[doc] 舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决策支持系统

[doc] 舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决策支持系统 舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决 策支持系统 2010年3月军事运筹与系统 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 Mar.2010 第24卷第1期MilitaryOperationsResearchandSystemsEngineeringVo1.24No.1 舰艇编队协同作战的自组织决策模式 及决策支持系统 缪旭东 (海军大连舰艇学院,辽宁大连116018) 摘要:为促进舰艇编队的有效协同,充分发挥舰艇编队整体作战效能,以适应信息时代不断改变与 难以预测的复杂战场环境,针对舰艇编队协同作战决策问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的复杂性,提出系统模型与算法基础等解决问 题的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ;运用自组织理论,进化算法和分类器学习方法,提出了具有自学习,自适应能力的舰艇编队协同 作战的自组织决策模式及决策支持系统. 关键词:军事运筹学;决策模式;决策支持系统;舰艇编队协同作战;自组织 中图分类号:E917文献标识码:A文章编号:1672—8211(2010)01—0048—05 舰艇编队是现代海战的一种重要的兵力组成形式.信息化条件下,舰艇编队所面临的复杂战场环境, 其本质上是一种湍流(turbulent)或者说是混沌(chaos)的环境.在这种非平稳的复杂对抗环境下,舰艇编 队的兵力协同与调度,任务分派与调整,需要具有与之相适应的决策模式和决策支持系统,以提高舰艇编 队协同行动的敏捷性,实现与复杂不确定且充满激烈对抗的战场环境的同步.舰艇编队系统不但其内部 具有层次状结构,同时具备随战场态势变化进行资源整合和重组的功能,与生物进化特征及其自组织现象 极为相似,本文基于自组织理论和方法,提出了舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决策支持系统. 1舰艇编队协同作战自组织决策的复杂性及其解决方法 1.1信息时代的海战场决策环境 作战指挥决策问题的复杂性取决于作战过程所处的环境.当前,舰艇编队所面临的决策环境大致可 分为四种…:?未来战场态势十分明确的确定性决策问题;?未来战场态势不确定,决策者能掌握有限种 态势的概率分布的不确定性决策问题;?指挥员对未来态势的可能结果及概率不能确切地掌握,但知道它 存在于一定范围内的不确定性决策问题;?未来战场态势一片混沌,即所谓混沌决策问题. 舰艇编队的作战指挥决策环境是上述四类环境的综合,需要指出的是,当面对第三种和第四种的决策 环境时,建立在传统运筹学与经典系统论基础上的决策方法,作战资源规划与调度方法,在理论与应用上 都不再适用.因为,这些方法假定环境变化都是平稳的,只要知道系统的初始条件,只要初始条件误差足 够小,就可以推算得出交战态势的演化结果.舰艇编队协同作战决策处于混沌环境之中,包含数以千万计 的相互关联的交战状态变量.当舰艇编队满足交战需求时,用来促进舰艇编队效能的稳定发挥或者战场 控制优势的保持,即为负反馈;当战场态势变化时促使舰艇编队效能偏离原先的平衡点,进化到新的平衡 点,以适应战场环境并满足作战任务的需求,即为正反馈.这种复杂的非线性动态过程,对初始条件非常 收稿日期:2009—11一l2 作者简介:缪旭东(1964一),男,教授,硕士,硕士生导师,主要研究方向为作战系统工程 舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决策支持系统49 f(k+1)=((k),D(k))R一R (k)=fr((k)) s.t. {主JI}):),(1)L{?rl(JI})=(Ij}),() 【,DDD,?1,?=1 《军事运筹与系统工程》2010年第1期 成3个层次:宏观层(macroscopic),中观层(mesoscopic)和微观层(microscopic).其中,中观层就是一般 意义的物质世界,如指挥员能直接观察到的真实的具体的战场兵力编群与部署,兵力构成与机动.宏观层 指作战方针,战役布势等宏观意义上战争全局概念.微观层指装备战术技术性能,人员训练水平等微观意 义上战场细节.信息化海战场条件下,居于中观层的敌方兵力编群与部署,兵力构成与机动是不断改变与 难以预测的,它是在特定的宏观模型中,靠集成相应的微观实体而成的.宏观层与微观层等抽象世界却是 相对稳定可以把握的.具体的舰艇编队协同作战决策是中观层中的复杂系统,每一次决策的解不唯一,而 是一组解的集合,决策者只能试图从中寻找符合任务目标需要的满意解.基于上述思想,我们提出一种解 决舰艇编队协同作战决策中复杂决策问题的方法,如图1所示. 全局真正最小解 图1舰艇编队协同作战决策问题的求解方法 (1)将舰艇编队协同作战的复杂决策问题,通过选取适当的决策变量,状态变量和资源约束,简化并 变换到宏观空间中,形成特定问题的宏观模型; (2)应用分形理论,抽取与集结战场态势中观层中人员与装备及其相互作用的规则,构成一个具有多 重层次,分形结构的微观模型; (3)应用已有的方法求解宏观模型,获得一个最优解; (4)将上面获得的最优解映射回战场态势的中观层中来,形成一个问题的解集合,即可供选择的解; (5)通过人一机交互的办法,从上面的解集合中选择一个令决策者满意的结果. 2舰艇编队协同作战的自组织决策方法 系统学中自组织的定义为:一个系统不依靠任何外来的干预而获得的一种空问,时间或功能(空间与 时间)的结构].复杂非线性动态系统的进化演变过程具有多峰,分岔与突变等特点,恰好说明了信息化 条件下舰艇编队执行海上作战是一个多机遇与多风险并存,经常处于”有序一无序一有序”变化的演进过 程.因此,传统的高度集中指挥体制的直接控制方法是无法满足舰艇编队协同作战的决策需求的.必须 采用集中与委托相结合的指挥体制,各舰艇群作为局部的子系统都具有自治的能力,不需要上级指挥所全 时集中控制.而舰艇群间的协调是通过一组 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 与规则,以自组织的方式来实现. 2.I舰艇编队协同作战决策的建模过程与决策过程 舰艇编队协同作战的决策支持系统包括支持建模过程与支持决策过程.这是感知战场态势与获取战 场优势的过程,两者不可分割.舰艇编队系统与海战场环境间的关系可以看作是一种相互作用与演化的 过程.在一定的范围内,舰艇编队系统同海战场环境之问的相互作用过程,宏观上可以表示成协同论中的 少数序参数间的关系,这些序参数概括了约束各子系统的复杂相互作用方式.系统演化过程是由一组微 分方程描述的,如式(1)所列.微分方程解的特性是由一组特征根所决定的,这组特征根分成正实部(离 散系统为大于1)和负实部(离散系统为小于1)两部分,由于这组微分方程是非线性的,所以特征根也是 舰艇编队协同作战的自组织决策模式及决策支持系统 随时问变化的.协同论中假定正特征根数目少,而且数值小,负特征根数目多,而且数值大,因此,舰艇编 队协同作战决策的自组织进化过程是取决于少数正特征根. 舰艇编队协同作战决策就是靠控制这些为数不多的,关键的具有正实部的系统特征根来进行决策的. 也就是说,这些正特征根决定了舰艇编队系统的进化和未来的行动,协同论中称它们为序参数.根据协同 论,特征根与系统约束密切相关,序参数是在约束传播过程中起主导作用的,优先级排在前面应首先选择 的那些系统控制参数,协同论中的支配变量则是在序参数传播中受其影响与控制的变量.因此,舰艇编队 协同作战自组织决策过程符合协同论中支配原理.如图2所示,舰艇编队协同作战自组织决策中建模过 程是自下而上的问题归纳,简化与变换的过程,而决策过程是白上而下的约束与规则的传播过程J. 图2舰艇编队协同作战决策的建模过程与决策过程 舰艇编队协同作战决策的结构,包括信息基础结构层,基本信息层,系统模型层,规则与约束层,序参 数层和人/机交互层. (1)信息基础结构层.该层的系统空间是非常巨大的,并且需要综合运用信息融合与知识获取技术 整合舰载雷达,声纳,包括数据链在内的通信系统等. (2)基本信息层由数据库,模型库与规则库组成.它们在信息基础结构层的支持下,收集同决策有关 的有用信息与知识.剔除无用的带来干扰与熵增的信息,并在舰艇编队决策过程中不断改进,充实与提 高.它们是舰艇编队进行科学决策的资源. (3)系统模型层即中观层,是式(1)所描述的原始决策问题.它是一种复杂的非线性动态过程,为此, 必须按照前面分析的三个层次,将它们进行合适的简化,并变换宏观层得到相应的宏观模型,便于利用现 有的一些方法求解,并实现决策过程的规则与约束的传播. (4)规则与约束层.该层对舰艇编队协同作战决策的宏观模型进行分析,按自组织理论的序参数与 支配原理,归纳与提炼出有关的满足系统约束的必要控制规则,在此基础上 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 冲突消解与关键资源配置 的模型与算法. (5)序参数层.该层从宏观模型中归纳与提炼出同任务目标有关的参数,以便供决策者决策时选择. 同任务目标有关的因素有:多目标权重参数,风险因素参数,当前与远期效益参数等.这些参数将影响战 场态势向有利于舰艇编队的有序状态方向进化,它们是决策者间接控制系统的关键参数,称之为序参数. (6)人一机交互层.该层是同决策者进行交互的接口.由于决策必须满足客观规律的约束与任务目 标的约束,客观规律约束在规则与约束层体现,决策者则直接选择反映任务目标的序参数进行宏观决策指 导.依靠规则进行间接控制,而不像传统决策是靠具体指令直接控制,有助于发现,归纳和抽象出隐存在 52《军事运筹与系统工程》2010年第1期 高深层次中的规则,而不是靠一般的直觉,从而提高了舰艇编队协同作战决策的水平. 2.2舰艇编队协同作战决策进化机制与算法 舰艇编队协同作战自组织决策进化机制的实现,不仅需要科学的,反映决策问题本质的模型,还需要 具体,有效的算法.舰艇编队协同作战决策中的决策结果是由决策变量决定的,而决策变量是由有关分量 的有序组合而形成的,具有生物进化相似性.结合进化算法的分类器学习系统,是实现自组织机制的有效 算法之一.运用遗传进化算法,可以把这种基于生物界的自然选择,自然遗传与进化机制的搜索算法移植 到舰艇编队协同作战决策中来. 基于字符串规则的分类器学习系统,提供了自组织结构实现的基础机制.规则与消息是舰艇编队协 同作战决策系统的核心内容,控制规则和资源约束规则下的多变量复杂相互作用必将导致多项规则被并 行激活,其中推动系统演进的高强度规则是关键的学习对象.在基于信息触发的现代海战中,响应相关信 息的规则提取过程,将对应的敌方兵力及其行动,我方兵力及其行动和战场环境联系在一起,形成了一个 特殊的”反应一行动一对抗”过程,而通过战场环境向分类器提供毁伤评估结果的反馈形式所实现的优胜 劣汰规则学习机制,使得分类器可以根据规则强度来评价”反应一行动一对抗”链上规则的有效性. 进化算法是一种高效并行的全局搜索方法,可在搜索中自动获取,积 累有关搜索空间的知识,并自适 应地学习,控制搜索过程,以求得问题的满意解,适用于高度复杂非线性问题,可使系统具有潜在适应环境 变化的能力,.在舰艇编队协同作战决策支持系统中.利用进化算法实现自组织结构与演化模型的关 键因素,可以归纳为:?染色体编码;?初始群体的设定;?适应度函数设定;?遗传操作设计;?控制参数 (序参数)设定.进化算法与分类器学习系统结合主要表现在两类问题上,即多个规则并行激活的竞争和 规则自身的进化.进化算法通过交叉与变异算子支持实现这两类问题,规则提取与规则实际强度相对应. 而进化算法以较大的规律在多规则出现互斥冲突动作时,以较大的概率选择适应度高的规则并激活.另 外,根据分类器强度,以较大概率从分类器集合中成对挑选强度较大的分类器进行交叉或变异,产生新的 规则,并以之替代旧规则,从而保持规则集合空间的合理性与多样性,提高规则学习能力,强化系统寻优求 解的有效性. 3结束语 本文以自组织原理为基础,论述了舰艇编队协同作战自组织决策模式,将舰艇编队协同作战决策作为 一 种耗散结构过程,从原先具有大量熵的无序状态开始,通过人/机交互 的方式,控制反映决策者愿望与价 值的序参数,使系统以自组织的方式同环境进行交换,引进与吸收同 决策问题有关的信息(负摘),耗散并 排除掉原先存在的大量的熵,使战场态势进人符合舰艇编队任务目 的的有序状态,并提出一种支持舰艇编 队协同作战的决策支持系统. 参考文献 1MIAOXD.1ntuitionisticFuzzyLikelihoodMethodsandModelsforaValAirDe~nseSituationandThreatAssessmentlCJ//2009SixthIn- ternationalConferenceonFuzzySystemsandKnowledgeDiscovery.Tianjin ,2009:311—315. 2HARKENH.AdvancedSynergetics[M].SpringerVerlag,1983. 3RENS,YINGR,FANGK.AFrameworkofDecision—supportSystemsin AdvancedManufacturingEnterprisesaSystemsView[J].The InternationalJournalofmanufacturingTechnologyIntegratedManufacturi ngSystems,1998,8:365—373. 4薛宏涛,沈林成,叶媛媛,等.基于协进化方法的多智能体协作系统体 系结构及其仿真框架[J].系统仿真,2002,14(3):297— 303. 5刘静.协同进化算法及其应用研究[D].西安:西安电子科技大 学,2004:60—67.