基于双层合同机制的分布式火力规划方法

朱晶星，郑 晟

(上海机电工程研究所,上海 201109)



基于双层合同机制的分布式火力规划方法

朱晶星，郑 晟

(上海机电工程研究所,上海 201109)

针对传统的火力规划方法的不足,提出了基于双层合同机制的火力规划方法,很好地解决了网络化作战下的“目标-武器”的匹配问题,具有响应武器快,资源配置灵活等优点。介绍了该方法的具体步骤以及关键数学模型,将此方法应用于网络化作战的火力规划,并通过仿真验证说明了此方法的有效性。最后对此方法在未来军事领域的应用前景作了简要说明,提出了进一步的改进方向。

双层合同机制；网络化作战；火力规划

随着信息技术的飞速发展,现代战争模式发生了革命性的变化。西方军事强国依托先进的网络化指挥控制技术,凭借其隐身技术、电子干扰技术优势,形成了以空天一体作战、防区外攻击、饱和攻击等为代表的一系列作战策略,现代化装备和先进战术支持下的空袭具备了网络化、体系化和信息化的特点,给地(舰)面防空带来了巨大的挑战。

提升防空作战效能的关键是合理分配防空火力资源,即提高防空火力规划的有效性。传统的火力规划方法为“集中指挥+火力单元独立打击”,通常由防空体系中的某一核心节点掌控区域内所有火力单元的状态信息。空袭目标出现时,指控节点通过责任扇区匹配或人工指定的方式将目标分配给指定火力单元,该火力单元调用自身配属的跟踪雷达、制导设备、发射系统及导弹等完成此次拦截任务。显而易见,这种火力规划方法将待拦截的目标绑定在某个指定的武器系统上,拦截过程中本火力单元依靠自身的雷达完成目标跟踪,使用自身的导弹完成射击拦截,利用自身的制导资源完成导弹制导。传统“集中指挥+火力单元独立打击”的模式存在反应时间长、可调度火力资源种类少、抗干扰能力差及火力分配不均等问题,面对现代空袭很难满足防空需要。

为了适应现代空袭体系特点,提高防空导弹的生存能力及作战效能,地(舰)面防空正全面向网络化作战的方向发展。根据最新的作战理念,网络化防空体系将打破原先固定火力单元中的“探测-指挥-发射-制导”的烟囱式架构,向以“弹(防空导弹)、站(制导站)、架(发射架)分离解耦、多弹多火力单元协同作战”为特征的分布式防御体系的方向发展。在新的防空体系下,火力规划问题被准确提炼为“如何解决目标、弹、站、架的配对关系”,这是网络化防空作战的核心问题,也是最重要的关键技术。尤其对于发展中国家,在单一武器作战效能与发达国家有差距的条件下,谁能更好地发挥各型武器网络化作战的优势,谁就能占得先机,弯道超车,建立空天一体环境下体系作战的绝对优势。

本文提出了一种基于双层合同的火力规划方法,用以解决网络化作战下的“目标、弹、站、架”的配对问题,为我国网络化作战的研究提供理论支撑。

1 基于合同机制的火力规划方法

基于合同机制的火力规划方法由经济活动中的合同招标过程演变而来。对应于合同招标的四个步骤:发布待招标的合同、提写标书、比较各标书的优劣、确定中标对象并签署合同,火力规划也分为四个步骤,分别是:发布火力打击任务、各武器响应任务并提交拦截方案、比较各武器拦截方案的优劣、确认火力打击任务的实施者并下达任务[1]。

与传统的集中式火力规划方法相比,基于合同机制的火力规划方法具有符合网络化作战需求、规划灵活性强、能够充分发挥区域内已有资源能力等优点,适用于较为复杂的任务规划系统;同时其扩展性非常强,特别适用于规模动态变化的系统。因此,基于合同机制的火力规划方法是解决多武器联合作战条件下火力规划难题的有效途径。运用基于合同机制的火力规划方法,能够解决“目标-武器”的适配问题,通过分布式的作战过程最终形成较为优选的火力规划策略。

2 基于双层合同的火力规划方法

2.1 方法概述

网络化作战是未来防空作战的必然发展趋势,其特征是在多武器联合作战的基础上,打破原有各武器系统烟囱式火力通道组织结构,进一步释放各种要素级资源的适配能力,将“弹(导弹类武器)、站(制导站)、架(发射架)”等各类资源根据作战需要灵活地进行组合与搭配,充分发挥每一个资源的作战能力。寻求“目标-武器-制导站”多因素之间的最优化适配,是本方法的主要目的。

本文以一个目标的拦截任务分配过程为例,描述基于双层合同的分布式指挥控制方法。防空拦截任务由指挥中心、火力单元(含多型武器)、制导设备共同完成,它们的关系如图1所示。

图1 资源组成关系图

出现来袭目标后,按照如下步骤实现火力规划。

Step1:由指控节点CM发起一次合同——“目标拦截任务合同”,合同中包含待拦截的目标特性、运动参数等信息,合同被发送至体系内所有火力单元FU,同时每个火力单元将合同继续发布至各单元中的所有可能实行打击武器WA;

Step2:

Step2.1:收到任务的WA,根据拦截任务中的目标特性,结合本平台的导航信息、武器种类进行火力计算,确定本武器的可拦截区域,并计算本武器使用时需要的制导资源;

Step2.2:各武器WA完成制导资源计算后,向所有可能为其提供制导服务的制导设备IA发出二次合同——“制导任务合同”,合同中包含需要提供的制导资源类型(指令或半主动)、制导时间、制导区域等信息;

Step2.3:各制导设备IA收到来自武器WA的制导任务合同后,根据制导任务需求,结合本设备的导航信息、本设备的制导能力、当前已有任务量等,综合判断对该制导任务的完成适宜性,计算得出制导合同竞标参数βIW回告武器WA;

Step2.4:武器WA根据制导设备IA回告的制导合同竞标参数βIW,结合多个制导方案的复杂程度、任务可靠性等,进行“武器-制导”决策,确定优先选择的制导方案以及相应的制导设备IA,并计算得出本武器WA对该拦截任务的拦截任务竞标参数βWC,返回给指控节点;

Step3:指控节点收到各WA返回的对该拦截任务的拦截任务竞标参数后βWC,结合作战使命,最终确定承担本次拦截任务的武器WA,并向该WA节点发送确认消息,完成目标指示;

Step4:收到确认消息及目标指示信息的武器WA完成对目标的火力计算,并向之前已选定的承担制导任务的制导设备IA发送确认消息,预定制导资源,由后者保证制导资源的提供。

至此,一个拦截任务的火力规划就初步完成了。

在作战过程中,不断重复以上的一次合同发布、一次合同招标、二次合同发布、二次合同招标、最终确认的过程,由指挥节点、武器节点和制导节点共同完成对所有拦截任务的火力规划。

相比传统的集中式指挥,基于双层合同机制的分布式火力规划方法有以下几点优点:

1)有利于发挥所有资源本身的能力,对武器、制导设备的实时状态响应更加及时;

2)符合扁平化指挥要求,具备无中心节点或中心节点可快速切换的能力;

3)具有较强的适应性,可在防空体系内更加灵活地进行资源配置,对武器WA和制导设备IA的类型和数量没有固定限制。当区域防空体系根据作战任务需要进行动态布署时,指挥体系自身的架构和算法无需变化,最大程度地保持软硬件不变;

4)支持各武器或制导设备的动态接入与脱出。

2.2 关键数学模型

假设防空体系的可使用作战资源包括:m个火力单元(FU1、FU2…FUm)、每个火力单元可能配备不止一型防空导弹,假设分别是武器WAm1、WAm2…WAms,还有n个制导设备(IA1、IA2…IAn)。

2.2.1 制导任务竞标参数计算

制导任务竞标参数体现了本节点的制导设备对完成指定制导任务的合适程度。

参数计算的输入包括:

1) 制导任务类型(如指令或半主动照射)；

2) 制导区域:(Rnear,Rfar)；

3) 其它约束条件。

当不考虑其它特殊约束条件时,竞标参数的计算模型可简化如下:

1) 是否具备执行指定类型制导任务的能力,如指令发送或半主动照射;

其中(Rmin,Rmax)为制导设备自身威力的范围。

3) 当前已有任务繁重程度βT

其中，T已有为制导设备已承担的任务量(含本次任务),以有效辐射时间计算;Tmax为制导设备最大可承担的任务量,以有效辐射时间计算。

βIW=bav×βR×βT

2.2.2 “武器-制导”决策

1) 取出所有优选参数大于0的制导设备,表明它们具备参与此次制导任务的能力,记为可用的;

2) 将可用的制导设备的可制导范围求并集,表明全系统最大可制导区域;

3) 判断最大可制导区域是否能够覆盖此次制导任务的全部区域:

4) 当本武器能够执行此次拦截任务时,找出合适的制导方案,满足本次拦截任务的前提下制导设备IA的需求量少者优先。

即由(IA1*、IA2*…IAn*)构成的集合,满足制导设备使用总数n最小的同时，有

βIWn>0,n∈{1*…n*}

n=1表示单制导设备即可全程执行此次制导任务;n>1表示此次拦截过程需要进行接力制导。

2.2.3 拦截任务竞标参数计算

武器WA确定制导方案后,计算对该拦截任务的竞标参数βWC

其中，(1*…n*)为参与制导方案的制导设备编号,n为参与制导的设备总数。

2.2.4 “目标-武器”决策

指控中心CM收到来自各武器WA的拦截任务竞标参数βWC后,进行排序比较,选取最大值进行任务分配。

3 应用方向及仿真结果

基于双层合同机制的分布式火力规划方法适用于网络化作战条件下防空武器系统的火力规划及指挥控制,可以预见在第四代防空导弹武器系统的指挥控制中将有广泛应用。

体系化防空典型特征是多武器协同防空,通过本仿真验证改进合同法在多武器协同防空条件下的火力规划能力。

以3个火力单元加1个制导资源点构成区域防空体系。防空体系的组成如图2所示。

3个火力单元,分别包含1个武器节点和1个制导资源点,分别是(WA1、IA1)、(WA2、IA2)、(WA2、IA2),另有一个制导资源点为IA4。其中武器的能力范围以红色圆圈表示,制导资源点的范围以绿色扇形表示。

当前共有4个目标同时来袭,依次是T1、T2、T3、T4,指挥中心CM开始进行火力规划。

传统的火力规划根据各火力单元的责任扇区进行目标分配,各制导节点的覆盖范围基本代表了各火力单元的责任扇区,因此对四个目标的分配结果如下:“T1-WA2-IA2”、 “T2-WA3-IA3”、 “T3-WA2-IA2”、 “T4无武器可拦截”。可见,有1个目标未被拦截,且(WA2、IA2)火力单元承担2个目标的拦截任务的同时，(WA1、IA1)火力单元处于空闲状态,火力规划不尽合理。

使用改进合同法的火力规划方法时,以T1拦截任务为例,各武器计算制导方案如表1所示。

WA1和WA3因目标不在武器杀伤区范围,因而不具备拦截能力,竞标参数为0;WA2选择了IA2作为制导任务承担方,并向指挥中心返回了对拦截任务的竞标参数0.91;指挥中心根据WA1、WA2、WA3的拦截任务竞标参数排序,确定由WA2完成本次拦截任务。最终T1的弹站架匹配关系即为“T1-WA2-IA2”。同理,T2,T3,T4最终确定的匹配关系为“T2-WA1-IA3”、“T3-WA3-IA2”、“T4-WA3-IA4”。按照火力规划结果,各资源节点确定自身在本次作战中的任务:对目标T1,WA2武器进行拦截,IA2为其提供制导;对目标T2,WA1武器进行拦截,IA3为其提供制导;对目标T3,WA3武器进行拦截,IA2为其提供制导;对目标T4,WA3武器进行拦截,IA4为其提供制导。

将传统的火力规划方法和基于改进合同法的火力规划方法进行对比,可见：在新的方法下,提高了对所有目标的服务能力,能够尽量保证所有目标均被拦截,且提高了对各武器节点、制导资源节点的利用率,火力规划结果更合理。

4 未来改进方向

4.1 任务发布预处理

在发布合同的时候进行招标对象预处理,筛选出一部分潜在优先级高的节点作为指定被选节点。

1)发布一次合同时,针对武器的选择,可根据来袭目标的类型、位置、速度等因素,筛选出较合适的若干拦截武器,只须这些武器参加竞标。例如目标类型为飞机或距离较远时,可筛选待拦武器主要为目标来袭方向上的中远程防空武器,辅以若干来袭方向上的中近程武器即可;若当前已有拦截任务较重时,对新增目标优先指定若干种对制导资源需求较少的武器,最好是能够发射后不管。

2)发布二次合同时,针对制导资源的选择,可根据制导区域提前筛选距离区域较近的若干制导设备,指定这些制导设备进行竞标。

预处理的目的是在不降低作战效能的基础上提高火力规划的效率,减少不必要的通信开销及计算开销。

4.2 任务的调整

正常情况下,合同得到确认后各分系统、设备按照合同依次执行任务;但实际作战过程中,难免出现各种导致合同无法继续执行的情况,如因目标机动偏离原先航迹导致已指定的武器和制导设备无法继续对其拦截、武器或制导设备出现故障等。此时,火力规划方法允许对合同进行调整,甚至撤消重新招标等,这也是后续研究方向之一。

5 结束语

基于改进双层合同机制的分布式火力规划方法适用于网络化作战,具有以下优点:

1)对防空体系的整体资源利用率高,使体系整体作战效能达到了最优;

2)本方法属于分布式指挥控制方法,整个流程的处理及关键计算都是分布式计算完成,节省了核心指挥节点的运算量和资源消耗;

3)适用于防空体系的动态变化,支持各类资源节点的动态接入和脱出。

综上所述,本文描述的火力规划方法较为有效地解决了网络化作战下的资源调度问题,为后续进一步工程应用及完善奠定了良好基础。

[1] 陈华东,王航宇,王树宗,等.基于合同机制的协同作战分布式目标分配研究[J].系统仿真学报,2009,21(16):5116-5119.

[2] 肖冰松,方洋旺,许蕴山,等.编队内协同超视距空战目标分配模型研究[J].系统工程与电子技术,2010,32(7):1476-1479.

[3] 李勇君,黄卓,郭波.武器-目标分配问题综述[J]。兵工自动化,2009，28(11):1-4.

Distributed Five Planning Method Based on Double Contract Mechanism

ZHU Jing-xing, ZHENG Sheng

(Shanghai Eleetro-Mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China)

Aiming at the deficiency of traditional fire planning method,this paper introduces the fire planning method based on double contract mechanism,it solves "target-weapon" matching problem in network centric warfare, it also has the advantages of quick weapon response, flexible resource allocation etc. This article introduces the specific steps and the key mathematical model of this method, applies the method to network centric warfare of fire planning, illustrates the effectiveness of this method by simulation. Finally, this article illustrates the prospect of this method in future military field, and brings up recommendations for further improvement.

double layer contract mechanism; network centric warfare; fire planning

2017-02-12

朱晶星(1985-)，男，江苏镇江人，工程师,研究方向为武器系统总体及指挥控制系统。 郑 晟(1984-),男，硕士，工程师。

1673-3819(2017)03-0040-05

TJ392；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.009

修回日期： 2017-04-11