陆军指挥所模型自主生成作战计划时间参数的方法

2017-07-06乔永杰王欣九

中国电子科学研究院学报 2017年3期

关键词：指挥所兵力时节

乔永杰，王欣九，孙亮

(中国电子科学研究院，北京 100041)

工程与应用

陆军指挥所模型自主生成作战计划时间参数的方法

乔永杰，王欣九，孙亮

(中国电子科学研究院，北京 100041)

本文提出了一种在陆军指挥对抗模拟训练系统中，指挥所模型自主生成作战计划时间的方法。以往的人机对抗过程，需要大量人力来完成模拟对抗训练中作战时间和计划生成，耗费高、时间长且不灵活。不利于基层单位大规模的开展训练。相比以往方法，本文提出的方法提高了系统的自动化和智能化水平，从而节省了大量的人力和时间成本。

对抗模拟训练；陆军指挥所；PERT网络；自动化

0 引言

陆军指挥对抗模拟训练系统是实现训练革命的主要物质基础，主要由指挥控制、导调控制、训练评判、音视频、模型等软、硬件组成。陆军战术指挥员、各参谋人员通过陆军指挥对抗模拟训练系统的训练，可完成指挥程序的快速入门，快速培养作战复杂环境和背景下的情况快速处置、指挥决策能力。

1 背景

陆军指挥对抗模拟训练包括人人对抗、人机对抗2种方式。目前实现的系统多支持人人对抗方式，即一方为受训学员，另一方由富有经验的教员或受训人员充当，双方人员利用陆军指挥对抗模拟系统提供的平台，完成对抗。在人人对抗方式下，人工充当训练对手时的计划套路单一、易陷入定势；人工筹划时间长，单训练科目时间需多天才能完成，训练时长较长。人工充当对手训练方式下，指挥机构规模需与真实情况保持一致。需要场地、计算机及相应的网络、音视频设备等硬件支撑方可完成。

在人机对抗方式下，一方为受训学员，另一方则完全由计算机模型充当。在人机对抗模式下，陆军计算机模型包括陆军指挥所、坦克连、炮兵连、防空连、工兵排、步兵连、陆航直升机编队等实体模型。

在人机对抗过程中，需要陆军指挥所模型快速有效地得出机动、射击、电子干扰等不同作战行动的决策，优化得出时间、兵力约束条件下的作战决策，即计算机生成兵力要求。计算机生成兵力要求是指挥所模型完成兵力编组、智能选择作战规则、实施智能化决策的基础。

1.1 现有方法的分析和评估

目前计算机生成兵力的难点集中在高级智能建模技术，包括单元仿真实体的实时任务规划、作战决策以及多主体的协调与协作等，虽然采用了人工智能技术、基于Agent的建模方法、动态规划方法，但技术效果均不理想[1]。

相关背景技术多侧重于对于陆军指挥对抗模拟训练中连排级的战术动作进行智能决策，很少提及指挥所模型如何自动生成和优化作战计划的技术方案[2]。

此外，杨瑞平等曾提出案例与规则相结合的方法，此方法按照案例为主、规则为辅的方法进行任务匹配，在操作过程中，首先需要按照当前问题的特征检索案例库，故此方法首先需要案例库的建立。若无案例库，则需要根据经验形成的规则库选择战法[3]。

在有限状态机和有色Petri网相结合的方法方面，通过有限自动机和有色Petri网可以在任务规划阶段，支持划分作战时节，但对于如何生成和优化在给定时间、兵力约束下作战计划的技术问题，尚无给出明确的方法和技术方案[4-5]。

1.2 现有方法的缺陷

通过有限自动机方法无法生成和优化作战计划，仅能完成已经生成的作战计划形式化描述，正如杨瑞平等提出[6]，基于有限自动机方法完成行为决策的缺陷有：

(1)构建大型机时，有限状态机的设计非常复杂；

(2)对相关领域的知识表示成各个独立的状态并对各状态转换进行定义的过程非常复杂；

(3)实现的行动模型难以实现复杂的推理过程。

综上所述，基于有限自动机方法，无法支持计算机模型生成和优化基于战场态势动态变化条件，满足时间、兵力等约束条件下的作战计划。

有色Petri网方法需要在预先给定事件表的基础上描绘出系统，并根据转移点火和令牌的移动实现系统的动态运行，得出系统的运行时序。无法生成和优化在给定作战规则、给定任务完成时限、给定兵力等约束条件下指挥所实体模型的作战计划，同样无法得出战场态势变化条件下，满足任务完成时限时间、给定兵力编组等约束下的作战计划。

2 基于计划评审技术(PERT)方法的模型

2.1 PERT网络

PERT，即计划评审技术，是Program Evaluation and Review Technique的缩写，最初由美国海军于1957年提出，用于支持其当时正在进行的北极星核潜艇研制计划。PERT是一种广泛应用于项目管理中的统计工具，其网络为一种类似流程图的箭线图，在描绘出项目包含的各种活动先后次序的同时，也给出了每项活动的时间、成本等信息。在建立了活动间确定的先后关系的基础上，通过允许活动时间服从一定概率分布这一手段，PERT方法很好的解决了项目中每项活动时间受不确定因素影响这一问题。

一个典型的PERT网络通常由节点和有向边组成，可表示为P=(N,A)。每个节点表示状态，每条有向边表示活动。

2.2 实施方案设计

结合PERT方法，本文提出计算指挥所实体自动生成作战计划的时间参数方法，初步使指挥所实体具备了智能作战筹划能力，实现了陆军指挥对抗模拟训练系统支持智能性人机对抗功能，克服了指挥所实体模型缺乏智能生成作战计划、选取计划的技术缺陷，完成了指挥对抗模拟训练由人人对抗方式到人机对抗方式的跃升。

图1 模拟训练流程

步骤1：从模型服务器的时统单元读取当前系统时钟，并读取当前的作战阶段、作战时节、作战任务。其中作战阶段包括进攻、防御阶段，进攻阶段包括集结、抵近攻占地域、火力突防、占据、穿插、追击等时节，防御阶段包括集结、就地转入防守、扼守要地、反穿插、机动防御等时节。

步骤2：从模型服务器读取当前装甲兵、炮兵、防空兵、工兵、陆航等合成部队的初始兵力编组表、当前兵力损耗状态表。其中初始兵力编组表的数据项包括兵力的编号、兵力规模、兵力人数、兵力装备型号与数量、毁伤能力指数、兵力部署地理位置。当前兵力损耗状态表包括各兵种装备毁伤型号、毁伤程度、人数的伤亡数量。

步骤3：从模型服务器读取当前敌情表。当前敌情表的数据项包括敌兵力的编号、兵力规模、兵力人数、兵力装备型号与数量、敌毁伤能力指数、敌兵力部署地理位置。

步骤4：根据当前作战时节和敌我兵力、装备的战斗力情况，将敌我的兵力战斗力转换为指数，计算对比敌我双方兵力战斗力指数，指数计算方法如下：

其中，Q为敌我双方各作战单元的战斗力指数，W为敌我双方各作战单元的总火力指数，Ki是第i个战斗力系数值，包括战术运用等级系数、战斗性质系数、地形系数、阵地系数、训练系数、气象系数6项系数。

此外计算敌我双方各作战单元的总火力指数W的方法如下：

其中，Wi是第i类武器的火力指数；Zi是第i类武器的件数，n为作战单元内武器的种类数。

步骤5：根据敌我双方兵力战斗力指数，对当前作战时节进行修正。如我方战斗力指数占优，如当前处于进攻阶段的作战时节，且无需调整，否则选择进入防御阶段，并相应选择防御阶段下的作战时节。

步骤6：根据当前作战阶段、作战时节、作战任务，查模型服务器中的任务时限表，得出当前作战任务的完成时限。任务时限表包括作战阶段、作战时节、作战任务、任务完成时限4个数据项。

步骤7：根据当前作战时节、作战任务，生成并写入到模型服务器中的工作时序表。工作时序表字段包括工作项序号、工作项标号、工作项内容、紧前工作项、工作项所需时间5项。格式如表1所示。

表1 工作时序表

步骤8：根据当前作战任务，映射读取完成各工作项的所需时间、各工作项之间的依赖关系(紧前、紧后关系)。

步骤9：根据统筹法计算得出任务完成时间、各工作项的时间参数。

(1)任务完成时间：

任务完成时间即终点工作项的最早完成时间，具体计算方法如下：

工作项的最早开始时刻用te(j)表示，它表明以它为始点的各工作项最早开始时刻，也表示以它为终点的各工作项的最早完成时刻。终点工作项的最早开始时刻等于从始点工作项到该工作项的最长路线上所有工作的工时综合。各工作项的最早开始时刻可用以下递推公式，按照工作项序号从小到大的顺序，逐个计算。

其中，t(i,j)是完成各工作项的所需时间，te(1)是第一项工作项的最早开始时刻，te(i)是与工作项j相邻的各紧前工作的最早开始时刻。设终点工作项编号为n，则终点工作项的最早完成时刻就是任务完成时间，即：

te(n)=任务完成时间。

(2)各工作项的时间参数：

上述已经计算得出了第i项工作项的最早开始时间，第i项工作项的最迟完成时刻的计算方法具体见下：

第i项工作项的最迟完成时刻用tl(i)表示，它表明在不影响任务完成时间的条件下，以它为始点的工作项的最迟必须开始时刻，或以它为终点的工作项的最迟必须完成时刻。各工作项的最迟完成时刻可用以下递推公式，按照工作项序号从大到小的顺序，由后向前逐个计算。

各工作项最迟完成时刻的计算公式为：

其中tl(n)是终点工作项的最迟必须完成时刻，与te(n)相同，即任务完成时间。tl(i)是与工作项j相邻的各紧前工作的最迟必须完成时刻，t(i,j)是完成各工作项的所需时间。

步骤10：判断任务完成时间是否小于任务完成时限，如小于时限，则执行步骤17，否则顺序执行。

步骤11：读取预备兵力编组表(预备兵力编组表的各数据项与当前兵力编组表相同)，以陆航、炮兵、装甲兵、工兵、防空兵的先后顺序，以分队为单位，逐步补充预备队至兵力编组表，并计算调整兵力后各项工作所需的持续时间。

步骤12：判断陆航预备队剩余兵力是否为空，如已无兵力，则顺序执行，否则跳转执行步骤六。

步骤13：判断炮兵预备队剩余兵力是否为空，如已无兵力，则顺序执行，否则跳转执行步骤六。

步骤14：判断装甲兵预备队剩余兵力是否为空，如已无兵力，则顺序执行，否则跳转执行步骤六。

步骤15：判断工兵预备队剩余兵力是否为空，如已无兵力，则顺序执行，否则跳转执行步骤六。

步骤16：判断防空兵预备队剩余兵力是否为空，如已无兵力，则顺序执行，否则跳转执行步骤六。

步骤17：向模型服务器写入最终部队编组表、作战计划(即作战计划时间参数表)，各陆航、炮兵、装甲兵、工兵、防空兵等平台实体模型按照作战计划时间参数表执行作战计划。

3 实例及比较

例如选取某模型服务器中的陆军合成营指挥所模型，此陆军合成营需要完成攻取某高地要塞的任务。合成营的初始兵力包括炮兵连模型、坦克连模型、高炮连模型、工兵排模型、陆航直升机模型，预备兵力模型规模与初始兵力相同。按照第二节模型，分析如下：

(1)从模型服务器的时统单元读取当前系统时钟为仿真时刻+1:20，读取

当前的作战阶段为进攻阶段，作战时节为抵近攻占地域时节，作战任务从A点起始，机动至B点地域。

(2)从模型服务器读取当前装甲兵、炮兵、防空兵、工兵、陆航等合成

部队的初始兵力编组表、当前兵力损耗状态表。初始兵力编组表的数据项包括兵力的编号、兵力规模、兵力人数、兵力装备型号与数量、毁伤能力指数、兵力部署地理位置。当前兵力损耗状态表包括各兵种装备毁伤型号、毁伤程度、人数的伤亡数量。

(3)从模型服务器读取当前敌情表。当前敌情表的数据项包括敌兵力的

编号、兵力规模、兵力人数、兵力装备型号与数量、敌毁伤能力指数、敌兵力部署地理位置。

(4)根据步骤4的指数计算公式计算得出我方火力指数W=150，战斗力

指数Q=185；敌方火力指数W=120，战斗力指数Q=168。

(5)根据敌我双方兵力战斗力指数，对当前作战时节进行修正。由于我方战斗力指数占优，且当前处于作战时节进攻阶段，可以完成进攻，故无需调整。

(6)根据当前作战阶段、作战时节、作战任务，查模型服务器中的任务时限表得出当前作战任务的完成时限。本次作战时节的任务完成时限为0.4小时，即24分钟。

(7)根据当前作战时节、作战任务，生成并写入到模型服务器中的工作时序表。工作时序表字段包括工作项序号、工作项标号、工作项内容、紧前工作项、工作项所需时间5项。格式示例如表2所示。

表2 工作时序表

(8)根据当前作战任务，映射读取完成各工作项的所需时间、各工作项

之间的依赖关系(紧前、紧后关系)。

图2 流程时间网络

(9)根据统筹法计算得出任务完成时间、各工作项的时间参数。

①任务完成时间：

通过步骤7的公式，计算得出任务完成时间为27分钟。

②各工作项的时间参数：

图3 工作时间参数

此外，关键路径为：

图4 关键路径

(10)由于任务完成时间(27分钟)大于任务完成时限(24分钟),故执行上述方案中的步骤十六。

(11)改变陆航直升机编队的架数，由原来2架变为1架，则第2项工作项的降低完成侦察的时间由原来5分钟变为2分钟。按照方案中的步骤7进行计算，新的工作时序表如下：

表3 工作时序表

(12)根据当前作战任务，映射读取完成各工作项的所需时间、各工作项

之间的依赖关系(紧前、紧后关系)。

图5 工作逻辑关系

(13)根据统筹法计算得出任务完成时间、各工作项的时间参数。

①任务完成时间：

通过步骤7的公式，计算得出任务完成时间为24分钟。

②各工作项的时间参数：

此外，关键路径如下：

图7 工作关键路径

(14)比较任务完成时限、任务完成时间。由于此时任务完成时间(24分钟)=任务完成时限(24分钟)，故当前作战计划可以支持完成任务。

(15)向模型服务器写入最终部队编组表、作战计划(即任务时间参数表)，指挥所模型根据作战计划时间参数，驱动陆航直升机、炮兵、装甲兵、工兵、防空兵等实体模型执行。

4 结语

本方法不需要额外的辅助人员来控制指挥所实体模型，与传统的人工充当训练对手相比，减少了训练所需的辅助人员和辅助装置；指挥所实体模型的智能性大幅提高，实现了指挥对抗训练中由传统的人人对抗方式转变到人机对抗方式；此外在人机对抗方面，计算机生成计划能够减少人工充当训练对手时的计划套路单一、易陷入定势的问题。本方法具有训练时间短、占用硬件少、动态反应快等相应的优点，具体包括以下3个方面。

(1)训练时间短：支持陆军作战模拟训练系统从人人对抗应用方式跃升到人机对抗应用方式。在计算机环境为Intel© Core i5 6500 4GB内存下计算时，陆军合成营指挥所实体模型的行动计划生成时间<0.1s。与人工筹划方式比较，具有行动计划生成时间短、实现简单的特点。由计算机自动计算作战计划时间参数，充分挖掘了计算机的计算优势，与人工计算方式相比，提高了作战计划时间参数生成的速度，并有效弥补了人工充当对手时的筹划时间长，单训练科目时间需多天才能完成的缺点，大幅减少了训练时长。使训练系统可在单位时间内培训更多的学员，提高了训练系统的利用率，有效降低了训练的运行维护费用，减少了训练系统的经济成本。

(2)占用硬件少：在人工充当对手训练方式下，陆军合成营指挥机构规模需与真实情况保持一致。指挥机构需要场地、计算机和相应的网络、音视频设备等硬件支撑，通过本方法，使得1台计算机即可扮演受训合成营的对手，减少了人力耗费和计算机数量，有效降低了训练成本。

(3)动态反应快：减少了人工充当对手训练方式下，人工制定的作战计划易陷入定势，导致作战套路单一、缺乏变化，本方法使得训练内容更加丰富和科学，并可快速出题与动态反应，从而促进了受训学员的应变能力、辅助决策能力，提高了学员的训练效果。

[1] 黄文清.作战仿真理论与技术[M]. 北京：国防工业出版社. 2011.

[2] 郭齐胜, 杨立功, 杨瑞平. 计算机生成兵力导论[M]. 北京：国防工业出版社出版. 2006.

[3] 杨瑞平, 赵东波, 郭齐胜, 等. 指挥实体任务规划建模研究[J]. 系统仿真学报, 2006,18(12): 3338-3345.

[4] Zhang L, Falzon L, Davies M, et al. On Relationships between Key Concepts of Operational Level Planning[J].Travel Trade Gazette UK& Ireland. 2003.

[5] Zhang L, Mitchell B, Falzon L, et al. Model-based Operational Planning Using Colored Petri Nets[J]. Proc of CPN Workshop. 2001, 222: 635-642.

[6] 杨瑞平, 黄晓冬. 计算机生成兵力辅助决策方法及应用[M]. 北京：电子工业出版社. 2011.

A Method for Army Command Post to Auto-Generate Combat Time Scheduling

QIAO Yong-jie, WANG Xin-jiu, SUN Liang

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

A method for command post army simulated combat training to automatically generate combat time scheduling is purposed in this paper. The current human vs computer procedure in training requires vast amount of human labor、time，but it appears inflexibled. Which makes it extremely difficult to run the training sessions in primary level. Comparing to the former method, the purposed method advances training-system automationed and intelligented，significantly reduces human labor required.

Simulated Combat Training； Army Command Post； PERT Net； Automation

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.03.011

2017-04-01

2017-06-05

国防科工局军贸科研基金

E251

1673-5692(2017)03-278-06