基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模方法研究*

楊紅梅 張建強 耿伯英 盛 文

(空軍雷達學院陸基預警監視裝備系1) 武漢 430019)(海軍工程大學電子工程學院2) 武漢 430033)

基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模方法研究*

楊紅梅1)張建強2)耿伯英2)盛 文1)

(空軍雷達學院陸基預警監視裝備系1)武漢 430019)(海軍工程大學電子工程學院2)武漢 430033)

文章研究了當前海上編隊防空作戰系統的典型組成結構,分析了Agent技術在海上編隊防空作戰系統建模方面的優越性,提出了基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模方法,并給出了指揮所Agent類和作戰資源Agent類兩類Agent的結構模型。

海上編隊防空作戰系統;Agent;建模

Class NumberN945.12

1 引言

實戰證明,隨著現代航空、精確制導、隱身等大量高新技術的不斷發展和在軍事上的應用,以現代飛機和導彈為主的空襲兵力、兵器,已逐步形成比較完整的空襲體系,具有遠程投送、精確打擊、隱蔽突防、殺傷猛烈等特點,并采取高、中、低空相結合的多層次、多批次、多方向同時飽和攻擊的戰術,使水面艦艇的防空面臨嚴峻的挑戰。為此,需要建立能準確描述海上編隊防空作戰系統的模型,實現對當前海上編隊防空作戰系統指揮流程、功能結構、資源配置等方面的有效評估。為整合作戰資源,提高海上編隊整體防空作戰效能,提供決策支持。但由于構成海上編隊防空系統主要的成員是具有協同組織背景并處于不同等級、不同層次、不同位置的指揮中心(所),其面臨的智能行為建模及動態環境等問題從分布、協同、共享、智能等角度對海上編隊防空作戰系統的建模與仿真提出了更高的要求。

目前,國內外對海上編隊防空作戰系統建模技術的研究工作一般沒有專門的文獻,而在綜合電子信息系統建模方面的文獻比較多,這類工作從一個側面反映了國內外海上編隊防空作戰系統建模技術研究發展現狀。常用的主要有以下四類方法:

1)結構化分析方法[1],它使用數據流圖、數據字典、判定表和判定樹作為工具,建立系統的邏輯模型。該方法直觀、易于學習和掌握,但是數據流圖僅描述了系統的功能模型,而數據模型僅用數據字典描述是不完整的,因為數據字典不刻畫數據間的關系。至于動態模型,在結構化分析方法中未做描述。

2)IDEF(ICAM DEFinition Method)方法[2],KBSI公司正在將此發展成一個系列,如:IDEF0(功能建模function modeling)、IDEF1X(數據建模data modeling)、IDEF2(仿真模型設計simulation model design)、IDEF3(過程描述 process description capture)、IDEF4(面向對象設計object-oriented design)、IDEF5(本體論描述獲取ontology description capture)和IDEF6(設計原理獲取design rationale capture)等。IDEF的方法相對于其他系統分析方法有易于掌握、兼容結構化分析法模型的優點,曾被推薦給863高技術自動化領域作為復雜系統的設計規范,但IDEF0,IDEF1,IDEF2之間沒有引用,缺乏聯系。

3)面向對象的建模技術(OMT)[3],該方法是從3個相關但體現系統不同方面的角度對一個系統進行建模,得到的3種模型分別是對象模型、動態模型和功能模型。對象模型代表了系統靜態的結構;動態模型代表了系統隨時間變化、行為、控制的方面;功能模型代表了系統的功能方面,每一種模型都包含對其他模型的引用。OMT方法的優勢在于其分析、設計結果可以平滑地過渡到編碼階段,但在基于數據庫的MIS應用中,其缺點在于:對象很難識別,對于專用的MIS系統,軟件復用很難達到且面向對象的業務處理與傳統的數據庫管理系統(DBMS)各行其是,二者在方法論上很難結合。

4)基于 Agent的建模技術[4～5],基于 Agent的建模方法是研究大量個體或Agent之間交互以及它們交互所展現的宏觀尺度行為。該方法將復雜系統中各個仿真實體用Agent的方式(思想)自底向上對整個系統進行建模,試圖通過對Agent行為及其之間交互關系、社會性進行刻畫,來描述復雜系統的行為。這種建模仿真技術,在建模的靈活性、層次性和直觀性方面較傳統的建模技術都有明顯的優勢,很適合于對諸如生態系統、經濟系統、戰爭系統以及人類組織等系統的建模與仿真。通過從個體到整體、從微觀到宏觀來研究復雜系統的復雜性,從而克服了復雜系統難于自上而下建立傳統的數學分析模型的困難,有利于研究復雜系統具有的涌現性、非線性和復雜的關聯性等特點。

從上面的分析我們不難看出,要實現對海上編隊防空作戰系統中“活”系統成員的描述和研究,采用基于Agent的建模方法,能夠自然、同構的描述現實世界的海上編隊防空作戰系統。不同的基于Agent建模方法適應于不同領域,有必要針對海上編隊防空作戰系統具體特點,研究適合于海上編隊防空作戰系統基于Agent建模方法。

2 海上編隊防空作戰系統功能模型

面對日益嚴重的空中威脅形勢,單艘艦艇在海上的生存能力十分有限,水面艦艇必須組成有各種戰艦編成的作戰編隊,綜合使用殲擊機、艦空導彈、火炮等硬殺傷武器,有源、無源電子對抗等軟殺傷武器和各種雷達、預警機等預警探測系統與情報偵察系統,建立包括不同高度(高、中、低空、掠海)、不同距離(遠程、中程、近程、末端)的多層次海上編隊防空作戰體系,才能有效地抗擊敵空襲兵力兵器。典型海上編隊防空作戰系統安防空作戰區域的大小可分為:遠程防空作戰子系統、中程防空作戰子系統和近程防空作戰子系統,如圖1所示。

圖1 典型海上編隊防空作戰系統功能結構圖

1)遠程防空作戰子系統。該子系統主要由航空兵指揮所、預警機、戰斗機組成,其主要任務是:早期預警,遠程打擊。利用預警機對敵目標實施遠程預警,航空兵指揮所在預警機的情報支援下(或航空兵指揮所授權預警機)指揮引導作戰飛機將來襲的敵機攔截在其使用武器之前。

2)中程防空作戰子系統。該子系統主要由區域防空指揮所、防空型艦艇、雷達哨艦組成,其作戰目標是從遠程防空作戰區域漏過的敵飛機或反艦導彈。利用防空型艦艇或雷達哨艦的遠程警戒探測設備,對目標進行精確跟蹤、識別,然后引導遠程艦載面防空導彈,對突破遠程防空作戰系統的來襲目標實施打擊。為了避免誤傷自己的飛機,區域防空艦艇與航空兵作戰區域之間設有識別區,航空兵通常不進入識別區,區域防空艦艇先識別目標的敵我屬性,再決定打擊。

3)近程防空作戰子系統。該子系統等同于單艦防空作戰系統,編隊各艦艇對漏過中程防空作戰區域的來襲導彈進行作戰。各艦在編隊指揮中心的統一協調指揮下,按照編隊的防空作戰隊形,實施末端防空作戰。通常使用電防空導彈和近程反導系統,對導彈進行打擊。

3 基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模方法

從海上編隊防空作戰系統角度分析,基于A-gent的建模對于實際海上編隊防空作戰指揮系統是一種自然、同構的描述。防空作戰系統是海上編隊作戰系統中的一個子系統,在整個系統中的地位比較特殊,這種特殊性體現在它并非獨立存在,而是要與其它系統協同作戰。然而根據目前的需求方法建立的系統模型由于自身結構僵化而無法適應系統的變化要求,最終將退化為系統正常運轉的障礙。而基于Agent的模型可很好地解決此類問題。首先,Agent通過定義自己的目標、職責、活動、行為規則、思維、服務、資源需求等屬性完整地描述將要承擔的系統角色。其次,基于Agent的模型是一個分布式網狀模型,成員間是合作、服務的關系,這正符合防空作戰系統體系結構的發展趨勢。目前,防空作戰的指揮關系正在由“科層式”金字塔結構向“網絡化”扁平結構轉化,成員關系也由“隸屬型”、“指揮型”向“合作型”、“服務型”轉變,這與基于Agent的系統模型完全相符。最后,Agent的主動性、反應性使其易于對戰場環境變化做出及時響應,實現了作戰指揮系統的同步調整。由于Agent技術與海上編隊防空作戰指揮系統的相互適應性,在對海上編隊防空作戰指揮系統研究的過程中,我們采用基于Agent的建模與仿真方法。

海上編隊防空作戰系統指揮關系復雜、作戰資源類別及使用要求眾多,為了建立全面而準確反映防空作戰系統需求、具有一定自適應性、與問題域同構的海上編隊防空作戰多Agent系統,必須遵循一定的步驟。建模過程可以分為需求分析、Agent識別、Agent描述和多Agent協作模型四個步驟,如圖2所示。

1)需求分析階段

在充分分析海上編隊防空作戰系統的作戰任務樣式的基礎上,逐步深入研究海上編隊防空作戰系統的功能結構、指揮關系、資源配置和信息流程,并在此基礎上利用IDEF建模方法建立海上編隊防空作戰系統的作戰過程系統、功能結構視圖和信息流程視圖,為下一步識別系統中所包含的Agent奠定基礎。

圖2 基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模

2)Agent的識別階段

多Agent系統的一個關鍵問題是如何確定最合適的Agent種類及數目。確定的基本原則是盡量使系統簡單,以便于控制。在充分分析海上編隊防空作戰系統的基礎上,建立海上編隊防空作戰系統的IDEF3過程視圖,詳細研究典型海上編隊防空作戰系統的作戰流程,從中概括、歸納建立多A-gent海上編隊防空作戰系統所需的Agent的分類和組成,為下一步確定不同類別的Agent的結構奠定基礎。海上編隊防空作戰流程可分為遠程防空作戰、區域防空作戰、近程協同防空、末端防空四個大過程,海上編隊防空作戰總體流程如圖3所示。每一個過程又可進一步分解,可識別出海上編隊防空作戰系統主要有兩類Agent:指揮所類Agent和作戰資源類Agent。

3)Agent的描述階段

結合海上編隊防空作戰指揮系統的特點,通過分析研究海上編隊防空作戰系統的功能結構視圖,可確定Agent的結構。根據海上編隊防空作戰系統作戰流程,海上編隊防空作戰系統指揮所類A-gent應包含:通信模塊、感知模塊、信息處理模塊、態勢分析模塊、知識庫、學習模塊、決策生成模塊等,其典型結構如圖4所示。海上編隊防空作戰系統中作戰資源主要包括:飛機、導彈系統、雷達系統三類典型防空作戰資源,該三類作戰資源接受到作戰命令信息后,根據目標指示信息,對敵目標實施一次作戰行動。作戰資源Agent類應包含:通信模塊、感知模塊、戰術行動模塊、作戰效果評估模塊、知識庫、學習模塊等,其典型結構如圖5所示。

4)多Agent協作模型的確立

基于Agent的海上編隊防空作戰系統是一個典型的多Agent系統,各類Agent之間相互協調、通信才能共同完成海上編隊防空作戰系統的功能,在Agent結構模型和海上編隊防空作戰系統信息流程的基礎上,建立海上編隊防空作戰系統的多Agent協作模型。

4 結語

文章圍繞海上編隊防空作戰系統建模方法這個問題進行了有益的研究和探索。首先研究了海上編隊防空作戰系統的典型功能結構;然后結合Agent技術與海上編隊防空作戰系統在特性上的相互適應性,提出了基于Agent的海上編隊防空作戰系統建模方法及一般建模步驟。該建模方法較好地解決了對于海上編隊防空作戰系統“活”系統成員的描述和研究問題,實現了對于實際海上編隊防空作戰指揮系統自然、同構的描述。文章還結合海上編隊防空作戰系統的IDEF3作戰過程視圖分析,建立了海上編隊防空作戰系統兩類典型A-gent:指揮所Agent類和作戰資源Agent類的結構模型。

[1]Oren T,Zeigler B.Concepts for Advanced Simulation Methodology[J].Simulatition,1997,11(4):122～126

[2]陳禹六.IDEF建模分析和設計方法[M].北京:清華大學出版社,2000

[3]Kivijarvi H.A substance-theory-oriented approach to the implementation of organizational DSS[J].Decision Support System,2005(11):215～241

[4]Green D G.Hierarchy complexity and agent based models In Our Fragile World[J].Challenges and Opprotunities for Sustainable Development,2005(10):168～202

[5]廖守億.復雜系統基于Agent的建模與仿真方法研究及應用[D].長沙:國防科技大學博士學位論文,2004

An Agent-based the Marine Formation Antiair Operation System Modeling Method

Yang Hongmei1)Zhang Jianqiang2)Geng Boying2)Sheng Wen1)
(Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,AFRA1),Wuhan 430019)
(Department of Electricity Engineering,Naval University of Engineering2),Wuhan 430033)

First of all,the characteristics of the marine formation antiair operation system(MFAOS)were concluded and summarized.Secondly,an agent-based MFAOS modeling method has been presented based on the superiority of agent technology in this field,viz.analyzing the IDEF model,establishing the typical agent framework.

MFAOS,Agent,modeling

N945.12

2010年8月29日,

2010年9月29日

楊紅梅,女,碩士,講師,研究方向:模式識別與智能系統。張建強,碩士,講師,研究方向:系統建模與仿真。

耿伯英,博士,副教授,研究方向:模式識別與智能系統。盛文,博士,教授,研究方向:雷達系統建模與仿真。