鄧紅艷，鄧桂龍，董冬梅，張 燕

(空軍指揮學(xué)院,北京 100097)

現(xiàn)代空中進(jìn)攻作戰(zhàn)具有打擊目標(biāo)多、出動(dòng)架次多、出動(dòng)量大、作戰(zhàn)節(jié)奏快、強(qiáng)度高、指揮控制與協(xié)同復(fù)雜的特點(diǎn)?？罩羞M(jìn)攻作戰(zhàn)時(shí),指揮員的作戰(zhàn)決心和意圖主要通過航空兵出動(dòng)計(jì)劃體現(xiàn)。然而,隨著當(dāng)前作戰(zhàn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、作戰(zhàn)樣式的不斷增加,航空兵作戰(zhàn)半徑的不斷增大,航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案變得越來越復(fù)雜[1]。為了適應(yīng)聯(lián)合作戰(zhàn),航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案日益復(fù)雜,不僅包括殲擊機(jī)、轟炸機(jī)等主戰(zhàn)兵力的使用,而且包括預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等保障兵力的使用;并且對(duì)于不同規(guī)模、不同樣式的作戰(zhàn),航空兵出動(dòng)的數(shù)量和要求也各不相同,不僅需要考慮各部隊(duì)的戰(zhàn)斗編隊(duì)、每日?qǐng)?zhí)行的具體任務(wù)、航行諸元、武器掛載等常規(guī)因素,而且需要考慮通信規(guī)定、機(jī)場(chǎng)保障、作戰(zhàn)效果等其他諸多因素。

如何通過計(jì)算機(jī)輔助手段提高航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案制定效率,如何確保制定的航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案切實(shí)可行，是當(dāng)前空軍作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)建設(shè)中需要解決的核心問題之一。要確保制定的航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案切實(shí)可行,如何自動(dòng)探測(cè)識(shí)別航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案中的沖突問題是率先要解決的問題。

1 航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突問題分析

相對(duì)于民航飛行任務(wù)只考慮空間域、時(shí)間域等方面沖突[2-7],航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案的沖突問題更為復(fù)雜。受戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜性以及不確定性所決定,航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案沖突可分為三類:決策沖突、資源沖突和時(shí)空沖突:

1)決策沖突

航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案決策沖突主要是指不同計(jì)劃人員對(duì)同一問題的決策結(jié)果不同而導(dǎo)致的沖突或不同問題的決策結(jié)果之間產(chǎn)生的相互沖突。聯(lián)合作戰(zhàn)條件下,航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案的制定是一個(gè)典型的群體決策問題。為提高出動(dòng)計(jì)劃方案的制定效率,現(xiàn)階段廣泛采用分布式群決策模式[8-10]。在分布式航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案群決策模式下,受信息差異、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、偏好等影響,不同的出動(dòng)計(jì)劃方案制定人員往往從局部出發(fā)根據(jù)自身目的和條件進(jìn)行決策,在全局上就可能導(dǎo)致沖突。

典型的如備降機(jī)場(chǎng)數(shù)量有限,不同決策人在制定計(jì)劃時(shí)各自按照自己的局部利益來申請(qǐng)安排計(jì)劃,有可能導(dǎo)致最終飛機(jī)備降需求超出現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)保障能力;在制定突擊某機(jī)場(chǎng)跑道的計(jì)劃任務(wù)時(shí),針對(duì)飛機(jī)的武器掛載,計(jì)劃人員A建議使用航空炸彈突擊,而同時(shí)參與計(jì)劃的人員B建議飛機(jī)掛載激光制導(dǎo)空地導(dǎo)彈突擊,這就產(chǎn)生了計(jì)劃人員A與B在武器選用問題上的決策沖突。

2)資源沖突

資源沖突是航空兵出動(dòng)計(jì)劃制定過程中最常見的沖突。相對(duì)于一般民航飛行計(jì)劃資源沖突只考慮保障資源沖突,如跑道占用時(shí)間、燃料裝載、地面保障設(shè)施等不同,航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案資源沖突更加復(fù)雜。航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案由于其核心目標(biāo)是作戰(zhàn)任務(wù),因此根據(jù)任務(wù)需求的不同，還涉及兵力使用、武器性能、目標(biāo)特性等一些特殊需求。兵力使用主要是指根據(jù)任務(wù)需要的飛機(jī)架次或者空中加油機(jī)等保障飛機(jī)的出動(dòng)數(shù)量;武器性能主要是指根據(jù)任務(wù)需求所采用的不同機(jī)型或者武器掛載方案,如執(zhí)行突擊任務(wù)應(yīng)優(yōu)先采用轟炸機(jī),執(zhí)行攔截任務(wù)應(yīng)優(yōu)先采用殲擊機(jī);目標(biāo)特性則是由戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境所決定,如防空武器特性、防空火力范圍、目標(biāo)建筑材質(zhì)等。

3)航空兵出動(dòng)計(jì)劃時(shí)空沖突

航空兵出動(dòng)計(jì)劃時(shí)空沖突主要是指飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過程中出現(xiàn)小于時(shí)間安全間隔和空間安全間隔的現(xiàn)象。在時(shí)間上,信息條件下的軍事斗爭(zhēng)規(guī)模大,時(shí)間緊,節(jié)奏快,對(duì)出動(dòng)計(jì)劃提出了更高的要求,一方面需要空中兵力緊密銜接,另一方面還要充分考慮由于時(shí)間上的問題引發(fā)的飛行矛盾沖突。這種沖突主要因?yàn)楦餍惋w機(jī)的航線、飛行剖面不一樣，續(xù)航時(shí)間不同，飛行高度不同，飛行速度不同，起飛機(jī)場(chǎng)不同，上升率、下降率不同等等,造成航線的交叉、保障能力不足等時(shí)間上的沖突。在空間上,當(dāng)前作戰(zhàn)飛機(jī)作戰(zhàn)半徑大,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),占用高度層比較多,需要的飛行空間大,另外作戰(zhàn)時(shí),還需要一定的保障兵力,如預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等兵力,保障兵力與作戰(zhàn)飛機(jī)航路規(guī)劃不一樣,高度配備也不一樣,為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)需要,增加了領(lǐng)航方案的計(jì)劃難度,必然造成空間上的矛盾沖突。

2 基于仿真推演的航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突自動(dòng)探測(cè)

基于以上分析可知,航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案中的沖突不僅受復(fù)雜多變的任務(wù)影響而具有不確定性,而且具有復(fù)雜性。如果單靠指揮員人工發(fā)現(xiàn)或企圖用一種通用的模型解析，所有沖突問題不僅難以實(shí)現(xiàn),而且也無法滿足信息化條件下空軍大規(guī)模應(yīng)急作戰(zhàn)的實(shí)際需求?；诖?本文提出了基于仿真推演的航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突自動(dòng)探測(cè)方法(如圖1所示),其基本原理是基于航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突檢測(cè)知識(shí)庫,利用仿真推演的方法[11-14]將航空兵出動(dòng)計(jì)劃過程離散化為一系列航跡點(diǎn)的集合,通過監(jiān)測(cè)航跡點(diǎn)上的狀態(tài)集合來實(shí)現(xiàn)航空兵出動(dòng)計(jì)劃全時(shí)段的沖突探測(cè)。

具體實(shí)現(xiàn)過程是:航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案首先經(jīng)過仿真推演預(yù)處理,采用出動(dòng)計(jì)劃格式化模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟茯?qū)動(dòng)仿真推演的XML格式航空兵出動(dòng)計(jì)劃,采用時(shí)間策略機(jī)制確定航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案離散航跡點(diǎn)的疏密程度;處理好的XML格式航空兵出動(dòng)計(jì)劃想定基于仿真引擎依據(jù)制定好的時(shí)間策略機(jī)制進(jìn)行仿真推演;在仿真推演過程中,實(shí)時(shí)基于沖突檢測(cè)知識(shí)庫利用沖突檢測(cè)模塊檢測(cè),并對(duì)產(chǎn)生沖突的部分進(jìn)行沖突警告，并基于沖突檢測(cè)知識(shí)庫進(jìn)行沖突致因分析;推演結(jié)束后,根據(jù)綜合分析沖突警告結(jié)果和沖突致因,進(jìn)行航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案修改,修改完成后再進(jìn)行仿真推演,直到消除所有沖突為止。

在基于仿真推演的航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突自動(dòng)探測(cè)具體實(shí)現(xiàn)過程中需要解決兩個(gè)核心問題:一是時(shí)間策略機(jī)制,由于整個(gè)探測(cè)過程是按照仿真時(shí)間的推進(jìn),時(shí)間間隔的大小直接決定航跡點(diǎn)的多少。如果采用常規(guī)等步長(zhǎng)時(shí)統(tǒng)推進(jìn)機(jī)制,步長(zhǎng)過小時(shí)則航跡點(diǎn)數(shù)量過多,計(jì)算復(fù)雜,仿真效率過低;如果步長(zhǎng)過大則航跡點(diǎn)數(shù)量過少,容易導(dǎo)致對(duì)潛在沖突檢測(cè)發(fā)生遺漏;二是知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫支撐層的設(shè)計(jì),沖突知識(shí)庫的好壞不僅能夠決定是否有效探測(cè)沖突,而且直接影響后續(xù)沖突消解的效率。針對(duì)這兩個(gè)問題,本文分別設(shè)計(jì)了切實(shí)可行的解決方案。

2.1 時(shí)間策略機(jī)制

考慮到航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突發(fā)生時(shí)機(jī)往往具有集中性這一特點(diǎn),本文提出了基于沖突敏感區(qū)域的動(dòng)態(tài)仿真推演時(shí)間策略機(jī)制,其基本原理是:利用預(yù)處理機(jī)制對(duì)航空兵出動(dòng)計(jì)劃各種可能產(chǎn)生沖突的敏感區(qū)域進(jìn)行分析計(jì)算;選出敏感區(qū)域后,根據(jù)敏感區(qū)域動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng),在非敏感區(qū)域采用較大步長(zhǎng)推進(jìn)機(jī)制,即采用秒級(jí)的步長(zhǎng)推進(jìn)機(jī)制,而在敏感區(qū)域采用小步長(zhǎng)推進(jìn)機(jī)制,可采用毫秒級(jí)的步長(zhǎng)推進(jìn)機(jī)制。

整個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間策略機(jī)制的核心在于敏感區(qū)域的計(jì)算。在出動(dòng)計(jì)劃沖突探測(cè)中敏感區(qū)域主要是指最有可能發(fā)生沖突的位置或者時(shí)間點(diǎn),即最容易引發(fā)資源或時(shí)空沖突的區(qū)域。

計(jì)算空間上的敏感區(qū)域本文采用分組解析方法進(jìn)行預(yù)先處理:首先將所有出動(dòng)計(jì)劃涉及的航線按照出動(dòng)計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間段進(jìn)行分組,分組原則是所有出動(dòng)計(jì)劃執(zhí)行時(shí)間段重合的分為一組;在同組內(nèi)將所有的航線一方面利用空間解析方法兩兩相交進(jìn)行解算,求出所有的可能沖突點(diǎn),另一方面根據(jù)不同飛機(jī)的性能參數(shù)將航線進(jìn)行安全距離的擴(kuò)展,將航線變?yōu)榭罩凶呃葍蓛上嘟贿M(jìn)行解算,求出所有的可能沖突區(qū)域;將可能沖突點(diǎn)與可能沖突區(qū)域進(jìn)行一定范圍的擴(kuò)展，就構(gòu)成空間上的敏感區(qū)域。

采用分組的方法可以將判斷限制在時(shí)間上有重合的航路段之間。典型的如航空兵出動(dòng)計(jì)劃1的任務(wù)開始時(shí)間是10時(shí)25分,任務(wù)結(jié)束時(shí)間是13時(shí)35分,航空兵出動(dòng)計(jì)劃2的任務(wù)開始時(shí)間是13時(shí)45分,任務(wù)結(jié)束時(shí)間是15時(shí)55分,經(jīng)過簡(jiǎn)單的分組對(duì)比明顯發(fā)現(xiàn),航空兵出動(dòng)計(jì)劃1已經(jīng)執(zhí)行完成了10分鐘,航空兵出動(dòng)計(jì)劃2才開始執(zhí)行,因此可以判斷這兩個(gè)航路段是不存在航線沖突的。這樣的預(yù)先分組判斷,可以使得沖突的探測(cè)與判定工作只針對(duì)時(shí)間上存在重合的航線進(jìn)行。而讀取計(jì)劃的起止時(shí)間并進(jìn)行比對(duì),只需要執(zhí)行數(shù)量較少的計(jì)算機(jī)指令,避免了進(jìn)行空間位置的比對(duì),從而極大地減少比對(duì)與探測(cè)判斷的時(shí)間。

采用解析方法進(jìn)行沖突預(yù)判斷可以將判斷操作限制在空間上有重合的航路段之間。當(dāng)分組方法不能排除航線沖突的可能性時(shí),首先進(jìn)行飛行高度的比對(duì),對(duì)于平飛的航路段直接將高度差與安全高度進(jìn)行比較,如果不是平飛航路段,如直線爬升段、直線下降段、轉(zhuǎn)彎上升、下降段等情況,則要讀取這兩個(gè)航路段的最高、最低航線高度,然后進(jìn)行類似的對(duì)比,從而判定在高度上是否存在沖突;在進(jìn)行高度對(duì)比的基礎(chǔ)上,將航線進(jìn)行安全距離擴(kuò)展,進(jìn)行解析求交點(diǎn),如圖2所示,得出敏感區(qū)域。

圖2 航路可能出現(xiàn)的兩種情況

對(duì)于資源敏感區(qū)的計(jì)算,由于航空兵出動(dòng)計(jì)劃資源沖突往往集中在起飛和降落兩個(gè)時(shí)段,因此與計(jì)算空間沖突敏感區(qū)域類似,同樣將航空兵出動(dòng)計(jì)劃按照起飛和降落時(shí)間短進(jìn)行分組,有重疊的部分設(shè)為敏感區(qū)域。

2.2 知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫支撐層的設(shè)計(jì)

在基于仿真推演的航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突自動(dòng)探測(cè)中,知識(shí)庫主要是由與沖突產(chǎn)生相關(guān)的知識(shí)所構(gòu)成,數(shù)據(jù)庫主要由保障資源庫、武器裝備庫、機(jī)場(chǎng)信息庫、目標(biāo)信息庫等與沖突來源相關(guān)聯(lián)的資源數(shù)據(jù)組成。

基于航空兵出動(dòng)計(jì)劃涉及資源沖突要素的分析,從計(jì)算機(jī)表達(dá)的角度,本文將航空兵出動(dòng)計(jì)劃資源沖突中的知識(shí)大概分為三類,分別是事實(shí)性知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)和元知識(shí)三類,其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中,事實(shí)性知識(shí)在航空兵出動(dòng)計(jì)劃制定過程中大量存在,主要是指在航空兵出動(dòng)計(jì)劃制定過程中必須遵循的各種強(qiáng)制性要求或規(guī)則,如為了保證飛行安全飛機(jī)之間的最小安全間隔等。具體而言主要包括飛行安全規(guī)則、飛機(jī)機(jī)型與武器的搭配規(guī)則、機(jī)型與執(zhí)行任務(wù)的匹配規(guī)則、武器使用條件限制相關(guān)規(guī)則、機(jī)型相互配合基本規(guī)則、機(jī)型協(xié)同規(guī)則、機(jī)場(chǎng)保障規(guī)則以及使用武器打擊目標(biāo)類型規(guī)則。事實(shí)性知識(shí)是整個(gè)沖突知識(shí)庫的核心,在仿真推演過程中,沖突探測(cè)模塊在每個(gè)仿真步長(zhǎng)依據(jù)事實(shí)性知識(shí)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)不符合的部分進(jìn)行告警。

圖3 航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突知識(shí)庫結(jié)構(gòu)

經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)主要是指沒有嚴(yán)格的信息來源,主要是憑借航空兵計(jì)劃制定人員的經(jīng)驗(yàn)和熟悉程度而確定的一類知識(shí)。經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)有其相應(yīng)的適應(yīng)范圍,不同的計(jì)劃制定人員得到的經(jīng)驗(yàn)并不完全一致。在整個(gè)計(jì)劃制定過程中,特別是對(duì)于航空兵出動(dòng)計(jì)劃的組織以及針對(duì)目標(biāo)信息的出動(dòng)計(jì)劃決策中,經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)對(duì)于在滿足事實(shí)性知識(shí)基礎(chǔ)上追求更大作戰(zhàn)效能具有重要意義。具體而言主要包括使用武器優(yōu)先規(guī)則、武器組合建議規(guī)則、協(xié)同組合建議規(guī)則、保障建議四類。與事實(shí)性知識(shí)使用不同,經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)并不是必須遵循的,只是在沖突致因分析時(shí)為便于更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能基于經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)給出修改意見建議。

航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突元知識(shí)與元數(shù)據(jù)類似,實(shí)際是關(guān)于航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突知識(shí)的知識(shí),包括知識(shí)的適用范圍、來源、法規(guī)依據(jù)、時(shí)效性,是利用知識(shí)進(jìn)行沖突探測(cè)和消解的輔助保證。如在沖突消解時(shí),對(duì)于法規(guī)依據(jù)性的事實(shí)性知識(shí)必須遵循。

對(duì)于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì),主要是在原有數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,增加相關(guān)字段,以便于沖突識(shí)別探測(cè)。為了有效地識(shí)別航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案資源沖突,本文將航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案制定過程中所涉及的資源分為耗損型和重復(fù)利用型兩大類。其中,重復(fù)利用型又可分為共享型和不可共享型兩類。共享型資源是指只能為有限用戶共同使用的有限容量的共享型資源,典型的如機(jī)場(chǎng)跑道等;不可共享型資源,其特點(diǎn)是在一個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)只能有一個(gè)用戶對(duì)該資源擁有使用權(quán),例如某一時(shí)刻的作戰(zhàn)飛機(jī)使用等。耗損型資源,主要是指一旦使用就不能被其他用戶使用的資源,典型的如彈藥、油料。相關(guān)數(shù)據(jù)庫增加項(xiàng)如表1所示。

表1 航空兵出動(dòng)計(jì)劃沖突自動(dòng)探測(cè)數(shù)據(jù)庫增加字段

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

采用本文中提出的解決方案對(duì)指揮員擬定的某作戰(zhàn)方向的航空兵出動(dòng)計(jì)劃方案進(jìn)行沖突探測(cè),該方案涉及出動(dòng)批次120批,航路段781個(gè),與常規(guī)解析沖突探測(cè)方法進(jìn)行比較,結(jié)論如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,基于仿真推演的方法由于涉及沖突告警等實(shí)時(shí)顯示,用時(shí)5 min遠(yuǎn)大于常規(guī)解析方法的2 s,但是即使對(duì)于空軍應(yīng)急作戰(zhàn)而言,5 min也是能夠滿足實(shí)際作戰(zhàn)需求的。相反,在識(shí)別空間沖突、資源沖突、武器使用沖突、保障沖突方面,是否分析沖突原因,是否給出修改意見方面,基于仿真推演的方法具有常規(guī)解析方法所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

表2 基于仿真推演的航空兵出動(dòng)計(jì)劃自動(dòng)探測(cè)與常規(guī)解析方法對(duì)比