曹 璐，胡紅波

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2.海裝武漢局駐宜昌地區(qū)軍事代表室，湖北 宜昌 443003）

0 引言

有人/無(wú)人平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)是在分布式協(xié)同作戰(zhàn)理念指導(dǎo)下應(yīng)用較為廣泛的典型作戰(zhàn)模式，為了提升反水雷作業(yè)安全性，反水雷母艦不進(jìn)入雷區(qū)，在其指揮下由空中反水雷系統(tǒng)、水面無(wú)人反水雷系統(tǒng)、水下無(wú)人反水雷系統(tǒng)進(jìn)入雷區(qū)執(zhí)行反水雷任務(wù)[1]。各種反水雷裝備聯(lián)合起來(lái)協(xié)同工作，在功能、用途、使用方式等各個(gè)方面形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大限度地發(fā)揮各型反水雷裝備的綜合作戰(zhàn)效能。

協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃是指在滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)任務(wù)要求、反水雷平臺(tái)和武器性能約束、戰(zhàn)術(shù)使用條件等的前提下，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類(lèi)型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺(tái)，其目的是實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，提高反水雷武器平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)能力、動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力以及整體作戰(zhàn)效能[2]。協(xié)同水雷任務(wù)規(guī)劃是一個(gè)多約束、強(qiáng)耦合的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化與決策問(wèn)題，涉及到任務(wù)、環(huán)境、平臺(tái)等多方面因素。因此本文通過(guò)分析反水雷任務(wù)規(guī)劃的作用及功能，構(gòu)建有人/無(wú)人協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架，明確協(xié)同任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，有力推動(dòng)反水雷作戰(zhàn)指揮控制技術(shù)的發(fā)展。

1 反水雷任務(wù)規(guī)劃作用與定位

反水雷作戰(zhàn)指揮控制的使命任務(wù)就是掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，統(tǒng)籌作戰(zhàn)資源，指揮和控制反水雷兵力作戰(zhàn)，監(jiān)控與協(xié)調(diào)作戰(zhàn)過(guò)程，最大限度提高反水雷作戰(zhàn)效能[3-4]。其特點(diǎn)是以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息環(huán)境為依托，以網(wǎng)絡(luò)為中心，用數(shù)字化設(shè)備將反水雷指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、專(zhuān)家輔助決策等系統(tǒng)聯(lián)為一體，構(gòu)建反水雷作戰(zhàn)的多維信息空間，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)反水雷作戰(zhàn)信息資源的共享與交換[5]。

反水雷指揮控制貫穿于反水雷作戰(zhàn)全過(guò)程，具體包括作戰(zhàn)任務(wù)生成、作戰(zhàn)兵力配置、作業(yè)計(jì)劃制定（含人工制定和根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)感知自動(dòng)生成預(yù)案）、作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行（含依照計(jì)劃執(zhí)行和根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)輔助決策或自動(dòng)擇優(yōu)）、作業(yè)效果評(píng)估（含建立效果評(píng)估模型、生成效果評(píng)估報(bào)告）。反水雷作戰(zhàn)指揮控制過(guò)程如圖1所示。

圖1 反水雷作戰(zhàn)指揮控制過(guò)程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of MCM command and control process

如圖1所示，反水雷任務(wù)規(guī)劃處于反水雷作戰(zhàn)指揮控制的重要階段，獲取作戰(zhàn)任務(wù)后，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行下一步反水雷行動(dòng)。反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要包括作戰(zhàn)模式規(guī)劃、作戰(zhàn)兵力配置、作戰(zhàn)計(jì)劃制定等。作戰(zhàn)模式規(guī)劃根據(jù)不同作戰(zhàn)行動(dòng)（水雷清除任務(wù)、水雷偵察任務(wù)、導(dǎo)航反水雷任務(wù)和疏通航道等），提供具有針對(duì)性的任務(wù)規(guī)劃向?qū)?，并支持作?zhàn)模式的擴(kuò)展；作戰(zhàn)計(jì)劃制定根據(jù)反水雷戰(zhàn)斗命令制定的詳盡作戰(zhàn)計(jì)劃，包括獵掃雷制度、作戰(zhàn)兵力配置、線(xiàn)路配置、效果預(yù)測(cè)、行動(dòng)方案等，解決在滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)任務(wù)要求、反水雷平臺(tái)和武器性能約束、戰(zhàn)術(shù)使用條件等前提下，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類(lèi)型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷武器平臺(tái)，可根據(jù)向?qū)ё詣?dòng)生成反水雷作戰(zhàn)計(jì)劃供戰(zhàn)術(shù)指揮員參考，也可支持人工定制作戰(zhàn)計(jì)劃。

2 協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃框架

2.1 任務(wù)規(guī)劃總體框架

反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃可分為單艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃、編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃和岸基任務(wù)規(guī)劃。單艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要功能是完成本艦作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃及制定，注重解決本艦裝載的各型獵掃雷裝備之間的協(xié)同反水雷作戰(zhàn)及計(jì)劃制定。編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃主要功能是完成編隊(duì)反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，作戰(zhàn)計(jì)劃制定及分發(fā)。注重解決編隊(duì)各作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同反水雷作戰(zhàn)，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化可及時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)計(jì)劃并實(shí)施。反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架如圖2所示，該框架是一種有限中央控制的分布式控制結(jié)構(gòu)。

圖2 反水雷任務(wù)規(guī)劃總體框架Fig.2 General framework of MCM mission planning

有限中央控制的分布式控制的主要思想是通過(guò)允許同層控制實(shí)體間的對(duì)等通信以松弛遞階控制結(jié)構(gòu)中的主從關(guān)系，提高底層模塊的決策控制能力[6]。在有限中央控制的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，岸基/艦隊(duì)指揮中心根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)確定每個(gè)反水雷編隊(duì)的構(gòu)成及每個(gè)編隊(duì)的初始作戰(zhàn)任務(wù)，為各反水雷編隊(duì)分配任務(wù)并進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中岸基/艦隊(duì)指揮中心只對(duì)編隊(duì)進(jìn)行高層次的綜合控制，負(fù)責(zé)做出全局決策。而每個(gè)編隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)任務(wù)規(guī)劃主要由該編隊(duì)反水雷母艦指揮員和平臺(tái)自主規(guī)劃/控制模塊協(xié)同完成，根據(jù)編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)、編隊(duì)成員狀態(tài)信息和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，進(jìn)行局部決策。

在整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程中，反水雷母艦指揮員始終監(jiān)視反水雷平臺(tái)執(zhí)行任務(wù)的情況并保留隨時(shí)干預(yù)的權(quán)利，但反水雷母艦的集中式控制僅是在各反水雷平臺(tái)一定自主規(guī)劃和協(xié)商之上更高層次的管理，而并非一味地向反水雷平臺(tái)發(fā)布指揮遙控指令，只是在必要的時(shí)候向反水雷平臺(tái)發(fā)布命令，因此其工作負(fù)荷大為減輕，使反水雷母艦控制更多反水雷平臺(tái)執(zhí)行任務(wù)成為可能。有限中央控制的分布式綜合控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)綜合了集中式體系結(jié)構(gòu)和分布式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地發(fā)揮反水雷平臺(tái)個(gè)體自主與集中指揮的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)以及反水雷母艦指揮員的主觀能動(dòng)性。

2.2 任務(wù)規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

針對(duì)有限中央控制結(jié)構(gòu)的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)模式，協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃在不同的層次關(guān)注和處理的作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)資源的細(xì)節(jié)不同，通過(guò)分層將編隊(duì)反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃復(fù)雜而眾多的約束條件按照其抽象程度分散到不同的層次，以降低問(wèn)題的難度。協(xié)同反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃分為編隊(duì)層任務(wù)規(guī)劃、集群層任務(wù)規(guī)劃和平臺(tái)層任務(wù)規(guī)劃。

根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分層特性可知，上層關(guān)注的問(wèn)題規(guī)模較大，模糊性較強(qiáng)，下層關(guān)注問(wèn)題規(guī)模較小，確定性較大，精度也較高。上層任務(wù)規(guī)劃結(jié)果是下層任務(wù)規(guī)劃結(jié)果的要求，對(duì)下層任務(wù)規(guī)劃產(chǎn)生約束作用。不過(guò)，上層任務(wù)規(guī)劃可以影響但不能夠完全控制下層的任務(wù)規(guī)劃，即各層在一定范圍內(nèi)具有自己獨(dú)立的自主任務(wù)規(guī)劃?rùn)?quán)，處理實(shí)際面臨的戰(zhàn)場(chǎng)問(wèn)題，以避免傳統(tǒng)的逐級(jí)上報(bào)的任務(wù)規(guī)劃體系帶來(lái)的貽誤戰(zhàn)機(jī)情況的發(fā)生。并且，任務(wù)規(guī)劃層次之間存在明顯的耦合性和迭代特性。

從編隊(duì)層到平臺(tái)層代表了一個(gè)完整的任務(wù)規(guī)劃工作周期，在作戰(zhàn)過(guò)程中，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化，需要在編隊(duì)層、集群層和平臺(tái)層這3個(gè)層次上對(duì)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整，尋求對(duì)反水雷編隊(duì)的最優(yōu)控制。編隊(duì)層、集群層和平臺(tái)層在協(xié)同反水雷作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃中的地位和作用如圖3所示。

圖3 任務(wù)規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hierarchy chart of mission planning

3 協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

3.1 作戰(zhàn)任務(wù)分配技術(shù)

作戰(zhàn)任務(wù)分配以初始信息為輸入，包含3個(gè)主要目標(biāo)：1）采用目標(biāo)分群算法將整體作戰(zhàn)任務(wù)按照任務(wù)點(diǎn)位置、任務(wù)屬性等進(jìn)行分解；2）根據(jù)分解后的作戰(zhàn)任務(wù)需求進(jìn)行配置，確定反水雷平臺(tái)及其攜帶的裝備、傳感器類(lèi)型與數(shù)量，形成{任務(wù)集–反水雷平臺(tái)}組合，在保證任務(wù)完成概率的同時(shí)降低資源的消耗；3）基于戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息，確定可能存在水雷的區(qū)域，將該區(qū)域作為反水雷平臺(tái)的作戰(zhàn)區(qū)域。

作為Agent之間進(jìn)行協(xié)商的重要方法，合同網(wǎng)協(xié)議被廣泛用于解決多智能體系統(tǒng)的任務(wù)分配問(wèn)題，通過(guò)模仿經(jīng)濟(jì)行為中“招標(biāo)–投標(biāo)–中標(biāo)”機(jī)制實(shí)現(xiàn)任務(wù)的委派和遷移[7]。合同網(wǎng)協(xié)議任務(wù)分配的基本思想是將任務(wù)的分配通過(guò)結(jié)點(diǎn)之間的招投標(biāo)過(guò)程實(shí)現(xiàn)，將協(xié)商引入到招標(biāo)者和投標(biāo)者的雙向選擇過(guò)程中。當(dāng)招標(biāo)者有任務(wù)需要其它結(jié)點(diǎn)幫助解決時(shí)，它就向其它結(jié)點(diǎn)廣播有關(guān)該任務(wù)信息，即發(fā)布任務(wù)通告（招標(biāo)），接到招標(biāo)的結(jié)點(diǎn)則檢查自己解決該問(wèn)題的相關(guān)能力，然后發(fā)出自己的投標(biāo)值并使自己成為投標(biāo)者，最后由招標(biāo)者評(píng)估這些投標(biāo)值并選出最合適的中標(biāo)者授予任務(wù)。在招投標(biāo)過(guò)程中，利用通信機(jī)制，對(duì)每個(gè)任務(wù)的分配進(jìn)行協(xié)商，避免資源、知識(shí)等的沖突，使系統(tǒng)以較低的代價(jià)、較高的質(zhì)量完成分布式任務(wù)。

3.2 編隊(duì)隊(duì)形控制技術(shù)

根據(jù){任務(wù)集–反水雷平臺(tái)}組合結(jié)果，確定各反水雷平臺(tái)在什么時(shí)間執(zhí)行什么任務(wù)，以及是否需要協(xié)作。目標(biāo)屬性不同其對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)也就不同，如：掃雷、探測(cè)、滅雷、探測(cè)–滅雷、探測(cè)–滅雷–確認(rèn)等，針對(duì)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要選擇相應(yīng)的裝備（武器、干擾、傳感器等），將任務(wù)分配給適合的反水雷平臺(tái)，同時(shí)還要考慮任務(wù)的執(zhí)行順序。因此執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中反水雷平臺(tái)需要聚集成一定的隊(duì)形進(jìn)行作業(yè)，并且在出現(xiàn)不確定情況時(shí)，能夠通過(guò)隊(duì)形重構(gòu)對(duì)反水雷平臺(tái)進(jìn)行自適應(yīng)控制。目前此類(lèi)算法包括領(lǐng)航–跟隨法、基于行為法、虛擬結(jié)構(gòu)法和圖論法等，它們都是通過(guò)群體中個(gè)體間的信息溝通，建立控制策略，再對(duì)個(gè)體實(shí)現(xiàn)逐一控制來(lái)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

領(lǐng)航–跟隨法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于理解，并且整個(gè)隊(duì)形的行為由領(lǐng)航者直接確定，因而得到了廣泛的應(yīng)用[8]。該方法將反水雷平臺(tái)整體拆分為兩兩一組，一個(gè)領(lǐng)航平臺(tái)，一個(gè)跟隨平臺(tái)，通過(guò)跟隨者對(duì)領(lǐng)航者保持一定的角度和距離來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)形控制，根據(jù)領(lǐng)航者與跟隨者之間的相對(duì)位置關(guān)系，可以形成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即不同的隊(duì)形。例如在掃雷過(guò)程中，使各個(gè)反水雷裝備產(chǎn)生的物理場(chǎng)特征，通過(guò)一定的隊(duì)形模擬成大尺度艦船產(chǎn)生的物理場(chǎng)，如圖4所示。

圖4 大尺度艦船物理場(chǎng)模擬Fig.4 Physical field simulation of a large-scale ship

3.3 協(xié)同區(qū)域搜索與路徑規(guī)劃技術(shù)

多個(gè)反水雷裝備可以攜帶不同設(shè)備和載荷，通過(guò)區(qū)域劃分，可以將各自有限的能源充分利用。同時(shí)，這樣擴(kuò)大了一些傳感器的感知范圍，而且將形成龐大的水面通信網(wǎng)，使得岸基與反水雷裝備之間的通信更為緊密，各司其責(zé)，高效地完成協(xié)同搜索任務(wù)。但多個(gè)反水雷裝備進(jìn)行協(xié)同搜索任務(wù)時(shí)，勢(shì)必要考慮到各自的有效路徑和協(xié)調(diào)問(wèn)題，否則，協(xié)同搜索反而事倍功半。

協(xié)同路徑規(guī)劃在滿(mǎn)足各種約束條件（空間約束、時(shí)間約束、環(huán)境約束、任務(wù)約束等）的前提下，為每個(gè)反水雷平臺(tái)規(guī)劃出一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的航跡，并且使得集群的整體性能達(dá)到最優(yōu)。在協(xié)同航跡規(guī)劃中，航跡個(gè)體的適應(yīng)度計(jì)算不僅考慮單條航跡的性能，更重要的是考慮各航跡之間的協(xié)同性能[9]。因此，對(duì)于協(xié)同航跡規(guī)劃的適應(yīng)度計(jì)算，在單個(gè)航跡規(guī)劃適應(yīng)度的基礎(chǔ)上，增加碰撞危險(xiǎn)代價(jià)和完成時(shí)間要求來(lái)滿(mǎn)足空域協(xié)同和時(shí)域協(xié)同，基本流程如圖5所示。

圖5 協(xié)同路徑規(guī)劃基本流程圖Fig.5 Basic flowchart of cooperative path planning

對(duì)于每個(gè)反水雷平臺(tái)來(lái)說(shuō)，最短的航行路徑意味著：航行時(shí)問(wèn)最短，能源損耗最低?？紤]到反水雷平臺(tái)在執(zhí)行搜索任務(wù)時(shí)最主要的路徑約束就是回轉(zhuǎn)半徑，參考了無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃中經(jīng)典的Dubins路徑：最簡(jiǎn)單形式的路徑是由直線(xiàn)段和常曲率圓弧段組成，將這些直線(xiàn)段和圓弧連接起來(lái)就產(chǎn)生一條連接空間兩位姿點(diǎn)間的飛行器最短的運(yùn)動(dòng)[10]。常見(jiàn)的如平行搜索法，每個(gè)反水雷平臺(tái)沿同一方向平行進(jìn)行搜索，相互之間互不影響、同步作業(yè)，如圖6所示。

圖6 平行協(xié)同搜索路徑Fig.6 Parallel cooperative search path

考慮到攝像、激光測(cè)距傳感器和聲吶等設(shè)備的搜索范圍限制，為保證相鄰的反水雷平臺(tái)得到的感知信息重復(fù)率低，覆蓋密度高，多個(gè)平行作業(yè)的反水雷平臺(tái)在航行至搜索區(qū)域縱向邊界返回時(shí)，需要統(tǒng)一回轉(zhuǎn)方向，統(tǒng)一向右（或向左）進(jìn)行回轉(zhuǎn)返回。d為側(cè)掃聲吶的水平掃描范圍，那么相鄰的反水雷平臺(tái)出發(fā)時(shí)的橫向間距則為4d。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代反水雷作戰(zhàn)流程復(fù)雜，自身控制單元眾多并且互相交聯(lián)，同時(shí)與外界作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的交聯(lián)需求也日益突出，需要建立一種基于網(wǎng)絡(luò)為中心的綜合反水雷指控系統(tǒng)，滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)級(jí)、戰(zhàn)役級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)不同層次反水雷作戰(zhàn)任務(wù)需求。但在這一過(guò)程中，面對(duì)大量的信息必須不斷地進(jìn)行計(jì)算、判斷、決策以及正確的操作，因此協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃就成為研究的重點(diǎn)。本文根據(jù)協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃的主要功能，建立了一套有人/無(wú)人協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃框架體系模型，使其能夠依據(jù)上級(jí)作戰(zhàn)任務(wù)以及戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)、實(shí)時(shí)環(huán)境信息、作戰(zhàn)目標(biāo)特性和兵力狀況等多因素，將不同的作戰(zhàn)任務(wù)合理地分配給類(lèi)型、戰(zhàn)斗力和使用條件各不相同的反水雷平臺(tái)，并自動(dòng)規(guī)劃生成相應(yīng)的作業(yè)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)基于多因素綜合決策的動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃。分析了協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了相應(yīng)的技術(shù)解決途徑，為后續(xù)協(xié)同反水雷任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐。