何 榕,羅小明

(裝備學(xué)院,北京 101416)

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基于MAS的反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模研究*

何 榕,羅小明

(裝備學(xué)院,北京 101416)

反導(dǎo)體系是維護(hù)國(guó)家安全的重要屏障,反導(dǎo)體系的核心是作戰(zhàn)指揮問題,探索研究反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模具有十分重要的意義?；贛AS的建模方法,分析美軍聯(lián)合反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu),將其反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各組成要素抽象成Agent實(shí)體,并對(duì)不同的Agent實(shí)體進(jìn)行微觀建模及行為規(guī)則制定,然后依據(jù)反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各要素的交互關(guān)系構(gòu)建混合式MAS結(jié)構(gòu),為反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定量分析提供了方法支持。

反導(dǎo)體系作戰(zhàn);指揮系統(tǒng);多智能體系統(tǒng)(MAS);建模

彈道導(dǎo)彈具有射程遠(yuǎn)、飛行速度快、雷達(dá)散射截面積較小、不易被發(fā)現(xiàn)、可攜帶常規(guī)彈頭和核彈頭等特點(diǎn),已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中最重要的進(jìn)攻手段。我國(guó)周邊已成為彈道導(dǎo)彈發(fā)展的熱點(diǎn)地區(qū),從本土發(fā)射彈道導(dǎo)彈對(duì)我能夠形成威脅的國(guó)家(地區(qū))有10余個(gè)。尤其是隨著新型彈道導(dǎo)彈隱身、雷達(dá)干擾、誘餌、加固、多彈頭、機(jī)動(dòng)變軌等多種技術(shù)措施的采用,反導(dǎo)識(shí)別和攔截越來越困難,彈道導(dǎo)彈的威脅越來越嚴(yán)峻。因此,積極構(gòu)建我國(guó)現(xiàn)代反導(dǎo)體系,特別是反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),對(duì)維護(hù)國(guó)家安全,遏止和打贏未來信息化局部戰(zhàn)爭(zhēng),具有十分重要的戰(zhàn)略及現(xiàn)實(shí)意義。

1 反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)

反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮強(qiáng)調(diào)對(duì)各種偵察預(yù)警、指揮控制、通信和武器平臺(tái)的有序管控,因而反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)不僅應(yīng)具備指揮和作戰(zhàn)功能,還應(yīng)具備戰(zhàn)場(chǎng)資源管理功能。在基于信息系統(tǒng)的反導(dǎo)體系作戰(zhàn)中,參與的作戰(zhàn)力量和各種戰(zhàn)場(chǎng)資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往戰(zhàn)爭(zhēng),除了依靠指揮員和指揮機(jī)構(gòu)外,指揮信息系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)主要包括偵察預(yù)警系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),它一方面豐富了各種戰(zhàn)場(chǎng)資源,另一方面為戰(zhàn)場(chǎng)資源的管控提供了手段。反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)通過對(duì)各種戰(zhàn)場(chǎng)資源的統(tǒng)一調(diào)度管理,減少了由于單個(gè)武器平臺(tái)的位置、環(huán)境、性能或自身探測(cè)器所帶來的局限性,將分散的各個(gè)平臺(tái)綜合集成為一個(gè)有機(jī)整體。因此,反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是由遂行反導(dǎo)體系作戰(zhàn)任務(wù)的指揮員、指揮機(jī)關(guān)和指揮手段等要素以一定形式構(gòu)成的,對(duì)參戰(zhàn)力量及戰(zhàn)場(chǎng)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理、對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)進(jìn)行組織指揮的有機(jī)整體。本文以美軍聯(lián)合反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)為例進(jìn)行分析,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 美軍聯(lián)合反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1可知,國(guó)家指揮當(dāng)局是彈道導(dǎo)彈防御的最高指揮層,它將非核彈道導(dǎo)彈的防御授權(quán)給戰(zhàn)略司令部;戰(zhàn)略司令部具體負(fù)責(zé)美國(guó)全球反導(dǎo)作戰(zhàn),由國(guó)防情報(bào)局聯(lián)合情報(bào)作戰(zhàn)中心及北方司令部導(dǎo)彈預(yù)警中心提供情報(bào)支持,戰(zhàn)略司令部所屬的陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部(Space and Missile Defense Command, SMDC)具體負(fù)責(zé)美國(guó)本土的彈道導(dǎo)彈防御,并通過授權(quán)北方司令部指揮地基中段反導(dǎo)系統(tǒng)(Ground-based Midcourse Defense, GMD)旅,防空反導(dǎo)特遣隊(duì)(Air and Missile Defense Task Force, AMDTF)以戰(zhàn)術(shù)指揮單元的方式指揮作戰(zhàn),所屬一體化導(dǎo)彈防御聯(lián)合司令部(Joint Functional Component Command for Integrated Missile Defense, JFCC-IMD)指揮、授權(quán)相關(guān)海外戰(zhàn)區(qū)司令部進(jìn)行反導(dǎo)作戰(zhàn);海外戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)司令部通過C2BMC向負(fù)責(zé)指揮PAC-3、THAAD等反導(dǎo)作戰(zhàn)單元的AMDTF戰(zhàn)術(shù)指揮單元下達(dá)作戰(zhàn)命令并支持反導(dǎo)作戰(zhàn);反導(dǎo)作戰(zhàn)部隊(duì)在其戰(zhàn)術(shù)指揮單元的指揮下具體完成反導(dǎo)作戰(zhàn)任務(wù)。

2 基于MAS的建模理論與方法

指揮系統(tǒng)建模的目的主要是模擬各類指揮系統(tǒng)的情報(bào)收集、融合、決策計(jì)劃和指揮控制等活動(dòng),或模擬指揮員判斷情況、定下決心、擬制計(jì)劃和下達(dá)命令等活動(dòng)。此外,通過對(duì)指揮系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建?？梢赃_(dá)到全面描述和分析該系統(tǒng)的目的。經(jīng)典的指揮系統(tǒng)建模方法主要有基于Petri網(wǎng)、蘭徹斯特方程等,但是Petri網(wǎng)模型的狀態(tài)/變遷和觸發(fā)集合規(guī)模比較大,不能有效控制系統(tǒng)狀態(tài)集合的增長(zhǎng),容易造成狀態(tài)爆炸問題。蘭徹斯特方程,討論的只是比較理想的情況,對(duì)信息化條件下的指揮系統(tǒng)的效能評(píng)估功能也十分有限。反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)作為信息化條件下體系作戰(zhàn)的指揮系統(tǒng)與傳統(tǒng)的指揮系統(tǒng)相比,在結(jié)構(gòu)上已從傳統(tǒng)的中心式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵行氖浇Y(jié)構(gòu),它已經(jīng)具有復(fù)雜系統(tǒng)的全部特征,因此用基于MAS的復(fù)雜性建模理論為信息化條件下體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模開辟了一個(gè)新方向。

目前被廣泛使用的“Agent”在許多相關(guān)的參考文獻(xiàn)中都各自進(jìn)行了定義,但是迄今為止還沒有一個(gè)統(tǒng)一規(guī)范的權(quán)威定義。在不同的學(xué)科領(lǐng)域,甚至在同一學(xué)科中,對(duì)“Agent”都有著多種不同的理解。在建模與仿真領(lǐng)域,“Agent”被看一種描述手段和實(shí)現(xiàn)方法,亦即具有獨(dú)立行為的離散個(gè)體均可建模為Agent[3]。而單個(gè)Agent受其資源和能力的限制,無法適應(yīng)大規(guī)模復(fù)雜問題的求解。將多個(gè)Agent集成在同一系統(tǒng)環(huán)境中,通過它們之間的相互交互可以實(shí)現(xiàn)問題的求解[4]。一般將這種由多個(gè)Agent通過自身的能力和相互間的協(xié)作來完成某些任務(wù)或達(dá)到某些目的而形成的松散耦合系統(tǒng),稱為多Agent系統(tǒng),簡(jiǎn)稱為MAS(Multi-Agent System)。

基于MAS建模方法的基本思想是:通過對(duì)大量個(gè)體Agent的微觀行為及其非線性的交互作用來建立系統(tǒng)整體的宏觀行為。對(duì)實(shí)體利用Agent進(jìn)行建模,實(shí)體之間的相互關(guān)系可用Agent的相互交互來建模。系統(tǒng)的宏觀行為由于系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)Agent的能動(dòng)性、適應(yīng)性和交互作用,使得其不僅僅是所有微觀Agent行為之和,還呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性和涌現(xiàn)性。

式中:φi為Agenti自身能力系數(shù),表示Agenti的行為對(duì)系統(tǒng)宏觀行為的貢獻(xiàn);φij為Agenti與Agentj的交互作用產(chǎn)生的涌現(xiàn)系數(shù),表示Agenti與Agentj的交互作用對(duì)系統(tǒng)宏觀行為的貢獻(xiàn)。因此,基于MAS建模方法的關(guān)鍵在于對(duì)Agent實(shí)體和實(shí)體之間的交互作用建模。

3 基于MAS的反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模

基于MAS的反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模的基本思路是:將反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的各個(gè)要素抽象成各個(gè)Agent,然后建立一一對(duì)應(yīng)的Agent實(shí)體模型,接著根據(jù)反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各個(gè)實(shí)體Agent間的交互關(guān)系選擇合適的MAS結(jié)構(gòu)來組裝這些Agent,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)仿真模型的建立?；贛AS反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的建?？蚣苋鐖D2。

圖2 基于MAS反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模框架

3.1 反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)實(shí)體分析

根據(jù)圖2所描述的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的各組成要素以及要素之間的相互關(guān)系,在應(yīng)用基于MAS的建模方法進(jìn)行建模時(shí),將各個(gè)組成要素直接映射為Agent模型,Agent模型的基本屬性由要素的屬性決定,要素間的相互關(guān)系映射為各個(gè)Agent之間的交互關(guān)系。因此,在反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS模型中,包含的實(shí)體Agent有預(yù)警衛(wèi)星Agent、遠(yuǎn)程相控陣預(yù)警雷達(dá)Agent、天波超視距預(yù)警雷達(dá)Agent、地基多功能目標(biāo)跟蹤指示雷達(dá)Agent、各級(jí)指揮控制中心Agent、攔截作戰(zhàn)單元Agent以及彈道導(dǎo)彈目標(biāo)Agent。

3.2 微觀模型

反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的微觀模型主要是對(duì)實(shí)體進(jìn)行Agent建模,主要包括實(shí)體的屬性描述,以及實(shí)體的行為模型。本文的實(shí)體行為模型通過其相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來表示[5-7]。

1)預(yù)警衛(wèi)星Agent

(1)

(2)

式中,α、β、c是常數(shù);Vs/Vn是信噪比。

2)預(yù)警雷達(dá)Agent(包括遠(yuǎn)程相控陣預(yù)警雷達(dá)以及多功能目標(biāo)跟蹤指示雷達(dá))

預(yù)警雷達(dá)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的探測(cè)、搜索、跟蹤、分類識(shí)別、發(fā)點(diǎn)估計(jì)、落點(diǎn)預(yù)測(cè)、預(yù)警時(shí)間計(jì)算等功能。ni(t)=(li,φi)表示第i部雷達(dá)在t時(shí)刻的狀態(tài)。其中:li=(lon,lat)表示雷達(dá)部署的經(jīng)緯度;φi=(φi1,φi2,φi3)表示雷達(dá)的性能指標(biāo);φi1為信噪比為1時(shí),雷達(dá)目標(biāo)間的距離，km;φi2為虛警概率;φi3為信號(hào)脈沖數(shù)。

預(yù)警雷達(dá)的最遠(yuǎn)直視距離Rs由下式確定。

(3)

式中,h為雷達(dá)高度;H為彈道導(dǎo)彈目標(biāo)高度。若Rmax表示雷達(dá)最大作用距離,則當(dāng)R>min(Rmax,Rs),則不能發(fā)現(xiàn)彈道導(dǎo)彈目標(biāo);當(dāng)R≤min(Rmax,Rs),則彈道導(dǎo)彈目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)。

(4)

3)預(yù)警信息處理中心Agent

預(yù)警信息處理中心Agent的功能是將來源不同、種類各異、真?zhèn)位祀s、數(shù)量巨大的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息,通過綜合分析、加工處理、比照篩選、去粗取精、去偽存真,形成系統(tǒng)性、針對(duì)性較強(qiáng)的高價(jià)值信息,供給使用者,提高信息利用的時(shí)效性。預(yù)警信息處理中心Agent=(li,θi,pi)。其中:li=(lon,lat)表示預(yù)警信息處理中心所部屬位置的經(jīng)緯度;θi=(θi1,θi2,θi3,θi4)表示指揮控制中心的性能指標(biāo);θi1為預(yù)警信息歸口處理能力;θi2為比照篩選能力;θi3為綜合印證能力;θi4為信息分發(fā)能力;pi為戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖的刷新率。

預(yù)警信息處理中心的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖更新快,表明其信息獲取快、傳遞快、處理快。因此,可用戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖的刷新率pi來表示預(yù)警信息處理中心Agent的能力。

(5)

4)各級(jí)指揮控制中心Agent

指揮控制中心Agent的功能包括負(fù)責(zé)接收來自預(yù)警衛(wèi)星Agent、遠(yuǎn)程相控陣預(yù)警雷達(dá)Agent、多功能目標(biāo)跟蹤指示雷達(dá)Agent以及預(yù)警信息處理中心Agent的偵察預(yù)警信息,對(duì)信息進(jìn)行處理和決策,計(jì)算打擊的可行性和選擇攔截打擊單元,同時(shí)對(duì)攔截打擊單元Agent下達(dá)攔截指令。指揮控制中心Agent=(li,σi,ti)。其中:li=(lon,lat)表示指揮控制中心所部屬位置的經(jīng)緯度;σi=(σi1,σi2,σi3,σi4,σi5)表示指揮控制中心的性能指標(biāo);σi1為指揮控制覆蓋率;σi2為有效的指揮跨度;σi3為指揮的自動(dòng)化程度;σi4為指揮控制中心與武器系統(tǒng)的交聯(lián)度;σi5為指揮控制中心的指揮保障能力;ti為指揮控制中心的決策時(shí)延。

各級(jí)指揮控制中心在信息收集、處理、分發(fā)以及決策環(huán)節(jié)所需要的時(shí)間,稱為指揮控制中心的決策時(shí)延ti。需要指出的是,決策時(shí)延ti是一個(gè)不確定的量,可以當(dāng)作隨機(jī)變量來考慮。這個(gè)變量有一個(gè)性質(zhì),即完成上述環(huán)節(jié)的可能性會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加,所以可以用指數(shù)分布來描述,決策時(shí)延ti可以認(rèn)為近似服從均值λ的指數(shù)分布,其概率密度分布為

(6)

式中,λ為指揮控制中心Agent完成信息收集、處理、分發(fā)以及決策環(huán)節(jié)所需要的期望時(shí)間。

5)攔截作戰(zhàn)指控單元Agent

攔截作戰(zhàn)指控單元Agent主要是接收上級(jí)指揮控制中心的目標(biāo)分配命令,協(xié)調(diào)其內(nèi)部的火力指控、制導(dǎo)雷達(dá)、發(fā)射系統(tǒng)和攔截彈,對(duì)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)實(shí)施攔截。ni(t)=(li,ηi)表示第i個(gè)攔截作戰(zhàn)指控單元在t時(shí)刻的狀態(tài)。其中:li=(lon,lat)表示攔截作戰(zhàn)指控單元的部署經(jīng)緯度;ηi=(ηi1,ηi2,ηi3,ηi4)表示攔截作戰(zhàn)指控單元的性能指標(biāo);ηi1為最大攔截高度，km;ηi2為最小攔截高度，km;ηi3為最大攔截斜距，km;ηi4為最小攔截斜距，km。

(7)

攔截作戰(zhàn)指控單元Agent在攔截過程中的平均速度為V(t′),則飛行至來襲彈道導(dǎo)彈目標(biāo)Agent在t′時(shí)刻所需的時(shí)間Δt為:Δt=R(t′)/V(t′)。

6)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)Agent

3.3Agent的行為規(guī)則

在建立反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS結(jié)構(gòu)中,關(guān)鍵的一步是制定Agent的行為規(guī)則。Agent中的行為規(guī)則主要用于控制各Agent進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換或引發(fā)動(dòng)作的執(zhí)行。Agent的每條行為規(guī)則基本形式為

IF<條件>THEN<動(dòng)作>

其中:條件部分為Agent的感知信息;動(dòng)作部分可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的輸出參量,如預(yù)警系統(tǒng)(包括預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警雷達(dá)、預(yù)警信息處理中心等)Agent輸出目標(biāo)彈的概略位置和速度信息,通信衛(wèi)星Agent輸出路由規(guī)劃的結(jié)果,指揮控制中心Agent輸出的是決策結(jié)果,攔截彈Agent在收到指揮控制中心Agent的指令后,對(duì)目標(biāo)彈Agent進(jìn)行攔截等。具體的每個(gè)Agent的行為規(guī)則,本文由于篇幅的限制就不一一贅述。

3.4 反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所描述的美軍聯(lián)合反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)內(nèi)在關(guān)系,可以得到其MAS結(jié)構(gòu)。一方面,各級(jí)指揮控制中心Agent之間,以及指揮控制中心Agent與攔截作戰(zhàn)單元Agent,預(yù)警指控中心Agent與預(yù)警衛(wèi)星Agent、預(yù)警雷達(dá)Agent等存在指控關(guān)系;另一方面,各類不同的預(yù)警情報(bào)Agent之間,以及各類同級(jí)指控中心Agent之間,攔截作戰(zhàn)單元Agent之間又存在協(xié)同關(guān)系。因此,反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS模型可以采用混合式結(jié)構(gòu),具體如圖3所示。

圖3 美軍聯(lián)合反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)MAS結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是反導(dǎo)體系建設(shè)的重要組成部分,是提升反導(dǎo)體系作戰(zhàn)效能的核心。本文在分析反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于MAS理論建模與方法,將反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各組成要素抽象成Agent實(shí)體,并對(duì)不同的Agent實(shí)體進(jìn)行微觀建模及行為規(guī)則制定,然后依據(jù)反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各要素的交互關(guān)系構(gòu)建混合式MAS結(jié)構(gòu),為反導(dǎo)體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定量分析提供了方法支持。

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Study on MAS-based Command System Modeling of Missile Defense Systems Operation

HE Rong, LUO Xiao-ming

(Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Missile defense is of great importance to national security, and the core of missile defense system is operational command. So it is very significant to explore the structure and modeling of missile defensive operational command system. Using the American missile defense command system structure as a example, the paper abstracts the components in the command system of missile defense systems operation into the agent entitles based on MAS. The different agent entity has different microscopic model, it need to follow itself rules of conduct. Then the paper build the mixing MAS structure about the command system of missile defense systems operation according to its internal interaction. The paper provides the method support to quantitative analysis on the command system of missile defense systems operation.

missile defense systems operation; command system; multi-Agent system (MAS); Modeling

2016-12-13

2017-01-18

國(guó)家社科基金(14GJ003-129)

何 榕(1983-),女,江西宜春人,博士研究生,講師,研究方向?yàn)檐娛逻\(yùn)籌與作戰(zhàn)模擬仿真。 羅小明(1966-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。

1673-3819(2017)02-0005-05

TJ761；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.002