NL1003873C2

NL1003873C2 - Werkwijze voor het bedienen van een vuurleidingssysteem.

Info

Publication number: NL1003873C2
Application number: NL1003873A
Authority: NL
Inventors: Jan Klaas Brouwer
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 1998-03-03
Also published as: DE69707476D1; AR008424A1; DE69707476T2; IL128122A; AU724187B2; WO1998009131A1; AU4208697A; CA2263314A1; ZA977114B; US6186397B1; TR199900378T2; IL128122A0; EP0920598A1; EP0920598B1

Description

Werkwijze voor het bedienen van een vuurleidinassvsteem

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bedienen van een vuurleidingssysteem geschikt voor het 5 althans in hoofdzaak gelijktijdig bestrijden van meerdere dreigingen, onder gebruikmaking van sensoren en wapens, waarbij op basis van een omgeving van het vuurleidingssysteem en op basis van een gekozen geschiktheidscriterium uit een voorraad van bijvoorbeeld heuristisch bepaalde 10 mogelijke planningen één planning wordt gekozen voor het bestrijden van de dreigingen.

Een werkwijze van deze soort wordt feitelijk steeds toegepast bij grote vuurleidingssystemen, zoals die 15 bijvoorbeeld aan boord van marineschepen worden aangetroffen. Het blijkt echter dat het opstellen van heuristisch bepaalde planningen, gebaseerd op een grote hoeveelheid taktische en logistieke informatie, erg tijdrovend is. Daarnaast is een voorraad zo bepaalde 20 planningen nooit volledig, er blijken steeds weer dreigingen te bestaan waarvoor er geen geschikte planning is. Ook blijkt een kleine wijziging in het vuurleidingssysteem steeds fataal voor de bestaande planningen. Tenslotte blijkt dat het voor een commandant, die 25 uiteindelijk een mogelijke planning moet kiezen, een vrijwel onmogelijke opgave in het korte tijdsbestek dat hem ter beschikking staat een beste mogelijke planning te kiezen. Het feit dat als geschiktheidscriterium doorgaans de overlevingskans van het eigen schip wordt gehanteerd, 30 illustreert het belang van het vinden van de beste mogelijke planning.

De werkwijze volgens de uitvinding gaat eveneens uit van de voorraad mogelijke planningen, maar heeft als kenmerk dat 35 vóórdat een planning wordt gekozen er eerst een genetisch 100 3 87 3 2 algoritme op de voorraad van mogelijke planningen wordt toegepast voor het genereren van additionele planningen, en dat voor het bestrijden van de dreigingen een beste mogelijke planning uit de voorraad wordt gekozen met het 5 geschiktheidscriterium als maatstaf. Op deze wijze kunnen planningen worden gegenereerd die niet direct op heuristische basis worden gevonden, wat de overlevingskans van het schip of van een te beschermen object kan vergroten.

10

Genetische algoritmen zullen, zonder bijzondere maatregelen, naast mogelijke planningen vooral planningen genereren die onmogelijk zijn, bijvoorbeeld doordat ze geen rekening houden met de beperkingen van een wapen of van een 15 sensor of van de voorraad munitie. Een gunstige uitvoeringsvorm van werkwijze volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk, dat het genetisch algoritme uitsluitend mogelijke planningen genereert. Dit voorkomt dat de voorraad van mogelijke planningen vervuild raakt met 20 onmogelijke planningen.

Bij het genereren van heuristisch bepaalde planningen is het zeer wel mogelijk dat bepaalde groepen van op zich mogelijke planningen buiten beschouwing blijven, 25 bijvoorbeeld omdat ze niet stroken met op dat moment gangbare strategieën. Het is daarom zinvol om ook wat minder goed doordachte, op zich mogelijke planningen toe te voegen die de opeenvolgende generaties van planningen, zoals die door het genetisch algoritme worden voort-30 gebracht, een wat onvoorziene wending kunnen laten nemen. Een gunstige realisatie van de werkwijze heeft daartoe als kenmerk, dat vóórdat het genetisch algoritme op de voorraad van mogelijke planningen wordt toegepast er tenminste één willekeurige mogelijke planning aan de voorraad van 35 mogelijke planningen wordt toegevoegd.

1005 873 - 3

Voor veel typen bekende genetische algoritmen geldt dat opeenvolgend voortgebrachte generaties sterk van elkaar kunnen verschillen. Voor de hier beschreven toepassing is dit minder gewenst. Het is van voordeel dat opeenvolgende 5 generaties van mogelijke oplossingen een zekere mate van continuïteit vertonen. Een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk, dat het genetisch algoritme opeenvolgende generaties van mogelijke planningen genereert uitsluitend 10 onder toepassing van crossovers, mutaties, permutaties en kloning.

Een nog verdere verbetering van de continuïteit kan worden verkregen door een werkwijze waarbij gegenereerde 15 crossovers uitsluitend van het enkelvoudige type zijn.

Om te voorkomen dat er marginaal onmogelijke planningen worden weggegooid, heeft een nog verdere realisatie van de werkwijze als kenmerk, dat steeds getracht wordt met behulp 20 van een reparatie algoritme een door het genetisch algoritme gegenereerde niet mogelijke planning om te zetten in een mogelijke planning.

Bij het genereren van opeenvolgende generaties mogelijke 25 planningen is het noodzakelijk een moment vast te stellen waarop een mogelijke planning wordt gekozen uit de dan aanwezige voorraad mogelijke planningen. Omdat steeds bij het genereren van een volgende generatie ook kloning wordt toegepast en er dus geen vrijwel optimale planningen 30 verloren gaan, is het waarschijnlijk dat er steeds betere mogelijke planningen beschikbaar komen. Een nog verdere voordelige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk, dat de beste mogelijke planning wordt gekozen op een moment waarop een voor de 35 keuze beschikbare tijd althans nagenoeg voorbij is.

4

Omdat per missie de feitelijke doelstelling van het schip met het vuurleidingssysteero kan variëren, heeft een nog verdere uitvoeringsvorm als kenmerk, dat afhankelijk van de missie een nieuw geschiktheidscriterium aan het vuur-5 leidingssysteem kan worden opgelegd. Zo zal het geschiktheidscriterium bijvoorbeeld voorkomen dat er bij een vredestaak missiles worden ingezet of dat er bij de verdediging van een nabijgelegen waardevol object chaff wordt ingezet voor de eigen verdediging.

10

Een nog verdere zeer gunstige realisatie van de werkwijze heeft als kenmerk, dat is voorzien in een simulatie algoritme voor het simuleren van dreigingen. Simulaties worden uitsluitend gegenereerd als de omstandigheden dat 15 toelaten en hebben tot doel de bemanning voor te bereiden op een eventuele echte aanval. Bij een gesimuleerde dreiging wordt weer, zoals te doen gebruikelijk, een voorraad heuristische planningen aangemaakt. Op deze voorraad heuristische planningen wordt het genetisch 20 algoritme toegepast voor het genereren van steeds betere planningen. Met behulp van het geschiktheidscriterium kunnen opeenvolgend gegenereerde beste planningen worden vergeleken, bijvoorbeeld voor wat de overlevingskans van het eigen schip betreft. Hiermee kan het inzicht in het 25 functioneren van het doorgaans zeer complexe vuurleidings-systeem belangrijk worden vergroot.

Bij toepassing van het genetisch algoritme zal, zonder verdere maatregelen, de voorraad van mogelijke planningen 30 voortdurend toenemen, wat de goede werking van het systeem kan verstoren. Daarom voorziet een verdere gunstige uitvoeringsvorm in een eerste opruim algoritme, voor het voortdurend beperken van de voorraad van mogelijke planningen.

35 ^ 7 ^ - > ; 3 ^ 5

Bij een gegeven dreiging wordt, op basis van het geschiktheidscriterium en op basis van een gewenste restvoorraad munitie, een voorraad van mogelijke planningen heuristisch bepaald. Dit kan betekenen dat de planningen 5 ter plaatse als het ware worden geconstrueerd, maar ook dat ze onder toepassing van het geschiktheidscriterium en met inachtneming van de gewenste restvoorraad munitie uit een supervoorraad van mogelijke planningen wordt geselecteerd. Het voordeel hiervan is dat met behulp van het genetisch 10 algoritme gegenereerde zeer gunstige planningen in de supervoorraad kunnen worden opgenomen en voor toekomstig gebruik direct beschikbaar zijn.

Omdat ook de supervoorraad groeit, heeft een nog verdere 15 gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding als kenmerk dat is voorzien in een tweede opruim algoritme voor het periodiek opruimen van de supervoorraad van mogelijke planningen.

20 De uitvinding zal nu verder worden uitgelegd aan de hand van Fig. 1, welke schematisch een vuurleidingssysteem weergeeft waarop de werkwijze kan worden toegepast.

Fig. 1 toont schematisch een vuurleidingssysteem 1, 25 bijvoorbeeld geplaatst op een schip, dat als voornaamste taak heeft het schip of een nabijgelegen waardevol object te verdedigen tegen dreigingen vanuit een omgeving 2. Vuurleidingssysteem 1 is daartoe voorzien van wapens 3 en sensoren 4 en van een man-machine-interface (MMI) 5, 30 waarmee manueel, bijvoorbeeld op een radarscherm, dreigingen kunnen worden gedetecteerd en waarmee volgens een gekozen planning wapens 3 en sensoren 4 kunnen worden aangewezen, voor het bestrijden van die dreigingen. Bij samengestelde aanvallen, waarbij meerdere dreigingen 35 gelijktijdig aanwezig zijn, kan het moeilijk zijn een . · -* U ^ ' ''j ^ ·-* ' 6 optimale planning te kiezen. Bovendien is de keuze afhankelijk van veel andere factoren, bijvoorbeeld een interne omgeving 6, die aangeeft welke wapens 3 en sensoren 4 (nog) operationeel zijn, wat de voorraad munitie van de 5 verschillende wapens is, en wat de gewenste restmunitie per wapen is. Daarnaast is het van belang wat de missie van het schip inhoudt, bijvoorbeeld zelf overleven of het beschermen van een nabijgelegen waardevol object. Om binnen de beschikbare tijd een verantwoord besluit te nemen is het 10 gebruikelijk om automatisch, op basis van een aantal heuristische regels een aantal mogelijke planningen te bepalen, welke planningen worden opgeslagen in een voorraad 7 en waaruit de commandant in een manuele mode een hem optimaal lijkende planning kan kiezen. Hij kan hierbij 15 gebruik maken van een geschiktheidscriterium 8, dat met inachtneming van de missie, zoals die is ingegeven via MMI 5, de omgeving 2, de interne omgeving 6 en mogelijk andere criteria, zoals de gewenste restmunitie voor het bestrijden van een mogelijke volgende aanval, een waardering kan geven 20 voor elke planning in voorraad 7. Ook is het mogelijk gebruik te maken van een supervoorraad 9 van mogelijke planningen, waarin voor elke denkbare dreiging tenminste één planning aanwezig is. Onder toepassing van geschiktheidscriterium 8 en de genoemde andere criteria kan dan 25 voorraad 7 uit supervoorraad 9 worden gevuld met planningen die elk een hoge waardering hebben.

Een planning uit de voorraad met mogelijke planningen 7 is opgebouwd uit acties, elk bestaande uit een tijdstip, een 30 gekozen dreiging, een gekozen wapen, een gekozen sensor en een gekozen vuurdoctrine (het aantal schoten en de periode tussen de schoten). Voor elke dreiging is er tenminste één mogelijke planning die, onder toepassing van het geschiktheidscriterium 8, een optimaal resultaat levert. Daarnaast 35 zijn er mogelijke planningen die een suboptimaal resultaat 7 leveren. Tenslotte zijn er planningen die, althans voor deze dreiging, een onvoldoende resultaat leveren.

Een eenmaal gekozen planning blijft geldig totdat een 5 verandering in omgeving 2, bijvoorbeeld het verdwijnen van een doel, of in interne omgeving 6, bijvoorbeeld het onklaar raken van een wapen, of een ingrijpen van de commandant via MMI 5 een verandering nodig maken.

10 Doel van de uitvinding is te trachten, op basis van de al in voorraad 7 aanwezige mogelijke planningen, een nog meer optimale planning te genereren. Daartoe is vuurleidings-systeem 1 voorzien van een genetisch algoritme 10, dat opereert op de voorraad van mogelijke planningen 7 en 15 daarbij steeds nieuwe generaties van planningen genereert. Om te voorkomen dat er onmogelijke planningen in voorraad 7 worden opgenomen, is voorzien in een toetsingsalgoritme 11, dat zodanig is uitgevoerd dat een nieuwe generatie alleen mogelijke planningen bevat. Toetsingsalgoritme 11 toetst 20 bijvoorbeeld of een gekozen vuurdoctrine voor een bepaald wapen toelaatbaar is, en beschikt daartoe over alle relevante gegevens betreffende de wapens en de sensoren.

Van alle mogelijke genetische operaties op voorraad 7 25 worden in de hier beschreven realisatie van de inventieve werkwijze uitsluitend toegepast de kloning, de mutatie, de permutatie en de enkelvoudige crossover. Bij kloning worden de reeds beschikbare mogelijke planningen ongewijzigd doorgegeven naar de volgende generatie. Kloning is 30 noodzakelijk, om te voorkomen dat optimale of nagenoeg optimale mogelijke planningen op den duur verdwijnen. Bij mutatie wordt tenminste één actie in één mogelijke planning in feite willekeurig gewijzigd, bijvoorbeeld een tijdstip. Bij permutatie worden twee acties in één mogelijke planning 35 verwisseld, bijvoorbeeld het type wapen. Bij crossover too a ö' ' δ worden twee mogelijke planningen elk op een willekeurige plaats in twee stukken geknipt en de stukken onderling verwisseld weer aan elkaar geplakt. Mutaties, permutaties en crossovers zijn betrekkelijk simpele operatoren, die als 5 voordeel hebben dat opeenvolgende generaties niet te sterk van elkaar verschillen, zodat er sprake is van een zekere mate van continuïteit in de opeenvolging van gegenereerde optimale mogelijke planningen. Dit is van belang voor de gebruiker, doorgaans de commandant van het schip, die met 10 behulp van MMI 5 de opeenvolgend gegenereerde optimale planningen althans in hoofdzaak kan volgen en die daar een zekere mate van continuïteit en convergentie in wenst te zien.

15 Het resultaat van een mutatie of een crossover wordt bijna altijd door toetsingsalgoritme 11 verworpen. Daarom is voorzien in een reparatiealgoritme 12, dat onder gebruikmaking van de gegevens betreffende wapens en sensoren zoals die aan het toetsingsalgoritme 11 bekend 20 zijn, tracht een lokaal optredend probleem te repareren.

Als er bijvoorbeeld sprake is van een probleem met een vuurdoctrine, omdat een kanon twee keer wordt afgevuurd met een te korte periode daartussen, dan zal de periode tussen de schoten worden verlengd.

25

Ten behoeve van de training van het personeel en voor het testen van vuurleidingssysteem 1 is voorzien in een simulatie algoritme 13, dat dreigingen simuleert. Op basis van een gesimuleerde dreiging wordt weer een voorraad 7 30 aangemaakt en wordt genetisch algoritme 10 gestart. Met behulp van MMI 5 kan worden gevolgd hoe opeenvolgende generaties van planningen er uit zien, hoe ze door geschiktheidscriterium 8 worden beoordeeld en wat bijvoorbeeld de overlevingskans van het schip bij de 35 verschillende planningen is.

b b' · 9

Omdat bij toepassing van genetisch algoritme 10 op voorraad 7 het aantal mogelijke planningen in voorraad 7 alleen maar toeneemt, wat een ongunstige invloed op de reactietijd van het vuurleidingssysteem 1 kan hebben, is verder voorzien in 5 een eerste opruimalgoritme 14, dat tot taak heeft voorraad 7 voortdurend te beperken. Daartoe bepaalt opruimalgoritme 14 voor elke generatie van planningen met behulp van geschiktheidsalgoritme 8 en mogelijk andere criteria welke planningen de minst goede resultaten leveren en verwijdert 10 deze vervolgens.

Door genetisch algoritme 10 voortgebrachte zeer geschikte planningen zullen voor toekomstig gebruik worden opgeslagen in supervoorraad 9. Omdat daardoor ook supervoorraad 9 15 voortdurend in omvang toeneemt, is voorzien in een tweede opruimalgoritme 15 dat periodiek kan worden gestart.

Daartoe worden door simulatie algoritme 13 opeenvolgend willekeurige aanvallen gegenereerd. Voor elke aanval wordt met behulp van geschiktheidscriterium 8 een groep van 20 mogelijke planningen 7 uit supervoorraad 9 geselecteerd. Binnen deze groep van mogelijke planningen worden subgroepen van equivalente mogelijke planningen opgespoord waarvan, onder toepassing van geschiktheidscriterium 8 en mogelijk andere criteria alleen de meest geschikte 25 mogelijke planning wordt behouden. Hierbij geldt dat mogelijke planningen equivalent zijn als ze marginaal verschillen, bijvoorbeeld in een kleine verschuiving in een tijdstip of in de keuze van gelijksoortige wapens of sensoren. Tenslotte wordt supervoorraad 9 overeenkomstig 30 gewijzigd.

De hier beschreven realisatie van de werkwijze maakt gebruik van een general purpose computer, waarin de voorraad van mogelijke planningen 7, supervoorraad 9, 35 geschiktheidscriterium 8 alsmede de diverse algoritmen in t O· t j oy * 10 software aanwezig zijn. Daarnaast is aanwezig een stuurmodule 16, dat de informatiestroom tussen de diverse delen van de software op de hierboven beschreven wijze verzorgt.

5

In een automatische mode kan stuurmodule 16, op een in het vakgebied op zich bekende wijze zelfstandig een dreiging detecteren, een voorraad van mogelijke planningen 7 genereren, een beste mogelijke planning kiezen en wapens 3 10 activeren, een en ander onder toepassing van een geschiktheidscriterium 8 en mogelijke andere criteria zoals die vooraf via MMI 5 zijn ingegeven. Daarbij zal vuurleidingssysteem 1 dan, vóórdat een beste mogelijke planning word gekozen eerst genetisch algoritme 10 starten 15 voor het genereren van een zo mogelijk nog betere mogelijke planning.

f0 . r ’

Claims

1. Werkwijze voor het bedienen van een vuurleidings-systeem geschikt voor het althans in hoofdzaak gelijktijdig 5 bestrijden van meerdere dreigingen, onder gebruikmaking van sensoren en wapens, waarbij op basis van een omgeving van het vuurleidingssysteem en op basis van een gekozen geschiktheidscriterium uit een voorraad van bijvoorbeeld heuristisch bepaalde mogelijke planningen één planning 10 wordt gekozen voor het bestrijden van de dreigingen, met het kenmerk, dat vóórdat een planning wordt gekozen er eerst een genetisch algoritme op de voorraad van mogelijke planningen wordt toegepast voor het genereren van additionele planningen, waarmee de voorraad kan worden 15 aangevuld, en dat voor het bestrijden van de dreigingen een beste mogelijke planning uit de voorraad wordt gekozen met het geschiktheidscriterium als maatstaf.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 van de additionele planningen uitsluitend mogelijke planningen aan de voorraad worden toegevoegd.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat vóórdat het genetisch algoritme op de voorraad van 25 mogelijke planningen wordt toegepast er tenminste één willekeurige mogelijke planning aan de voorraad van mogelijke planningen wordt toegevoegd.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, 30 dat het genetisch algoritme opeenvolgende generaties van planningen genereert onder toepassing van crossovers, mutaties, permutaties en kloning.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat 35 gegenereerde crossovers van het enkelvoudige type zijn. 100 3 3

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat steeds getracht wordt met behulp van een reparatiealgoritme een door het genetisch algoritme gegenereerde niet mogelijke planning om te zetten in een mogelijke planning. 5

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beste mogelijke planning wordt gekozen op een moment waarop een voor de keuze beschikbare tijd althans nagenoeg voorbij is. 10

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat afhankelijk van een missie een nieuw geschiktheidscriterium aan het vuurleidingssysteem kan worden opgelegd.

9. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, dat is voorzien in een simulatiealgoritme voor het simuleren van dreigingen.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat is 20 voorzien in een eerste opruimalgoritme, voor het voortdurend beperken van de voorraad van mogelijke planningen.

11. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voorraad van heuristisch bepaalde mogelijke planningen 25 onder toepassing van het geschiktheidscriterium en met inachtneming van een gewenste restvoorraad munitie wordt geselecteerd uit een supervoorraad van mogelijke planningen.

12. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat is voorzien in een tweede opruimalgoritme, voor het periodiek opruimen van de supervoorraad van mogelijke planningen. 100 3 873