多模式融合的武器目标分配系统模型设计

摘 要：      目标分配是指挥控制流程中的核心环节， 分配模式的优化对于提升防空反导作战能力具有重要意义。 为提高防空反导目标分配的鲁棒性、  适用性以及博弈对抗性等作战性能， 以应对当前复杂多变的战场环境， 本文提出建立多模式融合的目标分配体系结构， 对商用订单式的服务模式进行适应性改进， 将“派单” “抢单” “抢派单融合”三种模型改进定义为军事模型； 通过使用美国国防部体系结构框架（Department of Defense Architecture Framework， DoDAF）建立“他分配” “自分配” “他分配与自分配结合”的新型目标分配体系结构； 引入Perti网模型， 构建并分析Petri网模型的可达图， 通过仿真实验平台， 构建复杂作战场景， 验证了分配策略机制的可行性。 结果表明三种策略各具优势， 本文设计的多策略结合在匹配时间、  成功率以及效用值方面相较传统的单一策略具有较大优势。

关键词：     目标分配; 美国国防部体系架构框架; Petri网; 他分配; 自分配; 指挥控制; 模型设计

中图分类号：       TJ760

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）01-0045-13

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0086

0 引  言

随着网络中心战、  马赛克战、  多域战等新型作战概念的提出， 以及高性能无人机、  攻击机、  弹道导弹等空地武器和远距离探测雷达、  高精度雷达、  天基卫星等预警探测装备的不断发展［1］， 美军完成打击链闭环时间从海湾战争中的80～101 min已缩短为如今的20 s， 这对防空杀伤网的构建和发展提出了严峻挑战［2］。

传统的任务规划耗时长， 是加速杀伤过程需要重点补齐的短板， 尤其是面对以秒级进行任务规划的空袭打击， 有效合理地进行武器-目标分配， 能够有效缩短任务规划时间。 在防空反导作战中， 武器-目标分配是指挥控制系统根据目标的运动参数、  数量和地空导弹火力单元数量、  性能、  弹药资源等， 将目标高效分配给不同火力单元拦截， 自动完成目标和火力单元的配对过程。 因此武器-目标分配作为防空任务规划的核心环节， 应作为重点问题开展研究［3］。

自Manne于1957年提出武器-目标分配（Weapon- Target Assignment， WTA）问题以来， 国内外对于WTA的研究较为丰富， 如在李梦杰等梳理的国内外目标分配模型和算法中， 对国内外目标分配模型、  算法及应用进行了详细梳理分析［4］， 但是大部分模型和算法偏向“数学化”研究， 缺少分配模式的系统化构建， 模型和算法无法针对作战场景发挥作用。 张维明等针对不确定性突出的现代战争， 提出边缘指挥控制新范式及其新型特征［5］；  赵国宏提出了构建作战管理系统的需求与构想， 指出其主要功能由服务层、  网络层、  用户端共同实现， 论述了发展作战管理系统的关键技术［1］。 以上文献主要从理论层面分析任务规划模式的特点、  技术需求等， 但未建立具体模型， 因此构建新型目标分配模式具有较大的现实意义。 而正在发展演进的依托军事物联网构建的作战管理模式， 是实现全域作战指挥控制的技术方法， 其核心仍是作战任务规划。 在国外的研究中， 如美军在领域专用的小概念作战管理系统： 反导作战管理指挥控制通信系统（Battle Management， Command， Control and Communications， BMC3）， 用于在“杀伤网”中选择合适的作战资源， 构成闭合杀伤链； 在俄乌冲突中呈现的订单式打击仍然依靠的是新型指挥控制系统，  乌克兰开发的“电子敌人（e—Enemy）”情报众筹应用程序， 为乌克兰军方提供了一种自下而上的订单打击模式， 乌克兰民众可通过该平台提交俄军信息（下单）， 乌军通过平台接受订单之后进行打击（服务）， 随后进行作战情况的反馈（结算）； 乌克兰炮兵作战管理系统GIS Arta（GIS Art for Artillery）类似“优步（Uber）”， 其早期被称为“目标分配网络”， 采用服务器-微型计算机-终端架构， 和优步等打车软件的订单式技术类似， 原理是通过识别并跟踪定位俄军目标， 选择射程内合适的火炮、  导弹等打击力量摧毁作战目标［6］。 新型的作战管理系统在实战中表现不俗， 已然成为作战的核心枢纽， 尤其是军用订单式的打击模式， 可以为构建多种分配模式的目标分配系统架构提供思路。

针对国内外研究现状， 分析未来战争高对抗性、  高不确定性和高复杂性的特点， 研究适应性高的目标分配方法具有较大的研究需求， 主要表现在以下几个方面：

（1） 现有指挥控制系统在目标分配环节缺少上下级的交互反馈， 导致分配结果不符合下级作战单元的实际作战情况， 影响最终的作战效能。

（2） 现有目标分配模式固化单一， 不同的场景输入产生同样的结果输出， 显然不符合非线性作战特点， 确定性的分配方法在不确定性突出的现代作战中将会导致模型失配甚至崩溃的发生。 需要研究设计能够针对不同场景、  不同目标适应性地选择不同分配模式的目标分配方法， 以提高针对性和适应性。

（3） 虽然国外的作战管理系统已有类似研究， 但其分配机制仍然单一， 无法适应多种作战场景。 针对空袭方进行逆梯度非线性攻击的作战特点， 构建混合多样的分配策略非常关键。

针对上述研究需求及目前存在的问题， 本文从概念逻辑出发， 分析商用订单匹配的内涵机理， 将商用订单式的服务模式机制（抢单、  派单、  抢派单结合）引入到武器-目标分配问题中， 构建适应复杂性、  不确定性突出的作战场景的“他分配” “自分配” “他分配与自分配结合”的新型目标分配模式［7］； 通过使用美国国防部体系结构框架（Department of Defence Architecture Framework， DoDAF）建模方法， 设计建模步骤， 构建多模式融合的目标分配系统架构， 为模型和算法运行求解提供系统支撑［8］； 最后使用Petri网模型建立相应的可达图并进行分析， 验证构建模型的合理性和正确性。

1 机理分析

指挥与控制的定义为“指挥员及指挥机关对部队作战或其他行动进行掌握和制约的活动”。 在防空反导作战过程中， 指挥与控制的核心任务是进行目标分配， 商用订单式的任务分配模式也是一种“指挥控制”形式。 其借助互联网技术的提高而迅速发展， O2O商业模式充分利用互联网跨地域、  无边界、  信息融合等优势， 使订单式服务快捷方便。 商用订单式服务模式， 能够为军用订单式目标分配模式提供方法思路， 军事物联网技术的发展， 为军用订单式目标分配模式提供了技术支撑［9］。

商用订单式任务分配工作机理［10］与防空反导目标分配模式相类似， 在构建本系统架构之前， 首先对打车订单模式的“任务”“工人” “请求者”“平台”进行迁移转化， 使之适用于军用订单模式。 以网约车（如滴滴打车、  Uber）为例， 其任务分配包括： （1）任务（Tasks）， 具有时空约束的任务（如乘客发出的具有位置和期限要求的订单请求）被提交给平台， 为了完成任务， 工人（司机）必须移动到任务要求的位置。 （2）请求者（request）， 向平台提交任务需求， 在打车软件中的请求者则为乘客。 （3）工人（Workers）， 工人（司机）向平台提交时空信息， 根据具体的应用程序， 司机被分配具体订单（派单）， 也可以自己选择订单（抢单）。 （4）平台（Platform）， 平台是将乘客订单与司机联系起来的桥梁， 其核心是根据算法将乘客订单分配给合适的司机、  汇总司机订单执行结果， 为司机设置奖励机制等［11］。 在目标分配模式中， 对这四部分进行定义： （1）“任务”， 表现为拦截空袭目标， 保护我方重要资源及重要地域的安全， 或者配合空中力量拦截敌方空中目标以达成作战目的。 （2）“请求者”， 预警探测装备侦察获取空袭目标信息之后， 上传至指挥控制中心的目标分配模块。 将预警探测装备作为任务的“拟请求者”， 真正的请求者则为“空袭目标”， 但是“空袭目标”具备非合作的性质， 因此将预警探测装备作为此系统架构的“请求者”便于分析和理解， 但是不能忽视真正的“请求者”和任务整体具备非一致性的必然属性。 （3）“工人”， 表现为火力单元或具备拦截能力的武器系统。 其向“平台”上传时空信息， 反馈本级武器装备、  作战环境及人员情况， 接受“平台”派单， 或者根据自身情况参与“抢单”。 （4）“平台”， 不同于传统的指挥控制信息系统， 本平台基于军事资源物联网， 构建平台模式的指挥控制平台， 其以模型和算法为核心， 内含作战原则及准则， 将目标和武器进行适应性匹配， 并对作战结果进行评估分析。

虽然打车订单匹配问题和武器目标分配问题具有诸多共同特征， 最为突出的是两者“任务”的不确定性都尤为突出［12］， 前者中乘客发出订单请求的时间和空间均具备较强的不确定性， 后者中空袭兵器的来袭方向、  来袭时间和来袭目标类型、  袭击目标等因素均未知， 在分配过程中需要处理各种时空冲突。 但是两者的差异仍然存在且明显， 一是网约车订单模式中“乘客”发出订单后的一段时间内， 位置不会有较大变动， 而武器-目标分配问题中， 目标位置不断发生变化， 具备高实时性特点， 在分配过程中会造成时空冲突， 给任务分配造成困难， 对分配模式的敏捷性和实时性提出更高的要求； 二是网约车订单匹配模式中的各个主体是为完成任务达成一致性的合作者， 而武器目标分配模式中， 来袭目标会通过各种技战术手段摆脱防守者的侦获， “请求者”和“工人”是未达成一致性的非合作者， 因此将预警探测装备作为“拟请求者”， 但是探测跟踪能力需不断提高， 才能削弱“非一致性”特点； 三是在网约车订单模式中， 司机的位置信息不断变化， 匹配的实时性和全局的资源调配能力需要达到一定要求［13］， 而在作战目标分配模式中， 火力单元的位置信息在有限时间内不会发生变化， 但是其弹药资源有限， 在分配过程中应考虑弹药资源的消耗。

打车订单系统中针对大区域内的各种客户需求， 为客户提供适应性的乘车服务， 其针对大区域场景的适应性和针对性值得借鉴， 因此本文构建区域大场景联合防空作战的问题背景， 在场景构建中来袭目标复杂多样： （1）威胁度低但是数量极大， 占用指挥控制及探测资源的无人机蜂群； （2）一定数量的巡航导弹以及高性能战斗机； （3）起到体系核心作用的预警机以及电子侦察机。 同时设置多种功能防空武器以及传感器： （1）地面近程、  中近程、  中程和远程防空导弹； （2）空中各型拦截武器； （3）天基预警平台、  空中预警平台、  地面预警雷达。 敌方从多方向来袭， 各个防空武器系统在关键保卫目标部署。

指挥与控制可以分为三种模式， 分别为任务式（他组织）、  事件式（自组织）和自组织与他组织相结合的指挥控制模式［14］， 本文首先将抢单、  派单和抢派单融合的匹配思路引入到指挥控制模式之中， 随后将三者指挥控制模式有机融合。