基于作戰輔助決策系統的目標分配研究*

2010-04-26 05:07:04姜文志

艦船電子工程 2010年4期

劉濤姜文志

(海軍航空工程學院煙臺 264001)

1 引言

現代戰爭越來越注重使用飛機或導彈對地面目標的襲擊,對海軍港口、要地來說,來自空中目標的威脅日益成為海軍所面臨的重大空中威脅。人工進行對空防御決策已經難以滿足現代作戰的需要。運用智能決策支持技術建立的對空防御輔助決策系統,可以在復雜而瞬息萬變的戰場態勢下幫助指揮員迅速、準確地做出對空防御決策。該系統能根據當前戰場情況向指揮員提供一個或若干個具有相應領域知識的專家所能提供的決策方案供其參考。

目標分配是防空作戰指揮控制中的關鍵環節,分配的優劣直接關系到防空作戰效果及整體效能的發揮。而現代防空作戰目標分配通常是多個防空武器系統對多個目標進行火力攻擊,所涉及的因素也相應增加,對目標的優化分配難度增大。建立科學、合理的防空導彈作戰單元目標分配模型,為防空作戰目標分配提供科學依據就顯得尤為關鍵。

2 防空作戰輔助決策系統的構建

防空作戰輔助決策支持系統是以系統工程、軍事運籌學、人工智能為基礎,以計算機技術、信息技術、專家系統、數據庫和仿真數學模型為手段[1],針對作戰過程中的半結構化和非結構化決策問題,利用模型和數據支持決策活動的具有智能作用的人-機交互系統。

2.1 設計思想

作戰輔助決策系統立足點是輔助指揮員對空防御作戰,通過信息技術的運用,改善指揮人員的行為,為指揮員進行科學決策提供支持,而非代替指揮員進行決策,人仍是整個作戰系統中起決定作用的關鍵因素[2]。該系統加載于指控系統之內,并通過指控系統獲取必要的戰場數據信息,在決策過程中使用模型和數據,并采用模型驅動機制,來完成定性的知識推理、定量的模型計算,在進行一系列的數據處理后,將其轉換成相應的行動方案,合理分配防空資源,以比人快得多的速度實施科學指揮。

2.2 體系結構

防空作戰輔助決策系統以防空武器指控系統為其運行平臺,它把各種傳感器實時獲取的各種數據,經過傳輸、相關處理等數據融合后,從而更加準確地實現目標識別和跟蹤,并把處理后的數據作為本系統必要的決策數據信息。決策系統依靠這些信息建立相關數據庫,并利用知識庫和模型庫產生輔助決策方案。防空輔助決策系統與防空武器指控系統共用同一硬件環境,其軟件是選擇合適的計算機語言開發的決策系統、知識庫和推理機構成該軟件的核心,模型庫和數據庫構成決策環境,可以較好地解決模型的半結構化和非結構化問題。其基本組成包括數據庫及其管理系統、模型庫及其管理系統、知識庫及其管理系統和人機交互系統等。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 作戰輔助決策系統體系結構圖

3 基于輔助決策系統的目標分配模型

所謂目標分配是指上級指揮控制中心向其下級分配需要攔截的空中目標,通過合理的目標分配,達到盡可能高的作戰效能。在防空指揮自動化系統中,目標分配決策依據的主要信息是目標的航路捷徑、目標在發射區(殺傷區)內飛行時間和目標的飛臨時間。系統通過所獲情報信息,經數據融合等預處理后,獲得目標的綜合信息。然后計算目標的飛行諸元,并進行威脅判定排序。關于敵我雙方的態勢數據、目標飛行諸元和威脅等級都將存入綜合數據庫。在綜合數據庫中還保存有我防空兵器的數據、配置、火力范圍等數據。計算機根據綜合數據庫中相關信息以及指揮員的決心等,對目標進行最優分配。

3.1 目標分配模型

根據防空作戰的特點、當時的態勢,以及敵、我雙方的兵器性能等,建立一套分配規則作為知識庫里的知識,使分配結果接近軍事專家所期望的最佳效果。推理機運用知識庫的知識、綜合數據庫的數據和實時情報,按照指定的推理方法和檢索策略進行各種推理,并調用目標分配模型庫模型,得出各種解決問題的方案,以適應目標分配輔助決策系統實時性和動態性特點和要求。人機接口提供用戶或專家與系統之間的對話機制,通過解釋系統可使用戶及時了解系統的推理原則和推理過程,并可為指揮員進行干預提供條件。還可通過人機接口為知識庫提供和修改知識,通過對實際情況的歸納總結獲取新的知識。其模型圖如圖2所示[3]。

圖2 作戰輔助決策系統目標分配模型圖

3.2 模型知識表示

存放在知識庫中的各類知識由知識庫管理系統進行管理和維護,包括知識的存儲、檢索、獲取及檢查等工作。軍事知識的表示模糊性很強,一般用產生式規則來表示。目標的可攔截條件及目標優化分配準則是知識庫里的重要知識,下面以地空導彈攔截空中目標為例,作簡要介紹。

3.2.1 目標的可攔截條件

目標可攔截性判斷是火力單元攔截目標的必要條件。這里僅僅是根據目標位置、屬性識別結果和武器控制狀態,決定是否適宜進行攔截。

1)基本問題假定

m批空中來襲目標,n個防空火力單元。

2)空間約束條件

空間約束條件是指目標必須能夠經過防空區域某一火力單元的殺傷區。第j批目標能被第i火力單元攔截的條件為:

式中,Pij、Hj、vj分別表示目標 j對火力單元i的航路捷徑、目標j的飛行高度和速度;Pmax、Himax、Himin、vimax分別是火力單元i可射擊目標的最大航路捷徑、最大高度、最小高度和可攔截目標的最大速度。

3)時間約束條件

時間約束條件描述了目標的飛抵發射區時間與火力單元的最小射擊周期之間的關系。設第j批目標到達火力單元i發射區遠界的時間為tj1,導彈近界的時間為tj2,火力單元發射導彈的時間為tj f,對第k批目標發射導彈的時間為tkf,最小射擊周期為tz,則有tj1≤tjf≤tj2、|tjf-tkf|≥tz(k≠f)。

4)物質約束條件

物質約束條件是指防空火力單元處于正常戰斗狀態,而非故障狀態,并且在射擊過程中作戰資源是否滿足射擊攔截目標的條件。

只有滿足上述約束條件的目標才會進行威脅評估排序和目標分配,以提供防空作戰指揮輔助決策。

3.2.2 目標優化分配函數的選擇與解算

1)目標函數

假設目標分配之前已經進行了威脅評估,并設目標 j的威脅權重為ωj。

確定決策變量xij:第i個火力單元對第j個目標進行攔截,取值為1;否則取值為0。

火力單元對目標的攔截時間tij:第i個火力單元攔截第j個目標時的攔截時間。

目標函數的建立是圍繞作戰效能指標的要求進行的,于是可得理想目標函數表達式:

2)函數解算

目標分配問題是一個N-P問題,求解最優的目標分配方案是十分困難的。而且本文模型主要針對工程應用,模型解算不一定苛求最優,但要保證是滿意解,且尋優時間不能太長。本文采用啟發式[4]方法,按照分配準則,在保證每次約束都是可行的基礎上,動態地進行優選,尋求最優的分配方案。該方法實現較易,且滿足實時性要求,適用于工程應用。其解算步驟如下:

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(1)確定目標分配區域:目標分配區域是指在進行地空導彈武器系統目標分配時,能夠使所分配的目標在經歷正常的作戰流程后,在殺傷區同導彈相遇的所有目標位置點所構成的空間區域。如果同樣用高界、低界、遠界、近界來表征目標分配區域,則其高、低界與殺傷區高、低界應完全一致。所以,這里只需討論目標分配區域遠、近界,如圖3所示。目標分配區域遠界實際就是武器系統進行目標分配的起始線,武器系統對于越過該線的目標按目標到達的前后次序,不斷用后續目標頂替前面的目標,循環進行火力分配;目標分配區域近界是武器系統進行目標分配的終了線,系統對于越過該線的目標不進行目標火力分配。