚导弹协同攻击一个目标。

2)无中心弹的局部通信任务重分配

在局部通信条件下，多智能弹的任务分配为分布式的。基于合同网协议及多智能体一致性方法，采用分布式合同网协议的算法进行求解，每次循环分为投标和一致性两个阶段。在分布式情况下，各智能弹不能确切知道各个任务的全局标值和分配情况，只能通过相互间的通信用一致性的方法来获得统一的标值及消解分配冲突。分布式合同网协议算法不要求通信拓扑固定不变，但为了信息的一致性，通信拓扑须保持连通，分布式算法对通信连接具有一定的鲁棒性。在一致性阶段中，智能弹通过与相邻近的其他智能弹的通信来更新标值向量和分配向量，将当前所保存的任务标值更新为与其邻接的各智能弹(包含该智能弹自身)所保存的最大值。由于缺乏全局信息，若出现多智能弹的获利最大任务相同，而标值也相同的情况，可选择将任务分配给索引比较大的智能弹。如果多个智能弹所保存的标值信息和分配结果保持Δ(Δ≤N-1，为通信网络直径，即图中任意两顶点间最大距离)个通信循环不变，则可认为达到基本平衡状态[6]，得到分配结果。图2给出了局部通信时多弹分布协同拍卖的目标分配算法流程。

图1 具中心弹时的多弹分布协同拍卖目标分配方案及其算法流程Fig.1 Distributed cooperation auction assignment flowchart with the centralized missile

图2 局部通信时的多弹分布协同拍卖目标分配方案及其算法流程Fig.2 Distributed cooperation auction assignment flowchart with local communication

3 问题求解实例

假设红方舰艇编队具有15枚导弹，攻击蓝方舰艇编队10个海面目标。其中各导弹成功击毁目标的概率及各弹攻击目标的威胁代价分别如表1和表2所示。考虑这两个因素，采用加权因子对二者进行权衡。预分配阶段，随机运行分布估计算法10次，统计结果见表3中的第一行。

表1 导弹成功击毁目标的概率

表2 各弹攻击目标的威胁代价

表3 目标分配的仿真结果

从表3的预分配结果可知，各目标均得到了分配，对照表2可以看出，有3枚弹分配给了威胁代价最高的目标5，同时，各枚弹所分配的目标并非是击毁概率最大的，体现了各弹间的协同(适当牺牲个体收益以求得整体收益最大化)。

假设在任务执行过程中，导弹7故障，此时需要将其不能完成的任务作为被拍卖任务，经过其他导弹协同拍卖后，由中标导弹去执行，从而得到该突发情况下的任务重分配方案。表3的第二行和第三行分别给出了具有中心通信的重分配结果及局部通信的重分配结果。当中心通信时，在随机生成一轮竞拍次序后，原导弹7分配给目标5的任务改由导弹5执行。假设局部通信时，由导弹1至导弹15按编号顺序两两之间相互通信，而导弹1和导弹15之间也可通信，即形成双向环网。导弹7退出网络后，其任务改由导弹8执行。从仿真结果看出，分布式协同拍卖方法对解决多弹协同任务重分配分配问题是切实可行的，满足了作战系统对实时性和快速性的要求。

[1] 王文亮，张效义.反舰导弹协同作战智能化发展趋势[J].舰船电子工程， 2010,30(10)：1-6.

[2] 龙涛.多UCAV协同任务控制中分布式任务分配与任务协调技术研究[D].长沙：国防科技大学，2006.

[3] 刘波, 张选平, 王瑞, 等.基于组合拍卖的协同多目标攻击空战决策算法[J].航空学报，2010,31(7): 1433-1443.

[4] 李大林, 李杰.基于PSO算法的多巡飞器任务分配方法[J].北京理工大学学报, 2010, 30(12): 1436-1439.

[5] 赵敏.分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D].南京理工大学, 2009.

[6] 邸斌, 周锐, 丁全心.多无人机分布式协同异构任务分配[J].控制与决策, 2013, 28(2): 274-278.

Anti-Ship Missile Intelligent On-line Operational Task Assignment

YANG Xiu-xia, ZHOU Wei-wei, LUO Chao, ZHANG Yi

(Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China)

Based on the preassignment, the on-line reassignment of anti-ship missile cooperation operation is studied.The multiple missiles cooperation task assignment model is built.The auction method for consistence is used to the task reassignment when there existing centralized missile or no centralized missile.Simulation shows that the distributed cooperation auction method is practical for the task reassignment, which can satisfy the demand of real-time and rapidity.

Anti-ship missile intelligent operation;On-line task assignment;Distributed cooperation auction

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.007

2015-06-10；

2015-08-23。

航空科学基金(20135584010)

杨秀霞(1975-)，女，博士，副教授，主要从事导航、制导与控制方面的研究。

V448

A

2095-8110(2016)04-0038-04