基于協(xié)商的艦艇編隊(duì)協(xié)同防空決策沖突消解?

王 超 王家文

（海軍大連艦艇學(xué)院教研保障中心 大連 116018）

1 引言

編隊(duì)協(xié)同防空決策是組成編隊(duì)的各艦艇成員，在編隊(duì)指揮機(jī)構(gòu)的組織下，根據(jù)分配的作戰(zhàn)任務(wù)和本艦的作戰(zhàn)資源制定各自的作戰(zhàn)預(yù)案，然后上報編隊(duì)指揮機(jī)構(gòu)，進(jìn)行綜合集成，最終得到編隊(duì)協(xié)同防空決策方案的過程［1～2］。

在編隊(duì)各艦艇成員制定本艦作戰(zhàn)預(yù)案的過程中，由于決策的依據(jù)是自身的最大利益，因此，各自的作戰(zhàn)預(yù)案之間不可避免地會存在沖突。如何科學(xué)、高效地消解這些沖突，是編隊(duì)制定協(xié)同防空決策方案過程中的一個關(guān)鍵問題。

2 編隊(duì)協(xié)同防空決策沖突分析

編隊(duì)成員在制定各自防空決策作戰(zhàn)預(yù)案的過程中，可能導(dǎo)致沖突的作戰(zhàn)資源分配主要包括三種類型。

1）火力資源

火力資源是艦艇實(shí)施各種作戰(zhàn)行動所依賴的主要手段。水面艦艇防空作戰(zhàn)的火力抗擊方式主要包括硬武器抗擊和軟武器抗擊兩種。編隊(duì)成員在同時使用硬武器抗擊，或同時使用軟硬武器抗擊時，均有可能發(fā)生火力干擾。

2）電磁資源

電磁資源是艦艇正常使用各類艦載傳感器和有源干擾設(shè)備的重要保障。由于此類設(shè)備對電磁資源的使用具有獨(dú)占性，因此，如果多種設(shè)備同時使用相同頻段的電磁資源，會由于相互之間的電磁干擾而發(fā)生電磁沖突［3］。

3）空間資源

艦艇的運(yùn)動和作戰(zhàn)都是在一定空間范圍內(nèi)進(jìn)行的。編隊(duì)中的艦艇在遂行作戰(zhàn)任務(wù)、多艘艦艇同時進(jìn)行艦艇機(jī)動時，都可能出現(xiàn)空間資源使用上的沖突。如果未能消解這類沖突，作戰(zhàn)時某艦艇可能會進(jìn)入其他艦艇武器使用的危險區(qū)，甚至發(fā)生多艦艇相撞。

3 一般的沖突消解策略

目前，常用的沖突消解策略包括回溯、約束松馳和協(xié)商等方法。

1）回溯：在分布式人工智能系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)結(jié)論沖突時，采用回溯技術(shù)找到回溯節(jié)點(diǎn)，修改不相容的環(huán)境及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型以消解沖突。回溯技術(shù)有順序回溯和相關(guān)制導(dǎo)回溯兩種。在順序回溯過程中，總是先考慮最近的節(jié)點(diǎn)，這可能導(dǎo)致回溯量過大；相關(guān)制導(dǎo)回溯是根據(jù)對消解不一致最有利的節(jié)點(diǎn)來回溯，而不考慮無關(guān)的節(jié)點(diǎn)，因此具有更高的回溯效率［4］。回溯法在規(guī)則系統(tǒng)中使用較多，如在狀態(tài)空間搜索問題中，在當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)發(fā)生沖突后，可通過回溯返回到以前的某個決策點(diǎn)，選擇另一種方案，從而修改了原來的規(guī)劃，以解決沖突?；厮菁夹g(shù)的缺點(diǎn)是：隨著問題復(fù)雜性的增加，回溯搜索會非常費(fèi)時。

2）約束松弛法：這種方法取決于賦給目標(biāo)約束的靜態(tài)權(quán)值，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)沖突時，在保持約束權(quán)和最小條件下，放寬一些約束條件，從而有利于消解沖突。約束松弛法的缺陷是用數(shù)值表示沖突消解知識不直觀，且難以理解。

在各成員智能體之間建立約束關(guān)系時，由于考慮到了各自的求解目標(biāo)和利益目標(biāo)，故采用約束松弛往往會造成某個智能體求解目標(biāo)和利益目標(biāo)的改變，當(dāng)這種改變不利于其完成任務(wù)時，這個智能體可能會拒絕接受約束松弛，從而導(dǎo)致消解失敗。因而約束松弛有其使用的局限性，一般適合于成員企業(yè)內(nèi)部沖突的消解或耦合度較小的沖突消解，對于耦合度較高的沖突則應(yīng)采用知識推理或仲裁的方法進(jìn)行消解。智能體之間的知識沖突通常采用約束松弛法進(jìn)行消解，可以采用形式化語言對沖突過程進(jìn)行描述。

3）協(xié)商：協(xié)商是分布式人工智能研究中引起廣泛關(guān)注的一種信急交換和沖突消解模式，一般來講，它是指用來增進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的通訊機(jī)制。即使不出現(xiàn)沖突，協(xié)商也是十分重要的，因?yàn)樗a(chǎn)生的系統(tǒng)承諾將超過參與協(xié)商的主體個人承諾。協(xié)商能夠在任意層次上實(shí)現(xiàn)，它便于靈活地運(yùn)用沖突消解策略，不同層次上可采用不同的協(xié)商機(jī)制。協(xié)商包括基于沖突知識的協(xié)商、基于代價的協(xié)商和多級協(xié)商［5～8］。

此外，還有學(xué)者對基于任務(wù)［9］、基于特征優(yōu)先關(guān)系［10］和基于組件單元模型［11］的沖突消解方法進(jìn)行了研究。

4 基于協(xié)商的沖突消解方法

根據(jù)編隊(duì)協(xié)同防空決策的特點(diǎn)，我們提出一種基于協(xié)商的編隊(duì)協(xié)同防空決策沖突消解方法。

4.1 基本概念

為實(shí)現(xiàn)沖突消解過程的形式化描述，基于可拓理論的基本思想［12］，首先給出關(guān)于方案元、約束條件、沖突問題等一些基本概念的定義。

定義1方案元。作戰(zhàn)方案由若干參數(shù)組成，確定的方案關(guān)于每個參數(shù)都有確定的量值，將作戰(zhàn)方案的名稱、參數(shù)和量值，作為對方案描述的基本單元，簡稱為方案元。表示為

R=其中，N表示方案名，C表示方案特征，V表示N關(guān)于C所取的量值，可以是簡單變量，也可是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這三者稱為方案元的三要素。它們的關(guān)系用V=C(N)表示。

進(jìn)一步分析，對于編隊(duì)協(xié)同防空決策方案元，其特征參數(shù)C可描述為以下多元組：

C=＜Own_id，OwnPos＜long，lat＞，Tar_batch，Weapon，Anti_kind，＜Fire_t1，F(xiàn)ire_t2＞，F(xiàn)ire_azimuth， Radar， ＜Radar_t1， Radar_t2＞， ＜Elect-Mag_freq1，ElectMag_freq2＞＞。

其中：

Own_id為本艦ID；

OwnPos＜long，lat＞為本艦位置（經(jīng)度，緯度）；Tar_batch為抗擊目標(biāo)的批號；

Weapon為抗擊使用的武器，艦空導(dǎo)彈記為W1，艦炮記為W2，有源干擾記為W3，沖淡干擾記為W4，質(zhì)心干擾記為W5；

Anti_kind為抗擊使用武器的類型，硬武器抗擊記為A1，軟武器抗擊記為A2；

＜Fire_t1，F(xiàn)ire_t2＞為武器使用的時間范圍；

Fire_azimuth為武器發(fā)射的方位；

Radar為保障武器發(fā)射必須使用的雷達(dá)；

＜Radar_t1，Radar_t2＞為雷達(dá)開關(guān)機(jī)時間；

＜ElectMag_freq1，ElectMag_freq2＞為雷達(dá)使用電磁頻段范圍。

定義2約束條件。為避免沖突，各作戰(zhàn)智能體的方案元特征必須滿足的要求稱為約束條件。用一個二元組來描述其中：

X=是一組變量，是一組值域，每個元素是對應(yīng)相應(yīng)變量可能取值的一個集合。

定義3問題。由方案元R1、R2和約束條件CQ組成的關(guān)系式稱為問題，記為P12=(R1?R2)*CQ。

定義4沖突檢測。在約束條件CQ下，判斷方案元R1和R2能否同時實(shí)現(xiàn)的行為，稱為沖突檢測。

定義5沖突問題。給定問題P12=(R1?R2)*CQ，如果經(jīng)過沖突檢測，在約束條件CQ下，R1和R2不能同時實(shí)現(xiàn)，那么稱P為沖突（對立）問題，記為P12=(R1↑R2，CQ)。

定義6 相容問題。給定問題P12=(R1?R2)*CQ，如果經(jīng)過沖突檢測，在約束條件CQ下，R1和R2能夠同時實(shí)現(xiàn)，那么稱P為相容問題，記為P12=(R1↓R2，CQ) 。

定義7相關(guān)。對于任意兩個方案元R1和R2，若未抗擊同一批目標(biāo)，未同時使用電磁資源，并且沒有機(jī)動的需要，則稱方案元無關(guān)，否則稱方案元相關(guān)。

定義8沖突特征。給定沖突問題P12=(R1↑R2，CQ)，其中導(dǎo)致沖突的特征元C組成的集合稱為沖突特征，記為：

定義9沖突集合。給定沖突問題P12=(R1↑R2，CQ)，將沖突特征、對應(yīng)的特征量值以及不滿足的約束條件構(gòu)成的集合，稱為沖突集合，記為CS={ }CA，V，CQ。

4.2 沖突消解算法

假設(shè)編隊(duì)系統(tǒng)中共包含m個作戰(zhàn)智能體，其中，已制定自身方案的智能體有n個，記為考慮第i個智能體制定自身預(yù)案后，與AgS之間進(jìn)行作戰(zhàn)方案沖突的檢測與消解過程。

步驟1AgS根據(jù)自身作戰(zhàn)方案，構(gòu)建各自的方案元，記為

步驟2Agi根據(jù)自身預(yù)案構(gòu)建方案元Ri，并發(fā)送至AgS，各智能體接收后，首先基于約束條件進(jìn)行方案元的相關(guān)性判斷，并反饋Agi。

步驟3若方案元之間無關(guān)，根據(jù)性質(zhì)1，說明不會存在沖突，返回。否則，對于方案元相關(guān)的智能體，根據(jù)方案元和約束條件，建立問題模型。

步驟4智能體根據(jù)問題模型，分別進(jìn)行沖突檢測，確定問題類型，進(jìn)行問題相容度分析，判斷是對立問題還是相容問題，對于相容問題，不做處理；對于對立問題，確定沖突特征，構(gòu)造沖突集合。

步驟5若所有問題均相容，不存在沖突，返回。否則，Agi根據(jù)約束條件，通過調(diào)整自身方案對每類沖突進(jìn)行統(tǒng)一消解，化沖突問題為相容問題，完成后返回；若單純基于自身調(diào)整無法消解，需要其它智能體配合調(diào)整的，將對方調(diào)整建議發(fā)送至相關(guān)智能體。

步驟6相關(guān)智能體接收后，若可以接受，則調(diào)整自身方案，并通知Agi，沖突消解完成。若無法接受，通知Agi。

步驟7Agi根據(jù)與所有智能體的協(xié)商結(jié)果，決定放棄自身方案或上報編隊(duì)指揮智能體A指仲裁。

步驟8編隊(duì)指揮智能體對沖突仲裁后，將最終意見發(fā)送至Agi。

沖突的檢測與消解過程用UML活動圖如圖1所示。

5 實(shí)例

假設(shè)紅方編隊(duì)由三艘驅(qū)逐艦組成，基本參數(shù)如表1所示，T時刻藍(lán)方空中目標(biāo)情況如表2所示。

表1 紅方驅(qū)逐艦編隊(duì)組成表

紅方編隊(duì)根據(jù)紅藍(lán)雙方的對抗態(tài)勢，制定初步的編隊(duì)防空決策預(yù)案，其中，艦艇1001的各方案元分別為

圖1 方案沖突檢測與消除活動圖

考慮艦艇1002與艦艇1001、1002之間關(guān)于防空方案的沖突檢測與消解過程。首先構(gòu)建方案元集合RS2：

按照沖突消解算法，首先與RS1進(jìn)行相關(guān)性判斷。按照相關(guān)性判斷的原則，可以證明R21!～R11，R21!～R12，但對于R21和R13，由于Anti_kind（R13）=A1，Anti_kind（R21）=A1，且 Tar_batch（R13）= Tar_batch（R21），由此可知，R21～R13。

進(jìn)一步構(gòu)造問題模型，P=(R13?R21)*CQ，根據(jù)約束條件CQ，進(jìn)行沖突檢測。

由于（Fire_t2（R13）-Fire_t2（R21））=2，存在 1001的艦炮與1002的艦空導(dǎo)彈相互干擾的可能，因此，P31=(R13↑R21，CQ)是沖突問題。

確定沖突特征：CA={C1，C2，C3，C4} 。

沖突集合產(chǎn)生后，根據(jù)沖突消解類型和消解原則，由1001對方案元R13進(jìn)行修改：

經(jīng)過以上沖突檢測與消解后，艦艇1002與1001之間子方案的沖突已消除，整個編隊(duì)的決策方案形成。

6 結(jié)語

沖突是編隊(duì)協(xié)同防空決策過程中不可避免的現(xiàn)象，如何有效地消解沖突，是實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同防空決策方法的關(guān)鍵。由于沖突產(chǎn)生的原因和表現(xiàn)形式多種多樣，目前尚無統(tǒng)一的有效沖突消解方法。本文給出了編隊(duì)協(xié)同防空決策方案沖突的數(shù)學(xué)描述形式，和基于多智能體協(xié)商的沖突消解算法，從如何高效實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同防空作戰(zhàn)的角度出發(fā)，對協(xié)同決策方案沖突的消解問題進(jìn)行了深入的探討，為實(shí)現(xiàn)水面艦艇編隊(duì)的協(xié)同防空決策奠定基礎(chǔ)。