基于Agent的指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何兆龍 靳鍇 何文志

摘要：針對(duì)現(xiàn)有智能無(wú)人系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、運(yùn)作流程繁瑣，難以合理高效地實(shí)現(xiàn)各部分功能、協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)工作的問(wèn)題，建立了完善的指揮控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行指揮控制與輔助決策。對(duì)智能無(wú)人系統(tǒng)指揮控制的概念與需求分別進(jìn)行了建模與分析，結(jié)合信息化發(fā)展帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念，提出了信息時(shí)代的指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)構(gòu)，并結(jié)合智能Agent技術(shù)設(shè)計(jì)了指揮控制系統(tǒng)，通過(guò)再入投送系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了指揮控制系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：指揮控制系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)；智能體；再入投送

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）05-50-4

0引言

指揮控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心、多種技術(shù)設(shè)備為輔，由指揮人員構(gòu)成的指揮層，能夠?qū)θ蝿?wù)部隊(duì)及主戰(zhàn)武器裝備實(shí)施指揮控制，實(shí)現(xiàn)全時(shí)全域的動(dòng)態(tài)高效控制。

在指揮控制系統(tǒng)理論方面，大量專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了廣泛深入的研究。Drillings[1]、Pascual[2]和Klein[3]針對(duì)自然指揮控制決策問(wèn)題展開(kāi)了研究，以空軍作戰(zhàn)為背景，通過(guò)自然決策的方法解決了可視化困難與戰(zhàn)場(chǎng)條件變化情況下給出實(shí)時(shí)命令的問(wèn)題。Sarter[4]針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，在規(guī)定時(shí)間、信息不確定的情況下對(duì)指揮控制決策的問(wèn)題展開(kāi)研究，對(duì)2種不同的決策信息支持系統(tǒng)的有限性進(jìn)行了討論。唐立軍[5]研究了有關(guān)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的概念與特點(diǎn)，提出了應(yīng)用信息化帶來(lái)的便利條件，構(gòu)建了以網(wǎng)絡(luò)為中心的指揮控制決策系統(tǒng)，替代了以平臺(tái)為中心的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，適應(yīng)了系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)與要求。李奎[6]對(duì)地面武器機(jī)器人的指揮控制需求進(jìn)行了全面的分析，根據(jù)研究對(duì)象特點(diǎn)構(gòu)建了適應(yīng)任務(wù)的指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，依據(jù)任務(wù)需求，定義了輔助決策概念，設(shè)計(jì)了輔助決策系統(tǒng)。

針對(duì)現(xiàn)有指揮控制系統(tǒng)的不足，開(kāi)展Agent指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，提出了基于Agent的指揮控制輔助決策系統(tǒng)。

1網(wǎng)絡(luò)中心指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)并不是關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)爭(zhēng)，而是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，包含信息領(lǐng)域的各種技術(shù)，是一種指揮控制理念。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用系統(tǒng)從平臺(tái)中心化向網(wǎng)絡(luò)中心化過(guò)渡。以往主要是圍繞平臺(tái)執(zhí)行任務(wù)，在行動(dòng)過(guò)程中，各平臺(tái)自行獲取信息，通過(guò)決策系統(tǒng)進(jìn)行決策，最終由指揮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)。而隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，由相互聯(lián)接的通信、指揮、控制系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，將平臺(tái)中心轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)中心成為了實(shí)現(xiàn)高效指揮控制決策的有效方法。

1.1網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)網(wǎng)格設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，建立其網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)，按功能可以把智能無(wú)人系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為3個(gè)互相連接的部分：以通信為基礎(chǔ)的信息網(wǎng)格、以傳感器為基礎(chǔ)的傳感器網(wǎng)格和以平臺(tái)為基礎(chǔ)的平臺(tái)網(wǎng)格。其中信息網(wǎng)格以各種軟件為主，包括各種計(jì)算、優(yōu)化、策略軟件等；傳感器網(wǎng)格與投送網(wǎng)格屬于硬件設(shè)施，其中傳感器網(wǎng)格包括各種通信、控制設(shè)備；平臺(tái)網(wǎng)格主要包括軌道平臺(tái)。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

所有探測(cè)裝置諸如衛(wèi)星、偵察機(jī)、艦艇和雷達(dá)等共同組成了傳感器網(wǎng)格，各系統(tǒng)之間相互配合相互支持。與此同時(shí)，平臺(tái)網(wǎng)格能夠充分使用傳感器網(wǎng)格獲得的信息，通過(guò)自身的決策技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行有效處理，從而進(jìn)行有效的投送任務(wù)。信息網(wǎng)格則為傳感器網(wǎng)格和平臺(tái)網(wǎng)格提供鏈接支撐，實(shí)現(xiàn)2個(gè)網(wǎng)格之間的信息傳遞。

1.2網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)映射域設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的整個(gè)概念框架可以映射到3個(gè)領(lǐng)域：物理領(lǐng)域、信息領(lǐng)域和認(rèn)知領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)映射如圖2所示。

物理領(lǐng)域是包括所有硬件在內(nèi)的系統(tǒng)，這里主要是指智能無(wú)人平臺(tái)與各種支持系統(tǒng)。信息領(lǐng)域包括與通信有關(guān)的一切內(nèi)容，主要涵蓋信息收集、處理、共享。認(rèn)知領(lǐng)域是所有算法、策略、優(yōu)化的總和，是決策過(guò)程的核心內(nèi)容。

2基于Agent的輔助決策

2.1 Agent技術(shù)

Agent技術(shù)屬于人工智能技術(shù)，是一種與其周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互的、自主運(yùn)行的實(shí)體。其主要特點(diǎn)是自主性和協(xié)作性。Agent具有獨(dú)立于其他實(shí)體并自主行動(dòng)的能力，能將推理與知識(shí)相結(jié)合。將Agent技術(shù)用于智能無(wú)人系統(tǒng)的指揮控制，能滿(mǎn)足快速性與多平臺(tái)協(xié)調(diào)性的需求。Agent的典型抽象視圖如圖3所示。

2.2 Agent輔助決策設(shè)計(jì)

2.2.1指揮決策Agent的提出

指揮控制系統(tǒng)輔助決策是通過(guò)傳感器得到數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法、策略以及優(yōu)化實(shí)現(xiàn)任務(wù)，同時(shí)，對(duì)照規(guī)則和制約條件，提出相應(yīng)的方案供選擇。每一個(gè)決策過(guò)程中，需要根據(jù)平臺(tái)本身的性能、目標(biāo)信息、任務(wù)需求等進(jìn)行決策。而Agent具有的特點(diǎn)滿(mǎn)足了輔助決策需求，因此提出基于Agent理論及方法的輔助決策概念。

2.2.2基于Agent的決策結(jié)構(gòu)

根據(jù)智能無(wú)人系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合Agent輔助決策技術(shù)，Agent決策結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中每個(gè)虛線(xiàn)框都是一個(gè)Agent結(jié)構(gòu)，所以整個(gè)決策Agent也就是一個(gè)由多Agent共同構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。

決策Agent的工作原理和過(guò)程為：

①通信模塊和感知模塊：通信模塊主要負(fù)責(zé)平臺(tái)與外部通信聯(lián)絡(luò)，如與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息交互、指揮命令下達(dá)等；而感知模塊主要是感知外部環(huán)境變化，并將結(jié)果傳送給信息處理模塊。

②信息處理模塊：接收來(lái)自感知模塊及通信模塊的信息，包括環(huán)境信息、系統(tǒng)自身信息，然后將其進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)決策模塊的支撐。在特殊情況下可以采用應(yīng)急模塊進(jìn)行處理。

③態(tài)勢(shì)評(píng)估模塊：收到從信息處理模塊傳來(lái)的信息，并結(jié)合已有知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行環(huán)境分析（天氣情況、地形分析）、任務(wù)分析等，并將結(jié)果送入決策模塊。

④決策模塊：決策Agent的核心，通過(guò)任務(wù)規(guī)劃生成任務(wù)決策，通過(guò)指揮控制進(jìn)行執(zhí)行。針對(duì)不同平臺(tái)、具體的任務(wù)規(guī)劃與決策功能，可采用不同的智能算法與優(yōu)化算法進(jìn)行有效求解。

⑤應(yīng)急反應(yīng)模塊：平臺(tái)功能有限，任務(wù)千變?nèi)f化，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)特殊情況后，需要應(yīng)急反應(yīng)模塊進(jìn)行處理，將應(yīng)急反應(yīng)模塊單獨(dú)列出。

⑥知識(shí)庫(kù)：進(jìn)行決策的知識(shí)來(lái)源，包括地球、大氣模型、平臺(tái)信息、地理情況和氣候環(huán)境等，還包括任務(wù)規(guī)則、策略、優(yōu)化知識(shí)庫(kù)。

3再入投送平臺(tái)指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

再入投送平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，投送飛行器平時(shí)部署于衛(wèi)星軌道平臺(tái)，執(zhí)行任務(wù)時(shí)通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)與再入機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高超聲速精確對(duì)地投送。一旦平臺(tái)部署完成，在執(zhí)行對(duì)確定目標(biāo)點(diǎn)的投送任務(wù)時(shí)，面臨復(fù)雜的指揮控制問(wèn)題。投送系統(tǒng)是由多個(gè)軌道面構(gòu)成，而每一個(gè)軌道面又是由多個(gè)平臺(tái)構(gòu)成，可能會(huì)存在同一時(shí)間有多個(gè)平臺(tái)都可執(zhí)行投送任務(wù)，但是實(shí)現(xiàn)投送任務(wù)的代價(jià)與完成效率并不相同，針對(duì)該問(wèn)題采用本文提出的基于Agent的指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行決策。

3.1再入投送任務(wù)

3.1.1平臺(tái)部署

為實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域覆蓋，衛(wèi)星平臺(tái)部署采用雙傾角條帶覆蓋設(shè)計(jì)，采用軌道傾角為69.81°的3條大傾角軌道和軌道傾角為43.62°的3條小傾角軌道，每個(gè)軌道面內(nèi)均勻分布6個(gè)平臺(tái)，雙傾角條帶覆蓋軌道參數(shù)如表1所示。

同時(shí)，平臺(tái)搭載再入飛行器，最大橫程機(jī)動(dòng)地心角為20°，最大縱程機(jī)動(dòng)地心角為120°，全球覆蓋緯度區(qū)域?yàn)?0°，重點(diǎn)覆蓋緯度區(qū)域?yàn)?0°。

3.1.2任務(wù)描述

軌道平臺(tái)系統(tǒng)正常工作。在0=0.00 s時(shí)刻，西經(jīng)90°、北緯40°出現(xiàn)威脅目標(biāo)T，此時(shí)平臺(tái)星下點(diǎn)經(jīng)緯度（東經(jīng)、北緯為正）以及速度方向（由南至北為1）參數(shù)如表2所示。

3.2再入投送指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用基于Agent的指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，投送流程圖如圖5所示，描述再入系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的主要工作，給出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程與節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)主要任務(wù)包括目標(biāo)區(qū)域監(jiān)測(cè)、通信、任務(wù)規(guī)劃、平臺(tái)分配、飛行器制導(dǎo)與控制、投送效果評(píng)估等。

當(dāng)覆蓋區(qū)域出現(xiàn)投送任務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中心下的所有觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行信息獲取與反饋。對(duì)收集的信息進(jìn)行處理，并將信息發(fā)送給指揮人員，由其決定是否采用再入投送系統(tǒng)進(jìn)行投送。當(dāng)決定采用再入系統(tǒng)進(jìn)行投送，則由任務(wù)優(yōu)化Agent完成滿(mǎn)足提前預(yù)設(shè)最優(yōu)指標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃，從而選取合適平臺(tái)進(jìn)行離軌機(jī)動(dòng)，完成最優(yōu)過(guò)渡軌道，到達(dá)最優(yōu)再入點(diǎn)。飛行器進(jìn)入大氣層內(nèi)，通過(guò)大氣層內(nèi)機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)再入軌跡與制導(dǎo)，直到到達(dá)目標(biāo)。最后，再次通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行投送任務(wù)完成效果評(píng)估，如果滿(mǎn)足要求則投送任務(wù)完成，如若不滿(mǎn)足任務(wù)要求，則需要再一次進(jìn)行投送任務(wù)。

投送任務(wù)過(guò)程中再入飛行器仿真結(jié)果如圖6所示，包括再入過(guò)程中高度、速度、經(jīng)度和緯度變化曲線(xiàn)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)智能無(wú)人平臺(tái)指揮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)展了研究。首先，對(duì)指揮控制決策的概念進(jìn)行了闡述，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了需求分析。然后，介紹了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的概念，提出了信息時(shí)代的指揮控制決策系統(tǒng)的特點(diǎn)，從信息角度建立了指揮控制決策系統(tǒng)框架。接著，針對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)，選擇采用智能Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)指揮控制決策。在對(duì)智能Agent技術(shù)進(jìn)行了介紹后，將智能Agent輔助決策技術(shù)引入決策系統(tǒng)進(jìn)行完善，保證指揮控制決策的快速性、協(xié)調(diào)性。然后，結(jié)合系統(tǒng)與任務(wù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了投送系統(tǒng)空間概念圖與投送流程圖，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)過(guò)程從時(shí)間與空間上進(jìn)行了描述和分析。最后，針對(duì)一個(gè)特定點(diǎn)的投送任務(wù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

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