無人潛航器交戰(zhàn)行為分層建模方法

尤 岳，黃昱申，陳 科

（1.海軍研究院，北京 100161；2.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061）

0 引言

無人潛航器相比有人潛艇，具有成本低、目標(biāo)特征小、不怕犧牲的不對稱特點(diǎn)，未來有望顛覆水下戰(zhàn)形態(tài)。水下作戰(zhàn)具有突出的弱聯(lián)通特點(diǎn)，指揮平臺無法與無人潛航器保持實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指揮，無人潛航器需具備較高的自主能力和智能化水平，才有可能在動態(tài)對抗中完成既定任務(wù)[1-2]。當(dāng)前，水下無人裝備尚處于智能化水平的初級階段，如何科學(xué)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)典型作戰(zhàn)任務(wù)下的交戰(zhàn)行為建模，是突破水下無人裝備智能化的關(guān)鍵一步。兵力的行為過程可以簡單描述為：在任務(wù)目標(biāo)和領(lǐng)域知識的支撐下，仿真兵力戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、任務(wù)指令等輸入信息，依托行為規(guī)則推理當(dāng)前態(tài)勢下的行動，生成決策行動方案[3]。為驅(qū)動兵力的自主行為，需設(shè)計(jì)一種高效、具有良好層次結(jié)構(gòu)和解耦性、支持模型的行為描述和功能分解的模型體系結(jié)構(gòu)，對建模工作的開展提供支撐[4-5]。

本文擬采用有限狀態(tài)機(jī)和行為樹結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)兵力行為建模。有限狀態(tài)機(jī)以描述實(shí)體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則見長，而行為樹善于構(gòu)建精細(xì)化行為模型，將兩者結(jié)合，能夠清晰地表示各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高解耦性的交戰(zhàn)行為形式化表示。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)無人平臺行為建模研究大多根據(jù)具體行為邏輯與約束，利用典型建模方法，構(gòu)建行為模型，并基于仿真工具進(jìn)行驗(yàn)證。行為樹使用模塊化的方式描述了一組有限任務(wù)之間的切換，常用于面向特定任務(wù)的仿真兵力行為模型構(gòu)建。冷志成等從仿真兵力模型構(gòu)建總體設(shè)計(jì)入手，首先設(shè)計(jì)模型體系框架，再根據(jù)具體仿真兵力行為邏輯構(gòu)建行為樹模型，實(shí)現(xiàn)了局部模型與整體框架的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)[6]。有限狀態(tài)機(jī)方法通過構(gòu)建有限個(gè)狀態(tài)及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作行為的數(shù)學(xué)模型，在滿足條件的情況下，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換[7]，往往應(yīng)用于仿真兵力的任務(wù)序列執(zhí)行。國防科技大學(xué)的董倩等采用了分層建模思想，以有限狀態(tài)機(jī)描述無人機(jī)的任務(wù)架構(gòu)，并將具體的行為模型集成至各狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)行動分層智能規(guī)劃[8]。

國外的無人兵力建模研究往往更加注重工程化實(shí)現(xiàn)。美國的分布式偵察與探測系統(tǒng)（CADRE）[9]是面向海底靜態(tài)目標(biāo)識別任務(wù)的水下無人系統(tǒng)，其框架可兼容異構(gòu)水下無人編組，3 類無人潛航器分別執(zhí)行通信導(dǎo)航、搜索分類以及目標(biāo)識別任務(wù)。CADRE 系統(tǒng)采用可擴(kuò)展性和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無人編組的有效通信與協(xié)作。該系統(tǒng)面向特定任務(wù)設(shè)計(jì)、開發(fā)，且技術(shù)成熟度高，具有較強(qiáng)的實(shí)用屬性。

2 行為模型框架

行為樹是樹狀結(jié)構(gòu)，相對于有限狀態(tài)機(jī)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其耦合性更低，更容易有效控制節(jié)點(diǎn)間的沖突，有利于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的行為邏輯，適用于描述兵力實(shí)體的行為序列；有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)兵力狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于在執(zhí)行具體行為的同時(shí)監(jiān)控兵力狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)符合狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)規(guī)則轉(zhuǎn)移至另一狀態(tài)。單獨(dú)使用行為樹方法也能夠同時(shí)描述行為序列與狀態(tài)切換的邏輯結(jié)構(gòu)，但構(gòu)建的行為樹較為復(fù)雜，增加了行為模型的設(shè)計(jì)難度，且不便于用戶理解行為模型中的邏輯關(guān)系。

本文提出基于行為樹和有限狀態(tài)機(jī)的混合行為模型框架，構(gòu)建狀態(tài)與行為子樹的對應(yīng)關(guān)系，通過狀態(tài)的轉(zhuǎn)移控制行為子樹的轉(zhuǎn)換。以包含3 類狀態(tài)的行為模型為例，行為模型框架如圖1所示。在有限狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)包含1 個(gè)行為子樹。系統(tǒng)處于某狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行對應(yīng)的行為子樹，同時(shí)監(jiān)控兵力狀態(tài)參數(shù)。若狀態(tài)參數(shù)未滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，則持續(xù)執(zhí)行當(dāng)前行為子樹；若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，則轉(zhuǎn)移至新的狀態(tài)，執(zhí)行該狀態(tài)對應(yīng)的行為子樹。

圖1 結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)與行為樹的行為模型框架Fig.1 Behavior model frame based on finite state machine and behavior tree

3 無人潛航器有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)無人潛航器打擊目標(biāo)任務(wù)流程，設(shè)計(jì)其有限狀態(tài)機(jī)。無人潛航器打擊目標(biāo)任務(wù)主要流程如下：

1）無人潛航器在陣地內(nèi)待機(jī)，接收任務(wù)指令后前往任務(wù)地點(diǎn)開始搜索目標(biāo)；

2）探測發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后開始跟蹤目標(biāo)，并盡可能保持一定的跟蹤距離；

3）持續(xù)跟蹤目標(biāo)一定時(shí)間后，準(zhǔn)備開展攻擊行動，若目標(biāo)立即可攻則立刻進(jìn)行魚雷攻擊，若目標(biāo)非立即可攻則占位機(jī)動尋找攻擊機(jī)會，直至具備攻擊條件；

4）若多次攻擊后，潛航器的武器耗盡，仍未命中目標(biāo)，則判定潛航器失去任務(wù)能力，任務(wù)終止；

5）若魚雷命中，則任務(wù)完成。

搜索、跟蹤、攻擊3 類行為是上述任務(wù)流程的核心，各行為間相互獨(dú)立，且相互銜接的邏輯清晰，易于構(gòu)建相應(yīng)的行為子樹。據(jù)此構(gòu)建無人潛航器打擊任務(wù)狀態(tài)集S={S0=待機(jī)，S1=搜索，S2=跟蹤，S3=攻擊，S4=喪失任務(wù)能力，S5=完成任務(wù)}；狀態(tài)轉(zhuǎn)移觸發(fā)條件集E={e0=接收任務(wù)指令，e1=發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，e2=丟失目標(biāo)，e3=持續(xù)跟蹤時(shí)間達(dá)到10 min，e4=武器消耗殆盡，e5=魚雷命中}；無人潛航器關(guān)鍵屬性集A={a0=發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與否，a1=目標(biāo)距離，a2=持續(xù)跟蹤時(shí)間，a3=目標(biāo)可攻性，a4=魚雷是否命中，a5=武器余量}。無人潛航器打擊任務(wù)有限狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

圖2 無人潛航器打擊任務(wù)有限狀態(tài)機(jī)Fig.2 Finite situation machine of UUV attack task

4 行為分層建模方法

作為一種決策建模工具，行為樹同時(shí)具有表示、決定和控制平臺行為的功能。行為樹采用序列、選擇、并發(fā)等控制節(jié)點(diǎn)，能夠靈活地組織表示各種方案。通過對條件節(jié)點(diǎn)的檢測，使反應(yīng)式的策略響應(yīng)能夠在原靜態(tài)計(jì)劃的基礎(chǔ)上得到支持，從而可以泛化行為樹來表示決策樹[10]。通過定義各種類型的裝飾節(jié)點(diǎn)，可使其表達(dá)計(jì)劃和策略的靈活度進(jìn)一步提高。行為樹使用統(tǒng)一的界面規(guī)范，所有的節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)運(yùn)行周期中都會回到節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。這種機(jī)制可以對決策模型的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)做出反應(yīng)，而統(tǒng)一的接口則讓每一個(gè)行為子樹都可獨(dú)立運(yùn)行，能夠有效支持模型擴(kuò)展。綜上所述，使用行為樹作為仿真兵力決策模型的表示方法，可以滿足生成的模型具有可解釋性，易于試驗(yàn)、調(diào)試和校驗(yàn)，并可重復(fù)使用、易于擴(kuò)展的需求[11]。

對一支仿真兵力而言，往往難以使用一個(gè)完整的行為樹表示其決策模型，通常需要將其功能按實(shí)體的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行分類，構(gòu)建對應(yīng)的任務(wù)子樹，并由主樹調(diào)用，從而構(gòu)建任務(wù)選擇邏輯。然而，無人潛航器的各類行為之間的銜接邏輯較為復(fù)雜，并且隨著任務(wù)進(jìn)度的推進(jìn)，可能出現(xiàn)2 類任務(wù)交替切換的情況，以主行為樹表達(dá)各行為之間的選擇與轉(zhuǎn)換關(guān)系較為繁瑣。因此，本文在一般行為樹方法的基礎(chǔ)上將主行為樹替換為有限狀態(tài)機(jī)，將行為子樹包含在相應(yīng)狀態(tài)中。面向無人潛航器打擊目標(biāo)場景，針對搜索、跟蹤、攻擊3 類主要行為，構(gòu)建行為子樹，如圖3-5所示。

圖3 搜索行為子樹Fig.3 Behavior subtree of search action

圖4 跟蹤行為子樹Fig.4 Behavior subtree of track action

圖5 攻擊行為子樹Fig.5 Behavior subtree of attack action

各行為子樹的邏輯結(jié)構(gòu)十分清晰，但若僅采用行為樹方法描述完整的兵力行為規(guī)則，須將行為子樹進(jìn)行組合，形成規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的行為樹，不僅設(shè)計(jì)難度明顯提升，且不易于修改與復(fù)用。本文提出一種基于有限狀態(tài)機(jī)和行為樹的分層行為建模方法，以無人潛航器的打擊任務(wù)為場景，構(gòu)建行為模型。

1）想定背景。

為能落實(shí)有限狀態(tài)機(jī)模型中的各項(xiàng)約束，建模需要依托更加具體的想定背景。以無人潛航器伏擊水面目標(biāo)任務(wù)為背景，想定態(tài)勢如圖6所示。紅方兵力為1 艘無人潛航器，在30 n mile×10 n mile的陣地內(nèi)執(zhí)行環(huán)形搜索，若發(fā)現(xiàn)藍(lán)方目標(biāo)則執(zhí)行跟蹤任務(wù)，穩(wěn)定跟蹤10 min 后即可執(zhí)行攻擊任務(wù)；藍(lán)方兵力為1 艘海洋監(jiān)視船，預(yù)計(jì)將垂直經(jīng)過紅方無人潛航器陣地，當(dāng)藍(lán)方海洋監(jiān)視船發(fā)現(xiàn)無人潛航器時(shí)，則以最大航速脫離。雙方兵力參數(shù)如表1所示。其中，續(xù)航時(shí)間指保持最大航速航行的最長時(shí)間。海洋監(jiān)視船續(xù)航時(shí)間長，不考慮其燃料耗盡的情形。

表1 紅藍(lán)雙方兵力參數(shù)Table 1 Parameters of red and blue CGFs

圖6 想定初始態(tài)勢Fig.6 Initial situation of a scenario

2）行為模型構(gòu)建。

利用第2 章中設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)，可將各行為子樹統(tǒng)合在一起。同時(shí)，以狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件替代行為子樹之間的連接關(guān)系，能夠?qū)Φ? 章中設(shè)計(jì)的行為子樹進(jìn)行簡化，使行為邏輯更為簡明易懂。在該模型框架下，狀態(tài)和行為的建模是相互獨(dú)立的，便于狀態(tài)和行為的編輯和復(fù)用。如圖7所示，原行為子樹中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移判斷節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鳡顟B(tài)間的轉(zhuǎn)換條件，行為子樹的結(jié)構(gòu)更加精簡，同時(shí)能夠清晰地表示各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。對于無人潛航器能力約束以及圖3-5 中的條件約束，須將其形式化表示為行為規(guī)則，如表2所示。對于能力約束，將其表示為條令式規(guī)則，推演全流程須始終滿足該類規(guī)則內(nèi)容；對于條件約束，將其表示為觸發(fā)式規(guī)則，在滿足觸發(fā)條件的情況下，需執(zhí)行相應(yīng)后續(xù)行為。

表2 無人潛航器行為規(guī)則Table 2 Combat action rules of UUV

圖7 結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)和行為樹的行為規(guī)則Fig.7 Behavior model based on finite state machine and behavior tree

3）推演過程。

推演過程中的關(guān)鍵事件如表3所示，關(guān)鍵事件發(fā)生時(shí)刻已標(biāo)注于態(tài)勢圖中，如圖8所示。由圖8及表3 可見，無人潛航器完整地執(zhí)行了“搜索-跟蹤-打擊”任務(wù)流程。

表3 推演關(guān)鍵事件Table 3 Key events of simulation

圖8 推演態(tài)勢Fig.8 Simulation situation

5 結(jié)束語

本文提出一種基于有限狀態(tài)機(jī)和行為樹的無人潛航器交戰(zhàn)行為分層建模方法，結(jié)合2 種方法的優(yōu)勢，構(gòu)建高解耦性、結(jié)構(gòu)精簡、易于修改與復(fù)用的行為模型。行為樹耦合性低、能夠控制復(fù)雜行為邏輯，而有限狀態(tài)機(jī)易于表達(dá)狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件，根據(jù)兩者的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)與行為樹的行為模型框架，構(gòu)建狀態(tài)與行為子樹的對應(yīng)關(guān)系，通過狀態(tài)的轉(zhuǎn)移控制行為子樹的轉(zhuǎn)換。面向無人潛航器打擊目標(biāo)任務(wù)，設(shè)計(jì)其有限狀態(tài)機(jī)，形式化定義了狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則；分析無人潛航器打擊任務(wù)流程，對關(guān)鍵環(huán)節(jié)構(gòu)建相應(yīng)行為子樹。將狀態(tài)機(jī)與行為子樹結(jié)合，構(gòu)建基于行為樹和有限狀態(tài)機(jī)的混合行為模型，實(shí)現(xiàn)行為子樹的簡化和狀態(tài)間轉(zhuǎn)移條件的定義。該模型具有高解耦性、結(jié)構(gòu)精簡、易于修改與復(fù)用的特點(diǎn)，能夠支撐無人航行器交戰(zhàn)行為的定制化開發(fā)，并進(jìn)一步根據(jù)任務(wù)剖面形成任務(wù)清單，支持無人航行器智能化作戰(zhàn)。