多目标多火力通道云调度策略研究

崔东华,魏军辉,李俊杰,夏铭禹

(海军装备研究院,北京 100161)

随着火力协同技术的进步,特别是空海一体战[1]作战样式的提出,空、海、潜基异型反舰导弹齐射战术进入了实战化的阶段,并取得了很大进步。大型水面舰艇在未来海战中必须具备同时抗击多威胁目标的能力,在面对饱和攻击时,才能使整体损失最小。在火力通道资源有限的前提下,如何在最佳时段抗击威胁最大的目标,在有限反应时间段内抗击最大数量的威胁目标,是作战决策必须解决的问题。

本文提出了基于云模型[2-3]的火力通道调度策略,为作战辅助决策提供支持,可同时兼顾目标威力、最佳抗击时间和最大抗击数量的优化问题,即兼顾抗击目标威胁和抗击时间、抗击成功率三方面因素,提高舰艇对空自防御武器系统的作战效能。

本文所称目标是指进入反导武器系统有效抗击区间内的所有空基、舰基、潜基反舰导弹,火力通道包括舰艇可用于对空自防御的反导舰炮武器和防空反导导弹武器系统等。该研究引入了火力通道状态、火力通道、目标实时相对态势和目标类型等参数。假定各火力通道均具备发射后不管能力,发射一组抗击基数弹药后即转火,未被击毁目标自动进入下一抗击周期。为简化问题,不考虑火力通道之间的相关性、射界区分和目标机动特征等因素,仅以火力通道状态、导弹目标类型及其在空间位置作为火力分配判断依据。

为克服火力分配方案可能会引起的火力通道任务分配不均、短程任务滞后和高威胁目标错失最佳抗击时刻等问题,本研究提出以下基本调度规则:

1)高威胁目标优先；

2)处于最佳抗击区间的目标优先；

3)抗击目标所需时间短的目标优先。

三条规则不分主次,由单位时间内成功击毁目标总数与目标威力度量的积判定调度策略的优劣。为将“威胁大”、“威胁小”、“最佳抗击区间”等定性语言描述,转化出定量的可相互比较的火力通道分配优先级,本文引入了用语言值表示的某个定性概念与其定量表示之间不确定转换的云模型方法[2,3]。

1 多目标多火力通道云模型

多目标多通道火力分配考虑火力通道状态、目标导弹类型、抗击目标所需时间、最佳抗击区间等几方面因素。

1.1 多火力通道模型

火力通道状态包括反导舰炮炮口或近程反导导弹发射架初始指向角、有效抗击区间和抗击准备时间等要素。

1)火力通道指向角：包括炮口或弹架指向方向角、高低角等2个参数,简记为：

各火力通道初始方向角由火力通道安装位置确定,初始高低角均为0。一次抗击后,以所抗击导弹目标预期抗击点方位角、高低角作为下次抗击的初始参数。

2)有效抗击区间:包括通道抗击远界、抗击近界等2个参数,简记为：

本研究主要设计考虑两类火力通道：导弹反导火力通道和舰炮反导火力通道,其有效抗击区间部分相互重叠。抗击成功率和目标抗击区间差相关,即目标恰好处于火力通道最佳抗击区间时,成功率最高,而接近火力通道有效抗击边界近界和远界时,成功率最低。火力通道i抗击成功率云如图1所示。

图1 火力通道i抗击成功率云

3)抗击准备时间：火力通道一次抗击时间包括火控解算时间、转火时间、发射时间、再次发射准备时间等 4部分,对调度策略的研究中,可以假设火控解算时间、发射时间和再次发射准备时间为常数BaseDelay,因此,抗击时间与转火时间成正比,而转火时间取决于目标与火力通道基点连线与该火力通道初始指向之间的夹角A：

1.2 多目标模型

反舰导弹目标模型主要考虑导弹目标的空间位置和导弹类型因素。

1)目标位置：

目标位置参数包括以火力通道基点为基准的目标方位角Ax,高低角Ay和目标与火力通道基点间的距离D。本文研究假定全向饱和攻击情况,考虑到敌方突击力量群分布,目标方位角呈现多极非均匀分布。采用多正态云模拟目标方位角分别情况。

其中,[Exk, Eyk]为第 k突击力量群中心方位期望值,[EnxkEnyk]为第k突击力量群在空间的散布量度参数,[HexkHeyk]为导弹目标散布量度参数。突击力量群中心参数在全方向随机分布,其他散布量度参数通过云分布规律试算得出。Farlimiti为第i火力通道抗击远界,Dpri为目标出现在D距离的概率。

图2为多目标空间位置水平面投影采样图,该图显示了左舷空中突击群、右舷潜艇突击群、后部水面突击群等3个突击力量群导弹齐射攻击时,导弹空间分布特征。

图2 多目标空间位置水平面投影采样

2)目标类型：

导弹类型是判定目标威胁等级的重要依据,通常大型舰基、岸基导弹威力较大,小型潜基、空基导弹威力较小,将击沉大型舰艇所需导弹平均数量的倒数称为导弹威力系数。导弹威胁等级取决于导弹类型和制导精度、和目标瞄准部位等因素。本文采用正态半边云：

构建多火力突击群多型导弹威胁等级模型。

图3为多目标感胁等级分布采样图。从图中可以发现,半边云产生的目标威胁等级分布,反映了自然语言描述“大型导弹威胁大数量较少,小型导弹威胁小数量较多”的饱和攻击目标分布特点[5]。

图3 多目标威胁等级分布采样

1.3 调度策略模型

本研究采用三维正态云模型,描述自然语言表达的定性调度规则“高威胁目标优先”、“处于最佳抗击区间的目标优先”和“抗击目标所需时间短的目标优先”等调度规则。

其中,

分别表示目标j对火力通道i的威胁等级、最佳抗击距离和抗击时间的期望值、散布量度参数和非确定性量度参数。其期望值由火力通道和目标导弹型号的战技指标确定[4],而散布度量参数和扰动度量参数则通过仿真和实验数据调试得出[5]。图 4为忽略目标威胁等级因素,只考虑抗击时间和抗击距离的优先级云图。

图4 只考虑抗击时间和抗击距离因素的优先级云

这是一个非确定性空心半马鞍形,体现了抗击时间短优先和处于最佳抗击区间目标优先的火力调度原则。考虑目标威胁、抗击时间和抗击距离因素的优先级云将为4维图形。

优先级云RuleCloud确定后,可以根据火力通道的实时位置和目标空间位置、威胁等级,通过条件云运算得出目标j在火力通道i的优先级。

与云调度策略相对应,将最大威胁优先调度策略表示为

最近目标优先调度策略表示为

2 基于云模型的多目标多火力通道调度策略形式描述

对于确定的火力通道集

和目标集

基于云模型的多机多任务调度策略描述如下：

1)判定t时刻火力通道i可抗击目标集；

2)计算可抗击目标集在火力通道 i上的抗击时间FireTime(i,j)、预测抗击距离DF(i,j);

3)以可抗击目标集的威胁等级、抗击时间、预测抗击距离作为初始参数,进行规则条件云计算,得出可抗击目标优先级集；

4)选择优先级最高目标实施抗击。

云调度策略固件表示如图5所示。

图5 云调度策略固件表示

3 仿真分析及结论

为验证云调度策略的可行性,分析其抗击效率,下面用多目标多火力通道仿真模型对云调度策略、威力大目标优先策略和最近目标优先策略进行仿真。为验证不同调度策略的作战效能,引入抗击目标价值的概念：

抗击目标价值=抗击成功率/击毁大型水面舰艇所需该型导弹数量

该指标将准确反映调度策略对高威胁目标选择的准确性,是舰艇损伤程度的直接度量。

对随机选取2条导弹反导火力通道和1条高速舰炮反导火力通道情况进行时间驱动仿真[6-7]。其抗击目标价值和抗击目标数如图6-7所示。

图6 抗击目标价值

图7 抗击目标数量

仿真表明：

1)从抗击目标数量上看,最近目标优先策略可抗击最多数量的目标,威力大目标优先策略抗击数量最少,云调度策略抗击目标数量介于两者之间,但总体差别不大,它反映了火力通道的最大抗击能力极限。

2)从抗击目标价值上看,云调度策略抗击目标价值明显高于其它两种策略。它反映了最近目标优先策略可能错失高威胁目标,同时也反映了不考虑时间和最佳抗击区间因素的威力大目标优先抗击策略对火力通道资源的浪费。

分析证明,与最近目标优先、威胁大目标优先调度策略相比,采用云调度策略可以明显提高单位时间内近程反导武器系统抗击目标的总价值,充分发挥资源利用效率和作战效能,提高舰艇在饱和攻击条件下的战场生存概率。

[1]M.万托尔,等. 空海一体战——战役构想的起点[R].美国战略预估中心,2010.

[2]宋远骏,李德毅,崔东华,等. 电子产品可靠性的云模型评价方法[J]. 电子学报,2000,28(12):74-77.

[3]叶琼,李绍隐,等. 云模型及应用综述[J]. 计算机工程与设计, 2011,32(12):4198-4201.

[4]Friedman, Norman (2008). Naval Firepower: Battleship Guns and Gunnery in the Dreadnought Era. Seaforth.ISBN 978-1-84415-701-3.

[5]Guiyan Pei, Donghua Cui, etc. The Research on Multi-Targets Matching[J]. EMEIT 2011 International Conference on electronic & mechanical Engineering and Information Technology,2011:1515-1519.

[6]崔东华. 舰载火炮闭环射击效力在线评估方法[J].指挥控制与仿真, 2011,33(4):90-94.

[7]XIONG Guangleng, XIAO Tianyuan, ZHANG Yangyun.Simulation of Continuous and Distributed Event Systems[M].Beijing: Tsinghua University Press,1991.