EINSTein仿真平臺(tái)及其非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)研究

蘇 鵬 唐亞林

（中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系，中國(guó) 北京100072）

隨著軍隊(duì)的信息化程度不斷提高，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性程度越來(lái)越高，將會(huì)呈現(xiàn)出非線性、不確定性、涌現(xiàn)性等復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)。運(yùn)用作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)研究和學(xué)習(xí)戰(zhàn)爭(zhēng)，不僅節(jié)省了大量的人力、物力，而且可以不受外界環(huán)境條件的影響，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，為下步研究戰(zhàn)爭(zhēng)積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為實(shí)戰(zhàn)打下比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

EINSTein作為一種“概念演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，重點(diǎn)研究不同底層(即單個(gè)的戰(zhàn)斗作戰(zhàn)人員和分隊(duì)作戰(zhàn)單元)交互規(guī)則所誘發(fā)的高層涌現(xiàn)行為[1]。它是由美國(guó)海軍分析中心(CNA，Center for Naval Analysis）于1999年開(kāi)發(fā)的，是建立在其早期模型ISAAC（Irreducible Semi-Autonomous Adaptive Combat，不可約半自主自適應(yīng)作戰(zhàn)）上的基于多Agent的作戰(zhàn)仿真軟件，于2005年獲得美國(guó)軍方認(rèn)可[2]。它將非線性動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)動(dòng)力學(xué)、復(fù)雜性理論、人工生命、進(jìn)化論和遺傳算法、元胞自動(dòng)機(jī)、基于多Agent的建模和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一系列 “新科學(xué)”引入到對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的研究當(dāng)中，并致力于運(yùn)用復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論，探索和理解戰(zhàn)爭(zhēng)的基本過(guò)程[3]。

1 EINSTein仿真平臺(tái)分析

1.1 Agent模型

圖1所示為基于Agent模型基本元素的抽象視圖，該視圖中的四個(gè)基本元素是Agent、環(huán)境、傳感器和動(dòng)作。Agent處于某種環(huán)境下，并裝備了傳感器能夠感知外界環(huán)境信息，Agent本身也是組成外部環(huán)境的必備要素。在處理這些來(lái)自傳感器的信息后，Agent會(huì)采取相應(yīng)的動(dòng)作，以改變環(huán)境，與此同時(shí)也改變Agent對(duì)其周邊環(huán)境的感知。該模型的一次運(yùn)行由通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單反饋回路循環(huán)改變信息組成[2]。

圖1 基于Agent模型的基本元素抽象視圖

1.2 Agent的層次結(jié)構(gòu)

在EINSTein中，Agent的層次結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[3]。

圖中最底層是個(gè)體戰(zhàn)斗Agent，該層由假定戰(zhàn)場(chǎng)中可被Agent感知并能對(duì)其作出反應(yīng)的所有信息組成。Agent之間在該層次上進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互。

緊接著的兩層是指揮層，由根據(jù)下層行為作出適當(dāng)決策的信息組成。局部指揮員使用這些來(lái)自中層的信息來(lái)調(diào)整自己轄區(qū)內(nèi)的個(gè)體Agent的行為。

全局指揮員利用全局信息向局部指揮員下達(dá)命令，定義在一個(gè)局部指揮員的命令下其下屬Agent如何與在另一個(gè)局部指揮員命令下的下屬Agent之間交互。

頂層的最高指揮員代表軟件的交互用戶(hù)。用戶(hù)負(fù)責(zé)定義給定的作戰(zhàn)場(chǎng)景，確定概念戰(zhàn)場(chǎng)的規(guī)模和特點(diǎn)，設(shè)定初始兵力部署，指定作戰(zhàn)條件等。

圖2 基于Agent的建模層次結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 戰(zhàn)場(chǎng)分析

在EINSTein仿真平臺(tái)中，對(duì)抗雙方分為紅方和藍(lán)方，紅、藍(lán)雙方進(jìn)行戰(zhàn)斗的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)是一個(gè)格子網(wǎng)，如圖3所示，參戰(zhàn)Agent可以在方格間自由移動(dòng)并攜帶信息，每一個(gè)方格上最多只能放一個(gè)Agent，代表一個(gè)戰(zhàn)斗單元。每一個(gè)Agent有3種狀態(tài)——生、死、傷，它們都擁有一組范圍屬性和一個(gè)個(gè)性屬性，前者指Agent感知和吸收局部信息的范圍，后者決定了它回應(yīng)環(huán)境的一般方式。此外，Agent還具有移動(dòng)、戰(zhàn)斗、通信、指揮與控制等行為[3]。

圖3 EINSTein的二維作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)

1.4 Agent的信息感知和交互范圍表示

EINSTein對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體Agent的信息感知和交互范圍表示分為以下幾種，如圖4所示[2]。

圖4 Agent范圍示意圖

（1）運(yùn)動(dòng)范圍（rM）。

（2）關(guān)注范圍（rA）。

（3）作戰(zhàn)范圍（rT）。

（4）火力范圍（rF）。

（5）感知范圍（rS）。

（6）通信范圍（rC）。

從圖中可以看到RM≤RT≤RA≤RF≤RS≤RC,用戶(hù)可以自由選擇任意的相對(duì)大小順序，但是RF必須小于RS。

1.5 武器分析

在EINSTein中，所有的武器是用6個(gè)參數(shù)描述的彈道武器，這6個(gè)參數(shù)分別為：

威力（power）是武器本身所具有的破壞力（p），代表該武器在其殺傷范圍內(nèi)的破壞潛力。

射程（range）是武器作用的最大范圍。

開(kāi)火率（firing rate）是指一個(gè)武器能夠同時(shí)向其開(kāi)火的最大目標(biāo)數(shù)目。

殺傷半徑（spread）定義了武器殺傷區(qū)域的大小。其殺傷區(qū)域呈指數(shù)分布。對(duì)于一個(gè)內(nèi)在破壞力p≥0，殺傷半徑S≥0的武器，有效破壞力p(d)是到該武器著陸點(diǎn)的距離的函數(shù)，可近似用高斯分布表示為：

偏差（deviation）是對(duì)武器精確性的粗略度量。偏差（D）定義一個(gè)Agent的瞄準(zhǔn)目標(biāo)與一次射擊實(shí)際擊中的目標(biāo)之間的平均距離。

可靠性（reliability）等于該武器一旦被觸發(fā)而能夠產(chǎn)生一次射擊的概率。

1.6 Agent的個(gè)性表示

EINSTein還具有可動(dòng)態(tài)調(diào)整Agent個(gè)性的功能。Agent的個(gè)性，反映的是Agent對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的自適應(yīng)性。在EINSTein中，每個(gè)Agent，不論是單兵、局部指揮員還是全局指揮員，其局部決策過(guò)程的核心都取決于Agent的個(gè)性。Agent個(gè)性是一個(gè)內(nèi)部數(shù)值系統(tǒng)，Agent將根據(jù)這些個(gè)性和所處環(huán)境的相關(guān)特征決定其移動(dòng)策略。Agent的個(gè)性是由6個(gè)分量組成的個(gè)性權(quán)值向量：

在這里-1≤ωi≤+1,的分量指定了個(gè)體Agent如何對(duì)感知范圍中的局部信息做出反應(yīng)[3-4]。個(gè)性權(quán)值向量與Agent的健康狀態(tài)有關(guān)，一般來(lái)講不等于ωinjured。的分量可以為負(fù)值，此時(shí)表示Agent有撤離一個(gè)給定實(shí)體而不是靠近該給定實(shí)體的傾向[3-4]。

默認(rèn)的Agent個(gè)性規(guī)則結(jié)構(gòu)定義如下：

ω1——靠近己方存活A(yù)gent的權(quán)重。

ω2——靠近敵方存活A(yù)gent的權(quán)重。

ω3——靠近己方受傷Agent的權(quán)重。

ω4——靠近敵方受傷Agent的權(quán)重。

ω5——靠近己方軍旗的權(quán)重。

ω6——靠近敵方軍旗的權(quán)重。

1.7 Agent動(dòng)作選擇、決策邏輯及元規(guī)則的表示

用戶(hù)在運(yùn)用EINSTein進(jìn)行作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)其提供的元規(guī)則，以尋求高層的涌現(xiàn)性過(guò)程（如突破、翼側(cè)運(yùn)動(dòng)、鉗制）和低級(jí)原始活動(dòng)（如機(jī)動(dòng)、通信、對(duì)敵開(kāi)火）間的基本關(guān)系。EINSTein常用的作戰(zhàn)元規(guī)則如表1所列。

表1 常用的作戰(zhàn)元規(guī)則[3]

規(guī)則 描述撤退規(guī)則 除非Agent周?chē)凶銐蚨嗟募悍奖Γ駝t將撤退到己方軍旗處逃跑規(guī)則 盡快脫離敵方Agent支援I（提供支援）規(guī)則當(dāng)鄰近受傷己方Agent的數(shù)量大于給定的閾值數(shù)時(shí)，Agent將只關(guān)注受傷己方Agent（即提供支援）而忽略所有其他個(gè)性驅(qū)動(dòng)的動(dòng)機(jī)當(dāng)敵方Agent的數(shù)量大于給定的閾值數(shù)時(shí)，Agent將臨時(shí)忽略所有其他個(gè)性驅(qū)動(dòng)的動(dòng)機(jī)，而向鄰近己方Agent運(yùn)動(dòng)以尋求支援最接近（min-D）己方Agent規(guī)則 試圖與己方Agent保持最小距離最接近（min-D）己方軍旗規(guī)則 試圖與己方軍旗保持最小距離最接近（min-D）鄰近地形規(guī)則 試圖與鄰近地保持最小距離最接近（min-D）固定地域規(guī)則 試圖與戰(zhàn)場(chǎng)上某固定區(qū)域保持最小距離支援II（尋求支援）規(guī)則

2 非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)

自海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以后，非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)的概念逐漸為軍事人員所認(rèn)同。非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)，是指交戰(zhàn)雙方在不對(duì)等條件下，尤其是指交戰(zhàn)雙方使用不同類(lèi)型作戰(zhàn)力量（包括不同類(lèi)型的軍事組織和裝備體系）或不同類(lèi)型戰(zhàn)法（包括不同類(lèi)型的作戰(zhàn)理論和作戰(zhàn)方式）進(jìn)行的作戰(zhàn)。一般認(rèn)為，遂行非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)，在作戰(zhàn)全過(guò)程或某一階段，為謀求有利于己方的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，充分運(yùn)用一方作戰(zhàn)力量和選擇優(yōu)勢(shì)的謀略、時(shí)空、手段及方法的作戰(zhàn)基本要素，并通過(guò)對(duì)上述要素的優(yōu)化組合，使之相對(duì)于對(duì)方的相應(yīng)要素形成明顯的非對(duì)稱(chēng)性的作戰(zhàn)。不難看出，非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)的實(shí)質(zhì)，是形成對(duì)己方有利的作戰(zhàn)力量、手段和戰(zhàn)法等方面的優(yōu)勢(shì)，并利用這些優(yōu)勢(shì)達(dá)成超常的作戰(zhàn)效果[3]。

下面以紅方、藍(lán)方陸戰(zhàn)部隊(duì)非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)樣式為背景，運(yùn)用EINSTein進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的大小為120×120，紅方、藍(lán)方初始投入兵力各自為300個(gè)實(shí)體Agent，雙方初始隊(duì)形和部署如圖5所示，紅方、藍(lán)方分別位于戰(zhàn)場(chǎng)西南方向和東北方向，戰(zhàn)斗發(fā)起后分別向?qū)Ψ降赜驔_擊。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)代表實(shí)際作戰(zhàn)中的1min。

我們通過(guò)設(shè)置紅、藍(lán)雙方所使用的武器裝備以及雙方兵力的感知能力、通信能力等參數(shù)來(lái)更加客觀的體現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)的作戰(zhàn)效果。

實(shí)驗(yàn)方案一：藍(lán)方感知能力、通信能力高于紅方，其余參數(shù)設(shè)置基本一致。雙方初始配備均為300件拉栓式步槍?zhuān)˙olt-action Rifles）。如圖6、圖7、圖8分別為感知范圍、武器參數(shù)、Agent個(gè)性權(quán)值的輸入界面。

圖5 作戰(zhàn)初始態(tài)勢(shì)圖

圖6 感知范圍參數(shù)輸入界面

圖7 武器參數(shù)輸入界面

圖8 個(gè)性權(quán)值向量輸入界面

在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，作戰(zhàn)時(shí)間T=25min時(shí)，紅、藍(lán)雙方向自己的作戰(zhàn)目標(biāo)發(fā)起進(jìn)攻，并且雙方的先頭部隊(duì)已經(jīng)開(kāi)戰(zhàn)，紅方實(shí)體Agent存活275個(gè)、傷5個(gè)，藍(lán)方實(shí)體Agent存活268個(gè)、傷4個(gè)；作戰(zhàn)時(shí)間T=50min時(shí)，由于藍(lán)方的感知能力以及在通信開(kāi)啟的情況下，藍(lán)方根據(jù)獲得的紅方信息，形成包圍之勢(shì)，把紅方實(shí)體Agent包圍起來(lái)。此時(shí)，紅方實(shí)體Agent存活140個(gè)、傷20個(gè)，藍(lán)方實(shí)體Agent存活255個(gè)、傷36個(gè)；作戰(zhàn)時(shí)間T=75min時(shí)，藍(lán)方已經(jīng)將紅方全部殲滅，戰(zhàn)斗已經(jīng)結(jié)束。藍(lán)方實(shí)體Agent存活188個(gè)、傷57個(gè)。作戰(zhàn)時(shí)間T=100min時(shí)藍(lán)方繼續(xù)向紅方陣地前進(jìn)，并最終占領(lǐng)了紅方陣地。作戰(zhàn)過(guò)程態(tài)勢(shì)圖如圖9所示。運(yùn)用EINSTein仿真平臺(tái)自帶的可視化統(tǒng)計(jì)分析功能模塊，可得此次仿真試驗(yàn)雙方實(shí)時(shí)戰(zhàn)損情況，如圖10所示為10次實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

圖9 作戰(zhàn)過(guò)程態(tài)勢(shì)圖

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)曲線

實(shí)驗(yàn)一結(jié)論：紅藍(lán)雙方的武器裝備以及戰(zhàn)斗力等方面基本相同，然而藍(lán)方的感知范圍高于紅方，以至于在紅藍(lán)雙方交戰(zhàn)之前，藍(lán)方提前于紅方發(fā)現(xiàn)對(duì)方，并及時(shí)的通知后續(xù)部隊(duì)，在雙方交戰(zhàn)之前，藍(lán)方根據(jù)紅方情況而做出相應(yīng)的部署。交戰(zhàn)過(guò)程中，采用誘敵深入的戰(zhàn)法，將紅方包圍，從而全殲紅方，以較小的代價(jià)，取得了戰(zhàn)斗勝利。

實(shí)驗(yàn)方案二：改變紅方武器裝備配置：180件拉栓式步槍、20件半自動(dòng)步槍?zhuān)⊿emi-automatic Rifles）、20 件機(jī)關(guān)炮（Machine Guns）、30 件手榴彈（Grenades）、50 件迫擊炮（Mortars）；而藍(lán)方依然配置 300 件拉栓式步槍。其余初始條件不變。作戰(zhàn)時(shí)間t=20min、t=40min、t=60min、t=80min時(shí)，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖如圖11所示。

圖11 作戰(zhàn)過(guò)程態(tài)勢(shì)圖

在改變紅方武器裝備結(jié)構(gòu)后，通過(guò)此次仿真實(shí)驗(yàn)即可發(fā)現(xiàn)：在T=20min時(shí)，紅藍(lán)雙方向著作戰(zhàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，在T=40min時(shí)，紅藍(lán)雙方已經(jīng)開(kāi)始交戰(zhàn)，紅方實(shí)體Agent存活260個(gè)、傷7個(gè)，藍(lán)方實(shí)體Agent存活110個(gè)、傷18個(gè)，在T=60min時(shí)，紅方實(shí)體Agent存活225個(gè)、傷14個(gè)，藍(lán)方實(shí)體Agent存活0個(gè)、傷3個(gè)，在T=80min時(shí)，紅方占領(lǐng)藍(lán)方陣地，而藍(lán)方實(shí)體Agent存活0個(gè)，傷1個(gè)，且已經(jīng)逃逸，戰(zhàn)斗結(jié)束。此次仿真實(shí)驗(yàn)雙方實(shí)時(shí)戰(zhàn)損情況的數(shù)據(jù)曲線，如圖12所示。多次仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果大同小異。

圖12 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)曲線

實(shí)驗(yàn)二結(jié)論：紅方在大量裝備了相比于藍(lán)方先進(jìn)的武器裝備之后，盡管其感知范圍低于藍(lán)方，但是其武器裝備的有效射程以及殺傷半徑卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于藍(lán)方，雖然戰(zhàn)斗開(kāi)始之后，藍(lán)方通過(guò)其較高的感知能力先于紅方發(fā)現(xiàn)對(duì)方，然而，紅方運(yùn)用其裝備的手榴彈、迫擊炮等射程較遠(yuǎn)、殺傷半徑較大的武器，在很短的時(shí)間內(nèi)，在對(duì)方還未做出具體部署之前就將其殲滅，以非常小的代價(jià)，取得了戰(zhàn)斗的勝利。

3 結(jié)論

本文首先對(duì)EINSTein作戰(zhàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行了分析，運(yùn)用此作戰(zhàn)仿真平臺(tái)，進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)的仿真實(shí)驗(yàn)，從兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果我們可以看出：

（1）信息技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，深刻地改變著戰(zhàn)斗力要素的內(nèi)涵和戰(zhàn)斗力的生成模式。信息和結(jié)構(gòu)已成為戰(zhàn)斗力構(gòu)成中的核心要素。當(dāng)一方軍隊(duì)一旦與對(duì)方武器系統(tǒng)形成“信息差”時(shí)，在其他條件一致的情況下，必然遭遇失敗。

（2）現(xiàn)代作戰(zhàn)是體系之間的較量，參戰(zhàn)軍兵種眾多，實(shí)現(xiàn)武器裝備體系優(yōu)化配置的一方，在同等其他條件下將在作戰(zhàn)中體現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)。

（3）在敵對(duì)雙方勢(shì)均力敵的情況下，一方若將一批數(shù)量可觀的高效能武器裝備作為“撒手锏”，投入戰(zhàn)場(chǎng)使用，對(duì)于戰(zhàn)局朝己方勝利的方向發(fā)展，將起到?jīng)Q定性的作用。

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