基于层次分析法的多机协同任务规划问题研究
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为了确保机群高效执行任务，需要根据战场环境和 飞机的物理性能，进行合理有效的协同任务规划，充分
发挥每架战机的作用，使机群战场使用效益最大化。 多机协同任务规划问题一般包括：威胁评估、任务
分配、航路规划和战术决策等子问题。其中任务分配和 航路规划是研究的难点、热点，考虑本文篇幅，重点探讨 任务分配问题。
problem, establish a multi-aircraft cooperative task planning problem decomposition framework, give a specific
layered solution, design an application example, and provide a way of solving this problem.
图 1 多 UAV 协同任务规划分层处理逻辑
第一层战场环境分析和机群配置问题，具有环境和 装备特异性，并且战场环境分析属于威胁评估问题，求 解问题不在本文讨论。本文主要对第二层和第三层问题 进行讨论，提出解决办法。
图 2 任务目标分解
2.2 空间域分解
多机机群是在一定空域执行任务，根据战场环境和 任务情况对空域进行划分，能够降低协同任务规划中任 务分配问题求解难度。战场环境包括地形地貌、威胁情 况、天气情况等。空间域分解的颗粒度，决定了多机协同 任务规划的有效性和准确性。空间域分解颗粒度，来源 于对战场环境细节的了解程度，对战场环境细节了解的 越细致，空间域分解的颗粒度越小，对机群协同任务规 划越准确。
combat, which is a multi variable, complex and highly coupled multi-objective decision-making problem. This
paper proposes to apply the analytic hierarchy process of operations research to simplify and decouple the
图 4 时间域分解
2.4 任务协同分解
降 低 问 题 求 解 难 度 ，化 不 能 解 决 的 问 题 为 可 以 求 解 的
多机机群协同执行任务，分为编队之间协同和编队 内部协同。上层编队间协同主要从空间域、时间域和战 机物理约束(个体能力、油量等)等方面综合决策。下层编 队内协同主要从单个战机任务时序、战机物理约束等方 面决策。如图 5 所示。
如图 1 所示，在顶层处理框架上按三个层次处理[7]。 第一层为决策层，主要根据任务目标进行战场环境 分析，通过对战场威胁情况和战机物理特性，预估参与 任务的战机种类和数量。 第二层为控制层，主要进行任务分配。如果任务区 面积比较大，首先进行空间域划分，将整体任务区划分 为若干子任务区；再根据子任务区的任务情况，进行战 机的种类和数量配置；然后确定单个战机在子任务区中 的任务，进行目标分配。如果不需要在空间域进行子任 务划分，则直接进行单个战机任务分配。 第三层为执行层，主要进行单个战机的航路规划， 并且根据战场变化情况，进行航路的重规划。
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电子质量 2021 年第 06 期(总 第 411 期)
任务效能大于各个战机单独作战效能的总和。 对于多机协同任务规划问题的顶层处理逻辑，本文
采用层次分析法进行解耦合。层次分析法是美国运筹学 家萨蒂(Saaty T L)提出的一种将非结构化的不确定语言 描述转化成为结构化的数学描述的方法，可以使复杂且 耦合度高的问题得以简化和清晰[5-6]。
基于层次分析法的多机协同任务规划问题研究
Research on Multi Planes Cooperative Task Planning Based on Analytic Hierarchy Process
孟磊,李沛,蔡译锋,段国栋(西南电子设备研究所,四川 成都 610036)
Meng Lei, Li Pei, Cai Yi-feng, Duan Guo-dong(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment, Sichuan Chengdu 610036)
间域、空间域和协同任务提出了解耦处理方法，给出了 [5]叶媛媛,闵春平.多 UCAV 协同任务规划的层次分解方
简单、实用的设计实例，供大家参考。
法[J].火力与指挥控制,2007,32(7):11-14.
[6]付昭旺,寇英信,黄文卿,等.多机协同空战火力控制研
参考文献：
[1]顾东杰,周丰,郭鑫.智能舰艇编队指挥控制系统体系 结构设计[J].指控控制与仿真,2009,31(2):92-95.
群开展一次行动计划达到的目的。多机机群开展的任务 一般是具有较高复杂度的，需要分解为简单任务，才能 为后续协同任务规划奠定基础。
对多机机群任务目标进行分解，把复杂的任务分解 为 1-2 架战机可执行的简单子任务。通常先确定机群总 任务，再按照任务类型进行划分，再往下拆分为 1-2 架 战机可以执行的子目标。如图 2 所示，顶层是机群总任 务，第二层按照侦察、火力打击、警戒等任务类别分类， 第三层按照任务类别确定单个战机可执行的子任务，如 确定火力打击的子目标，再根据具体战场情况确定执行 打击每个子目标的战机种类、数量和单个战机任务。
[2]邢立宁,陈英武.任务规划系统研究综述[J].火力与指 控控制,2006,31(4):1-4.
究[J].电光与控制,2010,17(9):5-8,16. [7]高晓光,杨有龙.基于不同威胁体的无人作战飞机初始
路径规划[J].航空学报,2003,24(5):435-438. [8]符小卫,高晓光.多 UCAV 协同作战自主任务规划系统
的思路。
关键词：多机协同；任务规划；任务分配；层次分析法
中图分类号：E837;V279
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2021)06-0011-04
Abstract:Multi-aircraft cooperative mission planning is one of the key technologies in multi-aircraft cooperative
摘 要：多机协同任务规划是多机协同作战面临的关键技术之一，该问题是一个多变量、复杂且高度耦合的
多目标决策问题。该文提出应用运筹学的层次分析法(AHP，Analytic Hierarchy Process)进行简化和解耦，建立
多机协同任务规划问题分解框架体系，给出具体分层解决方法，设计了应用实例，提供了一种解决该问题
同 >> 编队间协同[8]。最后是完成各战机的航迹规划(这
是多机协同规划的关键问题之一，限于篇幅限制，具体
不在本文讨论)、执行任务。上述流程如图 6 所示。
图 5 任务协同分解
3 任务规划流程 上节从任务目标、空间域、时间域和任务协同四个
具体方面分析了多机协同任务规划解耦问题，实质上， 这四个方面本身也是紧密耦合的，需要在顶层找到解耦 方法，简化多机协同任务规划问题。本文通过平衡考虑 多机机群执行任务成本和任务效能关系，按照顶层流程 梳理，将多机机群协同任务规划这个复杂且高耦合的问 题，分解为多个流程任务，通过流程任务内部层次分解，
图 6 多机协同任务规划流程
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4 设计实例
根据上述应用层次分析法对多机协同任务规划框 架的分解，设计了应用系统。通过战场环境分析、任务目
标分解、任务区划分，确定了多机任务编队组成，如图 7 所示。通过任务时序分析，进一步确定了编队间、编队内 的协同任务，如图 8 所示。
[J].火力与指挥控制,2004,29(2):1-2,9.
[3]张雷,王道波,崔智社.多无人机协同任务规划关键问
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对于空间域分解，图 3 所示为简单示意图。战场有 若干威胁区，将任务空域分解为任务区 1-n，每个任务 区由战机编队独立执行任务。
2 任务分配 任务分配是多机协同任务规划的关键问题，本文采
用层次分析法进行处理。多机协同任务分配，可以从任 务目标、空间目标分解 任务目标是多机协同任务规划的输入，描述多机机
图 3 空间域分解
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2.3 时间域分解
多机机群执行任务，可以看成在四维空间活动，包 括三维物理空间和时间域。一般，对于作战时间较长的 任务，需要在时间轴进行分解，能够简化多机机群协同 任务规划问题。
时间域分解实际是战机任务时间段的划分，可以先 从战机编队任务时间域进行分解，根据战机编队执行任 务的时序划分不同战机编队的任务时间段，如图 4 所示。 在战机编队内部，根据每个战机执行任务时序划分单个 战机的任务时间段。
问题。 首先在顶层进行任务目标分解，根据任务目标分解
情况，进行任务区划分(空间域分解)。再在任务时间域进 行分解，确定任务目标时序。在任务目标、任务区、任务 时序确定的基础上，可以确定任务编队组成，一般可以 按照任务区 >> 任务时序 >> 任务目标的优先级，确定
编队组成。然后进行任务协同分解，优先级为编队内协
Key words: Multi-aircraft; task planning; task allocation; AHP
CLC number: E837;V279
Document code: A Article ID：1003-0107(2021)06-0011-04
0 引言
在未来空战中，面对复杂电磁环境和各种威胁，单 机很难生存。同时，作战飞机的作战强度越来越大、任务 复杂度越来越高，单机也很难独立完成任务。因此，多机 (有人机或无人机)协同作战将成为未来空战的主要作战 模式。多机协同作战不是简单的以量取胜的作战方式， 而是各战机见相互协同合作，共同完成作战任务的方 式，其作战效能特点 "1+1>>2"，即多机协同作战的效能 远大于协同战机单机作战的效能之和[1-4]。
图 7 多机任务编队确定
图 8 多机协同任务分解
5 结论
题研究[J].空军装备研究,2008,2(6):47-51.
针对多机协同任务规划问题，本文提出了应用层次 [4]冯琦,周德云.UCAV 任务规划系统的研究进展及发展
分析法进行简化处理的流程框架，具体对任务目标、时
趋势[J].飞行力学,2003,21(2):1-4.
1 多机协同任务规划问题顶层分解框架 多机协同任务规划问题是一个多约束、强耦合、在
动态变化环境下求解的复杂多目标优化和决策问题。对 该问题研究求解实际是解耦合、解模糊、降低复杂度、考 虑动态调整的决策优化问题，最终目的是使机群的协同
作者简介院孟磊(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 李沛(1981-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 蔡译锋(1985-)，男，高级工程师，博士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 段国栋(1984-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策。
发挥每架战机的作用，使机群战场使用效益最大化。 多机协同任务规划问题一般包括：威胁评估、任务
分配、航路规划和战术决策等子问题。其中任务分配和 航路规划是研究的难点、热点，考虑本文篇幅，重点探讨 任务分配问题。
problem, establish a multi-aircraft cooperative task planning problem decomposition framework, give a specific
layered solution, design an application example, and provide a way of solving this problem.
图 1 多 UAV 协同任务规划分层处理逻辑
第一层战场环境分析和机群配置问题，具有环境和 装备特异性，并且战场环境分析属于威胁评估问题，求 解问题不在本文讨论。本文主要对第二层和第三层问题 进行讨论，提出解决办法。
图 2 任务目标分解
2.2 空间域分解
多机机群是在一定空域执行任务，根据战场环境和 任务情况对空域进行划分，能够降低协同任务规划中任 务分配问题求解难度。战场环境包括地形地貌、威胁情 况、天气情况等。空间域分解的颗粒度，决定了多机协同 任务规划的有效性和准确性。空间域分解颗粒度，来源 于对战场环境细节的了解程度，对战场环境细节了解的 越细致，空间域分解的颗粒度越小，对机群协同任务规 划越准确。
combat, which is a multi variable, complex and highly coupled multi-objective decision-making problem. This
paper proposes to apply the analytic hierarchy process of operations research to simplify and decouple the
图 4 时间域分解
2.4 任务协同分解
降 低 问 题 求 解 难 度 ，化 不 能 解 决 的 问 题 为 可 以 求 解 的
多机机群协同执行任务，分为编队之间协同和编队 内部协同。上层编队间协同主要从空间域、时间域和战 机物理约束(个体能力、油量等)等方面综合决策。下层编 队内协同主要从单个战机任务时序、战机物理约束等方 面决策。如图 5 所示。
如图 1 所示，在顶层处理框架上按三个层次处理[7]。 第一层为决策层，主要根据任务目标进行战场环境 分析，通过对战场威胁情况和战机物理特性，预估参与 任务的战机种类和数量。 第二层为控制层，主要进行任务分配。如果任务区 面积比较大，首先进行空间域划分，将整体任务区划分 为若干子任务区；再根据子任务区的任务情况，进行战 机的种类和数量配置；然后确定单个战机在子任务区中 的任务，进行目标分配。如果不需要在空间域进行子任 务划分，则直接进行单个战机任务分配。 第三层为执行层，主要进行单个战机的航路规划， 并且根据战场变化情况，进行航路的重规划。
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电子质量 2021 年第 06 期(总 第 411 期)
任务效能大于各个战机单独作战效能的总和。 对于多机协同任务规划问题的顶层处理逻辑，本文
采用层次分析法进行解耦合。层次分析法是美国运筹学 家萨蒂(Saaty T L)提出的一种将非结构化的不确定语言 描述转化成为结构化的数学描述的方法，可以使复杂且 耦合度高的问题得以简化和清晰[5-6]。
基于层次分析法的多机协同任务规划问题研究
Research on Multi Planes Cooperative Task Planning Based on Analytic Hierarchy Process
孟磊,李沛,蔡译锋,段国栋(西南电子设备研究所,四川 成都 610036)
Meng Lei, Li Pei, Cai Yi-feng, Duan Guo-dong(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment, Sichuan Chengdu 610036)
间域、空间域和协同任务提出了解耦处理方法，给出了 [5]叶媛媛,闵春平.多 UCAV 协同任务规划的层次分解方
简单、实用的设计实例，供大家参考。
法[J].火力与指挥控制,2007,32(7):11-14.
[6]付昭旺,寇英信,黄文卿,等.多机协同空战火力控制研
参考文献：
[1]顾东杰,周丰,郭鑫.智能舰艇编队指挥控制系统体系 结构设计[J].指控控制与仿真,2009,31(2):92-95.
群开展一次行动计划达到的目的。多机机群开展的任务 一般是具有较高复杂度的，需要分解为简单任务，才能 为后续协同任务规划奠定基础。
对多机机群任务目标进行分解，把复杂的任务分解 为 1-2 架战机可执行的简单子任务。通常先确定机群总 任务，再按照任务类型进行划分，再往下拆分为 1-2 架 战机可以执行的子目标。如图 2 所示，顶层是机群总任 务，第二层按照侦察、火力打击、警戒等任务类别分类， 第三层按照任务类别确定单个战机可执行的子任务，如 确定火力打击的子目标，再根据具体战场情况确定执行 打击每个子目标的战机种类、数量和单个战机任务。
[2]邢立宁,陈英武.任务规划系统研究综述[J].火力与指 控控制,2006,31(4):1-4.
究[J].电光与控制,2010,17(9):5-8,16. [7]高晓光,杨有龙.基于不同威胁体的无人作战飞机初始
路径规划[J].航空学报,2003,24(5):435-438. [8]符小卫,高晓光.多 UCAV 协同作战自主任务规划系统
的思路。
关键词：多机协同；任务规划；任务分配；层次分析法
中图分类号：E837;V279
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2021)06-0011-04
Abstract:Multi-aircraft cooperative mission planning is one of the key technologies in multi-aircraft cooperative
摘 要：多机协同任务规划是多机协同作战面临的关键技术之一，该问题是一个多变量、复杂且高度耦合的
多目标决策问题。该文提出应用运筹学的层次分析法(AHP，Analytic Hierarchy Process)进行简化和解耦，建立
多机协同任务规划问题分解框架体系，给出具体分层解决方法，设计了应用实例，提供了一种解决该问题
同 >> 编队间协同[8]。最后是完成各战机的航迹规划(这
是多机协同规划的关键问题之一，限于篇幅限制，具体
不在本文讨论)、执行任务。上述流程如图 6 所示。
图 5 任务协同分解
3 任务规划流程 上节从任务目标、空间域、时间域和任务协同四个
具体方面分析了多机协同任务规划解耦问题，实质上， 这四个方面本身也是紧密耦合的，需要在顶层找到解耦 方法，简化多机协同任务规划问题。本文通过平衡考虑 多机机群执行任务成本和任务效能关系，按照顶层流程 梳理，将多机机群协同任务规划这个复杂且高耦合的问 题，分解为多个流程任务，通过流程任务内部层次分解，
图 6 多机协同任务规划流程
13
电子质量 2021 年第 06 期(总 第 411 期)
4 设计实例
根据上述应用层次分析法对多机协同任务规划框 架的分解，设计了应用系统。通过战场环境分析、任务目
标分解、任务区划分，确定了多机任务编队组成，如图 7 所示。通过任务时序分析，进一步确定了编队间、编队内 的协同任务，如图 8 所示。
[J].火力与指挥控制,2004,29(2):1-2,9.
[3]张雷,王道波,崔智社.多无人机协同任务规划关键问
14
对于空间域分解，图 3 所示为简单示意图。战场有 若干威胁区，将任务空域分解为任务区 1-n，每个任务 区由战机编队独立执行任务。
2 任务分配 任务分配是多机协同任务规划的关键问题，本文采
用层次分析法进行处理。多机协同任务分配，可以从任 务目标、空间目标分解 任务目标是多机协同任务规划的输入，描述多机机
图 3 空间域分解
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2.3 时间域分解
多机机群执行任务，可以看成在四维空间活动，包 括三维物理空间和时间域。一般，对于作战时间较长的 任务，需要在时间轴进行分解，能够简化多机机群协同 任务规划问题。
时间域分解实际是战机任务时间段的划分，可以先 从战机编队任务时间域进行分解，根据战机编队执行任 务的时序划分不同战机编队的任务时间段，如图 4 所示。 在战机编队内部，根据每个战机执行任务时序划分单个 战机的任务时间段。
问题。 首先在顶层进行任务目标分解，根据任务目标分解
情况，进行任务区划分(空间域分解)。再在任务时间域进 行分解，确定任务目标时序。在任务目标、任务区、任务 时序确定的基础上，可以确定任务编队组成，一般可以 按照任务区 >> 任务时序 >> 任务目标的优先级，确定
编队组成。然后进行任务协同分解，优先级为编队内协
Key words: Multi-aircraft; task planning; task allocation; AHP
CLC number: E837;V279
Document code: A Article ID：1003-0107(2021)06-0011-04
0 引言
在未来空战中，面对复杂电磁环境和各种威胁，单 机很难生存。同时，作战飞机的作战强度越来越大、任务 复杂度越来越高，单机也很难独立完成任务。因此，多机 (有人机或无人机)协同作战将成为未来空战的主要作战 模式。多机协同作战不是简单的以量取胜的作战方式， 而是各战机见相互协同合作，共同完成作战任务的方 式，其作战效能特点 "1+1>>2"，即多机协同作战的效能 远大于协同战机单机作战的效能之和[1-4]。
图 7 多机任务编队确定
图 8 多机协同任务分解
5 结论
题研究[J].空军装备研究,2008,2(6):47-51.
针对多机协同任务规划问题，本文提出了应用层次 [4]冯琦,周德云.UCAV 任务规划系统的研究进展及发展
分析法进行简化处理的流程框架，具体对任务目标、时
趋势[J].飞行力学,2003,21(2):1-4.
1 多机协同任务规划问题顶层分解框架 多机协同任务规划问题是一个多约束、强耦合、在
动态变化环境下求解的复杂多目标优化和决策问题。对 该问题研究求解实际是解耦合、解模糊、降低复杂度、考 虑动态调整的决策优化问题，最终目的是使机群的协同
作者简介院孟磊(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 李沛(1981-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 蔡译锋(1985-)，男，高级工程师，博士，研究方向为计算机仿真和辅助决策； 段国栋(1984-)，男，高级工程师，硕士，研究方向为计算机仿真和辅助决策。