基于协商的舰艇编队协同防空决策冲突消解∗

王 超 王家文

（海军大连舰艇学院教研保障中心 大连 116018）

1 引言

编队协同防空决策是组成编队的各舰艇成员，在编队指挥机构的组织下，根据分配的作战任务和本舰的作战资源制定各自的作战预案，然后上报编队指挥机构，进行综合集成，最终得到编队协同防空决策方案的过程［1～2］。

在编队各舰艇成员制定本舰作战预案的过程中，由于决策的依据是自身的最大利益，因此，各自的作战预案之间不可避免地会存在冲突。如何科学、高效地消解这些冲突，是编队制定协同防空决策方案过程中的一个关键问题。

2 编队协同防空决策冲突分析

编队成员在制定各自防空决策作战预案的过程中，可能导致冲突的作战资源分配主要包括三种类型。

1）火力资源

火力资源是舰艇实施各种作战行动所依赖的主要手段。水面舰艇防空作战的火力抗击方式主要包括硬武器抗击和软武器抗击两种。编队成员在同时使用硬武器抗击，或同时使用软硬武器抗击时，均有可能发生火力干扰。

2）电磁资源

电磁资源是舰艇正常使用各类舰载传感器和有源干扰设备的重要保障。由于此类设备对电磁资源的使用具有独占性，因此，如果多种设备同时使用相同频段的电磁资源，会由于相互之间的电磁干扰而发生电磁冲突［3］。

3）空间资源

舰艇的运动和作战都是在一定空间范围内进行的。编队中的舰艇在遂行作战任务、多艘舰艇同时进行舰艇机动时，都可能出现空间资源使用上的冲突。如果未能消解这类冲突，作战时某舰艇可能会进入其他舰艇武器使用的危险区，甚至发生多舰艇相撞。

3 一般的冲突消解策略

目前，常用的冲突消解策略包括回溯、约束松驰和协商等方法。

1）回溯：在分布式人工智能系统中，当出现结论冲突时，采用回溯技术找到回溯节点，修改不相容的环境及相应的结构模型以消解冲突。回溯技术有顺序回溯和相关制导回溯两种。在顺序回溯过程中，总是先考虑最近的节点，这可能导致回溯量过大；相关制导回溯是根据对消解不一致最有利的节点来回溯，而不考虑无关的节点，因此具有更高的回溯效率［4］。回溯法在规则系统中使用较多，如在状态空间搜索问题中，在当前状态与目标发生冲突后，可通过回溯返回到以前的某个决策点，选择另一种方案，从而修改了原来的规划，以解决冲突。回溯技术的缺点是：随着问题复杂性的增加，回溯搜索会非常费时。

2）约束松弛法：这种方法取决于赋给目标约束的静态权值，当系统发现冲突时，在保持约束权和最小条件下，放宽一些约束条件，从而有利于消解冲突。约束松弛法的缺陷是用数值表示冲突消解知识不直观，且难以理解。

在各成员智能体之间建立约束关系时，由于考虑到了各自的求解目标和利益目标，故采用约束松弛往往会造成某个智能体求解目标和利益目标的改变，当这种改变不利于其完成任务时，这个智能体可能会拒绝接受约束松弛，从而导致消解失败。因而约束松弛有其使用的局限性，一般适合于成员企业内部冲突的消解或耦合度较小的冲突消解，对于耦合度较高的冲突则应采用知识推理或仲裁的方法进行消解。智能体之间的知识冲突通常采用约束松弛法进行消解，可以采用形式化语言对冲突过程进行描述。

3）协商：协商是分布式人工智能研究中引起广泛关注的一种信急交换和冲突消解模式，一般来讲，它是指用来增进系统协调的通讯机制。即使不出现冲突，协商也是十分重要的，因为它所产生的系统承诺将超过参与协商的主体个人承诺。协商能够在任意层次上实现，它便于灵活地运用冲突消解策略，不同层次上可采用不同的协商机制。协商包括基于冲突知识的协商、基于代价的协商和多级协商［5～8］。

此外，还有学者对基于任务［9］、基于特征优先关系［10］和基于组件单元模型［11］的冲突消解方法进行了研究。

4 基于协商的冲突消解方法

根据编队协同防空决策的特点，我们提出一种基于协商的编队协同防空决策冲突消解方法。

4.1 基本概念

为实现冲突消解过程的形式化描述，基于可拓理论的基本思想［12］，首先给出关于方案元、约束条件、冲突问题等一些基本概念的定义。

定义1方案元。作战方案由若干参数组成，确定的方案关于每个参数都有确定的量值，将作战方案的名称、参数和量值，作为对方案描述的基本单元，简称为方案元。表示为

R=其中，N表示方案名，C表示方案特征，V表示N关于C所取的量值，可以是简单变量，也可是数据结构。这三者称为方案元的三要素。它们的关系用V=C(N)表示。

进一步分析，对于编队协同防空决策方案元，其特征参数C可描述为以下多元组：

C=＜Own_id，OwnPos＜long，lat＞，Tar_batch，Weapon，Anti_kind，＜Fire_t1，Fire_t2＞，Fire_azimuth， Radar， ＜Radar_t1， Radar_t2＞， ＜Elect-Mag_freq1，ElectMag_freq2＞＞。

其中：

Own_id为本舰ID；

OwnPos＜long，lat＞为本舰位置（经度，纬度）；Tar_batch为抗击目标的批号；

Weapon为抗击使用的武器，舰空导弹记为W1，舰炮记为W2，有源干扰记为W3，冲淡干扰记为W4，质心干扰记为W5；

Anti_kind为抗击使用武器的类型，硬武器抗击记为A1，软武器抗击记为A2；

＜Fire_t1，Fire_t2＞为武器使用的时间范围；

Fire_azimuth为武器发射的方位；

Radar为保障武器发射必须使用的雷达；

＜Radar_t1，Radar_t2＞为雷达开关机时间；

＜ElectMag_freq1，ElectMag_freq2＞为雷达使用电磁频段范围。

定义2约束条件。为避免冲突，各作战智能体的方案元特征必须满足的要求称为约束条件。用一个二元组来描述其中：

X=是一组变量，是一组值域，每个元素是对应相应变量可能取值的一个集合。

定义3问题。由方案元R1、R2和约束条件CQ组成的关系式称为问题，记为P12=(R1⊗R2)*CQ。

定义4冲突检测。在约束条件CQ下，判断方案元R1和R2能否同时实现的行为，称为冲突检测。

定义5冲突问题。给定问题P12=(R1⊗R2)*CQ，如果经过冲突检测，在约束条件CQ下，R1和R2不能同时实现，那么称P为冲突（对立）问题，记为P12=(R1↑R2，CQ)。

定义6 相容问题。给定问题P12=(R1⊗R2)*CQ，如果经过冲突检测，在约束条件CQ下，R1和R2能够同时实现，那么称P为相容问题，记为P12=(R1↓R2，CQ) 。

定义7相关。对于任意两个方案元R1和R2，若未抗击同一批目标，未同时使用电磁资源，并且没有机动的需要，则称方案元无关，否则称方案元相关。

定义8冲突特征。给定冲突问题P12=(R1↑R2，CQ)，其中导致冲突的特征元C组成的集合称为冲突特征，记为：

定义9冲突集合。给定冲突问题P12=(R1↑R2，CQ)，将冲突特征、对应的特征量值以及不满足的约束条件构成的集合，称为冲突集合，记为CS={ }CA，V，CQ。

4.2 冲突消解算法

假设编队系统中共包含m个作战智能体，其中，已制定自身方案的智能体有n个，记为考虑第i个智能体制定自身预案后，与AgS之间进行作战方案冲突的检测与消解过程。

步骤1AgS根据自身作战方案，构建各自的方案元，记为

步骤2Agi根据自身预案构建方案元Ri，并发送至AgS，各智能体接收后，首先基于约束条件进行方案元的相关性判断，并反馈Agi。

步骤3若方案元之间无关，根据性质1，说明不会存在冲突，返回。否则，对于方案元相关的智能体，根据方案元和约束条件，建立问题模型。

步骤4智能体根据问题模型，分别进行冲突检测，确定问题类型，进行问题相容度分析，判断是对立问题还是相容问题，对于相容问题，不做处理；对于对立问题，确定冲突特征，构造冲突集合。

步骤5若所有问题均相容，不存在冲突，返回。否则，Agi根据约束条件，通过调整自身方案对每类冲突进行统一消解，化冲突问题为相容问题，完成后返回；若单纯基于自身调整无法消解，需要其它智能体配合调整的，将对方调整建议发送至相关智能体。

步骤6相关智能体接收后，若可以接受，则调整自身方案，并通知Agi，冲突消解完成。若无法接受，通知Agi。

步骤7Agi根据与所有智能体的协商结果，决定放弃自身方案或上报编队指挥智能体A指仲裁。

步骤8编队指挥智能体对冲突仲裁后，将最终意见发送至Agi。

冲突的检测与消解过程用UML活动图如图1所示。

5 实例

假设红方编队由三艘驱逐舰组成，基本参数如表1所示，T时刻蓝方空中目标情况如表2所示。

表1 红方驱逐舰编队组成表

红方编队根据红蓝双方的对抗态势，制定初步的编队防空决策预案，其中，舰艇1001的各方案元分别为

图1 方案冲突检测与消除活动图

考虑舰艇1002与舰艇1001、1002之间关于防空方案的冲突检测与消解过程。首先构建方案元集合RS2：

按照冲突消解算法，首先与RS1进行相关性判断。按照相关性判断的原则，可以证明R21!～R11，R21!～R12，但对于R21和R13，由于Anti_kind（R13）=A1，Anti_kind（R21）=A1，且 Tar_batch（R13）= Tar_batch（R21），由此可知，R21～R13。

进一步构造问题模型，P=(R13⊗R21)*CQ，根据约束条件CQ，进行冲突检测。

由于（Fire_t2（R13）-Fire_t2（R21））=2，存在 1001的舰炮与1002的舰空导弹相互干扰的可能，因此，P31=(R13↑R21，CQ)是冲突问题。

确定冲突特征：CA={C1，C2，C3，C4} 。

冲突集合产生后，根据冲突消解类型和消解原则，由1001对方案元R13进行修改：

经过以上冲突检测与消解后，舰艇1002与1001之间子方案的冲突已消除，整个编队的决策方案形成。

6 结语

冲突是编队协同防空决策过程中不可避免的现象，如何有效地消解冲突，是实现编队协同防空决策方法的关键。由于冲突产生的原因和表现形式多种多样，目前尚无统一的有效冲突消解方法。本文给出了编队协同防空决策方案冲突的数学描述形式，和基于多智能体协商的冲突消解算法，从如何高效实现编队协同防空作战的角度出发，对协同决策方案冲突的消解问题进行了深入的探讨，为实现水面舰艇编队的协同防空决策奠定基础。