一种基于规则的海空联合作战行动分层任务规划方法与流程

1.本发明属于任务规划技术领域，具体涉及一种基于规则的海空联合作战行动分层任务规划方法。


背景技术：

2.任务规划是一项基于可信的模型和数据，按照标准化作业流程，对作战要素进行全面分析，实现优化配置各类作战资源，整体协调各类兵力兵器的行动计划，可根据战场态势的变化进行实时动态调整，确保以最优或近似最优的方法达成作战目标的作战指挥决策活动，是c4isr系统的一项重要功能，任务规划本质上是以运筹和优化的方法和思想，统筹资源、完成任务。任务规划技术可利用知识/规则库、大数据、云计算、人工智能等新技术进行战场态势智能分析与预测，获取敌情信息、我情信息和战场环境信息，包括部队部署、作战态势、活动规律等信息，对获取的战场数据加以智能分析和数据挖掘，从中挖掘出深层次的信息和特征，为决策提供支撑。
3.随着现代战争形式的多样化以及战场态势的复杂化，需要在平时及战时进行大量的作战推演仿真和攻防对抗，在推演仿真中对战争过程进行分析，进而对指挥决策，作战筹划等方面的军事理论进行研究，从仿真推演数据中提取作战知识，应用于战争，从而达成“从战争中学习战争”的目的。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明要解决的技术问题是：如何设计一种海空联合作战行动分层任务规划方法，对获取的战场数据加以分析和数据挖掘，从中挖掘出深层次的信息和特征，为决策提供支撑。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于规则的海空联合作战行动分层任务规划方法，该方法根据ooda环模型，将面向岛礁攻防想定的海空交战过程分解为高层次的战役级作战过程和低层次的战术级作战过程；
8.其中，所述高层级的战役级作战过程使用周期较长的ooda环来表示，是指在特定的使命任务和作战能力约束下，通过对战场信息进行收集，对战场形势进行判断，从而实现作战任务的规划，作战指令的下达；
9.所述低层级的战术级作战过程使用周期较短的ooda环来表示，是指根据上级下达的指令，在对作战能力和威胁态势进行评估的基础上，通过对局部战场信息进行收集，对局部战场形势进行判断，从而实现基本作战编组或单装基本行动的任务规划和战术决策；低层级的战术级作战过程在高层级的战役级作战过程的ooda环之内运行，每一个低层级的战术级作战过程的ooda环都表示一个子任务，所有子任务的执行结果将改变战场态势从而影响高层级的战役级作战过程，其中判断和决策作为指挥决策活动的内容，采用规则推理的
方式进行。
10.优选地，该方法根据海空作战过程的分层特点，构建基于规则的分层任务规划模型结构描述面向岛礁攻防想定的海空交战过程，该模型结构包括战役任务规划模型和战术任务规划模型两个层次，分别对应高层次的战役级作战过程和低层次的战术级作战过程，且该模型结构提供态势感知接口和指令传输接口分别用于获取战场态势数据和下达任务指令。
11.优选地，该方法中，设计所述战役任务规划层为：反映指挥员在全局态势下，依据作战目的和使命任务进行作战筹划的过程，实现的具体规划流程包括以下阶段：使命任务分解、编队资源分配与力量生成、基于有限状态机的战役层任务规划、编队任务指令生成；
12.设计所述战术任务规划层为：反映作战编队的协同规划，将战术级规划的相关知识和协作方法固化在战术任务规划层的底层规划模型中，在战场态势和上层指令的基础上形成相应的规划结果；实现的具体规划流程包括以下阶段：编队任务指令解析，基于硬编码的战术层任务规划，单装指令生成。
13.优选地，该方法中，将态势感知接口设计为：是分层作战筹划智能体提供战场态势数据而封装的与环境的交互接口，能够从作战仿真环境中提取探测数据、战报数据、战损数据及装备状态数据；将指令传输接口设计为ice指令传输接口，ice指令传输接口是为传输编队任务指令和单装行动指令而封装的交互接口，运用ice协议，支持不同层级间的指令传输和任务规划智能体和仿真推演环境间的指令传输。
14.优选地，该方法中，将所述战役任务规划层的规划流程中的使命任务分解阶段设计为：根据使命任务目标和作战资源将任务分解为区域防空任务、预警侦察任务、海上巡逻任务、拦截打击任务、高价值空中资产防护、撤退防御、返航补给；
15.其中，区域防空任务是指派战机、舰船、地面防空武器这些装备形成火力网对预设重点空域进行防御的战役级任务，目的为阻止敌方进行空中突防；预警侦察任务是指派战机、预警机在指定航线或区域进行侦察探测的任务，目的是为己方提供探测情报和数据；海上巡逻任务是指派护卫舰，潜艇这些装备在指定航线或区域进行战斗巡逻的任务，目的是提供探测能力支持和火力支持，阻止敌方从海上突防；拦截打击任务是指派作战飞机、舰船和地面防空设施对突防的地方装备进行拦截打击的任务；高价值空中资产防护任务是指派战机对预警机这种高价值目标进行防护的任务；撤退防御是指在劣势下，我方单位撤回安全区域进行防御作战的任务；返航补给是指在弹量和油量不足或受损情况下，返回基地维修补给的任务。
16.优选地，该方法中，将所述战役任务规划层的规划流程中的编队资源分配与力量生成阶段设计为：
17.编队资源分配：将作战资源分成不同的组合，用以完成适应性的任务；采用人工编组方式，将想定中的作战资源分为12个编组；
18.力量生成：将作战编组构建成agent对象，每种智能体可以执行的任务不同；构建不同的agent对象，明根据作战想定样例构建6类agent对象；每一类agent都由静态属性信息和功能模块构成；
19.优选地，该方法中，将所述战役任务规划层的规划流程中的基于有限状态机的战役级任务规划的阶段设计为：
20.作战规划：为一个动态的条件判断、行为规划和调整的过程，采用有限状态机fsm进行规则的组织和编队任务指令的生成；
21.基于有限状态机的战役级任务规划是针对所有agent对象开展的，同一时间会根据战场态势情况，并行地对所有agent对象进行任务决策，最终组合所有agent的任务决策结果形成联合任务序列作为战役级任务规划层的输出；
22.根据战役层任务规划的特点，将战役层任务规划用简化的有限状态机表示如下：
23.transitions＝(source,trigger,dest,after)
24.其中，source表示当前正在执行的任务集合，在状态机中称之为状态(state)，trigger表示触发条件，为根据态势而形成的任务变更判断条件，dest表示下一状态，即满足触发条件后需要执行的任务，after为执行任务所需要进行的一系列操作；transitions将当前状态、变更条件、下一状态储存起来，是产生式规则if-then结构的另一种表现形式。
25.优选地，该方法中，将所述战役任务规划层的规划流程中的编队任务指令生成阶段设计为：
26.得到各编队在动态时刻的战役级任务后，将编队战役级任务指令集合表示为如下形式：
27.campaignseqlist＝[campaignseq1,campaignseq2,
…
,campaignseqn]
[0028]
具体任务指令campaignseqi包含任务执行编队、任务名称、任务类型、任务执行区域、任务目标这些内容；
[0029]
然后输出结果即战役任务指令集合可被封装成字典格式，通过ice协议传递给战术任务规划层。
[0030]
优选地，该方法中，将所述战术任务规划层的规划流程中的编队任务指令解析阶段设计为：通过数据解码和数据抽取解析战役任务指令集合，将编队任务逐条抽取出来并输入到战术任务规划层中。
[0031]
优选地，该方法中，将所述战术任务规划层的规划流程中的基于硬编码的战术层任务规划阶段设计为：
[0032]
将战术任务规划层分为6个通道：区域防空任务规划、预警侦察任务规划、高价值空中资产防护任务规划、海上巡逻任务规划、拦截打击任务规划、编队返航任务规划，同步进行各编队的战术级任务规划；
[0033]
在任务开始后，依次会进行战场态势获取，空战决策，实体动作输出流程，其中空战决策之前首先进行态势评估分析，在评估战场态势和进行空战决策时，使用if-then规则实现，区域防空任务中使用的规则有：
[0034]
(1)如果我方歼击机编队未在防空区域内部，或未侦察到敌方飞机，那么我方歼击机编队机动到防空区域内部，并进行巡逻侦察；
[0035]
(2)如果我方歼击机编队在防空区域内部，且侦察到敌方飞机，但是却未发现敌方飞机进入我方预警区域，那么我方歼击机编队执行跟踪监视任务，但不能离开预警区域；
[0036]
(3)如果我放歼击机编队在防空区域内部，且侦察到敌方飞机，且发现敌方飞机进入我方预警区域，那么就判定敌方飞机有对我进行军事打击的企图，我歼击机编队执行空空作战任务，对来袭敌机进行拦截打击；
[0037]
基于硬编码的战术级任务规划的输出结果为编队战术级任务，包括编队区域搜
索、编队跟踪敌机、编队起飞、编队机动、编队空空作战，分别被封装为独立的函数。
[0038]
(三)有益效果
[0039]
本发明以岛礁攻防作战想定为背景，设计了一种基于规则的分层任务规划方法，可对获取的战场数据加以智能分析和数据挖掘，从中挖掘出深层次的信息和特征，为决策提供支撑。
附图说明
[0040]
图1为本发明的基于规则的分层任务规划模型结构示意图；
[0041]
图2为本发明的战役级任务规划层的决策机理示意图；
[0042]
图3为本发明用状态转换图描述的歼击机编队区域防空行为的有限状态机示意图；
[0043]
图4为本发明基于硬编码的战术层任务规划原理图；
[0044]
图5为本发明的区域防空任务流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0046]
本发明以岛礁攻防作战想定为背景，设计了一种基于规则的分层任务规划方法，战役任务规划层主要实现多种编队的战役任务规划，以及编队任务指令生成；战术任务规划层主要实现编队任务指令解析，编队内部成员(单装)的战术任务规划，生成仿真推演平台能够执行的动作指令。其中，基于规则的战役任务规划层使用有限状态机方法设计，基于规则的战术任务规划层使用硬编码方法设计。具体发明内容包括：
[0047]
(1)基于规则的分层任务规划模型结构设计；
[0048]
(2)基于有限状态机的战役级任务规划方法设计；
[0049]
(3)基于硬编码的战术级任务规划方法设计。
[0050]
3技术实现途径
[0051]
3.1基于规则的分层任务规划模型结构设计
[0052]
本发明根据ooda环模型，将面向岛礁攻防想定的海空交战过程分解为高层次的战役级作战过程和低层次的战术级作战过程；
[0053]
高层级的战役级作战过程使用周期较长的ooda环来表示，是指在特定的使命任务和作战能力约束下，通过对战场信息进行收集，对战场形势进行判断，从而实现作战任务的规划，作战指令的下达；
[0054]
低层级的战术级作战过程使用周期较短的ooda环来表示，是指根据上级下达的指令，在对作战能力和威胁态势进行评估的基础上，通过对局部战场信息进行收集，对局部战场形势进行判断，从而实现基本作战编组或单装基本行动的任务规划和战术决策；低层级的战术级作战过程在高层级的战役级作战过程的ooda环之内运行，每一个低层级的战术级作战过程的ooda环都表示一个子任务，所有子任务的执行结果将改变战场态势从而影响高层级的作战过程，其中判断和决策作为指挥决策活动的核心，采用规则推理的方式进行。
[0055]
根据海空作战过程的分层特点，本发明构建了基于规则的分层任务规划模型结
构，该模型结构包括战役任务规划模型和战术任务规划模型两个层次，该模型结构提供了态势感知接口和指令传输接口分别用于获取战场态势数据和下达任务指令。图1为分层任务规划模型结构示意图。
[0056]
战役任务规划层：战役层任务规划反映了指挥员在全局态势下，依据作战目的和使命任务进行作战筹划的过程，具体规划流程包括使命任务分解、编队资源分配与力量生成、基于有限状态机的战役层任务规划、编队任务指令生成；
[0057]
战术任务规划层：战术级任务规划反映了作战编队的协同规划，将战术级规划的相关知识和协作方法固化在底层规划模型中，在战场态势和上层指令的基础上形成相应的规划结果；其具体规划流程包括：编队任务指令解析，基于硬编码的战术层任务规划，单装指令生成；
[0058]
该模型结构包含的两类接口具体如下：(1)态势感知接口：态势感知接口是为分层作战筹划智能体提供战场态势数据而封装的与环境的交互接口。能够从作战仿真环境中提取探测数据、战报数据、战损数据及装备状态数据等；(2)ice指令传输接口：ice指令传输接口是为高效传输编队任务指令和单装行动指令而封装的交互接口，运用ice协议，支持不同层级间的指令传输和任务规划智能体和仿真推演环境间的指令传输。本发明主要研究分层任务框架和分层任务规划方法，对接口的封装不做深入介绍。
[0059]
3.2基于有限状态机的战役级任务规划方法设计
[0060]
3.2.1使命任务分解
[0061]
使命任务是对指挥员意图和决心的体现，是进行作战任务规划的输入条件之一，使命任务的分解需要结合战场环境、作战资源、使命任务目标、作战阶段等要素。本发明以岛礁攻防作战想定作为样例，想定内容如下：
[0062]
(1)作战资源：
[0063]
表1 作战资源清单
[0064][0065]
(2)想定内容：
[0066]
该想定是以红方(我方)防守海岛，保护我方雷达建筑为目标的任务，我方可用的作战单位主要有战斗机，预警机，舰艇，潜艇和导弹发射车。蓝方(敌方)可以通过空中(主要)，水面和水下等方式对我方进行攻击，我方需要在规定的时间(6小时)防守住海岛，保证雷达建筑不被破坏。
[0067]
根据使命任务目标和作战资源可以将任务分解为区域防空任务、预警侦察任务、海上巡逻任务、拦截打击任务、高价值空中资产防护、撤退防御、返航补给等。
[0068]
区域防空任务是指派战机、舰船、地面防空武器等装备形成火力网对重点空域进行防御的战役级任务，目的为阻止敌方进行空中突防。
[0069]
预警侦察任务是指派战机、预警机在指定航线或区域进行侦察探测的任务，目的是为己方提供探测情报和数据。
[0070]
海上巡逻任务是指派护卫舰，潜艇等装备在指定航线或区域进行战斗巡逻的任务，目的是提供探测能力支持和火力支持，阻止敌方从海上突防。
[0071]
拦截打击任务是指派作战飞机、舰船和地面防空设施对突防的地方装备进行拦截打击的任务。
[0072]
高价值空中资产防护任务是指派战机对预警机等高价值目标进行防护的任务。
[0073]
撤退防御是指在劣势下，我方单位撤回安全区域进行防御作战的任务。
[0074]
返航补给是指在弹量和油量不足或受损情况下，返回基地维修补给的任务。
[0075]
3.2.2编队资源分配与力量生成
[0076]
编队资源分配是指将作战资源合理的分成不同的组合，用以完成适应性的任务，编队资源分配是一个优化问题，但是并非本发明研究重点，因此本发明采用人工编组方式，将想定中的作战资源分为12个编组，如下表2所示：
[0077]
表2 兵力编组清单
[0078][0079][0080]
力量生成是指将作战编组构建成agent对象，由于每种智能体具有不同的功能，其可以执行的任务便不同；因此需要构建不同的agent对象，本发明根据作战想定样例构建6类agent对象，分别是歼击机编队agent，预警机编队agent，护卫舰编队agent，潜艇编队agent，地面导弹发射车agent和雷达agent；每一类agent都是由静态属性信息和功能模块构成，下表3显示了歼击机编队agent具体结构：
[0081]
表3 agent结构
[0082][0083]
3.2.3基于有限状态机的战役级任务规划
[0084]
作战规划是一个动态的条件判断、行为规划和调整的过程，由于现代战争呈现出联合化、智能化等特点，使用数学建模方式难以解决作战任务规划问题，因此强烈需求军事知识和专家经验作为决策的依据。常用的知识运用和组织方式有基于硬编码的方法、基于有限状态机的方法、基于规则引擎的方法、基于知识图谱的方法。本发明就战役级任务规划，在实现方法上，采用有限状态机(fsm,finite state machine)进行规则的组织和编队任务指令的生成。有限状态机是描述系统内部状态转换的一类数学模型。行为可离散为有限个状态，在满足一定条件时，行为的状态发生跳转。
[0085]
有限状态机描述的行为模型可表示为：
[0086]
fsm＝《stateset,conditionset,f:(s,c),initstate,actionset》
[0087]
其中，stateset是行为的状态集合；conditionset是状态转换的条件集合；f:(s,c)
→s′
是状态转移函数，表示当前状态s∈stateset下，若满足条件c∈conditionset，则状态转移为s
′
∈stateset；initstate表示行为的初始状态；actionset是各状态下可执行的动作的集合。
[0088]
基于有限状态机的战役级任务规划是针对所有agent开展的，同一时间会根据战场态势情况，并行地对所有agent进行任务决策，最终组合所有agent的任务决策结果形成联合任务序列作为战役级任务规划层的输出，图2展示了战役级任务规划层的决策机理。
[0089]
战役层任务规划有如下特点：
[0090]
(1)使命任务可以按照时间顺序和任务目的分解为有限个子任务；
[0091]
(2)在进行某些子任务时，需要随时对当前态势进行分析判断，根据态势情况随时变更要执行的子任务。
[0092]
(3)有些子任务需要协调其他编队才能执行。
[0093]
根据上述特点，可将其用简化的有限状态机表示如下：
[0094]
transitions＝(source,trigger,dest,after)
[0095]
其中，source表示当前正在执行的任务集合，在状态机中称之为状态(state)，trigger表示触发条件，为根据态势而形成的任务变更判断条件，dest表示下一状态，即满足触发条件后需要执行的任务，after为执行任务所需要进行的一系列操作；transitions将当前状态、变更条件、下一状态储存起来，是产生式规则if-then结构的另一种表现形式。正是这样的结构使得军事知识能够高效合理的运用在作战任务规划中。
[0096]
下面以一个初始任务为区域防空任务的歼击机编队为例，来说明使用有限状态机规划编队任务的流程。假设该战机编队在进行岛礁防御时可执行5类任务：区域防空，空域拦截，高价值目标打击，返航和撤退防御。
[0097]
首先设置该歼击机编队的初始任务为区域防空，当发现敌方舰船时，转为高价值目标打击任务；当发现敌方预警机或干扰机时，转为空域拦截任务。当编队完成打击或完成拦截后，又会重新转到区域防空任务。当编队出现油量不足或弹量不足情况时，不论当前处于何种状态，均会转换到返航状态，执行返航指令。
[0098]
表4和图3分别表示了歼击机编队的状态转换表和状态转换图。
[0099]
表4 用状态转换表描述的歼击机编队区域防空行为的有限状态
[0100][0101]
状态转换表和状态转换图均可以作为规则的表示形式。如在歼击机编队区域防空的状态转换表中，存储了5条规则，分别为：
[0102]
(1)发现敌方舰船，即进行高价值目标打击规则；
[0103]
(2)发现敌方预警机或干扰机，即进行空域拦截规则；
[0104]
(3)完成高价值目标打击后，即执行区域防空规则；
[0105]
(4)完成空域拦截后，即执行区域防空规则；
[0106]
(5)编队油量不足或弹量不足时，即返航规则。
[0107]
3.2.4编队任务指令生成
[0108]
运用上述方法可以得到各编队在动态时刻的战役级任务，为了将战役级任务传输给战术层，需要将其用结构化的形式表示；其中编队战役级任务指令集合表示为如下形式：
[0109]
campaignseqlist＝[campaignseq1,campaignseq2,
…
,campaignseqn]
[0110]
具体任务指令campaignseqi包含任务执行编队、任务名称、任务类型、任务执行区域、任务目标这些内容，可表示为如下形式：
[0111]
campaignseq＝{group,missionname,missiontype,areavertex,targets} i＝1,
…
,n。
[0112]
3.3基于规则的战术级任务规划方法设计
[0113]
3.3.1编队任务指令解析
[0114]
战役任务规划层将输出结果即战役任务指令集合封装成字典格式，通过ice协议传递给战术任务规划层。想要进行战术级任务规划，首要工作便是解析指令集合，步骤为数据解码和数据抽取，目的是将编队任务逐条抽取出来并输入到战术任务规划层中。
[0115]
3.3.2基于硬编码的战术层任务规划
[0116]
战术任务规划层是对战役任务的具体规划，可以理解为战术层智能体的使命任务为战役任务规划层输出的任务指令，本发明将战术任务规划层分为6个通道：区域防空任务规划、预警侦察任务规划、高价值空中资产防护任务规划、海上巡逻任务规划、拦截打击任务规划、编队返航任务规划，同步进行各编队的战术级任务规划。图4为基于硬编码的战术层任务规划架构图。
[0117]
针对不同任务需要使用不同的规则，但是本质上都是利用if-then规则组织起来的，以双机区域防空任务为列，对其具体过程进行描述。主要流程如图5所示。
[0118]
在任务开始后，依次会进行战场态势获取，空战决策，实体动作输出等流程，其中空战决策是整个区域防空任务的中间环节也是关键环节，而态势评估分析是空战决策的前提。在评估战场态势和进行空战决策时，主要使用if-then规则(图中判断框所示)，区域防空任务中使用的规则有：
[0119]
(1)如果我方歼击机编队未在防空区域内部，或未侦察到敌方飞机，那么我方歼击机编队机动到防空区域内部，并进行巡逻侦察；
[0120]
(2)如果我方歼击机编队在防空区域内部，且侦察到敌方飞机，但是却未发现敌方飞机进入我方预警区域，那么我方歼击机编队执行跟踪监视任务，但不能离开预警区域；
[0121]
(3)如果我放歼击机编队在防空区域内部，且侦察到敌方飞机，且发现敌方飞机进入我方预警区域，那么就判定敌方飞机有对我进行军事打击的企图，我歼击机编队执行空空作战任务，对来袭敌机进行拦截打击。
[0122]
基于硬编码的战术级任务规划的输出结果为编队战术级任务，如编队区域搜索，编队跟踪敌机，编队起飞，编队机动，编队空空作战等，分别被封装为独立的函数。每个函数可以引用作战规则、军事知识和数学规划方法，如空空作战中便可以引用基于遗传算法的多目标分配算法。
[0123]
3.3.3单装指令生成
[0124]
战术任务规划层的输出为单装指令列表，单装指令是可以直接应用于平台中的指令，如航路机动指令，起飞指令，发射空空导弹攻击指令，打开传感器指令等，每个指令都是编队战术级任务的分解。由于较为简单，不作赘述，最终结果为生成单装任务指令序列，并通过ice编码传输给仿真推演平台。指令序列结构如下所示：
[0125]
actionseqlist＝[actionseq1,actionseq2,
…
,actionseqn]
[0126]
单个单装任务指令actionseqi包含行动实体、行动名称、行动类型、目标，行动路线，可表示为下式的形式：
[0127]
actionseq＝{entity,actionname,actiontype,target,actionroute}。
[0128]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。