龍紅軍 劉佳銘

（1.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）（2.海裝駐上海地區(qū)第一代表室 上海 201913）

1 引言

信息化背景下的海上作戰(zhàn)，作戰(zhàn)任務(wù)種類繁多且復(fù)雜多變，實時戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，作戰(zhàn)資源對象數(shù)量龐大且能力多樣，針對實際作戰(zhàn)所需的資源種類也急劇增加，如何合理、有效地分配有限的作戰(zhàn)資源以達(dá)到效能最大的目標(biāo)是保證作戰(zhàn)任務(wù)成功完成的關(guān)鍵。優(yōu)化作戰(zhàn)資源能夠提高任務(wù)完成效率。國外關(guān)于作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法的研究取得了豐碩的成果，包括作戰(zhàn)資源計劃系統(tǒng)和任務(wù)管理系統(tǒng)的研發(fā)，其中聯(lián)合作戰(zhàn)計劃與執(zhí)行系統(tǒng)（JOPES）［1］是美國關(guān)于作戰(zhàn)資源規(guī)劃的重要研制成果。國內(nèi)對作戰(zhàn)資源規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，許多理論和方法已用于海上作戰(zhàn)中，并取得了豐富的研究成果。本文針對海上作戰(zhàn)資源規(guī)劃問題，梳理了多種有效的資源分配方法，并探討了實際應(yīng)用情況。

2 海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源內(nèi)容分析

海戰(zhàn)場是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)場所之一，對我國國防事業(yè)意義重大，海軍各兵種及其力量組成通過科學(xué)合理的配置編組，形成的作戰(zhàn)力量體系具有功能互補且兵力之間有機協(xié)同的特點。隨著網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展，針對特定的作戰(zhàn)目的，以不同的任務(wù)需求為依托，海戰(zhàn)場資源規(guī)劃方法優(yōu)化選擇并應(yīng)用相應(yīng)的作戰(zhàn)力量，通過發(fā)揮不同兵種的各自優(yōu)勢和特點，最終實現(xiàn)功能互補，揚長避短，有效協(xié)同，形成綜合優(yōu)勢。根據(jù)海上綜合作戰(zhàn)的要求，整個作戰(zhàn)指揮體系必須能夠在極短的時間和龐大的空間范圍內(nèi)完成一系列具體功能，包括信息獲取、兵力配置、情報處理和武器∕傳感器的指揮控制。在實時作戰(zhàn)過程中，為有效應(yīng)對戰(zhàn)場態(tài)勢的快速變化，必須實現(xiàn)分布式海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源的實時動態(tài)規(guī)劃，以滿足指揮員靈活調(diào)度的需求。

海戰(zhàn)場作戰(zhàn)具有如下特點：

1）戰(zhàn)場涉及的作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)活動種類繁多，作戰(zhàn)要素和對象之間的關(guān)系及信息交互過程復(fù)雜；

2）指揮形式復(fù)雜，協(xié)同與支援關(guān)系多變；

3）海上作戰(zhàn)決策過程異常復(fù)雜；

4）戰(zhàn)場空間巨大，戰(zhàn)場資源種類繁多，其屬性與功能各異，且分布廣泛；

5）信息化背景下的海上作戰(zhàn)具有作戰(zhàn)行動節(jié)奏快、作戰(zhàn)形式多樣的特點，且作戰(zhàn)任務(wù)具有一定的不確定性和突發(fā)性，這些特性使得在海上實際作戰(zhàn)過程中，留給資源規(guī)劃方案動態(tài)生成和實時調(diào)整的時間非常有限。

復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的種種原因?qū)е铝撕?zhàn)場資源規(guī)劃的復(fù)雜性和特殊性。海戰(zhàn)場環(huán)境下資源規(guī)劃的目標(biāo)，是要在現(xiàn)代化海上作戰(zhàn)過程中，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)與需求，針對確定的海戰(zhàn)場資源集合，完成合理的資源分配過程，以多種資源組合構(gòu)建滿足海軍作戰(zhàn)任務(wù)要求的合理資源服務(wù)，提高作戰(zhàn)資源利用率，優(yōu)化海戰(zhàn)場各類資源的管理，協(xié)調(diào)作戰(zhàn)行動，最大程度上減少作戰(zhàn)指揮過程中來自海戰(zhàn)場的不確定因素影響。

海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源可分為物理資源（武器∕傳感器裝備、大型物資設(shè)備等）和信息資源（信息、數(shù)據(jù)、知識等）。面向資源實施的規(guī)劃與管理，根據(jù)功能可將海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源分為武器平臺資源、傳感器感知資源、作戰(zhàn)保障資源和指揮控制資源等（如圖1所示），這些不同的資源具有分布性、移動性、交互性以及約束性的特點，并已逐漸形成有機的整體，呈現(xiàn)出相互制約、相互依存的一體化特點，作戰(zhàn)資源所能夠發(fā)揮的整體效能極大地影響著海戰(zhàn)場作戰(zhàn)效能。

圖1 海戰(zhàn)場資源分類

3 資源規(guī)劃的主要方法

目前針對作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法有許多較深入的研究，其中包括基于決策偏好的Pareto多目標(biāo)作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法［2］、基于遺傳算法的作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法［3］、基于Ripple共識機制的分布式作戰(zhàn)資源規(guī)劃分配方法［4］、基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的資源規(guī)劃方法［5］等。而隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，這些新理論、新方法也與海上作戰(zhàn)實際應(yīng)用相結(jié)合，從不同角度對現(xiàn)有的作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法進(jìn)行改進(jìn)以獲得更優(yōu)的結(jié)果。

1）基于決策偏好的Pareto多目標(biāo)作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法

在解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的時候，通常存在多個優(yōu)化目標(biāo)之間是互相制約、互相矛盾的情況，往往無法同時增加所有目標(biāo)的性能，亦即無法得到使得所有目標(biāo)同時達(dá)到最優(yōu)的解，只能在協(xié)調(diào)的前提下對結(jié)果進(jìn)行折中處理。在理論層面，多目標(biāo)優(yōu)化會得到多個Pareto最優(yōu)解，這里Pareto最優(yōu)解也稱Pareto效率，而整個優(yōu)化問題的最優(yōu)解僅為某個偏好決策前提條件下的滿意解，因此解決該問題時類似于單目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)解不存在。算法運行結(jié)束后，會存在大量分布范圍廣，且重要程度差異不大的非支配解。

針對Pareto解的問題，通過模糊邏輯構(gòu)建模糊推理系統(tǒng)［6］，設(shè)計一種“強度優(yōu)于”關(guān)系，這種關(guān)系能夠替代Pareto支配關(guān)系，從而抽象為決策偏好信息，最終得到的解具有一定程度的指向性。對于決策者而言，決策空間的減小將大大提高決策效率。同時為提高量子粒子群在尋解過程中的多樣性，算法使用混沌變異算子來避免過早收斂，進(jìn)一步提升了局部搜索效率［7］。優(yōu)化后的方法通過分析作戰(zhàn)資源規(guī)劃過程中性能指標(biāo)函數(shù)和主要約束條件，建立了一種面向任務(wù)的作戰(zhàn)資源規(guī)劃模型，該模型基于決策偏好信息進(jìn)行求解，使得解集結(jié)果范圍更聚焦，縮小了目標(biāo)解的搜索空間，提高了作戰(zhàn)指揮的決策效率。

2）基于遺傳算法的作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法

海戰(zhàn)場中作戰(zhàn)資源與其他類型的資源有著很大的差異，作戰(zhàn)行動總是以最大任務(wù)完成度和最小代價為前提進(jìn)行決策。海上作戰(zhàn)資源規(guī)劃的制約條件有許多：（1）同種資源可能需要支持多個不同的作戰(zhàn)任務(wù)，作戰(zhàn)資源具有多任務(wù)特性；（2）一個作戰(zhàn)任務(wù)可能由多個不同的作戰(zhàn)資源共同完成；（3）現(xiàn)有作戰(zhàn)資源和作戰(zhàn)任務(wù)要求之間的匹配問題；（4）各項不同的作戰(zhàn)任務(wù)或活動之間存在著一定的邏輯與時序關(guān)系，并制約著資源分配結(jié)果；（5）不同的任務(wù)具有空間分布性；（6）不同的作戰(zhàn)資源具有不同的使用條件，包括空間和時間等因素。這些問題使得海戰(zhàn)場資源分配變得十分復(fù)雜。針對這些問題，遺傳算法通過計算機仿真的方式，將求解過程轉(zhuǎn)化為生物理論中染色體的基因組合、更新過程，在動態(tài)過程中實現(xiàn)編碼、適應(yīng)度函數(shù)配置、選擇運算、交叉運算、變異運算、懲罰運算等步驟，具有自適應(yīng)、自組織以及自學(xué)習(xí)性等特性。使用基于染色體群的并行搜索，以及帶有猜測性質(zhì)的選擇、交換和突變過程，使得遺傳算法同其它搜索算法區(qū)別開來，同時對搜索空間中的多個解進(jìn)行評估，能夠減少產(chǎn)生局部最優(yōu)解的概率，算法易于實現(xiàn)。

3）基于Ripple共識機制的分布式作戰(zhàn)資源規(guī)劃分配方法

近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)飛速發(fā)展，已在許多不同領(lǐng)域中成功應(yīng)用，其分布式共識機制可以應(yīng)用于資源規(guī)劃問題，能夠同化分布式節(jié)點間的分配問題，確保資源數(shù)據(jù)維持同步狀態(tài)。Ripple［8］共識機制的算法效率高且分區(qū)容錯性強，將其應(yīng)用于海上作戰(zhàn)的作戰(zhàn)資源分配過程中，遵循區(qū)分末端節(jié)點、協(xié)商節(jié)點和審核節(jié)點等三類功能節(jié)點的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源分配架構(gòu)，在戰(zhàn)場環(huán)境下能夠使得各分布式指揮節(jié)點間進(jìn)行分配的作戰(zhàn)資源數(shù)據(jù)具有一致性，同時在一定程度下保證分配效率。在Ripple共識機制下，參與作戰(zhàn)任務(wù)的各指揮節(jié)點達(dá)成作戰(zhàn)資源分配共識。海戰(zhàn)場的作戰(zhàn)資源分配流程主要可包括綜合處理作戰(zhàn)資源的使用申請、對作戰(zhàn)資源分配提案進(jìn)行分析、規(guī)劃作戰(zhàn)資源的使用以消解沖突、對完成的作戰(zhàn)資源分配結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

4）基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的資源規(guī)劃方法

基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的資源規(guī)劃方法首先對總?cè)蝿?wù)集進(jìn)行預(yù)處理，將若干有關(guān)聯(lián)的子任務(wù)通過組合聚合為任務(wù)鏈，使得問題規(guī)模減小，以提高規(guī)劃效率。同時通過每條聚合任務(wù)鏈的時序和屬性特征，可有效消解單個任務(wù)鏈內(nèi)的多種約束，包括依賴關(guān)系與資源占用等。為保證核心重要任務(wù)的優(yōu)先權(quán)，使用多優(yōu)先級動態(tài)規(guī)劃技術(shù)，構(gòu)建平行最優(yōu)集。針對作戰(zhàn)資源的過度冗余問題，引入負(fù)反饋調(diào)整機制，優(yōu)化了作戰(zhàn)資源的規(guī)劃，使得調(diào)度過程更加均衡。

4 基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的作戰(zhàn)資源規(guī)劃方法在海戰(zhàn)場中的應(yīng)用

海戰(zhàn)場作戰(zhàn)樣式多樣，任務(wù)的完成需要海量異構(gòu)作戰(zhàn)資源的共同支撐，海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源不僅數(shù)量龐大，而且約束關(guān)系復(fù)雜，這使得合理高效的資源規(guī)劃成為難點。資源規(guī)劃與利用的有效性深刻影響著我海軍奪取制空、制海權(quán)，保護海上交通線與戰(zhàn)略通道，維護我國海外利益，以及實現(xiàn)我海軍由近海防御向遠(yuǎn)海防衛(wèi)的轉(zhuǎn)型［9～12］。在具體的作戰(zhàn)任務(wù)背景下，對可用資源平臺進(jìn)行科學(xué)配置和部署，做到作戰(zhàn)樣式、任務(wù)和活動與作戰(zhàn)資源之間合理匹配，是提高海上作戰(zhàn)體系效能的關(guān)鍵所在。

基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的資源規(guī)劃方法首先對總?cè)蝿?wù)集進(jìn)行預(yù)處理，將若干有關(guān)聯(lián)的子任務(wù)通過某種方式聚合為任務(wù)鏈，并設(shè)置平行最優(yōu)集和多級反饋規(guī)劃機制，在保證高優(yōu)先級任務(wù)資源優(yōu)先權(quán)的同時又兼顧考慮低優(yōu)先級任務(wù)的基本資源需求，從而有效減小了作戰(zhàn)資源的過度冗余，使得作戰(zhàn)資源的規(guī)劃與調(diào)度更加合理。其規(guī)劃流程如圖2所示。

圖2 基于任務(wù)鏈的多優(yōu)先級動態(tài)列表規(guī)劃流程圖

該算法所提供的最優(yōu)集具有多樣性和代表性，能夠適應(yīng)不同作戰(zhàn)背景及不同任務(wù)情況下的海上作戰(zhàn)需求，從而提高指揮員方案決策的靈活性和全面性。

5 結(jié)語

作戰(zhàn)資源規(guī)劃是現(xiàn)代化海戰(zhàn)場作戰(zhàn)制勝的關(guān)鍵問題之一。目前已存在許多優(yōu)良的資源規(guī)劃算法，同時廣泛應(yīng)用于軍事理論與研究中。針對海上作戰(zhàn)中的任務(wù)資源規(guī)劃問題，基于多優(yōu)先級任務(wù)鏈的資源規(guī)劃方法針對任務(wù)集給出了關(guān)聯(lián)任務(wù)聚合和任務(wù)鏈構(gòu)建方法，弱化了海上作戰(zhàn)任務(wù)之間的依賴關(guān)系并減少了資源重用約束；同時針對作戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)資源的過度富集問題，設(shè)計了并行最優(yōu)集和多級反饋規(guī)劃機制。該方法能夠簡化海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源規(guī)劃的問題規(guī)模并降低了模型求解難度，使得作戰(zhàn)資源的調(diào)度均衡化，可以適應(yīng)不同作戰(zhàn)背景及不同任務(wù)情況下的海上作戰(zhàn)需求，最終提高指揮員方案決策的靈活性和全面性。在未來的戰(zhàn)爭背景下，資源規(guī)劃方法將不斷發(fā)展，并深刻影響著戰(zhàn)爭的走向。