基于多Agent的作戰體系仿真模型構建*

杜　偉　朱　江　聞傳花　王迎春

(南京陸軍指揮學院　南京　210045)

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基于多Agent的作戰體系仿真模型構建*

杜偉朱江聞傳花王迎春

(南京陸軍指揮學院南京210045)

面向當前信息化作戰要求，分析了作戰體系的各類型作戰單元以及相關之間的關系。構建了多Agent的作戰體系實體仿真模型，包括指控Agent、偵察Agent、火力Agent以及保障Agent。在實體仿真模型基礎上構建了包括指揮關系、協作關系以及保障關系在內的關系模型。分析了實體仿真模型的實體屬性以及相關作戰行為要素。多Agent仿真模型的構建方法為研究作戰體系提供了新的途徑。

作戰體系; 多Agent; 仿真模型

Class NumberE917; TP391.3

1　引言

隨著社會的發展，人們已經很難用線性的、機械的各種科學理論方法對復雜社會現象進行科學的分析和處理，因此，非線性動力學和復雜適應系統理論分別在20世紀的70年代和90年代分別發展為獨立的研究領域。非線性動力學主要對按照非線性規則隨時間演化的動態系統的研究，而復雜適應系統理論可以看作是非線性動力學的發展[1]。當前信息化條件下的作戰體系是一個典型的復雜適應系統，作戰過程中存在大量的偶然性和涌現性。傳統建模方法難以準確地再現系統復雜行為特征，而采用基于多Agent的作戰仿真來探索作戰復雜行為特征方法受到國內外許多學者的關注。

基于多Agent的作戰仿真是一種采用具有交互關系的自主實體來抽象描述作戰系統的建模仿真方法，實體的自主性和交互性體現了自下而上的、從微觀到宏觀的建模思想[2～5]。該方法通過對作戰體系的各類型作戰單元實體以及它們之間的關系進行抽象建模，對作戰體系的整體行為進行分析研究。作戰體系具有強烈的社會性，這種社會性主要是因為人的作用而引起的，而Agent通過自治性、環境感知能力、層次性、主動性等特點[6]可以對人在作戰系統的中的作用和位置進行較為合理的描述。

本文通過對不同類型作戰單元分別構建不同類型的Agent以及各自的屬性，來反映各類作戰單元的作戰特點，從而更好地描述作戰系統的社會性和系統性特點，為指揮員進行作戰決策提供指導，為作戰仿真與建模方法探索提供參考。

2　復雜作戰體系分析

作戰體系是由可獨立執行某項或某些作戰任務的不同作戰系統組成的更高層次、更大規模的作戰系統，各作戰分系統之間協調和配合更密切。在一個作戰體系中，包括各個不同功能的系統組成，包括：偵察系統、火力打擊系統、指控系統等[7]。從網絡的角度看，這些系統包括系統中的各個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系。

在作戰體系中，包含很多不同類型的作戰單元，根據各類型單元在作戰體系中發揮的作用，主要包含四類，分別為指控單元(C2)、偵察單元(Scout,簡記為S)、火力單元(Force，簡記為F)、保障單元(Guarantee，簡記為G)，各個作戰單元之間通過不同類型的交互關系。

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點傳來的敵我態勢，從而做出決策，對偵察單元、火力單元、保障單元下達命令、進行指揮和控制，包括指控中心、各級指揮所等。

2) 偵察單元S表示在戰場上偵察、監視的系統或單元，包括所有提供空間感知的單元，負責接收從敵情、我情并傳輸到指控節點，如預警機、雷達等；

3) 火力單元F表示能夠執行殺傷作用單元，它能夠接收指控節點的命令對敵方實施攻擊或干擾，包括導彈、高炮、步兵連等，在不同層次的仿真模型中，實體的聚類層次不同，比如在一個大規模作戰體系中，一個坦克連是一個火力單元實體，而在某些小規模作戰體系中，一輛坦克可能是一個火力單元實體。

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

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

3　作戰體系的仿真實體建模

圖1　Agent指揮決策過程

實體使用Agent建模，關鍵是描述Agent接受信息、運用經驗完成認知，基于規則和能力進行行為選擇，并形成作戰行動的過程。

針對不同類型的作戰單元，分別構建不同類型的Agent實體模型，按照作戰體系分析的結果，主要構建指控Agent、偵察Agent、火力Agent、保障Agent，各作戰單元之間信息交互主要通過各Agent實體自帶的通信模塊建模實現。各類型Agent結構在圖1所示的模型結構基礎上根據其功能特點進行結構上的調整。

3.1指控Agent

在作戰體系中，由指揮所等指揮作戰單元抽象出的智能體稱為指揮Agent，它是構成作戰體系仿真系統的核心組成成員。在作戰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，傳達上級Agent的命令，接收同級Agent的請求，處理相關Agent傳遞的信息，并進行決策，并下達任務給相關的執行Agent。

通過分析對指控單元的功能特點進行分析可知，指控Agent的主要能力是進行決策，在規則庫、屬性庫、行為庫等側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行擴展和細化。因此將指控Agent劃分為感知模塊、通信模塊、信息處理模塊、態勢評估模塊、決策規范模塊以及行動模塊。

圖2　指控Agent模型結構

3.2偵察Agent

在作戰體系中，由雷達、無人機等傳感器以及偵察人員分隊抽象出的智能體為偵察Agent。作戰體系中的各類偵察實體其偵察方式、手段、能力等各方面都存在非常大的差異，但是其偵察行為執行過程基本相同，即首先通過自身的感知模塊發現敵情，然后通過自身信息處理模塊對偵察到的信息進行處理，將處理后的情報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、行動模塊，其模型結構如圖3所示。

圖3　偵察Agent模型結構

3.3火力Agent

在作戰體系中，由坦克、火炮、機槍等裝備與戰斗人員相結合的作戰單元抽象出的智能體為火力Agent。作戰體系中的各類火力實體的打擊方式、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行過程，即首先通過通信模塊接受上級的打擊指令，然后通過自身信息處理模塊對打擊指令進行分析處理，在感知模塊的輔助下通過行動模塊完成相應的打擊行為。

在火力打擊過程中，火力Agent依據打擊能力屬性的參數判斷，一旦目標在打擊能力范圍內，進行打擊，通過武器裝備的命中概率等屬性，利用產生的隨機數來決定打擊是否命中。

圖4　火力Agent模型結構

3.4保障Agent

在作戰體系中，由各類裝備修理保障單位、后勤補給單位等作戰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的相關保障命令，在信息處理模塊對保障命令進行處理，形成相應的保障策略，制定保障力量的臨時編組，然后由行動模塊完成保障行為。

在實際的建模過程中，由于保障類型涉及軍需、油料、衛勤、彈藥、裝備維修等多種，為了體現保障單元在整個作戰實體中的作用，同時考慮仿真建模的可行性，在此選擇彈藥保障以及醫療保障兩種類型作為代表構建保障Agent，當火力Agent彈藥不足時可由彈藥保障Agent提供彈藥，當我方Agent生命力不足時可由醫療保障Agent恢復生命力。

圖5　保障Agent模型結構

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，其模型結構包括感知模塊、通信模塊、信息處理模塊、方案規劃模塊、行動模塊，在規則庫、行為庫、屬性庫相關組成的輔助進行保障行為的執行。

4　作戰體系的仿真關系建模

在作戰體系中，不同作戰實體間存在不同的關系，包括指揮關系、協作關系、保障關系等，在構建了各作戰單元的智能體抽象模型之后，對各實體之間的關系進行抽象建模。

4.1指揮關系

指揮關系是作戰體系中最常見的關系，如上級指揮單元指揮下級指揮單元、指揮單元對偵察單元和火力單元的指揮，根據不同實體間的指控關系可以建立Agent指揮網絡。

定義某一Agent實體i的指揮權Ci，定義任兩個實體的關系{R|R=m,n}其中m表示在同一個方內，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立有向指揮關系，Ki表示i的指揮范圍，Lij表示Agent實體i和Agent實體j之間具有通信關系，使用如下規則判斷：

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

Else Agent主體i與j不建立有向指揮關系。

4.2協作關系

在同一指控實體下的火力單元、偵察單元之間，同一層級的指控實體之間具有一定的協作關系，具有協作關系的實體之間為了完成某一作戰任務會進行一定程度上的協同。

定義某一Agent實體i的指揮權Ci，定義任兩個實體的關系{R|R=m,n},其中m表示在同一個方內，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立協作關系，Lij表示Agent實體i和Agent實體j之間具有通信關系，使用如下規則判斷：

IfK≥R∧(Ci=Cj)∧Lij,則Agent主體i與j建立協作關系

Else Agent主體i與j不建立協作關系。

4.3保障關系

保障關系是在作戰過程中，由保障實體對其它實體進行裝備和后勤保障而建立的關系，通過保障關系的構建，可以實現作戰體系內資源的優化配置，更好的發揮體系作戰效能。

定義任兩個Agent實體的關系{R|R=m,n}，其中m表示在同一個方內，n表示為同盟軍，則判斷Agent主體i與Agent主體j建立有向保障關系，Gi表示i的保障范圍，Lij表示Agent實體i和Agent實體j之間具有通信關系，使用如下規則判斷：

IfK≥R∧(j∈Gi)∧Lij，則Agent主體i與j建立有向保障關系

Else Agent主體i與j不建立有向保障關系。

5　作戰體系仿真關鍵要素分析

在作戰體系仿真中，由高級指控Agent組成指揮所，對偵察Agent發送過來的情報信息進行處理并決策形成戰斗和保障方案，分別給予下級指控Agent、火力Agent、保障Agent相應的命令，由火力Agent完成打擊任務，各類Agent的裝備和后勤保障由保障Agent完成。這種多Agent的設計方法模擬了現實中的軍事作戰體系，各Agent之間遵循一定的行為規則，并以約定的方式進行協調，構成了靈活的、可擴展的網絡化結構，如圖6所示。

圖6　作戰體系仿真框架

5.1屬性設置

屬性是Agent擁有的特征、性質以及狀態，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，如機動能力、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行為設置

表2　Agent行為表

在作戰體系中，作戰單元按照一定的作戰行為規則進行各種信息的交互完成作戰行動，Agent仿真模型同樣按照一定的作戰行為規則推動整個戰場空間的行為和狀態的變化，從而達到模擬真實情況作戰過程的目的。行為是Agent模擬的實體執行的全部活動，Agent要執行某種任務，都需要通過各種行為的組合，Agent各類行為見表2。

6　結語

本文根據信息化條件下體系化對抗的特點，提出了基于多Agent的作戰體系模型。首先分別針對不同類型的作戰單元構建了指控Agent、偵察Agent、火力Agent以及保障Agent仿真模型，研究了各類型Agent的模型結構差異以及在作戰體系仿真框架下的決策和行動過程。在此基礎上構建了指揮、協作、保障等關系模型。確定了作戰體系仿真框架中屬性、行為等關鍵要素。通過該基于多Agent的作戰體系仿真模型構建，對于當前的作戰體系研究，提出了一種較好的定量和定性相結合的分析方法，具有現實指導意義。在下一步的研究中，將主要針對各類型Agent的作戰行為特點，進一步豐富屬性特點，使Agent模型更具有智能性和自主性，以更準確的對作戰體系進行仿真模擬。

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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

國家自然科學基金(編號：71401177)資助。

杜偉,男,碩士,講師,研究方向：軍事運籌、作戰仿真。朱江,男,博士,講師,研究方向：軍事運籌、作戰仿真。聞傳花,女,博士,講師,研究方向：軍事運籌、作戰仿真。王迎春，女，碩士，講師，研究方向：軍事運籌、作戰仿真。

E917; TP391.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.020