無人作戰系統決策調度模型設計與仿真*

金華剛，楊新民，殷　明

(1.中國電子科技集團第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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無人作戰系統決策調度模型設計與仿真*

金華剛1，楊新民1，殷明2

(1.中國電子科技集團第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

隨著現代軍事技術的發展，無人作戰飛行器作為戰爭中的重要工具，在空中作戰中發揮著日益突出的作用。可以預見，在未來戰爭中，無人作戰飛行器將發揮重要的作用。從空戰無人作戰系統模型入手，設計了三層結構的無人作戰系統決策調度模型，進而基于Agent設計了實驗仿真模型，利用引入協商機制的改進型遺傳算法進行了實例仿真。實驗表明，所設計的無人作戰系統具有比較好的適應性，并具有一定的實用價值。

無人作戰；決策調度；Agent；遺傳算法

在現代戰爭環境下，無人作戰飛行器作為未來空中力量的重要一環，正在向集群化、網絡化和智能化的方向發展。以無人作戰飛行器為任務終端的無人作戰系統是未來戰爭最重要的發展趨勢之一。目前，世界上相對成熟的無人作戰系統有美國的協同作戰系統(CooperativeEngagementCapability，CEC)和美國陸軍的未來戰斗系統(FutureCombatSystems，FCS)等，“平臺無人，系統有人”、“人在環內，不在機(彈)上”成為無人作戰系統最基本的設計思想和決策控制特征[1]。對于無人作戰系統而言，人在環內最高層，通過信息網絡實施不進行任何具體操作的指令控制。本文所設計的無人作戰系統決策調度模型就是一個指揮、控制、通信和情報的統一體。

1　無人作戰系統的構成與分析

本文以空中無人作戰平臺為例(智能導彈或攻擊型無人機)進行分析研究。一般情況下，一個基本的無人作戰系統包括多個無人作戰平臺(導彈集群或無人機編隊等)、任務規劃和控制節點(以無人機為平臺的空中指揮中心)、地面指控中心、無人作戰平臺的通信數據鏈路系統以及空天地一體化的作戰指揮系統。

無人作戰系統典型構成如圖1所示。以無人機為載體的空中指揮平臺，與以導彈、無人機為代表的無人作戰平臺組成編隊，形成最小的戰術系統,加上預警機和地面指揮系統,可構成戰役系統。對于戰略系統，必須包含衛星和多個地面指揮系統。其中，無人作戰平臺任務規劃和控制站配置在空中指揮平臺上。空中指揮平臺與無人作戰平臺之間的通信構成無人作戰平臺的通信鏈路系統，空中指揮平臺與預警機、地面指揮控制中心等之間的通信包含在空天地一體化的作戰指揮系統中。

圖1　無人作戰系統典型構成圖

多個無人作戰平臺組成系統中的作戰集群，在作戰環境下，由地面指揮控制中心或預警機通過聯合戰術分發系統，實現對作戰集群的遠程指揮，由空中指揮平臺完成集群編隊戰術決策和任務調度，由無人作戰平臺完成作戰任務，充分實現空中指揮平臺與無人作戰平臺集群聯合編隊之間的信息共享、可用資源的統一調度和作戰任務的綜合管理[2]。

2　無人作戰系統決策調度模型

無人作戰系統的決策調度系統應該具有面向多無人作戰平臺協同作戰的控制層階結構，以及多無人作戰平臺之間任務調度的邏輯結構。本文設計的模型如圖2所示。該模型自上而下劃分為協調控制層、規劃調度層和執行層,執行層又包括戰術層和調節控制層。其中,協調控制層可位于地面站或預警機中,規劃調度層位于空中指揮平臺中,執行層駐留在無人作戰平臺上。

圖2　無人作戰系統控制層階與邏輯結構圖

高層決策調度包括協調控制層和規劃調度層。協調控制層將整個作戰任務(攻擊等)分解成每個無人作戰平臺編隊的作戰目標,實現無人作戰平臺編隊之間的協同任務控制,通過預定協議與各無人作戰平臺編隊進行協商,實現相互之間的任務分配和任務協調,使系統內的所有無人作戰平臺及其編隊形成一個作戰整體。規劃調度層實現無人作戰平臺編隊的內部任務控制，包括任務規劃、航路規劃和軌跡規劃等3個內控層次和任務分配、計劃協調和沖突消解等3個外協層次[3]，其由各種規劃算法和管理軟件組成，實現無人作戰平臺的任務調度、任務管理、任務規劃和航路規劃等，并為協調控制層提供用于與其他無人作戰平臺協商的信息。

底層控制指的是無人作戰系統執行層控制，是無人作戰平臺自身運動控制部分，包括戰術層和調節控制層，為規劃調度層提供系統的狀態參數等基礎數據支持，從而為系統決策控制提供支撐。

3　資源約束下的決策調度仿真

3.1仿真模型的建立

基于上述無人作戰系統模型的決策調度仿真，應在實驗設計上重點體現以下幾個要素：1)反映無人作戰系統整體(包含衛星、預警機、地面陣地、控制指揮平臺和無人作戰平臺)、無人作戰編隊(1個控制指揮平臺與多個無人作戰平臺)和獨立的無人作戰平臺(特定型號的智能導彈或無人機)3層運行主體；2)能夠進行基于決策規則和協商機制的自主控制決策與任務調度；3)通過算法實現的決策規則和協商機制能夠獲得優化的作戰調度方案。

對于無人作戰系統而言，一旦投入戰斗狀態，系統所有任務都必然受到有限資源環境(如油料資源、通信資源、火力資源和位置資源等)的約束，自主決策控制與任務調度的過程就必須在這些約束下尋求最佳狀態完成任務。本文的仿真實驗盡量簡化戰場環境，考慮在有限資源約束下，仿真決策過程獲得自主決策控制的調度結果。

在仿真實驗中，將總資源設定為一個常數，對于每個無人作戰平臺而言，執行一個最底層的任務的代價可以用完成時間和資源消耗這2個參數來描述，自主決策調度以最充分利用資源，最短時間完成作戰任務為優化目標。

無人作戰系統的任務是由多個無人作戰編隊組成的，每個編隊的任務又可以分解成若干個無人作戰平臺的任務，因此可以用一個多Agent系統來模擬無人作戰系統，每個Agent代理一個由1個空中指揮平臺和多個無人作戰平臺組成的作戰編隊，每個Agent任務代表一個無人作戰編隊的任務，且可以分解成若干個Agent子任務，即每個作戰平臺的任務。

假定單個無人作戰平臺的作戰功能各不相同，對于同一個Agent任務，其分解成的Agent子任務之間存在著優先級制約，比如對于協同偵查與監視任務，敵區域感知子任務的優先級高于敵區關鍵設施搜索子任務，敵區關鍵設施搜索子任務的優先級又高于目標設施定位與特征采集子任務；對于不同的Agent任務，各自分解出來的Agent子任務之間又存在資源競爭問題。

多Agent系統自主決策調度的目標是在滿足實時性要求的時間內，給出應對當前整體作戰任務的最佳解決方案。具體的講，就是在最短時間內完成一個滿足任務時間要求和Agent子任務優先級排列，且系統資源允許的作戰任務調度方案。

3.2仿真算法的選取

可用于任務決策調度的算法很多，本文選擇引入協商機制的改進型遺傳算法[4]，通過1個染色體代表一個整體的作戰任務方案；通過染色體的矩陣化結構設計，體現各任務編隊(Agent任務)及各無人作戰平臺任務(Agent子任務)的任務序列及資源消耗關系；通過Agent協商模擬系統內各編隊之間的溝通機制；通過適應度函數的設計，實現總資源約束和最優作戰調度方案比選。

3.3仿真實例

實驗假設完成某一作戰任務時，需要協同偵查與監視、對敵防空壓制、協同攻擊關鍵設施和協同攻擊防空系統等4個無人作戰任務編隊組合完成任務。假設4個任務編隊中都只有3個無人作戰平臺，即都可以分解為3個子任務，各個子任務耗費資源和占用時間的情況量化為數字指標(見表1)，同一個Agent任務所分解出的子任務按優先級從高到低排列。

表1　自主決策控制算法指標值

選擇6個任務結點，其總體作戰方案矩陣，即染色體結構矩陣為：

與總體作戰方案矩陣對應的是時間消耗矩陣A和資源占用矩陣B，用于輔助計算適應度。

當TN矩陣中某一個基因值為1時，A、B矩陣與之對應位置的值為某一特定Agent子任務完成任務所消耗的時間和占用的資源。

假設系統總資源為50，取隨機生成的作戰調度方案個數即初始種群大小為6，交叉概率取為0.5，變異概率取為0.05，遺傳算法執行次數取為15，為便于計算，將總耗時的倒數擴大100倍作為適應度值。運行程序，程序截圖如圖3所示。

圖3　基于改進型遺傳算法的決策調度運行程序截圖

從圖3可以看出，初始狀態隨機生成的調度方案適應度值參差不齊，隨著程序迭代，調度方案的適應度值不斷提高，當程序迭代到第12次時，生成了適應度值為3.225 806的最優任務調度方案，此方案的耗時最短為31，資源利用率最高。此方案對應的結構矩陣如下：

此方案對應的時間消耗矩陣A和資源占用矩陣B分別如下：

按照此決策調度方案(見表2)，12個Agent子任務組合成6個啟動批次，當前一批次中有Agent子任務完成，且騰出有足夠下一批次Agent子任務的資源時，下一批次Agent子任務組合便啟動任務。

表2　最優決策調度方案任務組合表

4　結語

本文主要研究了無人作戰系統的決策調度模型的基本組成，并通過算法模型進行了仿真驗證。后續可以逐步增加約束條件，完善決策機制和決策規則，形成完整的設計和仿真體系。

[1] 石章松, 左丹. 無人作戰平臺智能指揮控制系統結構[J]. 指揮信息系統與技術, 2012(4):12-15.

[2] 陳瑛, 劉麗, 曾勇虎. 美軍未來無人系統發展的關鍵技術[J]. 飛航導彈, 2010(7):33-37.

[3] 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.

[4] 趙敏，姚敏，劉兼唐.基于遺傳算法的小衛星多Agent任務調度優化設計[J].儀器儀表學報,2008(7):1475-1479.

* 中國電子科技集團重大電子支撐項目子課題資助項目(PU52150237)

責任編輯鄭練

UnmannedCombatSystemDesignandSimulationofDecision-makingSchedulingModel

JINHuagang1,YANGXinmin1,YINMing2

(1.ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation28thResearchInstitute,Nanjing210007,China;2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

Withthedevelopmentofmodernmilitarytechnology,theunmannedcombatflightasavitaltoolinthewar,inaircombatisplayinganincreasinglyprominentrole.Itisforeseeablethatinfuturewars,unmannedcombatflightchesswillplayanimportantrole.Fromtheunmannedcombatairsystemmodel,designunmannedcombatsystemdecisionsschedulingmodelwiththree-layerstructure,andthendesignexperimentsimulationmodelbasedonAgent,usingtheintroductionofconsultativemechanismsimprovinggeneticalgorithmissimulated.Unmannedcombatsystemprovedhereinhasabetteradaptability,andhassomepracticalvalue.

unmannedcombat,decisionscheduling,Agent,geneticalgorithm

2016-01-20

TP 273；V 271.4

A

金華剛(1978-)，男，大學本科，高級工程師，主要從事指揮信息系統總體等方面的研究。