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基于任务合成的无人机指挥规划问题研究闫明松等2 0 1 5 年1 2 月第4 6 卷第4 期( 总第1 6 2 期) 基于任务合成的无人机指挥规划问题研究 闰明松1 ，庞海龙2 王文豪2胡盛华2 ( 1 海军驻上海地区航空军事代表室，上海2 0 0 2 3 3 ；2 中国航空无线电电子研究所，上海2 0 0 2 4 1 ) 摘要首先根据工作流任务分配模型设计了任务模型和参与者模型，然后基于任务合成技术，设计了无人 机指挥规划系统架构和无人机指挥规划算法，最后进行了无人机指挥规划算法的仿真验证，仿真结果证明了算 法的有效性。 关键词指挥规划；无人机；任务效能；任务分配 中图分类号 V 2 7 9 【文献标识码 A D O I 编码】1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 6 - 1 4 I X 2 0 1 5 0 4 0 7 文章编号 l O O & 1 4 1 X ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 3 3 0 5 R e s e a r c ho nU A VC o m m a n da n dC o n t r o lA l g o r i t h m Y A N M i n g s o n g1 ，P A N GH a i 1 0 n 9 2 ，W A N GW e n h a 0 2 ，H US h e n g h u a 2 ( 1 A e r o n a u t i c a lM i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eB u r e a uR e s i d e n ti nS h a n g h a iR e g i o nf o rT h eN a v a lF o r c e ，S h a n g h a i2 0 0 2 3 3 ， C h i n a ；2 C h i n aN a t i o n a lA e r o n a u t i c a lR a d i oE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S h a n g h a i2 0 0 2 41 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r ，t a s km o d e la n da c t o rm o d e la r ed e s i g n e db yt a s kd i s t r i b u t i o nm o d e lo fw o r k f l o wt e c h n i q u e T h e n ，U A Vc o m m a n da n dc o n t r o la r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h ma r ed e r i v e db yu s i n gt a s ks y n t h e s i st e c h n i q u e F i n a l l y ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h m sa r es i m u l a t e d T h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h a tt h es c h e m eo fc o m m a n da n dc o n t r o la l g o r i t h mo f U A Vi Se f f e c t i v e K e yw o r d s ：c o m m a n da n dc o n t r o l ；U A V ；t a s ke f f e c t i v e n e s s ；t a s ka s s i g n m e n t 0引言 无人机系统正日益发挥重要作用，并逐渐形 成多功能的任务平台，能够完成区域巡逻、目标 情报侦察监视、目标指示、毁伤评估、通信中继 等多种任务。随着无人机作战任务和作战样式的 多样化，无人机的指挥规划问题也成为亟待解决 的问题。 现代指挥规划自运筹学诞生以来己逐渐形成 一门科学，其主要的理论包括规划论、矩阵对 策、微分对策、搜索论和微分动态规划等。在有 人机、防空系统等领域的指挥规划研究成果较 多，但每类指挥规划系统都是针对特定作战任务 而设计，如防空导弹系统、舰艇指挥系统，从而 使其无法向其他作战指挥系统拓展，同时还因为 针对无人机作战指挥规划的研究成果较少，因此 需要根据无人机的平台和载荷特点对其指挥规划 问题提出针对性的解决方案。 任务合成技术是为飞行员或作战指挥人员提 升任务成功率、减轻任务负担提出的一项新技 术，可以协助作战人员在瞬息万变的战场实现信 息的快速解读、任务计划的快速生成、作战计划 万方数据 D e c e m b e r2 015V 0 1 4 6N o 4 ( s e r i a lN o 16 2 )航空电子技术A V I O N I C ST E C H N O L O G Y 的有效管理。任务合成技术以典型作战想定为出 发并作为输入，分析整个作战流程、信息、行 为、元素等，得出系统的能力需求、功能需求和 系统任务架构，生成任务定势库、任务集、任务 事件响应集等多种数据库支持系统任务级的决 策；以任务态势感知合成、任务计划决策合成、 任务执行管理合成等作为任务系统的架构并支撑 任务系统组织运行。典型任务合成研究过程如图1 所示。 任务态势基知任务计划评估决策任务执行蕾理 合成合成合成 魍触髓- + - + I - + 1 I - - - 毫篙务 任务合成删- + ；露嚣麓_ + 偌奏薰黢f _ + 蠡；毒羹箱- g 黼 任务成计劁- + ! i 蛋薯黼_ + 器簇簇_ + 篮譬量鞘_ + i ：5 l 一搿 图1 任务合成运行示意图 本文通过研究基于任务效能的指挥控制和基 于作战目标的指挥控制问题，结合工作流任务分 配思想，提出了基于任务合成技术的无人机指挥 规划系统方案。 1 指挥规划问题算法设计 1 1问题描述 基于工作流任务分配技术和任务合成技术提 出一种基于任务模型和参与者模型的无人机指挥 规划算法。 无人机指挥规划问题可以进一步描述为：定 义每个任务的属性和约束条件，将每架无人机作 为一个参与者，定义参与者的能力、技能集合， 基于多种任务分配原则，将作战任务分配给合适 的无人机，最终基于任务合成组织运行架构，构 建无人机指挥控制系统。 1 2任务架构元素定义 1 2 1任务定义 将每个作战任务形式化定义为一个多元数组 r ： 产 任务编号( I D ) ，任务重要程度，平台能 力需求，任务类别，任务区，目标属性，所需情 报产品和质量，任务需持续时间，任务要求开始 3 4 时间，任务截止时间 ； 其中，各元素的含义如下： 1 ) 任务重要程度：由指挥中心对每个任务给 出重要程度系数； 2 ) 平台能力需求：由指挥中心给出任务所需 的平台能力，平台能力以无人机平台定型后的标 准功能、性能目录为依据； 3 ) 任务类别：为了简化设计，任务类别分为 广域侦察巡逻、目标情报侦察监视、军事目标情 报侦察； 4 ) 目标属性：包括目标威胁等级、目标大小 ( 大中型舰船、小型舰船) 、空中海面地面、目 标速度、目标位置等； 5 ) 任务区：划定的任务区域； 6 ) 情报类型：包括战场态势情报、目标情 报、目标指示信息、图像情报，其中目标情报包 括目标动向和属性信息两种，图像情报质量采用 N I 取S 标准。 1 2 2参与者定义 将每架可执行任务的无人机称为一个参与 者。记为彳，定义彳为一个多元数组： 彳= 无人机编号( I D ) ，平台角色，情报产品 和质量，待执行任务集合厶和任务执行状态，已 执行任务集合和完成情况，航程，航速，航时， 飞行高度，攻击能力，部署机场，位置，燃油1 ： 1 ) 平台角色：利用无人机的能力目录进行无 人机的任务分配是一种有效的方法，但是随着无 人机能力的提升，平台的能力目录常常具有上百 条甚至上千条，因此直接应用能力目录进行任务 分配将非常困难。根据平台、载荷能力和使用方 式的不同，每型无人机会形成不同的角色定位， 如“火力侦察”、“全球鹰”、“捕食者”等， 能够对无人机能力和使用进行直观简洁的描述， 因此建立无人机的身份角色标识、对无人机的能 力实现形式化的描述，有助于指挥规划层的管 理。在定义无人机角色时，本文主要考虑航程、 航速、续航时间、飞行高度、情报产品和质量等 几个要素： 2 ) 任务集合以：无人机可能在一个架次的飞 万方数据 基于任务合成的无人机指挥规划问题研究闰明松等2 0 1 5 年1 2 月第4 6 卷第4 期( 总第1 6 2 期) 行中执行多个任务。任务集合按照时间和紧急程 度排序，优先级高的任务优先执行； 3 ) 任务执行状态：考虑到无人机可能同时执 行多个任务，例如同时执行目标指示和海上态势 监视任务，因此需要定义集合以中各任务的执行 状态以监控当前无人机的工作负载，其中任务执 行状态包括已完成正在进行中断等。各无人机的 任务执行状态会形成评估数据库。 无人机的任务执行受到多方面的约束，包括 可用机场、空管、大气环境、海洋环境、电磁环 境，这些信息需要庞大的数据库支持和关键数 据，如空管信息的及时更新。 1 3无人机指挥规划算法 无人机指挥规划的主要思想是结合任务流技 术对任务和参与者模型进行定义，在满足时间、 环境、空间方位等任务约束条件下，从包含所有 参与者的集合中经过一系列既定的策略逐次筛选 出最优的一架或多架无人机，以保证任务的完成 时限和完成质量，使任务的一项或多项指标达到 最优。 基于任务合成的无人机指挥规划原理如图2 所 不。 根据算法的主要思想， 策略，分为以下四个步骤： 图2 基于任务合成的无人机指挥规划运行原理图 层次筛选出最佳分配候选参与者集合中筛选出具有执行新任务的能力 1 ) 首先进行角色匹配，只有符合任务角色要 求的无人机才能作为任务的候选者。 考虑无人机“角色”可以一定程度克服任务 变化导致的需求不确定，因为无人机可以执行各 种任务而平台的能力是相对静态的。一种平台可 以拥有多个角色，任务分配过程中只需要将任务 分配给平台角色而不是无人机，这就使得分配方 案更加灵活。 根据待分配任务以。的能力需求，可以从总的 的无人机集合A ，其目的是快速从总的无人机集 合中筛选出能够执行最新作战任务的无人机。A 是一个相对静止的集合，在任务角色需求不变的 情况下，A 应该不变； 2 ) 进行空间匹配，某项任务可能需要多架不 同型的无人机共同完成。因为任务的执行时间和 状态在本质上是不可预测的，任务需求也在经常 变更，因此空域中可供使用的无人机数量也在动 态变化。例如，可能存在从前期侦察任务解脱出 来并能够完成当前任务的无人机，此时应该选择 万方数据 D e c e m b e r 2 0 1 5V 0 1 4 6 N o 4 ( s e r i a lN o 1 6 2 ) 航空电子技术A V I O N I C ST E C H N O L O G Y 最近空域且满足任务要求的无人机； 这一步需要从无人机的角色集合A 中，筛选 出在空域上最适合执行当前任务的无人机。为了 实现空域的快速解算，宜于把空域内的无人机分 为4 组： a ) 自由的无人机彳，处于巡逻空域或一些从 不可能完成或不适宜完成的早先分配任务中解脱 出来的无人机： b ) 已经接到任务的无人机A 、，它们正在飞向 目标或目标区域； c ) 位于部队不同机场的无人机4 ，包括做好 一级准备各种型号无人机； d ) 更有效型号的无人机彳 ，它们处于规定支 援的一级准备状态。 因此，进行空域匹配时，可以按照第a d 组的 顺序对参与者进行空域匹配。 3 ) 进行任务时间、情报产品质量匹配。无人 机任务的执行需要受到多方面的约束。将任务时 间和情报产品质量作为考虑因素。从步骤二中获