基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法.pdf

第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：通讯作者引用格式：易侃，张杰勇，焦志强，等基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法系统工程与电子技术，（）：犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋：，（）：基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法易侃，张杰勇，焦志强，王哲（中国电子科技集团公司第二十八研究所信息系统工程重点实验室，江苏 南京 ；空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 ；中国人民解放军第 部队，甘肃 酒泉 ；国防科技大学信息通信学院，陕西 西安 ）摘要：针对作战任务 系统功能映射问题，建立了作战任务与系统功能的模型。基于任务能力可以分解的特点，将映射问题转化为智能规划问题，并利用层次任务网络（，）方法对该问题进行求解。针对规划器无法处理多属性输入的问题，基于递归的思想设计了任务分解算法，使得分解后任务转化的规划问题适配规划器。针对多个映射方案的整合问题，基于邻接矩阵设计了多方案的整合算法，从而得到了满足任务需求的系统功能映射方案。仿真实验结果表明，所提方法能够有效实现作战任务到系统功能的映射。关键词：任务 功能映射；智能规划；层次任务网络；任务分解；方案整合中图分类号：文献标志码：犇犗犐：犆狅犿犫 犪 狋狋 犪 狊 犽 狊 狔 狊 狋 犲犿犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀犿犪 狆 狆 犻 狀 犵犿犲 狋 犺 狅 犱犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犺 犻 犲 狉 犪 狉 犮 犺 犻 犮 犪 犾狋 犪 狊 犽狀 犲 狋 狑狅 狉 犽，（犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀犱犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔狅 狀犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犛狔 狊 狋 犲犿狊犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵犔犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔，犜犺 犲 狋 犺犚犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲狅 犳犆犺 犻 狀 犪犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犌狉 狅 狌狆犆狅 狉 狆 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀，犖犪 狀 犼 犻 狀犵 ，犆犺 犻 狀 犪；犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犪 狀犱犖犪 狏 犻 犵犪 狋 犻 狅 狀，犃 犻 狉犉狅 狉 犮 犲犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犡犻犪 狀 ，犆犺 犻 狀 犪；犝狀 犻 狋 狅 犳狋 犺 犲犘犔犃，犑 犻 狌 狇 狌 犪 狀 ，犆犺 犻 狀 犪；犆狅 犾 犾 犲 犵 犲狅 犳犐 狀犳 狅 狉犿犪 狋 犻 狅 狀犪 狀犱犆狅犿犿狌 狀 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀，犖犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犇犲 犳 犲 狀 狊 犲犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔，犡犻犪 狀 ，犆犺 犻 狀 犪）犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（），犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊：；（）；引言军事信息系统作为作战要素的黏合剂，在信息化战场上发挥着十分重要的作用。随着军事技术的不断发展，武器装备的性能在不断提高。同时，战场环境也日趋复杂，作战任务的多样性和不确定性给军事信息系统带来了巨大的挑战。因此，如何面向任务构建军事信息系统受到了众多学者和研究机构的广泛关注。系统工程与电子技术第 卷从问题本质上看，面向任务构建军事信息系统就是要实现任务需求到系统资源的映射，而系统能力功能即是连接任务和资源的纽带。一方面，系统能力功能为任务的执行提供直接支撑；另一方面，系统能力功能是通过系统资源实现的。因此，实现任务到系统功能的映射是面向任务构建军事信息系统的关键。目前，在工程上一般采用模板匹配的方法处理作战任务 系统功能映射问题，即先根据专家及作战人员的经验设计好所有可能的作战任务 系统功能映射模板（需要从任务直接映射到原子级系统功能）并形成模板库，在使用时根据需求在模板库中进行匹配查找。显然，这种方法前期投入的人力和时间成本很大，且后期仍需投入较大的成本对模板库进行维护，不利于军事信息系统面向任务的快速生成与敏捷演化。针对上述情况，部分学者开始研究自动映射方法。从映射方式来看，目前的研究可分为两类：集中式与分布式。集中式的映射要在给定抽象功能流程的基础上，确定各节点选取的功能实例。因此，主要包含了检索和选择 两个步骤，即先根据给定的抽象需求对功能进行检索，然后在被检索到的多个功能中选择当前最优的功能实例。而分布式的映射则从抽象流程构建的角度出发，以功能间的依赖关系为基础，针对任务需求、通过规划方法得到映射方案。由于分布式的映射不需要直接提供抽象流程，因而其具有更高的自动化程度。针对分布式的映射问题，一般可以采用智能规划方法 进行求解。文献 通过对状态的预先排序，提出了基于有序爬山法的前向启发式搜索规划方法，提高了前向规划器的规划效率。文献 则基于宏操作的概念，提出了一种具有学习策略的规划方案，有效增强了规划器在特定规划领域的规划效果。然而，当功能实例数量过多或规划链路过长时，前向规划的时间将会迅速增加，不利于快速得到规划方案。层次任务网络（，）方法 是一种作用在领域空间内的智能规划方法，通过领域内定义的方法将任务进行分解，直至达到不可分解的原子操作，从而得到规划解，在规划时间上具有独特优势。由于在作战任务 系统功能映射问题中，任务和功能都具备可分解的特性，本文考虑利用规划方法实现作战任务到系统功能的高效映射。通过设计基于递归思想的任务分解算法以及基于邻接矩阵的多方案整合算法，使得方法能够适应多属性输入的情况，从而得到了满足任务需求的系统功能映射方案。问题描述系统能力是系统为了完成任务所必需具备的一些属性，系统能力可以根据任务和系统状态进行分解。在分解得到的子能力中，不可再分解或者可以由系统直接实现的能力被称作功能。作战任务 系统功能映射过程关注完成某项作战任务时系统所需具备的能力功能，是生成军事信息系统构建方案的基础。下面对作战任务和系统功能作如下定义。作战任务可以表示为一个五元组 ，其中表示任务的编号；为任务的名字；犱，犱，犱犖表示任务属性集合，犱犻为对任务的第犻项属性的描述集合；（，）表示任务的信息状态需求，为任务开始时需要具备的信息状态集合，为任务完成时需要具备的信息状态集合；是扩充字段，可根据需要添加内容。系统功能可以表示为一个五元组 ，其中表示功能的编号；为功能的名字；为功能的详细描述；（，）表示功能的信息属性，是功能开始执行时必须满足的前提条件集，和 表示操作对状态的影响（即执行该操作后，中的状态应该被删除，中的状态应该被增加）；是扩充字段，可根据需要添加内容。为了更加详细地对系统功能中涉及的各类信息进行描述，这里将功能中的信息 分为态势信息 和指控信息 ，即 。一条态势信息犛 ，可以定义为一个七元组犛 ，。其中，表示态势信息的名称；表示态势信息的编号；表示态势信息生产的时间；表示态势信息的地理位置；表示态势信息的目标；表示态势信息的类型，包括文字、图像、音频、视频等；表示目标的具体状态，其数据类型由 决定。同样，一条指控信息犆 ，可以定义为一个七元组犆 ，。其中，表示指控信息的名称；表示指控信息的编号；表示指控信息生产的时间；表示指控信息的制定发送方；表示指控信息的接受执行方；表示指控信息的作用目标；表示具体的指控命令。基于上述定义，信息属性 中的 、和 即可用谓词的形式进行描述。状态集合 包含了系统在运行过程中所有可能出现的状态，描述了双方作战单元的情况和战场环境的情况。这里采用一阶语言来描述状态，假设一条状态狆（，），狆表示谓词，犻（犻，狀）为变量。在上述定义中，中的 与 ，中的 、和 本质上都是状态集合 的子集。综上定义，作战任务 系统功能映射就是以任务 为输入，找到一组功能集合 ，狀，使得初始状态能够演化到满足任务需求的最终状态。考虑到作战任务 系统功能映射的过程与规划中将初始任务不断分解为原子任务十分类似。因此，本文在规划的基础上提出了作战任务 系统功能映射方法。基于犎犜犖的作战任务 系统功能映射方法 犎犜犖规划与犛犎犗犘 规划器规划是基于分层抽象和知识推理的智能规划技第 期易侃等：基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法 术，能够表示和处理领域知识，在任务规划、云制造管理、机器人自动化 等领域中得到了广泛应用。的规划领域犇是一个四元组（犛，），其中犛为状态集合，表示操作，表示方法，：犛犛为状态转移函数。规划问题犘是一个三元组（狊，犱，犇），其中狊为初始状态，犱为初始任务网络，犇为规划领域。在给定规划问题犘的情况下，规划器利用中的方法将初始任务网络中的非原子任务进行分解，直至得到最终的原子任务。由于原子任务可以通过中的操作直接实现，因此可以根据当前的状态执行对应的操作。操作执行后，状态也会随之发生改变。不断执行上述过程，直至任务网络中只存在原子任务，如图所示。图规划原理图 是一种经典的规划器，其实现原理类似于深度优先搜索方法。与其他规划器相比，具有更强大的预处理估计能力，因为其采用前向的规划方法，即按照执行顺序进行任务的分解。的输入为规划领域文件和规划问题文件。规划领域文件主要包括以下领域知识。（）指出如何将复合分解为原子任务（：，犻，犻 犻）。其中，：为关键字；包括方法的名称和所需参数；犻为前置条件，犻 犻为分解后的能力或功能列表。只有当前置条件 犻被满足时，其对应 犻 犻才能被确定为该方法的分解结果。（）定义了原子任务如何被执行（：，）。其中，为关键字；包括操作的名称和所需参数；为前置条件。只有当前置条件 被满足，操作才能被执行；和 表示操作对状态的影响（即执行该操作后，中的状态应该被删除，中的状态应该被增加）；为可选参数，能够表示执行该操作的代价。中的规划问题可定义为以下格式：（，（狊，狊，狊狀）犜，（狊犿，狊犿，狊犿狀犿）犜犿）。其中，为关键字；表示问题的名称；表示规划领域的名称；（狊，狊，狊狀）为可选参数，用来表示任务的初始状态；犜犻为系统需要完成的任务。基于犎犜犖的作战任务 系统功能映射方法首先，阐述中各个概念在作战任务 系统功能映射过程中的具体含义如下。（）与原 规划器中的定义类似，表示外界环境的情况以及特定数据、信息的获取情况。此外，还包含了任务属性的具体描述信息。（）指明了完成某项任务需要具备的能力以及实现某种能力需要具备的子能力或功能。（）对应着系统内的一类服务资源，指明了功能的实现方式，并反映了任务执行后对 的影响。（）为系统完成某项任务必须具备的功能序列。例如，针对一个高空目标防御任务，系统的功能序列为（！，），（！，），（！，），（！，），（！，）。（）为系统需要处理的作战任务，根据上级作战需求确定。由于 中包含了任务属性的具体描述信息，经典的 算法无法直接对该类问题进行处理，因此需要在使用 规划算法前对问题进行处理。首先，分析一下 算法失效的原因。在 算法中，中的前提条件是按照顺序进行验证的。图为一个方法实例，在前提条件验证时，算法会从上到下按照顺序进行验证。若防空任务仅有防御中高空目标的需求状态，则规划器会选择 ，执行中高空目标的跟踪服务；若防空任务仅有防御低空目标的需求状态，则规划器会选择 ，执行低空目标的跟踪服务。但是，若上层作战需求要求系统能够同时具备中高空目标和低空目标的防御能力，该规划器将会在选择 后直接结束对该方法的处理，即低空目标的防御需求将被忽略。图方法案例 为了将 规划器用于作战任务 系统功能映射方法，本文考虑根据作战的属性对作战任务进行预处理，将其分解为多个 算法可规划的简单任务，利用 算法分别对上述简单任务进行规划，再将所有规划结果整合为完整的系统能力需求。系统工程与电子技术第 卷假设某个任务的属性有犖类犱，犱，犱犖，犱犻表示第犻类属性集合中的元素数量，犱犻（犼）表示第犻个类属性集合中的第犼个属性值。只有当犱犻（犻，犖）时，规划器才能给出一个能力匹配方案 。为了保证最终得到的系统需求能够覆盖任务执行的所有可能，需要对所有的属性组合进行考虑。显然，所有的属性组合有犖狆犖犻狘犱犻狘种，因而相对应的能力匹配方案也有犖狆个。本文将这犖狆个匹配方案进行整合，以得到最终的任务 能力匹配方案。基于规划的作战任务 系统功能映射方法的框架如图所示。图基于规划的作战任务 系统功能映射方法框架 图中的规划知识可以由领域专家提供，即由专家给出能力的分解方法和功能的实现方法，领域知识库可以随着能力和功能的增加而不断扩充。规划器则选取 的版本 。作战任务分解作战任务分解的实质就是找到所有可能的属性组合，可以利用递归算法直接遍历犖类属性的所有组合，从而得到犖狆个 规划器可直接处理的简单任务，即每个任务满足犱犻（犻，犖）。鉴于上述思路，对作战任务进行分解，具体步骤如算法所示。算法基于递归思想的任务分解算法输入初始作战任务 输出分解后的作战任务集合 ，犖步骤提取 的任务属性集合犱，犱，犱犖步骤 （，犖）步骤，犻步骤 犻 ，犻 ，犻 犻，犻，犻犻步骤 犻犖犻狘犱犻狘，步骤；，输出。其中，（，犖）为属性递归分解算法，其定义如下：（，犖）犖 ，（，犖）犖（为笛卡尔积）（狉，犖）映射方案整合为了将多个能力匹配方案进行整合，首先对能力匹配方案进行描述。考虑到 规划器得到的能力匹配方案 犻是一个顺序流程，可以用有向图的形式描述 中各功能之间的关系，如图所示。图能力匹配方案案例 图中，犛和犈分别表示开始和结束，小写字母表示不同的功能。图的邻接矩阵为犛 犈 犪 犫 犮 犱犃犛犈犪犫犮犱 熿燀燄燅 在矩阵犃中，前两行分别表示开始和结束，从第行起依次表示 犻中的各功能。若犃犻，犼，表示犼为犻的后继节点；犃犻，犼，则表示犻和犼没有直接关系，可以假设方案集合为 犻（犻，犕）。在上述方案描述的基础上，本文提出了一种能力方案整合算法，如算法所示，将多个 整合到一个方法中。算法基于邻接矩阵的方案整合算法输入方案集合输出整合后的最终方案 犳步骤随机选择中的一个方案 狉，根据其能力间的相互关系得到邻接矩阵犃狉，狉；第 期易侃等：基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法 步骤 ，步骤；，步骤；步骤随机选择中的一个方案 狊，考察 狊中的每一个节点 狊（犻），犻 狊，狊（犻）在犃狉中存在，则对应位置上的数值犃狉；，在犃中添加相应的行和列，并令对应位置上的数值犃狉；步骤 狊，步骤；步骤犃犳犃狉，并根据邻接矩阵犃犳中描述的能力，相互还原整合后的最终方案 犳。仿真实验考虑一个联合作战场景下的作战任务 系统功能匹配问题，根据作战需求，明确系统需要支持空海联合作战行动，利用空基平台和海基平台完成对对方空中与海面目标的打击任务。任务的具体属性如表所示。从表中可以看到，该任务的执行需要系统为空基平台和海基平台提供导航、对对方空中目标和海上目标进行跟踪，并完成对海空导弹与空面导弹的导引。表为功能列表，为提高针对性，这里只显示了与上述任务相关的功能。表为方法列表，反映了任务到子任务、任务到功能的映射关系。表和表基于规划领域定义语言（，）可以直接构成规划领域文件，而表由于包含了多个选项的任务属性，需要先利用算法对任务进行分解，才能够使用 规划器进行求解。在算法下，任务可以分解如表所示。表空海联合作战任务描述犜 犪 犫 犾 犲犃 犻 狉 狊 犲 犪犼 狅 犻 狀 狋狅 狆 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狊犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀犱 犲 狊 犮 狉 犻 狆 狋 犻 狅 狀任务编号任务名称任务属性集合属性名称可选项扩充字段 空海联合行动（简称为）导航目标跟踪目标导弹引导目标初始状态（）（）（）（）（）（）（）（）目标状态（）（）（）表相关系统功能列表犜 犪 犫 犾 犲犔 犻 狊 狋狅 犳狉 犲 犾 犪 狋 犲 犱狊 狔 狊 狋 犲犿犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀 狊序号功能编号功能名称功能描述功能信息属性 战场信息汇集 多源信息融合 综合态势生成 目标打击火力需求计算 系统工程与电子技术第 卷续表犆狅 狀 狋 犻 狀 狌 犲 犱犜 犪 犫 犾 犲序号功能编号功能名称功能描述功能信息属性 电子对抗信息生成 作战辅助决策 作战计划生成 空基平台引导 海基平台引导 陆基平台引导 空中目标跟踪 海上目标跟踪 地面目标跟踪 水下目标跟踪 空空导弹制导 海空导弹制导 空面导弹制导 海面导弹制导 鱼雷制导 目标毁伤评估 第 期易侃等：基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法 表相关规划方法列表犜 犪 犫 犾 犲犔 犻 狊 狋狅 犳狉 犲 犾 犪 狋 犲 犱狆 犾 犪 狀 狀 犻 狀 犵犿犲 狋 犺 狅 犱 狊名称 能力功能 导航目标跟踪目标导弹引导目标 战场态势生成（简称为）战场作战决策（简称为）作战方案执行（简称为）导航目标跟踪目标导弹引导目标 多平台导航（简称为）导航目标 多目标跟踪（简称为）跟踪目标 多导弹引导（简称为）导弹引导目标 表分解后的任务列表犜 犪 犫 犾 犲犔 犻 狊 狋狅 犳狆 狅 狊 狋 犱 犲 犮 狅犿狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狋 犪 狊 犽 狊序号初始状态任务（）（）（）（）（）（）（）（）利用 规划器可得上述问题的规划解，如表所示。为了整合规划解，这里将表中的能力匹配方案作为算法的输入，可得到合并后的邻接矩阵，如图所示。从图可以看到，经过合并后，和 的后继节点只有一个，而、和 的后继节点都有两个。根据上述邻接矩阵，可以得到最终的任务 能力匹配方案，如图所示。表规划解集犜 犪 犫 犾 犲犘 犾 犪 狀 狀 犻 狀 犵狊 狅 犾 狌 狋 犻 狅 狀狊 犲 狋序号规划结果 续表犆狅 狀 狋 犻 狀 狌 犲 犱犜 犪 犫 犾 犲序号规划结果 图合并后的邻接矩阵 系统工程与电子技术第 卷图最终任务 能力映射方案 由图可以看到，最终得到的匹配方案包含了对空基平台和海基平台的引导能力、对空中和海上目标的跟踪能力以及对空空导弹和海空导弹的制导能力，满足任务的实际需求。而对陆基平台的引导、陆上目标的跟踪以及空面导弹的制导等与任务需求无关的能力并没有被列入到匹配方案中，有效避免了系统能力的冗余。结论为了解决作战任务 系统功能的自动映射问题，本文首先对作战任务与系统能力功能进行建模，然后基于任务和能力可以分解的特点，将作战任务 系统功能的自动映射问题转化为智能规划问题，并基于对问题进行求解。考虑到 规划器在求解问题时无法处理多属性输入的问题，基于递归算法将待求解问题分解为 规划器能够求解的规划问题，并利用邻接矩阵将多个规划解进行整合，得到了最终的作战任务 系统功能映射方案，为系统面向任务的自动生成提供了基础支撑。参考文献纪浩然基于移动云模式的指挥信息系统架构研究长沙：国防科技大学，：，汪敏，施荣荣，陈荣面向多样化任务的指挥信息系统松耦合功能集成模型指挥信息系统与技术，（）：，（）：李青山，王璐，褚华，等一种基于智能体技术的软件自适应动态演化机制软件学报，（）：，（）：吴桐，李青山，戴清，等指挥控制信息系统动态演化的自适应决策方法指挥信息系统与技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：朱锐，黄月，李彤，等支持结构与行为融合的过程模型索引构建与检索方法计算机集成制造系统，（）：，（）：，：，：梁瑞仕，姜云飞，杨会志基于有序爬山法的前向启发式搜索规划电子科技大学学报，（）：，（）：江卓基于智能规划的自适应动态 服务组合研究重庆：重庆大学，第 期易侃等：基于层次任务网络的作战任务 系统功能映射方法 ：，：，：，：，（）：马硕，马亚平基于分层目标任务网络的作战任务规划方法火力与指挥控制，（）：，（）：刘明周，王强，凌琳基于分层任务网络的云制造任务分解方法中国机械工程，（）：，（）：宋沐民，路飞，陆娜，等智能空间下基于分层任务网络的服务机器人任务规划控制理论与应用，（）：，（）：陶连城基于 的任务动态规划系统研究与实现北京：北京邮电大学，：，：作者简介易侃（），男，高级工程师，博士，主要研究方向为指挥信息系统、系统任务调度。张杰勇（），男，副教授，博士，主要研究方向为指挥信息系统、指挥控制组织设计。焦志强（），男，工程师，博士，主要研究方向为指挥信息系统、指挥控制组织设计。王哲（），男，讲师，博士，主要研究方向为复杂军事信息体系设计。