李 林,吳衛(wèi)玲,蘇通獻(xiàn)

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東 青島 266041)

基于蟻群算法的直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃

李 林,吳衛(wèi)玲,蘇通獻(xiàn)

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東 青島 266041)

航路規(guī)劃系統(tǒng)是反潛直升機(jī)完成應(yīng)召式搜潛任務(wù)的核心,其采用的算法決定了任務(wù)完成的效率。結(jié)合部隊(duì)訓(xùn)練、作戰(zhàn)實(shí)際,系統(tǒng)分析了直升機(jī)應(yīng)召搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)的基本組成,建立了評(píng)價(jià)航路規(guī)劃系統(tǒng)的指標(biāo),給出了系統(tǒng)需要考慮的約束條件,并采用蟻群算法進(jìn)行了仿真計(jì)算,最后對(duì)基于蟻群算法的直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃方法的適用環(huán)境進(jìn)行了總結(jié),對(duì)部隊(duì)有效提高作戰(zhàn)、訓(xùn)練效果具有一定的參考價(jià)值。

蟻群算法;應(yīng)召式搜潛;航路規(guī)劃

飛行器航路規(guī)劃是伴隨著導(dǎo)彈的產(chǎn)生而產(chǎn)生的,最早于20世紀(jì)50年代提出,并得到快速發(fā)展。我國(guó)在航路規(guī)劃方面的研究起步較晚,最早開(kāi)展的反艦導(dǎo)彈航路規(guī)劃研究,也是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的[1]。通常,直升機(jī)反潛作戰(zhàn)過(guò)程包括搜索、識(shí)別、定位和跟蹤或攻擊四個(gè)階段。搜索是直升機(jī)反潛行動(dòng)中的首要環(huán)節(jié),搜索不到目標(biāo),就無(wú)法攻擊目標(biāo)。搜索包括三種方式:應(yīng)召式搜索、巡邏式搜索和檢查性搜索[2]。應(yīng)召式搜索是反潛作戰(zhàn)、訓(xùn)練中使用最多的戰(zhàn)術(shù)方式,如何提高應(yīng)召式搜潛的效率是部隊(duì)十分關(guān)心的問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)尚未有公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃的研究著作和學(xué)術(shù)論文。本文嘗試開(kāi)展這方面的研究,希望在部隊(duì)訓(xùn)練中對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛進(jìn)行航路規(guī)劃、提高搜潛效率方面發(fā)揮積極作用。

1 系統(tǒng)組成

由于應(yīng)召式搜潛在實(shí)際作戰(zhàn)訓(xùn)練中使用較多,更具有戰(zhàn)術(shù)價(jià)值的實(shí)際,本文以直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃為研究對(duì)象開(kāi)展相關(guān)研究。從執(zhí)行反潛任務(wù)前有無(wú)發(fā)現(xiàn)潛艇來(lái)看,應(yīng)召式搜潛是指在去目標(biāo)區(qū)域搜潛前已經(jīng)獲取了目標(biāo)的信息,并根據(jù)所獲得的少量信息(某一時(shí)刻,在某一概略位置發(fā)現(xiàn)處于某種狀態(tài)的潛艇,可能會(huì)有潛艇的航向、航速等信息),使得反潛直升機(jī)到達(dá)目標(biāo)海域后,再次進(jìn)行搜索定位[3]。因此,直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)的任務(wù)就是在特定約束條件下,尋找從初始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn),并且滿足某種特定指標(biāo)要求的最優(yōu)飛行軌跡。

直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)在通常意義上可以分為軟件、硬件兩個(gè)部分。硬件可以由各種通用或?qū)Ｓ玫挠?jì)算機(jī)以及相關(guān)外設(shè)組成。軟件是該系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)其功能的重要組成部分,決定著直升機(jī)航路規(guī)劃任務(wù)完成的效果。直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)方面組成。

1.1 地理信息

地理信息是直升機(jī)航路規(guī)劃所需要的最重要的基礎(chǔ)信息。在直升機(jī)進(jìn)行飛行時(shí)必須考慮地理信息,以保證直升機(jī)的正常安全飛行,而且其精準(zhǔn)度決定著規(guī)劃算法設(shè)計(jì)出來(lái)的航路是否可靠。地理信息是屬于靜態(tài)而且隨時(shí)間不斷變更的數(shù)字地圖,可以從地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取。鑒于直升機(jī)搜潛的飛行區(qū)域主要在海上,因此選取數(shù)字海圖為基準(zhǔn)地理信息庫(kù)。而數(shù)據(jù)庫(kù)中描述地理信息的數(shù)字地圖的格式,也很大程度上影響著航路規(guī)劃的性能,因此不同的航路規(guī)劃需要準(zhǔn)備專用的數(shù)據(jù)格式。

1.2 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息是從作戰(zhàn)系統(tǒng)中獲取戰(zhàn)場(chǎng)上的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)信息,主要包括敵我雙方的兵力部署、敵方火力分布、敵方作戰(zhàn)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)、戰(zhàn)略規(guī)避區(qū)等[4]。它提供了直升機(jī)在搜潛航路中可能存在的障礙或危險(xiǎn),也有利于分析威脅代價(jià),為制定可靠安全的反潛航路提供了有力的支撐。

1.3 信息模型描述

信息模型的描述是對(duì)以上兩個(gè)重要組成在程序中的具體體現(xiàn)和應(yīng)用描述。它將地理信息以及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息予以恰當(dāng)?shù)拿枋?使得該系統(tǒng)性能以及響應(yīng)速度達(dá)到最佳狀態(tài)[5]。比如,在主程序設(shè)計(jì)時(shí),將敵方雷達(dá)搜索威脅區(qū)用圓形表示(二維空間,在三維空間可以描述成半球),盡管實(shí)際會(huì)有地球曲率以及海島等障礙物對(duì)雷達(dá)等搜索區(qū)域進(jìn)行遮擋,但由于所面臨的使用環(huán)境為海面上空,因此可以忽略地形對(duì)雷達(dá)信號(hào)的遮擋。本文將根據(jù)直升機(jī)反潛航路規(guī)劃的具體情況進(jìn)行合適的信息描述。

1.4 航路規(guī)劃算法

航路規(guī)劃算法作為直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃的核心,其方法選擇優(yōu)劣將直接決定成整個(gè)系統(tǒng)的性能水平[6]。常見(jiàn)的航路規(guī)劃的算法主要有簡(jiǎn)單航路規(guī)劃、SAS算法、遺傳算法、蟻群算法以及改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法等。在選擇直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃算法時(shí),除了要考慮算法能否恰當(dāng)描述航路規(guī)劃信息、算法的實(shí)現(xiàn)難易程度、算法應(yīng)用的方式以及算法能否進(jìn)一步優(yōu)化等諸多方面外,還要充分考慮直升機(jī)執(zhí)行應(yīng)召式搜潛任務(wù)時(shí)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和對(duì)算法效率等方面的要求,經(jīng)過(guò)對(duì)這幾種算法進(jìn)行研究對(duì)比,本文嘗試采用蟻群算法對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路進(jìn)行規(guī)劃。

除上述內(nèi)容外,直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)還應(yīng)包含態(tài)勢(shì)信息分析、預(yù)選方案設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)效果評(píng)估最優(yōu)方案選擇等,其組成如圖1所示。

圖1 直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

反潛直升機(jī)執(zhí)行應(yīng)召式搜潛任務(wù)的時(shí)機(jī)通常包括訓(xùn)練、演習(xí)和作戰(zhàn)等。無(wú)論哪種情況,實(shí)際搜潛效果是衡量搜潛航路規(guī)劃系統(tǒng)優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn),可以將這一衡量標(biāo)準(zhǔn)分解為戰(zhàn)術(shù)效果指標(biāo)、航程指標(biāo)、安全指標(biāo)和飛行時(shí)間指標(biāo)等[7]。

2.1 戰(zhàn)術(shù)效果指標(biāo)

戰(zhàn)術(shù)效果指標(biāo)是指揮員最關(guān)心的問(wèn)題,它直接影響著搜潛任務(wù)的成敗,要求反潛直升機(jī)以最科學(xué)合理的方式到達(dá)目標(biāo)區(qū)域,影響因素主要有反潛直升機(jī)掛載的搜潛器材的作用范圍、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和方位以及必要的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)等,即

HE=Fm(rss，αss,vms,xms,yms,zms)

式中,HE為戰(zhàn)術(shù)效果指標(biāo),rss為搜潛器材的作用范圍,αss為搜索扇面角,vms為目標(biāo)速度,(xms,yms)為目標(biāo)坐標(biāo),zms為反潛直升機(jī)采取的必要的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)因素。

2.2 航程指標(biāo)

航程指標(biāo)是用來(lái)反映反潛直升機(jī)從母艦或基地出發(fā)到達(dá)目標(biāo)搜索區(qū)域所經(jīng)過(guò)的總路程。通常情況下,希望反潛直升機(jī)的搜潛航程應(yīng)盡可能地短,因?yàn)楹匠涕L(zhǎng)自然會(huì)縮短在目標(biāo)區(qū)域的搜潛作業(yè)時(shí)間,也給予敵方潛艇更多的逃脫時(shí)間,直接影響反潛直升機(jī)的搜潛效能。而且航程過(guò)長(zhǎng),被敵方雷達(dá)、預(yù)警機(jī)等探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)的幾率也會(huì)增加,輕則貽誤戰(zhàn)機(jī),嚴(yán)重的話可能會(huì)遭到敵方攻擊,因此該指標(biāo)對(duì)反潛直升機(jī)而言是十分重要的。航程指標(biāo)與直升機(jī)飛行航路上的航路關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)目、轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎角度等因素有關(guān),即

式中,n為航路關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)目;f(di,αi,ri)為考慮了轉(zhuǎn)彎半徑后的第i個(gè)航路點(diǎn)與第i+1個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)之間的飛行距離；di為兩個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離,αi為第i個(gè)航路點(diǎn)出的轉(zhuǎn)彎角度；ri為第i個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)處的轉(zhuǎn)彎半徑。由于f(di,αi,ri)是非線性函數(shù),因此SD也是非線性的。

2.3 安全指標(biāo)

安全指標(biāo)用來(lái)反映直升機(jī)在反潛作戰(zhàn)的過(guò)程中按規(guī)劃的航線飛行的危險(xiǎn)程度。通常情況下,由于飛行導(dǎo)航方位偏差或沒(méi)有及時(shí)更新敵我態(tài)勢(shì)信息、地理信息而受到的來(lái)自敵方威脅區(qū)以及地形因素所造成的對(duì)直升機(jī)的威脅,這是反潛作戰(zhàn)中首要考慮的因素。考慮到直升機(jī)由于海況或者操作造成墜海的可能性,則安全指標(biāo)可以用下式來(lái)描述:

2.4 飛行時(shí)間指標(biāo)

飛行時(shí)間指標(biāo)是用來(lái)反映反潛直升機(jī)按預(yù)定航路到達(dá)目標(biāo)搜潛區(qū)域的時(shí)間。通常情況下,希望飛行時(shí)間指標(biāo)越小越好。如果飛行時(shí)間過(guò)長(zhǎng),就會(huì)給目標(biāo)潛艇更多的時(shí)間機(jī)動(dòng)逃逸,更會(huì)擴(kuò)大搜潛范圍,這是反潛作戰(zhàn)不允許的。因此這里在進(jìn)行反潛直升機(jī)航路規(guī)劃的過(guò)程中所需考慮的重要指標(biāo)。飛行時(shí)間與飛行速度曲線和航程有關(guān),即

式中,v(h,s,e)為直升機(jī)的飛行速度曲線;h為直升機(jī)的飛行高度;s為直升機(jī)的飛行距離;e為海況等環(huán)境因素對(duì)直升機(jī)飛行速度的綜合影響。

在直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃過(guò)程中所要考慮的不只是單純要求某一項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu),而是在這些重要的指標(biāo)中權(quán)衡利弊,根據(jù)具體情況和要求,權(quán)衡各個(gè)指標(biāo)在整個(gè)航路規(guī)劃的過(guò)程中所占的權(quán)重比來(lái)選擇最優(yōu)航路。需要說(shuō)明的是，這些指標(biāo)是有一定的聯(lián)系的。比如,當(dāng)航程指標(biāo)較大時(shí),其飛行時(shí)間也會(huì)受影響,畢竟直升機(jī)的速度是有限的，因此在設(shè)置權(quán)重的時(shí)候不需要將這兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)設(shè)置較大。

3 約束條件

在對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),僅考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)造成顧此失彼的現(xiàn)象,還必須考慮到直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)所處的環(huán)境和自身的特點(diǎn),即必須考慮威脅、戰(zhàn)術(shù)、最大航程和機(jī)動(dòng)性能等方面的約束條件[8]。

3.1 威脅約束

威脅約束是直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃極為重要的約束條件。在航路規(guī)劃設(shè)計(jì)中,威脅是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)約束。反潛直升機(jī)面臨的威脅源主要有雷達(dá)、防空裝備、水面艦艇,以及空中的敵方戰(zhàn)機(jī)等。由于威脅都是在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中必須規(guī)避的,因此,將這種約束歸結(jié)為不可穿越障礙區(qū)域,并在具體的實(shí)驗(yàn)仿真中適當(dāng)擴(kuò)大其區(qū)域,以保障反潛直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中因累積偏差造成誤入威脅區(qū)域的嚴(yán)重不良后果。

假設(shè)直升機(jī)在離開(kāi)母艦或陸基飛向搜索區(qū)域過(guò)程中所有火力威脅區(qū)和指定禁飛區(qū)的集合為RT,航路曲線為f(x,y,t)=0(x,y,t分別代表航路曲線上任一點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和直升機(jī)的飛行時(shí)間),則規(guī)劃區(qū)域中的地形和威脅約束可以描述為

?x,y,t,f(x,y,t)=0 (x,y)?RT

3.2 戰(zhàn)術(shù)約束

在實(shí)際的反潛作戰(zhàn)中,從目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)到消失的時(shí)間通常比較短,這就要求反潛直升機(jī)必須以最高的效率搜索到目標(biāo)。因此,戰(zhàn)術(shù)約束條件是反潛直升機(jī)能否搜索到潛艇的重要因素。

1)進(jìn)入搜索區(qū)域的方向、位置約束

對(duì)于反潛直升機(jī)搜潛而言,沿不同方向進(jìn)入搜索區(qū)域時(shí),目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率是不同的,這就造成對(duì)應(yīng)的目標(biāo)散布概率模型也是不同的,進(jìn)而要求反潛直升機(jī)沿著不同方向、按照不同的搜潛方式進(jìn)行搜潛,也就是對(duì)反潛直升機(jī)在搜索區(qū)域的進(jìn)入方向、位置進(jìn)行約束,即

|HS-H(Xf,Yf,Xt,Yt)|≤DH

式中,HS為預(yù)定的進(jìn)入方向;(Xf,Yf)和(Xt,Yt)分別為直升機(jī)最末航路點(diǎn)和目標(biāo)潛艇被發(fā)現(xiàn)時(shí)的經(jīng)緯度坐標(biāo);DH為允許的進(jìn)入方向的最大偏差。

2)時(shí)間約束

在執(zhí)行搜潛任務(wù)的過(guò)程中,很多情況下對(duì)到達(dá)預(yù)定海域的時(shí)間是有約束的,尤其是在多機(jī)、艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中的要求更高。在此過(guò)程中,天氣、環(huán)境、速度、航路軌跡等都是影響時(shí)間這一要素的因素。如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則給目標(biāo)潛艇更多的逃逸時(shí)間,增大搜潛難度,因此要求規(guī)劃航路要盡可能合理,以確保搜潛效率。

3.3 最大航程約束

對(duì)于反潛直升機(jī)而言,其所帶的航空燃油是有限的,其還要在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行相當(dāng)一段時(shí)間的反潛作業(yè),因此在航路規(guī)劃的過(guò)程中就要求其設(shè)計(jì)的航路不能過(guò)長(zhǎng)。若以設(shè)置航路點(diǎn)來(lái)進(jìn)行航路規(guī)劃,則需要計(jì)算各個(gè)航段節(jié)點(diǎn)間的總路程之和不能太長(zhǎng),其航程約束為

JC≤Lmax

式中，JC為某條航路的航程指標(biāo);Lmax為燃料消耗指標(biāo)所允許的最大值。

對(duì)于一條具有n個(gè)航路點(diǎn)(包括初始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn))的航路,其航程約束可表示為

式中，函數(shù)Li-1表示相鄰兩個(gè)航路點(diǎn)之間的航程。

3.4 最小轉(zhuǎn)彎半徑

最小轉(zhuǎn)彎半徑是考慮直升機(jī)在水平面上做航向轉(zhuǎn)變機(jī)動(dòng)的最極限能力值,主要考慮威脅區(qū)的影響和目標(biāo)潛艇做大方向機(jī)動(dòng)時(shí)為及時(shí)搜索跟蹤而進(jìn)行的機(jī)動(dòng)。兩個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)滿足:

式中，|KAKB|是兩個(gè)航路關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離,可以由Bowring公式求得;θ是轉(zhuǎn)彎角度;rmin是最小轉(zhuǎn)彎半徑。

3.5 其他約束

除了以上因素以外,航空管制區(qū)、禁止飛躍區(qū)、第三國(guó)飛行限制約束區(qū)等也是需要考慮的重要因素[9]。這些因素在日常訓(xùn)練中很少涉及,但艦載反潛直升機(jī)在執(zhí)行遠(yuǎn)洋訓(xùn)練、作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),也需要考慮以上情況。為仿真方便,對(duì)這些因素進(jìn)行簡(jiǎn)化,在仿真航路規(guī)劃設(shè)計(jì)中將其視為威脅區(qū)性質(zhì)的障礙模型。

4 仿真分析

對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程如下所述:首先從數(shù)據(jù)鏈或其它途徑獲取敵方潛艇所出現(xiàn)的概略位置和相對(duì)我機(jī)所在位置,然后從數(shù)據(jù)鏈或內(nèi)部存儲(chǔ)中獲取地圖信息、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息、禁飛區(qū)等其他因素不可飛躍的區(qū)域位置信息,對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理得到算法程序所需的禁飛區(qū)域圖,并對(duì)該圖中的禁飛區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯筇幚?最后通過(guò)航路規(guī)劃算法得到最優(yōu)航路,并顯示給飛行員,引導(dǎo)飛行員快速飛向目標(biāo)海域進(jìn)行搜潛作業(yè)。下面介紹如何利用蟻群算法進(jìn)行直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃。

4.1 蟻群算法

蟻群算法(Ant Colony Optimization,ACO),又稱螞蟻算法,于1992年提出并被廣泛應(yīng)用于尋找最優(yōu)路徑的仿生學(xué)算法[10]。該算法利用螞蟻生活中的搜索范圍、所處環(huán)境、覓食、移動(dòng)、避障以及散播信息素七個(gè)方面的規(guī)律來(lái)找出最優(yōu)解。這些規(guī)則是蟻群算法實(shí)現(xiàn)航路規(guī)劃的特征規(guī)則,也是航路規(guī)劃算法中螞蟻實(shí)現(xiàn)其尋找最優(yōu)航路的基礎(chǔ)。

蟻群算法具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn):

1)它是一種自組織的算法。即一個(gè)系統(tǒng)在該算法的主導(dǎo)下,沒(méi)有外界因素影響,系統(tǒng)的元素會(huì)隨著時(shí)間和算法的推移而使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)的算法。

2)它是一種能夠進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)快速、并行計(jì)算的算法。該算法能夠進(jìn)行并行計(jì)算搜索,具有較強(qiáng)的可靠性和全局性。

3)它具有正向加強(qiáng)的反饋特性。該算法之所以能夠?qū)ふ业阶顑?yōu)路徑,關(guān)鍵在于隨著最優(yōu)路徑的優(yōu)越性體現(xiàn),使得該路徑上的信息素不斷加強(qiáng),從而使更多螞蟻通過(guò)這條路徑,進(jìn)而使信息素更多并形成正向反饋。這也是該算法得以運(yùn)用的關(guān)鍵特性。

4)它具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性。該算法適應(yīng)性較強(qiáng),只需更改少量參數(shù)和模型描述便能快速將算法進(jìn)行移植。

4.2 適用性分析

蟻群算法在求最優(yōu)解的能力上具有較強(qiáng)的可靠性和適應(yīng)性,而且具有并行性,能同時(shí)進(jìn)行相對(duì)較大規(guī)模的并行搜索處理,因此該算法在尋優(yōu)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,尤其在航路規(guī)劃方面的優(yōu)良特性更為突出。然而,該算法也存在一些不足,比如在參數(shù)設(shè)置方面,該算法在處理不同問(wèn)題時(shí)對(duì)參數(shù)設(shè)置比較敏感,若參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致算法出現(xiàn)收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)等方面問(wèn)題，但是,這些缺點(diǎn)也是可以克服的。該算法的多樣性保證了蟻群算法能夠全面搜索可能的最優(yōu)解,能夠較好地尋找到全最優(yōu),不至于陷入局部最優(yōu)或死循環(huán)狀態(tài)[5]。而且,該算法具有的搜索最優(yōu)算法的正反饋特性保證了優(yōu)良的子群體被保留并凸顯出來(lái)。

綜合考慮該算法的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用特性和實(shí)際使用環(huán)境,決定采用該算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.3 仿真驗(yàn)證

在蟻群算法的設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了適應(yīng)算法尋找路徑的規(guī)律,將具體地圖信息用方格圖顯示,同樣要對(duì)禁飛區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)放大。其具體的加載地圖數(shù)據(jù)既可以通過(guò)隨機(jī)生成地圖矩陣信息,也可以采用加載txt文檔矩陣的形式[11]。采用蟻群算法對(duì)直升機(jī)進(jìn)行應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃的算法流程如圖2所示。

圖2 蟻群算法流程圖

在該算法中,主函數(shù)調(diào)用的遺傳算法函數(shù)為

function [ROUTES,PL,Tau]=yiqun(G,Tau,K,M,S,E,A,B,R,Q)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),尋找到適合路徑函數(shù)參數(shù),分別對(duì)G,K,M,A,B,R,Q參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,通過(guò)更改所需要使用的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,對(duì)Tau進(jìn)行設(shè)置。為了方便飛行員使用,仍采用北東坐標(biāo)系進(jìn)行設(shè)置起始點(diǎn)S和目標(biāo)點(diǎn)E。在此基礎(chǔ)上對(duì)航路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)以求達(dá)到最好的效果。

同時(shí),可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)值來(lái)改變生成的禁飛區(qū)域在總地理信息圖的空間所占比,從而實(shí)現(xiàn)初始戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的設(shè)置。通過(guò)調(diào)用蟻群算法函數(shù)‘function [ROUTES,PL,Tau]=yiqun(G,Tau,K,M,S,E,A,B,R,Q)’來(lái)實(shí)現(xiàn)航路的生成。該方式生成的航路效果如圖3所示。但是也存在弊端,因?yàn)樯傻慕w區(qū)域是隨機(jī)的,也有可能會(huì)覆蓋起始點(diǎn)或目標(biāo)點(diǎn),會(huì)無(wú)法生成正確的航路,如圖4所示。

圖3 隨機(jī)禁飛區(qū)域生成的航路規(guī)劃

圖4 隨機(jī)生成的禁飛區(qū)無(wú)法形成正確航路的情況

在采用加載txt文檔矩陣時(shí),主函數(shù)通過(guò)加載txt文件來(lái)加載作戰(zhàn)環(huán)境信息,在實(shí)際應(yīng)用中也可以通過(guò)更改加載信息的類型來(lái)加載數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在戰(zhàn)時(shí)可以實(shí)時(shí)規(guī)劃航路的目的，其效果如圖5、圖6所示。

圖5 加載txt作戰(zhàn)環(huán)境矩陣的航路規(guī)劃最優(yōu)路徑圖

圖6 加載txt作戰(zhàn)環(huán)境矩陣的航路規(guī)劃圖

4.4 仿真結(jié)果

通過(guò)采用蟻群算法對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃進(jìn)行仿真分析,可以得出如下結(jié)果:

1)設(shè)置螞蟻數(shù)量為50只,在地圖信息量不是很大的情況下,在32*32的矩陣圖進(jìn)行尋找最優(yōu)路徑約為44.8個(gè)方格距離,航路規(guī)劃尋優(yōu)效果比較理想;在規(guī)劃速度方面,當(dāng)參數(shù)設(shè)置比較合理時(shí),仿真程序耗時(shí)約10s,速度很快;當(dāng)參數(shù)設(shè)置接近限制值時(shí),仿真程序耗時(shí)約45s,速度較慢。

2)設(shè)置螞蟻數(shù)量為100只,在地圖信息量進(jìn)行放大以后,在84*84的矩陣圖進(jìn)行尋找最優(yōu)路徑,迭代次數(shù)50次(螞蟻數(shù)量為50只時(shí),也為50次),耗時(shí)超過(guò)1000s,規(guī)劃效率明顯變差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)應(yīng)用蟻群算法對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃進(jìn)行仿真計(jì)算,得到的結(jié)果表明:

1)在地圖信息量不大的情況下,基于蟻群算法的直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路規(guī)劃效果和系統(tǒng)運(yùn)算速度能夠較好地滿足作戰(zhàn)、訓(xùn)練的需求。即一般海情下,在非交戰(zhàn)環(huán)境下執(zhí)行搜潛任務(wù)或者在交戰(zhàn)環(huán)境下敵方海上軍力一般的情況下,采用蟻群算法對(duì)直升機(jī)應(yīng)召式搜潛航路進(jìn)行規(guī)劃是比較有效的。

2)在地圖信息量比較大的情況下,即執(zhí)行應(yīng)召式搜潛區(qū)域的海況比較復(fù)雜或者地方海上力量比較強(qiáng)大時(shí),無(wú)論是航路規(guī)劃效果還是系統(tǒng)運(yùn)算速度都會(huì)變差,不適于作戰(zhàn)、訓(xùn)練的要求。

因此,這就要求執(zhí)行應(yīng)召式搜潛時(shí),在算法選擇時(shí)要充分考慮實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇,還要注意在不影響搜潛效率的情況下對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息進(jìn)行過(guò)濾和必要簡(jiǎn)化來(lái)提高規(guī)劃效率。

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Responding-antisubmarine Air Route Planning of ASW Helicopter Based on Ant Colony Algorithm

LI Lin, WU Wei-ling, SU Tong-xian

(Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao Campus, Qingdao 266041, China)

Air route planning system is the core of responding-antisubmarine mission which is carried out by an ASW helicopter, and the efficiency of mission completion is decided by the adopted algorithm. Considering actual army training and combat, this paper analyses the basic elements of responding-antisubmarine air route planning system systematically, constitutes assessment index of air route planning system, presents the constraint conditions which should be considered by the system and carries out simulation calculation by ant colony algorithm. Finally this paper summarizes the applicable circumstances of responding-antisubmarine air route planning methods based on ant colony algorithm, which will be of great value to improve army combat and training efficiency.

ant colony algorithm; responding-antisubmarine; air route planning

2016-11-02

李 林(1979-),男,河南鄭州人，碩士,講師,研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程。 吳衛(wèi)玲(1974-),女,碩士,副教授。 蘇通獻(xiàn)(1993-),男,助理工程師。

1673-3819(2017)01-0010-06

TJ67；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.003

修回日期： 2016-12-22