基于MAS的航材保障仿真系統框架研究

陳 博，徐常凱，任佳成

(空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

在現代戰爭背景下，作戰部隊(如空軍)往往執行高強度、多機種、大批量、多波次作戰任務，這使作戰航材保障難度更大，對作戰保障指揮人員的作戰航材保障能力的要求也更高。在此背景下，采用日漸成熟的建模與仿真技術實現對作戰航材保障流程的仿真模擬，不僅能夠全面細致地展示作戰航材保障的方法步驟，提高作戰航材保障指揮人員對作戰航材保障流程的熟悉程度，還能夠為作戰航材保障提供輔助決策支撐作用，也促使作戰航材保障不斷向滿足“作戰牽引、信息主導、精細管理、精確保障”的總體要求靠攏[1]。

近些年來，對后勤保障系統的仿真建模有很多研究，大多是基于離散事件的基礎上的，文獻[2]介紹了采用Petri網建模技術對保障系統進行構建；文獻[3]闡述了2種國外較為先進的裝備保障仿真軟件OPUS10和SIMLOX，并提出了構建裝甲裝備的保障仿真平臺的概念；文獻[4]闡述了基于美國國防部體系結構框架(DoDAF)下任務的復雜裝備系統建模方法。本文參考它們對離散事件的仿真方法，結合作戰航材的具體保障流程，主要采用應用較為廣泛的面向Agent的仿真建模技術對作戰航材保障流程進行仿真建模，將作戰航材保障中各個實體單元的狀態與方法進行完全封裝[5]，再以此為基礎，采用Swarm平臺對上述Agent仿真模型進行實現，使系統能夠仿真統計出在具體任務中發生缺航材情況的次數[6]。

1 作戰航材保障仿真的Agent體系結構設計

利用Agent對作戰(其本身就是一個很復雜的系統)進行建模，能夠充分發揮Agent模型智能化、自適應性水平高的特點，建立對應的作戰Agent模型。對于作戰航材保障而言，必須從作戰任務出發，圍繞具體任務對作戰航材保障仿真預案進行分析，從而構建具體的仿真模型；同時，還要根據作戰航材保障任務對執行任務的組織體系結構進行分析，即以任務作為出發點，使航材保障指揮機構、航材保障人員和武器航材能夠在一個整體中運作。其具體構建方法如圖1所示。

首先，將作戰航材保障任務劃分為不同層次，使每個保障任務都可被表示為能夠實現基本功能的多個模塊的組合，用[A1,A2,…，An]表示。其中，n為組織基本功能的數量，Ai為組織所具備的第i項功能，主要包括作戰保障任務的接受、作戰保障任務的下達、作戰航材的籌措等；然后，對這些功能進行量化構建。其中，功能用[B1,B2,…,Bn]表示；再接著，根據n的大小，建立作戰航材保障推演功能平臺，主要包括消耗模擬平臺、作戰航材調撥平臺以及作戰航材緊急申請平臺等。平臺集合用{C1,C2,…，Ck}表示。其中，k表示平臺的數量。對于各功能所執行某項功能的能力則表示為[CBi1,CBi2,…CBik]；最后，建立決策實體模型，使其能通過必要的平臺資源來執行作戰航材保障任務，并將其各方面能力進行量化，記為集合DS={d1,d2,…dk}[7]。

2 作戰航材保障仿真中的Agent設計

根據在執行作戰保障任務過程中所擔負的職責、扮演的角色不同對整個作戰航材保障仿真過程中的Agent進行分類，主要包括任務描述Agent、數據分析Agent、決策Agent以及混合Agent 5類。這些Agent結構既有一定的相似性，也有相應的區別。

(1) 任務描述Agent

任務描述Agent在作戰航材保障仿真過程中主要承擔對仿真任務想定中的參數進行采集，并對其進行匯總，包括任務環境、戰損率、戰斗天數等如圖2所示。其對作戰航材保障的仿真消耗數量具有很大的影響。與此同時，任務描述Agent還可將數據信息進行預處理之后傳遞給其他Agent模型。

圖2 任務描述Agent仿真結構

(2) 數據分析Agent

數據分析Agent主要應用于對作戰航材保障仿真過程中的信息傳遞，包括接收其他Agent的相關信息，并將這些信息進行匯總、分類，在此基礎上通過在數據分析Agent中輸入算法，實現對相關數據的分析處理。最終將不同類型的數據分類推送給對應層次的Agent模型，如圖3所示。

圖3 數據分析Agent仿真結構

(3) 決策Agent

決策Agent主要在作戰航材保障仿真過程中發揮決策管理的作用。其主要通過接收其他Agent所反饋的數據信息，并通過對這些數據信息的分析，預先實現擬定的仿真規則，共同進行推理決策，包括作戰航材是否被消耗、是否發生缺件等。決策Agent還將決策信息結果轉化為控制指令下達給其他Agent，如圖4所示。

圖4 決策Agent仿真結構

(4) 應急處置Agent

應急處置Agent是作戰航材保障流程仿真保障的核心內容之一。對于作戰航材保障預案，其仿真中往往會出現缺器材的現象，即器材仿真模擬的消耗數量過大，預案制定的對作戰航材的消耗預測無法滿足作戰任務需要時，應急處置Agent采用接受器材緊急調撥的指令，并調用數據分析Agent中的相關作戰航材保障資源數據以及模型庫中的航材緊急調撥申請表模板，受訓人員可根據仿真結果對其進行填寫，如圖5所示。

(5) 混合Agent

混合Agent主要是以上4類Agent進行組合的一種Agent類型，主要指在作戰航材保障仿真過程中往往一個Agent需要上述Agent組合才能實現其功能。例如：在保障過程中發生缺器材情況時，一方面要將數據錄入到數據分析Agent中；另一方面也要調用應急處置Agent對缺航材情況進行處理。

圖5 應急處置Agent仿真結構

根據對作戰航材保障仿真任務過程的分析，將以上5類Agent模型進行分層次交互設計。其具體交互模型如圖6所示。多Agent作戰航材保障預案按照各單元擔負的任務不同可分為描述層、分析層、決策層、處置層以及資源層[8]。

圖6 作戰航材保障流程的Agent仿真架構圖

3 基于Agent仿真模型的作戰航材保障實體關系描述

3.1 實體Agent

實體Agent代表在預案仿真過程中執行作戰任務的單位。不同層次的Agent在仿真過程中擔負的角色各不相同，主要包括作戰航材、作戰航材保障部隊以及保障部隊的上級業務機關。按照作戰Agent建立的要求，可將其劃分為3元組，包括Agent名稱、Agent行動集合以及Agent的相關約束集合。

作戰航材保障部隊實體模型可用于整建制地模擬航材保障部隊的保障行動，在部隊調動、集結、補充以及機場、兵力集結地被攻擊等非交戰行動中，反映保障部隊組成結構、位置分布等變化情況。例如：根據空軍作戰航材保障涉及的相關單位，主要包括以下部隊實體模型：上級指揮所、后方倉庫、航材保障單位、機務大隊、航材保障機動分隊。

3.2 行動

行動主要代表各部門在作戰航材保障過程中所需要完成的任務，包括行動名稱、開始任務的條件、行動結束的條件以及行動的約束等。其中：行動名稱是指任務活動的名稱；開始任務的條件是指當滿足一定條件后任務開始執行，例如在接受上級命令后，保障單位才能夠開始行動；行動結束后置條件指在任務完成后，所能夠滿足的條件，例如在進行緊急申請時，該項器材一定出現了短缺。行動的約束包括行動執行者的規定、行動的相關規定等約束。

3.3 約束

由于各Agent在仿真過程中的層次不同，所以要設置一系列約束，作戰航材保障仿真中的Agent實體約束，主要包括作戰航材保障任務的時間約束、空間約束、資源約束以及各Agent之間的邏輯順序約束。其中：時間約束主要表示嚴格在想定規定的任務時間內完成作戰航材保障任務，通常用任務持續時間與時間范圍來描述；空間約束主要是指作戰航材保障資源受空間限制的主要操縱中心點以及半徑描述；資源約束是指在作戰航材保障過程中所需要的航材資源配置的約束，包括航材數量、保障人員等資源約束；邏輯順序約束主要表示Agent在執行任務過程中的流程順序，主要包括順序運行、并列運行以及選擇運行3種[9]。

(1) 順序運行

順序運行是Agent模型之間最簡單的關系之一，主要表示前一個Agent運行結束，后一個Agent隨即開始的關系。例如：在進行航材轉場保障任務時，轉出單位在結束保障關系后，轉進單位馬上進入接裝任務，建立新的保障關系。

(2) 并列運行

并列運行的方式主要可分為2種：一種是起始并列運行；另一種是并列運行結束。

(a) 起始并列運行

起始并列關系表示多個Agent在相同的條件下同時觸發開始運行狀態，例如：在轉場任務保障中，轉進單位和轉出單位可能同時接收到作戰任務后，同時進入清點庫存物資的狀態。

(b) 并列運行結束

并列運行結束表示多個Agent行動完成之后同時結束，后一個Agent開始運行。例如：在多個保障單位全部完成各自的保障任務之后，決策Agent才會對本次作戰保障任務是否成功進行判斷。

(3) 選擇運行

選擇運行方式與并列運行相類似，主要分為2種：一種是起始選擇結束運行；另一種是結束選擇運行。

(a) 起始選擇運行

起始選擇運行表示在一個Agent運行完畢后在多個Agent中選擇一個進行。例如：在發生航材緊缺的情況時，在仿真航材緊急調撥的過程中，當應急處置Agent發出應急指令后，系統會在附近單位中選擇一個單位提供緊缺航材，并計算出時間。

(b) 結束選擇運行

結束選擇運行表示對于多個Agent同時運行時，只要一個Agent執行結束，下一個Agent便開始運行。例如：多個參與作戰保障單位，任意一個單位出現航材短缺，應急處置Agent就開始運行。

根據上述關系，對各實體Agent之間的關系進行梳理，使其能夠完整地描述出作戰航材保障流程，并構建出完整的各Agent之間的關系圖，由Agent模型構建的作戰航材仿真流程如圖7所示。

圖7 Agent模型構建的作戰航材仿真流程

4 基于Swarm的作戰航材保障仿真的實現

Swarm仿真軟件是由圣菲研究所設計開發的、基于多主體并面向對象的一款完全開源的仿真平臺[10]，其主要能夠對離散事件進行仿真并構建出層次化的仿真系統結構，建立對多Agent仿真模型的多層嵌套式結構。基本的Swarm仿真程序主要包括ModelSwarm和Observe Swarm兩類[11]。

作戰航材保障仿真系統作為一個復雜的保障系統，主要用于模擬各作戰單位在作戰航材保障過程中的保障活動，采用模型Swarm對上級指揮Agent、應急指揮Agent、航材股Agent、攜行保障分隊Agent以及后方航材倉庫Agent進行封裝[12]，主要包括以下4個要素：

(1) 作戰航材Agent狀態

作戰航材Agent狀態是指個體Agent自身的保障狀態，包括能夠使用的作戰航材資源的品種、數量、地理位置與人員素質等基本信息要素，這些要素是影響模型Swarm產生動作的主要因素。

(2) 約束與交互

作戰航材Agent中都有不同的條件約束限制其活動范圍，例如航材股Agent要遵循上級指揮機關發布的任務的基本信息與要求。與此同時，各Agent之間能夠進行信息的交流。

(3) 流程控制

流程控制是指為了模擬作戰航材保障流程事先對各個Agent仿真執行任務的順序進行設置，通過調整各Agent行動發生的時間，實現對Swarm仿真模型的時間控制。

(4) 仿真行為

仿真行為是指在Agent接收到外部信息之后，各實體Agent對輸入的信息，根據實現擬定的規則進行推理計算，輸出結果傳輸到下一個Agent實體之中。

再建立Observe Swarm，其主要用于觀察統計ModelSwarm中的各仿真數據，并能夠將這些數據生成圖標進行直觀分析。

下面以作戰保障任務為例，空軍某型飛機24架，于某年某月某日由A單位進駐B單位，執行戰略性突擊任務，作戰時間為7天。此型裝備完好率設為85%，出動率設為80%，出動強度設為3次/天，裝備戰損率設為4%，進行仿真，通過仿真其作戰裝備保障流程，仿真統計出在保障任務過程中發生缺航材的次數、缺器材的種類、數量等信息，具體Observe Swarm數據統計圖如圖8、圖9所示。

圖8 缺航材發生次數

圖9 缺航材品種與數量

這些數據都能夠作為作戰航材保障部隊制定作戰航材保障預案時的重要數據支撐，使整個作戰航材保障獲得更大的軍事經濟效益。

5 結束語

在作戰裝備保障仿真系統中,根據具體的作戰航材保障流程，考慮各作戰元素的關系，采用基于Agent仿真建模方法與表達形式，搭建了Agent仿真系統的設計框架，建立了各Agent相互之間的協同關系,然后將作戰裝備保障流程中的Agent實體模型包裝為Swart模塊，通過Swart仿真平臺實現執行某種方法或者動作以實現預期的仿真功能。最后本文給出了對具體作戰航材保障任務的仿真結果，具有較強的實用性，能夠廣泛地運用于對作戰裝備保障決策領域中，為作戰指揮人員的決策提供數據支撐。