CN116090356B - 基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法 - Google Patents

基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法 Download PDF

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CN116090356B CN202310321492.3A CN202310321492A CN116090356B CN 116090356 B CN116090356 B CN 116090356B CN 202310321492 A CN202310321492 A CN 202310321492A CN 116090356 B CN116090356 B CN 116090356B
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Abstract

本发明公开了一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，包括：以最大化弹群分配的任务可靠性和最大化弹群分配的效费比为优化目标，构建异构弹群的双目标优化模型；基于MOEA/D算法对所述双目标优化模型求解，且在求解过程中，利用切比雪夫函数进行方案对比，得到弹群目标分配方案的帕累托前沿解集。本发明不仅能有效提高弹群目标分配的任务可靠性，还可以提高弹群目标分配的效率，适用于对作战任务可靠性要求极高的作战场景。

Description

基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法
技术领域
本发明涉及计算机仿真技术领域，更具体的说是涉及一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法。
背景技术
异构弹群任务规划，起源于20世纪70年代的美国舰队防空领域，其核心是将具有不同毁伤能力和经济价值的弹群在一定条件的约束下分配给不同的目标，在满足目标毁伤要求的前提下尽可能地减少作战资源消耗，以使弹群利用率最大化，进而优化整个火力打击体系。
在现代化战争中，战场要素种类繁多、作战环境瞬息万变，为提高飞航武器系统的整体作战效能与可靠程度并实现较高水平的多飞航武器协同作战，需要针对战场中存在的动态特性对任务进行统筹、分配与协调。一般对于战术层面，这一统筹计划的过程被称为“任务规划”。
相关技术在解决弹群目标分配问题时未考虑分配方案的任务可靠性，目前尚未提出有效的技术解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，不仅能有效提高弹群目标分配的任务可靠性，还可以提高弹群目标分配的效率，适用于对作战任务可靠性要求极高的作战场景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，包括：
以最大化弹群分配的任务可靠性和最大化弹群分配的效费比为优化目标，构建异构弹群的双目标优化模型；
基于MOEA/D算法对所述双目标优化模型求解，且在求解过程中，利用切比雪夫函数对求解的方案进行对比，得到弹群目标分配方案的帕累托前沿解集。
进一步的，所述双目标优化模型为：
Figure SMS_1
；
其中，maximize表示最大化目标值，f1表示目标函数一，f2表示目标函数二，I、II、III、IV、V、VI分别表示约束条件；
目标函数一表示最大化弹群分配的效费比，其表达式表示：
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；
目标函数二表示最大化弹群分配的任务可靠性，其表达式表示：
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进一步的，所述双目标优化模型的约束条件为：
约束I：
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，表示确保弹群分配的数量不超过最大可用数量；
约束II：
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，表示确保弹药最多只分配一个目标；
约束III：
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，表示确保分配的弹药是有效无故障的；
约束IV：
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，表示确保分配的弹药与目标距离不能超过弹药的航程；
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进一步的，影响弹群分配的任务可靠性的因素包括：自身弹药的可靠性、电子对抗干扰、敌方防空武器拦截和弹药的毁伤概率。
进一步的，对某一弹群目标分配方案的任务可靠性的计算过程包括：
获取弹群的状态信息及各目标区域的防空能力信息；
针对目标区域S，计算我方弹药
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不被拦截的概率Pci：
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；
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以区域S内J个目标全部被摧毁为任务成功准则，根据任务成功准则，计算区域S任务可靠性Rs：
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对各个目标区域实施打击，按照目标函数二计算该弹群目标分配方案下异构弹群在自身影响和对抗博弈下的任务可靠性；
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进一步的，利用切比雪夫函数进行方案对比时，采用修复因子和罚函数法处理约束条件，利用修复因子纠正不可行方案使其满足约束条件，利用罚函数法降低不可行方案的遗传概率。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，针对目标打击筹划中弹群平台资源约束、决策变量0-1整数约束、航迹约束、健康状态约束以及任务可靠性要求，以最大化任务可靠性和最大化分配方案效费比为优化目标，构建双目标优化模型。基于MOEA/D算法，采用理想点和极值点的切比雪夫公式求解多目标优化模型，解决弹群目标分配问题中兼顾分配方案的任务可靠性问题，本发明不仅能有效提高弹群目标分配的任务可靠性，还可以提高弹群目标分配的效率，适用于对作战任务可靠性要求极高的作战场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法的流程图；
图2为本发明提供的任务可靠性的串联模型框图；
图3为本发明提供的基于MOEA/D算法和切比雪夫函数对双目标优化模型求解的流程图；
图4为本发明提供的对弹药和目标进行编码的示意图；
图5为本发明提供的帕累托前沿解集示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，包括：
以最大化弹群分配的任务可靠性和最大化弹群分配的效费比为优化目标，构建异构弹群的双目标优化模型；
基于MOEA/D算法对双目标优化模型求解，且在求解过程中，利用切比雪夫函数对求解的方案进行对比，得到弹群目标分配方案的帕累托前沿解集。
具体来说，本发明实施例的双目标优化模型，包含两个目标函数，分别为效费比和弹群的任务可靠性。效费比目标是弹群效用和弹群成本的比值，反映了弹群分配的高效性和经济性。任务可靠性目标反映了弹群完成任务的能力，是反映作战任务可靠性和质量的指标。效费比和任务可靠性是一对冲突的目标，提高弹群分配的效费比会降低弹群分配的任务可靠性，两个目标不能同时达到最优，因此构建双目标模型，求解帕累托前沿解集。同时，需要考虑弹群的数量约束，决策变量0-1整数约束，航程约束，状态约束和可靠性约束等多个约束条件。
最终构建好的双目标优化模型为：
Figure SMS_69
；
其中，maximize表示最大化目标值，f1表示目标函数一，f2表示目标函数二，I、II、III、IV、V、VI分别表示约束条件；
目标函数一表示最大化弹群分配的效费比，其表达式表示：
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双目标优化模型的约束条件为：
约束I：
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，表示确保弹群分配的数量不超过最大可用数量；
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，表示确保弹药最多只分配一个目标；
约束III：
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，表示确保分配的弹药是有效无故障的；
约束IV：
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，表示确保分配的弹药与目标距离不能超过弹药的航程；
约束V：
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，表示确保满足区域任务可靠性准则；
约束VI：
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在一个具体实施例中，影响弹群分配的任务可靠性的因素包括：自身弹药的可靠性、电子对抗干扰、敌方防空武器拦截和弹药的毁伤概率。
下面结合影响弹群分配的任务可靠性的因素，对某一弹群目标分配方案的任务可靠性的计算过程包括：
获取弹群的状态信息及各目标区域的防空能力信息；
针对目标区域S，计算我方弹药
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不被拦截的概率Pci：
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；
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以区域S内J个目标全部被摧毁为任务成功准则，因此将区域目标作为节点构成串联模型，如图1所示；根据任务成功准则，计算区域S任务可靠性Rs：
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；
对各个目标区域实施打击，按照目标函数二计算该弹群目标分配方案下异构弹群在自身影响和对抗博弈下的任务可靠性；同样，多个区域构成的任务可靠性模型也为串联模型；
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利用切比雪夫函数进行方案对比时，采用修复因子和罚函数法处理约束条件，利用修复因子纠正不可行方案使其满足约束条件，利用罚函数法降低不可行方案的遗传概率。
具体来说，对于约束条件I、II、III、IV，不满足这些约束条件的分配方案通过修复因子，修改为满足约束条件的分配方案。具体为：
对于约束条件I，不满足约束时随机取消弹药的分配，从而减少弹群使用数量，达到约束条件。
对于约束条件II，不满足约束时，即某弹药分配给多个目标，修复为从多个目标中随机保留一个目标或不分配。
对于约束条件III，不满足健康状态约束时，取消该弹药的分配。
对于约束条件IV，不满足距离约束时，随机将弹药分配给另一个满足距离约束的目标。
对于约束条件V，对达不到任务可靠性指标的分配方案进行惩罚，降低该方案的遗传的概率。罚函数定义为：
Figure SMS_137
；
其中，
Figure SMS_138
为目标函数。
约束条件VI在编码时规定为0-1整数编码，因此不需要额外处理。
下面，以一具体实例对本发明上述方案做进一步的说明。
1、实例初始化，具体包括：
可用的弹群数量
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，设定为20。
弹药类型列表，weapon_type_list = [1, 2, 0,…,1]，一维数组长度为
Figure SMS_141
，数值对应该编号弹药的类型，弹群根据战斗部分为3类，0代表杀爆、1代表破甲、2代表侵彻。
目标类型列表，target_type_list = [1, 2, 0,…,1]，一维数组长度为
Figure SMS_142
，数值对应该编号目标的类型，目标类型分为3类，0代表士兵、1代表装甲、2代表雷达等传感器。
目标所属区域列表，target_area_list = [1, 2, 0,…,1]，一维数组长度为
Figure SMS_143
，数值对应该编号目标所在区域，区域设定有3个，0代表目标在区域0，以此类推。
设定交叉概率
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目标区域防御弹药数量
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，分别代表3个区域的防御武器数量，实例中设定为[5，5，5]。
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弹群位置为二维坐标矩阵。目标位置为二维坐标矩阵，计算弹药
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理想点和极值点初始化为
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。
解的编码方式由决策变量
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决定，为/>
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的0-1整数矩阵，每一行代表某个弹药对所有目标的分配结果。由于实施例中弹群数量和目标数量太大，不方便展示编码，图4展示弹群数量为10，目标数量为3的编码结构。
2、种群初始化：
随机生成数量为
Figure SMS_177
的种群。
初始化邻居向量。某向量的邻居向量定义为所有权重向量
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中同该向量距离最小的向量集合。实例中邻居数量/>
Figure SMS_179
为5，第一个邻居为向量本身，其余4个邻居按距离从小到大排序。
3、初始化之后，利用MOEA/D算法结合切比雪夫函数对模型进行迭代求解，迭代过程如图3所示，具体为：
当没有达到最大迭代次数时：
对于种群中的每一个个体
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，参与进化。进化过程为：
交叉变异：
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与/>
Figure SMS_183
先按交叉概率通过交叉算子操作，再根据变异概率通过变异算子发生变异，生成2个新个体。
修复：对于新个体，先判断是否满足约束条件I、II、III、IV，对不满足以上约束条件的个体通过修复算子进行纠正。若不满足约束条件I，则随机取消弹药的分配，从而减少弹群使用数量，达到约束条件。若不满足约束条件II，将该弹药从分配的多个目标中随机保留一个目标或不分配。若不满足约束条件III，即不满足健康状态约束时，取消该弹药的分配，将决策变量置为0。若不满足约束条件IV，即不满足距离约束时，随机将弹药分配给另一个满足距离约束的目标。通过修复算子得到新个体
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Figure SMS_185
。
同样地，
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与/>
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生成2个新个体/>
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Figure SMS_189
。
计算
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。其中，计算切比雪夫值时，需要计算如上的两个目标函数。
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优于/>
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，则将/>
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取代/>
Figure SMS_201
，并更新前沿解和对应的目标函数值。更新理想点与极值点，因为是求两个目标的最大值，理想点更新为迭代过程中求得的目标函数的最大值，极值点为迭代过程中求得的目标函数的最小值。更新邻居向量。
重复迭代过程，直到满足终止条件。
达到终止条件后，输出求得的帕累托前沿解，及其对应的目标函数值。
本实例计算求得的帕累托前沿如图5所示，纵轴为效费比，横轴为任务可靠性，图中展示的每一个点对应一个非支配的弹群目标分配方案。可以看出任意一个解都有各自的优势，或是效费比高，或是任务可靠性高。该实施例求解出的众多方案，可辅助最终的决策，决策者可以根据实际场景，从众多方案中选择一个最佳的方案进行弹群分配。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，其特征在于，包括：
以最大化弹群分配的任务可靠性和最大化弹群分配的效费比为优化目标，构建异构弹群的双目标优化模型；
基于MOEA/D算法对所述双目标优化模型求解，且在求解过程中，利用切比雪夫函数对求解的方案进行对比，得到弹群目标分配方案的帕累托前沿解集；
所述双目标优化模型为：
maximize f1 and f2，
s.t.I，II，III，IV，V，VI
其中，maximize表示最大化目标值，f1表示目标函数一，f2表示目标函数二，I、II、III、IV、V、VI分别表示约束条件；
目标函数一表示最大化弹群分配的效费比，其表达式表示：
Figure FDA0004231178510000011
目标函数二表示最大化弹群分配的任务可靠性，其表达式表示：
Figure FDA0004231178510000012
其中，A表示目标集合；Vj表示目标j的价值；Rj表示摧毁目标j的任务可靠性；M表示弹群数量；Ci表示弹药i的价值；xij表示是否将弹药i分配给目标j的0-1整数决策变量，xij＝1表示分配，xij＝0表示不分配；Rs表示区域S的任务可靠性；U表示区域集合；
所述双目标优化模型的约束条件为：
约束I：
Figure FDA0004231178510000013
表示确保弹群分配的数量不超过最大可用数量；
约束II：
Figure FDA0004231178510000014
表示确保弹药最多只分配一个目标；
约束III：si＝1，表示确保分配的弹药是有效无故障的；
约束IV：dij≤Di，表示确保分配的弹药与目标距离不能超过弹药的航程；
约束V：Rs≥0.9，表示确保满足区域任务可靠性准则；
约束VI：xij＝0或1，表示0-1整数变量约束；
其中，M表示弹群数量；dij表示弹药i到目标j的距离；Di表示弹药i的航程；si表示弹药的性能状态，si＝1表示性能正常，si＝0表示发生故障；
对某一弹群目标分配方案的任务可靠性的计算过程包括：
获取弹群的状态信息及各目标区域的防空能力信息；
针对目标区域S，计算我方弹药i不被拦截的概率Pci：
Figure FDA0004231178510000021
计算我方弹药i的任务可靠度Ri：
Ri＝rireiPcipij
由概率公式计算区域S中摧毁目标j的任务可靠度Rj：
Figure FDA0004231178510000022
以区域S内J个目标全部被摧毁为任务成功准则，根据任务成功准则，计算区域S任务可靠性Rs：
Figure FDA0004231178510000023
对各个目标区域实施打击，按照目标函数二计算该弹群目标分配方案下异构弹群在自身影响和对抗博弈下的任务可靠性；
其中，m表示同时对区域S发射弹药的数量，n表示区域S中的可防御武器数量，假设防空武器对我方m枚弹药以同等概率拦截，但是对不同弹药的拦截成功概率PQi不同；ri表示弹药i自身的可靠性；rei表示弹药i在电磁对抗恶劣环境下的可靠性；pij表示弹药i对目标j的毁伤概率；弹药i的健康状态由自身的可靠性ri和电磁对抗恶劣环境下的可靠性rei共同决定，当ri不低于设定的可靠性阈值ε，且rei不低于电磁对抗恶劣环境下的可靠性阈值εe，则弹药的状态为健康，si设置为1，否则设置为0。
2.根据权利要求1所述的一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，其特征在于，影响弹药分配的任务可靠性的因素包括：自身弹药的可靠性、电子对抗干扰、敌方防空武器拦截和弹药的毁伤概率。
3.根据权利要求1所述的一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，其特征在于，切比雪夫函数的表达式为：
Figure FDA0004231178510000031
其中，fi(·)表示第i个目标函数，i表示目标函数的下标；x表示双目标优化模型的一个分配方案；z*表示目标函数空间上的理想点，znad表示目标函数空间上极值点，理想点和极值点随着算法的迭代过程而不断更新；x表示某一弹群目标分配方案；gte表示切比雪夫函数；λ表示权重向量。
4.根据权利要求1所述的一种基于任务可靠性约束的异构弹群多目标任务规划方法，其特征在于，利用切比雪夫函数进行方案对比时，采用修复因子和罚函数法处理约束条件，利用修复因子纠正不可行方案使其满足约束条件，利用罚函数法降低不可行方案的遗传概率。
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