協同反水雷作戰任務規劃系統總體研究

曹 璐，胡紅波

（1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.海裝武漢局駐宜昌地區軍事代表室，湖北 宜昌 443003）

0 引言

有人/無人平臺協同作戰是在分布式協同作戰理念指導下應用較為廣泛的典型作戰模式，為了提升反水雷作業安全性，反水雷母艦不進入雷區，在其指揮下由空中反水雷系統、水面無人反水雷系統、水下無人反水雷系統進入雷區執行反水雷任務[1]。各種反水雷裝備聯合起來協同工作，在功能、用途、使用方式等各個方面形成優勢互補，最大限度地發揮各型反水雷裝備的綜合作戰效能。

協同反水雷任務規劃是指在滿足戰術和技術指標、作戰任務要求、反水雷平臺和武器性能約束、戰術使用條件等的前提下，將不同的作戰任務合理地分配給類型、戰斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺，其目的是實現資源的優化配置，提高反水雷武器平臺協同作戰能力、動態戰場適應能力以及整體作戰效能[2]。協同水雷任務規劃是一個多約束、強耦合的復雜多目標優化與決策問題，涉及到任務、環境、平臺等多方面因素。因此本文通過分析反水雷任務規劃的作用及功能，構建有人/無人協同反水雷任務規劃總體框架，明確協同任務規劃關鍵技術及解決途徑，有力推動反水雷作戰指揮控制技術的發展。

1 反水雷任務規劃作用與定位

反水雷作戰指揮控制的使命任務就是掌握戰場態勢，統籌作戰資源，指揮和控制反水雷兵力作戰，監控與協調作戰過程，最大限度提高反水雷作戰效能[3-4]。其特點是以信息技術為基礎，以信息環境為依托，以網絡為中心，用數字化設備將反水雷指揮、控制、通信、計算機、情報、專家輔助決策等系統聯為一體，構建反水雷作戰的多維信息空間，實現各類反水雷作戰信息資源的共享與交換[5]。

反水雷指揮控制貫穿于反水雷作戰全過程，具體包括作戰任務生成、作戰兵力配置、作業計劃制定（含人工制定和根據戰場感知自動生成預案）、作業計劃執行（含依照計劃執行和根據戰場態勢輔助決策或自動擇優）、作業效果評估（含建立效果評估模型、生成效果評估報告）。反水雷作戰指揮控制過程如圖1所示。

圖1 反水雷作戰指揮控制過程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of MCM command and control process

如圖1所示，反水雷任務規劃處于反水雷作戰指揮控制的重要階段，獲取作戰任務后，通過任務規劃執行下一步反水雷行動。反水雷作戰任務規劃主要包括作戰模式規劃、作戰兵力配置、作戰計劃制定等。作戰模式規劃根據不同作戰行動（水雷清除任務、水雷偵察任務、導航反水雷任務和疏通航道等），提供具有針對性的任務規劃向導，并支持作戰模式的擴展；作戰計劃制定根據反水雷戰斗命令制定的詳盡作戰計劃，包括獵掃雷制度、作戰兵力配置、線路配置、效果預測、行動方案等，解決在滿足戰術和技術指標、作戰任務要求、反水雷平臺和武器性能約束、戰術使用條件等前提下，將不同的作戰任務合理地分配給類型、戰斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺，可根據向導自動生成反水雷作戰計劃供戰術指揮員參考，也可支持人工定制作戰計劃。

2 協同反水雷任務規劃框架

2.1 任務規劃總體框架

反水雷作戰任務規劃可分為單艦作戰任務規劃、編隊作戰任務規劃和岸基任務規劃。單艦作戰任務規劃主要功能是完成本艦作戰任務規劃及制定，注重解決本艦裝載的各型獵掃雷裝備之間的協同反水雷作戰及計劃制定。編隊作戰任務規劃主要功能是完成編隊反水雷作戰任務規劃，作戰計劃制定及分發。注重解決編隊各作戰單元之間的協同反水雷作戰，根據戰場態勢變化可及時調整作戰計劃并實施。反水雷任務規劃總體框架如圖2所示，該框架是一種有限中央控制的分布式控制結構。

圖2 反水雷任務規劃總體框架Fig.2 General framework of MCM mission planning

有限中央控制的分布式控制的主要思想是通過允許同層控制實體間的對等通信以松弛遞階控制結構中的主從關系，提高底層模塊的決策控制能力[6]。在有限中央控制的分布式控制系統結構中，岸基/艦隊指揮中心根據作戰目標確定每個反水雷編隊的構成及每個編隊的初始作戰任務，為各反水雷編隊分配任務并進行任務規劃。在任務執行過程中岸基/艦隊指揮中心只對編隊進行高層次的綜合控制，負責做出全局決策。而每個編隊的戰術級任務規劃主要由該編隊反水雷母艦指揮員和平臺自主規劃/控制模塊協同完成，根據編隊作戰任務、編隊成員狀態信息和戰場態勢信息，進行局部決策。

在整個作戰過程中，反水雷母艦指揮員始終監視反水雷平臺執行任務的情況并保留隨時干預的權利，但反水雷母艦的集中式控制僅是在各反水雷平臺一定自主規劃和協商之上更高層次的管理，而并非一味地向反水雷平臺發布指揮遙控指令，只是在必要的時候向反水雷平臺發布命令，因此其工作負荷大為減輕，使反水雷母艦控制更多反水雷平臺執行任務成為可能。有限中央控制的分布式綜合控制系統體系結構綜合了集中式體系結構和分布式體系結構的優點，能夠更好地發揮反水雷平臺個體自主與集中指揮的互補優勢以及反水雷母艦指揮員的主觀能動性。

2.2 任務規劃層次結構

針對有限中央控制結構的協同作戰任務模式，協同反水雷任務規劃在不同的層次關注和處理的作戰任務、作戰資源的細節不同，通過分層將編隊反水雷作戰任務規劃復雜而眾多的約束條件按照其抽象程度分散到不同的層次，以降低問題的難度。協同反水雷作戰任務規劃分為編隊層任務規劃、集群層任務規劃和平臺層任務規劃。

根據任務規劃分層特性可知，上層關注的問題規模較大，模糊性較強，下層關注問題規模較小，確定性較大，精度也較高。上層任務規劃結果是下層任務規劃結果的要求，對下層任務規劃產生約束作用。不過，上層任務規劃可以影響但不能夠完全控制下層的任務規劃，即各層在一定范圍內具有自己獨立的自主任務規劃權，處理實際面臨的戰場問題，以避免傳統的逐級上報的任務規劃體系帶來的貽誤戰機情況的發生。并且，任務規劃層次之間存在明顯的耦合性和迭代特性。

從編隊層到平臺層代表了一個完整的任務規劃工作周期，在作戰過程中，根據戰場態勢的變化，需要在編隊層、集群層和平臺層這3個層次上對任務規劃進行調整，尋求對反水雷編隊的最優控制。編隊層、集群層和平臺層在協同反水雷作戰任務規劃中的地位和作用如圖3所示。

圖3 任務規劃層次結構圖Fig.3 Hierarchy chart of mission planning

3 協同反水雷任務規劃關鍵技術

3.1 作戰任務分配技術

作戰任務分配以初始信息為輸入，包含3個主要目標：1）采用目標分群算法將整體作戰任務按照任務點位置、任務屬性等進行分解；2）根據分解后的作戰任務需求進行配置，確定反水雷平臺及其攜帶的裝備、傳感器類型與數量，形成{任務集–反水雷平臺}組合，在保證任務完成概率的同時降低資源的消耗；3）基于戰場情報信息，確定可能存在水雷的區域，將該區域作為反水雷平臺的作戰區域。

作為Agent之間進行協商的重要方法，合同網協議被廣泛用于解決多智能體系統的任務分配問題，通過模仿經濟行為中“招標–投標–中標”機制實現任務的委派和遷移[7]。合同網協議任務分配的基本思想是將任務的分配通過結點之間的招投標過程實現，將協商引入到招標者和投標者的雙向選擇過程中。當招標者有任務需要其它結點幫助解決時，它就向其它結點廣播有關該任務信息，即發布任務通告（招標），接到招標的結點則檢查自己解決該問題的相關能力，然后發出自己的投標值并使自己成為投標者，最后由招標者評估這些投標值并選出最合適的中標者授予任務。在招投標過程中，利用通信機制，對每個任務的分配進行協商，避免資源、知識等的沖突，使系統以較低的代價、較高的質量完成分布式任務。

3.2 編隊隊形控制技術

根據{任務集–反水雷平臺}組合結果，確定各反水雷平臺在什么時間執行什么任務，以及是否需要協作。目標屬性不同其對應的作戰任務也就不同，如：掃雷、探測、滅雷、探測–滅雷、探測–滅雷–確認等，針對不同的作戰任務需要選擇相應的裝備（武器、干擾、傳感器等），將任務分配給適合的反水雷平臺，同時還要考慮任務的執行順序。因此執行任務過程中反水雷平臺需要聚集成一定的隊形進行作業，并且在出現不確定情況時，能夠通過隊形重構對反水雷平臺進行自適應控制。目前此類算法包括領航–跟隨法、基于行為法、虛擬結構法和圖論法等，它們都是通過群體中個體間的信息溝通，建立控制策略，再對個體實現逐一控制來達到預期目標。

領航–跟隨法結構簡單，易于理解，并且整個隊形的行為由領航者直接確定，因而得到了廣泛的應用[8]。該方法將反水雷平臺整體拆分為兩兩一組，一個領航平臺，一個跟隨平臺，通過跟隨者對領航者保持一定的角度和距離來實現隊形控制，根據領航者與跟隨者之間的相對位置關系，可以形成不同的網絡拓撲結構，即不同的隊形。例如在掃雷過程中，使各個反水雷裝備產生的物理場特征，通過一定的隊形模擬成大尺度艦船產生的物理場，如圖4所示。

圖4 大尺度艦船物理場模擬Fig.4 Physical field simulation of a large-scale ship

3.3 協同區域搜索與路徑規劃技術

多個反水雷裝備可以攜帶不同設備和載荷，通過區域劃分，可以將各自有限的能源充分利用。同時，這樣擴大了一些傳感器的感知范圍，而且將形成龐大的水面通信網，使得岸基與反水雷裝備之間的通信更為緊密，各司其責，高效地完成協同搜索任務。但多個反水雷裝備進行協同搜索任務時，勢必要考慮到各自的有效路徑和協調問題，否則，協同搜索反而事倍功半。

協同路徑規劃在滿足各種約束條件（空間約束、時間約束、環境約束、任務約束等）的前提下，為每個反水雷平臺規劃出一條從起始點到目標點的航跡，并且使得集群的整體性能達到最優。在協同航跡規劃中，航跡個體的適應度計算不僅考慮單條航跡的性能，更重要的是考慮各航跡之間的協同性能[9]。因此，對于協同航跡規劃的適應度計算，在單個航跡規劃適應度的基礎上，增加碰撞危險代價和完成時間要求來滿足空域協同和時域協同，基本流程如圖5所示。

圖5 協同路徑規劃基本流程圖Fig.5 Basic flowchart of cooperative path planning

對于每個反水雷平臺來說，最短的航行路徑意味著：航行時問最短，能源損耗最低。考慮到反水雷平臺在執行搜索任務時最主要的路徑約束就是回轉半徑，參考了無人機路徑規劃中經典的Dubins路徑：最簡單形式的路徑是由直線段和常曲率圓弧段組成，將這些直線段和圓弧連接起來就產生一條連接空間兩位姿點間的飛行器最短的運動[10]。常見的如平行搜索法，每個反水雷平臺沿同一方向平行進行搜索，相互之間互不影響、同步作業，如圖6所示。

圖6 平行協同搜索路徑Fig.6 Parallel cooperative search path

考慮到攝像、激光測距傳感器和聲吶等設備的搜索范圍限制，為保證相鄰的反水雷平臺得到的感知信息重復率低，覆蓋密度高，多個平行作業的反水雷平臺在航行至搜索區域縱向邊界返回時，需要統一回轉方向，統一向右（或向左）進行回轉返回。d為側掃聲吶的水平掃描范圍，那么相鄰的反水雷平臺出發時的橫向間距則為4d。

4 結束語

現代反水雷作戰流程復雜，自身控制單元眾多并且互相交聯，同時與外界作戰指揮系統的交聯需求也日益突出，需要建立一種基于網絡為中心的綜合反水雷指控系統，滿足戰術級、戰役級、戰略級不同層次反水雷作戰任務需求。但在這一過程中，面對大量的信息必須不斷地進行計算、判斷、決策以及正確的操作，因此協同反水雷任務規劃就成為研究的重點。本文根據協同反水雷任務規劃的主要功能，建立了一套有人/無人協同反水雷任務規劃框架體系模型，使其能夠依據上級作戰任務以及戰場情報、實時環境信息、作戰目標特性和兵力狀況等多因素，將不同的作戰任務合理地分配給類型、戰斗力和使用條件各不相同的反水雷平臺，并自動規劃生成相應的作業計劃，實現基于多因素綜合決策的動態任務規劃。分析了協同反水雷任務規劃中的關鍵技術，給出了相應的技術解決途徑，為后續協同反水雷任務規劃技術的發展提供了有力支撐。