基于貪婪策略的集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃方法

劉朝暢， 許衛(wèi)東， 楊 鑫， 李晨光， 郝有斌， 楊 潔， 肖菲菲

（陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京 210007）

0 引言

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，作戰(zhàn)節(jié)奏越來越快， 正確的決策取決于能否對戰(zhàn)場態(tài)勢及時、準確的處理[1-3]而未來復雜電磁環(huán)境的信息化戰(zhàn)場下作戰(zhàn)偽裝需要關注的點多、線長、面廣，決策時效要求又高，容易產生空間盲區(qū)，對指揮決策的精度、速度和強度提出了更高的需求[4]，為實現(xiàn)作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃的精確化和科學化，需要借助于智能化方法輔助決策。 作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃的核心內容是偽裝力量的編成及部署，而在現(xiàn)代作戰(zhàn)集群目標偽裝保障中，面臨的偽裝目標數(shù)量和種類不一樣，目標所處的背景差異較大，為了達到偽裝效果對各個目標使用的偽裝手段也不一樣，這就會涉及到多個偽裝目標的優(yōu)化及決策問題，并且受偽裝任務屬性、資源類別、任務時限及作業(yè)環(huán)境等多種因素的影響和制約，而不是簡單單個目標的累加問題。 因此集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題相對于單目標偽裝問題來說，考慮因素多，復雜程度高，求解難度大。

近年來，智能化方法廣泛應用于作戰(zhàn)任務規(guī)劃方面。例如，馬悅等[5]闡述智能方法在威脅判斷、時空推理、策略生成與評估、 策略學習與成長等方面輔助作戰(zhàn)任務規(guī)劃的必要性， 進一步給出作戰(zhàn)任務智能規(guī)劃的框架設計及理論依據(jù)。 趙國宏等[6]闡述了作戰(zhàn)任務規(guī)劃系統(tǒng)的概念內涵，分析了作戰(zhàn)管理、任務規(guī)劃、指揮控制等概念的相互關系。 李洪彬等[4]設計了一種戰(zhàn)場偽裝規(guī)劃模型，可實現(xiàn)戰(zhàn)場偽裝方案的計算機輔助設計、生成與評估優(yōu)選。 賀慶[7]利用知識工程理論中的本體表示、知識圖譜和語義推理等技術， 提出了基于作戰(zhàn)行動狀態(tài)轉移理論的作戰(zhàn)行動計劃制定方法。 杜正軍等[8]用不完全信息博弈分析敵對雙方之間的對抗， 建立了基于影響網絡和不完全信息多階段博弈的作戰(zhàn)行動序列模型，并給出了求解方法。 在前人作戰(zhàn)任務智能規(guī)劃的基礎上，使用貪婪策略實現(xiàn)任務與資源的匹配及任務時序的調整， 自動生成作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃甘特圖，滿足每個目標偽裝行動之間的因果關系、時間約束、資源限制等要求，并縮短整個偽裝行動計劃時間，充分利用偽裝資源， 輔助偽裝指揮員進行偽裝方案的設計和生成。

1 問題描述

1.1 基本概念

作戰(zhàn)任務規(guī)劃，是適應信息化戰(zhàn)爭的特點，圍繞“任務式指揮”的主線，用智能化和工程化的方法設計戰(zhàn)爭，將作戰(zhàn)行動明確化具體化精確化， 以便快速生成作戰(zhàn)方案、行動計劃及任務指令，從而提高指揮員及其指揮機關的指揮效能[9]。 作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃也就是用智能化和工程化的方法指導偽裝保障行動，對上接收作戰(zhàn)意圖和作戰(zhàn)構想，對下明確偽裝任務和協(xié)調偽裝行動，見圖1，要解決得就是偽裝任務、 偽裝資源和任務時間三者之間在多約束條件下尋優(yōu)的匹配問題， 其最終匹配結果為某個偽裝任務在某個時間區(qū)間內占用某種偽裝資源。 主要約束條件由偽裝任務間的順序約束關系、偽裝資源占用沖突、偽裝資源完成偽裝任務的能力限制、偽裝任務期限等構成。最終解的現(xiàn)實作用是：①明確偽裝任務，主要依據(jù)目標特性數(shù)據(jù)、背景特性數(shù)據(jù)、偽裝器材數(shù)據(jù)、偽裝效果綜合分析確定需要執(zhí)行的偽裝任務，形成偽裝任務清單；②合理分配偽裝資源，實現(xiàn)偽裝資源和偽裝任務的動態(tài)映射，主要解決資源沖突和資源利用率最大化等問題； ③生成任務序列， 充分認識集群目標的關鍵程度和相互聯(lián)系以及與敵方偵察對抗過程中可能發(fā)生的的種種意外情況，設計偽裝行動和偽裝任務流程，為偽裝資源分配和偽裝力量協(xié)同提供依據(jù)；④協(xié)調偽裝行動，在明確偽裝任務及其執(zhí)行偽裝分隊、所需偽裝資源、完成時間后，通過協(xié)調偽裝行動， 使執(zhí)行各個目標的偽裝力量相互配合、密切協(xié)同、優(yōu)勢互補，從而形成集群目標整體的偽裝行動。

圖1 作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃的內容和邊界

1.2 模型結構

本文作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題為了實現(xiàn)偽裝資源在時間和空間上的合理分配，生成相對較優(yōu)的偽裝任務序列。此問題可建立如下數(shù)學模型：

其中，式（1）為目標函數(shù)，以偽裝計劃總時間最小為優(yōu)化目標。 式（2）為緊前關系約束，指每個任務都必須要等到其所有的緊前任務完成之后才能開始[10]；TZi指得是集群目標之間偽裝任務轉移時間，Te指得是躲避敵偵察的額外時間， 下一個任務執(zhí)行的開始時間必須大于上一個任務的的結束時間、 任務轉移時間和躲避敵偵察的額外時間之和。 式（3）為資源約束，指得是偽裝資源在實戰(zhàn)中的數(shù)量是有限的，偽裝資源包括實施偽裝的技術兵力、迷彩偽裝器材、遮障偽裝器材、假目標偽裝器材、發(fā)煙器材和雷達干擾等器材。 記整個偽裝計劃共包含K 種資源，在任一時刻每種資源的容量有限，第k（k=1，2，…，K）種資源的總量為Rk。 任務i 在執(zhí)行過程中對第k 種資源的需求量為rk， 執(zhí)行所有所利用的資源總數(shù)不能超過現(xiàn)有資源總量。 式（4）為非負約束。

2 基于貪婪策略的求解方法

2.1 貪婪策略構建

貪婪策略是一種解決最優(yōu)化問題的近似方法[11]， 是一種為選擇性問題求最優(yōu)解的方法，對比啟發(fā)式算法，求解速度快，求解效率高。其特征是求解問題時通過制定貪婪準則將整體問題分解成多個子問題， 并在每次迭代過程中搜索子問題的局部最優(yōu)解，最終逼近整體最優(yōu)解[12]。這種方法適合解決集群目標作戰(zhàn)規(guī)劃這種復雜性問題，本文基于集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題的特點，并以式（1）為目標函數(shù)來構建貪心策略，見圖2。

圖2 貪心策略構建

2.2 調整任務序列

假設偽裝任務集i={i=1，2，…V}。任意一個任務都有開始時間STi和結束時間FTi，STi≤FTi。 如果任務i 和j 的時間 段[STi，F(xiàn)Ti]和[STj，F(xiàn)Tj]所 使用的偽裝資源小于總的偽裝資源，那么任務i 和j 就是可以并行的。 通過貪婪策略能夠求得在給定時間段內，最大的并行任務數(shù)量。 貪婪策略為：

max（number[A]），A?i （5）

A 為滿足條件的并行任務集。 得到的任務集就是將串行任務序列依據(jù)偽裝資源約束裝換成并行和串行并存的任務序列。具體流程如下：①按照串行任務序列依次判斷單個任務所需要的資源量是否滿足資源約束條件；②若滿足條件就壓入任務隊列中，改變成并行模式，再進行判斷同一時刻并行的任務資源總和是否滿足資源約束條件；③若不滿足就釋放任務序列，再加入后面的任務，計算資源總的使用量，判斷是否滿足，循環(huán)執(zhí)行。

經過資源調整后得到單個任務解：

式中：i 指得是任務編號，Rk指得是該任務所需的偽裝資源數(shù)，[STi，F(xiàn)Ti]指得是該任務的開始時間和結束時間。

3 案例應用

為了驗證所提出方法的可行性和有效性，本文選取典型集群目標進行仿真計算。仿真實驗平臺為Inter Core i5-7300HQ CPU，8GB，64 位Win10 操作系統(tǒng)筆記本。

3.1 參數(shù)設置

以6 組典型野戰(zhàn)集群目標為例， 某偽裝分隊利用遮障偽裝、植物偽裝、迷彩偽裝等手段分別對其實施偽裝保障，保障過程中可利用的偽裝資源總數(shù)為40，需要在滿足現(xiàn)有資源的情況下自動生成作戰(zhàn)任務序列。 6 組典型集群目標偽裝任務參數(shù)經過戰(zhàn)術計算可得， 由于保密原因，數(shù)據(jù)經過脫密處理，見表1。

表1 集群目標偽裝任務參數(shù)

3.2 實驗結果及分析

使用所提出的方法對上述6 組典型典型目標求解，分別得到作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃任務甘特圖和偽裝計劃總時間。圖3～圖8 生成的甘特圖[13]顯示了滿足資源約束下6 組典型集群目標在時間維度上任務的并行情況， 可以直觀地看到執(zhí)行每一類典型集群目標偽裝保障任務的先后次序和同一時刻并行任務的數(shù)量， 能夠輔助指揮員實現(xiàn)對偽裝保障任務的精細化控制，提高決策效率。 表2 是完成6組典型集群目標保障任務的總時間，可以看出，集群目標類型越復雜，偽裝保障所需要的時間越長。 表3 以類型1集群目標為例， 給出圖3 甘特圖對應的任務排序和單個任務的開始時間和結束時間， 定量顯示任務順序和持續(xù)時間。 通過實驗可知所提出的方法能夠對集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題求解， 并能生成偽裝任務甘特圖和任務排序表，輔助指揮員進行決策。

表2 偽裝計劃總時間

表3 類型1 集群目標任務序列表

圖3 第1 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

圖4 第2 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

圖5 第3 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

圖6 第4 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

圖7 第5 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

圖8 第6 組集群目標作戰(zhàn)偽裝任務規(guī)劃結果甘特圖

4 結束語

通過以上研究工作， 建立了集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題模型， 設計了一種求解集群目標作戰(zhàn)偽裝規(guī)劃問題的方法，并進行仿真實驗，自動生成偽裝規(guī)劃甘特圖和任務序列表， 能夠較好地解決集群目標偽裝規(guī)劃問題中的時間沖突和資源沖突， 使得有限的偽裝資源得到合理運用，提高偽裝資源的利用效率，能夠較好地輔助偽裝指揮員決策，對偽裝保障任務的實現(xiàn)有一定現(xiàn)實意義。