鄭文恩 陸銘華 肖明彥

（海軍潛艇學院軟件中心 青島 266071）

1 引言

艦艇指揮員為完成特定的作戰(zhàn)任務，需要根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，進行攻防作戰(zhàn)決策。作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的構(gòu)建是艦艇作戰(zhàn)仿真的核心內(nèi)容。作戰(zhàn)決策模型的基本形式為：若當前作戰(zhàn)狀態(tài)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，則轉(zhuǎn)入新作戰(zhàn)狀態(tài)。傳統(tǒng)作戰(zhàn)決策模型采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法［1］，即P→Q。其實現(xiàn)方法是，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)想定，將作戰(zhàn)決策規(guī)則編寫為嵌套的ifelse程序語句，內(nèi)嵌在其它程序代碼中。該方法使維護作戰(zhàn)決策規(guī)則變得很復雜，一旦開發(fā)完成，不容易變更。然而，現(xiàn)實情況卻是，作戰(zhàn)決策規(guī)則需要根據(jù)不同戰(zhàn)術(shù)想定而變化，使用人員希望直接管理作戰(zhàn)決策規(guī)則，不必要求程序開發(fā)人員參與。但是，對于很多復雜的作戰(zhàn)決策規(guī)則，開發(fā)人員很難抽象出算法和數(shù)據(jù)模型；作戰(zhàn)決策規(guī)則嵌在程序代碼中，也不可能讓非開發(fā)人員管理。為解決這個矛盾，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，更好地滿足艦艇作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)經(jīng)常變化的軍事需求，需要將作戰(zhàn)決策規(guī)則和仿真程序代碼分開。本文提出應用Java開源規(guī)則引擎Drools［2］構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的方法，介紹了Drools原理，給出了基于Drools的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的模型框架和系統(tǒng)的編程實現(xiàn)方法，通過仿真系統(tǒng)驗證了該方法的可行性。

2 艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)功能及運行邏輯介紹

作戰(zhàn)決策是指根據(jù)作戰(zhàn)任務、目標綜合信息（包括目標類型、態(tài)勢、威脅等級和可攻性）和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)及作戰(zhàn)過程，確定艦艇應采取的攻擊或防御行動，包括作戰(zhàn)目標、使用武器類型和攻防作戰(zhàn)樣式。決策依據(jù)艦艇典型戰(zhàn)術(shù)原則和攻防作戰(zhàn)規(guī)則。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)是艦艇作戰(zhàn)仿真軟件的核心，它們相互之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)包括目標綜合信息和艦艇當前作戰(zhàn)狀態(tài)信息。

其中，目標綜合信息包括目標類型、運動要素、威脅強度和可攻性數(shù)據(jù)。艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)信息描述艦艇攻擊和防御的狀態(tài)及子狀態(tài)。作戰(zhàn)狀態(tài)標示一個具體的作戰(zhàn)過程，而作戰(zhàn)子狀態(tài)進一步細化描述作戰(zhàn)狀態(tài)。如“魚雷攻擊”作戰(zhàn)狀態(tài)表示艦艇處于使用魚雷攻擊目標的作戰(zhàn)過程中，“魚雷攻擊”作戰(zhàn)子狀態(tài)則將攻擊過程細化為“確定攻擊方案”、“占領發(fā)射陣位”、“發(fā)射魚雷”和“觀察攻擊效果”四個子過程。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)是艦艇攻擊或防御決策結(jié)果。攻擊決策結(jié)果有“導彈攻擊”、“魚雷攻擊”等；防御決策結(jié)果有“防御魚雷”、“防御直升機”和“防御艦艇”等。

作戰(zhàn)過程改變戰(zhàn)場態(tài)勢，即目標綜合信息和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)都可能發(fā)生改變，這些變化的信息持續(xù)作為系統(tǒng)的輸入進行下一步?jīng)Q策。

圖1 艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖

3 Drools規(guī)則引擎原理及應用

規(guī)則引擎源于基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，規(guī)則引擎由規(guī)則庫（Rule Base）、工作內(nèi)存（Working Memory）和推理引擎（Inference Engine）三部分組成。其優(yōu)點如下：

1）聲明式編程

允許描述做什么而不是如何去做，從而使用規(guī)則更加容易對復雜的問題進行表述，并得到驗證。使用規(guī)則引擎能方便地構(gòu)造復雜專家系統(tǒng)。

2）邏輯與數(shù)據(jù)分離

數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)對象中，邏輯保存在規(guī)則中。解決了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中數(shù)據(jù)和邏輯混編的問題，這樣系統(tǒng)當業(yè)務邏輯發(fā)生改變時更容易維護。

3）速度及可測量性

規(guī)則引擎使用的Rete算法［3］提供了對數(shù)據(jù)對象與規(guī)則的高效率匹配。

4）知識集中化

將規(guī)則建立一個可執(zhí)行的規(guī)則庫，它代表現(xiàn)實中的業(yè)務邏輯。

Drools是基于ReteOO算法的Java語言開源軟件，ReteOO表示面向?qū)ο笙到y(tǒng)（Object Oriented systems）增強并優(yōu)化的Rete算法。圖2是Drools規(guī)則引擎的邏輯圖。

圖2 Drools規(guī)則引擎的邏輯圖

Drools規(guī)則引擎運行機制是通過快速檢索工作內(nèi)存（Working Memory）中的對象與加載到其中的各項規(guī)則的前件進行匹配，激活符合條件的規(guī)則，放入沖突集中。將沖突集中的規(guī)則根據(jù)規(guī)則的優(yōu)先權(quán)排序生成議程（Agenda），從而使優(yōu)先級高的規(guī)則優(yōu)先觸發(fā)。規(guī)則執(zhí)行后，規(guī)則的后件執(zhí)行部分會改變加載到內(nèi)存中的事實對象信息，使議程中一些激活的規(guī)則的前提條件不再得到滿足，從議程中撤銷，同時，可能有新的規(guī)則被激活加入議程中。因此，Drools是基于規(guī)則的自動推理機，非常適合用來構(gòu)建作戰(zhàn)決策系統(tǒng)。

4 應用Drools規(guī)則引擎構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的研究

4.1 基于Drools規(guī)則引擎的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)模型框架

根據(jù)上文分析，給出如圖3所示的基于Drools規(guī)則引擎的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)實現(xiàn)框架。

4.2 作戰(zhàn)決策依賴的戰(zhàn)場態(tài)勢信息及表示

作戰(zhàn)決策依賴的戰(zhàn)場態(tài)勢信息作為Drools規(guī)則引擎的事實，分為目標綜合信息事實和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)事實，用Java類對象來實現(xiàn)，類對象僅包含對象本身的屬性和屬性的get和set方法，而不包含對象之間的約束關(guān)系和邏輯。這些事實對象，通過Drools規(guī)則引擎的StatefulKnowledge－Session對象的insert方法導入到工作內(nèi)存中［5］，完成與規(guī)則庫中的規(guī)則前件模式匹配過程。

目標綜合信息事實類tarMessage定義如下：

4.3 應用Drools規(guī)則文件構(gòu)建作戰(zhàn)決策知識庫

4.3.1 艦艇作戰(zhàn)決策規(guī)則

艦艇作戰(zhàn)決策規(guī)則為多條產(chǎn)生式，組成艦艇決策知識庫。例如“在跟蹤目標作戰(zhàn)狀態(tài)下”決策規(guī)則有如下四個子規(guī)則：

規(guī)則1 若目標威脅強度為0且類型為直升機，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“防御直升機”；

規(guī)則2 若目標威脅強度為0且類型為艦艇，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“防御艦艇”；

規(guī)則3 若目標威脅強度為大于0，導彈可攻且距離大于a鏈，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“導彈攻擊”；

規(guī)則4 若目標威脅強度為大于0，魚雷可攻且距離小于或等于b鏈，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“魚雷攻擊”。

可以看出，艦艇作戰(zhàn)決策的規(guī)則雖然很復雜，但可分解為相對簡單的多條規(guī)則，便于理解和使用。

4.3.2 Drools規(guī)則語法和艦艇作戰(zhàn)規(guī)則的表示

1）Drools規(guī)則的形式化描述

規(guī)則是對領域知識的編碼。一條規(guī)則有屬性（attribute），一個左部（LHS）和一個右部（RHS）。

Drools屬性用來控制規(guī)則執(zhí)行，在目前Drools5中，規(guī)則的屬性共有13個［5］，這些屬性分別適用于不同的場景，如salience控制規(guī)則執(zhí)行優(yōu)先級，no－loop說明是否允許規(guī)則執(zhí)行一次。

（4.3.1）中“在跟蹤目標作戰(zhàn)狀態(tài)下”決策規(guī)則的規(guī)則1可以表示為：

類似，可以表示其它子規(guī)則。

2）艦艇作戰(zhàn)規(guī)則庫

在Drools中，一個標準的規(guī)則文件是一個以“.drl”結(jié)尾的文本文件，便于打開、查看和編輯。一個規(guī)則文件可以存放多個規(guī)則，規(guī)則文件中還可以存放用戶自定義的函數(shù)、數(shù)據(jù)對象及自定義查詢等規(guī)則可能用到的對象。

根據(jù)Drools規(guī)則庫的構(gòu)建方法，把規(guī)則放在文件“decision.drl”中，形成艦艇作戰(zhàn)規(guī)則庫，文件的內(nèi)容如下：

4.4 系統(tǒng)編程實現(xiàn)

4.4.1 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和軟件

1）操作系統(tǒng) Windows XP，Windows 7

2）開發(fā)軟件

MyEclipse Enterprise Workbench，Version：8.5

該軟件是一個開放、可擴展的企業(yè)級J2EE集成開發(fā)環(huán)境，它是由Eclipse Foundation開發(fā)的軟件。

3）安裝配置drools eclipse插件

從http：／／www.jboss.org／drools／downloads.html，下載drools最新drools eclipse插件文件drools－5.0－bin.zip，安裝到Eclipse集成開發(fā)環(huán)境中，并正確配置drools的Runtime環(huán)境。該軟件包中包含Drools運行所必須的組件，它包含若干jar包，在開發(fā)Drools應用程序時，需要導入到相應的工程中。

4.4.2 軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

4.4.2.1 規(guī)則的編譯與運行

規(guī)則的編譯與運行通過Drools提供的各種API實現(xiàn)，這些API分為三類：規(guī)則編譯、規(guī)則收集和規(guī)則的執(zhí)行。完成這些工作的API主要有

KnowledgeBuilder、KnowledgeBase、StatefulKnowledgeSession等，它們起到對規(guī)則文件進行收集、編譯、查錯、插入fact、設置global、執(zhí)行規(guī)則或規(guī)則流等作用。

1）KnowledgeBuilder類

KnowledgeBuilder的作用是完成規(guī)則文件編譯，產(chǎn)生一批編譯好的規(guī)則包（KnowledgePackage）給其它的應用程序使用。

創(chuàng)建KnowledgeBuilder對象使用的是Knowledge－BuilderFactory的newKnowledgeBuilder方法。

2）KnowledgeBase類

KnowledgeBase用來收集應用當中知識（knowledge）而定義的知識庫對象，它可以包含普通的規(guī)則（rule）、規(guī)則流（rule flow）、函數(shù)定義（function）、用 戶自定義對 象（type model）等。

創(chuàng)建一個KnowledgeBase要通過KnowledgeBaseFactory對象提供的newKnowledgeBase（）方法來實現(xiàn)。

3）StatefulKnowledgeSession對象

通過StatefulKnowledgeSession與規(guī)則引擎進行交互，接收業(yè)務數(shù)據(jù)、執(zhí)行規(guī)則。

StatefulKnowledgeSession對象是Drools的工作內(nèi)存WorkingMemory，它與規(guī)則引擎建立一個持續(xù)的交互通道，在推理過程中可能會多次觸發(fā)同一數(shù)據(jù)集。

4）Fact對象

Fact是JavaBean插入到規(guī)則工作內(nèi)存中的對象，是對原來JavaBean對象的引用。規(guī)則可以對Fact對象進行任意讀寫操作。

4.4.2.2 關(guān)鍵程序代碼

代碼演示了規(guī)則引擎完整的運行處理過程。首先，使用KnowledgeBuilder將相關(guān)的規(guī)則文件進行編譯，產(chǎn)生對應的KnowledgePackage集合，再通過KnowledgeBase把產(chǎn)生的KnowledgePackage集合收集起來，然后生成Stateful－KnowledgeSession對象，將規(guī)則中使用的fact對象插入，調(diào)用fireAllRules（）方法觸發(fā)所有的規(guī)則執(zhí)行。

采用本文方法開發(fā)了艦艇作戰(zhàn)仿真決策系統(tǒng)，規(guī)則庫有3000多條規(guī)則。程序運行測試顯示響應時間小于0.1s，完全能夠滿足系統(tǒng)的要求，驗證了方法的可行性和有效性。

5 結(jié)語

本文提出的應用規(guī)則引擎構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的方法，將作戰(zhàn)決策規(guī)則庫與艦艇作戰(zhàn)仿真軟件代碼獨立開來，并應用高效率的開源規(guī)則引擎Drools開發(fā)了應用系統(tǒng)軟件。解決了傳統(tǒng)的作戰(zhàn)決策系統(tǒng)開發(fā)中難度大、升級困難、系統(tǒng)匹配效率不高的問題。在作戰(zhàn)需求發(fā)生改變的情況下，可盡量不改動系統(tǒng)程序代碼，提高了系統(tǒng)的靈活性，降低了系統(tǒng)維護風險。應用該方法為大型作戰(zhàn)仿真軟件開發(fā)了作戰(zhàn)決策系統(tǒng)，經(jīng)過實際檢驗，該方法切實可行。

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