郭智杰 糜玉林 王建國

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

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基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真研究*

郭智杰 糜玉林 王建國

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

計(jì)算機(jī)仿真是研究防空作戰(zhàn)的重要手段，針對要地防空作戰(zhàn)特點(diǎn)，利用基于Agent的建模技術(shù)設(shè)計(jì)防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)建立基于Agent的雷達(dá)和保衛(wèi)目標(biāo)的行為模型。通過分析系統(tǒng)中各Agent的行為聯(lián)系，建立多Agent的交互關(guān)系。最后采用AnyLogic仿真平臺對模型進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并給出了要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，為部隊(duì)教學(xué)和模擬訓(xùn)練提供可行的平臺。

要地防空; Agent; 行為建模; 作戰(zhàn)仿真; AnyLogic

Class Number TP391

1 引言

要地防空是為保衛(wèi)國家重要地區(qū)或目標(biāo)安全而進(jìn)行的區(qū)域性防空。近幾場局部戰(zhàn)爭表明，現(xiàn)代空襲兵器平臺裝備的導(dǎo)彈突防能力越來越強(qiáng)，打擊距離越來越遠(yuǎn)，打擊精度越來越高，對要地防空作戰(zhàn)提出了新的挑戰(zhàn)。

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)日益成熟，通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行防空作戰(zhàn)研究已成為當(dāng)前最主要的防空作戰(zhàn)分析手段[1],而基于Agent的建模技術(shù)被認(rèn)為是解決復(fù)雜系統(tǒng)的最具活力、最具影響力的方法之一[2～4]。當(dāng)前要地防空作戰(zhàn)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，應(yīng)用基于Agent的仿真技術(shù)展現(xiàn)真實(shí)作戰(zhàn)過程能夠?yàn)椴筷?duì)裝備訓(xùn)練和人員作戰(zhàn)訓(xùn)練提供新的途徑。本文通過分析目前要地防空作戰(zhàn)指揮體系及作戰(zhàn)指揮過程，結(jié)合AnyLogic仿真平臺對要地防空作戰(zhàn)過程進(jìn)行建模，構(gòu)建基于Agent的要地防空作戰(zhàn)體系，最后利用該平臺對要地防空作戰(zhàn)進(jìn)行仿真。

2 要地防空作戰(zhàn)

2.1 作戰(zhàn)指揮體系

當(dāng)前要地防空的作戰(zhàn)指揮體系主要采用集中指揮形式，由上級指控中心下達(dá)作戰(zhàn)命令進(jìn)行統(tǒng)一作戰(zhàn)指揮。在上級指控中心出現(xiàn)故障或無法進(jìn)行統(tǒng)一指揮時(shí)，此時(shí)下屬的火力單元可以采取自主指揮方式進(jìn)行指揮作戰(zhàn)，獨(dú)立完成作戰(zhàn)任務(wù)。

相比網(wǎng)絡(luò)化防空指揮體系[5]，雖然集中指揮方式下作戰(zhàn)單元的生存能力有所降低，但是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮結(jié)構(gòu)對于通信組網(wǎng)技術(shù)的依賴性高，通信不穩(wěn)定和不及時(shí)可能會導(dǎo)致作戰(zhàn)時(shí)機(jī)的延誤。在集中指揮方式下，指控中心可以對所屬作戰(zhàn)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，保證防空作戰(zhàn)行動的一致性和任務(wù)的執(zhí)行效率。如圖1所示為當(dāng)前要地防空作戰(zhàn)指揮體系結(jié)構(gòu)，這里我們設(shè)定火力單元由通信系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)組成。

圖1 要地防空作戰(zhàn)指揮體系結(jié)構(gòu)

2.2 作戰(zhàn)指揮過程

要地防空作戰(zhàn)的具體指揮流程為：在收到上級或友鄰部隊(duì)的敵情通報(bào)后，要地防空指控系統(tǒng)引導(dǎo)所屬對空搜索雷達(dá)跟蹤搜索目標(biāo)，同時(shí)下屬的火力單元對所屬空域進(jìn)行目標(biāo)搜索跟蹤，地域通信車引導(dǎo)配合雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤識別任務(wù)，綜合識別后將目標(biāo)信息傳送給指控系統(tǒng)形成空情態(tài)勢。同時(shí)通過數(shù)據(jù)通信鏈路向各火力單元的指控系統(tǒng)以及發(fā)控系統(tǒng)通報(bào)并實(shí)時(shí)共享目標(biāo)信息。當(dāng)敵方目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)探測區(qū)域后，雷達(dá)開始對目標(biāo)進(jìn)行識別跟蹤，經(jīng)通信系統(tǒng)將目標(biāo)的信息傳送至指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行綜合識別和目標(biāo)威脅判斷，對目標(biāo)進(jìn)行威脅排序。在目標(biāo)臨近發(fā)射區(qū)時(shí)，指控系統(tǒng)根據(jù)通信系統(tǒng)傳來的目標(biāo)信息進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，對目標(biāo)進(jìn)行火力分配。在檢查滿足發(fā)射條件后，由指控系統(tǒng)向發(fā)控系統(tǒng)發(fā)送“發(fā)控解鎖”命令，發(fā)射導(dǎo)彈對目標(biāo)進(jìn)行攔截。在導(dǎo)彈發(fā)射之后，指控系統(tǒng)向雷達(dá)發(fā)送“截獲目標(biāo)”命令，此時(shí)雷達(dá)對導(dǎo)彈進(jìn)行跟蹤截獲，當(dāng)雷達(dá)截獲導(dǎo)彈之后則向彈上制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送制導(dǎo)命令，制導(dǎo)系統(tǒng)工作引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。在實(shí)施打擊后，指控系統(tǒng)對本次攔截目標(biāo)的效果進(jìn)行評估，由指揮員進(jìn)行決策判斷，若目標(biāo)還在殺傷區(qū)域內(nèi)則可以對其進(jìn)行二次攔截。電子對抗系統(tǒng)在作戰(zhàn)準(zhǔn)備階段完成后，處于待命狀態(tài)由指揮員確定是否參與戰(zhàn)斗。要地防空作戰(zhàn)指揮過程如圖2所示。

3 基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真 系統(tǒng)

3.1 基于Agent的仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

要地防空作戰(zhàn)系統(tǒng)有許多要素組成，本質(zhì)上可以抽象為一個(gè)多智能體系統(tǒng)。如圖3所示，本文為了對要地防空作戰(zhàn)行為進(jìn)行仿真，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要包括仿真控制單元、敵機(jī)Agent、防空導(dǎo)彈Agent、雷達(dá)Agent、保衛(wèi)目標(biāo)Agent、戰(zhàn)場環(huán)境Agent等。仿真系統(tǒng)通過采取UML/JAVA建模技術(shù)進(jìn)行混合建模，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基本仿真推演、三維顯示、數(shù)據(jù)記錄和存儲等功能。

圖2 要地防空作戰(zhàn)指揮過程示意圖

圖3 要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 基于Agent的行為建模

想要建立基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，就要對這些實(shí)體行為采用基于Agent的描述，也就是基于Agent實(shí)體的行為建模[6～7]。對防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的各Agent實(shí)體進(jìn)行建模，就要依據(jù)各作戰(zhàn)實(shí)體的行為、功能進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，這些行為機(jī)制就是Agent 利用能力的規(guī)則[8]。在要地防空作戰(zhàn)中，由于導(dǎo)彈Agent，敵機(jī)Agent和雷達(dá)Agent三者之間要產(chǎn)生較為復(fù)雜的動作和信息聯(lián)系，因此結(jié)合Agent定義和多Agent的BDI結(jié)構(gòu)[9～10]，對導(dǎo)彈Agent、敵機(jī)Agent和雷達(dá)Agent進(jìn)行建模。在設(shè)計(jì)的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，雷達(dá)Agent充當(dāng)指控中心對防空導(dǎo)彈進(jìn)行統(tǒng)一目標(biāo)分配，實(shí)施對敵打擊行動。如圖4所示這里只給出雷達(dá)Agent的結(jié)構(gòu)。

圖4 雷達(dá)Agent結(jié)構(gòu)

雷達(dá)Agent的各模塊功能、行為規(guī)則如下：

1) 通信機(jī)制主要功能包括：雷達(dá)探測到敵機(jī)進(jìn)入預(yù)警范圍后與指控中心進(jìn)行通信，進(jìn)行目標(biāo)識別和威脅判斷，綜合判斷后上級指控中心下達(dá)任務(wù)至下級指控中心，在火力單元級別接收上級的射擊任務(wù)信息；此時(shí)雷達(dá)Agent與導(dǎo)彈Agent之間進(jìn)行交互通信，雷達(dá)Agent發(fā)送目標(biāo)分配信息至導(dǎo)彈Agent。在導(dǎo)彈發(fā)射之后及時(shí)發(fā)送敵機(jī)的動態(tài)目標(biāo)指示信息，便于實(shí)施二次攔截。

2) 環(huán)境感知模塊主要功能包括：雷達(dá)Agent感知戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢，用于搜索跟蹤敵機(jī)和導(dǎo)彈發(fā)射后的精確位置。

3) 知識庫模塊主要功能包括：存儲和記錄敵機(jī)的方位、數(shù)量、火力配置等數(shù)據(jù)，除此之外知識庫里還存儲有導(dǎo)彈火力分配及打擊效能的信息。

4) 目標(biāo)規(guī)劃模塊主要功能包括：雷達(dá)的目標(biāo)識別、威脅判斷數(shù)據(jù)，引導(dǎo)防空導(dǎo)彈進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)分配的規(guī)劃模型。

5) 推理決策模塊主要功能包括：結(jié)合知識庫和目標(biāo)規(guī)劃的模型對來襲目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)先級排序，根據(jù)自身探測到的敵機(jī)目指信息，通過與火力單元里的其余雷達(dá)實(shí)體進(jìn)行通信協(xié)作，最終對導(dǎo)彈進(jìn)行目標(biāo)分配，同時(shí)引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。

由于目標(biāo)Agent實(shí)體和戰(zhàn)場環(huán)境Agent實(shí)體二者與外界交互行為較為單一，不需要復(fù)雜的推理。因此這里采用反應(yīng)Agent結(jié)構(gòu)，對目標(biāo)Agent實(shí)體和戰(zhàn)場環(huán)境Agent實(shí)體進(jìn)行建模，如圖5所示這里只給出目標(biāo)Agent的結(jié)構(gòu)。

圖5 目標(biāo)Agent結(jié)構(gòu)

目標(biāo)Agent的各模塊功能、行為規(guī)則如下：

1) 傳感器主要功能用于和戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行感知交互，主要用于感知來襲敵機(jī)信息并且傳遞信息至動作模塊。

2) 條件規(guī)則主要是設(shè)計(jì)者定義Agent執(zhí)行的規(guī)則、行為，是用于支持目標(biāo)Agent實(shí)體對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行反應(yīng)的知識空間。

3) 動作機(jī)制是用于執(zhí)行設(shè)定好的動作行為，是反應(yīng)型Agent的核心。動作機(jī)制主要功能包括模擬目標(biāo)Agent實(shí)體是否處于正常狀態(tài)或者炸毀狀態(tài)。

4) 效應(yīng)器主要功能是將動作行為傳遞至戰(zhàn)場環(huán)境，同時(shí)和敵機(jī)Agent進(jìn)行交互，敵機(jī)Agent通過效應(yīng)器傳來的反應(yīng)判斷目標(biāo)是否已經(jīng)被炸毀，通過該模塊可以將Agent的一系列反應(yīng)傳遞至外界。

3.3 基于Agent的交互關(guān)系建模

戰(zhàn)場仿真中，具有智能性的Agent實(shí)體，可以根據(jù)外界環(huán)境的變化，通過自身的推理決策做出正確的行動[11]。在整個(gè)要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，Agent之間都是相互關(guān)聯(lián)并時(shí)刻發(fā)生關(guān)系的，各Agent通過交互結(jié)合自身推理決策產(chǎn)生相應(yīng)的行為。要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中各Agent的交互關(guān)系如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)Agent交互關(guān)系

在要地防空作戰(zhàn)中，各Agent 在自己的感知區(qū)域內(nèi)不斷地搜索各自相關(guān)的戰(zhàn)場環(huán)境信息，并與戰(zhàn)場環(huán)境Agent 進(jìn)行交互。其中導(dǎo)彈Agent，敵機(jī)Agent和雷達(dá)Agent根據(jù)自身的知識庫結(jié)合交互得到的信息完成雷達(dá)對空搜索跟蹤，飛機(jī)瞄準(zhǔn)目標(biāo)開始轟炸以及導(dǎo)彈對準(zhǔn)敵機(jī)發(fā)射等一系列動作。本文設(shè)計(jì)的要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，雷達(dá)Agent不僅可以探測敵機(jī)方位，還可以充當(dāng)火力單元指控中心下達(dá)任務(wù)信息，為導(dǎo)彈提供射擊信息引導(dǎo)導(dǎo)彈對空攻擊。

4 要地防空作戰(zhàn)模型仿真驗(yàn)證

4.1 仿真平臺AnyLogic

AnyLogic是由XJ Technologies Company Ltd開發(fā)的應(yīng)用極為廣泛的仿真軟件。AnyLogic是一個(gè)虛擬原型環(huán)境，使用它可以設(shè)計(jì)連續(xù)、離散和混合行為的復(fù)雜系統(tǒng)。AnyLogic主要支持Java語言，無需進(jìn)行整體代碼框架的編寫，就可以在任何Java支持的平臺，或者Web網(wǎng)頁上運(yùn)行仿真模型。同時(shí)可以通過控件建模，操作非常方便。對于不同的領(lǐng)域，AnyLogic也提供了各種各樣的專業(yè)庫。AnyLogic模型的可視化圖形是由Java編寫的，用戶可以非常方便地定義信息對象、端口、對象、時(shí)鐘等功能；并且在模型的任一層次，都可直接在模型編輯器中添加Java代碼。有了Java，再加上面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛨D，用戶便可以得心應(yīng)手地構(gòu)建任何復(fù)雜棘手的模型了[12]。除此之外AnyLogic是第一個(gè)將UML語言引進(jìn)模型仿真領(lǐng)域的工具，是唯一能夠支持基于Agent的動態(tài)真實(shí)主體建模仿真。

上文中對雷達(dá)Agent和目標(biāo)Agent進(jìn)行了行為建模，下面將以雷達(dá)Agent和目標(biāo)Agent為例闡述對模型的驗(yàn)證。

4.2 雷達(dá)Agent模型設(shè)計(jì)

這里采用基于的主體建模方法對雷達(dá)Agent進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7所示給出了雷達(dá)Agent的設(shè)計(jì)界面。對于雷達(dá)Agent的設(shè)計(jì)，這里定義一個(gè)target變量類型為aircraft(敵機(jī)Agent)，定義一個(gè)搜索目標(biāo)事件和一個(gè)跟蹤目標(biāo)函數(shù)用于和敵機(jī)發(fā)生交互，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)對敵機(jī)的搜索跟蹤功能，設(shè)置其余一些參數(shù)表示雷達(dá)所處三維空間的位置以及雷達(dá)的探測區(qū)域。這里將missiles(導(dǎo)彈Agent)嵌套到雷達(dá)Agent框架里是為了讓雷達(dá)Agent與導(dǎo)彈Agent發(fā)生交互，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)引導(dǎo)導(dǎo)彈對空攻擊。

圖7 雷達(dá)Agent設(shè)計(jì)界面

搜索目標(biāo)事件代碼如下：

for ( Aircraft aircraft : main.aircrafts ) {

double a = x - aircraft.x;

double b = y - aircraft.y;

double c = z - aircraft.z;

double d = sqrt( a*a + b*b + c*c ); //定義d表示雷達(dá)與敵機(jī)的距離

if( d < 探測區(qū)域 ) {

if ( !aircraft.tracked && missiles.size() < 2 )

跟蹤目標(biāo)( aircraft ); }}

//若未被鎖定的敵機(jī)進(jìn)入雷達(dá)探測區(qū)域，則對敵機(jī)進(jìn)行跟蹤

跟蹤目標(biāo)函數(shù)體如下：

target = aircraft;

//設(shè)置變量target類型表示敵機(jī)

add_missiles();

//通知添加導(dǎo)彈準(zhǔn)備發(fā)射

aircraft.tracked = true;

//跟蹤鎖定敵機(jī)，發(fā)射導(dǎo)彈

target = null;

//導(dǎo)彈發(fā)射后清除當(dāng)前鎖定敵機(jī)

4.3 目標(biāo)Agent模型設(shè)計(jì)

如圖8所示，對于目標(biāo)Agent的建模較為簡單，無需過多的Agent交互行為，這里采用UML狀態(tài)圖對目標(biāo)Agent進(jìn)行建模。目標(biāo)Agent主要分為正常和炸毀兩種狀態(tài)，通過加入變遷機(jī)制使得狀態(tài)發(fā)生改變。這里定義正常和炸毀兩個(gè)函數(shù)來具體改變目標(biāo)的狀態(tài)，設(shè)置名為目標(biāo)位置的動態(tài)參數(shù)以及表示目標(biāo)空間位置的三個(gè)變量。

圖8 目標(biāo)Agent設(shè)計(jì)界面

其中目標(biāo)由正常狀態(tài)變遷到炸毀狀態(tài)需要觸發(fā)于消息(“destroyed”)，目標(biāo)Agent與敵機(jī)Agent的交互則體現(xiàn)為正常和炸毀兩個(gè)函數(shù)行為。

正常函數(shù)體如下：

return inState( 正常狀態(tài) );

//用于敵機(jī)判斷目標(biāo)是否被炸毀

炸毀函數(shù)體如下：

目標(biāo)狀態(tài).fireEvent( "destroyed" );

//用于敵機(jī)對目標(biāo)發(fā)動攻擊，同時(shí)目標(biāo)變遷為炸毀狀態(tài)

4.4 仿真驗(yàn)證

通過對Agent模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于AnyLogic仿真平臺對模型進(jìn)行仿真，仿真界面設(shè)置滑條用于改變導(dǎo)彈速度，雷達(dá)探測范圍以及敵機(jī)速度等參數(shù)。整個(gè)要地防空作戰(zhàn)仿真過程為：對空雷達(dá)Agent探測到敵機(jī)Agent進(jìn)入我防空范圍內(nèi)，發(fā)送敵機(jī)目標(biāo)信息至導(dǎo)彈Agent，此時(shí)導(dǎo)彈Agent在雷達(dá)Agent的導(dǎo)引下向敵機(jī)進(jìn)行火力打擊，經(jīng)過一段時(shí)間的火力對抗敵機(jī)Agent、目標(biāo)Agent、導(dǎo)彈Agent數(shù)量會隨之發(fā)生改變，直到一方被消滅結(jié)束戰(zhàn)斗。

圖9 要地防空作戰(zhàn)仿真運(yùn)行圖

5 結(jié)語

要地防空作戰(zhàn)仿真是一個(gè)較為復(fù)雜的仿真系統(tǒng)?；贏nyLogic平臺實(shí)現(xiàn)要地防空作戰(zhàn)仿真是可借鑒的途徑之一。本文運(yùn)用基于Agent的建模技術(shù)對相應(yīng)的Agent進(jìn)行行為建模，并采用AnyLogic仿真平臺設(shè)計(jì)Agent仿真模型，確定各Agent之間的交互關(guān)系，設(shè)計(jì)開發(fā)要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證模型的可行性，可為部隊(duì)教學(xué)訓(xùn)練提供新的平臺。目前有關(guān)要地防空作戰(zhàn)建模和仿真的方法手段還處在研究階段，一體化聯(lián)合防空作戰(zhàn)仿真、電子對抗仿真、防空作戰(zhàn)效能評估仿真等仿真模型還需要進(jìn)一步豐富。

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Point Air Defense Combat Simulation Based on Agent

GUO Zhijie MI Yulin WANG Jianguo

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

Computer simulation was an important means of research on air defense combat. Due to the characters of point air defense combat, the modeling technology based on Agent was put forward to establish the simulation system architecture, the behavior modeling based on Agent of radar and point area were established. Through the analysis of the relationship between the various Agent, the interaction between the Agent was established. Finally, the simulation platform of AnyLogic was applied to verified model, a simulation system of point air defense was given to verify the feasibiliy of the model in army teaching and training.

point air defense, agent, behavior modeling, combat simulation, AnyLogic

2016年5月7日,

2016年6月23日

郭智杰，男，碩士研究生，研究方向：信息管理與智能決策。糜玉林,男,碩士,教授,研究方向：管理科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。王建國,男,碩士,副教授，研究方向：火力與指揮控制。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.017