資源約束條件下艦艇編隊多智能體協作規劃

楊 飛 王 青 吳振東

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

資源約束條件下艦艇編隊多智能體協作規劃

楊 飛 王 青 吳振東

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京 100191)

從分析艦艇編隊對海作戰的流程出發,在決策過程中引入多智能體系統(MAS,Multi-Agent System)理論,建立了編隊協同反艦作戰 Agent模型.針對艦艇編隊 Agent協作規劃過程中受資源約束產生資源占用沖突的問題,建立一種主從式結構多 Agent協作規劃模型,并提出一種集中與分布規劃相結合的 MAS協作規劃方法.仿真實例表明:該方法可有效實現作戰編隊各 Agent之間的協作與協調,保證艦艇編隊在滿足資源約束條件下實現預期戰術目標.

資源約束;Agent;編隊協同;反艦作戰;規劃

現代戰爭是信息化的戰爭,與以往的戰爭形態相比,信息化戰爭的一個明顯特點就是多維領域中的兵種協同和多平臺聯合的一體化作戰[1].通過一體化作戰,使得參戰部隊能夠在各種層次上充分利用武器系統資源,從而可以擴大作戰空間,提高部隊的實際作戰能力.在海上作戰中,艦艇編隊協同反艦作戰已成為現代海上作戰的主要形式,對其進行研究的重要性也日趨明顯.

艦艇編隊協同反艦作戰的核心問題,在于如何實現各作戰成員之間高效的協作與協調.基于智能體(Agent)和多智能體(MAS,Multi-Agent System)規劃[2]是研究協作問題的一種非常重要的方法,但 Agent協同效率不是簡單的線性求和,而是一個高耦合度個體間相互作用的增量.在實際對海作戰中,艦艇編隊要實現戰術目標,需要達到時間、空間以及武器數量的多樣式協同,而艦艇編隊以及導彈武器受自身性能限制,在規劃作戰方案時必然會產生彼此間的資源占用沖突.目前,基于 Agent的作戰仿真領域,相關學者建立了多種不同層次的 Agent協作模型[3-4],但考慮實際協作過程中資源約束的研究甚少.如何在滿足資源約束的條件下實現預期的戰術目標,協調和消解沖突,是保證協同攻擊順利實施的關鍵.

因此,本文基于 MAS理論研究資源約束條件下的艦艇編隊協同規劃方法,旨在為海上編隊協同作戰的戰術戰法研究提供貼近實戰的方法.

1 編隊協同反艦作戰 Agent分類

一次反艦作戰的基本流程是:收到敵情通報→情報探測→數據融合(建立敵我態勢圖)→目標分配→方案制定→作戰實施→射擊效果評定,滿足射擊要求則執行其他任務,否則重新進行威脅判斷并進行目標分配,繼續打擊.

根據反艦作戰任務的流程分析,在編隊協同反艦作戰過程中,需要設置的 Agent主要包括:戰場感知 Agent、總體指揮 Agent、編隊指揮 Agent、作戰單元 Agent和通信 Agent,各 Agent之間交互關系圖如圖 1所示.

圖1 編隊協同反艦作戰Agent交互關系圖

各組成 Agent的作用描述如下:

戰場感知Agent:接收來自地面雷達站或空中預警機關于目標的數據情報,經數據計算融合等預處理后,獲得目標的綜合航跡信息,并根據威脅目標的參數確定該目標的威脅等級,進行威脅程度排序.

總體指揮Agent:負責對當前作戰任務進行分析、明確上級意圖,判斷敵我雙方戰況、進行地形分析,綜合戰場態勢及參謀人員意見后形成初步作戰方案,分配給各作戰編隊.

編隊指揮 Agent:接收初步作戰方案,根據目標態勢、戰術要求、作戰編隊的武器裝備以及其它打擊約束條件進行武器-目標分配,制定本作戰編隊的火力分配方案.

作戰單元 Agent:實施編隊指揮 Agent制定的火力分配方案,對敵目標進行火力打擊.

通信Agent:負責火力分配方案制定過程中多Agent間協作與協調的相關通信.

2 編隊作戰中的資源約束分析

資源是 Agent操作的對象,也是 Agent產生的對象.艦艇編隊在打擊目標時,各作戰 Agent為完成所擔負的戰術目標,規劃自身的行為進行問題求解,必須占用和消耗相關資源要素,如時間、空間、武器裝備、通信通道等.根據資源的使用和消耗特性,資源可分為重復性資源和消耗性資源,重復資源是指可以多次使用的資源,消耗性資源如燃料、彈藥等,一旦被消耗掉后就無法再生,其他Agent便無法使用.而編隊中的時間和空間這兩種資源,它們屬于重復性資源還是消耗性資源是相對的:當時間相同時,空間就是消耗性資源;當時間不相同時,空間就是重復性資源;同理,空間相同時,時間是消耗性資源;空間不同時,時間是重復性資源.

圖2是空間資源沖突與時間資源沖突的典型示例.當艦艇 1要打擊目標 A時,艦艇 2正位于艦艇 1的射向上,這就發生了空間消耗性資源沖突.時間資源沖突與此類似,受艦上發射平臺射前準備時間限制,同一發射平臺不可能在同一時間發射出 2枚導彈.

圖2 空間與時間資源沖突示意圖

對于艦艇編隊,協同打擊敵目標群的情況比打擊單一目標復雜得多.在滿足自身資源約束的條件下,還應實現預期的戰術目標,因此艦艇編隊協同攻擊需考慮的資源要素包括以下 4類:

1)我方火力單元特性.主要有型號、數量、位置,對各種目標的毀傷效能以及可用載彈量,轉移火力反應時間等.

2)目標單位特性.主要有目標類別、數量、位置、價值、威脅程度、易損性以及目標幾何特性(點目標、面目標、群目標)等.

3)最優準則.最大化對目標的毀傷程度(或毀傷目標數),最小化所有火力單位數目和彈藥消耗.

4)射擊時機條件.主要指目標出現到進行目標分配過程的時間及時機,各平臺的火力轉移時間等,所有時間應在分配起始線和分配終了線構成的分配區之內進行.

3 編隊協同 MAS協作規劃模型設計

在艦艇編隊中,如果僅將各條艦艇抽象為獨立的作戰智能體,根據上級下達的戰術目標,自主制定行動和攻擊方案,由于共享資源的有限性,每個作戰單元 Agent在進行行為規劃時,必然會與其他 Agent發生沖突,主要表現在對資源的占用沖突[5],并且難以實現統一的戰術目標.因此,本文提出一種主從式層次體系結構的 MAS協作規劃模型(如圖 3所示),其中,管理者 Agent保存著自身的信息、組內成員的信息及同一層次其它Agent的信息,而組內 Agent只保存有其自身的本體信息.當 Agent依靠自身能力不能完成目標或與其它 Agent產生行為沖突時,它通知組內管理者 Agent,該 Agent進行沖突消解,或者調動其它Agent作為協作者來完成目標;如果組內管理者Agent在組內找不到協作者,則與上一級或者同一級管理者 Agent進行交互,直到找到合作伙伴協作完成目標.

圖3 主從式MAS協作規劃模型

基于文獻[6]的抽象模型理論,本文對協作規劃過程進行擴展,共分為 6個階段,將協作模型Cm定義為

Ma:管理者 Agent.在協作過程中,管理者Agent負責制訂、分發計劃和任務目標.管理者Agent本身又可以分為系統級管理者和組內管理者兩類.系統級管理者 Agent負責制訂總體計劃,組內管理者 Agent能夠制訂(或者選擇)子計劃.子計劃包含于系統總計劃.在多 Agent協作規劃過程中,管理者 Agent提出協作需求,對協作目標進行規劃并根據其它 Agent特性分發任務和選擇協作伙伴.

Cp:協作規劃.協作規劃是面向目標的問題求解的開始.多個 Agent規劃的結果是初步確定出完成協作目標所需要的合作伙伴應當具備的能力及相關特性,以及相互間的分工協作關系.

Ct:參與協作的協作 Agent組.組內管理者Agent屬于 Ct.協作 Agent組的生成是系統級管理者 Agent根據參與協作的Agent的主要特性,主要是在完成總體目標過程中可能表現出的能力特性而分成的組.有沖突時先從組內協調,再到系統內協調,可在一定程度上避免混亂狀態.

Cs:協作方案.與 Ct相對應,并且屬于 Cp的一部分.

Ga:目標.多個 Agent協作要達到的目標.系統目標由系統級管理者 Agent根據實際情況產生,子目標由組內 Agent產生.

Ev:評估能力狀況及協作行動結果.

4 編隊協同作戰 MAS規劃方法

編隊協同反艦作戰方案是在總體指揮機構的組織下,各艦艇兵力經過充分的協商而制定的,因此,應首先由編隊各艦艇指揮智能體針對各自的作戰任務以及戰術目標實施集中規劃,并在形成最初的作戰方案后,采用分布協商方式對方案沖突進行消除.對于各作戰單元間無法通過協商達成一致的矛盾由總體指揮機構進行仲裁.

由此,根據編隊協同作戰的特點,本文提出一種集中與分布相結合的 MAS規劃方法.

4.1 變量定義

規劃動作的常用描述方式是由文獻[7-8]提出的動作描述語言(ADL,Action Description Language),用動作的前提和效果構成的二元組〈P,E〉來進行描述,即 P為動作的前提條件,E為動作的效果.

本文對 ADL進行了擴展來描述 MAS系統中Agent的動作,在二元組描述的基礎上,引入發生動作的 Agent的描述,采用三元組來描述動作.

定義 1動作 O是三元組〈A,Ps,E〉,A為執行動作的 Agent,Ps為前提條件集合,E為動作的效果.O〈A,Ps,E〉表示 Agent(A)在條件 Ps下,執行動作 O,產生狀態 E.用 Po表示動作 O的前提條件,用 Eo表示動作 O的效果.

定義 2規劃 P是四元組〈Is,Os,St,Gs〉,Is為規劃的初始狀態,Os為動作集合,St為執行動作過程的約束集及最優準則,Gs為規劃的目標狀態.

定義 3 任務是 Agent為完成規劃而必須承擔的工作.任務描述為M〈Mk,Mt,Ms〉,Mk為任務M的類型,Mt為 M所針對的威脅目標,Ms為任務M的消耗.

Agent的各項任務構成一個任務集合,表示為 Ma={M1,M2,…,Mn}.任務之間的優先順序約束記為 Ma?Mb,表明任務 A優先任務 B執行.

4.2 規劃描述

1)初始狀態.總體指揮 Agent根據戰場態勢,將反艦作戰的總任務分解為各編隊 Agent的任務集并下發.

2)目標狀態.各編隊指揮 Agent的任務處理完畢,編隊協同反艦火力分配決策方案已制定,作戰單元Agent依據行動序列進行實施.

3)資源約束集與最優準則.本文中,艦艇編隊對敵作戰武器假定為反艦導彈,資源約束條件下制定火力分配方案過程中應遵循如下約束關系以及最優準則:①導彈飛行航路必須符合自身性能要求,即導彈可用過載和轉向半徑、導彈動力航程等約束;②導彈飛行航路滿足航路距離最小以及航路轉向點最少原則,即在存在多條可行航路的情況下,應該使選取的可用航路航程盡可能短,航路點數目盡量少,以減少導彈自控終點散布誤差,提高捕獲概率;③協同實施飽和攻擊原則,在導彈武器射前準備時間相對固定的情況,應通過設置發射時間差,使不同時刻由不同作戰單元Agent發射的導彈經不同的航路飛行,同時到達一個或多個目標,從而實現對目標的飽和攻擊;④全方位打擊原則,對同一目標的攻擊中,為避免多枚導彈導引頭的相互干擾,應使多枚導彈攻入方向互相保持一定夾角;⑤滿足轉移火力時間原則,對同一作戰單元 Agent,向前一目標開火射擊以后,在向后一目標開火射擊之前,需要有一段轉移火力的時間間隔,如果齊發 2枚導彈還需一定的射前準備時間.

4)規劃步驟.依據以上對反艦作戰編隊規劃的相關描述,制定 MAS協同規劃步驟如下:

步驟 1 總體指揮 Agent對當前作戰任務進行分析,在綜合戰場態勢及參謀人員意見后形成初步作戰方案,分配給各作戰編隊.

步驟 2 編隊指揮 Agent接收作戰方案,對各項任務進行排序,構建自身任務堆棧集合 Ma.

步驟 3 編隊指揮 Agent從 Ma中順序獲取當前處理任務 Mi.如 Ma為空集,說明 Agent所有任務規劃都已處理完成,轉至步驟 10,規劃成功.

步驟 4 若 Mi為作戰任務,編隊指揮 Agent根據自身能力,針對 Mi進行協作需求分析,若需要其它 Agent的協作,轉入步驟 6,否則,繼續下一步;若 Mi為協作任務,由編隊指揮 Agent根據協作內容生成協作行動預案,轉入步驟 8.

步驟 5 編隊指揮 Agent基于自身作戰資源制定針對 Mi的行動預案,轉入步驟 8.

步驟 6 編隊指揮 Agent根據協作需求分析結果和編隊其它 Agent的能力,確定當前任務的協作伙伴集合,并進行優先級排序,完成后轉入下一步.如無協作伙伴,轉入步驟 5.

步驟 7 編隊指揮 Agent按照協作伙伴集合順序,通過通訊 Agent向協作伙伴發送協作申請.協作伙伴接收申請后,對該申請進行評估,若同意協作,則由協作伙伴根據協作目標和自身作戰資源情況制定協作預案;若未批準,編隊指揮 Agent從以下 3種路徑中進行選擇:①向其它協作伙伴申請協作,轉入步驟 7;②上報總體指揮 Agent進行仲裁,返回仲裁結果,轉入步驟 2;③放棄針對Mi的協作,轉入步驟 5.

步驟 8 編隊指揮 Agent生成作戰預案后,通過通訊 Agent將該預案發送給所有其它 Agent進行沖突檢測.若無沖突,該預案正式成為方案,加入作戰方案集,供各作戰單元 Agent進行實施;若存在沖突,采用沖突消除規則對預案進行沖突消除,返回處理結果.完成后轉入下一步.

步驟 9 編隊指揮Agent當前任務Mi處理完成,將 Mi從 Ma中刪除,轉入步驟 2,進行下一任務的規劃.

步驟 10 當所有編隊指揮 Agent的所有任務規劃均完成后,規劃結束.

步驟 11 作戰單元 Agent根據規劃結果對方案集進行順序實施.

這種 MAS規劃方法將集中規劃與分布規劃的優勢相結合,具體作戰方案的制定由各編隊指揮 Agent分布完成,減輕了作為中央協調者的總體指揮 Agent的計算量,在保證總體指揮Agent在作戰規劃中主導作用的基礎上,減少了對總體指揮的依賴性,使編隊數量不受中央協調者計算能力的制約.

5 仿真實例分析

5.1 戰局假設

設問題為紅、藍軍對抗,假設藍方雷達發現 4艘敵艦 T1～T4,其中 T1為敵指揮艦,T2～T4為某型驅逐艦,藍方組織指揮艦 G1與 4艘具有多目標攻擊能力的驅逐艦 S1～S4組成作戰編隊對其進行打擊.假設藍方裝備武器為戰術導彈,資源約束描述:總載彈數目為 15枚,各作戰單元 S1～S4載彈數目分別為 5,3,4,3,對同一驅逐艦作戰單元,射前準備時間約束為相鄰 2枚導彈發射間隔大于45s,火力轉移時間約束為從前一目標至后一目標的火力轉移時間大于 56 s.

應用編隊協同反艦作戰 MAS規劃方法,對協同作戰方案實施規劃,規劃過程及結果如下:

1)指揮艦 G1作為總體指揮 Agent,生成戰術目標與總體方案:

{以擊沉敵指揮艦 T1為首要目標;對敵艦編隊實施打擊;在武器資源有限條件下,對敵目標實施飽和攻擊}

2)驅逐艦 S1作為編隊指揮 Agent,接收作戰總體方案后,構建任務堆棧 Ma為:①作戰任務M1:擊沉敵指揮艦 T1;②協作任務 M2:消耗不同作戰單元共 4枚導彈對敵指揮艦 T1實施協同飽和攻擊;③作戰任務 M3:重創敵驅逐艦 T2,T3,T4;④協作任務 M4:擊沉敵指揮艦 T1后,各作戰平臺利用剩余載彈量,對敵 T2,T3,T4實施協同飽和攻擊,導彈數目分配為 3枚、3枚、2枚.

3)編隊指揮 Agent從 Ma中順序獲取當前任務Mi.

如 Mi為作戰任務,則編隊指揮 Agent獲取編隊當前作戰單元資源(載彈量),根據作戰任務指定目標方位與作戰單元位置,計算從各作戰單元發射攻擊該目標的所有飛行航路及捕獲概率,作為備選行動預案.

如 Mi是協作任務,則根據戰術要求,實施飽和攻擊的協作原則為:①判定當前作戰單元Agent載彈量,如載彈量不足則需要其它 Agent協作;②對同一目標,判定當前作戰單元 Agent連射 2枚導彈能否滿足射前準備時間約束,如不能滿足則需要其它 Agent協作;③對不同目標,判定當前作戰單元 Agent連射 2枚導彈能否滿足火力轉移時間約束,如不能滿足則需要其它 Agent協作.

導彈飛行航程、對目標捕獲概率、發射計時的計算方法見文獻[9],當前任務 Mi的協作作戰單元 Agent優先級排序原則為:①載彈量多的優先選取;②飛行航路打擊主要目標的優先選取;③飛行航路航程較短的優先選取;④對當前目標捕獲概率較大的優先選取.

經過最終沖突檢測后,形成作戰方案集為:參與打擊目標 T1的作戰單元 Agent組為 S1,S3,打擊目標 T2的作戰單元 Agent組為 S1,S2,S3,打擊目標 T3的作戰單元 Agent組為 S2,S4,打擊目標T4的作戰單元 Agent組為 S2,S3,最終 Agent編隊對多目標實施協同攻擊的態勢圖見圖 4,規劃產生的協同作戰方案見表 1.

圖4 Agent編隊對多目標實施協同攻擊態勢圖

表 1 規劃產生的協同作戰方案

5.2 結果分析

最終形成的作戰方案已消除所有沖突,滿足載彈量以及火力轉移時間等資源約束,編隊指揮Agent將作戰方案分發至各火力單元 Agent后,各火力單元 Agent根據方案中本單元發射導彈數以及發射時間順序發射,就可以使不同火力單元不同時刻發射的多枚導彈同時到達目標,從而實現對該目標的協同飽和攻擊.

6 結束語

協同作戰是未來戰爭的重要作戰模式.本文基于多 Agent理論方法進行編隊協同反艦作戰Agent功能分類,并提出一種集中與分布相結合的MAS規劃方法,可對 Agent間規劃產生的資源沖突進行協調和消除,保證艦艇編隊在滿足資源約束條件下實現預期戰術目標,仿真的結果可以為部隊發射平臺配置和火力分配提供依據與參考.為了方便研究,仿真過程中對導彈攻擊過程中航路規劃進行了簡化,資源約束的種類還可以進一步擴充,例如考慮海上島嶼障礙以及禁飛區等.在通用性較高的對抗仿真中,這些因素是不可回避的難點問題,也是下一階段研究的重點.

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(編 輯:劉登敏)

Form ation cooperative planning m ethod based on mu lti-agent with resource constraints

Yang Fei Wang Qing Wu Zhendong

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

After analysis on the anti-ship combat process of ship formation,theory of multi-agent system(MAS)was introduced into the decision-making process,and then the formation cooperative anti-ship combat agent model was established.Aiming at the key problem that the resource constraints among formation agents induced resource occupied conflict in the formation agent cooperation process,a principal and subordinate structure multi-agent planning pattern was proposed accomplished with proposinga MASp lanning method combining centralization with distribution.The simulation result showed that the method could effectively realize the cooperation among combat formation agents,and ensured the formation agents achieving anticipated tactical goal under the condition of resource constraints.

resource constraint;Agent;formation cooperation;anti-ship combat;planning

TP 391.9

A

1001-5965(2011)02-0210-06

2010-01-04

總裝國防預研基金資助項目(9140A 04040109HK 01)

楊 飛(1983-),男,山東聊城人,博士生,Yangfei0306@163.com.