空中力量体系分布式决策机制研究

刘 阳，贾子英，白靖华

（1．海军航空工程学院 a．青岛校区，山东 青岛 266041；b．研究生管理大队，山东 烟台 264001； 2．91206 部队，山东 青岛 266104）

空中力量体系是指为达成作战目的，由空空、空地作战和信息支援等装备子系统构成的有机整体，是包含分散配置的众多作战单元的复杂作战系统[1]。分布式决策是体系对抗的必然要求，是空中力量体系对抗的重要方面。现有研究成果大多是针对决策内容、决策流程等问题，缺乏关于分布式决策机制的研究。文献[2]研究了预警机指挥控制多编队飞机空战过程的模型及算法，不能反映分布式决策的特点。文献[3]利用多智能体理论，通过Agent合作机制研究了任务分配过程。文献[4]对某一作战任务，建立了基于市场行为的编队内部任务的动态协调机制。文献[5-6]将编队和单机均视为独立的决策主体，从战术辅助决策的角度研究空战决策，没有考虑编队、单机决策受体系战术的约束问题。

为适应体系对抗的需要，空中力量体系决策以分布式网络化作战[7]为指导，由体系中多个决策节点进行分布式决策，形成最终方案。本文根据空中力量体系分布式决策的特点，从系统的角度分析决策过程中诸多相互影响的因素，构建空中力量体系分布式决策机制。

1 空中力量体系分布式决策

1.1 空中力量体系决策网络

基于复杂网络的观点，空中力量体系可表示为由决策节点、传感器节点、对抗节点构成的作战网络[8]，见图1。根据网络中心战理论和节点的类型，作战网络从逻辑上可分为传感器网络、决策网络和对抗网络。空中力量体系中的决策节点是有等级区别的，可分为任务级决策节点、战术级决策节点和行动级决策节点。用☆表示任务级决策节点，如预警机、地面指挥所；△表示战术级决策节点，如侦察群、电子对抗群及火力打击群的决策机构；〇表示行动级决策节点，如双机编队的长机或单机的飞行员。边表示决策节点间的物理、逻辑联系。

图1 空中力量体系决策网络

空中力量体系决策网络NF可表示为：

式(1)中：N是决策节点N1,N2,… ,Ni,… ,Nn的集合，n为节点数量；IN⊆N×linkN是连接N中2 个决策节点的边的集合。

1.2 分布式决策的概念

空中力量体系分布式决策是指各级决策节点对作战行动进行的组织、指挥、控制和协同。在空中力量体系中，决策权限与决策能力随决策节点分布而分散，决策已经不是某个决策者(决策人员、软件)或者决策机构所能单独完成的[9]。分布式决策是指广泛分布配置在信息化战场上的各级决策机构，紧紧围绕鲜明的整体作战意图，通过有效的决策机制实施的“合目的”的决策，使作战单元能够自主协同作战，以便充分发挥各决策机构能力的一种综合性决策活动。分布式决策具有鲜明的整体意图，共同一致的作战规则，流畅有序的决策流程等特点。

空中力量体系分布式决策，在本质上是一种群决策，需满足以下条件[10]：一是空中力量体系中包含需要由多个决策节点共同完成的决策内容；二是空中力量体系中的各决策节点具有彼此协作的愿望；三是为了实现分布式决策，各决策节点共享战场态势信息；四是各决策节点相互之间存在信息交互的途径；五是具有明确的分布式决策机制，即决策程序。空中力量体系包括众多的决策节点，具有统一的作战目标，通过数据链何以实现信息共享和决策协同，具备实施分布式决策的基础。

1.3 空中力量体系分布式决策内容

空中力量体系决策内容包括战术选择、兵力分配、目标分配以及火力分配4 个方面[11]。由于决策节点的层次性，可将空中力量体系决策问题分为任务级决策、战术级决策以及行动级决策3 个层次，如图2 所示。

图2 空中力量体系决策的层次结构图

任务级决策的主体为预警机等任务级决策节点。任务级决策节点根据全局态势，决策空中力量体系对抗所采用的战术，明确各战术编队的编成，即实现战术选择和兵力分配。

战术级决策的主体为战术编队的指挥员等战术级决策节点。战术级决策节点在体系对抗的战术要求下，根据编队态势调整兵力分配方案，并以双机的形式分配所属力量，明确各双机作战目标，实现目标分配。

行动级决策的主体为双机编队长机等行动级决策节点。行动级决策节点根据局部态势调整目标分配方案，进行火力分配，并确定攻击的航线、时机等问题。

空中力量体系决策的内容是相互联系的整体，需要3 个决策层次的主体协同完成。任务级决策节点与战术编队级决策节点共同完成战术选择、兵力分配；战术编队级决策节点与行动级决策节点共同完成目标分配、火力分配。此外，对某些重要问题，任务级决策主体可以直接与行动级决策主体相互联系。

2 空中力量体系分布式决策机制

2.1 分布式决策机制

空中力量体系中不同层次的决策节点、同层次的不同决策节点对战场态势可能有不同的判断，进而行动方案或产生分歧。为了消除分歧，实现统一协同的作战行动，需要建立一套系统的分布式决策机制。协商是群体成员互相听取意见并相互妥协的过程，表现在协商过程中各成员的思想观点相互影响和得到调整，最终形成一致的方案[10]。采用协商机制，构建空中力量体系分布式决策机制，见图3。

图3 空中力量体系分布式决策机制

为了说明分布式决策机制中确定协商对象、协商以及一致方案判断等环节，令决策节点i在k次协商后对某议题的方案为zi(k) ∈[0,1]，定义以下概念。

1)协商轮次：每个决策节点与所有相关决策节点进行一次协商，称为一个协商轮次[12]。

2)方案包容度：决策节点i对j的方案包容度dij是指i可与j协商的方案差异阈值。dij的值越大，包容程度越大。如果满足，则i可以与j进行协商。根据方案包容度，可以确定协商对象。可与节点i协商的节点集Di为

式中，L(N)(i,j) = 1表示第i个节点与第j个节点有边连接。

3)方案接受度：决策节点i对j的方案接受度uij为节点i接受节点j的方案的程度。当i与j协商时，如果它们的方案差异大于方案包容度dij，那么i维持自己原来的方案；反之则妥协。决策节点之间的协商包括2 种形式：一是双边协商，即2 个决策节点之间的协商；二是网络协商，即多个决策节点之间的协商。双边协商后第i个决策节点的方案zi(k+ 1)为

根据式(2)、(3)，网络协商后zi(k+ 1)为

式中，|Dj|为Dj中决策节点的个数。

4)方案分散度：方案分散度kθ用来衡量空中力量体系中各决策节点的方案一致程度。经过k次协商后空中力量体系的方案分散度为

式中：n为决策节点的个数； ＜z(k)＞是k次协商后决策节点方案的平均值；zi(0)为初始方案。方案分散度θk是单调减小的，θk越小，方案越统一。

2.2 分布式决策机制运行流程

分布式决策机制的运行流程，是各决策节点通过协商达成一致方案的过程。空中力量体系分布式决策机制运行流程如图4 所示。

图4 分布式决策机制运行流程图

分布式决策机制运行流程分为以下步骤：

2)确定各决策节点的协商规则，包括方案接受度u和方案包容度d。

3)确定决策节点i可以沟通的节点集iD。在满足方案包容度的前提下，认为节点之间只要有边连接，就进行协商。

4)各决策节点进行协商，调整方案，完成一个协商轮次。

5)假定方案分散度小于ε时，空中力量体系达成一致方案。根据式(4)，判断是否形成一致方案。若没有形成一致方案，则回到步骤4)，继续下一个协商轮次；否则结束协商。

6)得到最终方案 ＜z(k)＞。

3 实例分析

假定某空中力量体系的决策网络为图1，任务级决策节点1 为预警机，是空中指挥所；战术级决策节点2 为侦察群的指挥员；节点3 为电子对抗群的指挥员；节点4 为火力打击群的指挥员；行动级决策节点5、6 为侦察机的飞行员；节点7、8、9为歼击机双机编队的长机；节点10 为电子对抗编队的长机。当发现敌空袭征候时，空中力量体系根据空中态势，进行分布式决策。

各决策节点的初始方案zi( 0)是不同的，dij、uij也是不同的。假定各决策节点的初始方案为0～1之间的随机数，每个决策节点对其他节点的方案包容度和接受度是定值，令战术级决策节点的方案包容度和接受度为0.1、0.2，任务级节点的方案包容度和接受度分别为0.35、0.3，行动级节点的方案包容度和接受度为0.5、0.6，当方案分散度小于0.05时认为形成了一致方案。利用Matlab 仿真，经过6个协商轮次，得到最终方案为0.637 8，见图5。

图5 决策节点方案值变化曲线

在实际的决策过程中，各决策节点的初始方案差异是不大的。若初始方案zi( 0)为0.7～0.9 之间的随机数，则经过2～3 个协商轮次，即可得到一致的最终方案。

在以上的实例分析过程中，对决策节点的方案包容度和接受度进行了简化。方案包容度和接受度应为第i个决策节点对第j个决策节点的ijd、iju，仿真没有体现同级决策节点的方案包容度、接受度的差别。

通过分析得到如下结论：决策节点的意见包容度d的大小决定分布式决策能否达成一致的意见，包容度越大，最终形成的方案越集中，反之越分散。方案接受度u的大小决定形成一致方案所需要的时间，接受度越大，所需时间越短。

4 结束语

研究分布式决策机制，是满足空中力量体系作战决策发展的需要。在分析空中力量体系分布式决策网络、概念及内容的基础上，构建了基于协商的分布式决策机制，通过仿真进行实例分析。本文构建的分布式决策机制从系统的角度，综合考虑影响决策的多种因素，体现了空中力量体系作战决策的特点。仿真结果表明，该机制能够快速地得到一致的决策方案，具有可行性和有效性。

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