CN105144207B - 用于优化资源分配计划的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种优化设备(1)，包括：数据输入装置(4)；用于在所输入的数据的基础上限定所考虑资源的可用性和有效性时间窗口的装置(2)；用于将解空间即所述时间窗口以概率表示以及按照所述时间窗口生成时间连续函数的元件(6)；用于根据以概率表示的解空间来优化资源分配计划的元件(8)；以及，用于使用以此方式所限定的最优分配计划的用户装置(11)。

Description

用于优化资源分配计划的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于优化资源分配计划的设备和方法。

背景技术

在本发明的范围内，资源分配被理解为将资源与目标相联系，例如将武器与军事领域中待实现的目标相联系。

更具体地，本发明可被应用于任何用于分配资源或任务的情景，所述资源或任务可通过可用性和有效性窗口进行建模，可用性窗口即为取决于相应的资源可被使用(即可用)的时间量的窗口，以及有效性窗口的值代表该资源在实现其目标方面的有效性，例如，诸如导弹之类的武器在摧毁目标方面的有效性。

在任务规划和/或任务控制领域的多种应用是可能的，并且在以下部门中更是如此：民用或军用航空(武器系统的任务准备)、自主民用或军用系统(无人机)、航空运输(机场管理)、综合后勤领域、运输领域(铁路运输、交通管理、货运等)。

尽管因而可被用于多种领域，但是本发明尤其适用于军事领域，并且更具体地适用于特别地对武器目标分配进行管理的命令和控制(C2)系统。在军事环境中，保卫一个区域免受敌人进攻要求仔细的预处理以对可用于应对威胁的资源进行分配，同时使所保卫的战略点的预期存活率最大化。

根据威胁的不同，命令和控制系统考虑到操作和技术准则来确定交战方案。

确定交战方案不仅基于向目标分配可用武器，还基于选择开火时间。当面临如此复杂系统中所存在的大量约束和不确定性时，开火时间被证明是非常复杂的。

因此，当开发解决方案来应对该问题时，对这样的情形进行建模提出了兵器工业中所面临的实际问题。实际上，必须能够找到基于时程(time horizon)的方案，而且当威胁在射程内时，该方案还能够对不确定区域建模。在考虑到相关联的成功概率的相关性的同时，操作人员必须基于所建议的开火时间的相关性来确认交战。就成功概率而言，交战方案必须是可行且最佳的。

第一种常规方法包括将情景模型化为一连串处于静止型式的武器到目标的分配问题。为每个威胁指定危险等级，并且为每个武器指定对抗该威胁的成功概率。通过对一情形进行逐步考虑以及观察前一步骤中采取的分配所产生的每一次战斗的结果来动态描绘问题。

另一种常规方法包括使用离散时间空间，并将成功概率与离散时间空间相关联。该方法使得在时程被分为多个区段的情况下能够制定出交战方案。

然而，上述方案中没有满足预期应用的方案。实际上：

将动态问题建模为一连串静态问题并不总是足以解决真实问题,因为其并未考虑到时间的连续性以及交战方案的长期预测可能(forecasting possibilities)。由于问题被简化为一连串静止问题，所以预测的概念就随之消失。长期计划是不可能的。该方法使得不能为了问题的整体优化而对开火顺序进行排列；以及

离散时间概率模型使得时间段的边界无法被可靠地管理。实际上，这样的建模假设：在两个相距很近的时间点之间，成功概率可从0改变至高值。这代表了重大的建模缺陷：例如，对于军事领域中几公里范围内的前述应用，几米的距离是可忽略的并且不应当导致这样的重大差异。

因此，不存在使得资源分配计划能够被确定和优化的设备或技术手段。

发明内容

本发明涉及一种优化资源分配计划的设备，该设备能够克服上述缺点。

为此，根据本发明，该设备的类型为包括：

数据输入装置；

第一装置，用于在所输入的数据的基础上确定与所述资源相关的可用性和有效性时间窗口；

第二装置，用于使用所述时间窗口确定最优资源分配计划；以及

用户装置，使用所述第二装置确定出的最优分配计划，

值得注意的是，所述第二装置包括；

第一元件，其被配置为通过生成遵循所述时间窗口的时间的连续函数来将解空间即所述时间窗口概率化；以及

第二单元，其被配置为在概率化的所述解空间的基础上优化所述分配计划。

因此，借助于本发明，得到了一种使得资源分配计划能够被确定和优化的设备。

因此，如下文中所指出的，根据本发明的设备包括用于生成数据的技术装置、用于自动处理数据(以确定最优分配计划)的技术装置以及用于使用处理结果的技术装置。

概率化(probabiliser)被理解为为所考虑的一组元素指定概率。常规来说，概率是对事件的可能性的评估，概率越大，则该事件发生的可能性越大。

此外，有利地，

所述数据输入装置包括用于自动提供数据的装置(例如雷达单元)和/或用于使操作员能够输入数据的装置；和/或

所述用户装置包括将所述最优分配计划显示在屏幕上的显示装置；和/或

所述显示装置和所述使操作员能够输入数据的装置为人机界面的一部分；和/或

所述第一元件被配置为在性能点基础上进行插值以得到所述解空间的连续概率模型；和/或

所述第二元件被配置为执行粒子群优化。

根据本发明的设备可使用任何针对可用性和有效性时间窗口的概率型的传统数学模型。

根据本发明的设备因而为建模问题提供简单的响应，同时包括数学表达的改进可靠性。具有时程的计划以及过渡区域被精确示出。概率律的使用使得能够将工作系统内的每个资源的可用性和有效性量化并且因而能够随时间对任务进行总体优化，同时使得该任务成功的概率最大化。

为此，定义了资源(例如，武器)的可用性窗口，该可用性窗口与成功概率相关联，成功概率由基本概率律建模。

根据本发明的设备因而特别使得以下两个问题能够被克服：

当使用通过正态律进行建模的数学特性时，极限处的不确定性；以及

建议具有时程的解。

此外，除了更可信地示出了过渡区域，本发明能够得到解空间，该解空间比基于离散空间的常规解更精确且更连续。

如下文所示，根据本发明的自动优化设备可应用于多种领域，尤其是可应用于军事领域。

本发明进一步涉及一种用于分配资源的系统，该系统包括这样的优化设备。本发明进一步涉及一种用于应对军事领域的威胁、特别地为命令和控制(C2)型的系统，包括用于应对所述威胁的武器分配，所述系统包括：

第一单元，用于检索与所考虑情景有关的信息；

包括上述优化设备的第二单元，用于处理信息以通过以下方式从中推断出交战提议：首先在所述信息的基础上确定开火窗口，然后在所述开火窗口的基础上推断出所述交战提议；以及

第三单元，用于执行批准所述交战提议的步骤，交战按照经所述第三单元批准的交战提议来进行。

此外，有利地，

所述第一单元包括至少一个雷达单元，该雷达单元向所述设备发送与该系统要保护的区域的环境的空中情况有关的信息；和/或

该系统还包括使操作员能够完成批准的人机界面；和/或

该系统还包括对经所述第三单元批准的交战提议进行显示的显示装置。

本发明进一步涉及一种用于自动优化资源分配计划的方法。

根据本发明，在所述优化方法中，以下步骤被自动执行：

A)生成数据，并且在所生成的数据的基础上确定与所述资源相关的可用性和有效性时间窗口；

B)使用所述时间窗口来确定随后要用的最优资源分配计划，

值得注意的是，在所述步骤B)中，以下连续操作被执行：

a)通过生成遵循所述时间窗口的时间的连续函数来概率化解空间即所述时间窗口；以及

b)在概率化的所述解空间的基础上优化所述分配计划。

根据本发明的方法因此提供了一种时间概率模型(temporal probabilitymodel)，从而通过考虑实际的约束以及模糊空间(即威胁进入射程内的时间区)来整体上对计划进行评估。

有利地，在步骤B/a)中，在性能点基础上进行插值以得到所述解空间的连续概率模型。

此外，有利地，在步骤B/b)中，进行粒子群优化。其他常规优化方法(遗传算法、贪婪算法等)也是有可能的。

因此，本发明进一步涉及一种用于应对军事领域的威胁的方法，包括用于应对威胁的武器分配。

在该方法中，以下连续步骤被执行：

α)检索与所考虑情景有关的信息；

β)处理所述信息以通过以下方式从中推断出交战提议：首先在所述信息的基础上确定开火窗口，然后在所述开火窗口的基础上推断出所述交战提议，所述交战提议指定了用于应对所述威胁的武器分配和开火时刻；以及

γ)提供用于批准所述交战提议的步骤，交战根据在该步骤γ)中所批准的交战提议来进行，

根据本发明，值得注意的是，在步骤β)中，通过执行上述优化方法来确定所述交战提议。

附图说明

附图中的图示将有助于理解本发明是如何产生的。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元素。

图1是根据本发明的设备的框图；

图2的曲线图解释了根据本发明的设备所执行的方法的特征；以及

图3是通过使用根据本发明的设备来应对威胁的系统的框图。

具体实施方式

根据本发明并在图1中示意性地示出的设备1被用于执行对资源分配计划的自动优化，即确定一个计划，该计划对出于特定目的所考虑的各种资源(例如，用于应对威胁的武器)的分配进行了最佳优化。

为此，所述优化设备1的类型为包括：

数据输入装置4；

装置2，用于在所接收的信息和数据的基础上确定与所考虑的资源相关的可用性和有效性时间窗口，尤其是确定开火窗口。所述信息和数据接收自用于通过链接3来输入数据的装置4；

装置5，经由链接7被连接至所述装置2，并且被设计为使用所述时间窗口来确定最优资源分配计划；以及

用户装置11，使用由装置5确定的最优分配计划。

在本发明的范围内，数据输入装置4能够包括：

装置12'(例如，诸如雷达单元之类的设备或系统)，用于自动提供数据；和/或

装置13，用于使操作员能够输入(特别是手动输入)数据。所述装置13能够包括键盘、鼠标、触摸板或者任何其他与显示屏相关联的常规装置，例如使操作员能够将数据输入到所述设备1中的装置。

根据本发明，如图1所示，所述装置5包括：

元件6，其通过链接7被连接至所述装置2并且被设计为通过生成遵循所述时间窗口的时间的连续函数来将解空间即所述时间窗口概率化；以及

元件8，其通过链接9被连接至元件6并且被形成为在概率化的解空间的基础上优化分配计划。

元件8随后通过链接10将最优分配计划发送到用户装置11。用户装置11为使用由装置5确定的最优分配计划的装置。这些用户装置11包括例如(将最优分配计划显示在屏幕上的)显示单元或者(打印最优分配计划的)打印装置。装置11可与装置13形成人机界面。

在特定实施例中，元件6在性能点基础上进行插值以得到解空间(可用性和有效性时间窗口)的连续概率模型。该类型的插值可使用例如常规贝塞尔(Bézier)样条插值来精确有效地实现。

设备1所进行的建模基于常规概率律(高斯、泊松等)。该方案使得：

成功概率被限定为时间的函数；以及

分配计划被长远地预测。

应当注意的是，概率化空间的优点在于与(独立或非独立)事件组合相关的主要数学理论的存在使得该方法更加可靠。

以示例的方式，图2(其示出了作为时间T的函数的概率P)示出了概率曲线G，该概率曲线G为可用性和有效性曲线并且被建模为两个高斯曲线F1与F2之和。

此外，在特定实施例中，元件8使用基于粒子群优化原理的优化方法，粒子群优化例如由Leboucher、Chelouah、Siarry以及Le Ménec的论文“A Swarm Intelligence MethodCombined to Evolutionary Game Theory Applied to the Resources AllocationProblem(结合到应用于资源分配问题的进化游戏理论的群智能方法)”进行定义，该论文发表在“International Journal of Swarm Intelligence Research(群智能研究国际期刊，IJSIR)”2012年第3卷第20-38页。

根据本发明的设备1可应用于多种领域。

在优选应用中，所述设备1形成了用于应对军事领域的威胁、特别地为命令和控制类型的系统15的一部分，包括用于应对威胁(一般为空中威胁)的武器分配，尤其是导弹的分配。

如图3所述，该系统15包括：

装置12，其包括至少一个雷达单元16，该雷达单元16经由链接3向设备1发送与系统15要保护的区域的环境的空中情况有关的信息。这些装置12可(至少部分程度上)形成设备1的一部分或者可专用于系统15。雷达单元16探测威胁并发送相应的信息，特别是威胁的位置及运动。

所述设备1'，其处理该信息以通过以下方式从中推断出交战提议：首先通过使用装置2在先前格式化的信息的基础上确定开火窗口，然后通过使用装置5在这些开火窗口的基础上推断出交战提议。该交战提议是为了应对威胁而指定武器分配并且安排开火时刻或时间的最优分配计划；以及

装置17，用于执行对经由链接10从设备1'接收的交战提议进行批准的步骤。批准由操作员使用(例如形成前述人机界面的一部分的)装置18给出，该装置18通过链接19被连接至所述装置17。

然后，按照经所述装置17批准并且经由链接20被发送至例如显示装置(未示出)的交战提议来进行交战。装置17和设备1(特别是其中的装置2、6和8)例如是信息处理单元21的一部分。

设备1'的各种装置所执行的处理将在下文中进行详细描述。

在雷达单元16所提供的信息的基础上，信息由设备1'进行后处理以使得其能够被使用。该处理被分为两个子任务：计算导弹应对所考虑的威胁的实现能力，以及优化开火序列以优化对所有威胁的应对。

通常由装置2执行的实现能力计算包括将由雷达单元16提供并被格式化为开火窗口的信息进行转化以根据交火计划计算最佳开火序列。为此，装置2计算例如轨迹和容量的交会，其输入为威胁的运动和武器的性能。装置2提供可被分为多个部分的时间开火窗口。

装置5随后根据这些开户窗口确定交战计划。

装置5因此将开火窗口用作输入，一旦确定出最优解，就提供以下类型的一组解：{导弹；威胁；开火时间}。

为此，装置5的元件6首先通过生成对所述开火窗口建模的连续函数来将解空间即所述开火窗口概率化。

如上所示，通过在性能点的基础上使用简单的插值系统能够将解空间概率化。该类型的插值可使用例如贝塞尔样条插值来精确有效地实现。因此，在真实性能点(即作为开火时刻或时间的函数的开火成功概率)的基础上得到解空间的连续概率模型。

解必须考虑以下三个重要点：用于应对单个威胁的导弹的关联性、制定具有时程的干预的可能性以及限定作为常用指标的标准，以上考虑基于系统应对任何类型的情形的能力。根据本发明的设备1'使得各个方面能够被考虑到。

基于一连串可被认为是独立或非独立的临时事件的概率化方法采用已知方式建模。因此，组合多个导弹以拦截单个威胁可被非常精确地量化。设备1基于按照时程的预测所考虑的方式使得能够根据所使用的导弹并且根据时间对所有可能的组合进行查验。因此，目的不再是优化仅仅二元组{导弹1-导弹2}而是优化三元组{导弹1-导弹2-拦截时间}。

如上所示，按照时程进行计划的本质是为了成功地完成任务。选择与建模时间有关的连续函数大幅提高了所用模型的精度。

对于元件8所执行的优化，正如在任何优化问题中那样，限定一种能够对解进行相互比较的度量是很重要的。所建议的方式因而基于概率。因此解的质量需要由概率来限定。实际上，所建议的模型基于一连串独立或非独立事件，这些事件的关联规则在数学上是已知的。用于评估解的一般标准因而可基于应对所有威胁的总概率或者基于受保卫的区域的存活率。也可将这两种方式结合起来。

本发明使得以下两个问题能够被克服：

通过将随时间连续演进的情景考虑在内对与环境相关联的不确定性以及对交战的较佳长期预测的概率进行建模；以及

针对更真实的模型的实现能力解决域边界上的问题。

以上已经对应用在C2型系统15中的设备1'进行了说明。然而，任务规划和/或任务控制领域的多种其他应用是可能的，并且在以下部门中更是如此：民用航空或军用航空(武器系统的任务准备)、自主民用或军用系统(无人机)、航空运输(机场管理)、综合后勤领域、运输领域(铁路运输、交通管理、货运等)。

Claims (12)

1.一种用于应对军事领域的威胁的系统，包括用于应对所述威胁的武器分配，其特征在于，所述系统(15)包括：

第一单元(12)，用于检索与所考虑情景有关的信息；

第二单元(1')，用于处理所述信息以通过以下方式从中推断出交战提议：首先在所述信息的基础上确定开火窗口，然后在所述开火窗口的基础上推断所述交战提议，所述交战提议指定了用于应对所述威胁的武器分配和开火时刻；以及

第三单元(17)，用于执行批准所述交战提议的步骤，交战按照经所述第三单元(17)批准的交战提议来进行，所述第二单元包括一种用于优化资源分配计划的自动设备，所述设备(1)包括：

数据输入装置(4)；

第一装置(2)，用于在所输入的数据的基础上确定与所述资源相关的可用性和有效性时间窗口；

第二装置(5)，用于使用所述时间窗口确定最优资源分配计划；以及

用户装置(11)，使用由所述第二装置(5)确定出的最优分配计划，

其特征在于，所述第二装置(5)包括：

第一元件(6)，其被配置为通过生成遵循所述时间窗口的时间的连续函数来将解空间即所述时间窗口概率化；以及

第二元件(8)，其被配置为在概率化的所述解空间的基础上优化所述分配计划。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据输入装置(4)包括能够自动提供数据的装置(12')。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据输入装置(4)包括使操作员能够输入数据的装置(13)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述用户装置(11)包括将所述最优分配计划显示在屏幕上的显示装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述显示装置和使操作员能够输入数据的装置(13)为人机界面的一部分。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一元件(6)被配置为在性能点基础上进行插值以得到所述解空间的连续概率模型。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二元件(8)被配置为执行粒子群优化。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一单元(12)包括至少一个雷达单元(16)，该雷达单元(16)向所述设备(1)发送与所述系统(15)要保护的区域的环境的空中情况有关的信息。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括使操作员能够完成批准的人机界面。

10.根据权利要求1、8或9中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括对经所述第三单元(17)批准的交战提议进行显示的显示装置。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统为命令和控制型。

12.一种用于应对军事领域的威胁的方法，包括用于应对所述威胁的武器分配，其特征在于，所述方法执行以下连续步骤：

α)检索与所考虑情景有关的信息；

β)处理所述信息以通过以下方式从中推断出交战提议：首先在所述信息的基础上确定开火窗口，然后在所述开火窗口的基础上推断所述交战提议，所述交战提议指定了用于应对所述威胁的武器分配和开火时刻；以及

γ)提供用于批准所述交战提议的步骤，交战根据在该步骤γ)中批准的交战提议来进行，

在所述步骤β)中，通过执行一种用于优化资源分配计划的方法来确定所述交战提议，其中，以下步骤被自动执行：

A)生成数据，并且在所生成的数据的基础上确定与所述资源相关的可用性和有效性时间窗口；

B)使用所述时间窗口来确定随后要用的最优资源分配计划，

其特征在于，在所述步骤B)中，以下连续操作被执行：

a)通过生成遵循所述时间窗口的时间的连续函数来确定解空间即所述时间窗口的概率；以及

b)在概率化的所述解空间的基础上优化所述分配计划。