反艦導彈智能化作戰在線任務分配研究

楊秀霞，周硙硙，羅 超，張 毅

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

反艦導彈智能化作戰在線任務分配研究

楊秀霞，周硙硙，羅 超，張 毅

(海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

在預分配基礎上，研究反艦導彈多彈協同作戰的在線任務重分配。建立了多彈協同任務分配模型，采用基于拍賣協議的一致性方法研究在有中心彈和無中心彈情況下,分布式多彈協同任務重分配。實例仿真結果表明，分布式協同拍賣方法對解決多彈協同任務重分配問題是切實可行的，滿足了作戰系統對實時性和快速性的要求。

反艦導彈智能化作戰；在線任務重分配；分布式協同拍賣

0 引言

“遠程精確打擊”是對海導彈攻擊的必然趨勢和高技術戰場的主要特點，對海導彈攻擊是打擊敵水面艦船的主要手段，而攻擊目標的確定是攻擊任務中的關鍵要素。然而，隨著高精度制導裝備的迅速發展，其造價日益昂貴，因此在可靠地完成作戰任務的同時，如何充分發揮反艦導彈的作戰效能，減少不必要的浪費就成為實施作戰指揮時必須解決的首要問題，而任務分配則是其中的一個重要環節[1]。

在實際戰場環境中，將導彈攻擊目標的任務分配分為兩個階段：預分配階段和重分配階段。預分配階段是在任務執行開始前，針對戰場態勢所進行的任務分配。重分配則是在任務執行過程中，出現緊急突發問題，不能按既定任務執行方案執行，此時需要對任務進行在線快速重分配。作為新型智能導彈，具有相當的ATR能力，又有組網通信功能，因此各枚導彈可以共享、修正目標信息，這使得在線任務重分配成為可能。

多彈任務分配體系結構主要有集中式和分布式兩種形式。其中，分布式又分完全分布式及有限集中式兩種形式[2]。分布式分配結構靈活，適應分布式網絡化要求，可擴展性和魯棒性強，求解能力也有一定的優勢，適用于環境變化較快、節點眾多且動態變化的場景。任務分配的求解方法主要有合同網協議[2]、組合拍賣[3]等市場算法和完全分布式的群集智能算法[4]。其中，市場算法計算速度快，具有多項式的求解時間，可近似找到最優解。

本文在預分配基礎上，研究反艦導彈多彈協同作戰的在線任務重分配。建立多彈協同任務分配模型，采用合同網協議的一致性方法研究在有中心彈和無中心彈情況下分布式多彈協同任務重分配。

1 多彈協同自主任務規劃建模

以單彈群攻擊目標為研究對象，可以推及彈群與彈群之間及多任務的分配。

假設對N枚彈{U1,U2,…,UN}和M個目標{T1,T2,…,TM}已經完成任務分配，構成了一個多類型導彈和目標之間的分配矩陣XN×M，其中矩陣中的元素定義為：

(1)

目標分配時需考慮下面的因素。

1)攻擊任務的收益值：

考慮協同攻擊

(2)

(3)

其中：

ρj表示第j個目標Tj的重要性；

πj表示第j個目標Tj的被擊毀概率值；

Pij表示Ui成功摧毀Tj的概率。

2)摧毀目標的消耗值：

(4)

(5)

Di(j) =f(Plenij,Pthrij,rij)

=α1Plenij+α2Pthrij+(1-α1-α2)rij

(6)

其中：

υi表示導彈Ui的價值；

ζi表示Ui攻擊Tj的損耗函數；

Plenij表示Ui攻擊Tj的路徑代價；

Pthrij表示Ui攻擊Tj的危險代價；

α1、α2表示代價函數的各項權值，且α1+α2≤1；

rij表示Ui攻擊Tj時被擊毀的概率。

3)攻擊所有目標所需時間：

(7)

(8)

其中，Len(Pi,Tj)表示Ui攻擊Tj的路徑長度，Vi表示導彈組的飛行速度，(xu(i),yu(i))表示導彈組i的位置坐標，(xt(j),yt(j))表示第j類目標Tj的中心位置坐標。

2 基于分布式協同拍賣的在線自主任務重分配

在動態環境下，對導彈執行任務的預先分配結果往往不能滿足任務要求，需要在線重分配。此時，需要在最短的時間內得到較滿意的重分配結果。

在重分配時將每個導彈當作一個智能體。基于多Agent分布協同拍賣的目標分配算法是一種具有實時效果的動態目標分配算法。在此，“實時”并不是指計算時間越快越“實時”，而是指在滿足具體任務的計算時間按約束條件得到問題的解，即在規定時間內給出問題的解。

1)有中心彈的全局網絡通信任務重分配

對具有中心彈通信的彈群，作為拍賣機制中的主持者對新的任務進行拍賣。對于傳統的拍賣每次都是拍賣一個物品，最后競價最高者獲勝。而在此采用的拍賣方法是，主持者每次對待可分配任務的目標生成一定的拍賣順序，各競拍者按此順序進行任務競拍，各競拍者之間不存在競爭關系[5]。這種競拍機制減少了拍賣者和競拍者之間的交互，有利于減少目標分配時間。

圖1是基于多Agent分布協同拍賣的目標分配算法的流程圖，和一般的多Agent任務分配方法相比，此處所用的分布協同拍賣算法允許多枚導彈協同攻擊一個目標。

2)無中心彈的局部通信任務重分配

在局部通信條件下，多智能彈的任務分配為分布式的。基于合同網協議及多智能體一致性方法，采用分布式合同網協議的算法進行求解，每次循環分為投標和一致性兩個階段。在分布式情況下，各智能彈不能確切知道各個任務的全局標值和分配情況，只能通過相互間的通信用一致性的方法來獲得統一的標值及消解分配沖突。分布式合同網協議算法不要求通信拓撲固定不變，但為了信息的一致性，通信拓撲須保持連通，分布式算法對通信連接具有一定的魯棒性。在一致性階段中，智能彈通過與相鄰近的其他智能彈的通信來更新標值向量和分配向量，將當前所保存的任務標值更新為與其鄰接的各智能彈(包含該智能彈自身)所保存的最大值。由于缺乏全局信息，若出現多智能彈的獲利最大任務相同，而標值也相同的情況，可選擇將任務分配給索引比較大的智能彈。如果多個智能彈所保存的標值信息和分配結果保持Δ(Δ≤N-1，為通信網絡直徑，即圖中任意兩頂點間最大距離)個通信循環不變，則可認為達到基本平衡狀態[6]，得到分配結果。圖2給出了局部通信時多彈分布協同拍賣的目標分配算法流程。

圖1 具中心彈時的多彈分布協同拍賣目標分配方案及其算法流程Fig.1 Distributed cooperation auction assignment flowchart with the centralized missile

圖2 局部通信時的多彈分布協同拍賣目標分配方案及其算法流程Fig.2 Distributed cooperation auction assignment flowchart with local communication

3 問題求解實例

假設紅方艦艇編隊具有15枚導彈，攻擊藍方艦艇編隊10個海面目標。其中各導彈成功擊毀目標的概率及各彈攻擊目標的威脅代價分別如表1和表2所示。考慮這兩個因素，采用加權因子對二者進行權衡。預分配階段，隨機運行分布估計算法10次，統計結果見表3中的第一行。

表1 導彈成功擊毀目標的概率

表2 各彈攻擊目標的威脅代價

表3 目標分配的仿真結果

從表3的預分配結果可知，各目標均得到了分配，對照表2可以看出，有3枚彈分配給了威脅代價最高的目標5，同時，各枚彈所分配的目標并非是擊毀概率最大的，體現了各彈間的協同(適當犧牲個體收益以求得整體收益最大化)。

假設在任務執行過程中，導彈7故障，此時需要將其不能完成的任務作為被拍賣任務，經過其他導彈協同拍賣后，由中標導彈去執行，從而得到該突發情況下的任務重分配方案。表3的第二行和第三行分別給出了具有中心通信的重分配結果及局部通信的重分配結果。當中心通信時，在隨機生成一輪競拍次序后，原導彈7分配給目標5的任務改由導彈5執行。假設局部通信時，由導彈1至導彈15按編號順序兩兩之間相互通信，而導彈1和導彈15之間也可通信，即形成雙向環網。導彈7退出網絡后，其任務改由導彈8執行。從仿真結果看出，分布式協同拍賣方法對解決多彈協同任務重分配分配問題是切實可行的，滿足了作戰系統對實時性和快速性的要求。

[1] 王文亮，張效義.反艦導彈協同作戰智能化發展趨勢[J].艦船電子工程， 2010,30(10)：1-6.

[2] 龍濤.多UCAV協同任務控制中分布式任務分配與任務協調技術研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[3] 劉波, 張選平, 王瑞, 等.基于組合拍賣的協同多目標攻擊空戰決策算法[J].航空學報，2010,31(7): 1433-1443.

[4] 李大林, 李杰.基于PSO算法的多巡飛器任務分配方法[J].北京理工大學學報, 2010, 30(12): 1436-1439.

[5] 趙敏.分布式多類型無人機協同任務分配研究及仿真[D].南京理工大學, 2009.

[6] 邸斌, 周銳, 丁全心.多無人機分布式協同異構任務分配[J].控制與決策, 2013, 28(2): 274-278.

Anti-Ship Missile Intelligent On-line Operational Task Assignment

YANG Xiu-xia, ZHOU Wei-wei, LUO Chao, ZHANG Yi

(Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001,China)

Based on the preassignment, the on-line reassignment of anti-ship missile cooperation operation is studied.The multiple missiles cooperation task assignment model is built.The auction method for consistence is used to the task reassignment when there existing centralized missile or no centralized missile.Simulation shows that the distributed cooperation auction method is practical for the task reassignment, which can satisfy the demand of real-time and rapidity.

Anti-ship missile intelligent operation;On-line task assignment;Distributed cooperation auction

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.007

2015-06-10；

2015-08-23。

航空科學基金(20135584010)

楊秀霞(1975-)，女，博士，副教授，主要從事導航、制導與控制方面的研究。

V448

A

2095-8110(2016)04-0038-04