一種基于行動規則的仿真推演引擎設計與實現*

閆強強 何 偉

（陸軍炮兵防空兵學院 合肥 230031）

1 引言

行動方案推演系統（以下簡稱“推演系統”）中的行動方案，由若干基本行動按時序組合而成。各個行動在時間上具有因果關系，前一行動的結果是后一行動的基礎。因此，高效擬制行動方案、合理控制行動序列運行，是推演系統不可或缺的核心功能，影響著推演系統的適用性和擴展性。

一般推演仿真引擎，只能解析演練方案中“任務”這一層次，除了通過任務參數影響任務執行以外，不能進一步定制任務，進而難以反映要素演練中個別任務的特殊性。為了實現行動任務可定制、體現要素演練中行動任務的特殊性，本文以任務狀態機為基礎，綜合運用時間步長法和事件高度法，設計一種基于行動規則控制仿真實體行動仿真的引擎。

1）規則配置靈活。把序列化的任務，分解為相對獨立的原子行動。每個規則由一個條件和若干個行動組成。根據仿真需要，操作人員從條件庫中選擇規則觸發條件、從行動庫中選擇適當的行動，繪制任務狀態圖。

2）行動模型可重用性強。各行動模型之間相對獨立，是完成相應行動的封裝。對各模型的修改，影響范圍主要限制在當前行動中，不會對其它行動效應帶來不良影響。

3）構建方法通用性好。規則中條件和行動的粒度小，都是通用的最小單位，可適用于不同的仿真場景。當出現特別的仿真需求，總體構建方法仍然保持穩定，不需要調整，可通過擴展條件庫和行動庫的方式加以適配。

2 推演方案表示

為了使推演系統正確識別推演方案，必須將其進行形式化描述。

2.1 推演方案模型

推演方案，由若干實體行動方案在時間維度上協調聚合而成（如圖1）。

圖1 推演方案模型

任務控制是使實體按照既定的任務流程，執行相應的行動模型，并進行臨機調整。任務流程直接表現為任務流程圖。為了使任務流程圖具備良好的可配置性特點，將任務劃分為若干個階段，每一個任務階段對應一個任務狀態。在某個狀態，實體受若干規則的約束。

每一條規則由條件和一系列行動組成。從而，以條件和行動為最小可配置單位，建立起全生命期的任務模型，并可把任務狀態圖作為形式表現。

就單個實體而言，實體行動方案，由若干有序的實體任務（簡稱“任務”）組合而成。

2.2 實體任務的形式化描述

任務具有三個層次視圖：任務狀態、規則和行動。

用有限狀態機描述任務，一個任務具有多個狀態，但在某一時刻，只能處于其中一個狀態［1］。執行某任務的過程，即任務自初始狀態，在不同狀態之間轉換直至推進到結束狀態的過程；而且，任務結束狀態可以是任務執行成功的狀態，也可以任務執行失敗的狀態。任務可表示為

其中S為任務狀態集合，Ttrans為狀態集內不同狀態之間的轉移集，s0為起初狀態（任務啟動后，以此狀態開始任務執行，用于完成任務準備），Sfinal為任務結束狀態集（當任務進行到該集合中任一狀態，則表示任務結束，而且可反映任務完成的水平）。另外，s0∈S，Sfinal?S。

一個任務狀態內，存在一條或多條行動規則，具體運行哪條規則取決于相應條件是否成立。任務狀態表示為

每個任務狀態由若干規則ri（ri∈R，R為規則集）有序組合而成。

在某任務狀態內，實體執行滿足條件的規則。規則表示為

其中c為規則條件，A為若干原子行動（a1，a2，…，an)的有序組合，strans為此規則執行成功后轉移到的任務狀態。轉移集Ttrans={＜r，strans＞|r∈R，strans∈S}與中Ttrans一致。如果規則條件成立，則按次序執行規則內的若干行動。若存在多條規則的條件成立，則優先運行排序靠前的規則。

以上涉及的規則條件和原子行動，是描述實體任務的基礎，與采用面向對象思想建立的實體模型緊密相關。

3 仿真引擎的設計

基于任務狀態圖控制任務流程，其核心思想是以狀態圖為藍本、以任務當前狀態為基礎，結合實體狀態、戰場態勢和環境等影響因素，選擇規則、執行相應行動，并根據其結果處理任務狀態跳轉。一方面，狀態圖中的狀態數量、狀態規則和規則到狀態的跳轉關系均可定制，使任務具有良好的擴展性和可配置性；另一方面，任務狀態圖千變萬化，但任務的基本模型相對穩定，對基于狀態圖控制任務流程無影響。

基于以上抽象，控制多個實體協調一致地仿真推演方案，其關鍵是控制單個實體正解地判斷規則和執行原子行動（圖2）。

圖2 實體行動控制

規則條件的判斷，是規則執行的前提條件，可區分為原子條件和復合條件。

原子條件，從應用需求可分類六類：一是基于時間的條件（T型規則條件）。以事件發生時間為實體行為發生的充要條件。如到指定時間內開通有線、無線通信網。二是基于命令的條件（C型規則條件）。以上級下達的命令為實體行為發生的充要條件。這是適應大多數實體的規則條件。如接到上級火力打擊命令時，才對目標進行火力打擊行動。三是基于地域的條件（S型規則條件）。以事件發生的地理特征為實體行為發生的充要條件［2］。如光學偵察需要滿足現地與目標地的通視。四是基于信息的條件（I型規則條件）。以事件發展變化的標志性事件作為實體行為發生的充要條件。如前方發現我方兵力受損。五是基于請求的條件（Q型規則條件）。以下級實體發出的請求為實體行為發生的充要條件［3］。如偵察分隊請求進行油料保障，炮兵連請求進行彈藥補充。六是基于兵力的條件（F型規則條件）。以事件處置實體的兵力損耗為實體行為發生的充要條件。如根據兵力的毀傷程度判斷出該兵力當前的狀態。

復合條件由原子條件組合而成。

4 仿真引擎的實現

4.1 條件判斷

分為值比較和邏輯判斷兩類，都由操作數和操作符組成，其中操作數可為常量、變量和運行時變量。原子條件的邏輯值為真或假，可通過與或非邏輯關系組合成為復合條件。

以裝甲兵沖擊任務為例，行動集由若干具有優先順序的行動排列組成，每一個行動對應于實體模型中可執行的仿真行動模型（如圖3）。

圖3 裝甲兵沖擊任務

4.2 任務隊列調度

實體任務隊列，采用“先來先服務”模型，按照任務開始時間升序執行。當仿真時間已推進到下一任務的開始時刻，則停止上一任務、開啟下一任務。其流程如圖4所示。

圖4 任務隊列調試示意圖

4.3 任務內部狀態調度

整個作戰過程，由若干斷續的任務組成。每個任務由狀態機驅動實體執行具體的行動完成，執行時間和順序由規則確定。加載一個任務，實際是相應的任務狀態機啟動；任務的狀態對應著狀態機內的某個狀態。狀態機，從唯一確定的起始狀態開始運行，經歷若干中間狀態，轉入結束狀態。在某一狀態內，狀態機自動按順序測試狀態中的所有規則條件，并優先執行排序靠前且條件成立的規則。若規則執行過程中條件發生變化（即當前規則條件不成立），則轉入執行排序靠前且條件成立的規則。當某規則執行完畢且觸發跳轉，則任務狀態發生變更、狀態機轉入相應狀態。

狀態機所執行的行動，即為實體的行動，因此，實體模型應包括狀態機可能執行的所有行動。同時，由于某些行動執行過程中可能被中斷，而且行動恢復還須從中斷前的行動狀態繼續執行，所以實體還應該維護行動的執行狀態。

5 仿真引擎關鍵實現

5.1 條件判斷

條件判斷是規則執行的前提，只有條件成立的規則才有被執行的可能。條件由基本操作符、操作數、邏輯組合操作符以及括號組成。基本操作符以比較操作為主，主要有“等于”、“小于”、“大于”、“不等于”、“不小于”、“不大于”、以及特殊的“點位于區域內”等。操作數是基本操作符比較的對象。只含有一個操作符的的條件，為原子條件。原子條件，通過“與”、“或”、“非”邏輯組合，形成復合條件。括號用于區分原子條例、改變邏輯組合優先級。原子條件和復合條件都可作為規則條件。

圖5 任務內部狀態調度示意圖

條件中的操作數有三類，第一類是普通常量，當條件形成時就不再變化；第二類是任務常量，根據任務不同而不同，需要在任務初始時進行初始化；第三是實體變量，與實體的某個屬性對應。在進行條件判斷時，需要三個步驟：一是把條件解析成條件樹，以便減小不必要的條件判斷；二是統一同一操作符下多個操作數類型；三是按照深度優先原則，判定條件樹的布爾值。具體到單個原子條件的判斷，先取得各操作數的當前值，再進行操作比較，即得出單原子條件的布爾值。

5.2 規則選擇

每一個任務狀態，由多個有順序的規則組成。規則越靠前，其執行優先級越高。一般情況下，當前任務狀態的最后一個規則是其主規則，其它規則都是執行此主規則過程中可能會出現的、需要處理的意外情況。每一個規則由一個規則條件和若干行動構成。規則選擇，即從任務狀態中選擇出第一個條件成立且未完成的規則。其中，判斷條件是否成立如前所述；判定規則是否完成，由規則內是否存在未完成的行動決定。

5.3 行動執行

基于某種程序語言，實現與任務相關的每個行動，并與特定行動相識對應。利用反射機制，按照指定標識即可執行相應行動。以微軟.Net平臺為例，其反射機制，包含在System.Reflection命名空間中。通過反射，可以在運行時獲得.Net中每一個類型（包括類、結構、委托、接口和枚舉等）的成員，包括方法、屬性、事件以及構造函數等［4］。還可以獲得每個成員的名稱、限定符和參數等。.Net中的程序集是自描述的，反射則提供了封裝、模塊和類的對象。使用反射動態地創建類的實例將類綁定到現有對象，或從現有對象中獲取類，然后可以調用類的方法或訪問其字段和屬性。反射有很多對象，如 Assembly、FieldInfe、Propertylnfo、ParameterInfo等［5］。在仿真控制引擎實現中只用到了Propertylnfo對象，通過該對象可用來獲取如下的類似信息，如屬性的名稱、數據類型、聲明類型、反射類型和只讀或可寫狀態等，并獲取或設置屬性值。本系統是利用Propertylnfo對象來獲取和設置相應對象的相關屬性的。

5.4 參數映射

任務參數影響任務執行過程和效果，可以反映任務的特殊性。因此，在執行每個任務圖之前，有必要把任務參數賦予相關實體。為了減少建模過程中的工作量，建立參數自動映射機制，其實施步驟有以下三節：一是編制任務圖時，確定參數序列；二是下達任務時，按次序設定參數序列；三是任務初始化時，利用反射機制將參數序列賦予對應實體屬性。

6 結語

推演仿真引擎，控制時間推進，管理實體成員，調用實體模型、規則模型和交互模型，是推演系統的核心部件。為了實現行動任務可定制、體現演練任務的特殊性，本文設計了基于行動規則的仿真推演引擎，根據判斷規則條件、調用規則，使各實體按照任務狀態圖執行相應行動模型，同時以事件的形式進行交互，可以為方案推演提供技術支撐。