基于MAXSIM平臺的巡邏戰(zhàn)法仿真建模

邵作浩，熊正祥，由大德

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018）

基于MAXSIM平臺的巡邏戰(zhàn)法仿真建模

邵作浩，熊正祥，由大德

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018）

MAXSIM平臺具有良好的二次開發(fā)性，通過MAXSIM平臺進行戰(zhàn)法研究將更好地滿足戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役級的軍事仿真需求。目前MAXSIM平臺中巡邏戰(zhàn)法只具備發(fā)現(xiàn)報告對方目標(biāo)及返港能力、未能列出不同巡邏戰(zhàn)法，通過行為編輯器（BE）編寫常用的巡邏戰(zhàn)法，完善了MAXSIM平臺的行為知識庫（BKB），使水面艦艇具備發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)后進行追逐、攻擊的能力，并提出根據(jù)Bezier曲線算法對目標(biāo)航行軌跡進行預(yù)判的追逐方式，對進一步研究巡邏戰(zhàn)法的應(yīng)用具有借鑒意義。

MAXSIM；水面艦艇；行為建模；巡邏；戰(zhàn)法

目前，計算機兵力生成（CGF）是各個國家發(fā)展其軍事仿真應(yīng)用廣泛的技術(shù)手段，應(yīng)用于各類演練、武器裝備測試中，其系統(tǒng)也得到了不斷的改進與開發(fā)［1］。

美國自20世紀(jì)投資建設(shè)了CGF模擬訓(xùn)練系統(tǒng)［2］，且在本領(lǐng)域內(nèi)一直處于先進水平［3］。根據(jù)還原論進行建模的方法無法良好地描述復(fù)雜系統(tǒng)，然而通過Agent的建模思想能更好地建模，并且具有平臺獨立性強、二次開發(fā)性高、支持不同種類仿真等優(yōu)點［4］。由于通過Agent進行建模的方法自主性高，更有利于單個實體與單個實體、實體與環(huán)境之間的交互，國外已經(jīng)開發(fā)出了眾多性能良好的仿真系統(tǒng)并得到了廣泛應(yīng)用，如：One SAF、STAGE和VR?FORCE等。MAXSIM平臺是基于多Agent的建模思想［5］開發(fā)出的一個具有開放性的分布式仿真平臺系統(tǒng)，具有較好的二次開發(fā)性，利用MAXSIM平臺研究戰(zhàn)法對提升我國軍事仿真水平具有重要意義。

目前MAXSIM平臺中巡邏戰(zhàn)法只具備發(fā)現(xiàn)對方目標(biāo)并報告其信息等基本功能，未能列出不同巡邏戰(zhàn)法，本文主要針對MAXSIM平臺中行為知識庫及行為編輯器（BE）的應(yīng)用，以創(chuàng)建往返巡邏戰(zhàn)法為例對水面艦艇巡邏戰(zhàn)法進行研究。通過編寫水面艦艇的巡邏戰(zhàn)法擴展MAXSIM平臺的行為知識庫（BKB），使水面艦艇巡邏戰(zhàn)法具備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后采用Bezier曲線算法預(yù)測目標(biāo)行進路線、進行追逐并攻擊的能力，豐富了水面艦艇的巡邏方式，完善了巡邏戰(zhàn)法的功能，為深入研究巡邏戰(zhàn)法的應(yīng)用提供借鑒。

1 MAXSIM平臺中水面艦艇巡邏方式與實現(xiàn)

1.1 水面艦艇巡邏方式及其特點

在目前海上情況下，應(yīng)對不同海上作戰(zhàn)任務(wù)需求，水面艦艇主要有六種巡邏方式［6］，如圖1所示。

圖1 六種巡邏方式

往返巡邏是指在執(zhí)行往返巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在指定的巡邏范圍內(nèi)，按照設(shè)置的巡邏航向航速進行往返巡邏，待巡邏至指定范圍之外前將轉(zhuǎn)向180°，調(diào)轉(zhuǎn)航向恢復(fù)至原定巡邏路徑進行巡邏。

環(huán)繞巡邏是指在執(zhí)行環(huán)繞巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在指定的巡邏范圍內(nèi)，在確定巡邏過程中不同階段的航向后，根據(jù)當(dāng)前位置信息確定艦艇位于環(huán)繞巡邏路徑的對應(yīng)階段繼續(xù)進行巡邏。如果不在預(yù)定的巡邏路徑上或到達制定轉(zhuǎn)向點時，通過調(diào)整航向，使得艦艇逐漸駛向預(yù)定路徑繼續(xù)進行巡邏。

交叉巡邏是指在執(zhí)行交叉巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在指定的巡邏范圍內(nèi)，到達轉(zhuǎn)向點時通過計算巡邏的當(dāng)前位置信息，確定航向轉(zhuǎn)變角度進而繼續(xù)巡邏。

定點巡邏是指在執(zhí)行隨機巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在設(shè)置的巡邏范圍內(nèi)，沿距離最短路徑駛向最后發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)的位置附近，按照指定的路徑對敵方目標(biāo)可能出現(xiàn)的周邊局域進行搜索。

隨機巡邏是指在執(zhí)行隨機巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在設(shè)置的巡邏范圍內(nèi)，利用隨機數(shù)方式隨機地調(diào)整處于不同巡邏階段時艦艇下一步的航向航速及航行時間。

平行巡邏是指在執(zhí)行隨機巡邏任務(wù)的過程中，艦艇會在指定的巡邏范圍內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前位置信息確定艦艇更接近于平行巡邏路徑的對應(yīng)階段，駛向指定的巡邏路徑附近，沿類似于蛇形的路徑回路進行巡邏。

1.2 水面艦艇巡邏方式的實現(xiàn)

MAXSIM平臺經(jīng)過先前的開發(fā)建立了很多戰(zhàn)法，一個較為實用的戰(zhàn)法往往是由多個之前創(chuàng)建的狀態(tài)子、戰(zhàn)法及互相之間的轉(zhuǎn)換條件組成［7］。開發(fā)者可以通過行為編輯器（BE）對行為知識庫（BKB）進行更改及擴充。本節(jié)將以往返巡邏為例，簡要介紹如何對MAXSIM平臺可支持的行為知識庫進行擴展。

首先，通過選擇狀態(tài)編輯器中不同類型狀態(tài)并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建往返巡邏狀態(tài)子Rectilinear Patrol，如圖2所示。

圖2 創(chuàng)建往返巡邏狀態(tài)子Rectilinear Patrol

在完成往返巡邏狀態(tài)子Rectilinear Patrol的創(chuàng)建后，將其作為往返巡邏戰(zhàn)法的開始點，通過轉(zhuǎn)換規(guī)則編輯器編輯對應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件，如圖3所示，并排列各狀態(tài)子的轉(zhuǎn)換順序，如圖4所示。在完成各狀態(tài)子間轉(zhuǎn)換條件的編輯后，如圖5所示，保存創(chuàng)建好的往返巡邏戰(zhàn)法。CGF模型將根據(jù)當(dāng)前參數(shù)，按照轉(zhuǎn)換條件的優(yōu)先次序，依次驗證是否滿足該轉(zhuǎn)換條件從而確定轉(zhuǎn)換至對應(yīng)狀態(tài)。圖5中Rectilinear Patrol為圖3中創(chuàng)建的往返巡邏狀態(tài)子，在滿足轉(zhuǎn)換條件①～③時將對目標(biāo)進行攻擊，在滿足轉(zhuǎn)換條件④時進入返港狀態(tài)脫離戰(zhàn)場。若因目標(biāo)處于武器裝備攻擊范圍之外、為保證射擊效果或其它原因，在滿足轉(zhuǎn)換條件⑤時可進入追逐狀態(tài)從而接近目標(biāo)，即執(zhí)行圖5中Bezier Chasing狀態(tài)子。

2 采用Bezier曲線法追逐目標(biāo)

在編隊巡邏過程中，CGF能通過用戶自定義、探測到的距離最近的敵軍目標(biāo)等不同方式選擇目標(biāo)，如果目標(biāo)不在武器裝備攻擊范圍內(nèi)或者因為戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略要求需要接近目標(biāo)，CGF可以通過追逐的方式減小與目標(biāo)間的距離。然而，當(dāng)追逐方的機動性能不如被追逐方或者兩者差異較小時，追逐算法的智能化高低將對追逐的最終結(jié)果起到至關(guān)重要的影響。

圖3 編輯往返巡邏狀態(tài)轉(zhuǎn)為攻擊水面艦艇狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件

上述以往返巡邏戰(zhàn)法的創(chuàng)建為例介紹了MAXSIM平臺中水面艦艇巡邏方式的實現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)后，為減少接近目標(biāo)的用時，使艦艇具備對目標(biāo)航行軌跡進行預(yù)判的能力，下面將介紹引入到該往返巡邏戰(zhàn)法中相比傳統(tǒng)追逐算法具有更強預(yù)判能力的建模方法——Bezier曲線法。

圖4 編輯往返巡邏狀態(tài)轉(zhuǎn)至其它狀態(tài)的轉(zhuǎn)換順序

圖5 往返巡邏戰(zhàn)法示意圖

追逐目標(biāo)是不斷接近目標(biāo)實體的行為，開始它的實現(xiàn)是通過比較己方與目標(biāo)的坐標(biāo)，例如：當(dāng)己方橫坐標(biāo)小于目標(biāo)橫坐標(biāo)時，則遞增己方橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)同理，如圖6所示。這種方法簡單易于實現(xiàn)，然而與實際情況相差較大。

圖6 傳統(tǒng)追逐算法可能出現(xiàn)的不自然效果

確保己方速度方向始終指向目標(biāo)的方法，使得追逐過程更加逼真，卻不夠智能，不能進行預(yù)判無法提升追逐效率。而且，在己方相對目標(biāo)沒有明顯機動性能優(yōu)勢、己方與目標(biāo)的初始距離較遠(yuǎn)等情況下，更要求追逐算法能進行預(yù)判、減少實際所需的追逐路程從而實現(xiàn)更高效地追逐。

由于目標(biāo)實際的運動軌跡直接由其速度矢量決定，而速度通常情況下是漸變的連續(xù)量。在對目標(biāo)運動軌跡曲線進行預(yù)判時，如圖7所示，當(dāng)預(yù)測的軌跡曲線位于曲線末端的圓弧延長線和切線之間時，認(rèn)為此次預(yù)測可以接受［3］，因此能夠建立一種Bezier曲線算法對目標(biāo)的軌跡曲線進行預(yù)判。

圖7 Bezier曲線示意圖

通過探測到的數(shù)據(jù)，能夠得到目標(biāo)在之前一段時間的運動軌跡曲線為P（t），0≤t≤1。建立Bezier曲線算法的步驟如下：

1）設(shè)P（t）為目標(biāo)軌跡曲線的預(yù)測量，其中時間t為目標(biāo)軌跡曲線的自變量，p≤t≤q。

2）根據(jù)三次Bezier曲線和參數(shù)間的關(guān)系建立方程組，通過計算得出以t′（0≤t′≤1）作變量的曲線：

3）通過選出先前已知軌跡曲線中的4個位置和時間信息，得出預(yù)測軌跡曲線中以t′為時間變量的4個點。

4）將這4個點及t′值代入聯(lián)立方程組，可解出延長后曲線的控制點信息，得到延長后的Bezier曲線三次函數(shù)。

由于速度通常情況下是漸變的連續(xù)量，當(dāng)被追逐實體的軌跡預(yù)判信息得出之后，追逐實體的路線設(shè)定就可以選取延長線上的一點位置以及該點處的切線斜率，為跟隨實體生成一條平滑曲線路徑。

3 結(jié)束語

本文以水面艦艇往返巡邏為例，介紹了對MAXSIM平臺行為知識庫進行擴展的基本方法，通過編寫水面艦艇的巡邏戰(zhàn)法完善了MAXSIM平臺的行為知識庫（BKB），使水面艦艇具備發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)后進行追逐、攻擊的能力。

同時針對MAXSIM平臺中實體朝目標(biāo)機動以期望追逐攔截目標(biāo)的算法提出了將Bezier曲線算法引入MAXSIM平臺戰(zhàn)法機動，對進一步研究巡邏戰(zhàn)法的應(yīng)用具有借鑒意義。下一步將研究不同的追逐算法并分析各戰(zhàn)法追逐的效率高低及適用情況，從而更好地滿足實際作戰(zhàn)需求。

［1］ 楊克巍.基于半自治Agent的CGF建模及應(yīng)用研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17（4）：997?999，1003.

［2］ U.S.Department of Defense.Modeling and Simulation（M＆S）Master Plan［R］.DoD 5000.59?P，1995.

［3］ 介飛.復(fù)雜仿真系統(tǒng)中的行為建模方法研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2014.

［4］ 廖守億.復(fù)雜系統(tǒng)基于Agent的建模與仿真方法研究及應(yīng)用［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.

［5］ HarTech Technologies.Developer's Guide For SSG?Based Applications［M］.2014.

［6］ 孫珠峰.艦艇CGF協(xié)同反潛技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

［7］ 韓曉光，徐海剛，吳晞.基于MAXSIM平臺的兩棲坦克CGF兵力生成方法研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2016，44（1）：32?36，69.

Patrol Methods Modelling and Simulation Based on MAXSIM

SHAO Zuo?hao，XIONG Zheng?xiang，YOU Da?de
（Dalian Navy Academy，Dalian 116018，China）

MAXSIM platform，which has a high level of secondary development，could meet the demand of military simulation by methods'researching.As the Behavior Knowledgebase（BKB）doesn't contain enough patrol methods to meet practical needs，it's necessary to edit more practical patrol methods by Behavior Editor（BE）.The simulation of tactical patrol perform?ance is realized，especially the surface vessels could chase targets according to the Bezier algorithm and attack them which have been found.This paper's method could also be used for further research on the application of patrol methods.

MAXSIM；surface vessel；behavior model；patrol；method of operation

TJ391；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.018

1673?3819（2016）06?0090?03

2016?07?31

2016?10?27

邵作浩（1994?），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真。

熊正祥（1973?），男，博士。

由大德（1962?），男，教授。