基于事件本體的CGF飛機實體作戰計劃模型

張 媛，劉文彪，杜彬彬，彭四喜

（1.海軍航空工程學院a.兵器科學與技術系；b.指揮系，山東煙臺264001；2.72283部隊，山東煙臺264001）

作戰仿真中，作戰實體一般由仿真操控人員通過腳本的形式給出實體的作戰計劃，并由作戰仿真系統或虛擬戰場環境仿真系統實施。隨著仿真規模的不斷擴大，對計劃的可執行性、互操作性的要求不斷提高，對實體的智能性要求也越來越高。為滿足上述需求，采用本體技術對作戰計劃進行建模是當前計劃建模的一個重要研究方向。

1 作戰計劃本體建模中存在的問題

從目前的研究來看，作戰計劃建模主要存在以下2方面問題：

1）缺乏全面、詳細的可參考的理論和可重用的計劃本體。雖然文獻[1]提出的時間CSP方法接近于自然語言處理方式，但是對計劃內的任務和動作的時間規劃考慮不全面。同時，除了文獻[2]對作戰計劃本體的歷史、技術和現有的作戰計劃本體進行了概括的論述與比較外，很少有完整、全面的作戰計劃本體建模理論和可參考的計劃本體模型。

2）國內目前的研究還沒有對作戰計劃本體建模進行系統的分析和研究。軍事領域的計劃本體建模也處于起步階段，除國防科技大學相關研究外[3-4]，還沒有更深入、全面的作戰計劃本體模型。

針對以上問題，重點結合BDI Agent模型，對虛擬戰場環境中智能實體推理過程進行分析，利用本體刻畫作戰實體的思維狀態，建立作戰實體的作戰計劃本體。文中提出的作戰計劃本體及其定義的動作之間的關系可以為實體認知世界，產生對目標的計劃并付諸實施提供新的途徑。

2 基于BDI Agent的作戰實體模型

Agent的主要特點是模擬（模仿）人類的思維狀態：認知、情感、意圖等。Agent 決策過程依賴于表達Agent 信念、愿望和意圖的行為來實現。基于過程推理（Process Reasoning System，PRS）是BDI Agent 實現的一種途徑。圖1是基于PSR的BDI Agent結構[5-6]，其中，信念表示Agent對外界（包括環境和其他Agent）的認識和判斷；愿望表示Agent 希望達到的目標的可能路徑；意圖表示Agent為實現承諾而將要采取的行為的計劃；規劃是Agent的思維狀態的體現，是判斷、思考和決策的過程；解釋器負責協調、調度4者之間的關系。

圖1 BDI Agent結構圖Fig.1 Structural drawing of BDL Agent

3 CGF飛機實體作戰計劃本體模型

3.1 基于事件的CGF飛機實體本體模型

時間和空間模型是虛擬戰場環境本體建模中的一個最基本屬性，采用時間和空間模型描述戰場環境中的對象間的關系是虛擬戰場環境本體建模中必不可少的要求。本文不采用時間和空間相結合的方法建立時空統一的本體模型，而是基于“時間和空間是事物的存在的基本方式”這一觀點，將事物（對象）及其產生的事件，以及發生事件時的時間和空間狀態、關系相結合，將文獻[7]提出的基于事件的BDI Agent結構用于作戰實體模型，與圖1和圖2的BDI Agent和基于BDI的作戰實體模型相結合，建立基于事件的CGF飛機實體思維模型，如圖2所示。

圖2 基于事件的CGF飛機實體思維模型結構Fig.2 Structure of CGF aircraft entity thinking model based on event

該模型中，所有的交互都通過事件進行。CGF實體推理和決策的核心仍然是規劃和調度。輸入事件即是CGF實體對外部世界的感知過程，可以理解為態勢感知。態勢感知是CGF 實體獲得外部世界環境狀況的唯一途徑。計劃以獨立形式成為CGF 實體的一個組件。愿望是行動目標的集合，通過規劃和調度獲得作戰計劃。意圖則負責從已有的計劃中選擇并進行執行，意圖還負責對信念和愿望中的目標進行更新。

3.2 作戰計劃本體模型

作戰計劃建模是與作戰相關知識的描述并形成行動綱要的過程。基于本體技術的作戰計劃建模即利用本體建模思想，通過構建本體來對作戰計劃相關的概念、關系、屬性、實例、公理等進行定義，以提供作戰可重用、易執行的行動規范，滿足實體智能推理和決策的需要。

定義1：作戰計劃本體，

其中：P_Relations表示關系集合；P_Functions表示函數集合；P_Axioms表示公理集合，P_Instances表示實例集合；P_Concepts表示作戰計劃中概念的集合，

其參數描述如下：

1）Situation（態勢），計劃執行時的世界初始狀態（戰場態勢）。

2）Beliefs（信念），執行作戰計劃的實體（Agent）對世界（戰場環境）的信念，是作戰實體通過世界初始狀態形成對作戰環境的認識，對戰場態勢的理解以及對自身作戰能力的認知。

3）Goals（目標），描述通過執行作戰計劃，期望世界所達到的狀態。態勢和環境滿足如下公式：

Plan:Situation →Goals ?Situation，

即計劃將態勢映射為目標，目標是態勢的子集。作戰目標是執行作戰計劃后期望達到的一種態勢。

4）Tasks（任務），Tasks:={tk1,tk2,…,tkn}。為達到即時目標需要完成的任務。任務應具有層次屬性，并具有序列。即tki可以繼續分解為低一層的任務集，并且如果tk1需要在tk2前完成，則未完成tk1的情況下，tk2不能被執行。但也存在并行情況，如火力打擊同時進行電子干擾，需根據實際情況決定。

5）Actions（動作），對于每個任務tki，有有限個動作{a c1,ac2,…,acn} 完成該任務；aci是已分解完成的原子動作，如實體移動到指定位置，火炮開火等。

6）Time Interval（時間區間），TimeInterval：={Stat，End}。

Start、End為完成計劃的起點時間和終點時間。

7）Constraints（約束），作戰計劃不能違反的規定和完成計劃的邊界條件。約束包含對公理（P_Axioms）和規則（Rules）的定義。

8）Resources（資源），完成作戰想定需要消耗的物資等。

9）Solution（結論），計劃是否完成，可將結論定義為二元組{True，False}[8]，度量計劃是否實現作戰目的（Goals）。

定義2：公理，P_Axioms={Axioms}，是虛擬戰場環境中的永真斷言，是對概念間關系的約束，表示軍事、作戰領域概念、關系等描述的公理，包括關于作戰和武器裝備的實例和斷言。例如，任務與資源匹配、任務與動作等。

1）任務與資源匹配。該公理定義了資源消耗/使用的原則，即何種資源與何種任務匹配，如飛行與燃油消耗匹配，對艦攻擊與反艦導彈匹配等，

2）任務與動作。該公理規定了如果存在任務ti，該任務具有與之相關的動作序列{a1,a2,…,an}，則ti的前件必須包括第一個動作a1，ti的后件必須包括最后一個動作an[9]：

定義3：規則，包括對資源和約束的判定，決定動作序列和任務順序。規則可以由函數表示：

利用函數可以定義作戰計劃中的各種規則。

時間、約束、規則規定了作戰計劃能夠在指定的時間內被完成或不能被完成，保證其時間有限和可實現，不會進入無解情況。

定義4：關系，

P_Relations:={R(c1,c2)| c1,c2∈P_Concepts}。

表示關系集合，包括繼承、聚合、組合和關聯。

1）繼承關系，子類繼承父類中包含的屬性、關系和方法。

2）聚合關系，表示一個概念擁有但可能共享另一個概念。如4架飛機組成空中編隊。

3）組合關系，是一種強的聚合關系，是整體與部分的關系。如雷達、火炮、指控系統組成火力系統。

4）關聯關系，表示概念間的相互作用關系，也可定義為概念的屬性。定義計劃中的關聯關系包括：機動（Movement）、火力（Firepower）、防護（Defense）、保障（Logistics）和電子戰（Electronic Warfare）等[4]。

定義5：實例，

P_Instances:={I|I ∈P_Concepts ?P_Relations}

是虛擬戰場環境概念和關系的實例化表示。例如某一型號的艦空導彈、雷達等。

作戰計劃本體模型如圖3所示。

圖3 作戰計劃本體模型Fig.3 Model of operation plan ontology

1）作戰實體具有對態勢、目標、任務、約束、動作（能力）和資源的信念，信念以知識庫的形式表示，并能夠通過規則、邏輯等與態勢和計劃進行匹配，以形成認知。

2）任務和動作應當由時間區間約束其開始和終點時間。通過規劃可以形成計劃內部對任務和動作的序列關系，其關系應滿足Agent的13種時間區間關系[10]。

3）任務和動作具有約束，約束以函數、規則或公理的形式給出。

4）動作需要消耗資源。

5）資源是一種約束。

3.3 作戰計劃中的動作關系

3.3.1 動作的時空屬性

動作的空間屬性與產生動作的作戰實體緊密關聯，動作從時間屬性可以劃分為：瞬時動作和持續動作。

瞬時動作是以時間點描述的動作稱為瞬時動作，即瞬時動作只能以一個有效的時間點描述，除此點之外的任意時間中不存在此動作，

持續動作是以時間區間描述的動作稱為持續動作，其動作的執行總有其起始和終止時刻，

其中，TakeplaceDuring(Ac,T)定義為：

瞬時動作可以認為是開始和結束時間相同的持續動作，例如飛行。

上述時間區間?T:=[t1,t2]∈{Intervals}可以由直達關系Through(t1,t2)描述。動作發生的空間屬性主要指動作發生的空間位置、路線和區域。

3.3.2 動作之間的關系

瞬時動作包括順序和同時2種情況，其時間序列描述為：S(t)={t1,t2,…,tn}，其中t0≤t1＜t2＜…＜tn≤t。

持續動作之間的關系包括因果、順序和并行3種關系。

1）因果關系。即如果動作Ac2的實現必須以Ac1的實現為其前提條件，則存在因果關系：

即 Ac1和 Ac2互為前件（Pre_con）和后件關系（Post_con）。

2）順序關系。順序情況下后一個動作必須在前一個執行完成之后方可進行，滿足{<，m，mi，>}4種時間關系。其中（<，>），（m，mi）是2個逆對稱對。在時間限制不十分嚴格的情況下，前2 者可以合并為一種關系，后2 者亦然，分別Bf 和Af定義。順序動作Ac2在Ac1后執行有：

其中，函數Follows(Ac2,Ac1)表示Ac2在Ac1后執行，Bf(Ac1,Ac2)表示Ac1在Ac2前進行，Af(Ac2,Ac1)表示Ac2在Ac1的后進行，不考慮端點交互情況。

3）并行關系。并行情況描述動作Ac2在Ac1執行的同時也執行。并行情況利用{o,fi,di,s,=,si,d,f,oi}時間關系描述，則為逆對稱，“=”與其自身逆對稱。如，作戰實體移動同時進行通信，一般情況，通信過程在移動過程中完成，利用關系d（during）描述：

4 仿真實例

假設在VR-Forces仿真平臺上實現的現有作戰想定，如圖4所示。其中，L1表示CGF 飛機實體空中突擊編隊突擊方向，Return表示返航方向。J1是S 編隊無源干擾區域，Am2是近防炮防御區域，Am3是防空導彈防御區域，R4是警戒雷達搜索范圍。

圖4 想定示意圖Fig.4 Schematic diagram of scenario

1）CGF 飛機實體由突擊編隊和指揮編隊兩種編成方式。其中突擊編隊由3 架裝備雷達（Ra），火控系統（Fa），反艦導彈（Ma），通信設備（Ca）的攻擊飛機（A1～A3）與1架掛干擾吊艙（Ja）等武器裝備的隨隊干擾飛機（A4）組成；而指揮編隊則由2架裝備通信設備的指揮巡邏機（C1、C2）組成。

2）位置：突擊飛機編隊t0時刻位于海域Pa，中心位置為（N2，E2，H2）；指揮編隊位于海域Pc，初始位置為（N3，E3，H3）；。

3）計劃：突擊編隊，無線電靜默，按L1航線超低空突擊S 編隊。t1時刻到達位置P1，轉航向；t2時刻到達位置P2通信，從指揮機獲得目標指示，轉攻擊航向；A4 干擾開機，對S 編隊實施有源干擾；t3時刻到達發射位置P3，雷達開機搜索、鎖定目標，導彈齊射；發射完成后，返航；指揮編隊雙機按L2航線巡航，共同完成全時段全區域目標監視和指示，C1負責戰場通信聯絡與指揮，C2輔助C1提供目標指示，最終實現突擊編隊重創S編隊的目的。

4.1 作戰計劃描述

戰場環境：時間、海域、自然環境，兵力部署（類型、位置）。類集：作戰平臺、武器裝備、資源等。屬性集：作戰平臺和武器裝備的位置、速度、姿態、狀態（是否被摧毀）、兵力屬性（紅藍）；資源數量、消耗率等。關系集：繼承、聚合、組合、關聯。任務集：按航線飛行→到達指定空域→接收目標信息→雷達開機發現目標→導彈發射→返航。動作集：飛行、通信、發射、消耗。資源集：燃油數量、導彈數量。

規則集如下：

1）如果未到達聯絡位置且未到達攻擊位置，則繼續飛行：

2）如果到達聯絡位置P1或P2，則進行通信聯絡：

3）如果到達聯絡位置P3，且目標在攻擊范圍內，則發射反艦導彈：

4）如果反艦導彈發射，則返航：

4.2 突擊飛機CGF實體作戰計劃本體模型

根據CGF飛機實體作戰計劃描述，利用Protégé本體建模工具，建立對艦突擊飛機作戰計劃本體模型以及相應的Protégé實現類圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 對艦攻擊飛機計劃本體模型Fig.5 Model of operation plan ontology for strike aircraft

圖6 作戰飛機本體的protégé類圖Fig.6 Classes of aircraft SAW ontology with protégé

5 小結

結合BDI Agent模型，建立了基于事件的作戰飛機CGF 實體的作戰計劃模型。利用本體刻畫該模型中作戰飛機CGF實體的思維狀態，對CGF作戰飛機實體描述世界所需的概念、關系、公理等內容進行相應的定義，同時給出作戰飛機CGF實體計劃進行過程中的事件之間的時序和因果關系。應用實踐證明，文中提出的基于事件本體的CGF 飛機實體作戰計劃模型可為虛擬海戰場綜合環境建模和仿真中的作戰實體作戰計劃提供語義上的支持，提高了CGF實體的智能水平和對戰場環境的認知能力，為CGF兵力實體認知世界，產生對目標的計劃并付諸實施提供新途徑。

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