智能仿真在軍用UUV裝備體系研究中的應(yīng)用

康鳳舉, 謝 攀

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智能仿真在軍用UUV裝備體系研究中的應(yīng)用

康鳳舉1,2, 謝 攀1,2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710072)

根據(jù)基于水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的多無人水下航行器(UUV)集團(tuán)攻擊作戰(zhàn)研究的需求, 在分析從面向?qū)ο蠓抡娴矫嫦蛑悄芊抡婕夹g(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上, 給出了軍用UUV智能建模和仿真目標(biāo), 包括專家系統(tǒng)識別、智能控制決策、作戰(zhàn)指揮流程和戰(zhàn)法研究等, 指出了因智能仿真技術(shù)的引入使得多UUV武器裝備體系的研制仿真和戰(zhàn)術(shù)級層次上的作戰(zhàn)仿真這2種仿真系統(tǒng)在形式和內(nèi)容上正趨向一致, 并初步構(gòu)建了一種基于多智能體系統(tǒng)(MAS)的UUV編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng), 為軍用UUV智能仿真及其作戰(zhàn)效能評估提供了技術(shù)支撐。

軍用UUV; 智能仿真; 裝備體系; 研制仿真; 智能體; 多智能體系統(tǒng)(MAS)

0 引言

智能仿真技術(shù)主要體現(xiàn)人工智能技術(shù)與仿真技術(shù)的全面結(jié)合, 包括專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、定性仿真、智能體(agent)技術(shù)及多智能體系統(tǒng)(multi-agent system, MAS)等多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用, 雖已歷經(jīng)了數(shù)十年的研究, 但在武器裝備體系中的應(yīng)用仍是當(dāng)前仿真領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

目前, 在智能仿真軟件平臺研究上已有一些成果, 如美國桑塔菲研究所的仿真平臺Swarm[1], 麻省理工大學(xué)媒體實(shí)驗(yàn)室的StarLogo[2], 國內(nèi)開發(fā)的復(fù)雜系統(tǒng)分布式仿真平臺Jcass[3]。在仿真應(yīng)用上, 有多個(gè)將作戰(zhàn)視為復(fù)雜系統(tǒng)而開發(fā)的多agent仿真和應(yīng)用系統(tǒng), 如美國海軍分析中心提出的不可約半自治自適應(yīng)戰(zhàn)斗(irreducible semi- autonomous adaptive combat, ISAAC)模型[4], 由澳大利亞的維多利亞大學(xué)和新南威爾士大學(xué)合作開發(fā)的系統(tǒng)“通過生命仿真得到的可縮減的智能體戰(zhàn)場行為”(reducible agent battlefield behavior through life emulation, RABBLE)[5]。國內(nèi), 楊克巍建立了基于半自治作戰(zhàn)agent的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)模型[6], 尹全軍研究了agent在計(jì)算機(jī)生成兵力(co- mputer generated force, CGF)建模與仿真中的應(yīng)用[7], 張明智探討了基于agent的體系對抗仿真建模方法[8], 龍濤研究了多架無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)[9]。

由于現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性及瞬時(shí)性, 武器裝備實(shí)體執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)需要快速的反應(yīng)能力, 這就要求武器實(shí)體必須具備一定的自主性, 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)闹悄芑潭?。為? 在武器裝備體系研制中需要深入研究智能仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用問題。而國內(nèi)外有關(guān)軍用智能仿真的理論方法有待深入, 涉及基于水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的軍用UUV智能仿真應(yīng)用研究處于起步階段。本文結(jié)合軍用UUV仿真技術(shù)闡述了智能仿真研究內(nèi)容及構(gòu)建智能仿真系統(tǒng)的方法。

1 智能仿真技術(shù)是21世紀(jì)仿真技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展

仿真技術(shù)從面向過程仿真到面向?qū)ο蠓抡? 是一次飛躍, 從計(jì)算機(jī)語言上則是從C語言發(fā)展到C++語言。現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展使仿真技術(shù)擴(kuò)展到系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真試驗(yàn)等3項(xiàng)活動(dòng)中, 使傳統(tǒng)意義上的仿真概念產(chǎn)生了變革。例如, 在應(yīng)用仿真技術(shù)確定實(shí)際的模型方面, 提出了面向?qū)ο蟮慕７椒? 將高度抽象的數(shù)學(xué)描述轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驅(qū)ο蟾匀环绞降拿枋? 在類庫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模型拼合與重用; 在仿真建模方面, 采用模型與試驗(yàn)相分離的技術(shù), 即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng); 在仿真試驗(yàn)方面, 將試驗(yàn)框架與仿真運(yùn)行控制區(qū)分開來, 一個(gè)試驗(yàn)框架定義一組試驗(yàn)條件, 將輸出函數(shù)定義與仿真模型分離開來等。

從面向?qū)ο蠓抡娴矫嫦騛gent的仿真, 則是另一次飛躍。對象是一種對事件、方法和屬性的封裝, 而agent更封裝了思維能力和決策行為, 從而體現(xiàn)出作戰(zhàn)武器實(shí)體的自主性和與其他agent的交互性。面向agent仿真技術(shù)的需求, 來自信息化作戰(zhàn)條件下武器系統(tǒng)和戰(zhàn)爭行為的復(fù)雜性。

2 智能仿真是軍用UUV技術(shù)發(fā)展仿真的需求

目前, 各類UUV正被廣泛地用于海洋資源探測、水下作業(yè)等領(lǐng)域。軍用UUV則是繼魚雷、水雷之后的一類新型水中兵器, 其發(fā)展目標(biāo)是為了適應(yīng)水下網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)等作戰(zhàn)需要, 因而應(yīng)使其具有網(wǎng)絡(luò)化探測、中繼通信、集團(tuán)攻擊等多種作戰(zhàn)能力, 發(fā)展方向是遠(yuǎn)航程、大深度和智能化, 從而起到海軍水下作戰(zhàn)力量倍增器的作用。軍用UUV技術(shù)的發(fā)展得到了世界各國的重視, 如美國已計(jì)劃于近年研制出1 500條左右的UUV用作軍用。

軍用UUV本身的智能性、自主性, 以及由多UUV組成具有協(xié)同作戰(zhàn)能力的復(fù)雜武器裝備系統(tǒng)的研究, 將對智能仿真技術(shù)提出新的需求。這是因?yàn)樗斜鱾鹘y(tǒng)的建模和仿真是以確定性和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 難以描述復(fù)雜武器智能自主性、戰(zhàn)場上復(fù)雜態(tài)勢變化和作戰(zhàn)指揮人員的智能決策行為。

3 軍用UUV智能仿真研究的主要內(nèi)容

在UUV武器研制仿真中, 要為UUV論證、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)服務(wù), 武器研制離不開先期論證和開發(fā)過程中不斷針對各個(gè)階段性成果所進(jìn)行的一系列系統(tǒng)仿真試驗(yàn)以及相應(yīng)的效能評估。在技術(shù)開發(fā)階段, 若離開系統(tǒng)所處的環(huán)境, 就很難在實(shí)戰(zhàn)條件下全面驗(yàn)證作為新技術(shù)載體的特定軟件和硬件平臺。這一階段的智能仿真內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

1) UUV專家系統(tǒng)識別及智能控制決策問題

在UUV原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的智能建模對象是UUV智能識別、處理、控制和決策系統(tǒng), 可以是各種專家系統(tǒng)知識庫、進(jìn)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方法等。其中, 專家系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)將領(lǐng)域里的專家知識收集起來, 代替專家解決一些決策問題, 而智能優(yōu)化算法能對一類最優(yōu)求解問題進(jìn)行描述, 典型的有遺傳算法、模擬退火算法、人工免疫算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和群智能算法等。

實(shí)際上, 現(xiàn)今的魚雷、水雷等兵器和聲納裝置一般也都裝備了具有不同程度智能識別或控制決策能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 如各國的水雷中一般都有用于目標(biāo)判別的水雷識別專家系統(tǒng)。美國早期 的MK46魚雷中就已有可以處理數(shù)百種彈道邏輯的魚雷自導(dǎo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。只是在以往仿真中, 這些系統(tǒng)是作為被仿真的專用系統(tǒng)而接入仿真系統(tǒng)的, 這時(shí)智能仿真研究僅限定在武器的一次建模即領(lǐng)域?qū)＜已芯康姆懂牎?/p>

隨著軍用UUV自適應(yīng)性、自組織等較高一級智能化仿真要求的提出, 智能仿真軟件即智能的仿真建?；蚨谓栴}, 就需要由仿真人員開發(fā)和加以解決。特別是MAS概念的提出, 它是分布式人工智能和人工生命理論的發(fā)展, MAS技術(shù)最大特點(diǎn)是agent間的動(dòng)態(tài)交互性, 能夠更好地適應(yīng)分布、開放式的系統(tǒng)應(yīng)用, 如規(guī)模龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多平臺多武器的作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真問題?；贛AS的仿真利用各種agent的屬性和行為, 直接從模擬組成作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)個(gè)體及個(gè)體與個(gè)體之間的相互作用出發(fā)來研究系統(tǒng)的整體行為。

同時(shí), 仿真人員還可進(jìn)一步開發(fā)出仿真專家系統(tǒng), 以作為建模的智能輔助工具。仿真建模專家系統(tǒng)支持用戶用其比較熟悉的方式描述仿真模型, 例如圖形、用戶接口、使用交互式監(jiān)視界面和使用類自然語言處理器等。一旦仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型都已獲得, 就可使用作為編程系統(tǒng)的應(yīng)用程序生成器產(chǎn)生仿真模型?？梢詫τ脩艚⒌姆抡婺Ｐ瓦M(jìn)行檢驗(yàn), 例如仿真模型的語法、詞法和一致性檢驗(yàn)等。

2) 基于軍用UUV作戰(zhàn)應(yīng)用的指揮流程和戰(zhàn) 法仿真

在軍用UUV作戰(zhàn)應(yīng)用如作戰(zhàn)訓(xùn)練、作戰(zhàn)評估的仿真階段, 涉及艦、艇等多基地、多平臺作戰(zhàn)系統(tǒng)及人在作戰(zhàn)回路的仿真問題, 需要利用人工智能來仿真人的指揮控制流程或戰(zhàn)法決策的思維決策行為和能力。

當(dāng)前作戰(zhàn)系統(tǒng)的行為方式越來越具有自主性等特征, 系統(tǒng)控制變得更加分散化, 很難對其進(jìn)行完善的表征和描述。在作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域, 采用agent描述具有自主能力的作戰(zhàn)實(shí)體, 可真實(shí)地反映作戰(zhàn)過程中非武器性能方面的智能屬性及戰(zhàn)場中出現(xiàn)的各類不確定性因素, 因此使用agent來描述戰(zhàn)場作戰(zhàn)實(shí)體, 并建立基于agent的作戰(zhàn)仿真環(huán)境, 是進(jìn)行作戰(zhàn)仿真的一種有效途徑。

從建模與仿真內(nèi)容上, 以往的武器研制仿真著重系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)精確建模, 而作戰(zhàn)仿真則側(cè)重指揮控制流程和戰(zhàn)法運(yùn)用。從學(xué)術(shù)上講, 這2種仿真技術(shù)的劃分是為了限制所研究問題涉及的范圍, 用系統(tǒng)邊界把被研究的系統(tǒng)與系統(tǒng)環(huán)境區(qū)分開來, 但仿真系統(tǒng)邊界的劃分是根據(jù)仿真目標(biāo)的不同, 按系統(tǒng)和環(huán)境之間關(guān)系來劃定的, 這不是一成不變的, 隨著智能仿真技術(shù)在這2類仿真中的應(yīng)用, 在構(gòu)建這2類仿真系統(tǒng)時(shí), 除了戰(zhàn)略和戰(zhàn)役層次作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)外, 在戰(zhàn)術(shù)性作戰(zhàn)仿真和編隊(duì)級武器裝備體系系統(tǒng)研制仿真系統(tǒng)間的區(qū)別已愈來愈小, 采用的技術(shù)和研究的內(nèi)容上存在著一致的仿真目標(biāo)需求, 因此, 作戰(zhàn)仿真中要求研制部門提供武器的智能精細(xì)模型, 研制仿真中也要求作戰(zhàn)部門提供指揮控制決策模型, 這是信息化條件下軍用仿真技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。

4 基于MAS的UUV編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

為了研究多UUV編隊(duì)集團(tuán)攻擊問題, 需要構(gòu)建基于MAS的由多個(gè)UUV仿真實(shí)體組成的編隊(duì)仿真系統(tǒng)。利用MAS的理論和技術(shù)可解決UUV編隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)的相關(guān)問題, MAS是由多個(gè)agent組成的集合, 其中每個(gè)agent是1個(gè)物理或抽象的實(shí)體, 能作用于自身和環(huán)境, 并與其他智能體通信?；赼gent體系對抗仿真建模過程分為agent實(shí)體分析、agent實(shí)體結(jié)構(gòu)和行為建模、agent實(shí)體交互建模、agent實(shí)體模型的封裝階段和基于MAS的綜合集成建模5個(gè)階段。

UUV編隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng), 各UUV本身具有自主決策控制能力外, 相互之間具有很強(qiáng)的依賴性和協(xié)調(diào)性, 基于MAS的UUV編隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的特點(diǎn): 1)每個(gè)UUV節(jié)點(diǎn)模型中包含遠(yuǎn)程GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、探測、自主運(yùn)動(dòng)、協(xié)同控制以及聯(lián)合作戰(zhàn)決策功能; 2)仿真系統(tǒng)具備虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)共享能力; 3)由于聯(lián)合戰(zhàn)斗中協(xié)同作戰(zhàn)的主要樣式是以公共的規(guī)則集為基礎(chǔ)的自主協(xié)同, 因此仿真系統(tǒng)還支持交戰(zhàn)規(guī)則的開發(fā)。

圖1 基于MAS的UUV編隊(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

UUV編隊(duì)系統(tǒng)中的管理一般由主UUV充當(dāng), 領(lǐng)航主UUV中的組群管理agent接收或發(fā)射指揮平臺的任務(wù), 進(jìn)行自動(dòng)任務(wù)和路徑規(guī)劃并執(zhí)行任務(wù), 通過傳感器系統(tǒng)感知環(huán)境, 響應(yīng)環(huán)境變化, 根據(jù)環(huán)境信息決定是否進(jìn)行任務(wù)路徑的重規(guī)劃, 保證任務(wù)和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。組群管理agent將導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行分解, 分配至每個(gè)UUV單個(gè)實(shí)體, 對UUV成員的任務(wù)執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控, 并能夠直接指揮其成員UUV。UUV agent之間也存在相互的通信和協(xié)調(diào), 共同執(zhí)行協(xié)同的任務(wù), 實(shí)現(xiàn)編隊(duì)間的任務(wù)協(xié)同。UUV編隊(duì)系統(tǒng)中各agent是行為自主的, 通過交互和協(xié)同實(shí)現(xiàn)整個(gè)MAS系統(tǒng)的任務(wù)和目標(biāo), 這包括UUV成員間的交互、UUV成員和編隊(duì)管理agent的交互。

UUV編隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)是基于主從式分層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境下的異構(gòu)系統(tǒng), 具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布的特點(diǎn), 能夠擴(kuò)展單體UUV的感知范圍, 提高工作效率, 實(shí)現(xiàn)單體UUV無法或難以完成的復(fù)雜任務(wù)。圖2為基于MAS的UUV編隊(duì)協(xié)同控制與作戰(zhàn)仿真體系框架圖, 每個(gè)功能agent由感知模塊(sensor), 協(xié)同模塊(coordinator), 任務(wù)管理模塊(task manager)和執(zhí)行模塊(executor)組成, 同時(shí)擁有自身的知識庫(knowledge base), 其知識包括狀態(tài)、相關(guān)的規(guī)則以及系統(tǒng)參數(shù)等。該體系框架為UUV編隊(duì)控制與作戰(zhàn)系統(tǒng)提供了運(yùn)行支撐環(huán)境, 進(jìn)一步的軟件開發(fā)內(nèi)容有: 從開發(fā)環(huán)境對象agent, 庫中提取對象agent實(shí)例化后生成滿足遠(yuǎn)程協(xié)同導(dǎo)航任務(wù)想定的控制體系和控制活動(dòng), 包括通信模塊、情報(bào)獲 取、態(tài)勢評估、群體決策和聯(lián)合行動(dòng)模塊。圖2中UUV編隊(duì)系統(tǒng)的各agent功能模塊的實(shí)體行為結(jié)果作用于別的實(shí)體, 是agent實(shí)體之間的交互, 把主動(dòng)產(chǎn)生并對其他agent實(shí)體施加影響的agent實(shí)體稱為主動(dòng)agent實(shí)體, 接受交互并受交互影響的agent實(shí)體稱為被動(dòng)agent實(shí)體。在各職能agent中, 導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合agent完成各UUV的多種導(dǎo)航傳感器的資源分配、傳感器管理、組合模式方案生成及優(yōu)化、組合導(dǎo)航融合濾波解算; 指揮控制agent完成UUV編隊(duì)遠(yuǎn)程導(dǎo)航任務(wù)管理、航跡規(guī)劃、隊(duì)形控制以及用于協(xié)同導(dǎo)航定位的水聲通信方式切換, 從而確保系統(tǒng)通過UUV之間的協(xié)調(diào)與合作完成組群遠(yuǎn)程導(dǎo)航和控制任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文分析了智能仿真技術(shù)發(fā)展特點(diǎn), 從軍用UUV武器裝備體系仿真需求出發(fā), 給出不同仿真階段智能仿真的內(nèi)容, 并初步構(gòu)建了一種基于MAS的UUV編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。而該系統(tǒng)中多agent組織主要局限于多元組的形式化表示方式, 尚不適應(yīng)武器裝備編組的種類增多時(shí)基于agent作戰(zhàn)系統(tǒng)建模的需要, 因而需深入探討實(shí)現(xiàn)多agent組織模式的理論方法。

系統(tǒng)仿真技術(shù)學(xué)科的一些新探索表明, 系統(tǒng)仿真方法學(xué)正在從人、計(jì)算機(jī)同研究數(shù)學(xué)映像模型為主題的計(jì)算機(jī)輔助仿真(computer aided simulation, CAS), 逐步轉(zhuǎn)向創(chuàng)建人、信息、計(jì)算機(jī)融合的智能化、集成化、協(xié)調(diào)化高度一體的仿真環(huán)境的探索?？梢? 信息時(shí)代的來臨正在孕育著系統(tǒng)仿真方法學(xué)某些新的突破。

圖2 基于MAS的UUV編隊(duì)協(xié)同導(dǎo)航控制仿真體系結(jié)構(gòu)

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Application of Intelligence Simulation in Military UUV Equipment System Research

KANG Feng-ju1,2, XIE Pan1,2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710072, China)

To satisfy the requirement of multi-unmanned underwater vehicles (UUVs) group attack operation in underwater network warfare, the development from the object-oriented simulation technology to intelligent simulation technology is analyzed, and the items of military UUV intelligent modeling and simulation are given, such as identification via expert system, intelligent control and decision-making, operational command process, and tactical research. It is indicated that the introduction of intelligent simulation technology has made, the simulation of weapon and equipment system, and the simulation of tactical level combat for multi-UUVs towards being consistent in form and content. Moreover, a combat simulation system for UUV formation is preliminarily built based on multi-agent system (MAS), in order to offer a support to intelligent simulation and evaluation of operational effectiveness for military UUV.

military UUV; intelligent simulation; equipment system; development simulation; intelligent agent; multi agent system(MAS)

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2011)02-0151-05

2010-06-23;

2010-08-03.

水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助(9140C2305041001).

康鳳舉(1947-), 男, 教授, 博導(dǎo), 研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真理論及應(yīng)用, 自動(dòng)控制理論.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)