林 華，周 翔，盧發(fā)興

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430063）

分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃問(wèn)題*

林 華1，周 翔2，盧發(fā)興1

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430063）

分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)海上聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵。首先分析了海戰(zhàn)場(chǎng)資源的分類及戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃特點(diǎn)，建立了基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)，深入分析了該規(guī)劃系統(tǒng)的組成和功能，并構(gòu)造了相應(yīng)的資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型，為實(shí)現(xiàn)定性和定量相結(jié)合的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃與管理提供了一條有效的途徑。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)，戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃，分布式，多智能體

引言

海上聯(lián)合作戰(zhàn)是現(xiàn)代海戰(zhàn)的基本作戰(zhàn)形式，海軍各兵種各種力量通過(guò)科學(xué)合理的編成編組，形成功能互補(bǔ)、有機(jī)聯(lián)系的聯(lián)合作戰(zhàn)力量體系，依托網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)，圍繞同一作戰(zhàn)目的，根據(jù)不同的任務(wù)需求，精心選擇、使用相應(yīng)的作戰(zhàn)力量，通過(guò)發(fā)揮不同兵種的獨(dú)特優(yōu)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，形成綜合優(yōu)勢(shì)。聯(lián)合作戰(zhàn)要求整個(gè)作戰(zhàn)指揮體系能夠在極短的時(shí)間內(nèi)、在廣闊的空間范圍完成信息獲取、情報(bào)處理、兵力分配和武器系統(tǒng)的指揮控制。

在此過(guò)程中，需根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的變化，對(duì)分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的規(guī)劃，并進(jìn)行靈活調(diào)度。

海上聯(lián)合作戰(zhàn)具有如下特點(diǎn)：

（1）戰(zhàn)役涉及的兵種多、作戰(zhàn)活動(dòng)、作戰(zhàn)樣式多，作戰(zhàn)要素、信息和作戰(zhàn)活動(dòng)之間的關(guān)系復(fù)雜;

（2）指揮機(jī)構(gòu)多，以網(wǎng)絡(luò)為中心的指揮、協(xié)同、支援關(guān)系復(fù)雜;

（3）戰(zhàn)場(chǎng)廣闊，戰(zhàn)場(chǎng)資源種類多、資源屬性各異、地域分散；

（4）信息化條件下海上作戰(zhàn)行動(dòng)的快節(jié)奏、作戰(zhàn)情況的多變性，作戰(zhàn)任務(wù)不確定性和突發(fā)性，使得戰(zhàn)斗過(guò)程中資源規(guī)劃方案的動(dòng)態(tài)生成和實(shí)時(shí)調(diào)整的時(shí)間非常有限；

（5）作戰(zhàn)樣式的多樣化和雙方對(duì)抗的激烈化，加上海量信息，使決策過(guò)程復(fù)雜化。

以上各方面的復(fù)雜性導(dǎo)致了海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃復(fù)雜特殊。

分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃的目的就是要在復(fù)雜的海上聯(lián)合作戰(zhàn)過(guò)程中，根據(jù)作戰(zhàn)計(jì)劃，給出所需獲取的海戰(zhàn)場(chǎng)資源集合，確定何時(shí)使用何種資源，從眾多資源中得到滿足海軍作戰(zhàn)任務(wù)需求滿意的資源服務(wù)，得到可行任務(wù)資源集，優(yōu)化管理海戰(zhàn)場(chǎng)的各種資源，協(xié)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)行動(dòng)，減少作戰(zhàn)指揮過(guò)程中戰(zhàn)場(chǎng)不確定因素的影響。

多智能體是當(dāng)今人工智能中的前沿學(xué)科，是分布式人工智能研究的一個(gè)重要分支，其目標(biāo)是將大的復(fù)雜系統(tǒng)建造成小的、彼此相互通信及協(xié)調(diào)的、易于管理的系統(tǒng)［1-2］。同時(shí)，由于智能體具有自主性、協(xié)作性、分布性以及自適應(yīng)性等特點(diǎn)，使得構(gòu)造基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃與管理系統(tǒng)，成為降低海戰(zhàn)場(chǎng)資源管理復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)資源綜合集成的有效途徑。

1 海戰(zhàn)場(chǎng)資源的分類及特點(diǎn)

海戰(zhàn)場(chǎng)資源包含物理資源（武器裝備、大型物資設(shè)備等）和信息資源（數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)等），種類眾多［3］。為了便于實(shí)施資源的規(guī)劃與管理，必須對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)資源實(shí)施有效的分類。按照資源的功能可分為指揮控制資源、武器平臺(tái)資源、作戰(zhàn)保障資源和探測(cè)感知資源等（如圖1所示），具有分布性、移動(dòng)性、交互性以及約束性的特點(diǎn)，并已經(jīng)逐漸成為有機(jī)的整體，呈現(xiàn)出相互制約、相互依存的一體化趨勢(shì)，海上聯(lián)合作戰(zhàn)所具有的作戰(zhàn)效能愈來(lái)愈依賴于戰(zhàn)場(chǎng)資源所發(fā)揮出來(lái)的整體效能。

圖1 海戰(zhàn)場(chǎng)資源的分類

2 基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)

假定海軍參與作戰(zhàn)兵力包括水面艦艇、潛艇、殲轟機(jī)、艦載直升機(jī)等。每個(gè)作戰(zhàn)兵力均有指揮與控制單元，可以實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，交互作戰(zhàn)指揮信息。對(duì)上述兵力分別建立探測(cè)感知資源、作戰(zhàn)保障資源、指揮控制資源和武器平臺(tái)資源的單元功能模型，通過(guò)分布式組網(wǎng)，構(gòu)成一個(gè)一體化的綜合作戰(zhàn)實(shí)體，建立相應(yīng)的戰(zhàn)場(chǎng)資源屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、戰(zhàn)術(shù)使用規(guī)則庫(kù)、資源規(guī)劃算法庫(kù)，對(duì)所包含的各種資源進(jìn)行統(tǒng)一作戰(zhàn)運(yùn)用。通過(guò)結(jié)合各種不同功能、不同性能、不同成本的傳感器、武器的靜態(tài)優(yōu)化配置和合理的動(dòng)態(tài)分配，可以克服單個(gè)平臺(tái)傳感器和武器系統(tǒng)的限制，擴(kuò)展武器的作戰(zhàn)范圍，顯著提高艦艇編隊(duì)的作戰(zhàn)效能。

基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)組成框圖

基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 基于多智能體的海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃系統(tǒng)技術(shù)框架

系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：

（1）任務(wù)分解智能體［4］

開(kāi)始時(shí)接受作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的作戰(zhàn)任務(wù)分類和任務(wù)約束條件、任務(wù)目標(biāo)以及資源能力等知識(shí)進(jìn)行任務(wù)分解，分解后的子任務(wù)按樹(shù)型結(jié)構(gòu)列入任務(wù)表中。在獲得任務(wù)指令后，進(jìn)行任務(wù)分解和集聚，安排給相應(yīng)的智能體來(lái)執(zhí)行。

（2）任務(wù)圖

任務(wù)圖的構(gòu)建依據(jù)是作戰(zhàn)計(jì)劃，由一系列任務(wù)和任務(wù)間的順序關(guān)系構(gòu)成，是進(jìn)行資源到任務(wù)分配的依據(jù)［5］。

根據(jù)（戰(zhàn)前）海軍作戰(zhàn)計(jì)劃和資源信息，按照作戰(zhàn)任務(wù)分解的原則和方法，對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分解，得到相應(yīng)的子任務(wù)和元任務(wù)，建立任務(wù)關(guān)系圖，明確作戰(zhàn)階段劃分及需要處理的所有任務(wù)之間的執(zhí)行順序、信息和數(shù)據(jù)流向、任務(wù)處理時(shí)間需求、資源需求等。

（3）輸入消息隊(duì)列

緊急任務(wù)插入或者作戰(zhàn)資源故障時(shí)，產(chǎn)生消息進(jìn)入作戰(zhàn)任務(wù)綜合集成管理系統(tǒng)。通過(guò)消息隊(duì)列與指揮決策人員、其他系統(tǒng)實(shí)施交互或進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的反饋，同時(shí)具備主動(dòng)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的能力。

（4）任務(wù)隊(duì)列

是作戰(zhàn)任務(wù)的形式化描述模型，包括將要執(zhí)行的任務(wù)，所有任務(wù)之間的約束關(guān)系，任務(wù)的開(kāi)始和截止時(shí)間等屬性。

（5）規(guī)劃智能體

對(duì)任務(wù)隊(duì)列的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃，其輸出是任務(wù)執(zhí)行隊(duì)列。將任務(wù)隊(duì)列中的開(kāi)始、截止時(shí)間，任務(wù)約束關(guān)系等作為初始條件，選擇適合的算法，進(jìn)行資源規(guī)劃。

（6）規(guī)劃算法庫(kù)

集成一定的算法進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，包括各種算法模塊。算法由規(guī)劃智能體進(jìn)行初始化，計(jì)算后，將結(jié)果返回任務(wù)隊(duì)列，生成優(yōu)化的可執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列。

（7）資源智能體

資源智能體是具備獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)能力的一個(gè)作戰(zhàn)資源，是由作戰(zhàn)資源模型映射生成，如一艘艦艇上的某一傳感器或武器。通過(guò)綜合集成信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地進(jìn)入任務(wù)集成管理系統(tǒng)，代表作戰(zhàn)資源與外界交談，參與上級(jí)與友鄰艦艇決策，根據(jù)自身的運(yùn)行狀態(tài)和任務(wù)狀態(tài)，和各任務(wù)智能體進(jìn)行任務(wù)協(xié)商，來(lái)分配各個(gè)任務(wù)并完成各個(gè)粗粒度的任務(wù)調(diào)度，解決相互間的沖突。

（8）任務(wù)執(zhí)行隊(duì)列

作戰(zhàn)任務(wù)完成后所返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括已完成任務(wù)標(biāo)簽、執(zhí)行中任務(wù)狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)的資源智能體集合以及未執(zhí)行的任務(wù)。

（9）協(xié)商消息隊(duì)列

是任務(wù)智能體和資源智能體進(jìn)行協(xié)商相互選擇的消息隊(duì)列。根據(jù)各資源智能體的工作狀態(tài)，監(jiān)控執(zhí)行智能體的任務(wù)完成情況及整個(gè)系統(tǒng)的總體狀況，合理調(diào)用通訊智能體和知識(shí)庫(kù)知識(shí)獲取必要的信息，協(xié)調(diào)各資源智能體完成任務(wù)。

（10）知識(shí)庫(kù)

存儲(chǔ)作戰(zhàn)資源的模型和使用約束以及資源狀態(tài)，作戰(zhàn)任務(wù)分類分解構(gòu)成的樹(shù)形作戰(zhàn)任務(wù)分解圖、領(lǐng)受任務(wù)模板以及與資源匹配約束條件、任務(wù)分解規(guī)則等知識(shí)。

3 基于多智能體的分布式戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃模型

戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃的目標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：

①最短時(shí)間內(nèi)完成搜索、警戒、攻擊等作戰(zhàn)任務(wù)；

②確定合適的探測(cè)傳感器執(zhí)行警戒搜索任務(wù)，使得發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率最大；

③確定合適的跟蹤傳感器執(zhí)行跟蹤任務(wù)，使得獲取的目標(biāo)信息質(zhì)量最高；

④確定合適的攻擊武器以獲得最佳的作戰(zhàn)效能；

⑤充分利用各類戰(zhàn)場(chǎng)資源等。

為完成上述目標(biāo)，利用多智能體具有自主性、分布性、協(xié)調(diào)性特點(diǎn)以及自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力，構(gòu)建具有較強(qiáng)的魯棒性和可靠性的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃與管理節(jié)點(diǎn)，建立基于多智能體的分布式戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃模型，以充分發(fā)揮海戰(zhàn)場(chǎng)資源的功能，使用提高效率［6］。

基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于多智能體的分布式海戰(zhàn)場(chǎng)資源規(guī)劃問(wèn)題的研究，可以更好地使用戰(zhàn)場(chǎng)資源，充分發(fā)揮現(xiàn)有資源的作用，迅速處理突發(fā)事件，高質(zhì)量地完成作戰(zhàn)任務(wù)。

［1］劉金琨，爾聯(lián)潔.多智能體技術(shù)應(yīng)用綜述［J］.控制與決策，2001，16（2）：133-134.

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［3］王 剛，李為民，何 晶.基于多Agent的分布式防空戰(zhàn)場(chǎng)資源管理研究［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2002（2）：29-32.

［4］顧東杰.綜合集成系統(tǒng)作戰(zhàn)組織中任務(wù)集成方法研究［D］.武漢：海軍工程大學(xué)，2009.11.

［5］魯音隆，陽(yáng)東升，劉 忠，戴長(zhǎng)華.聯(lián)合作戰(zhàn)規(guī)劃中資源調(diào)度算法研究［J］.火力與指揮控制，2006，31（2）：12-16.

［6］王 超，趙曉哲，康曉予.面向編隊(duì)協(xié)同防空決策的多智能體規(guī)劃方法［J］.艦船電子工程，2009（1）：62-64.

Research on Distributed Naval Field Resources Programming

LIN Hua1，ZHOU Xiang2，LU Fa-xing1
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；
2.College of Energy Resources and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

Distributed naval field resources programming is the key of realizing joint warfare at sea .First of all，sort and characteristic of resources programming are analyzed.And then the distributed naval field resources programming system based on multi-agents is established.The composition and function of the programming system is analyzed thoroughly，and the corresponding structure model is built.An effective approach is provided to program and manage the naval field resources qualitative and quantitative.

joint warfare at sea，battlefield resource programming，distributed，multi-agents

TP18

A

1002-0640（2014）11-0179-04

2013-08-05

2013-11-07

軍隊(duì)預(yù)研基金資助項(xiàng)目（51306030302）

林 華（1967- ），女，江蘇丹陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)工程、系統(tǒng)建模與仿真。