基于隊形控制的電子對抗智能體協(xié)同方法

姜福濤，黃學軍

（1.中國人民解放軍92768 部隊，廣東 汕頭，515800；2.國防科技大學電子對抗學院，安徽 合肥，230037）

0 引言

第二次納卡沖突讓世人領略了無人作戰(zhàn)的威力，電子對抗無人裝備（簡稱無人裝備，下同）運用問題成為關注熱點。對海軍瀕海要地防御來說，適當增加無人裝備可以提高作戰(zhàn)效費比，而且電子對抗無人裝備集群（簡稱集群，下同）已經成為研究無人作戰(zhàn)的新課題。但受某些特定地域地理環(huán)境、電磁環(huán)境影響以及部署要求，集群需保持一定的隊形，并通過優(yōu)化隊形充分獲取戰(zhàn)場態(tài)勢、利用火力和電磁盲區(qū)規(guī)避海上高威脅區(qū)。隊形控制是集群協(xié)同的基礎性問題，根據相關文獻提出“領導跟隨”和“鄰接跟隨”2 種協(xié)同隊形控制模式，并根據C++仿真結果，提出集群協(xié)同的相關建議。

1 “領導跟隨”模式下集群協(xié)同控制方法

在未來局部戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場上的電子對抗無人裝備可能來自不同軍種，發(fā)射點隨機性較大，組織協(xié)同時需要對其位置進行初始化處理。參照當前演訓任務中對作戰(zhàn)模塊的編號方法，也可對無人裝備進行編號。

1.1 “領導跟隨”模式下無人裝備編號序列生成方法

“領導跟隨”模式運用在作戰(zhàn)層面，關鍵是確定領航無人機。根據“領導跟隨”算法，一般取集群的幾何中心作為中心點，把距離中心最遠的點定為領航無人機，把與的連線作為初始運動方向，最后構建一個坐標系（→→），為所有無人裝備分配序號，并按升序排列軸坐標值。在軸方向，如果坐標值為負則編號為奇數，若為正則編號為偶數，按照此規(guī)律輪流編號，直到無人裝備都被編號。在另一個半平面內的成員緊隨先編號的半平面的最后一個成員連續(xù)編號，如圖1 所示。通過計算機仿真演示了無人裝備的序列分配結果，如圖2 所示。

圖1 集群序列實現示意圖

圖2 無人裝備序列分配仿真結果

1.2 “領導跟隨”模式下無人裝備協(xié)同算法

一般情況下，無人裝備進行集群機動時，要考慮在三維空間的編組，為簡化問題，本文暫時以平面研究為主，主要分析單線和多線隊形。單線隊形包括水平線、垂直線、弧形、圓、楔形等，重點要考慮無人裝備之間的距離和角度。其算法為：

Step1：輸入序列號，的坐標和隊形結構。

Step2：判斷序列號奇偶性，若為偶數，標記為1，反之為-1。

Step3：計算目標位置坐標。

Step4：輸出目標坐標值。

多線隊形還要考慮水平線的數目，判斷隊形是水平型還是垂直型，具體算法如下：

Step1：輸入序列號，的坐標和協(xié)同隊形結構。

Step2：計算水平線數，假設無人裝備數目為,如果是多線縱隊（列數為），且%=0，等于[]，反之，：=[/]+1；如果是多線橫隊，:=。

Step3：計算隊形長度。如果/2 的余數是0，：=[((ID%)+1)/2]×d；如果余數不為零，則需進一步判定

①當ID/的商是偶數時，：=[((ID%)+1)/2]×d，

②若為奇數且序列號為偶數時，：=[((ID%)+2)/2]×d，

③若為奇數且序列號為奇數時：=[(ID%)/2]×d。此處ID為第個無人 裝備的序列號。

Step4：進行標記，同單線隊形標記。

Step5：計算第個無人裝備目標位置坐標，u:=u-[ID/]×d,v:=×。此處，代表Step4 中的標記值。

Step6：輸出目標坐標值。

確定無人裝備在集群中的目標位置后，下一個重要問題就是正確設置移動路徑，以節(jié)省隊形形成時間、縮短形成路程。由于電子對抗力量時效性要求高，經常需要緊急編隊，所以縮短編隊時間、贏得時間優(yōu)勢很重要。但在設置路徑時，還需要解決避碰問題，為此提出以下算法：根據初始位置和在目標位置建立模型，計算任意2 點之間是否有碰撞點。假設無人裝備速度一致，在每個運動周期內距離記為一個步長，當2 個起始位置和路徑形成等腰三角形，則會出現碰撞點，記為，此時序列號小的先通過。

依上述算法仿真得到圖3-4 所示結果。圖3 仿真了12 個無人裝備如何形成圓形隊形；圖4 通過改變角度值，形成不同隊形；圖5 演示不同數量的無人裝備形成扇形。

圖3 領導跟隨法中圓形隊形生成仿真

圖4 12 個無人裝備形成5 種隊形的仿真結果

圖5 不同數目的無人裝備形成的扇形

1.3 無人裝備協(xié)同運動與隊形轉換

圖6 楔形隊伍協(xié)同運動仿真（任務完成需要5.74 s）

隊形轉換算法的核心思想是確定最短距離和最小時間。傳統(tǒng)算法會采用兩點位移法，計算新舊坐標位移向量，但會存在延遲。為此進行適當優(yōu)化，建立一個包含不同隊形參數和隊形轉換參數數據庫，在轉換隊形時可直接調用子函數。立足于隊形優(yōu)化研究背景，本節(jié)研究集群隊形轉換，目的在于解決集群利用盲區(qū)規(guī)避對方偵察或打擊，如圖7 所示。圖中集群形成圓形疏散隊形，通過對方偵察盲區(qū)（圖中缺口處）時，需要形成密集隊形進行隱蔽機動。同時，集群在面臨任務調整時需要在機動過程中進行隊形轉換，例如從縱隊式的戰(zhàn)斗隊形轉換為圓形的偵察隊形，如圖8 所示。

圖7 “領導跟隨”仿真結果（環(huán)境適應性）

圖8 無人裝備動態(tài)轉化仿真

1.4 無人裝備協(xié)同方式選擇

上文介紹了基于隊形控制的集群協(xié)同方法，落實到電子對抗力量運用層面，需要討論協(xié)同方式的選擇。有2 種序列生成方法，即自組織方法（A）和固定序列方法（F），對應的分別是有數據庫索引和無數據庫索引2 種方式。利用程序計算機動距離（可按照計算機屏幕尺寸比較）和時間，得到數據如表1-2 所示。可以看出，在數據庫支撐下效率更高，這要求當前在大規(guī)模作戰(zhàn)準備期間，加快無人裝備協(xié)同方法研究，豐富戰(zhàn)法數據庫。利用EXCEL 軟件可以將表格轉化為圖9。

圖9 “領導跟隨”模式對比

表1 “領導跟隨”模式生成的A、F 隊形的距離數據（一個基本單位：1 mm）

表2 “領導跟隨”模式生成的A、F 隊形的時間數據

2 “鄰近引導”模式下集群協(xié)同方法

“領導跟隨”模式屬于基于“中心化”的協(xié)同方式，領航裝備一旦失效，整個集群會失去控制。為此，提出了一種優(yōu)化模式，即“鄰近引導”，該模式等同于“領導跟隨”模式，不同點在于選取的參考點不同。在該模式下，各無人裝備實時位置的確定基點是其“鄰近者”。所以算法重點是尋找每個無人裝備的“鄰近者”。同樣為簡化問題，首先先討論F 類隊形（無數據庫索引）情況。

2.1 確定“鄰近者”與隊形生成

單線隊形中，無人裝備對稱分布于→軸兩側，規(guī)定第個裝備（序列號定義為）將第2 個裝備作為“鄰近者”。如果小于3，則“鄰近者”為第1 個裝備。多線隊形中，的余數即為第個裝備所在行數（），例如，0 時，第個裝備就在第0 行。在第0 行可以通過求的值確定“鄰近者”。≠0 時，則先求（+1）/2 的商，再求-的值，即為“鄰近者”的序列號N。

確定“鄰近者”后，需要從初始狀態(tài)形成隊形，方法同于“領導跟隨”法。但需要在算法上做出優(yōu)化：當0 位裝備損壞后，后續(xù)裝備依次擔任0 位；當裝備的非0 位“鄰近者”損壞后，自動將損壞裝備的“鄰近者”作為新的“鄰近者”。

2.2 無人裝備協(xié)同與隊形轉換

確定好目標隊形后，第1 個裝備帶領其他裝備形成隊形。在隊形機動過程中，每一個裝備都與其“鄰近者”保持一定的距離，并且保持自身軸方向與向量→之間角度不變。向量→即為裝備與其“鄰近者”之間的距離向量。圖10 對弧形隊形進行演示，按照100 單位的速度和30°的舷角朝目標運動，在每個時節(jié)都進行點跡檢驗。

圖10 弧形隊形的集群協(xié)同仿真

利用仿真來演示集群利用“鄰近引導”模式提高戰(zhàn)場適應性。仿真距離為75 個單位，角度取15°。在機動過程中，遇到障礙或利用盲區(qū)機動時，能從疏散隊形變換為密集隊形，如圖11 所示。

圖11 基于“鄰近者引導”的仿真

2.3 無人裝備協(xié)同方式選擇

同樣對比自組織方法（A）和固定序列方法（F），利用程序計算機動距離（可按照計算機屏幕尺寸比較）和時間，得到數據如表3-4 所示。可以看出，在數據庫索引下協(xié)同效率更高，更加驗證了平時做好協(xié)同戰(zhàn)法研究的必要性。圖12 為表格轉化圖。

圖12 “鄰近者引導”方法模式對比

表3 “鄰近者引導”方法生成的A 隊形與F 隊形的距離數據（一個基本單位：1 mm）

表4 “鄰近者引導”方法生成的A 隊形與F 隊形的時間數據

對比圖9、12，可以發(fā)現“領導跟隨”時效性更高，所以在防空反導等對時間要求比較高的行動中，可以采取這種協(xié)同方式；而在抗海上襲擾時，由于目標抗毀性能大，對集群的抗毀性、穩(wěn)定性要求更高，此時“鄰近引導”協(xié)同可以發(fā)揮在不規(guī)則圖形中保持固定間隔的優(yōu)勢，提高集群的穩(wěn)定性。另外，還可以采取混合策略，例如，通過某電磁盲區(qū)前，基于“領導跟隨”的集群變換成四路橫隊，此時四路橫隊的機動采取“鄰近引導”方法，通過盲區(qū)后恢復隊形。

3 結束語

本文主要對比了2 種隊形控制方法在電子對抗智能體協(xié)同中的穩(wěn)定性和時效性，其中穩(wěn)定性參照的是形成隊形的距離，遵循距離越短能耗越低、穩(wěn)定性越高的先驗準則。在衡量距離要素時，采用的是測量智能體集群的“領航者”或“零號”智能體在形成隊形或轉換隊形時，在顯示器上的位移。由于不同性能計算機影響，隊形形成距離和時間差距較大，但對2 種隊形的對比來說，影響較低，具有一定的參考價值。作為電子對抗指揮領域最復雜的問題，協(xié)同始終是推動電子對抗力量體系這一復雜巨系統(tǒng)效能發(fā)揮的驅動力，好的協(xié)同方法可以達成量變到質變的戰(zhàn)場非線性態(tài)勢轉換。本文主要從數理層面進行了初步研究，而對于復雜系統(tǒng)理論中的突變和混沌等機理在電子對抗智能體協(xié)同中的表現還未深入探究。■