李東海,王勇軍

(解放軍91404部隊(duì),河北秦皇島　066000)

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基于粒子群優(yōu)化的蟻群算法在戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻率分配中的應(yīng)用

李東海,王勇軍

(解放軍91404部隊(duì),河北秦皇島066000)

摘要:為對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻率進(jìn)行有效分配以減少用頻設(shè)備間的相互干擾,提出了將一種基于粒子群優(yōu)化的蟻群算法應(yīng)用于頻率分配的方法。首先介紹了戰(zhàn)場(chǎng)頻率管控流程的相關(guān)內(nèi)容,并以干擾度最低為目標(biāo)函數(shù),使用基于粒子群算法優(yōu)化的蟻群算法進(jìn)行頻率分配管理。粒子群算法優(yōu)化蟻群算法中啟發(fā)信息的權(quán)重及信息素?fù)]發(fā)系數(shù),作為粒子群位置和速度參數(shù)進(jìn)行初始化,將粒子群算法生成的分配結(jié)果作為蟻群算法的初始信息素,利用蟻群算法較強(qiáng)的尋優(yōu)能力尋找最佳分配方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法和模型的可行性。

關(guān)鍵詞:電磁頻率分配;電磁兼容性分析;粒子群算法;蟻群算法

在現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境中,作戰(zhàn)雙方為確保正確獲得戰(zhàn)場(chǎng)綜合信息并保證各部隊(duì)間安全有效的協(xié)同作戰(zhàn)和合成指揮,將數(shù)目極多的無(wú)線電子裝備運(yùn)用于戰(zhàn)場(chǎng),導(dǎo)致戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜度極高。高技術(shù)條件下,作戰(zhàn)體系中導(dǎo)航定位、軍事通信、情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、指揮控制、制導(dǎo)武器等分系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),都必須依賴頻譜資源,但頻譜資源極其有限,若沒有有效的管理手段,不同分系統(tǒng)將會(huì)相互干擾,對(duì)作戰(zhàn)造成較壞的影響甚至導(dǎo)致作戰(zhàn)能力的喪失,因此現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中必須保證無(wú)線電頻譜的正確管理和頻譜資源的有效使用[1]。戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理的研究,旨在研究科學(xué)合理的頻譜管理手段,為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中不同武器系統(tǒng)分配相應(yīng)的頻率或頻段,防止設(shè)備之間的相互干擾,確保無(wú)線設(shè)備間的通信暢通,其主要方法手段是頻率分配,目前常用的頻率分配方法有遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等,這些算法各有優(yōu)點(diǎn)與不足,如遺傳算法在全局內(nèi)隨機(jī)搜索,但未能充分考慮個(gè)體間的相互聯(lián)系,缺乏對(duì)個(gè)體多樣性和群體收斂性動(dòng)態(tài)平衡等因素的調(diào)整,而蟻群算法同樣缺乏合理的機(jī)制來(lái)維持頻率分配結(jié)果的多樣性及收斂性間的動(dòng)態(tài)平衡,容易出現(xiàn)過早收斂于非全局最優(yōu)解的情況,粒子群算法則在離散化問題上優(yōu)化潛力不足,易陷入局部最優(yōu)值。本文在先前研究的基礎(chǔ)上,綜合使用蟻群算法和粒子群算法對(duì)頻率進(jìn)行分配,以粒子群算法生成初始結(jié)果,再將初始分配結(jié)果作為蟻群信息素進(jìn)行蟻群算法優(yōu)化,從而提高分配效率和效果,并進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1頻率管控流程

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜,頻譜管理呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)[2]:1)各類信息裝備密集,頻譜管理難度高;2)信息業(yè)務(wù)種類繁多,頻譜管理組織復(fù)雜;3)頻譜資源爭(zhēng)奪激烈,頻譜管理任務(wù)艱巨;4)軍用民用頻譜交疊,頻譜管理協(xié)調(diào)繁重。針對(duì)這些特點(diǎn), 無(wú)線電頻譜管控需要電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)方法管理和監(jiān)督用頻裝備的使用和設(shè)置,并制定統(tǒng)一規(guī)劃和頻譜分配制度來(lái)保持用頻秩序,從而確保各種無(wú)線電設(shè)備的正常工作。無(wú)線電頻譜管控流程主要包括:1)通過全方位、大縱深、立體化的無(wú)線電頻譜感知網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的頻率使用情況;2)建設(shè)智能化、分布式的用頻信息處制決策網(wǎng)絡(luò);3)選取最優(yōu)頻率分配方法實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)態(tài)分配和頻率信息注入,為戰(zhàn)場(chǎng)用頻設(shè)備如雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、多譜傳感器系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和無(wú)線電通信系統(tǒng)等提供正確有效的頻譜接入和頻率信息支持。通過這些管控流程協(xié)調(diào)各種用頻設(shè)備的業(yè)務(wù)關(guān)系、消除我方各種用頻設(shè)備的相互干擾,實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜資源的有效利用。

1.1頻譜監(jiān)測(cè)

頻譜監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)頻率管控的基礎(chǔ),通過合理配置布放功能完善的頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備和配套設(shè)施,建立起完善的頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視并計(jì)算各用頻設(shè)備電磁信號(hào)的載頻、帶寬和頻偏,匯總統(tǒng)計(jì)頻譜使用狀況,并對(duì)干擾源進(jìn)行定位,同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和電離層斜射儀的短波信息,為頻率分配和干擾診斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要有:1)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間和樣式;2)實(shí)際頻譜占用度和核準(zhǔn)占用度數(shù)據(jù);3)信號(hào)之間和信號(hào)內(nèi)部的干擾數(shù)據(jù)、偏離核準(zhǔn)發(fā)射參數(shù);4)非法發(fā)射源的發(fā)射參數(shù)和位置數(shù)據(jù)等。

1.2電磁兼容性分析

電磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)性分析[3]是頻率分配和頻譜管控的主要依據(jù),主要通過時(shí)間、空間和頻率這三維層面統(tǒng)計(jì)分析各用頻設(shè)備間的電磁隔離度,分析設(shè)備間電磁干擾的影響范圍和強(qiáng)度大小,評(píng)估電磁干擾的影響程度。EMC分析必須貫穿于頻率管控的各個(gè)環(huán)節(jié),是完善的頻率管控的基礎(chǔ),也是分析干擾和排除干擾的主要方法,EMC分析主要包括三項(xiàng)工作:1)建立頻譜管理配套的數(shù)據(jù)庫(kù);2)構(gòu)建具有一定頻段范圍和業(yè)務(wù)管理范圍的電波傳播模型;3)設(shè)立準(zhǔn)確、立體的專用地理信息系統(tǒng)平臺(tái)。通過一系列措施,EMC才能有效地管理頻譜,分析并排查干擾。

1.3頻譜管控方案

信息化作戰(zhàn)訓(xùn)練中制定訓(xùn)練方案和計(jì)劃必須有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念l譜管控方案,頻譜管控方案主要有頻譜管理計(jì)劃、頻率使用計(jì)劃和頻譜處置預(yù)案等,其實(shí)施步驟包括:1)收集訓(xùn)練地域的電磁環(huán)境信息,評(píng)估電磁環(huán)境態(tài)勢(shì);2)匯集各業(yè)務(wù)設(shè)備頻譜需求,制訂頻譜管理事項(xiàng);3)綜合訓(xùn)練方案出具頻率使用方案,包括頻段的使用時(shí)間、分配、限制頻段和保護(hù)頻段等內(nèi)容。

1.4頻率分配方法

制訂科學(xué)合理的頻率分配方案必須匯總分析兩種資源:1)頻譜資源,主要是扣除強(qiáng)干擾頻率、保護(hù)頻率、限制頻率和上級(jí)已使用頻率后的頻譜資源;2)各業(yè)務(wù)裝備的頻譜需求。統(tǒng)計(jì)頻率資源和頻率需求后,根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序?yàn)樽罡呒?jí)業(yè)務(wù)分配頻段,以保證無(wú)線電通信業(yè)務(wù)暢通,再使用優(yōu)化算法分配頻率,確定備用頻設(shè)備的頻率使用方案。本方法主要使用蟻群算法和粒子群算法聯(lián)合優(yōu)化算法。

2干擾最小的頻率分配模型

頻率分配的常用目標(biāo)函數(shù)包括占用頻率資源最少、干擾度最低、帶寬最小、干擾優(yōu)先次序和通信效果最優(yōu)等,其中最熱點(diǎn)的是以頻率復(fù)用為核心的頻率規(guī)劃技術(shù),即將同一頻率作為不同扇區(qū)的載頻同時(shí)保證這些扇區(qū)的同頻干擾因距離足夠而保持在可接受的水平,頻率利用技術(shù)有效提高了頻譜使用效率,但可能會(huì)造成不同小區(qū)間的鄰頻干擾和同頻干擾[4]。

(1)

(2)

(3)

若需對(duì)第i個(gè)小區(qū)的所有無(wú)線電頻率進(jìn)行重新分配,可將所有需用頻率視作變量,將Ri作為干擾評(píng)價(jià)函數(shù),則頻率分配的目標(biāo)是最小化Ri,為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型不考慮頻率分配的約束條件,則整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域n個(gè)小區(qū)的頻率分配目標(biāo)為

(4)

3粒子群優(yōu)化的蟻群算法及其應(yīng)用

3.1蟻群算法

螞蟻覓食時(shí)會(huì)沿途釋放信息素,路徑信息量越大螞蟻越可能走,從而釋放更多的信息素,這樣造成一個(gè)良性循環(huán),蟻群算法是模擬蟻群覓食行為方式的優(yōu)化算法[6]。將蟻群算法優(yōu)化粒子群算法,完成最小化干擾度。

蟻群算法主要分為三個(gè)流程:初始化,信息素更新,求得最優(yōu)解。在初始化時(shí),將粒子群算法生成的結(jié)果進(jìn)行加強(qiáng),使蟻群算法的收斂速度加快盡快得到最優(yōu)解,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得加強(qiáng)倍數(shù)為5.5時(shí)效果較優(yōu),在調(diào)度算法中采用加強(qiáng)位數(shù)為5.5。

在信息素更新前,螞蟻將會(huì)沿路徑行走,設(shè)在t時(shí)刻第k個(gè)螞蟻爬到節(jié)點(diǎn)xij的轉(zhuǎn)移概率如式(5)所示。

(5)

(6)

3.2粒子群算法

(7)

粒子的速度和位置迭代公式如式(8)、(9)所示。

(8)

(9)

3.3優(yōu)化蟻群算法

蟻群算法易陷入局部的極值點(diǎn),易對(duì)模型造成不利的影響,為了解決這個(gè)問題,使用粒子群算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,即使用粒子群算法優(yōu)化蟻群算法中啟發(fā)信息的權(quán)重β及信息素?fù)]發(fā)系數(shù)ρ,作為粒子群位置和速度參數(shù)進(jìn)行初始化,將粒子群算法生成的分配結(jié)果作為蟻群算法的初始信息素,利用蟻群算法較強(qiáng)的尋優(yōu)能力尋找最佳分配方案,從而提高蟻群算法尋優(yōu)的快速性。優(yōu)化蟻群算法應(yīng)用于電磁頻率分配的流程如圖1所示。

圖1　基于蟻群優(yōu)化算法的電磁頻率分配流程圖

4性能驗(yàn)證

設(shè)定作戰(zhàn)區(qū)域有20個(gè)用頻設(shè)備需要進(jìn)行頻率分配,分配的頻段范圍是[Fmin,Fmax]。為便于統(tǒng)籌管理,將[Fmin,Fmax]劃分為60個(gè)子頻段,并等間隔地各取3段劃分給各用頻設(shè)備,這樣可避免小區(qū)內(nèi)部頻率間隔的限制,同時(shí)使同頻干擾和鄰頻干擾的約束降低到較小的程度。

設(shè)定粒子群算法的群體規(guī)模為60,迭代次數(shù)為60,蟻群算法的群體規(guī)模為60,α=β=1,ρ=0.15,迭代次數(shù)為60,可得作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的干擾的仿真結(jié)果,為便于對(duì)比,將復(fù)合算法的仿真結(jié)果與粒子群算法的結(jié)果進(jìn)行比較,如圖2所示。

圖2　仿真結(jié)果

由圖2可知,使用了基于粒子群優(yōu)化的蟻群算法進(jìn)行頻率分配后,整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域的干擾數(shù)目快速降低,在10次迭代前就可以降低到較低的程度,此后隨著迭代次數(shù)的增加以較小幅度降低,但迭代到40次以后干擾數(shù)目不再變化,即使繼續(xù)迭代至60次,干擾數(shù)目仍然難以下降到0,說(shuō)明作戰(zhàn)區(qū)域的頻率干擾難以完全消除,但與粒子群算法優(yōu)化的結(jié)果比較,復(fù)合算法優(yōu)化的過程中先用粒子群算法為蟻群算法分配較優(yōu)的信息素,再利用蟻群算法尋找最佳分配方案,從而提高蟻群算法尋優(yōu)的快速性,確實(shí)使算法的性能得到了較大的提高,可以使運(yùn)行結(jié)果較快地達(dá)到較好的結(jié)果。

5結(jié)束語(yǔ)

頻譜管控和頻率管理是信息化作戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)區(qū)域管理和無(wú)線電傳輸?shù)囊豁?xiàng)重要內(nèi)容和基礎(chǔ)保障條件,本文在分析無(wú)線電作戰(zhàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)頻率管控的流程進(jìn)行了初步探討,并以干擾最小化為目標(biāo),使用基于粒子群優(yōu)化的蟻群算法進(jìn)行頻率分配。仿真結(jié)果表明該算法具有一定的成效,但仍難以完全消除區(qū)域干擾,這也說(shuō)明了頻率分配是一項(xiàng)非常復(fù)雜且困難的工作,以后將繼續(xù)優(yōu)化算法模型以取得更好的效果。

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Application of Ant Colony Algorithm Based on Particle Swarmin Frequency Assignment on Battlefield

LI Dong-hai， WANG Yong-jun

(the Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Abstract:The multiple optimization method for frequency assignment is put forward to solve the inter-interference of the radio equipment on the battlefield. The relevant content of battlefield frequency-control process is introduced and the minimum interference is used as the objective function. For optimizing the ant colony algorithm the particle swarm algorithm is initialized by setting the weight of the heuristic information and pheromone volatilization coefficient as the location and velocity. The distribution result of the particle swarm algorithm is used as the initial pheromone of ant colony algorithm to search the optimal scheduling scheme. The experiment result proves the feasibility of the model and the algorithm.

Key words:frequency assignment; electromagnetic compatibility analysis; particle swarm algorithm; ant colony algorithm

中圖分類號(hào):TN974；E917

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.011

作者簡(jiǎn)介：李東海(1975-),男,河北玉田人,碩士研究生,工程師,研究方向?yàn)槔走_(dá)對(duì)抗。王勇軍(1978-),男,工程師。

收稿日期：2015-11-16

文章編號(hào)：1673-3819(2016)02-0048-04

修回日期： 2015-12-09