Tối ưu hóa quyết định tấn công, phòng thủ của máy bay không người lái dựa trên thuật toán di truyền

Trong các tham số trên thì POPsize là quan trọng nhất, nếu chọn kích thước quần thể quá nhỏ thì tính đa dạng của quần thể bị hạn chế, tức là khó chọn được phương án ghép đôi công kích[r]

(1)

TỐI ƯU HĨA QUYẾT ĐỊNH TẤN CƠNG, PHỊNG THỦ CỦA MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI DỰA TRÊN THUẬT TOÁN DI TRUYỀN

Lê Ngọc Giang1, Trần Xn Tình2*,Phạm Tuấn Thành2, Phạm Cơng Tư3

Tóm tắt: Máy bay không người lái (UAV) ngày thể ưu tập kích đường khơng.Ra định cơng hay phịng thủ xác, hiệu những yếu tố quan trọng đảm bảo thắng lợi không chiến máy bay không người lái Bài báo giới thiệu phương pháp sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hoá định hiệp đồng công cho UAV

Từ khóa: UAV, Thuật tốn di truyền, Đa mục tiêu

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện Viện Kỹ thuật quân PK-KQ thành công nghiên cứu, chế tạo máy bay không người lái thương hiệu Việt Nam, đáp ứng phát triển yêu cầu nhiệm vụ tình hình quân chủng PK-KQ nói riêng, quân đội Việt Nam nói chung Sự đối kháng không phi đội ta phi đội địch, đòi hỏi thời gian ngắn phải đưa định xác cơng hay phịng thủ để giành chiến thắng Dưới sơ đồ tối ưu hóa định cơng phịng thủ UAV:

Hình Sơ đồ tối ưu hóa định hiệp đồng cơng, phịng thủ.

2 CƠ SỞ RA QUYẾT ĐỊNH TẤN CÔNG

Việc đưa định công UAV, dựa sở tính tốn Chỉ số hiệu khơng chiến Chỉ số đe dọa mục tiêu Căn vào số liệu đầu vào cự ly phát hiện, khoảng cách góc tiếp cận, độ cao, số lượng, đội hình bay máy bay ta (MBT) máy bay địch (MBĐ), mà số tính sau:

2.1 Chỉ số hiệu không chiến

Khả chiến đấu UAV thường đánh giá qua bảy yếu tố [2-4]: khả động, khả hỏa lực, khả phát mục tiêu, hiệu điều khiển, khả sống sót, lộ trình bay khả tác chiến điện tử Chỉ số hiệu khơng chiến tính theo cơng thức sau:

Ma trận số đe dọa mục tiêu

Ma trận hệ số phòng thủ

Ma trận hiệu hiệp đồng

tấn cơng, phịng thủ

Phân phối nhiệm vụ, Phân phối hỏa lực

QĐ hiệp đồng công,và phịng thủ Tình hình chiến

đấu không

(2)





Cln B ln A 1 ln A    

Trong đó: B tham số động; A1 tham số hỏa lực, A2 tham số khả phát hiện; 1 hệ số hiệu điều khiển; 2 hệ số khả sống sót, 3là hệ số hành trình; 4 hệ số khả tác chiến điện tử

2.2 Chỉ số đe dọa mục tiêu

Các phi đội địch ta tham gia khơng chiến coi vật thể chuyển động không gian Chỉ số đe dọa bao gồm số đe dọa góc, số đe dọa cự ly, số đe dọa tốc độ, số đe dọa độ cao, tổ hợp theo giá trị trọng số định tạo thành Mối quan hệ trạng thái không chiến thể hình

Hình Mối quan hệ trạng thái khơng chiến.

Trong đó: Vi tốc độ MBT thứ i, Vj tốc độ MBĐ thứ j, φj góc đường ngắm MBĐ thứ j vecter tốc độ MBĐ thứ j (góc tiếp cận MBĐ thứ j), φi góc tiếp cận MBT thứ i Hai góc kể lấy bên phải đường ngắm mục tiêu ≤ φi ≤ 180°，0 ≤ φj ≤180°

Chỉ số đe dọa cự ly:

j tcj j m

tcj j m

j tcj m tcj

D ij

tcj j m

tcj m j p h

D D , D D

0

D D D

0 ( D D ) / ( D D ) T

D D D

1

m ax ( D , D ) D D

 



  

  

  

 



  



Trong đó:

Hiệu cự ly máy bay ta máy bay địch Dij = Di - Dj Dm cự ly phóng cực đại tên lửa máy bay ta

Dtcj cự ly công tên lửa máy bay địch Dph cự ly phát cực đại máy bay ta Chỉ số đe dọa góc:

0 2 ij

ij

( /180 )

T



e

360

  

  , ilà tham số điều chỉnh hình học

φi Vi

φj Vj MBĐ thứ j

Dij

(3)

Chỉ số đe dọa tốc độ:

j i

Vij j i i j i

j i

0.1 V 0.6V

T 0.5 V / V 0.6V V 1.5V

1.0 V 1.5V

           Chỉ số đe dọa độ cao:

ij

Hij ij ij

ij

0.1 h

T 0.5 0.1h h

1.0 h

           

Trong đó, hiệu độ cao máy bay ta máy bay địch hij = hi - hj Chỉ số đe dọa hiệu không chiến MBĐ thứ j MBT thứ i là:

ij

0

j i j i

C

j i

0.5 0.5*sin((C / C 1) *90 ) C / C T

1 C / C

         

2.3 Ma trận số đe dọa mục tiêu

Cơng thức tính số đe dọa tổng quát là:

ij Cij ij Dij Vij Hij

q  T   T   T   T   T

Trong đó, qij số đe dọa MBT thứ i ta MBĐ thứ j, λi giá trị trọng số tương ứng

Giả sử có m máy bay ta, n máy bay địch, ma trận số đe dọa là:

11 1n

mn ij

m1 mn

q q

Q q

q q

                

2.4 Ma trận hệ số phòng thủ

Giả sử bên ta có n máy bay không người lái, định nghĩa aik hệ số quan trọng máy bay không người lái thứ k máy bay không người lái thứ i, δik hệ số phịng thủ Chúng có quan hệ cho hàm số sau:

ik ik ik ik ik ik 2a n ln

1 a 0.5

1 n 2 n a 0.5 2 2a n

2 ln

0.5 a n n 2                                 

(4)

11 1n

mn ik

m1 mn

 

 

 

  

 

  

 

2.5 Ma trận hiệp đồng cơng phịng thủ

11 1n

m n m n m n jk

m m n

r r

R Q x r

r r

 

 

  

 

 

Trong đó：

n

jk ji ik

i

r (q ), j 1, 2, , m; k 1, 2,





3 MÔ PHỎNG, TÍNH TỐN, THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình tốn tối ưu hóa định hiệp đồng cơng

3.1.1 Mơ hình tốn tổng qt

Phi đội bên địch có N máy bay: R





Phi đội bên ta có M máy bay UAV: B





Khi số đe dọa lớn giá trị giới hạn: qijqgh, cần tăng thêm Tb tên lửa để cơng kích Vậy tổng số tên lửa dùng để cơng kích mục tiêu T=N+Tb,

NTZ

Khi biết thêm liệu đầu vào cự ly phát hiện, khoảng cách, góc tiếp cận, độ cao, số lượng, đội hình bay Ta tính toán ma trận số đe dọa mục tiêu, để làm sở tối ưu hóa định hiệp đồng cơng cho UAV

3.1.2 Mơ hình tốn cụ thể

Phát 14 MBĐ bay vào vùng trời bảo vệ Chúng xếp theo đội hình bay có dãn cách trước – sau, phải – trái 10 Km

Máy bay ta có UAV có khả cơng kích đa mục tiêu, có Tên lửa tầm xa khơng đối khơng Đội hình bay ta có dãn cách trước – sau 10 Km, dãn cách phải – trái 40 Km

Các máy bay địch-ta có độ cao, máy bay địch nằm phạm vi cơng kích máy bay ta Số hiệu đội hình bay hình

Tốc độ MBT là: VR = 300 m/s Tốc độ MBĐ là: VB = 350 m/s Cự ly phát cực đại MBT DR = 120 Km Cự ly phát cực đại MBĐ DB = 100 Km

(5)

Hình Số hiệu đội hình bay Máy bay ta Δ, Máy bay địch ▲ 3.1.3 Giải toán

Quyết định cơng kích bao gồm vấn đề phân phối hỏa lực phân phối thứ tự trước sau công kích MBĐ Quyết định thứ tự trước sau cơng kích xác định giá trị lớn nhỏ số đe dọa Quyết định phân phối hỏa lực phải khiến máy bay địch khả tiếp tục chiến đấu Sử dụng thuật toán di truyền vấn đề giải pháp tìm kiếm tối ưu, khiến cho số đe dọa phi đội địch phi đội ta nhỏ Sơ đồ sau minh hoạ q trình tối ưu hóa định cơng dùng thuật tốn di truyền

Hình 4. Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa định cơng dùng giải thuật di truyền Mã hố Khởi tạo

Tính độ thích nghi cá thể quần thể

Chọn lọc

Lai ghép

Đột biến

Có cá thể đạt lời giải tối ưu chưa số lần lặp lớn

nhất ?

Kết đầu

Yes

(6)

Thuật toán di truyền [1] vấn đề tối ưu hóa định cơng kích đa mục tiêu chia thành bước sau:

Bước Mã hóa nhiễm sắc thể

Mỗi cá thể phương án ghép đơi cơng kích Tên lửa – Mục tiêu: πg = (W1, W2, , Wk, , WT)

Độ dài chuỗi nhiễm sắc thể số lượng tên lửa dùng để cơng kích T=N+Tb





k i

W  1, 2, , m , Z , k [1,T], với mi(i l).L  ,  L

Bảng Bảngmã hóa nhiễm sắc thể πg = W1 W2 Wk WN WN+1 WT

T = k N N+1 N+Tb

Bước Khởi tạo

Chủ yếu thiết lập quy mô quần thể POPsize, số lần lặp tối đa MAXgen, Việc lựa chọn tham số phù hợp tăng tính hiệu giải thuật Trong tham số POPsize quan trọng nhất, chọn kích thước quần thể q nhỏ tính đa dạng quần thể bị hạn chế, tức khó chọn phương án ghép đơi cơng kích Tên lửa – Mục tiêu có xác suất tiêu diệt lớn nhất, cịn lớn làm hao phí tài nguyên máy tính làm chậm q trình tiến hóa Thơng thường ta chọn: 20 ≤ POPsize ≤ 200 Số lần lặp tối đa MAXgen giới hạn số hệ Trong vịng lặp có bước kiểm tra điều kiện, đếm hệ nhỏ MAXgen quay trở lại tính tốn cho hệ sau MAXgen nhỏ xảy trường hợp chưa tìm kết tối ưu, giá trị hàm thích nghi chưa hội tụ q trình tính tốn dừng lại MAXgen q lớn làm hao phí tài nguyên máy tính, định cơng kích chậm dẫn đến lỡ thời tiêu diệt MBĐ

Bước Hàm thích nghi

Sau khởi tạo quần thể thời điểm hệ tạo thành, phải sử dụng hàm thích nghi để đánh giá mức độ thích nghi nhiễm sắc thể, nhằm có sở lựa chọn bố mẹ cho phép lai tạo đột biến

Hàm đánh giá nguy hiểm phi đội địch phi đội không người lái ta là:

rj

Z

N M

X

ji rj

j i r

E( ) q (1 q )

  

  

     

 

 





Trong đó: qrj số đe dọa máy bay địch thứ j máy bay ta thứ r Nếu cơng kích tên lửa Xrj =1 , khơng cơng kích tên lửa Xrj =

Hàm thích nghi là: f 0.1 0.001 E( )



 

Bước Chọn lọc

(7)

đời sau lớn Thơng qua q trình biến dị lai ghép sinh hệ sau tốt

Bước Lai ghép

Trong giải thuật di truyền, phép lai ghép điều khiển xác suất lai ghép Pc xác suất cá thể quần thể có hội chọn để thực phép lai Tức có Pc x POPsize cách lai ghép Pc nhỏ khả sinh quần thể chậm, Pc lớn dễ sinh quần thể chất lượng, Thông thường ta chọn: 0.6 ≤ Pc ≤ Ở đây, coi số lượng cá thể quần thể hệ không đổi Phép chọn lọc chọn số cá thể có độ thích nghi cao loại bỏ số cá thể thích nghi thấp Sự thiếu hụt số lượng cá thể quần thể bù đắp lấy cá thể thích nghi cao hệ cha mẹ, tạo hệ phép lai ghép

Ví dụ: M=2, L=4, N=6 Vậy số tên lửa có Z=M.L=8 Cần chọn T=6 tên lửa để công kích mục tiêu Giả thiết có loại nhiễm sắc thể phương án cơng kích A, B, sau lai ghép nhiễm sắc thể A’, B’

A: A’: B: B’:

Vị trí điểm lai ghép c = 3, chuỗi gen từ 1-3 A’chính chuỗi gen từ -3 A, chuỗi gen từ 4-6 A’ xác định cách đổi phận trước sau vị trí điểm lai ghép B “ 6”, loại bỏ gen trùng “ 6”, lấy gen đầu ta có:

A’:

Tương tự, chuỗi gen từ 1-3 B’ chính chuỗi gen từ 1-3 B, chuỗi gen từ 4-6 B’ xác định cách đổi phận trước sau vị trí điểm lai ghép A “ 1”, loại bỏ gen trùng với “ 1”, lấy số đầu ta có:

B’:

Bước Đột biến

Đột biến thay đổi chuỗi nhiễm sắc thể cách ngẫu nhiên để tạo tính đa dạng Phép đột biến điều khiển xác suất đột biến Pm, xác suất số gen cá thể quần thể bị đột biến Nếu không đột biến giải thuật tìm kiếm lời giải không gian khởi tạo, Pm nhỏ không đảm bảo tính đa dạng, Pm q lớn q trình tìm kiếm trở thành tìm kiếm ngẫu nhiên Thơng thường ta chọn: 0.01 ≤ Pm ≤ 0.05

Tiếp ví dụ trên, thao tác đột biến cá thể A’sẽ sinh cá thể A’’, vị trí đột biến gen số 4, tập hợp gen chưa có A’ gồm (6 8), chọn tùy ý ta có A’’(4)=8

A’: 3 A’’: 8