基于HLA的Multi-Agent軍事物流仿真系統(tǒng)研究

張 帥,楊西龍,姜玉宏,劉洪娟

(陸軍勤務(wù)學(xué)院,重慶 401331)

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展,軍事物流系統(tǒng)的決策指揮、成員交互與保障過(guò)程日趨復(fù)雜。軍事物流活動(dòng)作為戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的一環(huán),是部隊(duì)能打仗、打勝仗的有利保證,沒(méi)有堅(jiān)實(shí)有利的后勤保障作支撐,將無(wú)法取得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利。計(jì)算機(jī)仿真具有高效、可控、可重復(fù)利用,不受時(shí)間、空間和環(huán)境條件限制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)研究復(fù)雜分布式軍事物流系統(tǒng)是研究的新方向[1]。

1 HLA和Agent

1995年10月,美國(guó)國(guó)防部建模與仿真辦公室提出了HLA,用于解決分布式仿真系統(tǒng)的集成問(wèn)題。HLA是分布式仿真的高層體系結(jié)構(gòu),是按照面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒?gòu)建仿真系統(tǒng)、構(gòu)建仿真聯(lián)邦和劃分仿真成員的技術(shù)。HLA的核心是促進(jìn)仿真系統(tǒng)的互操作性和提高仿真模型在不同仿真應(yīng)用中的重用性[2-8];但是,基于HLA的仿真系統(tǒng)對(duì)聯(lián)邦成員缺乏智能性描述,不能體現(xiàn)系統(tǒng)的智能性,是智能化仿真系統(tǒng)研究的瓶頸。

Agent技術(shù)是人工智能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的智能技術(shù),是MAS(Multi-Agent System)的基本個(gè)體單元。多個(gè)Agent間相互交互能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題求解。Agent是指在一定環(huán)境下能獨(dú)立自主運(yùn)行,能持續(xù)感應(yīng)外界環(huán)境及自身狀態(tài)變化并作出相應(yīng)的動(dòng)作,能從外界環(huán)境中獲取知識(shí)以提高自身能力,并能將推理和知識(shí)表示有機(jī)結(jié)合的智能實(shí)體[8];基于Agent的建模方法采用自底向上的方式,通過(guò)研究個(gè)體的微觀行為,進(jìn)而獲得系統(tǒng)的宏觀行為。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員著手將Agent方法應(yīng)用于分布式交互仿真中,期望實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的智能性,增強(qiáng)互操作性。

軍事物流系統(tǒng)是復(fù)雜分布式系統(tǒng),軍事物流系統(tǒng)涉及多種物流實(shí)體,如指揮機(jī)構(gòu)、物資消耗單位、物資保障單位和物資儲(chǔ)存單位等,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,物流實(shí)體的智能化要求不斷提高。同時(shí)各個(gè)物流實(shí)體又分布在不同地域,并且根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求,新的物流實(shí)體能夠隨時(shí)加入系統(tǒng)。本文綜合HLA仿真和Agent技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn),將Agent技術(shù)與HLA結(jié)合,以HLA為底層支撐框架,利用Agent固有的自主性、主動(dòng)性、交互性、社會(huì)性和智能性來(lái)描述物流實(shí)體的自主、交互、反應(yīng)等行為。通過(guò)設(shè)計(jì)Agent聯(lián)邦成員,實(shí)現(xiàn)軍事物流仿真系統(tǒng)的智能性表述。構(gòu)建的軍事物流仿真系統(tǒng)既具有可擴(kuò)充性和重用性,又具有智能性;此外,本文研究的是新編制體制下的軍事物流系統(tǒng),以前由后方倉(cāng)庫(kù)對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行物資保障,新編制體制下由專門的保障部隊(duì)對(duì)作戰(zhàn)單位進(jìn)行保障,指揮機(jī)構(gòu)也由原來(lái)的后勤指揮機(jī)構(gòu)變?yōu)槁?lián)勤保障部隊(duì),本文的研究更加符合實(shí)際,為目前我軍軍事物流系統(tǒng)研究可提供一定的參考價(jià)值。

1.1 基于HLA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)

HLA是一個(gè)公共的、支持面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu),通過(guò)運(yùn)行時(shí)間支撐環(huán)境(Run Time Infrastructure,RTI)提供通用的、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)環(huán)境,將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開(kāi),即通過(guò)RTI將仿真系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離,隱藏各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)并保證各部分充分應(yīng)用各自領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)獨(dú)立開(kāi)發(fā)。基于HLA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從HLA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)中可以看出,各聯(lián)邦成員、運(yùn)行時(shí)間支撐環(huán)境RTI和底層通信支撐系統(tǒng)共同構(gòu)成分布式仿真系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性。

1.2 HLA與Agent技術(shù)集成研究

基于HLA的分布仿真強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可操作性和模型的可重用性,它規(guī)定了分布式仿真的高層體系結(jié)構(gòu),不需要考慮由對(duì)象去構(gòu)建聯(lián)邦成員,而是假定聯(lián)邦成員已經(jīng)存在,仿真人員將工作重心放在將聯(lián)邦成員集成起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦成員間的交互,實(shí)現(xiàn)仿真目的[1]。同時(shí),HLA仿真的RTI服務(wù)能為MAS仿真環(huán)境提供大部分功能,包括Agent控制、信息分發(fā)、事件處理和時(shí)間推進(jìn)等,能有利支持Agent狀態(tài)更新和明確事件的處理,時(shí)間管理機(jī)制也靈活方便。目前,相關(guān)學(xué)者就HLA/RTI高層體系框架與Agent技術(shù)結(jié)合,進(jìn)行了諸多領(lǐng)域方面的研究。李云芳等[9]就空防對(duì)抗仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究,給出基于Agent模型的空防對(duì)抗火力單元指揮控制仿真實(shí)例,并驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的可行性;陳國(guó)炎等[10]為研究廣域后備保護(hù)算法,開(kāi)發(fā)了聯(lián)合同步仿真平臺(tái)WAPSS,并驗(yàn)證了平臺(tái)的正確性和有效性;尹橋宣等[11]設(shè)計(jì)出能源系統(tǒng)與信息通信系統(tǒng)的聯(lián)合仿真框架,實(shí)現(xiàn)了能量流與信息流聯(lián)合的統(tǒng)一仿真;康世瀛等[12]設(shè)計(jì)出中醫(yī)藥多Agent仿真體系結(jié)構(gòu),并提出中醫(yī)藥仿真體系的復(fù)雜性研究的協(xié)調(diào)機(jī)制和智能優(yōu)化功能。通過(guò)研究分析HLA仿真與Agent技術(shù)的集成應(yīng)用,為軍事物流仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

2 軍事物流仿真系統(tǒng)聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)

軍事物流系統(tǒng)的任務(wù)是保證作戰(zhàn)過(guò)程中與作戰(zhàn)相關(guān)的所有物資,包括作戰(zhàn)裝備、軍需物資、武器彈藥以及油料等的快速、精確保障。靈活、反應(yīng)迅速的軍事物流系統(tǒng)能夠及時(shí)就戰(zhàn)場(chǎng)情況變化做出保障行動(dòng),能夠掌握戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)從而提高物資保障效率,保證奪取戰(zhàn)爭(zhēng)的最終勝利。

在HLA分布式仿真框架下面向軍事物流系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)時(shí),將軍事物流仿真系統(tǒng)看成是一個(gè)聯(lián)邦,組成軍事物流仿真系統(tǒng)的所有因素作為聯(lián)邦成員。將Agent技術(shù)引入軍事物流仿真系統(tǒng)聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)時(shí),具有智能性的物流實(shí)體設(shè)計(jì)成為Agent聯(lián)邦成員(簡(jiǎn)稱Agent成員),如指揮機(jī)構(gòu)、物資消耗單位等;不具有智能性的實(shí)體設(shè)計(jì)成非Agent聯(lián)邦成員(簡(jiǎn)稱非Agent成員),如地理環(huán)境、氣象環(huán)境等。設(shè)計(jì)Agent聯(lián)邦成員是構(gòu)建基于HLA的Multi-Agent軍事物流仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2.1 Agent成員設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)Agent成員的關(guān)鍵在于從軍事物流系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)出發(fā),圍繞系統(tǒng)的目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Agent抽象。Agent抽象需要注意兩點(diǎn),即同質(zhì)Agent與異質(zhì)Agent的處理和對(duì)系統(tǒng)抽象的分辨率選擇[13]。軍事物流系統(tǒng)的功能是進(jìn)行軍事物流活動(dòng),是在指揮決策機(jī)構(gòu)統(tǒng)籌整個(gè)物流系統(tǒng)資源以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)分析的基礎(chǔ)上,充分協(xié)調(diào)并合理利用物流資源,對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行生活、訓(xùn)練和作戰(zhàn)物資的保障。參與軍事物流活動(dòng)的部門包括:指揮決策機(jī)構(gòu),如聯(lián)勤保障部隊(duì)、聯(lián)勤保障中心等;物資消耗單位,如作戰(zhàn)部隊(duì);物資保障單位,如保障旅、旅支援營(yíng)等;物資儲(chǔ)存單位,如后方倉(cāng)庫(kù)、野戰(zhàn)倉(cāng)庫(kù)等;物資供應(yīng)單位,如供應(yīng)商、兵工廠等。

在軍事物流仿真系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中,有些Agent聯(lián)邦成員是同質(zhì)的,如聯(lián)勤保障部隊(duì)和聯(lián)勤保障中心同屬于指揮決策機(jī)構(gòu),后方倉(cāng)庫(kù)和野戰(zhàn)倉(cāng)庫(kù)同屬于物資儲(chǔ)存單位。因此,在設(shè)計(jì)Agent成員時(shí),需要首先區(qū)分同質(zhì)Agent和異質(zhì)Agent,然后再在同質(zhì)Agent中建立Agent類,最后根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)例化為具體的Agent。

在對(duì)軍事物流系統(tǒng)進(jìn)行Agent抽象時(shí)可以有不同程度的分辨率,大到整個(gè)物流系統(tǒng),小到作戰(zhàn)部隊(duì)的下級(jí)各個(gè)部門,甚至每個(gè)參戰(zhàn)人員都可以抽象為一個(gè)實(shí)體Agent。在本文的研究中,對(duì)軍事物流系統(tǒng)的抽象程度到指揮決策機(jī)構(gòu)、物資消耗單位、物資保障單位、物資儲(chǔ)存單位和物資供應(yīng)單位這級(jí),各個(gè)單位的下級(jí)結(jié)構(gòu)組成暫不作研究。

根據(jù)以上分析,將軍事物流系統(tǒng)抽象為五類,包括指揮決策Agent類、物資消耗單位Agent類、物資保障單位Agent類、物資儲(chǔ)存單位Agent類和物資供應(yīng)單位Agent類;并以每一類中的一個(gè)實(shí)例進(jìn)行問(wèn)題研究:聯(lián)保中心Agent、作戰(zhàn)部隊(duì)Agent、保障旅Agent、后方倉(cāng)庫(kù)Agent和供應(yīng)商Agent。

2.2 個(gè)體Agent的建模

個(gè)體Agent的建模是根據(jù)個(gè)體所具有的功能和特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行模型建立,需要考慮接口模塊和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。Agent成員內(nèi)部及Agent成員之間通信必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的Agent通信語(yǔ)言(Agent Communication Language,ACL)進(jìn)行交流,KQML(Knowledge Query and Manipulating Language)是目前使用廣泛的通信語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。軍事物流仿真系統(tǒng)Agent成員模型中的KQML消息遵循的語(yǔ)法格式如下表示:

(ask-one

:sender 發(fā)送消息的Agent

:receiver 接收消息的Agent

:reply-with 響應(yīng)當(dāng)前消息的期望標(biāo)示值

稱)

在HLA/RTI體系結(jié)構(gòu)下,設(shè)計(jì)接口模塊時(shí)既要滿足Agent成員間的交互,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)Agent成員與地理環(huán)境、氣象環(huán)境等的信息交流。本文主要對(duì)保障旅Agent成員和后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳細(xì)研究,其他實(shí)體Agent成員根據(jù)自身功能特點(diǎn)也能確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu),由于篇幅有限,故不詳細(xì)闡述。

2.2.1 保障旅Agent成員建模

保障旅Agent成員的主要功能是對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)Agent成員進(jìn)行物資保障;當(dāng)物資儲(chǔ)備水平較低時(shí)向聯(lián)保中心Agent成員發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求。在軍事物流仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,保障旅Agent成員感應(yīng)聯(lián)保中心命令、意圖,作戰(zhàn)部隊(duì)人員、位置變化,物資保障請(qǐng)求和外部環(huán)境等信息,根據(jù)自身保障能力,物資儲(chǔ)備和擔(dān)負(fù)的保障任務(wù),制定物資保障計(jì)劃或確定是否需要物資補(bǔ)充,向作戰(zhàn)部隊(duì)進(jìn)行物資保障或向聯(lián)保中心發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求。保障旅Agent成員的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.2 后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員建模

后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員的主要功能是對(duì)保障旅Agent成員進(jìn)行物資補(bǔ)充;當(dāng)自身物資儲(chǔ)備水平較低時(shí)，向聯(lián)保中心Agent成員發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員感應(yīng)聯(lián)保中心命令、意圖、物資調(diào)撥單,保障旅物資補(bǔ)充請(qǐng)求和環(huán)境信息等,根據(jù)自身儲(chǔ)備水平,補(bǔ)充能力和擔(dān)負(fù)的補(bǔ)充任務(wù)等,制定物資補(bǔ)充計(jì)劃或確定自身是否需要物資補(bǔ)充,向保障旅進(jìn)行物資補(bǔ)充或向聯(lián)保中心發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求。后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員結(jié)構(gòu)圖中有兩條物資補(bǔ)充請(qǐng)求信息,其中物資補(bǔ)充請(qǐng)求1是保障旅Agent成員向聯(lián)保中心Agent成員發(fā)出的,物資補(bǔ)充請(qǐng)求2是后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員向聯(lián)保中心Agent成員發(fā)出的,兩條物資補(bǔ)充請(qǐng)求信息有本質(zhì)區(qū)別。

3 基于HLA的Multi-Agent軍事物流仿真系統(tǒng)

軍事物流活動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)、網(wǎng)狀交叉的過(guò)程:一個(gè)作戰(zhàn)部隊(duì)可以接收多個(gè)保障旅的物資保障、一個(gè)保障旅可以接收多個(gè)后方倉(cāng)庫(kù)的物資補(bǔ)充、一個(gè)后方倉(cāng)庫(kù)可以接收多個(gè)物資供應(yīng)單位的物資補(bǔ)充,并且在進(jìn)行物資保障過(guò)程中,系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)變化的。軍事物流仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程實(shí)際上就是軍事物流活動(dòng)過(guò)程:在特定戰(zhàn)時(shí)條件下,作戰(zhàn)部隊(duì)Agent為保證戰(zhàn)斗順利進(jìn)行,向聯(lián)保中心Agent發(fā)出物資保障請(qǐng)求;聯(lián)保中心Agent綜合作戰(zhàn)地域、作戰(zhàn)規(guī)模、保障對(duì)象和物資保障請(qǐng)求等信息向保障旅Agent分派任務(wù);保障旅Agent根據(jù)上級(jí)意圖、作戰(zhàn)部隊(duì)人員及位置變化、物資保障請(qǐng)求等信息向作戰(zhàn)部隊(duì)Agent進(jìn)行物資保障,當(dāng)保障任務(wù)過(guò)大、物資庫(kù)存水平較低時(shí)向聯(lián)保中心Agent發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求,聯(lián)保中心Agent根據(jù)保障旅位置、保障任務(wù)和物資補(bǔ)充請(qǐng)求等信息向后方倉(cāng)庫(kù)Agent發(fā)出物資調(diào)撥單;后方倉(cāng)庫(kù)Agent根據(jù)上級(jí)意圖、物資調(diào)撥單和物資補(bǔ)充請(qǐng)求等信息向保障旅Agent進(jìn)行物資補(bǔ)充,當(dāng)物資補(bǔ)充量大、庫(kù)存水平較低時(shí),后方倉(cāng)庫(kù)Agent向聯(lián)保中心Agent發(fā)出物資補(bǔ)充請(qǐng)求,聯(lián)保中心Agent根據(jù)后方倉(cāng)庫(kù)位置、物資補(bǔ)充請(qǐng)求等信息向供應(yīng)商Agent發(fā)出物資補(bǔ)充要求;物資供應(yīng)商Agent根據(jù)受領(lǐng)任務(wù)及時(shí)向后方倉(cāng)庫(kù)Agent進(jìn)行物資補(bǔ)充。構(gòu)建的軍事物流仿真系統(tǒng)如圖4所示:

軍事物流仿真系統(tǒng)結(jié)合目前我軍新編制體制下物資的保障方式進(jìn)行設(shè)計(jì),符合軍事物流活動(dòng)的實(shí)際過(guò)程,模型設(shè)計(jì)真實(shí)可信。該模型可應(yīng)用于物資保障過(guò)程的模擬訓(xùn)練,Agent技術(shù)的應(yīng)用能夠體現(xiàn)物資保障過(guò)程中Agent實(shí)體間的交互關(guān)系、物流系統(tǒng)的總目標(biāo)以及各個(gè)實(shí)體的自我目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程,便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析研究;應(yīng)用于戰(zhàn)時(shí)條件下物資保障決策優(yōu)化研究,通過(guò)整合物流系統(tǒng)資源并對(duì)模型進(jìn)行仿真,能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化優(yōu)化物資保障方案,形成作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),提高物資保障效率并保證戰(zhàn)爭(zhēng)勝利。此外,目前基于軍事物流物資保障方面的仿真研究主要是理論層次的,關(guān)于物資的定量化研究幾乎沒(méi)有,該模型可為局部戰(zhàn)爭(zhēng)條件下物資定量化保障仿真研究提供基礎(chǔ)模型參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

軍事物流系統(tǒng)在物資保障方面作為戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的一環(huán)發(fā)揮著重要作用,隨著新軍事變革,軍事物流系統(tǒng)的編制體制也發(fā)生了變化。本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)新編制體制下軍事物流系統(tǒng)研究,結(jié)合分布式仿真HLA體系結(jié)構(gòu)和Agent技術(shù),設(shè)計(jì)了軍事物流仿真系統(tǒng)的非Agent聯(lián)邦成員和Agent聯(lián)邦成員,并詳細(xì)研究了保障旅Agent成員和后方倉(cāng)庫(kù)Agent成員的個(gè)體模型。通過(guò)對(duì)軍事物流系統(tǒng)的分析研究,論文最后設(shè)計(jì)了基于HLA的Multi-Agent軍事物流仿真系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)軍事物流系統(tǒng)互操作性和可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上,又能滿足系統(tǒng)的智能性需求,使系統(tǒng)更加符合實(shí)際。該軍事物流仿真系統(tǒng)可作為研究軍事物流系統(tǒng)的技術(shù)參考。