基于協商的艦艇編隊協同防空決策沖突消解?

王 超 王家文

（海軍大連艦艇學院教研保障中心 大連 116018）

1 引言

編隊協同防空決策是組成編隊的各艦艇成員，在編隊指揮機構的組織下，根據分配的作戰任務和本艦的作戰資源制定各自的作戰預案，然后上報編隊指揮機構，進行綜合集成，最終得到編隊協同防空決策方案的過程［1～2］。

在編隊各艦艇成員制定本艦作戰預案的過程中，由于決策的依據是自身的最大利益，因此，各自的作戰預案之間不可避免地會存在沖突。如何科學、高效地消解這些沖突，是編隊制定協同防空決策方案過程中的一個關鍵問題。

2 編隊協同防空決策沖突分析

編隊成員在制定各自防空決策作戰預案的過程中，可能導致沖突的作戰資源分配主要包括三種類型。

1）火力資源

火力資源是艦艇實施各種作戰行動所依賴的主要手段。水面艦艇防空作戰的火力抗擊方式主要包括硬武器抗擊和軟武器抗擊兩種。編隊成員在同時使用硬武器抗擊，或同時使用軟硬武器抗擊時，均有可能發生火力干擾。

2）電磁資源

電磁資源是艦艇正常使用各類艦載傳感器和有源干擾設備的重要保障。由于此類設備對電磁資源的使用具有獨占性，因此，如果多種設備同時使用相同頻段的電磁資源，會由于相互之間的電磁干擾而發生電磁沖突［3］。

3）空間資源

艦艇的運動和作戰都是在一定空間范圍內進行的。編隊中的艦艇在遂行作戰任務、多艘艦艇同時進行艦艇機動時，都可能出現空間資源使用上的沖突。如果未能消解這類沖突，作戰時某艦艇可能會進入其他艦艇武器使用的危險區，甚至發生多艦艇相撞。

3 一般的沖突消解策略

目前，常用的沖突消解策略包括回溯、約束松馳和協商等方法。

1）回溯：在分布式人工智能系統中，當出現結論沖突時，采用回溯技術找到回溯節點，修改不相容的環境及相應的結構模型以消解沖突。回溯技術有順序回溯和相關制導回溯兩種。在順序回溯過程中，總是先考慮最近的節點，這可能導致回溯量過大；相關制導回溯是根據對消解不一致最有利的節點來回溯，而不考慮無關的節點，因此具有更高的回溯效率［4］。回溯法在規則系統中使用較多，如在狀態空間搜索問題中，在當前狀態與目標發生沖突后，可通過回溯返回到以前的某個決策點，選擇另一種方案，從而修改了原來的規劃，以解決沖突。回溯技術的缺點是：隨著問題復雜性的增加，回溯搜索會非常費時。

2）約束松弛法：這種方法取決于賦給目標約束的靜態權值，當系統發現沖突時，在保持約束權和最小條件下，放寬一些約束條件，從而有利于消解沖突。約束松弛法的缺陷是用數值表示沖突消解知識不直觀，且難以理解。

在各成員智能體之間建立約束關系時，由于考慮到了各自的求解目標和利益目標，故采用約束松弛往往會造成某個智能體求解目標和利益目標的改變，當這種改變不利于其完成任務時，這個智能體可能會拒絕接受約束松弛，從而導致消解失敗。因而約束松弛有其使用的局限性，一般適合于成員企業內部沖突的消解或耦合度較小的沖突消解，對于耦合度較高的沖突則應采用知識推理或仲裁的方法進行消解。智能體之間的知識沖突通常采用約束松弛法進行消解，可以采用形式化語言對沖突過程進行描述。

3）協商：協商是分布式人工智能研究中引起廣泛關注的一種信急交換和沖突消解模式，一般來講，它是指用來增進系統協調的通訊機制。即使不出現沖突，協商也是十分重要的，因為它所產生的系統承諾將超過參與協商的主體個人承諾。協商能夠在任意層次上實現，它便于靈活地運用沖突消解策略，不同層次上可采用不同的協商機制。協商包括基于沖突知識的協商、基于代價的協商和多級協商［5～8］。

此外，還有學者對基于任務［9］、基于特征優先關系［10］和基于組件單元模型［11］的沖突消解方法進行了研究。

4 基于協商的沖突消解方法

根據編隊協同防空決策的特點，我們提出一種基于協商的編隊協同防空決策沖突消解方法。

4.1 基本概念

為實現沖突消解過程的形式化描述，基于可拓理論的基本思想［12］，首先給出關于方案元、約束條件、沖突問題等一些基本概念的定義。

定義1方案元。作戰方案由若干參數組成，確定的方案關于每個參數都有確定的量值，將作戰方案的名稱、參數和量值，作為對方案描述的基本單元，簡稱為方案元。表示為

R=其中，N表示方案名，C表示方案特征，V表示N關于C所取的量值，可以是簡單變量，也可是數據結構。這三者稱為方案元的三要素。它們的關系用V=C(N)表示。

進一步分析，對于編隊協同防空決策方案元，其特征參數C可描述為以下多元組：

C=＜Own_id，OwnPos＜long，lat＞，Tar_batch，Weapon，Anti_kind，＜Fire_t1，Fire_t2＞，Fire_azimuth， Radar， ＜Radar_t1， Radar_t2＞， ＜Elect-Mag_freq1，ElectMag_freq2＞＞。

其中：

Own_id為本艦ID；

OwnPos＜long，lat＞為本艦位置（經度，緯度）；Tar_batch為抗擊目標的批號；

Weapon為抗擊使用的武器，艦空導彈記為W1，艦炮記為W2，有源干擾記為W3，沖淡干擾記為W4，質心干擾記為W5；

Anti_kind為抗擊使用武器的類型，硬武器抗擊記為A1，軟武器抗擊記為A2；

＜Fire_t1，Fire_t2＞為武器使用的時間范圍；

Fire_azimuth為武器發射的方位；

Radar為保障武器發射必須使用的雷達；

＜Radar_t1，Radar_t2＞為雷達開關機時間；

＜ElectMag_freq1，ElectMag_freq2＞為雷達使用電磁頻段范圍。

定義2約束條件。為避免沖突，各作戰智能體的方案元特征必須滿足的要求稱為約束條件。用一個二元組來描述其中：

X=是一組變量，是一組值域，每個元素是對應相應變量可能取值的一個集合。

定義3問題。由方案元R1、R2和約束條件CQ組成的關系式稱為問題，記為P12=(R1?R2)*CQ。

定義4沖突檢測。在約束條件CQ下，判斷方案元R1和R2能否同時實現的行為，稱為沖突檢測。

定義5沖突問題。給定問題P12=(R1?R2)*CQ，如果經過沖突檢測，在約束條件CQ下，R1和R2不能同時實現，那么稱P為沖突（對立）問題，記為P12=(R1↑R2，CQ)。

定義6 相容問題。給定問題P12=(R1?R2)*CQ，如果經過沖突檢測，在約束條件CQ下，R1和R2能夠同時實現，那么稱P為相容問題，記為P12=(R1↓R2，CQ) 。

定義7相關。對于任意兩個方案元R1和R2，若未抗擊同一批目標，未同時使用電磁資源，并且沒有機動的需要，則稱方案元無關，否則稱方案元相關。

定義8沖突特征。給定沖突問題P12=(R1↑R2，CQ)，其中導致沖突的特征元C組成的集合稱為沖突特征，記為：

定義9沖突集合。給定沖突問題P12=(R1↑R2，CQ)，將沖突特征、對應的特征量值以及不滿足的約束條件構成的集合，稱為沖突集合，記為CS={ }CA，V，CQ。

4.2 沖突消解算法

假設編隊系統中共包含m個作戰智能體，其中，已制定自身方案的智能體有n個，記為考慮第i個智能體制定自身預案后，與AgS之間進行作戰方案沖突的檢測與消解過程。

步驟1AgS根據自身作戰方案，構建各自的方案元，記為

步驟2Agi根據自身預案構建方案元Ri，并發送至AgS，各智能體接收后，首先基于約束條件進行方案元的相關性判斷，并反饋Agi。

步驟3若方案元之間無關，根據性質1，說明不會存在沖突，返回。否則，對于方案元相關的智能體，根據方案元和約束條件，建立問題模型。

步驟4智能體根據問題模型，分別進行沖突檢測，確定問題類型，進行問題相容度分析，判斷是對立問題還是相容問題，對于相容問題，不做處理；對于對立問題，確定沖突特征，構造沖突集合。

步驟5若所有問題均相容，不存在沖突，返回。否則，Agi根據約束條件，通過調整自身方案對每類沖突進行統一消解，化沖突問題為相容問題，完成后返回；若單純基于自身調整無法消解，需要其它智能體配合調整的，將對方調整建議發送至相關智能體。

步驟6相關智能體接收后，若可以接受，則調整自身方案，并通知Agi，沖突消解完成。若無法接受，通知Agi。

步驟7Agi根據與所有智能體的協商結果，決定放棄自身方案或上報編隊指揮智能體A指仲裁。

步驟8編隊指揮智能體對沖突仲裁后，將最終意見發送至Agi。

沖突的檢測與消解過程用UML活動圖如圖1所示。

5 實例

假設紅方編隊由三艘驅逐艦組成，基本參數如表1所示，T時刻藍方空中目標情況如表2所示。

表1 紅方驅逐艦編隊組成表

紅方編隊根據紅藍雙方的對抗態勢，制定初步的編隊防空決策預案，其中，艦艇1001的各方案元分別為

圖1 方案沖突檢測與消除活動圖

考慮艦艇1002與艦艇1001、1002之間關于防空方案的沖突檢測與消解過程。首先構建方案元集合RS2：

按照沖突消解算法，首先與RS1進行相關性判斷。按照相關性判斷的原則，可以證明R21!～R11，R21!～R12，但對于R21和R13，由于Anti_kind（R13）=A1，Anti_kind（R21）=A1，且 Tar_batch（R13）= Tar_batch（R21），由此可知，R21～R13。

進一步構造問題模型，P=(R13?R21)*CQ，根據約束條件CQ，進行沖突檢測。

由于（Fire_t2（R13）-Fire_t2（R21））=2，存在 1001的艦炮與1002的艦空導彈相互干擾的可能，因此，P31=(R13↑R21，CQ)是沖突問題。

確定沖突特征：CA={C1，C2，C3，C4} 。

沖突集合產生后，根據沖突消解類型和消解原則，由1001對方案元R13進行修改：

經過以上沖突檢測與消解后，艦艇1002與1001之間子方案的沖突已消除，整個編隊的決策方案形成。

6 結語

沖突是編隊協同防空決策過程中不可避免的現象，如何有效地消解沖突，是實現編隊協同防空決策方法的關鍵。由于沖突產生的原因和表現形式多種多樣，目前尚無統一的有效沖突消解方法。本文給出了編隊協同防空決策方案沖突的數學描述形式，和基于多智能體協商的沖突消解算法，從如何高效實現編隊協同防空作戰的角度出發，對協同決策方案沖突的消解問題進行了深入的探討，為實現水面艦艇編隊的協同防空決策奠定基礎。