杜　偉　朱　江　聞傳花　王迎春

(南京陸軍指揮學(xué)院　南京　210045)

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基于多Agent的作戰(zhàn)體系仿真模型構(gòu)建*

杜偉朱江聞傳花王迎春

(南京陸軍指揮學(xué)院南京210045)

面向當(dāng)前信息化作戰(zhàn)要求，分析了作戰(zhàn)體系的各類型作戰(zhàn)單元以及相關(guān)之間的關(guān)系。構(gòu)建了多Agent的作戰(zhàn)體系實(shí)體仿真模型，包括指控Agent、偵察Agent、火力Agent以及保障Agent。在實(shí)體仿真模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了包括指揮關(guān)系、協(xié)作關(guān)系以及保障關(guān)系在內(nèi)的關(guān)系模型。分析了實(shí)體仿真模型的實(shí)體屬性以及相關(guān)作戰(zhàn)行為要素。多Agent仿真模型的構(gòu)建方法為研究作戰(zhàn)體系提供了新的途徑。

作戰(zhàn)體系; 多Agent; 仿真模型

Class NumberE917; TP391.3

1　引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們已經(jīng)很難用線性的、機(jī)械的各種科學(xué)理論方法對(duì)復(fù)雜社會(huì)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的分析和處理，因此，非線性動(dòng)力學(xué)和復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論分別在20世紀(jì)的70年代和90年代分別發(fā)展為獨(dú)立的研究領(lǐng)域。非線性動(dòng)力學(xué)主要對(duì)按照非線性規(guī)則隨時(shí)間演化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究，而復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論可以看作是非線性動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[1]。當(dāng)前信息化條件下的作戰(zhàn)體系是一個(gè)典型的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，作戰(zhàn)過程中存在大量的偶然性和涌現(xiàn)性。傳統(tǒng)建模方法難以準(zhǔn)確地再現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜行為特征，而采用基于多Agent的作戰(zhàn)仿真來探索作戰(zhàn)復(fù)雜行為特征方法受到國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。

基于多Agent的作戰(zhàn)仿真是一種采用具有交互關(guān)系的自主實(shí)體來抽象描述作戰(zhàn)系統(tǒng)的建模仿真方法，實(shí)體的自主性和交互性體現(xiàn)了自下而上的、從微觀到宏觀的建模思想[2～5]。該方法通過對(duì)作戰(zhàn)體系的各類型作戰(zhàn)單元實(shí)體以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行抽象建模，對(duì)作戰(zhàn)體系的整體行為進(jìn)行分析研究。作戰(zhàn)體系具有強(qiáng)烈的社會(huì)性，這種社會(huì)性主要是因?yàn)槿说淖饔枚鸬?，而Agent通過自治性、環(huán)境感知能力、層次性、主動(dòng)性等特點(diǎn)[6]可以對(duì)人在作戰(zhàn)系統(tǒng)的中的作用和位置進(jìn)行較為合理的描述。

本文通過對(duì)不同類型作戰(zhàn)單元分別構(gòu)建不同類型的Agent以及各自的屬性，來反映各類作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)特點(diǎn)，從而更好地描述作戰(zhàn)系統(tǒng)的社會(huì)性和系統(tǒng)性特點(diǎn)，為指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)決策提供指導(dǎo)，為作戰(zhàn)仿真與建模方法探索提供參考。

2　復(fù)雜作戰(zhàn)體系分析

作戰(zhàn)體系是由可獨(dú)立執(zhí)行某項(xiàng)或某些作戰(zhàn)任務(wù)的不同作戰(zhàn)系統(tǒng)組成的更高層次、更大規(guī)模的作戰(zhàn)系統(tǒng)，各作戰(zhàn)分系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)和配合更密切。在一個(gè)作戰(zhàn)體系中，包括各個(gè)不同功能的系統(tǒng)組成，包括：偵察系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)、指控系統(tǒng)等[7]。從網(wǎng)絡(luò)的角度看，這些系統(tǒng)包括系統(tǒng)中的各個(gè)單元具有不同的屬性和功能，各單元間存在著各種各樣的關(guān)系。

在作戰(zhàn)體系中，包含很多不同類型的作戰(zhàn)單元，根據(jù)各類型單元在作戰(zhàn)體系中發(fā)揮的作用，主要包含四類，分別為指控單元(C2)、偵察單元(Scout,簡(jiǎn)記為S)、火力單元(Force，簡(jiǎn)記為F)、保障單元(Guarantee，簡(jiǎn)記為G)，各個(gè)作戰(zhàn)單元之間通過不同類型的交互關(guān)系。

1) 指控單元C2表示具有指控和控制作用的單元，它能夠接收從偵察節(jié)點(diǎn)傳來的敵我態(tài)勢(shì)，從而做出決策，對(duì)偵察單元、火力單元、保障單元下達(dá)命令、進(jìn)行指揮和控制，包括指控中心、各級(jí)指揮所等。

2) 偵察單元S表示在戰(zhàn)場(chǎng)上偵察、監(jiān)視的系統(tǒng)或單元，包括所有提供空間感知的單元，負(fù)責(zé)接收從敵情、我情并傳輸?shù)街缚毓?jié)點(diǎn)，如預(yù)警機(jī)、雷達(dá)等；

3) 火力單元F表示能夠執(zhí)行殺傷作用單元，它能夠接收指控節(jié)點(diǎn)的命令對(duì)敵方實(shí)施攻擊或干擾，包括導(dǎo)彈、高炮、步兵連等，在不同層次的仿真模型中，實(shí)體的聚類層次不同，比如在一個(gè)大規(guī)模作戰(zhàn)體系中，一個(gè)坦克連是一個(gè)火力單元實(shí)體，而在某些小規(guī)模作戰(zhàn)體系中，一輛坦克可能是一個(gè)火力單元實(shí)體。

4) 保障單元G表示對(duì)作戰(zhàn)體系的運(yùn)行提供后勤和裝備保障的單元，為各作戰(zhàn)單元正常運(yùn)行提供必備的資源。

5) 根據(jù)作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)單元類型的組合，作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)邊可分為很多類型，通過不同形式的通信方式進(jìn)行信息交互，在抽象建模中均可表示為一種通信鏈路L。

3　作戰(zhàn)體系的仿真實(shí)體建模

圖1　Agent指揮決策過程

實(shí)體使用Agent建模，關(guān)鍵是描述Agent接受信息、運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)完成認(rèn)知，基于規(guī)則和能力進(jìn)行行為選擇，并形成作戰(zhàn)行動(dòng)的過程。

針對(duì)不同類型的作戰(zhàn)單元，分別構(gòu)建不同類型的Agent實(shí)體模型，按照作戰(zhàn)體系分析的結(jié)果，主要構(gòu)建指控Agent、偵察Agent、火力Agent、保障Agent，各作戰(zhàn)單元之間信息交互主要通過各Agent實(shí)體自帶的通信模塊建模實(shí)現(xiàn)。各類型Agent結(jié)構(gòu)在圖1所示的模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上根據(jù)其功能特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整。

3.1指控Agent

在作戰(zhàn)體系中，由指揮所等指揮作戰(zhàn)單元抽象出的智能體稱為指揮Agent，它是構(gòu)成作戰(zhàn)體系仿真系統(tǒng)的核心組成成員。在作戰(zhàn)過程中存在多種不同決策能力的指揮Agent，但它們存在的共性是，傳達(dá)上級(jí)Agent的命令，接收同級(jí)Agent的請(qǐng)求，處理相關(guān)Agent傳遞的信息，并進(jìn)行決策，并下達(dá)任務(wù)給相關(guān)的執(zhí)行Agent。

通過分析對(duì)指控單元的功能特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，指控Agent的主要能力是進(jìn)行決策，在規(guī)則庫、屬性庫、行為庫等側(cè)重于決策能力的建模，決策模塊居于首要地位，其功能需要比一般智能體進(jìn)行擴(kuò)展和細(xì)化。因此將指控Agent劃分為感知模塊、通信模塊、信息處理模塊、態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊、決策規(guī)范模塊以及行動(dòng)模塊。

圖2　指控Agent模型結(jié)構(gòu)

3.2偵察Agent

在作戰(zhàn)體系中，由雷達(dá)、無人機(jī)等傳感器以及偵察人員分隊(duì)抽象出的智能體為偵察Agent。作戰(zhàn)體系中的各類偵察實(shí)體其偵察方式、手段、能力等各方面都存在非常大的差異，但是其偵察行為執(zhí)行過程基本相同，即首先通過自身的感知模塊發(fā)現(xiàn)敵情，然后通過自身信息處理模塊對(duì)偵察到的信息進(jìn)行處理，將處理后的情報(bào)信息通過自身的通信模塊傳遞給指控Agent。

通過分析可知，偵察Agent主要能力是偵察以及基本的信息處理，因此，偵察Agent的智能性低于指控Agent，主要分為感知模塊、通信模塊、信息處理模塊、行動(dòng)模塊，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　偵察Agent模型結(jié)構(gòu)

3.3火力Agent

在作戰(zhàn)體系中，由坦克、火炮、機(jī)槍等裝備與戰(zhàn)斗人員相結(jié)合的作戰(zhàn)單元抽象出的智能體為火力Agent。作戰(zhàn)體系中的各類火力實(shí)體的打擊方式、打擊能力等都存在非常大的差異，但是其火力打擊行為具有相同的執(zhí)行過程，即首先通過通信模塊接受上級(jí)的打擊指令，然后通過自身信息處理模塊對(duì)打擊指令進(jìn)行分析處理，在感知模塊的輔助下通過行動(dòng)模塊完成相應(yīng)的打擊行為。

在火力打擊過程中，火力Agent依據(jù)打擊能力屬性的參數(shù)判斷，一旦目標(biāo)在打擊能力范圍內(nèi)，進(jìn)行打擊，通過武器裝備的命中概率等屬性，利用產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來決定打擊是否命中。

圖4　火力Agent模型結(jié)構(gòu)

3.4保障Agent

在作戰(zhàn)體系中，由各類裝備修理保障單位、后勤補(bǔ)給單位等作戰(zhàn)單元抽象而成的智能體為保障Agent。保障Agent通過通信模塊來接受指控Agent的相關(guān)保障命令，在信息處理模塊對(duì)保障命令進(jìn)行處理，形成相應(yīng)的保障策略，制定保障力量的臨時(shí)編組，然后由行動(dòng)模塊完成保障行為。

在實(shí)際的建模過程中，由于保障類型涉及軍需、油料、衛(wèi)勤、彈藥、裝備維修等多種，為了體現(xiàn)保障單元在整個(gè)作戰(zhàn)實(shí)體中的作用，同時(shí)考慮仿真建模的可行性，在此選擇彈藥保障以及醫(yī)療保障兩種類型作為代表構(gòu)建保障Agent，當(dāng)火力Agent彈藥不足時(shí)可由彈藥保障Agent提供彈藥，當(dāng)我方Agent生命力不足時(shí)可由醫(yī)療保障Agent恢復(fù)生命力。

圖5　保障Agent模型結(jié)構(gòu)

通過分析可知，保障Agent需要有一定的決策模塊支持完成保障行為，因此，其模型結(jié)構(gòu)包括感知模塊、通信模塊、信息處理模塊、方案規(guī)劃模塊、行動(dòng)模塊，在規(guī)則庫、行為庫、屬性庫相關(guān)組成的輔助進(jìn)行保障行為的執(zhí)行。

4　作戰(zhàn)體系的仿真關(guān)系建模

在作戰(zhàn)體系中，不同作戰(zhàn)實(shí)體間存在不同的關(guān)系，包括指揮關(guān)系、協(xié)作關(guān)系、保障關(guān)系等，在構(gòu)建了各作戰(zhàn)單元的智能體抽象模型之后，對(duì)各實(shí)體之間的關(guān)系進(jìn)行抽象建模。

4.1指揮關(guān)系

指揮關(guān)系是作戰(zhàn)體系中最常見的關(guān)系，如上級(jí)指揮單元指揮下級(jí)指揮單元、指揮單元對(duì)偵察單元和火力單元的指揮，根據(jù)不同實(shí)體間的指控關(guān)系可以建立Agent指揮網(wǎng)絡(luò)。

定義某一Agent實(shí)體i的指揮權(quán)Ci，定義任兩個(gè)實(shí)體的關(guān)系{R|R=m,n}其中m表示在同一個(gè)方內(nèi)，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立有向指揮關(guān)系，Ki表示i的指揮范圍，Lij表示Agent實(shí)體i和Agent實(shí)體j之間具有通信關(guān)系，使用如下規(guī)則判斷：

IfK≥R∧(Ci>Cj)∧(j∈Ki)∧Lij，則Agent主體i與j建立有向指揮關(guān)系

Else Agent主體i與j不建立有向指揮關(guān)系。

4.2協(xié)作關(guān)系

在同一指控實(shí)體下的火力單元、偵察單元之間，同一層級(jí)的指控實(shí)體之間具有一定的協(xié)作關(guān)系，具有協(xié)作關(guān)系的實(shí)體之間為了完成某一作戰(zhàn)任務(wù)會(huì)進(jìn)行一定程度上的協(xié)同。

定義某一Agent實(shí)體i的指揮權(quán)Ci，定義任兩個(gè)實(shí)體的關(guān)系{R|R=m,n},其中m表示在同一個(gè)方內(nèi)，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立協(xié)作關(guān)系，Lij表示Agent實(shí)體i和Agent實(shí)體j之間具有通信關(guān)系，使用如下規(guī)則判斷：

IfK≥R∧(Ci=Cj)∧Lij,則Agent主體i與j建立協(xié)作關(guān)系

Else Agent主體i與j不建立協(xié)作關(guān)系。

4.3保障關(guān)系

保障關(guān)系是在作戰(zhàn)過程中，由保障實(shí)體對(duì)其它實(shí)體進(jìn)行裝備和后勤保障而建立的關(guān)系，通過保障關(guān)系的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)體系內(nèi)資源的優(yōu)化配置，更好的發(fā)揮體系作戰(zhàn)效能。

定義任兩個(gè)Agent實(shí)體的關(guān)系{R|R=m,n}，其中m表示在同一個(gè)方內(nèi)，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立有向保障關(guān)系，Gi表示i的保障范圍，Lij表示Agent實(shí)體i和Agent實(shí)體j之間具有通信關(guān)系，使用如下規(guī)則判斷：

IfK≥R∧(j∈Gi)∧Lij，則Agent主體i與j建立有向保障關(guān)系

Else Agent主體i與j不建立有向保障關(guān)系。

5　作戰(zhàn)體系仿真關(guān)鍵要素分析

在作戰(zhàn)體系仿真中，由高級(jí)指控Agent組成指揮所，對(duì)偵察Agent發(fā)送過來的情報(bào)信息進(jìn)行處理并決策形成戰(zhàn)斗和保障方案，分別給予下級(jí)指控Agent、火力Agent、保障Agent相應(yīng)的命令，由火力Agent完成打擊任務(wù)，各類Agent的裝備和后勤保障由保障Agent完成。這種多Agent的設(shè)計(jì)方法模擬了現(xiàn)實(shí)中的軍事作戰(zhàn)體系，各Agent之間遵循一定的行為規(guī)則，并以約定的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，構(gòu)成了靈活的、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6　作戰(zhàn)體系仿真框架

5.1屬性設(shè)置

屬性是Agent擁有的特征、性質(zhì)以及狀態(tài)，在此分為通用屬性和專用屬性，各類型Agent都具有的屬性為通用屬性，如機(jī)動(dòng)能力、感知能力、通信能力、信息處理能力、生命力、防御力等，各類型Agent所特有的屬性稱為專用屬性，如決策能力、攻擊能力、保障能力等，見表1。

表1　Agent屬性表

5.2行為設(shè)置

表2　Agent行為表

在作戰(zhàn)體系中，作戰(zhàn)單元按照一定的作戰(zhàn)行為規(guī)則進(jìn)行各種信息的交互完成作戰(zhàn)行動(dòng)，Agent仿真模型同樣按照一定的作戰(zhàn)行為規(guī)則推動(dòng)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間的行為和狀態(tài)的變化，從而達(dá)到模擬真實(shí)情況作戰(zhàn)過程的目的。行為是Agent模擬的實(shí)體執(zhí)行的全部活動(dòng)，Agent要執(zhí)行某種任務(wù)，都需要通過各種行為的組合，Agent各類行為見表2。

6　結(jié)語

本文根據(jù)信息化條件下體系化對(duì)抗的特點(diǎn)，提出了基于多Agent的作戰(zhàn)體系模型。首先分別針對(duì)不同類型的作戰(zhàn)單元構(gòu)建了指控Agent、偵察Agent、火力Agent以及保障Agent仿真模型，研究了各類型Agent的模型結(jié)構(gòu)差異以及在作戰(zhàn)體系仿真框架下的決策和行動(dòng)過程。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了指揮、協(xié)作、保障等關(guān)系模型。確定了作戰(zhàn)體系仿真框架中屬性、行為等關(guān)鍵要素。通過該基于多Agent的作戰(zhàn)體系仿真模型構(gòu)建，對(duì)于當(dāng)前的作戰(zhàn)體系研究，提出了一種較好的定量和定性相結(jié)合的分析方法，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。在下一步的研究中，將主要針對(duì)各類型Agent的作戰(zhàn)行為特點(diǎn)，進(jìn)一步豐富屬性特點(diǎn)，使Agent模型更具有智能性和自主性，以更準(zhǔn)確的對(duì)作戰(zhàn)體系進(jìn)行仿真模擬。

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Operational System Emulation Modeling Based on Multi-Agent

DU WeiZHU JiangWEN ChuanhuaWANG Yingchun

(Nanjing Army Command College, Nanjing210045)

For fufilling the present informationalized operation requirements, all kinds of operational units and their relationships of operational system are analyzed. The entity models of operational system with multi-agent are built, including C2 (command and control) agent, scout agent, force agent and guarantee agent. After analysing the operational process, the relationship models are built, including command relationship, cooperation relationship and guarantee relationship. In the end, study the entity attributes and relevant operational behaviors are studied. Multi-agent emulation modeling privides a new way for studying the operational system.

operational system, multi-agent, emulation model

2016年4月20日,

2016年5月30日

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：71401177)資助。

杜偉,男,碩士,講師,研究方向：軍事運(yùn)籌、作戰(zhàn)仿真。朱江,男,博士,講師,研究方向：軍事運(yùn)籌、作戰(zhàn)仿真。聞傳花,女,博士,講師,研究方向：軍事運(yùn)籌、作戰(zhàn)仿真。王迎春，女，碩士，講師，研究方向：軍事運(yùn)籌、作戰(zhàn)仿真。

E917; TP391.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.020