指揮決策實體層次結構設計方法

周翔翔， 姚佩陽， 尹忠海

(空軍工程大學，a.電訊工程學院，西安 710077;b.理學院，西安 710051)

0 引言

以網絡為中心的協(xié)同作戰(zhàn)是現代戰(zhàn)爭的基本作戰(zhàn)形態(tài)和達成戰(zhàn)爭目的的主要手段［1］。在這種作戰(zhàn)模式下，戰(zhàn)役作戰(zhàn)任務通常分解為一系列相關的子作戰(zhàn)任務，這些子作戰(zhàn)任務是由多個指揮決策實體(Tactical Command Decision-Making Entity，DM)根據其控制的作戰(zhàn)平臺資源共同籌劃實施的［2］。指揮決策實體之間進行信息共享可以改善決策質量、進行平臺資源共享以分擔作戰(zhàn)任務，有利于提高指揮決策的效能。然而僅僅依靠完全對等的協(xié)作會降低決策效率，這就需要根據作戰(zhàn)任務，在指揮決策實體之間建立一定的層次結構［3－5］，使得角色和分工不同的DM在任務的協(xié)作處理上獲得較高的效率。

面向戰(zhàn)役作戰(zhàn)任務，生成一個扁平合理的DM層次結構主要有以下兩個優(yōu)點［6－8］:1)降低DM間的協(xié)調代價，提高DM間的決策速度和效率;2)當DM組織遭受打擊時，根據DM之間的層次關系，便于設計有效的指揮決策職責接替規(guī)則，保證組織功能的有效運作。

文獻［7，9－11］對DM間的層次結構設計方法進行了研究，給出了由協(xié)作交流網生成指揮控制樹的Gomory-Hu樹構造算法，該方法屬于一種破圈法。

本文描述了指揮決策實體層次結構設計的基本概念，建立了數學模型，并從并鏈成樹的角度，給出了指揮決策實體(DM)間層次結構的形成方法。

1 基本概念描述

設計指揮決策實體(DM)間的層次結構涉及以下幾種基本概念。

作戰(zhàn)任務(Combat Task，T)是作戰(zhàn)單元為完成所賦予的作戰(zhàn)使命而實施的一次行動，是戰(zhàn)場中作戰(zhàn)資源的某一種或幾種功能協(xié)同執(zhí)行的行為集合。

指揮決策實體(Command Decision-Making Entity，DM)是一個具有信息處理并進行決策的實體，它根據其控制的作戰(zhàn)平臺資源，籌劃并實施作戰(zhàn)任務［12］。

作戰(zhàn)平臺資源(Combat Platform Resource，R)是處理作戰(zhàn)任務所需的物理資源實體，是決策者執(zhí)行任務的憑借［2，4］。平臺包括火力實體和感知實體。

決策實體通過對平臺的管理控制來執(zhí)行使命任務，決策實體間通過平臺在任務上的協(xié)作便構成了協(xié)作交流網。協(xié)作交流網反映了決策實體之間的任務協(xié)作關系，并不是決策實體之間的實際組織關系。

指揮控制樹體現了DM間的層次結構。指揮控制樹確定了DM之間的決策關系，以DM為節(jié)點，DM間的指揮關系的鏈接為邊，由根節(jié)點與其他節(jié)點建立起有向鏈接關系，樹中沒有環(huán)路。

本文以協(xié)作交流網G(V，E，U)為基礎，設計DM之間的層次結構，即指揮控制樹，其形式化描述為

其中，F為下文將詳細描述的DM層次結構設計算法。

2 層次結構設計方法

2.1 模型建立

對于協(xié)作交流網G(V，E，U)，其生成樹并不唯一，需要根據具體問題求解具備某種條件的G(V，E，U)的生成樹。如在通信網絡中的最小生成樹、Stenier樹等。針對DM層次結構特點，構造的指揮控制樹需要描述任務協(xié)作與指揮控制特性的生成樹越扁平越好，這樣可以減少DM之間交互協(xié)作的復雜度。下文首先給出一些定義，之后建立DM層次結構模型。

每個DM與其他DM之間的協(xié)作包括信息交換和任務協(xié)作，本文借鑒文獻［9－11］的工作負載定義，僅從任務協(xié)作的角度給出DM協(xié)作量的定義，該協(xié)作量值即為協(xié)作交流網中邊的權值。

定義1任意兩個DM(vi，vj)之間的任務協(xié)作量uij為vi和vj協(xié)作完成任務的工作量之和，則

定義2路徑長度。設協(xié)作交流網(連通圖)G(V，E，U)中任意兩個節(jié)點vi和vj的最短路徑為Pmin(Vi，Vj)，則 vi到 vj的路徑長度為路徑 Pmin(Vi，Vj)的邊權值和，即

其中，Line為獲取路徑邊權值和的算子。兩個節(jié)點vi和vj的路徑長度表示vi和vj之間的協(xié)作功能鏈的任務協(xié)作總量。

定義3樹高。設 T=T(V，E′，U′)為樹，vb為 T的根節(jié)點，令h為由根節(jié)點vb至樹T的各節(jié)點路徑長度的最大值，即

則h為樹T的樹高。

定義4扁平生成樹。設協(xié)作交流網G(V，E，U)的生成樹記為T，T的樹高記為H(T)，G的生成樹集合記為Q，樹高最小的生成樹T0稱為扁平生成樹，即T0滿足

傳統(tǒng)意義上將樹中節(jié)點的最大層次定義為樹高，本文定義的樹高是樹中節(jié)點的最大路徑長度。從根節(jié)點DM到其他每個DM都存在一個指揮功能鏈，樹高表示了指揮功能鏈上任務協(xié)作總量的最大值，而扁平樹是最大路徑長度最小(指揮功能鏈的任務協(xié)作量總和最大)的生成樹。本文需要構造的指揮控制樹即為協(xié)作交流網的扁平生成樹，即

2.2 算法分析

根據上文構造的模型，以下逐步給出扁平指揮控制樹的構造方法。

定理1設協(xié)作交流網G(V，E，U)為連通圖，vs，ve，記 vs，ve間的最短路為 Pmin(vs，ve)，則 Pmin(vs，ve)為鏈。

證明 由于 vs≠ve，設 vs，ve間的最短路 Pmin(vs，ve) 為 vse1v1e2v2…eivi…ejvj…emve，如圖 1a 所示。

若 Pmin(vs，ve)不是鏈，則必有路徑 Pmin(vs，ve)的中間節(jié)點 vi，vj，使得 vi=vj，即 Pmin(vs，ve)如圖 1b 所示。

圖1 路徑示意圖Fig.1 Sketch map of path

即在路徑Pmin(vs，ve)中存在一條由 vi至 vj的回路，顯然，路徑P′min(vs，ve)=vse1v1e2v2…eiviej+1vj+1…emve是一條由vs至ve的最短路徑，與vs至ve的最短路矛盾，故最短路一定是鏈。

定理2設協(xié)作交流網G(V，E，U)為連通圖，vb為取定的根節(jié)點，vb至圖G中任意節(jié)點vi的最短路徑記為Pmin(vb，vi)，若最短路是唯一的，則所有最短路的并

為圖G的一棵生成樹。

圖2 帶回路的非樹示意圖Fig.2 Sketch map of non-tree with loop

圖2 中 v1→v2→v3→v4→v5→v6→v1構成了回路，顯然vb→v1→v2→v3→v4是vb至v4的最短路，同時vb→v1→v6→v5→v4也構成vb至v4的最短路，與最短路唯一的假設矛盾，故T構成樹。

定理3按式(7)構造的生成樹T0是最扁平生成樹。

證明 設存在另一棵生成樹T0′使得H(T0)，則必存在某一節(jié)點v0，使得T0′中由根節(jié)點vb至v0的距離小于樹T0中由vb至v0的距離，則T′0中由vb至v0的路徑是一條比T0中由vb至v0距離更短的路徑，這與T0中由vb至v0是最短路的結論矛盾，故T0是扁平生成樹。

對于給定的協(xié)作交流網G(V，E，U)，取定V中節(jié)點vb為根節(jié)點，vb至G中任一節(jié)點vi的最短路記為Pmin(vb，vi)，則vb到所有其他節(jié)點的最短路的并即為G(V，E，U)的一個生成樹，且該樹為扁平生成樹。即指揮控制樹 TC為 G(V，E，U)的所有最短路 Pmin(vb，vi)的并，則

例如對于具有6個節(jié)點的協(xié)作交流網，取定v3為根節(jié)點，v3到其他節(jié)點的最短路徑分別為:v3→v1、v3→v4→v6→v2、v3→v4、v3→v4→v6→v5、v3→v4→v6，則以 v3為根節(jié)點的指揮控制樹如圖3所示。

圖3 最短路徑并操作示例Fig.3 Example of the shortest path and operation

上述分析為解決指揮控制樹構造問題提供了切實可行的方法，但其實現還需要兩個前提:1)保證任意兩個節(jié)點之間的最短路唯一;2)需要確定指揮控制樹的根節(jié)點。下面分別給出這兩個問題的解決方法。

1)節(jié)點之間唯一最短路的選擇方法。

協(xié)作交流網G(V，E，U)中任意兩個節(jié)點vi和vj之間的最短路徑并不一定唯一。為保證求出的最短路徑滿足定理2所要求的唯一性條件，本文對Floyd算法進行了限定，限定算法中每次處理的節(jié)點都是滿足條件序號最小的節(jié)點，即每次處理都首先選擇距離最近的節(jié)點，當多個節(jié)點的距離相同時選擇序號最小的節(jié)點。

2)指揮控制樹根節(jié)點的確定方法。

定義5最大路徑長度、平均路徑長度。

設協(xié)作交流網(連通圖)G(V，E，U)中任意vi到其他所有節(jié)點的最大路徑長度為

vi到其他所有節(jié)點的平均路徑長度為

本文確定指揮控制樹根節(jié)點的方法是依次按照3個規(guī)則實施，直到滿足條件的節(jié)點唯一。這3個規(guī)則的目的都是查找滿足一定條件的節(jié)點(或節(jié)點集)，規(guī)則分別為協(xié)作交流網中節(jié)點到其他所有節(jié)點的最大路徑長度最小、節(jié)點到其他所有節(jié)點的平均路徑長度最小、節(jié)點序號最小。

2.3 算法步驟

基于以上討論，本文給出以下指揮控制樹的構造算法步驟。

1)根據協(xié)作交流網中DM之間關于作戰(zhàn)任務的任務協(xié)作量信息，計算協(xié)作交流網中任意兩個指揮決策實體vi和vj的邊權值，構成網G的邊E的權值集合U={uij|1≤i，j≤nV，uij=u(ek)，ek∈E}，uij=0 表示兩個節(jié)點之間沒有鏈接，uii=0表示節(jié)點到自己沒有自回路。

2)根據指揮決策節(jié)點之間唯一最短路的選擇方法，獲得協(xié)作交流網中任意vi、vj的唯一最短路徑，為Pmin(vi，vj)。

3) 根據任意 vi、vj的 Pmin(vi，vj)，采用式(9)、式(10)，求得vi的和

4)基于3個層次規(guī)則的指揮控制樹根節(jié)點的確定方法，求得指揮控制樹的根節(jié)點為vb。

5) 將根節(jié)點 vb到其他所有節(jié)點 vi，i=1，2，…，nV，的唯一最短路徑進行合并，得到指揮控制樹TC。

3 算法應用及對比分析

以一次登島戰(zhàn)役作戰(zhàn)為例，其作戰(zhàn)使命任務為登陸搶占敵方的機場和港口，為后續(xù)部隊向縱深推進掃清障礙。根據這個使命任務和作戰(zhàn)環(huán)境可以將作戰(zhàn)任務分解為［2，10］10 個作戰(zhàn)任務。

本文設定10個作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)平臺配置已完成，并對作戰(zhàn)平臺資源進行了分組，每組作戰(zhàn)平臺資源設置一個DM。作戰(zhàn)平臺可分為6個組，故設置了6個DM。DM之間由于共同執(zhí)行任務而建立任務協(xié)作關系，形成DM之間的協(xié)作交流網如圖4所示。

圖4 協(xié)作交流網算例Fig.4 Collaboration-intercourse net

圖4 中兩個DM之間的值表示兩者協(xié)作的任務數量。表1中給出了DM之間的協(xié)作的各個任務的協(xié)作量。其中表示DM vi與DM vj之間的關于協(xié)作任務k的協(xié)作量。

表1 DM之間的任務協(xié)作量Table 1 Task collaboration value between DMs

根據表1，計算協(xié)作交流網的邊權值為

基于圖4所示的協(xié)作交流網，結合協(xié)作交流網的邊權值，根據節(jié)點之間唯一最短路的選擇方法，采用式(3)、式(9)、式(10)可以計算得到DM之間的路徑長度關系如表2所示。

表2 DM節(jié)點間的路徑長度Table 2 Path length between DMs

根據表2的結果，由于到其他節(jié)點的最大路徑長度最小的節(jié)點只有v5，故選擇v5為指揮控制樹的根節(jié)點。以v5為根節(jié)點，采用本文算法得到的指揮控制樹如圖5所示。

圖5 生成的指揮控制樹Fig.5 The created command and control tree

在現實中，擔負一個戰(zhàn)役任務的決策實體間的組織關系可以是層次式、網絡式或混合式的，本文設計的指揮控制樹作為一種層次結構，明確了決策實體間的決策與交流結構，為之后的多實體間的作戰(zhàn)計劃制定奠定了基礎。若某個任務由單個決策實體擔負，則該決策實體具有該任務的獨立決策權;若某個任務由多個決策實體擔負，則根據決策實體在指揮控制樹中的位置，明確在該任務的計劃制定中的信息流向、指令流向和決策權。比如任務t9由4個決策實體v2、v3、v4、v5共同擔負，信息由 v2、v3、v4流向 v5，指令由 v5流向 v2、v3、v4，v5負責作戰(zhàn)任務t9計劃制定中的協(xié)調和各決策實體作戰(zhàn)方案的融合。

4 結論

本文以設計適應現代戰(zhàn)爭需求的指揮決策實體的層次結構為目標，建立了協(xié)作交流網的扁平生成樹模型;從并鏈成樹的視角，給出了扁平生成樹構造算法;在算法實現的技術處理上，給出了確定網中任意兩個節(jié)點之間唯一最短路徑的方法，以及基于3個層次規(guī)則的指揮控制樹根節(jié)點的確定方法。實驗結果表明本文方法是有效的。

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