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평균 필드 게임 기반의 강화학습을 통한 무기-표적 할당
Mean Field Game based Reinforcement Learning for Weapon-Target Assignment 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.23 no.4, 2020년, pp.337 - 345  

신민규 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  박순서 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  이단일 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  최한림 (한국과학기술원 항공우주공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The Weapon-Target Assignment(WTA) problem can be formulated as an optimization problem that minimize the threat of targets. Existing methods consider the trade-off between optimality and execution time to meet the various mission objectives. We propose a multi-agent reinforcement learning algorithm ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 각각의 무기 표적 할당이 전체 할당 결과에 영향을 받기 때문에 교차방지를 고려한 p(t,w) 를 수식적으로 정의하기 어렵다. 그러므로 본 연구에서는 경로 교차를 방지한 할당을 강화학습을 통하여 해결하고자 한다.
  • 모든 에이전트가 균일할 때 수식 (4)를 이용한 강화학습의 타당성과 수렴성이 증명되었으며, 본 연구에서는 평균 필드 게임 이론을 이용하여 멀티 에이전트 강화학습을 이용한 무기-표적 할당 문제의 차원의 저주 문제를 완화하고자 적용하였다.
  • 본 연구에서는 복잡한 교전 상황 중 실시간 무기표적 할당을 위한 멀티 에이전트 강화학습 모델을 제시하였다. 제시된 모델은 표적과 발사대 수가 증가함에 따라 학습 차원이 증가하는 문제를 평균 필드 게임을 이용하여 완화시켰으며 기존의 할당 기법과 달리 표적 수에 관계없이 일정 시간으로 할당함을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 유도탄간 경로 교차 방지를 고려한 무기-표적 할당 문제의 해를 실시간으로 구하기 위해 멀티 에이전트 강화학습 모델을 설계하였다. 이러한 강화학습 모델에서는 발사대에서 발사할 유도탄을 에이전트로 고려하여 표적 위치와 아군 발사대의 정보를 상태로 받아 할당 결과에 따라 따른 보상을 통하여 교전을 성공시킬 수 있도록 학습한다.
  • 과 달리 연속적인 상태 정보를 받으며, 현실적인 제한 조건을 고려함과 동시에 표적을 요격하여 피해를 최소화하는 정적할당 방식의 문제를 다룬다. 추가적으로 좁은 영역에 다수의 표적을 요격해야 하는 경우 발생할 수 있는 유도탄 간 간섭 현상을 배제하기 위해 유사한 시간에 발사된 유도탄의 궤적 교차 여부를 고려한다. 이러한 문제에서는 이전의 할당이 현재의 할당에 복합적인 영향을 미치기 때문에 문제 정의가 복잡하여 휴리스틱한 방법으로 최적해를 찾는 것은 매우 어렵다.

가설 설정

  • 5]는 학습을 수행한 후 할당 결과의 경로교차정도를 확인하기 위해 Algorithm 1을 시험한 결과이다. 시험은 가시성을 위하여 방어 발사대 2대, 표적 12개로 설정하였으며 표적은 6개의 공격 발사대에서 각각 6개씩 3초 간격으로 동시에 발사된다고 가정하였다. 학습 모델을 통하여 무기-표적 할당쌍을 구한 후 발사 준비 시간을 고려하여 발사 시간까지 고려한 최종 할당 결과는 Algorithm 1에 맞게 발사 시간이 비슷한 표적을 표적(id 1~6과 id 7~12)끼리 분류한 다음 각각 학습 모델에 적용한 다음 발사 가능시간이 빠른표적부터 발사 준비 시간을 고려하여 할당한 것을 확인하였다.
  • 한편, 표적은 x좌표 –400~400 m 구간에서 요격이 가능하다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
평균 필드 게임는 무엇인가? 하지만 다수의 에이전트 환경에서 고려할 상호작용의 수가 많아 내쉬 균형 전략을 찾기 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 에이전트 주변의 상호작용을 하나의 평균 상호작용으로 고려하여 문제의 복잡도를 줄인 다음 내쉬평균을 찾는 이론인 평균 필드 게임(Mean Field Game, MFG)이 도입되었다. MFG는 다수의 에이전트가 소규모로 상호작용하는 환경에서 전략적인 의사 결정을 하기 위한 연구로 최근에 에이전트 수가 급증할 때 차원의 저주 문제를 완화하고자 멀티 에이전트 강화학습에 적용되었다[8].
다수의 에이전트 환경에서 내쉬 균형 전략을 찾기 어려운 문제를 어떻게 해결할 수 있는가? 하지만 다수의 에이전트 환경에서 고려할 상호작용의 수가 많아 내쉬 균형 전략을 찾기 어려운 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 에이전트 주변의 상호작용을 하나의 평균 상호작용으로 고려하여 문제의 복잡도를 줄인 다음 내쉬평균을 찾는 이론인 평균 필드 게임(Mean Field Game, MFG)이 도입되었다. MFG는 다수의 에이전트가 소규모로 상호작용하는 환경에서 전략적인 의사 결정을 하기 위한 연구로 최근에 에이전트 수가 급증할 때 차원의 저주 문제를 완화하고자 멀티 에이전트 강화학습에 적용되었다[8].
유도탄 운용기술의 발달은 무엇을 가능하게 했는가? 유도탄 운용기술의 발달로 교전 중 운용 가능한 유도탄 수가 계속 증가하고 있으며, 다수의 유도탄으로 좁은 영역을 집중공격하는 전략적 운용이 가능해졌다. 방어 요격체계 입장에서는 이러한 공격 형태에 대하여 요격탄을 효율적으로 할당하기 위해 추가로 고려해야 할 제약 조건이 증가하기 때문에 해법의 복잡도 증가한다.
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참고문헌 (10)

  1. Lloyd, S. P. and Witsenhausen, H. S., "Weapon Allocation is NP-complete," Summer Computer Simulation Conference, 1986. 

  2. Ahuja, R. K., Kumar, A., Jha, K. C., & Orlin, J. B., "Exact and Heuristic Algorithms for the Weapon-Target Assignment Problem," Operations Research, 55(6), pp. 1136-1146, 2007. 

  3. Shin, M. K., Lee, D., & Choi, H. L., "Weapon-Target Assignment Problem with Interference Constraints using Mixed-Integer Linear Programming," 2019. 

  4. Lee, Z. J., Su, S. F., Lee, C. Y., "Efficiently Solving General Weapon-Target Assignment Problem by Genetic Algorithms with Greedy Eugenics," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics), Vol. 33, No. 1, pp. 113-121, 2003. 

  5. Lee, D., Shin, M. K., & Choi, H. L., "Weapon Target Assignment Problem with Interference Constraints," AIAA Scitech 2020 Forum. 2020. 

  6. Cho, D. H., & Choi, H. L., "Greedy Maximization for Asset-based Weapon-Target Assignment with Time-Dependent Rewards," Cooperative Control of Multi-Agent Systems: Theory and Applications, pp. 115-139, 2017. 

  7. Mnih, Volodymyr, et al., "Playing Atari with Deep Reinforcement Learning," arXiv preprint arXiv:1312.5602, 2013. 

  8. Yang, Yaodong, et al., "Mean Field Multi-Agent Reinforcement Learning," arXiv preprint arXiv:1802.05438, 2018. 

  9. M. Zhang, J. Zhang, G. Cheng, C. Chen and Z. Liu, "Fire Scheduling for Multiple Weapons Cooperative Engagement," 2016 10th International Conference on Software, Knowledge, Information Management & Applications(SKIMA), Chengdu, pp. 55-60, 2016. 

  10. Mouton, H., Roodt, J., & Le Roux, H., "Applying Reinforcement Learning to the Weapon Assignment Problem in Air Defence," Scientia Militaria: South African Journal of Military Studies, 39(2), pp. 99-116, 2011. 

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