編隊協同作戰中任務搶占沖突的檢測與避免*

田宇光 王洪勝 馬 良

（海軍大連艦艇學院艦船指揮系 大連 116018）

1 引言

艦艇編隊在作戰訓練過程中，常常會出現各種沖突問題。這些沖突問題輕則影響艦艇編隊作戰效能的發揮，重則可能產生誤擊誤傷，甚至更加嚴重的后果。正如英阿馬島海戰中的謝菲爾德號，就是因為雷達系統和衛星通信同時使用存在沖突，為了保證通話質量而關閉了雷達，最終沒有及時發現來襲的飛魚導彈而被擊沉。編隊協同作戰中沖突問題復雜多樣。其中有一類這樣的沖突問題，即作戰平臺在執行兩個或兩個以上任務時，這些任務行動在時間上有重疊或者時間上不重疊但是空間上不能及時到達指定位置，我們將此類沖突稱為任務搶占沖突。文章針對任務搶占沖突問題，建立檢測模型，提出相應算法和沖突避免方法，從而為艦艇編隊協同作戰訓練解決此類沖突問題提供參考，最終實現艦艇編隊作戰效能的聚優釋放。

2 編隊協同作戰任務搶占沖突問題描述

編隊協同作戰就是以作戰任務（Mission task）為中心，把廣域分布、動態部署的作戰系統實時聯動、集成，產生高效的整體作戰能力。編隊協同作戰需要完成一系列的任務，這些任務是由編隊中作戰單元來完成［1］。這些作戰單元包括各兵力兵器以及用于作戰的各種軟件和人，它們是任務執行的主體。我們把這些能夠完成作戰任務的主體稱為實體。實體通常是指具有軍事意義的對象，如人、組織、裝備、環境和信息。實體的行動是實體為了完成任務而進行的有組織的活動，例如艦艇機動、火力打擊等。實體通過一系列有組織的行動實現各種任務。資源是實體為完成作戰任務而進行行動的必須的保障。這里的資源是廣義上的資源，是行動執行以及最終實現任務所需的時間、空間、裝備、人員等。約束是指約束關系，是完成任務的必須滿足的條件和相關制約［2］。

協同作戰中各作戰單元需要通過時間上的協調一致、行動上的緊密配合，從而完成總體作戰任務。但是由于不同作戰單元所執行的多個行動序列間通常具有并發性、作戰行動過程中資源的有限性以及任務實體自身狀態的局限性，使得作戰過程需要滿足多種約束。正是由于資源的有限性，使作戰行動因“爭奪”有限的資源，不能夠滿足約束才產生沖突。例如，某一作戰單元在執行A 行動時，不能同時執行B 行動，如果賦予此作戰單元同時執行A、B兩個任務時，則產生沖突。我們將這種沖突稱為任務搶占沖突。針對任務搶占沖突，構建編隊協同作戰任務搶占沖突問題用四元組進行描述：

SEQ=（SE，TA，TR，TC）

其中：

1）SEQ（single-entity state），表示單實體任務搶占問題；

2）SE（single entity），任務實體，表示執行多個作戰任務的某一單個實體。

3）TA（task activity），任務行動，表示實體任務行動集合，TA={TA1'TA2'…'TAn} ；

4）TR（task resourse），任務資源，表示資源集合，這里指時間和空間；

5）TC（task constraint），任務約束，表示約束關系，這里僅有時間約束。

因此運用實體、行動、資源和約束這四個元素就能夠準確地反映出沖突的本質。實體、行動、資源、約束的關系如圖1所示。

圖1 實體、行動、資源、約束的關系

因此將沖突問題簡化為時間和空間兩大資源的約束問題［3～4］。即，某一作戰平臺（單實體）需要執行兩項任務，這兩項任務之間是否存在沖突，首先要判定兩項任務在時間上有沒有重疊，還要判定作戰平臺執行完前序任務后，能否在下一任務預定的開始時刻前轉移（機動）到預定位置（陣位）并完成執行后續任務的相關準備。由此可見，編隊協同作戰中的任務搶占沖突的檢測就是對實體空間在時間上的狀態轉移進行檢測，如果實體空間狀態轉移滿足時間約束關系［5］，說明兩個任務之間不存在沖突；如果不滿足，則說明存在任務搶占沖突。通過對作戰任務時間進行合理調整安排，從而避免任務搶占沖突的發生［6］。

3 任務搶占沖突檢測模型及算法

為了說明問題方便，以編隊協同作戰中的一個作戰單元（單實體）為對象，研究任務搶占沖突問題。

3.1 單實體任務搶占沖突時間約束模型

圖2 時間的約束關系

可見，當兩個任務行動時間約束關系是finishes、during、overlap、equal、starts 時，即可判定沖突存在；當兩個任務行動的時間約束關系是before 和meets 時，需進一步計算空間約束關系判斷沖突是否存在。

3.2 單實體任務搶占沖突空間約束模型

假設單實體的兩個鄰接任務行動為i、j，則兩個任務行動計劃時間間隔T|j-i|。這個時間在制定完作戰計劃時已經確定。在實際作戰過程中，空間轉移時間按下式進行計算。

式中：

1）(xi'yi)、(xj'yi)分別表示實體進行狀態轉移的兩個任務行動點地理位置；

2）Rf為實體作戰系統的有效作戰半徑；

3）Ve表示實體的機動能力。

由此可得到單實體空間約束判斷規則如下：

規則一：如果T|j-i|≥Tij，則計劃時間內實體來得及進行狀態轉移（空間轉換），沖突不存在。

規則二：如果T|j-i|＜Tij，則計劃時間內實體來不及進行狀態轉移（空間轉換），沖突存在。

3.3 單實體任務搶占沖突檢測算法

假設單實體任務搶占沖突檢測域為SeD，顯然SeD=TA。單實體任務搶占沖突檢測算法設計如下。

4 基于規則的任務搶占沖突避免

為了避免產生單實體任務搶占沖突，在制定協同計劃時，必須進行任務計劃時間的一致性調整［10］。任務計劃時間一致性調整就是使單實體任務行動串行時間約束不單要滿足串行約束時間網絡的加法運算，還要同時考慮狀態轉移時間［11］。

4.1 任務時間一致性調整方法

1）問題描述

對于執行任務的單實體，從行動節點i出發到節點j需要通過串行路徑P：i→j可以表示為i=i0→i1→…→im=j（其中：i=i0，im=j，{}i1'i2'…'im-1

為中間時間節點）。如果判斷在行動節點ik和ik+1（k=0'1'…'m-1）之間存在狀態轉移沖突，說明該串行路徑存在時間約束不一致性問題，需要通過調整路徑一致性來避免沖突［12］。

2）初步調整步驟

（1）按照時間窗標準，將ik和ik+1之間的時間約束關系調整為before或者meets關系；

（2）判斷是否滿足狀態轉移時間限制，如果滿足就停止調整，如果不滿足則轉到第三步；

（3）將時間約束關系調整為before，并且ik和ik+1之間的時間差最少為實體狀態轉移時間Tst。

調整后和調整前的單實體串行時間約束網絡圖［7］，如圖3。

圖3 單實體串行時間約束網絡圖

經過調整后必然存在v2＞v1，會導致整個任務計劃時間增加，有可能產生整個任務時間需求限制，從而產生新的沖突，因此需要進一步進行調整，調整需滿足兩個條件要求：（1）進行一致性調整，消解狀態轉移沖突；（2）滿足整體計劃時間要求。

3）調整規則

在實際操作時，可采用下列兩種規則手段進行調整，調整后的時間約束網絡仍然會滿足一致性，而且整體任務時間不會增加。

（1）沖突去除規則：主要針對某任務行動只有一個實體具備完成該任務行動的能力，此時同一致性算法中的剔除不一致性時間區間一樣，為了保證整個任務行動的可執行性，將存在沖突的節點從網絡中去除。去除后的約束網絡圖如圖3。

（2）沖突代理規則：當編隊作戰系統中存在與沖突實體具有相同任務執行能力的另一個實體時，把此實體稱為存在沖突實體的代理實體。在沖突節點處用代理實體的行動來替代沖突實體的行動，串行時間約束網絡就轉化成并行時間約束網絡，當然在沖突代理行為中，要注意避免兩個實體的互沖突情況。沖突代理后的約束網絡圖如圖4。

圖4 時間約束沖突調整規則圖

4.2 調整算法

單實體任務行動集合TA={TA1'TA2'…'TAn}，算法設計如下［13］。

5 結語

針對單個作戰平臺多任務行動的沖突問題，通過判斷任務時間、空間的約束滿足確定任務行動之間是否存在沖突，通過基于任務去除和任務代理思想，對任務時間進行一致性調整達到避免沖突的目的。為了說明問題方便，本文只針對單實體任務搶占沖突進行了研究，在任務資源和約束方面只考慮了時間和空間兩種資源及約束關系。實際作戰過程中可能涉及多個作戰平臺和其他約束滿足情況，在后續的論文中進一步深入分析探討。