基于任务时限的NCIS力量编组研究*

赵军伟，李建华

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

基于任务时限的NCIS力量编组研究*

赵军伟，李建华

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

网络化指挥信息系统（NCIS）力量编组直接影响系统作战效能的生成与发挥，科学的系统力量编组是体系作战的内在要求。采用指控组织设计方法，基于任务时限建立了任务支撑度最大化和系统负载最小化多目标规划力量编组模型，针对模型的层次性给出了模型的两步求解算法。通过典型战例进行了仿真实验，仿真结果表明模型可以优化系统的编组结构，提高任务中编组的支撑能力。

任务时限，指挥信息系统，力量编组

0　引言

提升基于信息系统的体系作战能力，必须充分发挥指挥信息系统在作战体系中的“中枢神经”作用，科学的系统力量编组是确保系统运行效率的基础［1］。NCIS力量编组是根据作战任务需求，以提高系统对作战行动的支撑能力和系统作战运用效能为目标，对由系统功能要素和保障力量组成的力量单元进行合理的编配与组合。科学的系统编组必须改变传统静态固定的形式，综合考虑作战力量结构、战场环境和任务要求，利于作战体系的聚能与释能，以适应战场变化的灵活性和面向任务的针对性，提高任务完成效率，降低系统的工作负载。目前，针对NCIS力量编组的研究大都停留在定性阶段［2-4］，本文借鉴指控组织设计方法，以作战任务的时间结点为条件，建立了优化模型，提出了算法，并针对案例进行了仿真实验。

1　基本概念

NCIS力量编组的核心问题是确立指控节点对各系统节点的编配关系，相关的要素包括任务、系统力量节点、任务支撑度和系统工作负载。

定义1任务：高级使命任务在某种粒度下分解得到的一次行动。任务的顺利实施必须满足任务执行顺序关系、基本系统力量节点资源需求和任务时限。记包含N个任务的使命任务集T={T1，T2，…TN}。每个任务Ti的自身属性定义为{Ri，R'i，Li，ti，t'i}，每个属性的含义分别是：

①Ti的基本系统力量节点资源需求向量Ri=（ri1，ri2，…，riL）（不满足基本节点资源需求，任务就不会执行），rim是指支撑任务Ti所需的第m种类型的系统力量节点的数量（m=1，2，…，L，L为系统力量节点的总数量）；

②Ti的充分系统力量节点需求向量R'i=（r'i1，r'i2，…，r'iL）,且r'im≥rim；

③Ti的平面位置坐标Li=（xi，yi）；

④Ti的持续时间ti；

⑤Ti的计划开始时间t'i。

定义2系统力量节点：包含情报、指控、打击和保障等系统力量节点，同一时刻只能执行唯一的任务，是执行任务基本保证。记包含L个节点的系统节点集为P={P1，P2，…，PL}，系统节点Pm的自身属性定义为{Lam，Vm}，每个属性的含义分别是：

①Pm的平面位置坐标Lam=（xm，ym）；

②Pm的平面机动速度Vm。

定义3任务支撑度：任务执行条件的满足度对任务的支撑能力影响的量化值［5］，记为

定义4系统工作负载：指控节点需要处理协调的内部协作量与外部协作量的加权和［6］。指控节点Cn的协作负载记为

其中WI为内部协作负载权值，in为内部协作量，WE为外部协作负载权值，en为外部协作量（n=1，2，…d，d为指控节点的数量）。

2　变量定义

对NCIS力量单元进行编组，必须综合考虑作战计划对各项任务时间节点的限制，以及系统力量单元的位置、分配和编配关系的动态变化，定义如下变量。

①任务与系统力量节点的分配变量wim，若节点Pm分配给任务Ti则wim=1，否则wim=0。任务执行的前提是满足任务的节点需求。当到达Ti的计划开始时间时，Ti分配的系统力量节点资源已满足基本节点资源需求，但仍不能满足充分节点资源需求时，任务将强制执行［7］。

②系统力量节点在任务间的转移变量xijm，若节点Pm在执行完任务Ti后被分配给Tj则xijm=1，否则xijm=0。当i=j时，系统节点的转移变量为0，即xiim=xjjm=0（i,j=1，2，…N；m=1，2，…L）。假设存在虚拟任务Ts和Te，在所有任务开始前，所有节点资源都在任务Ts上，所有任务结束时，所有节点资源都回归到Te上，对任意i,j=1，2，…N；m=1，2，…L，则必须满足:

③任务的顺序变量aij:描述任务执行的顺序关系，若Ti必须在Tj前执行，则aij=1，否则aij=0。

④时间变量si:si是任务Ti的实际开始时间。任务Ti开始必须在其所有前导任务都已结束后，且不能超过任务计划时间：

Y'为所有任务完成时间的上界。

⑥节点编组变量Bmn：表示节点的编组关系，若节点Pm编属于指控节点Cn则Bmn=1，否则Bmn=0。节点在编组的过程中，任何系统力量节点只能编属于唯一的指控节点，即不存在一个系统力量节点同时编配到两个指挥控制节点编组的情况，即：

⑦任务到指控节点的分配变量uin，如果任务Ti被分配到指控节点Cn执行，则uin=1，否则为0。

3　模型描述

NCIS力量编组的目标就是构建任务针对性强，提高任务的支撑能力，减少系统工作负载的节点编配与组合关系。因此，以任务支撑度最大化和系统工作负载最小化为目标函数［8-9］。

其中，a+b=1，a和b为偏好系数。

4　问题求解

4.1任务与节点分配关系求解

以任务支撑度最大化为目标函数，以式（3）～式（6）为约束条件，输入任务和节点的基本属性和任务时间限制，基本算法流程如图1所示。

图1　任务节点分配算法流程图

4.2系统力量编组关系求解

以任务节点分配结果为输入，以工作负载最小化为目标函数，以式（7）～式（9）为约束条件，基本算法流程如下页图2所示。

5　仿真实验

5.1实验背景

空中进攻作战指挥信息系统主要依托天基信息系统和空中信息系统，综合编组各类情报、指控、保障和打击系统力量节点，基于系统形成空中作战体系，对敌防区内的关键地面目标实施空袭打击。基本的空中进攻作战案例设想划分为25类系统节点资源,如表1所示。12个子任务,如表2、图3所示。包含6类指控节点［10-12］。

图2　节点编组算法流程图

表1　系统力量节点配置

5.2资源分配结果

设定计算时长为332，利用图1的算法分别计算在任务时限下的任务支撑度和无任务时限约束下的任务节点分配情况和任务支撑度，如图4所示。

仿真结果表明，任务时限约束下，各任务的满足度为［1，0.5，1，0.8，0.625，0.4，0.8，0.8，0.6，0.5，1，0.833］，总的任务满足度为0.738 2，总的任务支撑度为0.915 4，用时为228；从任务需求最大化出发，任务满足度为1，总的任务支撑度为0.993 3，用时为332。可见利用任务时限控制各任务的开始条件，让满足基本条件的任务在规定时间内执行，放弃竞争激烈的关键资源，避免漫长的等待资源排队分配时间，能够提高总任务的敏捷性。

5.3优化编组

输入节点分配结果，设Bin=6，Bon=5，wn≤9［6］。通过图2的算法流程计算优化编组得下页表3，结果符合一般作战经验。图5是与编制编组的系统负载进行对比，优化编组的总工作负载明显较低，且相对均衡。

表2　任务配置

图3　任务流程图

图4　任务支撑度对比

图5　指挥节点工作总负载对比

表3　系统力量编组

6　结束语

本文针对NCIS力量编组问题，在任务时限约束下建立了NCIS力量编组任务支撑度最大化和系统协作总量最小化的多目标规划模型。设计了两步求解算法，给出了算法流程。利用典型案例进行了仿真实验，实验结果表明，该模型能够在任务完成时限约束下最大地提高任务支撑度，减小编组之间的工作负载。模型中做了大量简化处理，没有考虑公共系统服务节点，算法的复杂度较高，需进一步改进。

［1］任连生.基于信息系统的体系作战能力概论［M］.北京：军事科学出版社，2009.

［2］曹雷.指挥信息系统［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［3］何宇，苏辉，聂炜玮.指挥信息系统的组织运用［J］.指挥信息系统与技术，2011，2（6）：39-41.

［4］汪敏，施荣荣，陈荣.面向多样化任务的指挥信息系统松耦合功能集成模型［J］.指挥信息系统与技术，2013，4（5）: 12-17.

［5］牟亮.不确定使命环境下C2组织结构动态适应性优化方法研究［D］.长沙：国防科技大学，2011.

［6］阳东升，张维明等.指挥组织设计方法［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［7］张杰勇，姚佩阳，李凡.完成时间限制下的任务-平台关系设计模型及算法［J］.系统工程与电子技术，2012，34（8）：1521-1529.

［8］阳东升，张维明，刘忠.C2组织资源集成策略与方法［J］.系统工程理论与实践，2011，31（12）：2400-2409.

［9］杜伟，刘振亚，修保新，等.跨任务条件下的指控网络建模方法及效能测度［J］.火力与指挥控制，2013，38（11）：44-49.

［10］余加振.基于OOR框架的作战任务分析方法研究［D］.长沙：国防科技大学，2010.

［11］刘奇志，宋宁.空中进攻作战航空兵兵力需求分析模型［J］.系统工程理论与实践，2008，28（10）：138-143.

［12］王健，李为民.航空兵空中进攻作战兵力使用方案的优化［J］.火力与指挥控制，2007，32（11）：46-48.

Study of NCIS Force Grouping Based on Task Time Constraint

ZHAO Jun-wei，LI Jian-hua
（School ofInformation and Navigation Air Force Engineering University，Xi'an 710071，China）

Networked Command Information System（NCIS）force grouping has a directly influence on the generation and exertion of system operational efficiency，and reasonable system force grouping is the intrinsic requirement of system operation.Force grouping multi-object programming model under mission time constraint is designed with the maximum task supporting degree and the minimum systemic load using the method of designing of command and control organization，and gives a two-step solution algorithm according to the hierarchy of model.Simulation results show that the model can optimize the architecture of force grouping，and advance the task-support ability in the simulation of a representative battle case.

task time constraint，command information system，force grouping

TP391.9；E96

A

1002-0640（2015）08-117-05

2014-06-05

2014-08-07

全军军事学研究生基金资助项目（2010JY0813-022）

赵军伟（1986-），男，陕西咸阳人，硕士研究生。研究方向：信息系统规划与建设。