楊益川,汪 兵,張?zhí)熨t,曹旭源,李雪婷,余 晨

(1. 電磁空間安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610036) (2. 電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院, 四川 成都 611731) (3. 四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院, 四川 成都 610065)

0 引 言

作為戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的重要趨勢(shì),分布式作戰(zhàn)中的敵我雙方需利用空間散布的多個(gè)裝備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)抗,導(dǎo)致更加復(fù)雜的同時(shí)多任務(wù)處理需求[1-4]。據(jù)此,分布式系統(tǒng)需具備穩(wěn)定的同時(shí)多功能能力,從而能夠有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境下的同時(shí)多任務(wù)處理需求。實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能主要有單節(jié)點(diǎn)集成與多節(jié)點(diǎn)協(xié)同兩種途徑。受限于體積、功耗、電磁兼容等因素[5-6],單節(jié)點(diǎn)集成多種電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能時(shí),面臨電磁兼容、體積、功耗等因素的限制,往往需要折中考慮,導(dǎo)致各功能模式工作參數(shù)針對(duì)性不強(qiáng),出現(xiàn)性能下降等問(wèn)題。因此,通過(guò)分布式的多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同,實(shí)現(xiàn)同時(shí)多功能的技術(shù)途徑得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注[7]?，F(xiàn)有研究成果主要集中于利用資源管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的有序高效協(xié)同,即根據(jù)任務(wù)/目標(biāo)和我方節(jié)點(diǎn)匹配的思路,在效能數(shù)據(jù)的支撐下,設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)資源優(yōu)化調(diào)度算法,將不同任務(wù)分配給不同節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)則按照分配結(jié)果執(zhí)行對(duì)應(yīng)任務(wù)[8-13]。但是,面對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的同時(shí)多任務(wù)處理需求,基于任務(wù)分配思想的分布式系統(tǒng)協(xié)同方法在穩(wěn)定性等方面面臨一系列挑戰(zhàn)。

首先,任務(wù)分配機(jī)制下,各節(jié)點(diǎn)通常只執(zhí)行自己所分配到的任務(wù),與執(zhí)行其他任務(wù)的節(jié)點(diǎn)缺乏有效溝通,難以實(shí)時(shí)掌握其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)工作狀態(tài),導(dǎo)致執(zhí)行不同任務(wù)的節(jié)點(diǎn)之間存在互相干擾的風(fēng)險(xiǎn)。舉例來(lái)說(shuō),任意節(jié)點(diǎn)搭載的雷達(dá)等高功率傳感器工作時(shí),附近節(jié)點(diǎn)的通信、偵察、導(dǎo)航等功能可能會(huì)被其干擾,難以正常工作[14-15]。其次,各節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境中的干擾信號(hào)、自身故障以及被摧毀等原因失效,而任務(wù)分配協(xié)同機(jī)制下的節(jié)點(diǎn)失效就意味著其承擔(dān)的任務(wù)被丟棄,導(dǎo)致系統(tǒng)多任務(wù)處理性能跳變,難以維持完整的多任務(wù)處理能力。最后,不同類型的任務(wù)在數(shù)量、預(yù)期性能指標(biāo)、優(yōu)先級(jí)、節(jié)點(diǎn)協(xié)作方式等方面都存在差異,導(dǎo)致不同的資源調(diào)配需求,需要在綜合考慮任務(wù)差異與資源限制的基礎(chǔ)上優(yōu)化分配節(jié)點(diǎn)資源,盡可能滿足不同任務(wù)需求,但任務(wù)分配模式的資源劃分粒度較粗,難以兼顧上述所有需求。

綜上,基于任務(wù)分配的傳感器資源管理技術(shù)難以滿足分布式作戰(zhàn)需求,需要研究新的分布式系統(tǒng)協(xié)同技術(shù),實(shí)現(xiàn)多功能的同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)互擾的影響,并具備對(duì)節(jié)點(diǎn)失效等意外情況的適應(yīng)能力,此外還可以在考慮不同任務(wù)差異的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源優(yōu)化調(diào)配。上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要面臨三方面技術(shù)挑戰(zhàn)。

首先,為降低(甚至消除)節(jié)點(diǎn)間自擾,需從頻譜、空間以及時(shí)間中的任一維度清晰區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)的用頻行為。但是,傳感器需要通過(guò)天線向空間輻射/接收電磁信號(hào),但天線副瓣難以消除(通常只能整體降低),且實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景通常還存在復(fù)雜的多徑傳輸?shù)葐?wèn)題,因此從空間角度進(jìn)行區(qū)分難度較大。其次,雷達(dá)等傳感器在高功率發(fā)射狀態(tài)下,會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的交調(diào)、互調(diào)等難題[16-18],而強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境通常還存在大量非合作方有意/無(wú)意的干擾信號(hào),因此從頻譜維度進(jìn)行區(qū)分同樣非常困難。

其次,現(xiàn)代及未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)呈現(xiàn)未知因素多、態(tài)勢(shì)快變多變等特征,因此對(duì)故障、損毀等意外因素導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)失效情況進(jìn)行預(yù)測(cè)(例如哪些節(jié)點(diǎn)在哪些時(shí)刻會(huì)失效)非常困難。同時(shí),實(shí)際應(yīng)用中,可用節(jié)點(diǎn)的總數(shù)通常有限,因此預(yù)留節(jié)點(diǎn)資源應(yīng)對(duì)突發(fā)、隨機(jī)的節(jié)點(diǎn)失效等意外情況也非常困難。盡管分布式系統(tǒng)形態(tài)上具備應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)失效的潛能,亦即由于空間散布的多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)因意外全部失效的概率相比于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)大幅降低,故通常假設(shè)在部分節(jié)點(diǎn)失效后,可重新分配任務(wù)并調(diào)度節(jié)點(diǎn)資源,從而維持系統(tǒng)性能。但該思路對(duì)通信依賴度較高,考慮到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境通信受干擾的風(fēng)險(xiǎn)較高,此時(shí)節(jié)點(diǎn)失效信息的獲取、調(diào)度信息的下發(fā)等環(huán)節(jié)都存在時(shí)效性風(fēng)險(xiǎn),可能會(huì)出現(xiàn)調(diào)整耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、甚至失敗(例如通信被干擾后交互能力完全喪失)等問(wèn)題,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)存在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法彌補(bǔ)的性能缺口。針對(duì)該挑戰(zhàn),國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域外研究人員措意不多、成果較少,盡管類似問(wèn)題已在分布式存儲(chǔ)等領(lǐng)域中得到一定關(guān)注,但其研究對(duì)象與多功能分布式電子裝備差異較大,難以直接借鑒[19]。

最后,分布式協(xié)同技術(shù)還需綜合考慮任務(wù)差異調(diào)配節(jié)點(diǎn)資源,以適應(yīng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)需求。任務(wù)差異可粗略分為兩個(gè)方面。一方面,分布式系統(tǒng)自由度高、靈活性好,可按需采用不同模式進(jìn)行協(xié)同:既能接力提高態(tài)勢(shì)信息連續(xù)性(例如多節(jié)點(diǎn)對(duì)重要目標(biāo)進(jìn)行接力跟蹤、接力偵察等),也能聚焦增加信息準(zhǔn)確度(例如MIMO探測(cè),多節(jié)點(diǎn)協(xié)同定位等);另一方面,不同態(tài)勢(shì)條件下不同任務(wù)在優(yōu)先級(jí)、指標(biāo)要求等方面存在不同,需要根據(jù)實(shí)際情況針對(duì)性進(jìn)行資源優(yōu)化調(diào)配,最大程度提升系統(tǒng)的多任務(wù)處理能力。對(duì)第一方面,現(xiàn)有研究成果主要集中于單一協(xié)同模式下的資源管理,而針對(duì)任務(wù)差異的資源調(diào)配則主要以單節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,面向多節(jié)點(diǎn)研究尚處于起步階段。

以具備電子偵察、雷達(dá)探測(cè)等功能模式的多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同對(duì)環(huán)境態(tài)勢(shì)進(jìn)行綜合感知為例,本文對(duì)分布式系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多功能協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了研究。首先設(shè)計(jì)了一種基于節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)信息共享的節(jié)點(diǎn)協(xié)同方法,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序優(yōu)化模型與對(duì)應(yīng)優(yōu)化算法。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

1 編隊(duì)協(xié)同方法

為降低節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度與成本,同時(shí)提升各功能模式的參數(shù)針對(duì)性,假設(shè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻只具備單一功能模式(避免同時(shí)多功能面臨的電磁兼容等困難),功能模式按照一定時(shí)序自動(dòng)切換(如果功能模式不進(jìn)行切換,則各節(jié)點(diǎn)只能按照固化的功能模式執(zhí)行任務(wù),實(shí)質(zhì)上等于基于任務(wù)分配)。全系統(tǒng)同時(shí)多功能能力通過(guò)瞬時(shí)不同功能模式的多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)。

在單節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)單功能、多節(jié)點(diǎn)同時(shí)不同功能的基礎(chǔ)上,本文綜合利用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)編組配置、完整的任務(wù)信息裝訂、一致的功能參數(shù)設(shè)置與規(guī)律的功能時(shí)序切換4種措施,設(shè)計(jì)了一種多功能分布式協(xié)同方法。首先給出4種措施的具體含義:

1) 統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)編組配置,包含兩個(gè)方面,首先按照節(jié)點(diǎn)總數(shù)給所有節(jié)點(diǎn)編號(hào)(假設(shè)系統(tǒng)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,則各節(jié)點(diǎn)依次編號(hào)為1,…,n,…,N);其次,各節(jié)點(diǎn)已事先通過(guò)高精度晶振、原子鐘或?qū)Ш叫l(wèi)星等技術(shù)完成了時(shí)間基準(zhǔn)建立。

2) 完整的任務(wù)信息裝訂,執(zhí)行任務(wù)將當(dāng)前系統(tǒng)面臨的所有任務(wù)相關(guān)信息完整地向所有系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下發(fā)(或裝訂)。

3) 一致的功能參數(shù)設(shè)置,不同節(jié)點(diǎn)切換至任意相同的工作模式時(shí),都采用一致參數(shù)設(shè)置(例如不同節(jié)點(diǎn)對(duì)某指定區(qū)域進(jìn)行探測(cè)時(shí),頻率、極化等參數(shù)都相同)。

4) 有序的功能時(shí)序切換,不同節(jié)點(diǎn)的功能切換時(shí)序應(yīng)盡可能統(tǒng)一或按某種統(tǒng)一規(guī)律變化的時(shí)序進(jìn)行切換。

下面給出協(xié)同方法基本原理:以瞬時(shí)單功能但具備功能切換能力的節(jié)點(diǎn)為基本單元,一方面,不對(duì)任務(wù)集進(jìn)行拆分,而是將系統(tǒng)當(dāng)前面臨的所有任務(wù)信息統(tǒng)一向所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載/裝訂,基于同一時(shí)間基準(zhǔn)的各節(jié)點(diǎn)按照設(shè)計(jì)好的時(shí)序切換功能模式,不同節(jié)點(diǎn)的功能時(shí)序互相配合,使得全系統(tǒng)可以通過(guò)多節(jié)點(diǎn)接力、聚焦等方式有序處理所有任務(wù),緩解節(jié)點(diǎn)失效對(duì)多任務(wù)處理性能的影響;另一方面,不同節(jié)點(diǎn)的功能切換時(shí)序應(yīng)盡可能統(tǒng)一或按某種統(tǒng)一規(guī)律變化,使得各節(jié)點(diǎn)可根據(jù)自身時(shí)序推知其他節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)功能狀態(tài),實(shí)現(xiàn)低交互條件下的有序協(xié)同。便于理解,下面通過(guò)一個(gè)例子對(duì)上述協(xié)同方式進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

假設(shè)N架搭載有雷達(dá)、電子偵察設(shè)備的飛機(jī)編隊(duì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行協(xié)同感知。具體的,假設(shè)編隊(duì)需要駐留監(jiān)視1個(gè)已截獲的輻射源的工作參數(shù)信息,同時(shí)利用機(jī)載雷達(dá)對(duì)指定空域進(jìn)行搜索;保證上述兩個(gè)優(yōu)先任務(wù)順利執(zhí)行的基礎(chǔ)上,還綜合調(diào)用節(jié)點(diǎn)資源,盡量兼顧協(xié)同定位(如交叉測(cè)向,時(shí)差定位等)、頻段監(jiān)測(cè)等次要任務(wù),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境態(tài)勢(shì)信息的綜合感知。上述任務(wù)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 多機(jī)協(xié)同感知任務(wù)場(chǎng)景示意圖Fig.1 Multi drone collaborative perception scenario

簡(jiǎn)化起見(jiàn),假設(shè)編隊(duì)包含3架飛機(jī)(N=3),執(zhí)行任務(wù)前(起飛前或抵近任務(wù)區(qū)域途中)已經(jīng)完成對(duì)所有節(jié)點(diǎn)建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn),同時(shí)任務(wù)信息數(shù)據(jù)獲取與裝訂(起飛前通過(guò)情報(bào)獲取,或抵近任務(wù)區(qū)域途中獲取)、功能切換時(shí)序生成與下發(fā)等步驟也已完成。抵達(dá)任務(wù)區(qū)域后,各節(jié)點(diǎn)按照任務(wù)信息、各自功能切換時(shí)序開(kāi)始工作,各節(jié)點(diǎn)的功能切換時(shí)序與全系統(tǒng)綜合功能時(shí)序如圖2所示(便于展示,各節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作后的5次功能時(shí)序切換用虛線進(jìn)行了對(duì)齊和標(biāo)注)。

圖2 3機(jī)協(xié)同各節(jié)點(diǎn)及全系統(tǒng)功能時(shí)序示意圖Fig.2 Function time sequence of each node and the whole system for 3 drones collaborative

如圖2所示,任意時(shí)刻節(jié)點(diǎn)1～3都按照時(shí)序規(guī)定的單一功能模式工作。統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下,節(jié)點(diǎn)1首先開(kāi)始工作,節(jié)點(diǎn)2在節(jié)點(diǎn)1首次功能切換時(shí)刻開(kāi)始工作,節(jié)點(diǎn)3則在節(jié)點(diǎn)2首次功能切換時(shí)刻開(kāi)始工作,在時(shí)間基準(zhǔn)精度滿足要求、所有節(jié)點(diǎn)的功能切換時(shí)間完全對(duì)齊(如虛線部分所示)的情況下,所有節(jié)點(diǎn)的功能時(shí)序可以有序地合并為一個(gè)全系統(tǒng)綜合多功能時(shí)序(上圖最下方時(shí)序)。從綜合時(shí)序來(lái)看,整個(gè)系統(tǒng)具備同時(shí)多功能能力,可應(yīng)對(duì)同時(shí)多任務(wù)處理需求(協(xié)同定位任務(wù)占用時(shí)段以外,其他任意時(shí)段系統(tǒng)均同時(shí)執(zhí)行多個(gè)不同任務(wù))。相比于任務(wù)分配,該協(xié)同方式在降低自擾、應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)失效以及根據(jù)任務(wù)差異針對(duì)性配置資源等方面有一定優(yōu)勢(shì),下面進(jìn)行分析。

首先,上述協(xié)同方式從時(shí)間維度劃分節(jié)點(diǎn)用頻行為,各節(jié)點(diǎn)可根據(jù)協(xié)同機(jī)制推知其他節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)及工作參數(shù),并針對(duì)性采取措施降低節(jié)點(diǎn)間的互擾。具體的,統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下,不同時(shí)刻開(kāi)始工作的所有節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)間對(duì)齊,因此各節(jié)點(diǎn)按照任意工作模式工作期間,其他節(jié)點(diǎn)也是按照其他某種工作模式工作,并不會(huì)出現(xiàn)功能切換。又因?yàn)椴煌?jié)點(diǎn)的功能切換時(shí)序相同(或具備統(tǒng)一的變化規(guī)律),因此各節(jié)點(diǎn)可根據(jù)自身模式與功能時(shí)序,推斷其他節(jié)點(diǎn)當(dāng)前功能模式。又根據(jù)一致的功能參數(shù)設(shè)置,不同節(jié)點(diǎn)在采用同樣功能模式時(shí),其系統(tǒng)工作參數(shù)都相同,因此任意時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)都可在不利用通信設(shè)備交互溝通信息的前提下,準(zhǔn)確推知其他節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息(利用時(shí)序及節(jié)點(diǎn)編號(hào)推測(cè)實(shí)時(shí)功能模式,再根據(jù)功能推測(cè)結(jié)果與功能參數(shù)設(shè)置情況推測(cè)實(shí)時(shí)工作參數(shù)),然后針對(duì)性采取措施,降低其他節(jié)點(diǎn)輻射信號(hào)對(duì)自身的影響。以圖中標(biāo)注的t時(shí)刻為例,此時(shí)節(jié)點(diǎn)1、2和3分別執(zhí)行重點(diǎn)區(qū)域探測(cè)、指定頻段監(jiān)測(cè)和已截獲目標(biāo)駐留監(jiān)視任務(wù),此時(shí)節(jié)點(diǎn)2和3根據(jù)時(shí)序及編號(hào)可推知節(jié)點(diǎn)1處于探測(cè)模式,又由于3個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行探測(cè)任務(wù)時(shí)都采用相同的工作參數(shù),因此節(jié)點(diǎn)2和3可以針對(duì)節(jié)點(diǎn)1的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行頻域?yàn)V波,降低其輻射信號(hào)對(duì)自身偵察功能的影響。

其次,系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)失效具備一定的適應(yīng)能力。根據(jù)失效后的全系統(tǒng)綜合時(shí)序,節(jié)點(diǎn)3失效后其功能全部失效(從圖中可見(jiàn),相關(guān)功能時(shí)序清零),導(dǎo)致分布式系統(tǒng)對(duì)已截獲目標(biāo)的駐留偵察偵察時(shí)間、對(duì)重點(diǎn)頻段的偵察時(shí)間都出現(xiàn)較大空隙,同時(shí)對(duì)其他頻段的搜索截獲、對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域的探測(cè)時(shí)間也有一定減少。但在節(jié)點(diǎn)1和2的有序配合下,整個(gè)系統(tǒng)仍然能夠執(zhí)行所有任務(wù)(但節(jié)點(diǎn)3失效后,系統(tǒng)可用資源減少,各任務(wù)的性能指標(biāo)都難免有所下降)。

最后,該模式可兼顧不同任務(wù)在優(yōu)先級(jí)、協(xié)同方式等方面的差異,優(yōu)化調(diào)配節(jié)點(diǎn)資源。相比于簡(jiǎn)單的依次輪流重復(fù)切換功能模式并執(zhí)行所有任務(wù),上圖各節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序設(shè)計(jì)一方面考慮了任務(wù)在優(yōu)先級(jí)上的差異,系統(tǒng)資源更多地傾斜調(diào)配給優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)(從綜合時(shí)序可見(jiàn),已截獲輻射源駐留偵察和重點(diǎn)區(qū)域探測(cè)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),其他三類任務(wù)持續(xù)時(shí)間較短)。另一方面,系統(tǒng)不僅可以利用節(jié)點(diǎn)接力協(xié)作增加功能持續(xù)時(shí)間提高獲取信息的完整度與連續(xù)性,還可以可周期性對(duì)齊任務(wù)執(zhí)行時(shí)段,使得各節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)段內(nèi)執(zhí)行同樣任務(wù),從而完成協(xié)同定位等任務(wù)(如圖中綠色時(shí)序所示)。

綜上,可見(jiàn)在單節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)單功能、多節(jié)點(diǎn)同時(shí)不同功能的系統(tǒng)物理形態(tài)基礎(chǔ)上,基于統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)編組配置、完整的任務(wù)信息裝訂、一致的功能參數(shù)設(shè)置與規(guī)律的功能時(shí)序切換4種措施的節(jié)點(diǎn)協(xié)同方法可使分布式系統(tǒng)具備有序、穩(wěn)健的同時(shí)多功能能力,同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)失效具備一定的適應(yīng)能力。在上述4種措施中,系統(tǒng)功能切換時(shí)序處于核心位置,其設(shè)計(jì)方案直接影響系統(tǒng)多功能性能。時(shí)序切換設(shè)計(jì)可視為一種傳感器時(shí)間資源管理問(wèn)題,其數(shù)學(xué)實(shí)質(zhì)是優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模與求解過(guò)程,下面首先給出時(shí)序優(yōu)化建模過(guò)程,然后介紹優(yōu)化方法原理。

2 時(shí)序優(yōu)化數(shù)學(xué)建模

從時(shí)域角度,大量電子裝備任務(wù)都具備一定周期特征,例如雷達(dá)周期性掃描周圍空域,電子偵察周期性掃描監(jiān)視頻段/空域,通信設(shè)備周期性發(fā)送/接收信息等。因此,借鑒前述研究基礎(chǔ),利用3元組從時(shí)域描述電子裝備任務(wù)特征[20-21]。具體的,對(duì)于任意周期任務(wù),可以通過(guò)單次駐留時(shí)長(zhǎng)、重復(fù)周期以及任務(wù)開(kāi)始時(shí)刻3個(gè)參數(shù)描述其時(shí)域特征。假設(shè)分布式系統(tǒng)含N個(gè)節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)面臨的任務(wù)可分為K類,各類任務(wù)的數(shù)量為

M=(M1,M2,…,Mk,…,MK)

(1)

式(1),以第n個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行第k類中第mk個(gè)任務(wù)為例,其3元組表達(dá)式為

(2)

(3)

其中j=1和j=2分別代表首次和第二次執(zhí)行該任務(wù)所占用的時(shí)段(后續(xù)依次類推),分別代表第次執(zhí)行該任務(wù)的起、止時(shí)刻。據(jù)此,定義節(jié)點(diǎn)n的對(duì)第K類所有任務(wù)的切換時(shí)序(即該任務(wù)對(duì)應(yīng)的功能切換時(shí)序)如下。

(4)

在此基礎(chǔ)上可定義節(jié)點(diǎn)對(duì)所有K類任務(wù)的執(zhí)行時(shí)序?yàn)?/p>

(5)

最后,可按照下式定義含N個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)對(duì)所有任務(wù)的執(zhí)行時(shí)序。

Q=(Q1,Q2,…,Qn,…,QN)

(6)

對(duì)應(yīng)的時(shí)序優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可定義為如下廣義形式為

(7)

其中,G、Gk和gk_mk分別代表多任務(wù)指標(biāo)集、第k類任務(wù)性能指標(biāo)集以及第k類中第mk個(gè)任務(wù)性能指標(biāo),而時(shí)序切換設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的時(shí)間資源管理問(wèn)題可建模為如下的優(yōu)化問(wèn)題。

(8)

其中,H(Q)代表限制條件。顯然,不同場(chǎng)景有不同的任務(wù)需求,導(dǎo)致上式中的目標(biāo)函數(shù)與限制條件有不同的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式(例如目標(biāo)函數(shù)可以是截獲概率[22]、跟蹤數(shù)據(jù)率等,而限制條件則可以是任務(wù)總數(shù)[20],資源沖突程度等)。以多機(jī)協(xié)同對(duì)環(huán)境進(jìn)行綜合感知為例,假設(shè)各節(jié)點(diǎn)具備偵察、協(xié)同定位、雷達(dá)探測(cè)與電磁頻譜監(jiān)測(cè)等功能模式。假設(shè)任務(wù)場(chǎng)景中存在多種任務(wù),按照優(yōu)先級(jí)從高到低依次為對(duì)已截獲目標(biāo)駐留偵察、對(duì)已截獲目標(biāo)多站協(xié)同定位、對(duì)指定空域進(jìn)行有源探測(cè)和對(duì)指定頻段進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)4類任務(wù)。不失一般性,從時(shí)間角度協(xié)同定位需要定位數(shù)據(jù)率越高越好,其余3類任務(wù)則是持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)越好(已截獲目標(biāo)駐留偵察時(shí)間越長(zhǎng),越能全面掌握目標(biāo)工作狀態(tài);有源探測(cè)與頻譜監(jiān)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng),越能盡早發(fā)現(xiàn)指定空域、指定頻段內(nèi)的新目標(biāo)),因此可將目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建為如下形式:

G(Q)=(G1(Q),G2(Q),G3(Q),G4(Q))

(9)

式中:G1、G2、G3和G4分別代表對(duì)已截獲目標(biāo)駐留偵察、對(duì)已截獲目標(biāo)多站協(xié)同定位、對(duì)指定空域進(jìn)行有源探測(cè)和對(duì)指定頻段進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)的目標(biāo)函數(shù)。如前所述,駐留偵察、有源探測(cè)和頻段監(jiān)測(cè)以提升任務(wù)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度為目標(biāo),則其目標(biāo)函數(shù)可表達(dá)為如下形式

(10)

而對(duì)于協(xié)同定位任務(wù),則需要盡量提高其數(shù)據(jù)率。考慮到協(xié)同定各節(jié)點(diǎn)偵收時(shí)間必須對(duì)齊,因此各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行該任務(wù)的周期必須相同,因此

(11)

根據(jù)式(11),可定義協(xié)同定位任務(wù)目標(biāo)函數(shù)為

(12)

最后,考慮任務(wù)優(yōu)先級(jí),系統(tǒng)需保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)得到的資源不少于低優(yōu)先級(jí)任務(wù)。至此,可將多節(jié)點(diǎn)時(shí)序優(yōu)化模型具體建模為如下的優(yōu)化問(wèn)題。

(13)

針對(duì)該模型,下節(jié)給出優(yōu)化算法原理。

3 時(shí)序優(yōu)化算法原理

如前所述,在兼顧任務(wù)優(yōu)先級(jí)和協(xié)同方式差異的前提下,功能切換時(shí)序需要能夠讓依次開(kāi)機(jī)的不同節(jié)點(diǎn)時(shí)序有序合并后可使得全系統(tǒng)具備滿足需要的同時(shí)多功能能力。

根據(jù)前期研究成果,周期拓展法[18]能夠在綜合考慮周期任務(wù)在種類、數(shù)量、優(yōu)先級(jí)和性能要求等方面差異的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作時(shí)序。因此本文以該方法為基礎(chǔ),針對(duì)前述多節(jié)點(diǎn)協(xié)同方法,設(shè)計(jì)了一種多功能分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序優(yōu)化生成算法,具體步驟如下。

步驟1 初始化,讀取待執(zhí)行任務(wù)信息,包括任務(wù)種類、數(shù)量及任務(wù)優(yōu)先級(jí)等相關(guān)參數(shù)。

步驟2 判斷待優(yōu)化任務(wù)集是否為空集,是則執(zhí)行步驟6;否則從待優(yōu)化任務(wù)集中取出當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)(該類任務(wù)的數(shù)量以M表征)。

步驟3 判斷該類任務(wù)是否需要各節(jié)點(diǎn)對(duì)齊時(shí)間執(zhí)行,是則執(zhí)行步驟4,否則執(zhí)行步驟5。

步驟4 設(shè)計(jì)時(shí)序?qū)R任務(wù)時(shí)序。

步驟4a 令m=1;

步驟4b 在所有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的空閑時(shí)序中尋找起止時(shí)刻對(duì)齊且要求的時(shí)間段,將其對(duì)應(yīng)3元組參數(shù)存儲(chǔ)并將該時(shí)段標(biāo)記為已占用時(shí)段;

步驟4c 如果m=M,則將該類任務(wù)從待執(zhí)行任務(wù)序列中刪除并執(zhí)行步驟2,否則令m=m+1并執(zhí)行步驟4b。

步驟5 利用周期拓展法設(shè)計(jì)時(shí)-頻掃描方案。

步驟5a 令m=1;

步驟5b 令n=1;

步驟5c 如果n=1,則執(zhí)行步驟5d,否則執(zhí)行步驟5e;

步驟5d 利用周期拓展法在節(jié)點(diǎn)所有未占用時(shí)段中尋找任務(wù)可執(zhí)行時(shí)段,找到后將存儲(chǔ)該時(shí)段3元組參數(shù)并將其標(biāo)注為已占用時(shí)段,令n=n+1;

步驟5e 在節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)時(shí)刻延遲n-1個(gè)任務(wù)駐留時(shí)段后的所有未占用時(shí)段中利用周期拓展法尋找任務(wù)可執(zhí)行時(shí)段,將符合要求的時(shí)段3元組參數(shù)并將其標(biāo)注為已占用時(shí)段,令n=n+1;

步驟5f 如果n=N,則執(zhí)行步驟5g,否則令n=n+1并執(zhí)行步驟5c;

步驟5g 如果m=M,則將該類任務(wù)從待執(zhí)行任務(wù)序列中刪除并執(zhí)行步驟2,否則令m=m+1并執(zhí)行步驟5b;

步驟6 利用存儲(chǔ)的所有任務(wù)時(shí)段3元組參數(shù)生成并輸出所有節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序至此優(yōu)化方法介紹完畢,下一節(jié)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)方法有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

4 仿真及分析

仿真實(shí)驗(yàn)采用的場(chǎng)景都如圖1所示,仿真考慮的分布式系統(tǒng)由4架飛機(jī)組成,飛機(jī)搭載有電子偵察與雷達(dá)等傳感器設(shè)備。系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間駐留偵察已截獲輻射源目標(biāo)、移動(dòng)輻射源協(xié)同定位、探測(cè)指定區(qū)域以及監(jiān)測(cè)指定頻段內(nèi)輻射源工作信息4類任務(wù),實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的綜合感知。

1)輻射源駐留偵察:對(duì)已被我方電子偵察設(shè)備截獲的重要輻射源目標(biāo)(例如地基雷達(dá)),通過(guò)長(zhǎng)期偵收其信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確連續(xù)監(jiān)控;

2)移動(dòng)輻射源協(xié)同定位:對(duì)已被我方電子偵察設(shè)備截獲的,機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)的輻射源目標(biāo)(例如機(jī)載雷達(dá)),通過(guò)不同節(jié)點(diǎn)交叉定位、時(shí)差定位等方式對(duì)其進(jìn)行定位,獲取其運(yùn)動(dòng)軌跡信息;

3)指定區(qū)域探測(cè):利用機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行有源探測(cè),例如對(duì)指定的區(qū)域(例如距離編隊(duì)一定距離的搜索屏/墻區(qū)域)進(jìn)行探測(cè)搜索,截獲處于電磁靜默狀態(tài)的輻射源目標(biāo);

4)指定頻段監(jiān)測(cè):周期性偵收、分析指定頻段內(nèi)的輻射源信號(hào),掌握編隊(duì)周圍電磁環(huán)境中輻射源數(shù)量及工作狀態(tài),根據(jù)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)等信息從中選擇需駐留監(jiān)視或需要協(xié)同定位的目標(biāo)。

上述4類任務(wù)的具體設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter setting

設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為20 s,分2次實(shí)驗(yàn):第1次假設(shè)時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一精度較高、系統(tǒng)功能切換速度較快,因此將各節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)隙間隔設(shè)置為200 ms,節(jié)點(diǎn)2、4分別在開(kāi)機(jī)后第8 s和第16 s因意外因素失效;第2次假設(shè)因時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一精度較低、系統(tǒng)功能切換速度較慢等原因,節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)隙間隔為500 ms,此時(shí)節(jié)點(diǎn)1和3在開(kāi)機(jī)第10 s后同時(shí)失效。下面給出2次試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序與全系統(tǒng)綜合多功能時(shí)序仿真結(jié)果。

首先,仿真結(jié)果與圖2示例一致,2次實(shí)驗(yàn)各節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)都只按照單一功能模式工作,各節(jié)點(diǎn)按照時(shí)序切換功能狀態(tài)(在任意節(jié)點(diǎn)以及全系統(tǒng)時(shí)序中,藍(lán)色從下至上依次為頻段1/2/3的監(jiān)測(cè)時(shí)序,黃色和綠色分別代表探測(cè)和協(xié)同定位時(shí)序,紅色從下至上依次為對(duì)目標(biāo)1/2的駐留偵察時(shí)序)。各節(jié)點(diǎn)在功能時(shí)序的調(diào)控下有序協(xié)同,任意時(shí)刻不同節(jié)點(diǎn)分別工作于不同功能模式并執(zhí)行不同任務(wù),從而使得整個(gè)系統(tǒng)具備同時(shí)多功能能力,可應(yīng)對(duì)同時(shí)多任務(wù)處理需求。同時(shí),從仿真圖可見(jiàn),在各節(jié)點(diǎn)都開(kāi)始工作后,不同節(jié)點(diǎn)都在相同的時(shí)刻切換功能,這意味著節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序已有序?qū)R(即任意節(jié)點(diǎn)根據(jù)在任意單次功能模式持續(xù)時(shí)間內(nèi),其他節(jié)點(diǎn)不會(huì)切換功能模式)。因此,各節(jié)點(diǎn)可根據(jù)加載的功能切換時(shí)序(包括自身時(shí)序和其他節(jié)點(diǎn)時(shí)序)以及節(jié)點(diǎn)編號(hào)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其他節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻的功能模式,進(jìn)而可通過(guò)完整的任務(wù)信息裝訂以及預(yù)先設(shè)定的一致的功能參數(shù)推知其他節(jié)點(diǎn)輻射源實(shí)時(shí)工作參數(shù),最終根據(jù)上述信息采取針對(duì)性措施降低其他節(jié)點(diǎn)對(duì)自身的干擾(例如在其他處于輻射狀態(tài)的節(jié)點(diǎn),在其工作頻點(diǎn)以及平臺(tái)所處方位附近進(jìn)行頻域/空域?yàn)V波)。

其次,根據(jù)圖3a)和圖3b)節(jié)點(diǎn)失效后的時(shí)間段來(lái)看,盡管部分節(jié)點(diǎn)失效會(huì)一定程度造成整體性能下降(例如駐留偵察、探測(cè)以及頻段監(jiān)測(cè)任務(wù)的持續(xù)時(shí)間降低,協(xié)同定位可選擇的節(jié)點(diǎn)減少等),但分布式系統(tǒng)仍然保持同時(shí)多功能能力,所有任務(wù)依然得到有序處理,這說(shuō)明本協(xié)同方法可使分布式系統(tǒng)對(duì)損毀、干擾、故障等意外因素導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題有較好的適應(yīng)能力,可在各種情況下(例如不同失效時(shí)刻、不同失效節(jié)點(diǎn)等難以預(yù)測(cè)的意外情況)維持系統(tǒng)多任務(wù)處理能力,避免系統(tǒng)同時(shí)多任務(wù)處理性能出現(xiàn)跳變。

圖3 節(jié)點(diǎn)功能切換時(shí)序與全系統(tǒng)綜合多功能時(shí)序仿真結(jié)果示意圖Fig.3 Function switching time sequences of nodes and comprehensive multi-function time sequence of the whole system

然后,功能切換時(shí)序可以針對(duì)協(xié)同工作模式、任務(wù)優(yōu)先級(jí)等不同方面的差異針對(duì)性調(diào)配資源。對(duì)于駐留偵察、有源探測(cè)和頻段監(jiān)測(cè)任務(wù),各節(jié)點(diǎn)功能時(shí)序可有序拼接,增加任務(wù)執(zhí)行時(shí)間,提升所獲取的輻射源工作狀態(tài)信息完整度、有源探測(cè)范圍/距離以及對(duì)指定頻段內(nèi)輻射源的截獲概率。此外,各節(jié)點(diǎn)功能時(shí)序可周期性對(duì)齊,從時(shí)間角度支撐系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)輻射源目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同定位,并利用節(jié)點(diǎn)資源管理技術(shù)優(yōu)化選擇定位性能較好的方案(例如根據(jù)基線長(zhǎng)度等因素,從4個(gè)節(jié)點(diǎn)中選擇2個(gè)交叉定位性能最好的節(jié)點(diǎn),或從4個(gè)節(jié)點(diǎn)中選擇3個(gè)時(shí)差定位性能最好的節(jié)點(diǎn)),進(jìn)一步提升對(duì)輻射源的定位性能[23]。顯然,對(duì)齊的時(shí)序不僅能夠支撐協(xié)同定位,也能夠支撐分布式系統(tǒng)采用MIMO探測(cè)等其他功能模式及其對(duì)應(yīng)的資源優(yōu)化管控技術(shù)提升性能[24]。此外,根據(jù)仿真設(shè)置,駐留偵察任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于有源探測(cè)和頻段監(jiān)測(cè)任務(wù),而從仿真結(jié)果可看出駐留偵察時(shí)間明顯更多,這說(shuō)明系統(tǒng)資源根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化配置。

最后,對(duì)比圖3a)和圖3b),可見(jiàn)所提方法可適應(yīng)不同的功能切換時(shí)間間隔設(shè)置,有序調(diào)度分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有序工作,支撐整個(gè)分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的同時(shí)多功能能力。這表明所提方法可適應(yīng)因節(jié)點(diǎn)搭載能力(例如實(shí)際應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)槌休d空間、重量等因素限制,無(wú)法搭載原子鐘等高精度時(shí)統(tǒng)設(shè)備;還可能因?yàn)槭艿诫娮痈蓴_,無(wú)法利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行時(shí)統(tǒng)校準(zhǔn))、硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等條件導(dǎo)致的不同的時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一精度、不同的功能模式切換速度等情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以提升對(duì)節(jié)點(diǎn)失效、任務(wù)差異等因素的適應(yīng)能力為目標(biāo),提出了一種基于時(shí)間資源管理的多功能分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)協(xié)同技術(shù)。首先,綜合利用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)編組配置、完整的任務(wù)信息裝訂、一致的功能參數(shù)設(shè)置與有序的功能時(shí)序切換設(shè)計(jì)了一種多功能分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)協(xié)同機(jī)制,然后,以態(tài)勢(shì)環(huán)境綜合感知任務(wù)為例,建立了一個(gè)多功能分布式系統(tǒng)功能切換時(shí)序優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了一種時(shí)序優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。仿真結(jié)果表明,所提方法可支撐分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的同時(shí)多功能能力,不僅能針對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)和協(xié)同方式的差異優(yōu)化配置系統(tǒng)資源,還可以在節(jié)點(diǎn)因不可控意外因素失效時(shí)按需維持系統(tǒng)同時(shí)多任務(wù)處理能力。需指出的是,本研究尚處于起步階段,由于缺少節(jié)點(diǎn)失效等情況的信息反饋(僅能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)失效,但無(wú)法獲知具體的節(jié)點(diǎn)失效信息并進(jìn)行調(diào)整),因此現(xiàn)階段本文所給出的是一種開(kāi)環(huán)協(xié)同方法。后續(xù)研究計(jì)劃將本方法與多功能一體化波形等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,通過(guò)故障/損毀信息反饋、故障/損毀信息驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)資源調(diào)度等技術(shù)研究,探索閉環(huán)協(xié)同方法,增強(qiáng)多功能分布式系統(tǒng)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。