[發(fā)明專利]一種空戰(zhàn)多目標(biāo)分配的啟發(fā)式量子遺傳方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210147056.0
• 申請(qǐng)日: 2012-05-11
• 公開（公告）號(hào): CN102722751A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李妮;孔海朋;龔光紅;韓亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06N3/12
• 分類號(hào): G06N3/12
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 官漢增

1.一種空戰(zhàn)多目標(biāo)分配的啟發(fā)式量子遺傳方法，其特征在于：包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：從指揮控制中心獲取當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)：

步驟二：通過經(jīng)驗(yàn)公式獲取當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)敵我雙方飛行器之間的威脅因數(shù)；

我方飛行器對(duì)敵方飛行器的威脅因數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為：

thij=ω1thijDijthijϵij+ω2thijVBi---(1)]]>

其中下標(biāo)i表示我方飛行器B_i(i＝1,2,…,M)，其中M表示我方飛行器的總數(shù)量，下標(biāo)j表示敵方飛行器R_j(j＝1,2,…,N)，N表示敵方飛行器的總數(shù)量，th_ij表示我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的威脅因數(shù)，表示我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的距離威脅因子，表示我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的角度威脅因子，表示我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的速度威脅因子，其中ω₁與ω₂為非負(fù)的權(quán)重系數(shù)，且滿足ω₁+ω₂＝1；

我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的距離威脅因子具體為：

thijDij=1.0Dij≤RaB1-Dij-RaBTrB-RaBRaB<Dij≤TrB0.0Dij>TrB---(2)]]>

其中：D_ij表示我方飛行器B_i到敵方飛行器R_j的距離，Ra_B表示我方飛行器Bi所攜帶武器的平均有效作用距離，Tr_B表示我方飛行器雷達(dá)的最大跟蹤距離；

我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的角度威脅因子具體為：

thijϵij=e-λ1(πϵij/180)λ2---(3)]]>

其中ε_ij表示敵方飛行器R_j相對(duì)于我方飛行器B_i的離軸角，λ₁與λ₂為常數(shù)λ₁與λ₂取值一般在0到10之間，不存在相互限制的關(guān)系；

我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的速度威脅因子具體為：

thijVBi=1.0VRj<0.5VBi1.5-VRj/VBi0.5VBi<VRj≤1.4VBi0.1VRj>1.4VBi---(4)]]>

其中表示我方飛行器B_i的速度，表示敵方飛行器R_j的速度；同理敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的威脅經(jīng)驗(yàn)公式為：

thji=ω3thjiDji+thjiϵji+ω4thjiVRj---(5)]]>

其中下標(biāo)j表示敵方飛行器R_j，下標(biāo)i表示我方飛行器B_i，th_ji表示敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的威脅因數(shù)，表示敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_j的距離威脅因子，表示敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的角度威脅因子，表示敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的速度威脅因子，ω₃與ω₄為非負(fù)的權(quán)重系數(shù)，且滿足ω₃+ω₄＝1；

敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的距離威脅因子具體為：

thjiDji=1.0Dji≤RaR1-Dji-RaRTrR-RaRRaR<Dji≤TrR0.0Dji>TrR---(6)]]>

其中D_ji表示敵方飛行器R_j到我方飛行器B_i的距離，Ra_R表示敵方飛行器R_j所攜帶武器的平均有效作用距離，Tr_R表示敵方飛行器雷達(dá)的最大跟蹤距離；

敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的角度威脅因子具體為：

thjiϵji=e-λ3(πϵji/180)λ4---(7)]]>

其中ε_ji表示我方飛行器B_i相對(duì)于敵方飛行器R_j的離軸角，λ₃與λ₄為常數(shù)；

敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的速度威脅因子具體為：

thjiVRj=1.0VBi<0.5VRj1.5-VBi/VRj0.5VRj<VBi≤1.4VRj0.1VBi>1.4VRj---(8)]]>

其中表示敵方飛行器R_j的速度，表示我方飛行器B_i的速度；

步驟三：根據(jù)分配值經(jīng)驗(yàn)公式獲取所有我方飛行器的每個(gè)武器的所有攻擊分配值，構(gòu)建優(yōu)先攻擊分配值向量：

我方飛行器B_i(i＝1,2,…,M)對(duì)敵方飛行器R_j(j＝1,2,…,N)的分配值經(jīng)驗(yàn)公式為：

AVij=thij·Σi=1Mthji---(9)]]>

其中th_ij表示我方飛行器B_i對(duì)敵方飛行器R_j的威脅因數(shù)，表示敵方飛行器R_j對(duì)我方飛行器B_i的威脅，AV_ij表示我方飛行器B_i攻擊敵方飛行器R_j攻擊分配值；

根據(jù)分配值經(jīng)驗(yàn)公式（9）計(jì)算我方所有武器r(r＝1,2,…,Z)所在我方飛行器B_i對(duì)所有敵方飛行器的整體攻擊分配值向量AV_ZN×1為

AV_ZN×1＝[AV₁₁,AV₁₂,…,AV_1N,AV₂₁,…,AV_ZN]，

其中Z為我方所有飛行器所攜帶的武器的總數(shù)量，AV₁₁表示我方攜帶武器編號(hào)為1的飛行器攻擊敵方飛行器R₁的攻擊分配值，AV₁₂表示我方攜帶武器編號(hào)為1的飛行器攻擊敵方飛行器R₂的攻擊分配值，AV_1N表示我方攜帶武器編號(hào)為1的飛行器攻擊敵方飛行器R_N的攻擊分配值，AV₂₁表示我方攜帶武器編號(hào)為2的飛行器攻擊敵方飛行器R₁的攻擊分配值，AV_ZN表示我方攜帶武器編號(hào)為Z的飛行器攻擊敵方飛行器R_N的攻擊分配值，整體攻擊分配值向量AV_ZN×1＝[AV₁₁,AV₁₂,…,AV_1N，AV₂₁,…,AV_ZN]中包含了我方每一個(gè)武器對(duì)敵方每一個(gè)飛行器的攻擊分配值，共包含Z·N個(gè)攻擊分配值；

將整體攻擊分配值向量AV_ZN×1中Z·N個(gè)AV₁₁,AV₁₂,…,AV_1N,AV₂₁,…,AV_ZN攻擊分配值按照從大到小的順序進(jìn)行排列，得到優(yōu)先分配值向量PAV_ZN×1，向量維度為ZN×1；

步驟四：設(shè)定種群規(guī)模、最大迭代步數(shù)和變異概率P_m，對(duì)我方武器分配方案，進(jìn)行量子位編碼并初始化種群中的所有量子染色體，其中種群規(guī)模記為NUM，為種群中染色體的個(gè)數(shù)，最大迭代步數(shù)記為MAX，在第i個(gè)我方武器分配方案中，將我方武器r(r∈1,2,…,Z)所攻擊的敵方飛行器進(jìn)行量子位編碼，每個(gè)武器的基因段長(zhǎng)度等于敵方飛行器的數(shù)目N，因此第i個(gè)染色體中我方每個(gè)武器r對(duì)應(yīng)的基因位編碼為gir=[αir1βir1|αir2βir2|...|αirNβirN],]]>i∈1,2,…NUM，其中表示第i個(gè)染色體中我方武器r不攻擊敵方飛行器R₁的量子位概率幅，其中表示第i個(gè)染色體中我方武器r攻擊敵方飛行器R₁的量子位概率幅，表示第i個(gè)染色體中我方武器r不攻擊敵方飛行器R₂的概率幅，其中表示第i個(gè)染色體中我方武器r攻擊敵方飛行器R₂的量子位概率幅，表示第i個(gè)染色體中我方武器r不攻擊敵方飛行器R_N的量子位概率幅，其中表示第i個(gè)染色體中我方武器r攻擊敵方飛行器R_N的量子位概率幅，在一個(gè)我方武器分配方案的一條染色體中包含我方Z個(gè)所有武器的基因段，因此一個(gè)染色體總長(zhǎng)度為Z·N，第i個(gè)我方所有武器的一整條染色體的編碼為gi=[gi1|gi2|...|gir|...|giZ],i∈1,2,...NUM,]]>包含z個(gè)基因段，其中第r個(gè)基因段編碼為我方武器r對(duì)應(yīng)的基因位編碼gir=[αir1βir1|αir2βir2|...|αirNβirN],i∈1,2,...NUM,]]>因此整條染色體中包含有Z·N個(gè)基因位，對(duì)gi=[gi1|gi2|...|gir|...|giZ],i∈1,2,...NUM]]>中的每一個(gè)基因位按照各個(gè)基因位編碼完全展開后，從1至ZN順序編號(hào)，則重新編號(hào)后的染色體為：

gi=[αi1βi1|αi2βi2|...|αi(r-1)·N+jβi(r-1)·N+j|...|αiZ·NβiZ·N]=[αi1βi1|αi2βi2|...|αikβik|...|αiZ·NβiZ·N]---(10)]]>

其中i∈1,2,…NUM，r∈1,2,…,Z，j∈1,2,…,N，k＝(r-1)·N+j且k∈1,2,…,Z·N；表示第i個(gè)染色體中第1個(gè)、第2個(gè)…第(r-1)·N+j個(gè)…第ZN個(gè)基因位不攻擊敵方飛行器的量子位概率幅，表示第i個(gè)染色體中第1個(gè)、第2個(gè)…第(r-1)·N+j個(gè)…第ZN個(gè)基因位攻擊敵方飛行器的量子位概率幅；

對(duì)種群中我方所有武器的整條染色體各個(gè)基因位進(jìn)行初始化，使所有基因位αi1βi1,]]>αi2βi2...αi(r-1)·N+jβi(r-1)·N+j...αiN·ZβiN·Z]]>均初始化為同一個(gè)數(shù)值從而使每條染色體中我方每個(gè)武器攻擊敵方飛行器與不攻擊敵方飛行器的概率相同；

步驟五：對(duì)量子染色體進(jìn)行過濾，確定染色體中每一個(gè)基因位的取值；

對(duì)染色體gi=[αi1βi1|αi2βi2|...|αikβik|...|αiZ·NβiZ·N],]]>i∈1,2,…NUM進(jìn)行過濾，以隨機(jī)概率對(duì)染色體每一個(gè)基因位進(jìn)行取值，隨即產(chǎn)生一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)，若隨機(jī)數(shù)小于第k個(gè)基因位過濾后的取值為1，反之取為0，則過濾后的染色體g_i′為：

gi′=[Gi1|Gi2|...|GiN-Z],i∈1,2,...NUM---(11)]]>

其中或0(k∈1,2,…,N·Z)，為過濾后的染色體g_i′第k位基因位取值，k為N·Z個(gè)基因位中的第k個(gè)；

步驟六：根據(jù)優(yōu)先攻擊分配值向量修正量子染色體；

按照步驟三中得到的優(yōu)先攻擊分配值向量PAV_ZN×1，依次將過濾后的染色體g_i′，i∈1,2,…NUM按照公式（9）計(jì)算得到的攻擊分配值A(chǔ)V_ij小、且的基因位置為0，使染色體滿足一個(gè)我方武器只攻擊一個(gè)敵方飛行器，且每個(gè)敵方飛行器最多分配2個(gè)武器進(jìn)行攻擊；

若過濾后的整條染色體g_i′中的個(gè)數(shù)小于我方武器總個(gè)數(shù)Z，按照優(yōu)先攻擊分配值向量PAV_ZN×1依次將過濾后的整條染色體g_i′中攻擊分配值A(chǔ)V_ij大的且的基因位置為1；

步驟七：根據(jù)轉(zhuǎn)換后的威脅經(jīng)驗(yàn)公式獲取經(jīng)過我方武器攻擊后敵方飛行器對(duì)我方飛行器的威脅程度，并找出歷史最優(yōu)解；

為將步驟四中過濾后染色體基因位的量子位編碼對(duì)應(yīng)到威脅經(jīng)驗(yàn)公式中，將威脅程度目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行以下轉(zhuǎn)換：

E=minΣj=1NΣi=1M{thji·[Πr=1Z(1-thrj)Xrj]}]]>

=minΣi=1MΣj=1N{thji·[Πr=1Z(1-thrj)Xrj]}]]>

=minΣi=1MΣj-1N{thji·[Πr=1Z(1-thrj)Gj+(r-1)·N]}---(12)]]>

其中：E表示威脅程度目標(biāo)函數(shù)，N為敵方飛行器的總數(shù)目，M為我方飛行器的總數(shù)目，Z為我方武器的總數(shù)目，G_j+(r-1)·N表示我方過濾后的染色體g'的第j+(r-1)·N個(gè)基因位，j∈1,2,…,N，r∈1,2,…,Z·N；若基因位G_k＝1(k∈1,…2,Z·,1，且由式（10）中的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知k＝(r-1)·N+j，則代表我方編號(hào)為r的武器攻擊敵方飛行器R_j，若為0表示我方編號(hào)為r的武器不攻擊敵方飛行器R_j；

計(jì)算種群中第i條過濾后的染色體g’_i經(jīng)過公式（12）得到的威脅程度目標(biāo)函數(shù)值E_i，其中i∈1,2,…,NUM，作為第i條染色體的當(dāng)前解，在第一代個(gè)體的當(dāng)前解中，找出所有染色體當(dāng)前解E_i中的最小值作為種群的歷史最優(yōu)解，記為E_b，對(duì)應(yīng)的過濾后的染色體g’_i為種群的最優(yōu)過濾染色體記為g_b′，對(duì)應(yīng)的未過濾的染色體g_i為種群的最優(yōu)染色體g_b；

若不是第一代個(gè)體，把此代每條染色體的當(dāng)前解與歷史最優(yōu)解進(jìn)行比較，若第i個(gè)染色體的當(dāng)前解E_i小于歷史最優(yōu)解E_b，即E_i＜E_b，則將此染色體的當(dāng)前解E_i的值賦予E_b，即E_b＝E_i，將第i個(gè)過濾染色體g_i′賦予最優(yōu)過濾染色體g_b′，即g_b′＝g_i′，將第i個(gè)染色體g_i賦予最優(yōu)染色體g_b，g_b＝g_i；

步驟八：對(duì)種群中的所有染色體進(jìn)行量子門旋轉(zhuǎn)；

αk,βk,=cosθk-sinθksinθkcosθkαkβk---(13)]]>

參考經(jīng)驗(yàn)公式（13），其中α_k、β_k為過濾前染色體基因位中要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的染色體的量子位概率幅，α′_k、β′_k為過濾后染色體基因位中旋轉(zhuǎn)后的量子位概率幅，θ_k表示量子旋轉(zhuǎn)角，查詢量子旋轉(zhuǎn)角θ_k表，對(duì)每條染色體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過量子門旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)后的染色體第k個(gè)基因位的概率幅由αkβk]]>變?yōu)榱?maths num=0024>αk,βk,;]]>

步驟九：根據(jù)最優(yōu)過濾染色體g′_b和變異概率P_m，對(duì)種群中的所有染色體進(jìn)行變異操作；

對(duì)種群中的染色體g_ii∈1,2,…,NUM進(jìn)行變異操作，首先隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)P，若P≥P_m，則進(jìn)行過濾后的染色體基因位比較；

基因位比較過程為：將過濾后的染色體g_i′與最優(yōu)過濾染色體g′_b進(jìn)行對(duì)應(yīng)基因?yàn)楸容^，將g′_b中基因位為1且g_i′中基因位為0的基因位取出來，若g_i′中第k(k∈1,2,…,Z·N)個(gè)基因位被取出，且對(duì)應(yīng)的未經(jīng)過濾的染色體g_i的第k個(gè)基因位的概率幅滿足則將g_i中第k個(gè)基因位的兩個(gè)概率幅與進(jìn)行互換，互換后的g_i中第k??個(gè)基因位由αikβik]]>變?yōu)?maths num=0026>βikαik,]]>g_i由gi=[αi1βi1|αi2βi2|...|αikβik|...|αiZ·NβiZ·N]]]>變?yōu)?maths num=0028>gi=[αi1βi1|αi2βi2|...|βikαik|...|αiZ·NβiZ·N];]]>若則概率幅不進(jìn)行互換；

若P＜P_m，則染色體g_i跳過變異過程；

步驟十：判斷迭代次數(shù)是否達(dá)到最大迭代步數(shù)MAX，若未達(dá)到，返回步驟五，繼續(xù)循環(huán)；若迭代次數(shù)達(dá)到MAX，退出循環(huán)；

步驟十一：經(jīng)過步驟十退出循環(huán)后，所得到的最優(yōu)過濾染色體g′_b為得到的空戰(zhàn)多目標(biāo)分配方案。