裝備保障任務規劃系統體系結構研究

張春潤　熊林偉　趙坤　劉亞東　劉增勇　邵鵬飛

［摘要］ 通過對裝備保障任務規劃系統的需求分析，得出并闡述了裝備保障任務規劃系統的基本功能，給出了一種單裝備保障力量單元規劃系統與多裝備保障力量單元協同任務規劃系統體系結構。

［關鍵詞］ 裝備保障；任務規劃；系統；體系結構

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 16. 035

［中圖分類號］E917［文獻標識碼］A［文章編號］1673 - 0194（2012）16- 0055- 03

任務規劃是一門伴隨現代信息技術而發展起來的高新技術，已被廣泛應用于飛機、水面艦艇、地面車輛的導航系統中。目前國內關于任務規劃的研究主要集中在作戰指揮方面，而裝備保障指揮方面的研究則十分欠缺。為提高和確保裝備保障力量的保障效能和生存能力，故對裝備保障任務規劃系統體系結構進行研究，以適應未來戰爭的信息化、智能化和無人化發展趨勢。

裝備保障任務規劃系統，指在從保障任務目標確定到保障任務完成的整個過程中，安排裝備保障力量執行何種保障任務以及如何實施保障，使裝備保障力量生存概率和整體保障效能達到最佳。整個規劃系統由威脅建模、威脅評估、任務分配、路徑規劃、戰術決策以及指控中心等子系統組成，并在指控中心系統的指揮控制下，實現對裝備保障任務的規劃與實時重新規劃。規劃系統最后所給出的具體規劃結果包括裝備保障力量分配、保障任務分配和保障路徑。

１系統需求分析

裝備保障是為滿足部隊遂行各項任務的需要，對裝備保障采取的一系列保證性措施以及進行的相應活動的統稱。裝備保障力量是實施裝備保障的主體，裝備保障的對象是裝備保障任務，裝備保障的過程即裝備保障力量完成裝備保障任務的過程。裝備保障力量與裝備保障任務，在正常情況下，二者是一一對應關系，即有多少的保障任務就有多少對應的裝備保障力量。但實際上，通常情況下實際的裝備保障力量是少于裝備保障任務所需的裝備保障力量的，戰時這種差距更大。信息化戰爭條件下，戰場環境復雜、作戰樣式多變，首先直接導致了裝備保障任務的多樣、多變及不確定性，難以準確預測裝備保障任務類型、數量、發生地點等；其次也導致裝備保障力量的戰損、補充的動態變化。二者關系如圖1所示。二者的這種不確定性與動態性，最終導致裝備保障復雜性、不確定性甚至是低下的裝備保障效率。這就需要對裝備保障任務與裝備保障力量進行規劃，減少二者之間對應的不確定性，增強裝備保障效益。

由于戰時裝備保障任務主要是由敵方攻擊導致裝備的戰損而產生裝備保障任務，這導致裝備保障任務的不確定性遠遠高于裝備保障力量，因此上述規劃應以裝備保障力量為基礎。未來裝備保障力量模塊化編組是裝備保障力量發展的趨勢，加之戰時裝備保障力量是按照群—隊—組的形式區分編組裝備保障力量的， 因此，該規劃系統中將裝備保障力量劃分為裝備保障力量單元，并以裝備保障力量單元為基本研究對象。

２系統基本功能

對裝備保障而言，裝備保障任務規劃系統的基本功能是根據裝備保障能力和裝備保障任務地域地理環境、威脅環境等因素，為裝備保障任務目標規劃出滿足要求的保障力量與保障路徑，并可以根據需要進行局部重新規劃。為確保裝備保障過程中裝備保障力量的有效利用和任務的完成，一般需要多種裝備保障力量單元進行協同，因此對于裝備保障任務規劃系統而言，協同功能尤為重要。其主要功能包括：

２．１ 系統內的多裝備保障力量單元保障任務規劃與分配

將保障任務按重要性、緊迫性進行區分，按照保障任裝備保障力量單元在保障地域的分布，調配相應的裝備保障力量單元。例如：有Ｍ個裝備保障力量單元要對Ｎ個保障任務目標進行保障，如何對這些裝備保障任務進行分配要根據保障效能以及目標的重要程度進行合理分配。首先任務規劃系統按照重要性與緊迫性選取任務目標進行保障，并確定任務目標的保障順序及任務路徑。

２．２ 裝備保障力量單元間共享資源的協調

為完成所分配的任務，合理地將系統中的共享資源（如通用工具子系統、技術人員、通信、控制系統以及各種信息等）分配給各個裝備保障力量單元。這要求裝備保障力量單元具有較強的數據通信能力以及數據融合的能力，以便裝備保障力量單元之間要進行最低限度的通信，既能實現相互協同，又能保證隱蔽性，不容易被敵方偵察和干擾。

２．３ 多裝備保障力量單元之間的協同任務路徑規劃

在裝備保障過程中，當某個裝備保障力量單元被指派去完成某個確定的裝備保障任務，二者之間的能力與需求關系是確定的，那么裝備保障力量單元如何到達裝備保障任務地點即選擇機動路徑就十分重要。規劃系統根據保障任務地域環境，綜合評估戰場威脅、通行條件、任務時間、通信條件等，規劃裝備保障任務路徑。同時，在任務路徑規劃過程中，需要做好裝備保障力量單元之間的協同，避免多個裝備保障力量單元進行同一個保障任務等造成的保障力量局部過剩、重要保障任務目標裝備保障力量稀缺的現象。

2.４ 多裝備保障力量單元之間的協同控制

主要指多裝備保障力量單元在機動途中的協調控制，避免裝備保障局部過度集中造成目標過大，及共同完成某項任務時力量單元之間的協調操縱及其控制。

３多保障力量單元協同任務規劃系統的體系結構

在復雜多變的戰場環境中，裝備保障任務規劃系統的體系結構在很大程度上決定著系統作戰的效率和靈活性，體系結構的選擇應能使系統滿足良好的伸縮性、高魯棒性、高可靠性、快速反應能力、動態重構能力以及容錯能力等要求。

多裝備保障協同任務規劃系統的體系結構主要分為集中式控制和分布式控制兩類系統。

如圖２所示，集中式控制系統的特點是由唯一的任務指控中心對整個系統進行控制。在集中式控制系統中，任務規劃功能集中在任務指控中心，裝備保障力量單元僅具有底層控制功能。但集中式控制可靠性低、通信延遲、計算量大、消耗時間長、缺乏魯棒性。

如圖３所示，分布式控制系統的特點是各裝備保障力量單元具有完全的控制功能，能夠獨立的規劃任務與底層控制，并可通過各裝備保障單元之間的通信來實現任務協同規劃。但在現有技術水平上，裝備保障平臺在態勢評估和決策能力上還遠遠不能與人的能動性相提并論，人依然是整個系統中的關鍵決策因素。因此，分布式控制系統很難實現系統真正的協同和獲得最大整體效能。

為了更有效地實現多裝備保障單元協同保障，一種新型的分布／集中混合式體系結構被提出，如圖４所示。分布／集中混合式體系結構綜合分布式控制系統和集中式控制系統的優點，能夠更好地發揮裝備保障單元自主與集中指揮的互補優勢以及保障人員的主觀能動性。在分布／集中混合式體系結構中，裝備保障力量單元在執行任務之前，先由任務指控中心通過預先規劃為裝備保障力量單元提供一個初始任務計劃；在裝備保障執行任務中，裝備保障力量單元在系統控制下按計劃執行任務；當戰場態勢發生變化時，裝備保障力量單元自主決策，各裝備保障單元之間通過相互間通信實現保障任務協同，并將協同結果傳送給任務指控中心，任務指控中心將對裝備保障自主決策的結果進行評估，決定是否對其進行干預。

在分布／集中混合式體系結構中，任務指控中心可以是陸基、艦基，也可以綜合到空中指控中心。它的主要任務是對多個裝備保障單元進行初始任務規劃，并負責在任務執行過程中對裝備保障單元進行監控，任務指控中心具有對裝備保障控制的最高優先權，可隨時與每個裝備保障單元進行通信，并能隨時調整每個裝備保障單元的任務規劃。各裝備保障力量單元之間具備完全對等的獨立分析、規劃及協調能力，能根據分配到的任務目標進行數據收集、數據分析和任務規劃。

４ 裝備保障力量單元任務規劃系統

裝備保障力量單元任務規劃系統主要組成和邏輯結構如圖５所示，其核心組成和主要功能包括信息融合、威脅建模、態勢評估、路徑規劃等子系統。

４．１ 信息融合子系統

所謂信息融合，就是利用計算機技術對獲得的若干傳感子系統數據在一定準則下加以自動分析、綜合，以獲取決策與任務規劃所需的信息而進行的信息處理過程。多傳感子系統是信息融合技術的基礎，多源信息是信息融合的加工對象，協調、優化是信息融合的核心。

裝備保障力量單元為了獲得“全方位”的測量信息，一般載有高度表、溫度計、ＧＰＳ、激光測距儀等多種傳感子系統，所測量的信息不僅包括機動平臺本身的位置、速度、運行狀態，還包括機動平臺所處的外部環境信息，如地形地物、氣象等，并且將這些參數反饋至機動平臺計算機，規劃并控制平臺的任務路徑。要使這些傳感子系統協同起來為實現這一目標共同工作，就必須對多傳感子系統信息進行融合。目前，比較成熟的多傳感子系統信息融合方法有卡爾曼濾波、加權平均、貝葉斯估計、統計決策等。

４．２ 威脅建模子系統

該系統主要根據已知威脅系統信息，參照威脅數據庫和地形數據庫，對反映威脅狀態的空間分布進行描述，即生成威脅空間，主要是由分布于地面上的障礙、敵步兵和武器子系統形成的、對保障單元具有威脅性的攻擊或殺傷區等。廣義地講，威脅空間不僅包括障礙與地面高炮的火力障礙，而且還包括敵方空中攔截力量、預警機雷達、各種氣象因素和人工障礙等造成的對保障安全具有威脅性的空間區域；爾后結合裝備保障力量單元的特性與能力，對威脅空間的每一點進行威脅級別的判定處理，以滿足威脅評估、路徑規劃的要求。

４．３ 態勢評估子系統

為了正確、可靠、高效地完成復雜的保障任務，就必須首先對戰場的態勢進行評估。態勢評估以軍事知識和軍事經驗為基礎，自適應地對急劇動態變化的戰場場景進行監控，按照軍事專家的思維方式和經驗，自動對多源數據進行分析、推理和判斷，做出對當前戰場情境合理的解構，為軍事指揮員提供較為完整準確的當前態勢分析報告。態勢威脅評估是一個涉及不確定性的信息融合的推理和決策過程，可采用的方法一般有基于統計理論的經典推理、貝葉斯推理和Ｄ－Ｓ證據推理；有基于知識的專家系統、黑板模型等方法；還有近年來發展很快的模糊集合理論、神經網絡、遺傳算法等。

４．４ 任務路徑規劃子系統

任務路徑規劃是指在特定約束條件下，尋找從初始點到目標點，并且滿足某種性能指標最優的運動軌跡。裝備保障路徑規劃是以實現地形跟隨、地形回避和威脅回避為手段，利用地形和敵情等信息，規劃出生存率較高的任務路徑。裝備保障力量單元路徑規劃系統是保障任務規劃系統的核心，主要實現裝備保障力量單元路徑規劃、沖突檢測與消解以及選擇性管理等，其主要難點在于如何在不確定性戰場環境下出現突發威脅源或突發事件時，規劃系統能夠根據態勢評估結果對任務路徑作出實時重新規劃，并實現沖突檢測與消解。

５多裝備保障力量單元協同任務規劃系統的邏輯結構

根據多裝備保障協同任務規劃系統的層次特性，多裝備保障協同任務規劃系統如圖６所示，其組成部分包括信息融合、威脅建模、態勢評估、任務目標分配、任務協調、任務路徑規劃等子系統，其中目標分配、任務協調及任務路徑規劃子系統為其核心部分。與單裝備保障力量單元任務規劃系統相比，信息融合、威脅建模、態勢評估3部分功能基本相同，主要增加了目標分配和任務協調兩部分，并且在保障路徑規劃部分更加注重新規劃的協同性。 主要介紹一下目標分配子系統、任務協調及保障路徑規劃等３個子系統。

５．１ 保障任務分配子系統

在多裝備保障力量單元協同保障過程中，不可避免地要面臨多保障力量單元協同的多任務分配和編隊配置問題。多裝備保障力量單元協同保障的任務分配問題就是確定哪些裝備保障力量單元完成哪些保障任務，并對裝備保障單元編隊、設計其路徑，使得整個裝備保障系統的保障效能最高，保障代價最小等。任務分配子系統從路徑規劃子系統獲得各裝備保障單元對各個保障任務的預估路徑代價和需要耗費的時間范圍，按照保障任務要求確定協調分配方案，將保障目標分配給各保障力量單元。

５．２ 任務協調子系統

任務協調子系統的主要協調管理多個裝備保障力量單元協同完成任務，使多個裝備保障力量單元達到時域和地域上的協同，協調的關鍵是所有裝備保障單元在時間上同時達到目標點。

當戰場環境發生變化時，導致某些裝備保障力量單元無法繼續按原定規劃完成任務時，應當實時調用保障路徑規劃子系統，協調各裝備保障力量單元的任務路徑，協調管理裝備保障力量單元，確保規劃的有效執行。

在多裝備保障單元協同任務規劃系統的邏輯結構中，雖然任務分配子系統和任務協調子系統都需要任務路徑規劃子系統進行有關的保障路徑規劃，但它們對任務路徑規劃的要求和針對的環境是不同的。任務分配子系統需要了解所有裝備保障力量單元對保障任務目標的路徑代價，而非具體的環境細節與裝備保障力量單元的機動性能，主要要求快速獲得裝備保障力量單元的任務路徑代價和耗費時間。而任務協調子系統只需要得到需要協調的與重新規劃的任務路徑的路徑代價，需要比較細致和較具體的環境信息，要求考慮各種約束條件（機動性能、通行條件等），其要求規劃的粒度比較細，并獲得對裝備保障來說順暢可行的保障路徑代價和相應的運行時間。

５．３ 任務路徑規劃子系統

任務路徑規劃子系統是任務規劃系統的核心，主要實現多裝備保障力量單元的協同任務路徑規劃、沖突檢測與消解等。根據裝備保障任務的約束條件、裝備保障力量單元能力以及戰場環境等因素，同時為多個裝備保障力量單元設計完成保障任務的多條保障路徑，并實現保障力量單元在空間和時間上的協調一致。

６結語

裝備保障任務規劃是充分發揮多裝備保障力量單元協同保障優勢、保持任務復雜性與裝備保障能力之間良好協調性的關鍵問題，是一個復雜的多約束、多目標優化與決策問題。首先對裝備保障任務規劃系統的本質進行了深入分析；接著在分析未來裝備保障任務的基礎上，構建了分布／集中混合式多裝備保障力量單元協同任務規劃系統體系結構；最后研究了單裝備保障力量單元任務規劃系統和多裝備保障單元協同任務規劃系統的邏輯結構。

主要參考文獻

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