基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法研究*

楊紅梅 張建強 耿伯英 盛 文

(空軍雷達學院陸基預警監(jiān)視裝備系1) 武漢 430019)(海軍工程大學電子工程學院2) 武漢 430033)

基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法研究*

楊紅梅1)張建強2)耿伯英2)盛 文1)

(空軍雷達學院陸基預警監(jiān)視裝備系1)武漢 430019)(海軍工程大學電子工程學院2)武漢 430033)

文章研究了當前海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的典型組成結構,分析了Agent技術在海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方面的優(yōu)越性,提出了基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法,并給出了指揮所Agent類和作戰(zhàn)資源Agent類兩類Agent的結構模型。

海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng);Agent;建模

Class NumberN945.12

1 引言

實戰(zhàn)證明,隨著現(xiàn)代航空、精確制導、隱身等大量高新技術的不斷發(fā)展和在軍事上的應用,以現(xiàn)代飛機和導彈為主的空襲兵力、兵器,已逐步形成比較完整的空襲體系,具有遠程投送、精確打擊、隱蔽突防、殺傷猛烈等特點,并采取高、中、低空相結合的多層次、多批次、多方向同時飽和攻擊的戰(zhàn)術,使水面艦艇的防空面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。為此,需要建立能準確描述海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的模型,實現(xiàn)對當前海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)指揮流程、功能結構、資源配置等方面的有效評估。為整合作戰(zhàn)資源,提高海上編隊整體防空作戰(zhàn)效能,提供決策支持。但由于構成海上編隊防空系統(tǒng)主要的成員是具有協(xié)同組織背景并處于不同等級、不同層次、不同位置的指揮中心(所),其面臨的智能行為建模及動態(tài)環(huán)境等問題從分布、協(xié)同、共享、智能等角度對海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的建模與仿真提出了更高的要求。

目前,國內(nèi)外對海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模技術的研究工作一般沒有專門的文獻,而在綜合電子信息系統(tǒng)建模方面的文獻比較多,這類工作從一個側(cè)面反映了國內(nèi)外海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模技術研究發(fā)展現(xiàn)狀。常用的主要有以下四類方法:

1)結構化分析方法[1],它使用數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典、判定表和判定樹作為工具,建立系統(tǒng)的邏輯模型。該方法直觀、易于學習和掌握,但是數(shù)據(jù)流圖僅描述了系統(tǒng)的功能模型,而數(shù)據(jù)模型僅用數(shù)據(jù)字典描述是不完整的,因為數(shù)據(jù)字典不刻畫數(shù)據(jù)間的關系。至于動態(tài)模型,在結構化分析方法中未做描述。

2)IDEF(ICAM DEFinition Method)方法[2],KBSI公司正在將此發(fā)展成一個系列,如:IDEF0(功能建模function modeling)、IDEF1X(數(shù)據(jù)建模data modeling)、IDEF2(仿真模型設計simulation model design)、IDEF3(過程描述 process description capture)、IDEF4(面向?qū)ο笤O計object-oriented design)、IDEF5(本體論描述獲取ontology description capture)和IDEF6(設計原理獲取design rationale capture)等。IDEF的方法相對于其他系統(tǒng)分析方法有易于掌握、兼容結構化分析法模型的優(yōu)點,曾被推薦給863高技術自動化領域作為復雜系統(tǒng)的設計規(guī)范,但IDEF0,IDEF1,IDEF2之間沒有引用,缺乏聯(lián)系。

3)面向?qū)ο蟮慕＜夹g(OMT)[3],該方法是從3個相關但體現(xiàn)系統(tǒng)不同方面的角度對一個系統(tǒng)進行建模,得到的3種模型分別是對象模型、動態(tài)模型和功能模型。對象模型代表了系統(tǒng)靜態(tài)的結構;動態(tài)模型代表了系統(tǒng)隨時間變化、行為、控制的方面;功能模型代表了系統(tǒng)的功能方面,每一種模型都包含對其他模型的引用。OMT方法的優(yōu)勢在于其分析、設計結果可以平滑地過渡到編碼階段,但在基于數(shù)據(jù)庫的MIS應用中,其缺點在于:對象很難識別,對于專用的MIS系統(tǒng),軟件復用很難達到且面向?qū)ο蟮臉I(yè)務處理與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)各行其是,二者在方法論上很難結合。

4)基于 Agent的建模技術[4～5],基于 Agent的建模方法是研究大量個體或Agent之間交互以及它們交互所展現(xiàn)的宏觀尺度行為。該方法將復雜系統(tǒng)中各個仿真實體用Agent的方式(思想)自底向上對整個系統(tǒng)進行建模,試圖通過對Agent行為及其之間交互關系、社會性進行刻畫,來描述復雜系統(tǒng)的行為。這種建模仿真技術,在建模的靈活性、層次性和直觀性方面較傳統(tǒng)的建模技術都有明顯的優(yōu)勢,很適合于對諸如生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、戰(zhàn)爭系統(tǒng)以及人類組織等系統(tǒng)的建模與仿真。通過從個體到整體、從微觀到宏觀來研究復雜系統(tǒng)的復雜性,從而克服了復雜系統(tǒng)難于自上而下建立傳統(tǒng)的數(shù)學分析模型的困難,有利于研究復雜系統(tǒng)具有的涌現(xiàn)性、非線性和復雜的關聯(lián)性等特點。

從上面的分析我們不難看出,要實現(xiàn)對海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)中“活”系統(tǒng)成員的描述和研究,采用基于Agent的建模方法,能夠自然、同構的描述現(xiàn)實世界的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)。不同的基于Agent建模方法適應于不同領域,有必要針對海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)具體特點,研究適合于海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)基于Agent建模方法。

2 海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)功能模型

面對日益嚴重的空中威脅形勢,單艘艦艇在海上的生存能力十分有限,水面艦艇必須組成有各種戰(zhàn)艦編成的作戰(zhàn)編隊,綜合使用殲擊機、艦空導彈、火炮等硬殺傷武器,有源、無源電子對抗等軟殺傷武器和各種雷達、預警機等預警探測系統(tǒng)與情報偵察系統(tǒng),建立包括不同高度(高、中、低空、掠海)、不同距離(遠程、中程、近程、末端)的多層次海上編隊防空作戰(zhàn)體系,才能有效地抗擊敵空襲兵力兵器。典型海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)安防空作戰(zhàn)區(qū)域的大小可分為:遠程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng)、中程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng)和近程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 典型海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)功能結構圖

1)遠程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由航空兵指揮所、預警機、戰(zhàn)斗機組成,其主要任務是:早期預警,遠程打擊。利用預警機對敵目標實施遠程預警,航空兵指揮所在預警機的情報支援下(或航空兵指揮所授權預警機)指揮引導作戰(zhàn)飛機將來襲的敵機攔截在其使用武器之前。

2)中程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由區(qū)域防空指揮所、防空型艦艇、雷達哨艦組成,其作戰(zhàn)目標是從遠程防空作戰(zhàn)區(qū)域漏過的敵飛機或反艦導彈。利用防空型艦艇或雷達哨艦的遠程警戒探測設備,對目標進行精確跟蹤、識別,然后引導遠程艦載面防空導彈,對突破遠程防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的來襲目標實施打擊。為了避免誤傷自己的飛機,區(qū)域防空艦艇與航空兵作戰(zhàn)區(qū)域之間設有識別區(qū),航空兵通常不進入識別區(qū),區(qū)域防空艦艇先識別目標的敵我屬性,再決定打擊。

3)近程防空作戰(zhàn)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)等同于單艦防空作戰(zhàn)系統(tǒng),編隊各艦艇對漏過中程防空作戰(zhàn)區(qū)域的來襲導彈進行作戰(zhàn)。各艦在編隊指揮中心的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮下,按照編隊的防空作戰(zhàn)隊形,實施末端防空作戰(zhàn)。通常使用電防空導彈和近程反導系統(tǒng),對導彈進行打擊。

3 基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法

從海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)角度分析,基于A-gent的建模對于實際海上編隊防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是一種自然、同構的描述。防空作戰(zhàn)系統(tǒng)是海上編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng),在整個系統(tǒng)中的地位比較特殊,這種特殊性體現(xiàn)在它并非獨立存在,而是要與其它系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)。然而根據(jù)目前的需求方法建立的系統(tǒng)模型由于自身結構僵化而無法適應系統(tǒng)的變化要求,最終將退化為系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的障礙。而基于Agent的模型可很好地解決此類問題。首先,Agent通過定義自己的目標、職責、活動、行為規(guī)則、思維、服務、資源需求等屬性完整地描述將要承擔的系統(tǒng)角色。其次,基于Agent的模型是一個分布式網(wǎng)狀模型,成員間是合作、服務的關系,這正符合防空作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結構的發(fā)展趨勢。目前,防空作戰(zhàn)的指揮關系正在由“科層式”金字塔結構向“網(wǎng)絡化”扁平結構轉(zhuǎn)化,成員關系也由“隸屬型”、“指揮型”向“合作型”、“服務型”轉(zhuǎn)變,這與基于Agent的系統(tǒng)模型完全相符。最后,Agent的主動性、反應性使其易于對戰(zhàn)場環(huán)境變化做出及時響應,實現(xiàn)了作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的同步調(diào)整。由于Agent技術與海上編隊防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的相互適應性,在對海上編隊防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)研究的過程中,我們采用基于Agent的建模與仿真方法。

海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)指揮關系復雜、作戰(zhàn)資源類別及使用要求眾多,為了建立全面而準確反映防空作戰(zhàn)系統(tǒng)需求、具有一定自適應性、與問題域同構的海上編隊防空作戰(zhàn)多Agent系統(tǒng),必須遵循一定的步驟。建模過程可以分為需求分析、Agent識別、Agent描述和多Agent協(xié)作模型四個步驟,如圖2所示。

1)需求分析階段

在充分分析海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務樣式的基礎上,逐步深入研究海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能結構、指揮關系、資源配置和信息流程,并在此基礎上利用IDEF建模方法建立海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)過程系統(tǒng)、功能結構視圖和信息流程視圖,為下一步識別系統(tǒng)中所包含的Agent奠定基礎。

圖2 基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模

2)Agent的識別階段

多Agent系統(tǒng)的一個關鍵問題是如何確定最合適的Agent種類及數(shù)目。確定的基本原則是盡量使系統(tǒng)簡單,以便于控制。在充分分析海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎上,建立海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的IDEF3過程視圖,詳細研究典型海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程,從中概括、歸納建立多A-gent海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)所需的Agent的分類和組成,為下一步確定不同類別的Agent的結構奠定基礎。海上編隊防空作戰(zhàn)流程可分為遠程防空作戰(zhàn)、區(qū)域防空作戰(zhàn)、近程協(xié)同防空、末端防空四個大過程,海上編隊防空作戰(zhàn)總體流程如圖3所示。每一個過程又可進一步分解,可識別出海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)主要有兩類Agent:指揮所類Agent和作戰(zhàn)資源類Agent。

3)Agent的描述階段

結合海上編隊防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的特點,通過分析研究海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能結構視圖,可確定Agent的結構。根據(jù)海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)流程,海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)指揮所類A-gent應包含:通信模塊、感知模塊、信息處理模塊、態(tài)勢分析模塊、知識庫、學習模塊、決策生成模塊等,其典型結構如圖4所示。海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)中作戰(zhàn)資源主要包括:飛機、導彈系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)三類典型防空作戰(zhàn)資源,該三類作戰(zhàn)資源接受到作戰(zhàn)命令信息后,根據(jù)目標指示信息,對敵目標實施一次作戰(zhàn)行動。作戰(zhàn)資源Agent類應包含:通信模塊、感知模塊、戰(zhàn)術行動模塊、作戰(zhàn)效果評估模塊、知識庫、學習模塊等,其典型結構如圖5所示。

4)多Agent協(xié)作模型的確立

基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個典型的多Agent系統(tǒng),各類Agent之間相互協(xié)調(diào)、通信才能共同完成海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能,在Agent結構模型和海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)信息流程的基礎上,建立海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的多Agent協(xié)作模型。

4 結語

文章圍繞海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法這個問題進行了有益的研究和探索。首先研究了海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的典型功能結構;然后結合Agent技術與海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)在特性上的相互適應性,提出了基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法及一般建模步驟。該建模方法較好地解決了對于海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)“活”系統(tǒng)成員的描述和研究問題,實現(xiàn)了對于實際海上編隊防空作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)自然、同構的描述。文章還結合海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的IDEF3作戰(zhàn)過程視圖分析,建立了海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)兩類典型A-gent:指揮所Agent類和作戰(zhàn)資源Agent類的結構模型。

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[5]廖守億.復雜系統(tǒng)基于Agent的建模與仿真方法研究及應用[D].長沙:國防科技大學博士學位論文,2004

An Agent-based the Marine Formation Antiair Operation System Modeling Method

Yang Hongmei1)Zhang Jianqiang2)Geng Boying2)Sheng Wen1)
(Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,AFRA1),Wuhan 430019)
(Department of Electricity Engineering,Naval University of Engineering2),Wuhan 430033)

First of all,the characteristics of the marine formation antiair operation system(MFAOS)were concluded and summarized.Secondly,an agent-based MFAOS modeling method has been presented based on the superiority of agent technology in this field,viz.analyzing the IDEF model,establishing the typical agent framework.

MFAOS,Agent,modeling

N945.12

2010年8月29日,

2010年9月29日

楊紅梅,女,碩士,講師,研究方向:模式識別與智能系統(tǒng)。張建強,碩士,講師,研究方向:系統(tǒng)建模與仿真。

耿伯英,博士,副教授,研究方向:模式識別與智能系統(tǒng)。盛文,博士,教授,研究方向:雷達系統(tǒng)建模與仿真。