CN112163719B - 基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法及装置，所述方法包括：建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型；对所述弹种优化设计模型进行层次划分；对各模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；建立指派模型；定义作战环元功能节点，获取最优组合的作战环；所述指派模型进行求解，得到弹种组合。根据本发明的方案，极大缩小优化问题可行域，显著提高设计计算效率，进而加快设计过程，降低了设计成本。

Description

基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法及装置
技术领域
本发明涉及武器装备体系优化设计领域，尤其涉及一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法及装置。
背景技术
随着武器装备技术的迅猛发展，面向未来信息化条件下联合作战的军事需求，需要由多个武器系统组成装备体系，组成装备体系的各武器系统需协同作战，从而最大程度发挥装备体系的效能。
对于导弹装备系统，其包含多个弹种，相比于单型导弹的优化设计，包含多弹种的导弹装备系统具有系统结构复杂、任务需求广泛、优化变量数目庞大的特点，传统的单型导弹的优化设计方法，难以应用于导弹装备系统设计。
对于导弹装备系统来讲，通过不同类型的导弹部件组合成不同的弹种进行优化设计，本质上属于组合优化问题，但在导弹装备系统的组合优化过程中，存在的问题是随着导弹装备体系规模的增大，系统的组合可行解空间会呈现指数级增长，出现“组合爆炸”的情况，给问题的求解带来极大困难。同时，如何限制导弹装备系统的选择界限、给出更为合理的导弹装备系统组合方案也存在较大问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法及装置，所述方法及装置，用以解决现有技术中导弹装备系统结构复杂、任务需求广泛、优化变量数难以对导弹装备系统弹种优化设计、组合优化问题会出现“组合爆炸”的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
步骤S102：对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
步骤S103：对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
步骤S104：为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
步骤S105：基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000021
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
步骤S106：定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
步骤S107：基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
根据本发明第二方面，提供一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计装置，所述装置包括：
模型建立模块：配置为建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
层次划分模块：配置为对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
映射模块：配置为对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
域建立模块：配置为为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
指派模型建立模块：配置为基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000031
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
定义模块：配置为定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
求解模块：配置为基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
根据本发明的上述方案，引入若干通用设计模块，直观地反应导弹装备系统优化设计结构，并在此基础上进行多弹种优化设计，在设计过程中采用优化方法最终得到满足约束条件的最优弹种设计方案。针对体系作战中多弹种协同完成多类型作战任务的需求，建立以导弹装备系统效能为引导的弹种优化设计结构框架，以综合考虑任务、成本和风险影响因素的装备系统效能最优为目标，构建指派模型，并给出该模型的约束条件。采用基于作战环的模型快速求解方法，极大缩小优化问题可行域，显著提高设计计算效率，进而加快设计过程，降低了设计成本。其次，对导弹装备体系中各个通用设计模块按照层次分析法的思想进行层次分解，确定该模块下的各组成要素，并按照要素间的相互影响关系按不同层次聚集组合，形成了一个以导弹装备体系效能为引导的弹种优化设计结构框架，明确了导弹装备体系中各层间的相互关系，为多弹种的优化设计奠定基础。考虑到指派模型在解决本优化问题中发挥的独特优势，综合考虑任务、成本和风险影响因素的装备体系效能最优为目标，构建指派模型，并给出该模型的约束条件。基于指派模型建立的该优化问题数学模型相比现有的数学模型形式更为简单，更加贴合实际。最后，在对优化问题模型进行求解的过程中，采用基于作战环的快速求解方法，相比于传统的求解方法可以极大地缩小优化问题的可行域，强化优化问题的约束条件，显著提高设计计算效率，进而加快设计过程。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明提供如下附图进行说明。在附图中：
图1为本发明一个实施方式的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计的方法流程图；
图2为本发明一个实施方式的导弹装备系统模块示意图；
图3为本发明一个实施方式的导弹装备系统分层、分域示意图；
图4为本发明一个实施方式的各个域的关系示意图；
图5为本发明一个实施方式的作战环结构；
图6为本发明一个实施方式的任务性节点作战环结构；
图7为本发明一个实施方式的成本性节点作战环结构；
图8为本发明一个实施方式的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计的装置结构框图。
具体实施方式
首先结合图1说明为本发明一个实施方式的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计的方法流程图。如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述模型存储于数据库中；所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
步骤S102：对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
步骤S103：对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
步骤S104：为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
步骤S105：基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000061
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
步骤S106：定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
步骤S107：基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
如图2所示，本实施例中，在系统效能的整体目标下，分为两个目标，分别是任务性能及成本性能；与任务性能对应的，是任务性能类通用设计模块，包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；与成本性能对应的，是成本性能类通用设计模块，包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块。具体地，每个模块对应多个部件，每个部件对应多个模块；每个部件对应多个弹种，每个弹种对应多个部件。
如图3所示，对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层。
步骤S103：对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合：
如图3所示，本实施例中，对所述弹种优化设计模型进行层次划分与弹种优化设计模型按模块划分是两种划分角度，每个模块可以再依据层次分析法进行层次分解，将各模块的组成要素划分到不同的层次中，根据各模块的组成要素的相互影响关系，逐层聚合，形成多层次的分析结构模型。图3中仅示出了部分划分的要素，具体划分的要素，可以根据具体使用需求确定。
本实施例中，目标层为装备系统效能，由任务性能和成本性能综合表征。其中任务性能由具体的精确压制任务能力、精确打击任务能力、高精度点打击任务能力、巡飞察打评能力、防空能力等综合决定，成本性能由生产制造成本、使用成本等综合决定，且生产制造成本在装备系统中由完成任务相应的精确压制任务成本、精确打击任务成本、高精度点打击任务成本、巡飞察打评任务成本、防空任务成本等共同决定。确定装备系统完成相应任务的能力需要建立相应的任务指标，因此在任务层的下一层级建立相应的指标层，对应于任务能力的任务指标层元素有精度指标、射程指标、威力指标等，且精度指标、射程指标和威力指标等共同影响精确压制任务能力、精确打击任务能力、高精度点打击任务能力、巡飞察打评能力和防空能力；对应于任务成本的任务成本指标层元素有精度成本指标、射程成本指标、威力成本指标等，且精度成本指标、射程成本指标和威力成本指标共同影响装备体系精确压制任务成本、精确打击任务成本、高精度点打击任务成本、巡飞察打评任务成本和防空任务成本。对于不同种类的导弹例如卫星制导导弹、激光半主动制导导弹、激光驾束制导导弹、惯性制导导弹、无控导弹、巡飞导弹、防空导弹等，弹上部件可大体分为导引头、惯性测量元件(IMU)、舵机、发动机以及战斗部等，其中导引头包括捷联主动寻的导引头、捷联半主动寻的导引头、平台主动导引头、平台半主动导引头等；惯性测量元件包括导航用惯性测量元件、控制用惯性测量元件等；舵机包括单通道舵机、双通道舵机、三通道舵机等；发动机包括超口径高能量增程发动机、超口径低特征信号增程发动机、同口径增速发动机等；战斗部包括聚能破甲战斗部、攻坚战斗部、爆破杀伤战斗部等。各种类导弹均可安装相应的部件满足任务的需求。导引头部件和测量元件影响装备体系的精度指标，且通过相应的组成单元成本影响精度成本指标；舵机影响装备体系的精度指标和射程指标，且通过相应的组成单元成本影响精度成本指标和射程成本指标；发动机影响装备体系的射程指标，且通过相应的组成单元成本影响射程成本指标；战斗部影响装备体系的威力指标，且通过相应的组成单元成本影响威力成本指标。
各层的组成要素与相邻层次间的组成要素的相关关系可用连线加以表示，由于划分的层次中处于同一层的各组成要素特性不同，对上一层要素的影响程度也不尽相同，因此在建立优化模型进行优化设计的过程中需依次确定各层的组成要素分别对上一层要素的影响程度，也即该要素对上层相关要素的贡献度。
所述步骤S104：为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系，其中：
效能域包括根据效能分析模型得到的装备系统的一系列效能值，是整个优化设计问题的目标函数，指导整体的弹种及使用部件方案的设计，处于最顶层；任务域包括根据假想目标特点和作战需求的不同而需要完成的各种不同任务，为效能域提供总体的指标方案并为弹种及部件设计提供直接的参考标准；方案域包括根据不同的作战任务而确定的不同导弹种类和部件组合的有效设计方案，是整体优化问题的可行域；参数域包括各层级指标这间的影响关系，例如，通过专家打分法确定的各层组成要素分别对上一层要素的影响程度，也即贡献度。参数域直接影响整体效能函数的构建，进而影响整体设计方案是否与实际情况相吻合；成本域包括装备系统中各部件的成本信息，与所用的系统的部件数量成负相关，成本域相关信息的引入使得系统效能可能存在最优解；信息域包括已知的作战需求信息、假想目标集群特性信息等，为系统进行任务域划分以及参数域幅值提供直接依据，是优化问题的前提与基础。参数域和信息域不显含于层次结构图中。各个域的关系示意图，如图4所示。
基于效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，结合分层结果，能够表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系。
所述步骤S105：基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000081
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取，其中：
指派模型是一种在特定的约束条件下用于形成人员与任务之间最优匹配方案的数学模型。类似于现实生活中为若干人员分配若干项工作任务，在满足特定的指派要求条件下，使得指派方案总体效果最佳。本实施例中，将导弹装备系统抽象为相应的指派模型，在满足一定的约束条件下进行计算求解。
本实施例中，根据划分的层次，可以将不同性能参数的各类部件分别看做需要完成不同任务的“人”，将不同性能参数的各类部件对顶层装备系统效能的绝对贡献度看做完成不同任务的“效率”，以此建立相应的指派模型。
所述建立指派模型，包括：
步骤S1051：确定表征不同类型部件属性的性能指标；
本实施例中，以有效作用距离来表征导引头类型部件属性；以姿态精度和位置精度来表征IMU类型部件属性；以最大舵偏角和最大舵偏角速度来表征舵机类型部件属性；以推力和总冲来表征发动机类型部件属性；以质量来表征战斗部类型部件属性；
例如，针对某导弹装备体系，以一些离散的数值来表征不同类型部件的不同属性，其中导引头有效作用距离分别为8km、9km、10km；IMU姿态精度为1deg/h、2deg/h、3deg/h，位置精度为1m/h、2m/h、3m/h；舵机的最大舵偏角为25deg、30deg、35deg，最大舵偏角速度为200deg/s、225deg/s、250deg/s；发动机的推力为40kN、45kN、50kN，总冲为300kN·s、350kN·s、400kN·s；战斗部质量为150kg、175kg、200kg。为了表示不同的属性参数值对部件任务性能和成本性能的影响，引入影响系数，其取值范围为[0,1]，取值越大表示在该属性参数下部件的任务性能和成本性能越高。不同类型的部件的各属性参数值的影响系数如表1所示：
Figure BDA0002734054030000091
Figure BDA0002734054030000101
表1不同部件属性参数值的影响系数
步骤S1052：定义所述导弹装备系统弹种优化设计模型的决策变量xijkm，其中：
Figure BDA0002734054030000102
若部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i被选取，则xijkm＝1，若未被选取，则xijkm＝0；
步骤S1053：确定约束条件，即
表示每个部件至多属于5种类型部件其中之一,即
Figure BDA0002734054030000103
表示每种类型部件中至少有一个部件入选,即
Figure BDA0002734054030000104
步骤S1054：确定所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000105
所述步骤S106：定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环，包括：
步骤S1061：定义作战环元功能节点，所述元功能节点是一个三元组，所述三元组包括节点标识、节点类型和节点风险向量，表示为：
v＝(Identity,Type,Risk)
其中，Identity代表节点标识，表示元功能节点在整个装备系统中的性质，即任务性元功能节点和成本性元功能节点；Type代表节点类型，指元功能节点的分类，可以将元功能节点分成不同的类型；Risk代表节点风险，即在不同类型部件组成的不同弹种执行相应作战任务的过程中存在的风险，定义为各节点的实际任务性能与理想任务性能间的差距；
步骤S1062：对所述元功能节点进行分类，将元功能节点分为感知、测量、操控、动力、影响、目标共六种类型，表示为：
Type＝(S,M,C,P,I,T)
其中，S为元功能感知节点；M为元功能测量节点；C为元功能操控节点；P为元功能动力节点；I为元功能影响节点；T为元功能目标节点。在本实施例的装备系统结构组成中，元功能感知节点代表截获、跟踪敌方目标的核心部件，包括捷联主动寻的导引头、捷联半主动寻的导引头、平台主动导引头和平台半主动导引头；元功能测量节点代表测量导弹位置、姿态等信息的核心部件，包括导航用IMU和控制用IMU；元功能操控节点代表根据导引信息操纵导弹运动的核心部件，包括三通道舵机、双通道舵机和单通道舵机；元功能动力节点代表为导弹提供动力的核心部件，包括超口径高能量增程发动机、超口径低特征信号增程发动机和同口径增速发动机；元功能影响节点代表执行作战过程中火力打击任务的核心部件，包括聚能破甲战斗部、攻坚战斗部和爆破杀伤战斗部；元功能目标节点代表待打击的敌方目标。
步骤S1063：建立元功能节点间的关系和作战环结构；
元功能节点和待打击的目标构成一个闭合回路,不同的作战环代表不同的弹种,不同类型的部件之间可以组合成若干种不同的作战环。当节点标识为任务性时，用m表示；当节点标识为成本性时，用c表示。任务性节点、成本性节点的作战环分别如图6-7所示。
步骤S1064：定义风险，风险表示各节点的实际任务性能与理想任务性能之间的差距，如下式所示：
Rm＝(1-pm)·vm
其中，Rm为各作战环中节点的风险；pm为节点实际任务性能达到理想任务性能的概率；vm为节点的理想任务性能；
根据作战实际，将作战环中节点S、M、C的风险系数取为0.6，节点P、I的风险系数取为0.7。
步骤S1065：计算作战环中的各节点对系统效能的绝对贡献度，计算公式为如下式：
En＝Tpn·Δt-Rmn·Δt-Cpn·Δc
其中，En为作战环中的节点对装备系统效能的绝对贡献度；Tpn为该节点的任务性能绝对贡献度；Δt为任务性能在装备系统效能中的贡献度；Rmn为该节点的风险；Cpn为该节点的成本性能绝对贡献度；Δc为成本性能在装备系统效能中的贡献度。
本实施例中，某导弹装备系统中各层要素对上层的相对影响权重，即相对贡献度如表2-1至表2-16所示：
Figure BDA0002734054030000121
表2-1
Figure BDA0002734054030000122
表2-2
Figure BDA0002734054030000123
表2-3
Figure BDA0002734054030000124
表2-4
Figure BDA0002734054030000125
Figure BDA0002734054030000131
表2-5
Figure BDA0002734054030000132
表2-6
Figure BDA0002734054030000133
表2-7
Figure BDA0002734054030000134
表2-8
Figure BDA0002734054030000135
表2-9
Figure BDA0002734054030000136
表2-10
Figure BDA0002734054030000137
表2-11
Figure BDA0002734054030000138
表2-12
Figure BDA0002734054030000139
表2-13
Figure BDA0002734054030000141
表2-14
Figure BDA0002734054030000142
表2-15
Figure BDA0002734054030000143
表2-16
步骤S1066：计算各作战环对系统效能的绝对贡献度：
Figure BDA0002734054030000145
其中，Ek为作战环对装备系统效能的绝对贡献度；En为作战环中的各节点对装备体系效能的绝对贡献度；
根据表1，表2-1至表2-16，可计算出各作战环中不同属性参数节点对装备系统效能的绝对贡献度，计算结果如表3-1至表3-8所示。
Figure BDA0002734054030000146
表3-1
Figure BDA0002734054030000151
表3-2
Figure BDA0002734054030000152
表3-3
Figure BDA0002734054030000154
表3-4
Figure BDA0002734054030000155
表3-5
Figure BDA0002734054030000156
Figure BDA0002734054030000161
表3-6
Figure BDA0002734054030000162
表3-7
Figure BDA0002734054030000163
表3-8
步骤S1067：确定作战环能否入选最优组合的判断条件，用于判断作战环是否入选最优组合的条件是作战环的整体任务性能、成本性能和风险之间的关系，若作战环的任务性能大于成本性能与风险的和，则该作战环对装备系统的综合作战效能产生积极影响，则该作战环，也即该弹种入选最优组合；若某作战环的任务性能小于成本性能与风险的和，即对装备系统的综合作战效能产生消极影响时，该弹种不能入选最优组合。
根据作战环的定义，作战过程中任一单独的节点不能独立完成作战任务，各节点需相互协同共同组成弹种完成相应的作战任务。可以计算得出不同属性参数值的部件共有12×6×9×9×9＝52488种不同的组合，也即有52488种不同的子作战环，每一种作战环代表一个弹种，因此该优化问题的可行域为52488种作战环。用于判断作战环是否入选最优组合的条件是作战环的整体任务性能、成本性能和风险之间的关系，若某子作战环的任务性能大于成本性能和风险的和，即对装备体系的综合作战效能产生积极影响时，则该作战环，也即该弹种入选最优组合；若某子作战环的任务性能小于成本性能和风险的和，即对装备体系的综合作战效能产生消极影响时，则该弹种不能入选最优组合，即满足
Figure BDA0002734054030000171
其中，i的最大值为12+6+9+9+9＝45，即有45种不同属性参数值的备选部件。其中，Tpni为作战环中第i种部件节点的任务性能绝对贡献度，γni为作战环中第i种部件节点属性参数值的影响系数，Rmni为作战环中第i种部件节点的风险，Cpni为作战环中第i种部件节点的成本性能绝对贡献度；
由此可以得出该优化问题在指派模型的基础上采用快速求解方法简化的数学模型如下：
Figure BDA0002734054030000172
步骤S107：基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合，包括：
基于入选最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到最优的弹种组合及相应的参数值、以及对系统效能的绝对贡献度。
本实施例中，得到的最优的弹种组合及相应的参数值、对系统效能的绝对贡献度如表4-1至表4-6所示。
Figure BDA0002734054030000173
表4-1
Figure BDA0002734054030000181
表4-2
Figure BDA0002734054030000182
表4-3
Figure BDA0002734054030000183
表4-4
Figure BDA0002734054030000184
表4-5
Figure BDA0002734054030000191
表4-6
从表4-1至表4-6的结果中可以得出，最优的弹种组合中部件均采用了导引头部件中的捷联半主动寻的导引头、IMU部件中的控制用IMU、舵机部件中的单通道舵机、发动机部件中的超口径低特征信号增程发动机和战斗部部件中的聚能破甲战斗部，各弹种对应的表征部件属性的参数值不同。针对导弹种类层中不同类型的导弹，上表得出的不同参数的弹种组合决定了最终弹种层中的弹种组合。对于卫星制导导弹，要求导引头有效作用距离和IMU姿态精度和位置精度均为本算例所给参数范围的最大值，即导引头有效作用距离为10km，IMU姿态精度为1deg/h、位置精度为1m/h，而上表中的结果中不包含满足精度参数要求的弹种，故最优的弹种组合不包括卫星制导导弹；由于采用了捷联半主动寻的导引头和控制用IMU，故最优的弹种组合不包括激光驾束制导导弹和无控导弹。综合上表中最优弹种组合的参数值，可以得出弹种层的最优弹种组合为激光半主动制导导弹、惯性制导导弹、巡飞导弹和防空导弹，从而使得装备体系的综合效能最大。
本发明实施例进一步给出一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计装置，如图8所示，所述装置包括：
模型建立模块：配置为建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
层次划分模块：配置为对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
映射模块：配置为对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
域建立模块：配置为为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
指派模型建立模块：配置为基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure BDA0002734054030000201
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
定义模块：配置为定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
求解模块：配置为基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，实体机服务器，或者网络云服务器等，需安装Windows或者Windows Server操作系统)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101：建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
步骤S102：对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
步骤S103：对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
步骤S104：为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
步骤S105：基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure FDA0003609563170000011
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
步骤S106：定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
步骤S107：基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
2.如权利要求1所述的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法，其特征在于，效能域包括根据效能分析模型得到的装备系统的一系列效能值，是优化设计问题的目标函数，指导整体的弹种及使用部件方案的设计，处于最顶层；任务域包括根据假想目标特点和作战需求的不同而需要完成的各种不同任务，为效能域提供总体的指标方案并为弹种及部件设计提供直接的参考标准；方案域包括根据不同的作战任务而确定的不同导弹种类和部件组合的有效设计方案，是整体优化问题的可行域；参数域包括各层级指标之间的影响关系；成本域包括装备系统中各部件的成本信息，与所用的系统的部件数量成负相关，成本域相关信息的引入使得系统效能可能存在最优解；信息域包括已知的作战需求信息、假想目标集群特性信息；参数域和信息域不显含于层次结构图中。
3.如权利要求1所述的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计方法，其特征在于，步骤S106：定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环，包括：
步骤S1061：定义作战环元功能节点，所述元功能节点是一个三元组，所述三元组包括节点标识、节点类型和节点风险向量，表示为：
v＝(Identity,Type,Risk)
其中，Identity代表节点标识，表示元功能节点在整个装备系统中的性质，即任务性元功能节点和成本性元功能节点；Type代表节点类型，指元功能节点的分类，可以将元功能节点分成不同的类型；Risk代表节点风险，即在不同类型部件组成的不同弹种执行相应作战任务的过程中存在的风险，定义为各节点的实际任务性能与理想任务性能间的差距；
步骤S1062：对所述元功能节点进行分类，将元功能节点分为感知、测量、操控、动力、影响、目标共六种类型，表示为：
Type＝(S,M,C,P,I,T)
其中，S为元功能感知节点；M为元功能测量节点；C为元功能操控节点；P为元功能动力节点；I为元功能影响节点；T为元功能目标节点；
步骤S1063：建立元功能节点间的关系和作战环结构；
步骤S1064：定义风险，风险表示各节点的实际任务性能与理想任务性能之间的差距，如下式所示：
Rm＝(1-pm)·vm
其中，Rm为各子作战环中节点的风险；pm为节点实际任务性能达到理想任务性能的概率；vm为节点的理想任务性能；
步骤S1065：计算作战环中的各节点对系统效能的绝对贡献度，计算公式如下式：
En＝Tpn·Δt-Rmn·Δt-Cpn·Δc
其中，En为作战环中的节点对装备系统效能的绝对贡献度；Tpn为该节点的任务性能绝对贡献度；Δt为任务性能在装备系统效能中的贡献度；Rmn为该节点的风险；Cpn为该节点的成本性能绝对贡献度；Δc为成本性能在装备系统效能中的贡献度；
步骤S1066：计算各作战环对系统效能的绝对贡献度：
Figure FDA0003609563170000031
其中，Ek为作战环对装备系统效能的绝对贡献度；En为作战环中的各节点对装备体系效能的绝对贡献度；
步骤S1067：确定作战环能否入选最优组合的判断条件，用于判断作战环是否入选最优组合的条件是作战环的整体任务性能、成本性能和风险之间的关系，若作战环的任务性能大于成本性能与风险的和，则该作战环对装备系统的综合作战效能产生积极影响，则该作战环，也即该弹种入选最优组合；若某作战环的任务性能小于成本性能与风险的和，即对装备系统的综合作战效能产生消极影响时，该弹种不能入选最优组合。
4.一种基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计装置，其特征在于，所述装置包括：
模型建立模块：配置为建立以系统效能为引导的弹种优化设计模型，所述弹种优化设计模型包括任务性能类通用设计模块及成本性能类通用设计模块；所述任务性能类通用设计模块包括任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块；所述成本性能类通用设计模块包括任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块；
层次划分模块：配置为对所述弹种优化设计模型进行层次划分，划分为目标层、子目标层、任务成本层、指标成本层、部件成本层、部件层和导弹种类层；
映射模块：配置为对所述任务需求模块、能力需求模块、任务指标模块、任务成本模块、成本指标模块、部件成本模块依据层次分析法进行层次分解，确定各模块的组成要素，各模块的组成要素能够映射到层次划分得到的层次中；分解得到的层次与对所述弹种优化设计模型进行层次划分得到的层次相对应；对每个模块，按照各组成要素间的相互影响关系逐层聚合；
域建立模块：配置为为所述弹种优化设计模型建立效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域；确定所述效能域、任务域、成本域、方案域、参数域和信息域的关系，表征所述弹种优化设计模型中各层要素之间的关系；
指派模型建立模块：配置为基于各模块的组成要素所属的层次，建立指派模型；所述指派模型的目标函数为：
Figure FDA0003609563170000041
其中，cikm为不同性能参数值的各类型部件对导弹装备系统效能的绝对贡献度；k和m的取值范围根据每类部件具体性能属性的种类和待选取的参数值数量而定；xijkm表示部件j中属于第k种属性的第m个参数值的部件i是否被选取，若xijkm＝1，表示被选取，若xijkm＝0，表示未被选取；
定义模块：配置为定义作战环元功能节点，对所述元功能节点进行分类，建立元功能节点间的关系和作战环结构；计算作战环中各元功能节点、各作战环对所述导弹装备系统的绝对贡献度，获取最优组合的作战环；
求解模块：配置为基于所述最优组合的作战环，对所述指派模型进行求解，得到弹种组合。
5.如权利要求4所述的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计装置，其特征在于，效能域包括根据效能分析模型得到的装备系统的一系列效能值，是优化设计问题的目标函数，指导整体的弹种及使用部件方案的设计，处于最顶层；任务域包括根据假想目标特点和作战需求的不同而需要完成的各种不同任务，为效能域提供总体的指标方案并为弹种及部件设计提供直接的参考标准；方案域包括根据不同的作战任务而确定的不同导弹种类和部件组合的有效设计方案，是整体优化问题的可行域；参数域包括各层级指标这间的影响关系；成本域包括装备系统中各部件的成本信息，与所用的系统的部件数量成负相关，成本域相关信息的引入使得系统效能可能存在最优解；信息域包括已知的作战需求信息、假想目标集群特性信息；参数域和信息域不显含于层次结构图中。
6.如权利要求4所述的基于指派模型的导弹装备系统弹种优化设计装置，其特征在于，所述定义模块，包括：
第一定义子模块：配置为定义作战环元功能节点，所述元功能节点是一个三元组，所述三元组包括节点标识、节点类型和节点风险向量，表示为：
v＝(Identity,Type,Risk)
其中，Identity代表节点标识，表示元功能节点在整个装备系统中的性质，即任务性元功能节点和成本性元功能节点；Type代表节点类型，指元功能节点的分类，可以将元功能节点分成不同的类型；Risk代表节点风险，即在不同类型部件组成的不同弹种执行相应作战任务的过程中存在的风险，定义为各节点的实际任务性能与理想任务性能间的差距；
分类子模块：配置为对所述元功能节点进行分类，将元功能节点分为感知、测量、操控、动力、影响、目标共六种类型，表示为：
Type＝(S,M,C,P,I,T)
其中，S为元功能感知节点；M为元功能测量节点；C为元功能操控节点；P为元功能动力节点；I为元功能影响节点；T为元功能目标节点；
作战环建立子模块：配置为建立元功能节点间的关系和作战环结构；
第二定义子模块：配置为定义风险，风险表示各节点的实际任务性能与理想任务性能之间的差距，如下式所示：
Rm＝(1-pm)·vm
其中，Rm为各子作战环中节点的风险；pm为节点实际任务性能达到理想任务性能的概率；vm为节点的理想任务性能；
第一计算子模块：配置为计算作战环中的各节点对系统效能的绝对贡献度，计算公式为如下式：
En＝Tpn·Δt-Rmn·Δt-Cpn·Δc
其中，En为作战环中的节点对装备系统效能的绝对贡献度；Tpn为该节点的任务性能绝对贡献度；Δt为任务性能在装备系统效能中的贡献度；Rmn为该节点的风险；Cpn为该节点的成本性能绝对贡献度；Δc为成本性能在装备系统效能中的贡献度；
第二计算子模块：配置为计算各作战环对系统效能的绝对贡献度：
Figure FDA0003609563170000061
其中，Ek为作战环对装备系统效能的绝对贡献度；En为作战环中的各节点对装备体系效能的绝对贡献度；
最优组合判断子模块：配置为确定作战环能否入选最优组合的判断条件，用于判断作战环是否入选最优组合的条件是作战环的整体任务性能、成本性能和风险之间的关系，若作战环的任务性能大于成本性能与风险的和，则该作战环对装备系统的综合作战效能产生积极影响，则该作战环，也即该弹种入选最优组合；若某作战环的任务性能小于成本性能与风险的和，即对装备系统的综合作战效能产生消极影响时，该弹种不能入选最优组合。
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