多UCAV协同任务规划的层次分解方法
分类： 计算机的应用|计算技术、计算机技术|自动化技术、计算机技术|工业技术
分类： 各类型航空器|航空|航空、航天
文献类型：pdf 和 txt	出版时间：2007
作者：叶媛媛[1] 闵春平[2]	关键词：UCAV 任务规划 任务分配 分层迭代
期刊名称：火力与指挥控制.2007,32(7).-11-14	全文长度：7677个字
文献来源：http://www.6lib.com 第六图书馆	机构：[1]空军装备研究院雷达研究所,北京100085 [2]第二炮兵装备研究院,北京100085
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全文： 多UCAV协同任务规划的层次分解方法 第六图书馆针对多UCAV协同作战的控制决策问题,从任务、空域和时域三个角度阐述了多UCAV协同任务规划问题的层次特性,提出了多UCAV协同任务规划的分层迭代逻辑流程。基于该分层迭代逻辑流程,完成了多UCAV协同任务规划原型系统的开发工作,并进行了初步的综合仿真验证。仿真结果表明,所提出的分层迭代逻辑流程,可以降低任务规划问题的复杂度,是实现多UCAV协同任务规划的一种有效方法。针对多UCAV协同作战的控制决策问题,从任务、空域和时域三个角度阐述了多UCAV协同任务规划问题的层次特性,提出了多UCAV协同任务规划的分层迭代逻辑流程。基于该分层迭代逻辑流程,完成了多UCAV协同任务规划原型系统的开发工作,并进行了初步的综合仿真验证。仿真结果表明,所提出的分层迭代逻辑流程,可以降低任务规划问题的复杂度,是实现多UCAV协同任务规划的一种有效方法。UCAV力与指挥控制叶媛媛1000852007第六图书馆闵春平[1]空军装备研究院雷达研究所,北京100085任务规划任务分配分层迭代火 [2]第二炮兵装备研究院,北京 Ｖｏ１３，．７．２Ｎｏ　 火力与指挥控制　 ＦｉｅＣｏｔｏ　ｎｄＣｏｒ　ｎｒｌａ　ｍｍａｄＣｏｔｏ　ｎ　ｎｒｌ 第３２卷 第７期　 Ｊｌ２０　ｕｙ，０７ ２００７年７月　 文章编号：０２０４（０７０—０１０　１０—６０２０）７０１—４ 多ＵＣＡＶ协同任务规划的层次分解方法　＊　 叶媛媛　闵春平。，　 （．空军装备研究院雷达研究所，京　１０８，．第二炮兵装备研究院，京　１０８）１北００５２北００５　 摘 要：对多ＵＣＶ协同作战的控制决策问题，任务、域和时域三个角度阐述了多ＵＣＶ协同任务规划问题的层　针Ａ从空Ａ 次特性，出了多ＵＣＶ协同任务规划的分层迭代逻辑流程。于该分层迭代逻辑流程，提Ａ基完成了多ＵＣＶ协同任务规划原型　Ａ系统的开发工作，进行了初步的综合仿真验证。仿真结果表明，提出的分层迭代逻辑流程，以降低任务规划问题的复杂　并所可度，实现多ＵＣＶ协同任务规划的一种有效方法。是Ａ　关键词：Ａ任务规划，务分配，层迭代　ＵＣＶ，任分 中圈分类号：３１Ｖ２９ＴＰ９，７　文献标识码：　Ａ Ａ　ｉｒｒｈｃｌＭｉｓｏ　ａｎｉｇＭｅｈｏ　ｏ　ｏｒｔｖ　Ｈｅａｃｉａ　ｓｉｎＰｌｎｎ　ｔｄｆｒＣｏｐｅａｉｅＵＣＡＶｓ　 ＹＥ　ａ—ｕｎＭＩＣｈｕｐｎｇ。Ｙｕｎｙａ　，Ｎ　ｎ—ｉ　 （．ｄｒＩｓｔｔ　ｆ　ｒＦｏｃｓＥｑｉ１Ｒａａ　ｎｔｕｅｏＡｉ　ｒｅ　ｕｐｍｅｔａｅｙ，ｉｉｇ１０８ｉｎ　ＡｃｄｍＢｅｎ　００５，Ｃｉａｊｈｎ　 ２Ｓｃｎ　ｔｌｒ　ｑｉｍｅｔｃｄｍ，ｅｇ１０８，ｈｎ）．ｅｏｄＡｒｌｙＥｕｐｎ　ａｅｙＢ诼ｎ　００５Ｃｉ　ｉｅＡａ ＡｂｔａｔＦｏ　ｏｒｌａｄｍａｇｅｅ　ｆｍｕｌｉｅｃｏｐｒｔｖ　ｓｒｃ：ｒｃｎｔｏ　ｎ　ｎａｍｎｔｏ　ｔｐｌ　ｏｅａｉｅＵＣＡＶｓ，ｔｗａ　ｘｐｔａｅ　ｈｅｈｅａｃ　ｉ　ｓｅａｉｔｄｔ　ｉｒｒｈｙ ｏ　ｈ　ＣＡＶ　ｓｉｎｐａｎｎ　ｙｔｅｍｉｓｏｆｔｅＵｍｉｓｏ　ｌｎｉｇｂ　ｈ　ｓｉｎ，ｓａｉｌａｄｔｍｐｒｌｖｅｏｎ．Ｔｈｎａｈｅａｃｉａ　ｎ　ｐｔａ　ｎ　ｅｏａ　ｉｗｐｉｔｅ　　ｉｒｒｈｃｌａｄ ｉｅａｉｅｏｇｃｆｏｆｒｔ　ｓｉ　ａｎｉｇｉ　ｏｓｄ．Ｂａｉ　ｎｔ　ｏｃｆｏ，ｉ　ｓｅｉｎｅ　ｎ　ｔｒｔｖ　ｌｉ　ｌｗ　ｏ　ｈｅｍｉｓｏｎｐｌｎｎ　ｓｐｒｐｏｅｓｎｇｏ　ｈｅｌｇｉ　ｌｗｔｗａ　ｄｓｇｄａｄ ｉｐｅｎｅ　　ｓｉｎｐａｎｎ　ｙｔｍ　ｏ　ｏｐｒｔｖ　ｍｌｍｅｔｄａｍｉｓｏ　ｌｎｉｇｓｓｅｆｒｃｏｅａｉｅＵＣＡＶｓＴｈ　ｓｉｎｐａｎｎ　ｙｔｍ　ａ　ｅｎ．ｅｍｉｓｏ　ｌｎｉｇｓｓｅｈｓｂｅ　 ｉｔｇｒｔｄｉ　ｈｅＵＣＡＶ　ｙｔｍ　ｉｕａｉ　ｎ　ｅｎｅａｅ　ｎｔ　ｓｓｅｓｍｌｔｏｎａｄｄｍｏｎｔａｉｎ．Ｔｈ　ｉｓｒｔｏｅｓｍｕｌｔｏ　ｅｕｔ　ｈｏｔａ　ｈｅｌｇｃａｉｎｒｓｌｓｓｗ　ｈｔｔ　ｏｉ　ｆｏｗ　ｏｌ　ｅｃ　ｔｅｌｃｕｄｒｄｕｅｈ　ｍｉｓｏ　ｐａｎｉｇｏｐｅｉｙ，ａ　ｗａ　ａ　ｆｅｔｖ　ｉｓｏ　ｐｌｎｎｎｇｓｉｎｌｎｎ　ｃｍｌｘｔｎｄｓｎｅｆｃｉｅｍｓｉｎａｉ　ｍｅｈｄｏ　ｔｏ　ｆｒｃｏｅａｉｅＵＣＡＶｓ　ｏｐｒｔｖ　．Ｋｅ　ｒｓ：ＣＡＶｓ，ｓｉｎｐｌｎｎｎｇ，ｉｓｏｎａｓｇｎｈｉｒｒｈｃｌｉｅａｉｅｙｗｏｄＵｍｉｓｏ　ａｉｍｓｉ　ｓｉｎｉｇ，ｅａｃｉａ　ｔｒｔｖ　 ＵＣＡＶ由于其零伤亡风险和高机动性等优势　 引起了各国军方的高度重视。未来ＵＣＡＶ系统是一　个高度自主的系统，够自主进行战术决策并将以　能组合编队的形式协调地完成高层任务，而使得一　从个操作员能够控制和管理多个ＵＣＡＶ。ＡＶ的这　ＵＣ ＵＣＡＶ战术使用条件，具有最小代价（且如安全系　数高，油少）耗和最优或满意作战效能（目标价值　如 最大等）的协调的任务计划叫。多ＵＣＡＶ协同任务　规划的目标就是为ＵＣＡＶ制定完成作战任务所实　施的一系列活动的协调协同的任务计划。　 种高度自主性要求新的规划和决策方法，多　为 ＵＣＡＶ设计满足任务要求、台和武器性能约束、平　 多ＵＣＡＶ协同任务的层次分解　 １１ＵＣ．　ＡＶ任务的层次分解　 收稿日期；０６０—８２０—１１　 修回日期；０６０—６２０—５１　 攻击目标、ＡＶ任务的实施组织以及ＵＣＶ　ＵＣＡ作战活动的层次性决定了任务规划问题的层次性。　 ＊基金项目：家９３基金资助项目（１００）国７５３８１　 作者简介：媛媛，１７一）女，苏桧州人，士生，叶（９６，江博主　 要研究领域为任务规划，能控制，布式人工　智分 智能。　 攻击目标本身具有层次性，因此对攻击目标的　 分析也应该按照层次进行。图１所示为对目标的分　析是一个逐层细化的过程。不同层次的目标分析所　 http://www.6lib.com第六图书馆 ·１·（第３—０５）２总２７０　 火力与指挥控制　 ２００７年 第７期　 图１作战目标分解举例　 关注的细节不同：目标层，在所关注的是该目标对整　个作战活动的影响或重要性价值，而确定是否对　从 其实施攻击；一旦确定为攻击目标，则在子目标层需　 进一步考虑目标由哪些子目标构成，些子目标在　这 目标范围内的相对重要性，对哪些子目标实施攻　并 击；确定子目标之后，需要考虑如何对其实施攻击才　 能达成预定效果，即需要考虑子目标的各种材质属　性和布防属性等，定具体的打击点和打击方向等　确更细节的、ＵＣ与ＡＶ以及武器使用方式直接相关的　信息。　ＵＣＶ执行任务一般按照层次组织：Ａ攻击打击　点的ＵＣＡＶ兵力根据打击点所属子目标聚合为一　个小的ＵＣＶ编队，击子目标的ＵＣＡ攻ＡＶ编队根　据子目标所属的目标又聚合为更大的编队。如图２　 图３任务规划空域层次分解　 空间跨度较大，中层和底层的空间跨度较小　是对　且上层空间跨度的细化。　对多ＵＣＡ协同作战：上层是面对整个　Ｖ最ＵＣＶ作战的环境，Ａ粒度较粗，考虑起飞机场，仅禁　避飞点和任务点；中间层以顶层规划为基准，分别对　各个子战场空间段添加细节信息，如威胁位置和作　用空间，弯点等，转同时考虑编队之间以及ＵＣＶ　Ａ 单机之间的路径协调；底层为对路径局部优化，最使　之满足ＵＣＡＶ的动力学和运动学约束等条件。　 １３时域层次分解　． 所示为ＵＣＡＶ实施作战任务的典型组织层次，中　其 表示顺序关系，表示分解关系。　 １　ｉ嬖卜务划ｌ螽　卜耋餮卜盆隽ｌ计ｒ囊ｊｉ音ｉ￣ｉａｉ＋篮　 ｜＼　 目标或　子目标　 ＵＣＡ任务规划是４维空间（Ｖ３维几何空间＋１　维时间）的规划问题，了实现所要求的攻击任务，为　不仅对其执行任务所飞航路的空间位置有严格的要　求，而且对达到航路点的时间也有严格要求（完成任　务的时间及时序关系）。相应于ＵＣＡ在任务和空　Ｖ 旱　 暂　 子目标或　点　 Ｉ队１编　 ｉ任务　 圈　 ＵＡ１ＣＶｌ　 间上的层次性，在时间上也呈现出明显的层次性。其　 针对不同时间跨度的任务规划，规划结果所包含　其的信息丰富程度明显不同。时间跨度越长，度越　粒大，含多ＵＣ包ＡＶ协调协同的时间信息越抽象，对　协同的时间约束越宽松；间跨度越小，ＵＣ　时多ＡＶ协调协同的时间信息越具体，对协同的时间约束越　 任务１　 圈２ＩＡ￣施任务的层次性　　．Ｖ：ＪＣ 对于一个作战任务，任务阶段上分析，呈现　从它 出层次性。中层，每一个任务阶段还需要进一步　在对确定更细节的信息，如对于进入阶段需要进一步设　计起飞信息，合信息等；底层，些信息对于　汇在这ＵＣＡＶ来说还需要进一步转换到ＵＣＡＶ飞控系统　的指令才能真正执行。　 １２空域层次分解　。 严格。据不同的时间粒度，以形成任务或者子任　依可 务的时域多分辨率锥体表达，从而形成了任务规划　 问题的时域层次模型，如下页图４所示。　 对于多ＵＣＡＶ协同作战问题，层考虑　顶ＵＣＡＶ作战的整个时间轴，间范围最长，虑的　时考时间粒度最大，在这个粒度上的主要时间点为各个　 多ＵＣＡＶ协同作战的活动是在一定的空间范　围内进行，战场环境空间表达的粒度直接影响任务　 规划的结果。间表达的粒度越大，达的战场环境　空表 ＵＣＡＶ对各个目标攻击时间的协调，对其他时间而　 点，ＵＣ如ＡＶ编队起飞时间以及经过禁飞区时间等　 越粗糙（抽象）任务规划结果所包含的信息越抽象，，　细节信息越少。战场空间表达的粒度越小，表达战场　环境越精细（具体）任务规划结果的细节信息越丰　，富，图３为ＵＣＡ任务的空域层次分解，如Ｖ上层的　 仅仅给出时序关系，这是一种相对较为宽松的时间　 约束，间协同精度较低；时中间层规划，以顶层时　则 间点为时间分划，合任务段对各个时间段进一步　结 http://www.6lib.com第六图书馆 叶嫒嫒，：ＵＣ等多ＡＶ协同任务规划的层次分解方法　 （第３—０５）。１‘总２７１　３　 层形成ＵＣＡＶ编队并将任务分配给每一个编队；中　 层以上层输出为输入和约束条件，任务进一步分　将 解并分配给编队内的每一个成员，计编队内多　设ＵＣＡＶ协同的任务／径计划；层为每一架　路底ＵＣＡＶ设计详细的平滑轨迹。因此论文设计了一个　简洁实用的多ＵＣＡＶ协同任务规划逻辑流程，在对　 问题分层解耦的基础上，过层问迭代保留并解决　通 时间　 了问题固有的、法解耦　无的部分耦合性，图５所　如示。５中，务规划的上　图任层为任务分配，所关注　它的是编队配置，器搭配　武和目标分配，中层关注的　是在编队配置和攻击目标　确定的情况下，队之间　编 的协调和编队内成员之间　 任务要求　 图４时域层次分解　 二二　●　 任务分配　 细化，算更细密的时间协同点，计以更高精度给出各　个航路点的到达时间；最底层，考虑更小的时间范　则围，对每两个航路点时刻之间的时间协调点优化，使　 ＝＝［＝　 任务计划（群）机　 全程规划　 之满足ＵＣＡＶ动力学和运动学约束。　 ２规划分层迭代逻辑流程　　 上述各个层次之间实际上是紧密耦合的，空　且域、时域以及任务域之间相互耦合并相互约束，得　使多ＵＣＡＶ协同任务规划问题具有约束条件复杂且　耦合的特点，接对其求解，乎是不可能的，须　直几必 对其进行某种程度的解耦。因此本文依据对ＵＣ　ＡＶ任务的层次分解，规划问题分解为不同层次的子　将问题。任务规划在不同的层次关注和处理的攻击目　标细节、战兵力规模和作战活动细节不同，作从而将　 任务计划（机）单　 的协调；层轨迹优化关　底注单个ＵＣＡＶ的动力学　约束和机动性能，层轨　底 轨迹优化　 泰执行　 一…　 ：　 迹优化主要在机载进行。图５多ＵＣＶ协同任务　　Ａ在上层主要考虑禁避飞区　规划的逻辑流程　 和我方空中管理的限制以　及我方优势空域约束，在中层主要考虑威胁和地　而 形的影响。上层的规划结果会对中层产生很大的约　 多ＵＣＡＶ协同作战问题复杂而众多的约束条件按　 照其抽象层次分散到不同层次的子问题，降低问题　 的难度。对于多ＵＣＡＶ协同任务规划问题，首先在　最高层构造整个任务的框架计划，注目标之间或　关子目标之间的相互关系、有可用的ＵＣ所ＡＶ兵力，　确定ＵＣＡＶ要攻击的目标，ＡＶ之间如何编队　ＵＣ以及任务阶段与区域的划分，而无需关注子目标的　 束，至使其分段进行。甚最后形成的任务规划结果以　 任务链的形式上传到ＵＣＡＶ飞控计算机，在机载进　 行底层轨迹优化并执行。　图６中，出现如下情形时需要进行多次层内当　迭代：１对任务分配、程规划或者轨迹优化的结　（）全果进行评估，对评估结果不满意；２无法得到任务　（）分配、程规划或者轨迹优化结果，要局部修改内　全需 组成等细节信息，无需考虑ＵＣＡＶ如何飞行等细节　信息；中间层规划考虑子目标及其打击点等信息，需　 要设计ＵＣＡＶ编队及ＵＣＡＶ的任务航线，规避　如 部参数或者约束条件。于第二种层内迭代的情形，对　 当任务分配、程规划或者轨迹优化使用随机性比　全 禁避飞区，越威胁区，穿飞行距离和时间等；底层对　单个ＵＣＡＶ的航路进行优化，其满足ＵＣ使ＡＶ的　动态约束，如速度、小转弯半径等，后得到满足　最最 ＵＣＡＶ动态性能约束的飞行轨迹。过上述层次分　通解，上层关注问题的广度越大，度越小，越低　越深而层则关注问题广度越小，度越大，深但是由于广度变　 较强的算法时，内迭代尤其有必要。层　 层间迭代发生的情形包括：１由于上层任务规　（） 划是在不精确信息条件下进行，规划结果的评估　对也是基于不精确的粗略信息进行，当得到下层任务　规划结果时，则对上层任务规划结果的评估势必更　为精确和准确，果经过更精确评估发现原上层规　如 划结果偏离了决策人员的意图和要求，需要重新　则进行上层任务规划，以形成更为合理的任务规划结　果；２当多次进行层内迭代仍然无法得到满意的任　（）务规划结果或者根本无法得到规划结果时，要对　需上层规划结果修改和调整。　 小，因此将整个问题的约束条件划分为各个子问题　的约束条件，需针对小规模问题处理非常细节的　只问题，因此降低了问题求解的难度。　 从上述分析中可以看出，设计一个协同协调的　任务计划既包括较粗粒度的规划，包括较细粒度　也 的规划。它是一个层次、连续且耦合的决策过程：上　 http://www.6lib.com第六图书馆 ·１·（第３－０５）４总２７２　 火力与指挥控制　 ２００７年 第７期　 真验证。原型系统以任务规划数据库为底层支撑，采　用模块化开发技术，由任务管理统一对任务规划数　 据库和各个层次的任务规划模块进行管理和运行调　 度。图６所示为原型系统的任务管理运行界面，如对　上述各个层次的规划模块进行调度，并对任务规划　 数据库进行管理。７所示为任务分配运行主界面。图　 图８示为中层的任务规划运行界面，间层任务　所中规划由作战规划，域规划，空载荷规划，时域规划四　 个子模块组成，并统一由任务管理框架管理和调度。　 图８中还显示了以９ＵＣ架ＡＶ遂行ＳＡＤ任务的　Ｅ任务规划结果，含三个编队出航及返航的全程任　包 务链。底层轨迹优化作为一个模块直接嵌入到机载　 飞行任务管理系统软件中。　 圈６任务规划系统主界面　 ４结束语　　 本文针对ＵＣＡＶ协同作战的控制决策问题，提　出了一个简洁实用的多ＵＣＡＶ协同任务规划的分　层迭代逻辑流程，任务、从空域和时域三个角度阐述　了任务规划问题的层次性，开发了多ＵＣ并ＡＶ协同　作战的任务规划原型系统。通过层次分解，以降低　可任务规划问题的复杂度，于任务规划系统的模块　利化开发和管理。目前该原型系统已完成了初步的综　 合仿真验证，进一步的完善工作还在进行中。　 参考文献：　 ｒ］Ｂａｂｔ　Ｇ．ＵｎｎａｉｄＣｏａ　ＡｉＶｅｉｌ　１　ｒａｏ　ｉｈｂｔ　ｅｍｂｔｒ　ｈｃｅ Ｃｏｎｒｌ　ａｎ　Ｄｉｐｌｙｓｏｒｔｏｓｄｓａ　ｆ　Ｓｕｐｅｓｏｎｐｒｓｉ　ｏｆ　Ｅｎｍｙｅ　 图７任务分配运行主界面　 ＡｉＤｆｎｅＪ］ＣＥ　ＡＣＧｔｗｙ００１ｒｅｅｓｓ［，ＳＲＩ　ａｅａ，２０，１　　 （）：１—４　１２１． ［］Ｃａｄｅ　　　．Ｐｃｔｒ２　ｈｎｌＰＲＣａｈｅ　Ｍ．ＵＡＶＣｏｅａｉｅｒ　ｏｐｒｔ　ｖ Ｃａｓｆａｉｎ，ｌｓｉｃｔｉｏｔ　Ａｐｅｒｉ　Ｗｏｋｈｐｏ　ｏｐａ　ｎｒｓｏ　ｎ ＣｏｅａｉｅＣｎｒｌｎ　ｔｚｔｎＭ］Ｋｌｅ　ｏｐｒｔ　ｏｔ　ｄＯｐｉａｉ［．ｅｒｖｏａｍｉｏｗ Ａｃｄｍｉ　ｕｌｈｒ，２０．ａｅｃＰｂｉｅｓ０１　ｓ ［］Ｍｃｉ　Ｔ．ｏｐｒｔｅｅｄｚｏｓｏ　Ｍｕｔｌ３　ｌｎａＣｏｅａｉ　Ｒｎｅｖｕ　ｆｖｌｐｅｉ　 Ｕｎｎｅ　ｒＶｅｉｌｓｒ］ＡＩｍａｎｄＡｉ　ｈｃｅ　Ａ，ＡＡ，ＧＮＣ　２０　００ ［］Ｄｎｅ，Ｏ２０．Ｃ，ｅｖｒＣ，００　 ［］叶嫒嫒，４　沈林成，常文森．于不完全全局规划的多　基 无人机系统协同控制机制研究［．张家界：国第　Ａ］全十届空间及运动体控制技术学术年会［］２０．Ｃ．０２　［］马振华．代应用数学手册一运筹学与最优化理论　５　现卷［］北京：Ｍ．清华大学出版社，０３２０．　 ［］Ｃａｄｅ　　ＰｃｔｒＭ．ｅａｃｉｌｏｔｏｆｒ６　ｈｎｌｒＰＲ，ａｈｅ　Ｈｉｒｈｃ　ｎｒｌｏ　ｒａＣ　 图８中层任务规划界面　 Ａｕｏｏｕ　ｅｍｓＭ］ＡＩＡ一０１４４，０１ｔｎｍｏｓＴａ［．Ａ２０—１９２０．　 ［］Ｃａｄｅ　Ｐ７　ｈｎｌｒ　Ｒ．ａｕｓｎＲｓｓｅ　Ｓ，Ｐｅｔｒａｈｅ　Ｍ．ＵＡＶ　 ３多ＵＣ　ＡＶ协同任务规划原型系统　 根据上述多ＵＣＡＶ协同任务规划的分层迭代　逻辑流程，文完成了原型系统的开发，本并进行了仿　 Ｃｏｅａｉ　Ｐｔ　ＰａｎｎＭ］ＡＩｏｐｒｔｅａｈｌｎｉｇ［ｖ，ＡＡ，ＧＮＣ　 ２００，ＤｅｅＣ．０．０ｎｖｒ，２００　 http://www.6lib.com第六图书馆
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