航空兵出动计划方案冲突自动探测问题

邓红艳，邓桂龙，董冬梅，张 燕

(空军指挥学院,北京 100097)

现代空中进攻作战具有打击目标多、出动架次多、出动量大、作战节奏快、强度高、指挥控制与协同复杂的特点。空中进攻作战时,指挥员的作战决心和意图主要通过航空兵出动计划体现。然而,随着当前作战规模的不断扩大、作战样式的不断增加,航空兵作战半径的不断增大,航空兵出动计划方案变得越来越复杂[1]。为了适应联合作战,航空兵出动计划方案日益复杂,不仅包括歼击机、轰炸机等主战兵力的使用,而且包括预警机、侦察机、电子战飞机等保障兵力的使用;并且对于不同规模、不同样式的作战,航空兵出动的数量和要求也各不相同,不仅需要考虑各部队的战斗编队、每日执行的具体任务、航行诸元、武器挂载等常规因素,而且需要考虑通信规定、机场保障、作战效果等其他诸多因素。

如何通过计算机辅助手段提高航空兵出动计划方案制定效率,如何确保制定的航空兵出动计划方案切实可行，是当前空军作战筹划系统建设中需要解决的核心问题之一。要确保制定的航空兵出动计划方案切实可行,如何自动探测识别航空兵出动计划方案中的冲突问题是率先要解决的问题。

1 航空兵出动计划冲突问题分析

相对于民航飞行任务只考虑空间域、时间域等方面冲突[2-7],航空兵出动计划方案的冲突问题更为复杂。受战场复杂性以及不确定性所决定,航空兵出动计划方案冲突可分为三类:决策冲突、资源冲突和时空冲突:

1)决策冲突

航空兵出动计划方案决策冲突主要是指不同计划人员对同一问题的决策结果不同而导致的冲突或不同问题的决策结果之间产生的相互冲突。联合作战条件下,航空兵出动计划方案的制定是一个典型的群体决策问题。为提高出动计划方案的制定效率,现阶段广泛采用分布式群决策模式[8-10]。在分布式航空兵出动计划方案群决策模式下,受信息差异、经验知识、偏好等影响,不同的出动计划方案制定人员往往从局部出发根据自身目的和条件进行决策,在全局上就可能导致冲突。

典型的如备降机场数量有限,不同决策人在制定计划时各自按照自己的局部利益来申请安排计划,有可能导致最终飞机备降需求超出现有机场保障能力;在制定突击某机场跑道的计划任务时,针对飞机的武器挂载,计划人员A建议使用航空炸弹突击,而同时参与计划的人员B建议飞机挂载激光制导空地导弹突击,这就产生了计划人员A与B在武器选用问题上的决策冲突。

2)资源冲突

资源冲突是航空兵出动计划制定过程中最常见的冲突。相对于一般民航飞行计划资源冲突只考虑保障资源冲突,如跑道占用时间、燃料装载、地面保障设施等不同,航空兵出动计划方案资源冲突更加复杂。航空兵出动计划方案由于其核心目标是作战任务,因此根据任务需求的不同，还涉及兵力使用、武器性能、目标特性等一些特殊需求。兵力使用主要是指根据任务需要的飞机架次或者空中加油机等保障飞机的出动数量;武器性能主要是指根据任务需求所采用的不同机型或者武器挂载方案,如执行突击任务应优先采用轰炸机,执行拦截任务应优先采用歼击机;目标特性则是由战场环境所决定,如防空武器特性、防空火力范围、目标建筑材质等。

3)航空兵出动计划时空冲突

航空兵出动计划时空冲突主要是指飞机在执行任务过程中出现小于时间安全间隔和空间安全间隔的现象。在时间上,信息条件下的军事斗争规模大,时间紧,节奏快,对出动计划提出了更高的要求,一方面需要空中兵力紧密衔接,另一方面还要充分考虑由于时间上的问题引发的飞行矛盾冲突。这种冲突主要因为各型飞机的航线、飞行剖面不一样，续航时间不同，飞行高度不同，飞行速度不同，起飞机场不同，上升率、下降率不同等等,造成航线的交叉、保障能力不足等时间上的冲突。在空间上,当前作战飞机作战半径大,机动性强,占用高度层比较多,需要的飞行空间大,另外作战时,还需要一定的保障兵力,如预警机、侦察机、电子战飞机等兵力,保障兵力与作战飞机航路规划不一样,高度配备也不一样,为了实现联合作战需要,增加了领航方案的计划难度,必然造成空间上的矛盾冲突。

2 基于仿真推演的航空兵出动计划冲突自动探测

基于以上分析可知,航空兵出动计划方案中的冲突不仅受复杂多变的任务影响而具有不确定性,而且具有复杂性。如果单靠指挥员人工发现或企图用一种通用的模型解析，所有冲突问题不仅难以实现,而且也无法满足信息化条件下空军大规模应急作战的实际需求。基于此,本文提出了基于仿真推演的航空兵出动计划冲突自动探测方法(如图1所示),其基本原理是基于航空兵出动计划冲突检测知识库,利用仿真推演的方法[11-14]将航空兵出动计划过程离散化为一系列航迹点的集合,通过监测航迹点上的状态集合来实现航空兵出动计划全时段的冲突探测。

具体实现过程是:航空兵出动计划方案首先经过仿真推演预处理,采用出动计划格式化模块将其转变为能驱动仿真推演的XML格式航空兵出动计划,采用时间策略机制确定航空兵出动计划方案离散航迹点的疏密程度;处理好的XML格式航空兵出动计划想定基于仿真引擎依据制定好的时间策略机制进行仿真推演;在仿真推演过程中,实时基于冲突检测知识库利用冲突检测模块检测,并对产生冲突的部分进行冲突警告，并基于冲突检测知识库进行冲突致因分析;推演结束后,根据综合分析冲突警告结果和冲突致因,进行航空兵出动计划方案修改,修改完成后再进行仿真推演,直到消除所有冲突为止。

在基于仿真推演的航空兵出动计划冲突自动探测具体实现过程中需要解决两个核心问题:一是时间策略机制,由于整个探测过程是按照仿真时间的推进,时间间隔的大小直接决定航迹点的多少。如果采用常规等步长时统推进机制,步长过小时则航迹点数量过多,计算复杂,仿真效率过低;如果步长过大则航迹点数量过少,容易导致对潜在冲突检测发生遗漏;二是知识库和数据库支撑层的设计,冲突知识库的好坏不仅能够决定是否有效探测冲突,而且直接影响后续冲突消解的效率。针对这两个问题,本文分别设计了切实可行的解决方案。

2.1 时间策略机制

考虑到航空兵出动计划冲突发生时机往往具有集中性这一特点,本文提出了基于冲突敏感区域的动态仿真推演时间策略机制,其基本原理是:利用预处理机制对航空兵出动计划各种可能产生冲突的敏感区域进行分析计算;选出敏感区域后,根据敏感区域动态调整时间步长,在非敏感区域采用较大步长推进机制,即采用秒级的步长推进机制,而在敏感区域采用小步长推进机制,可采用毫秒级的步长推进机制。

整个动态时间策略机制的核心在于敏感区域的计算。在出动计划冲突探测中敏感区域主要是指最有可能发生冲突的位置或者时间点,即最容易引发资源或时空冲突的区域。

计算空间上的敏感区域本文采用分组解析方法进行预先处理:首先将所有出动计划涉及的航线按照出动计划执行时间段进行分组,分组原则是所有出动计划执行时间段重合的分为一组;在同组内将所有的航线一方面利用空间解析方法两两相交进行解算,求出所有的可能冲突点,另一方面根据不同飞机的性能参数将航线进行安全距离的扩展,将航线变为空中走廊两两相交进行解算,求出所有的可能冲突区域;将可能冲突点与可能冲突区域进行一定范围的扩展，就构成空间上的敏感区域。

采用分组的方法可以将判断限制在时间上有重合的航路段之间。典型的如航空兵出动计划1的任务开始时间是10时25分,任务结束时间是13时35分,航空兵出动计划2的任务开始时间是13时45分,任务结束时间是15时55分,经过简单的分组对比明显发现,航空兵出动计划1已经执行完成了10分钟,航空兵出动计划2才开始执行,因此可以判断这两个航路段是不存在航线冲突的。这样的预先分组判断,可以使得冲突的探测与判定工作只针对时间上存在重合的航线进行。而读取计划的起止时间并进行比对,只需要执行数量较少的计算机指令,避免了进行空间位置的比对,从而极大地减少比对与探测判断的时间。

采用解析方法进行冲突预判断可以将判断操作限制在空间上有重合的航路段之间。当分组方法不能排除航线冲突的可能性时,首先进行飞行高度的比对,对于平飞的航路段直接将高度差与安全高度进行比较,如果不是平飞航路段,如直线爬升段、直线下降段、转弯上升、下降段等情况,则要读取这两个航路段的最高、最低航线高度,然后进行类似的对比,从而判定在高度上是否存在冲突;在进行高度对比的基础上,将航线进行安全距离扩展,进行解析求交点,如图2所示,得出敏感区域。

图2 航路可能出现的两种情况

对于资源敏感区的计算,由于航空兵出动计划资源冲突往往集中在起飞和降落两个时段,因此与计算空间冲突敏感区域类似,同样将航空兵出动计划按照起飞和降落时间短进行分组,有重叠的部分设为敏感区域。

2.2 知识库和数据库支撑层的设计

在基于仿真推演的航空兵出动计划冲突自动探测中,知识库主要是由与冲突产生相关的知识所构成,数据库主要由保障资源库、武器装备库、机场信息库、目标信息库等与冲突来源相关联的资源数据组成。

基于航空兵出动计划涉及资源冲突要素的分析,从计算机表达的角度,本文将航空兵出动计划资源冲突中的知识大概分为三类,分别是事实性知识、经验性知识和元知识三类,其具体结构如图3所示。

其中,事实性知识在航空兵出动计划制定过程中大量存在,主要是指在航空兵出动计划制定过程中必须遵循的各种强制性要求或规则,如为了保证飞行安全飞机之间的最小安全间隔等。具体而言主要包括飞行安全规则、飞机机型与武器的搭配规则、机型与执行任务的匹配规则、武器使用条件限制相关规则、机型相互配合基本规则、机型协同规则、机场保障规则以及使用武器打击目标类型规则。事实性知识是整个冲突知识库的核心,在仿真推演过程中,冲突探测模块在每个仿真步长依据事实性知识进行检测并对不符合的部分进行告警。

图3 航空兵出动计划冲突知识库结构

经验性知识主要是指没有严格的信息来源,主要是凭借航空兵计划制定人员的经验和熟悉程度而确定的一类知识。经验性知识有其相应的适应范围,不同的计划制定人员得到的经验并不完全一致。在整个计划制定过程中,特别是对于航空兵出动计划的组织以及针对目标信息的出动计划决策中,经验性知识对于在满足事实性知识基础上追求更大作战效能具有重要意义。具体而言主要包括使用武器优先规则、武器组合建议规则、协同组合建议规则、保障建议四类。与事实性知识使用不同,经验性知识并不是必须遵循的,只是在冲突致因分析时为便于更好地发挥作战效能基于经验性知识给出修改意见建议。

航空兵出动计划冲突元知识与元数据类似,实际是关于航空兵出动计划冲突知识的知识,包括知识的适用范围、来源、法规依据、时效性,是利用知识进行冲突探测和消解的辅助保证。如在冲突消解时,对于法规依据性的事实性知识必须遵循。

对于数据库的设计,主要是在原有数据库基础上进行改造,增加相关字段,以便于冲突识别探测。为了有效地识别航空兵出动计划方案资源冲突,本文将航空兵出动计划方案制定过程中所涉及的资源分为耗损型和重复利用型两大类。其中,重复利用型又可分为共享型和不可共享型两类。共享型资源是指只能为有限用户共同使用的有限容量的共享型资源,典型的如机场跑道等;不可共享型资源,其特点是在一个时间区间内只能有一个用户对该资源拥有使用权,例如某一时刻的作战飞机使用等。耗损型资源,主要是指一旦使用就不能被其他用户使用的资源,典型的如弹药、油料。相关数据库增加项如表1所示。

表1 航空兵出动计划冲突自动探测数据库增加字段

3 实验及结论

采用本文中提出的解决方案对指挥员拟定的某作战方向的航空兵出动计划方案进行冲突探测,该方案涉及出动批次120批,航路段781个,与常规解析冲突探测方法进行比较,结论如表2所示。

从实验结果来看,基于仿真推演的方法由于涉及冲突告警等实时显示,用时5 min远大于常规解析方法的2 s,但是即使对于空军应急作战而言,5 min也是能够满足实际作战需求的。相反,在识别空间冲突、资源冲突、武器使用冲突、保障冲突方面,是否分析冲突原因,是否给出修改意见方面,基于仿真推演的方法具有常规解析方法所不可比拟的优势。

表2 基于仿真推演的航空兵出动计划自动探测与常规解析方法对比