網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)的建模、實現(xiàn)與驗證?

金 亮

（北京西三環(huán)中路19號 北京 100841）

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)的建模、實現(xiàn)與驗證?

金 亮

（北京西三環(huán)中路19號 北京 100841）

針對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮與控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了一種基于多Agent的指控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，給出各智能體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，詳細(xì)描述了指控體系多Agent模型的UML實現(xiàn)過程。以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)為例，給出作戰(zhàn)指揮控制的具體工作流模型，并通過Petri網(wǎng)驗證了該模型的正確性和可行性。

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)；指揮控制系統(tǒng)；多Agent系統(tǒng)；UML；Petri網(wǎng)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭正朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)（Net Centric Warfare，NCW）成為未來戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢。指揮控制系統(tǒng)（Command and Control System，C2）作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的核心環(huán)節(jié)，對其過程進(jìn)行科學(xué)合理的建模可以大幅提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

目前，國內(nèi)外提出了許多關(guān)于指揮控制系統(tǒng)的參考模型，如 ：SHOR（Stimulus-Hypothesis-Op?tion-Response）模型、Lawson C2過程模型、OODA（Observe，Orient，Decide，Act）環(huán)模型、CECA（Cri?tique-Explore-Compare-Adapt）認(rèn)知模型［1～2］等。為了實現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)的智能化，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，文獻(xiàn)［3］給出了面向NCW的C2過程模型，以過程模型和MOM框架為核心構(gòu)建了面向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的C2系統(tǒng)概念性模型框架。文獻(xiàn)［4］提出基于多智能體的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)仿真方法，構(gòu)建了作戰(zhàn)想定開發(fā)環(huán)境，結(jié)合一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的指揮模式，分析了基于多智能體的指揮控制系統(tǒng)的運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［5］給出了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)信息的分發(fā)過程，并結(jié)合編隊協(xié)同對地攻擊作戰(zhàn)環(huán)境給出了節(jié)點(diǎn)戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)過程的Agent模型。

為了更好地描述C2系統(tǒng)，本文從一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的角度出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下的指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行多Agent建模，并給出各Agent的具體結(jié)構(gòu)模型。在具體實現(xiàn)方面，使用UML（Unified ModelingLanguage）語言對各Agent進(jìn)行描述，并結(jié)合進(jìn)程和多線程技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。最后，使用Petri網(wǎng)對所建模型結(jié)構(gòu)的邏輯性進(jìn)行檢驗。

2 網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制系統(tǒng)具有信息傳輸快、打擊精度高、協(xié)同能力強(qiáng)等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)強(qiáng)大的作戰(zhàn)能力主要來源于信息網(wǎng)絡(luò)支撐下的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。其中，多種傳感器、多個指揮中心、多種武器平臺之間

形成一個統(tǒng)一高效的大系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢、武器裝備、作戰(zhàn)信息等作戰(zhàn)資源的共享［6～7］。

與傳統(tǒng)平臺中心戰(zhàn)的樹狀指揮控制結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對指揮控制系統(tǒng)提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)環(huán)境下各作戰(zhàn)單元之間的配合需要高度協(xié)調(diào)，各級指揮控制中心需要共享戰(zhàn)場信息，相互密切配合，進(jìn)而形成橫向連通、縱橫一體的指揮控制網(wǎng)絡(luò)。

3 基于多Agent的C2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制系統(tǒng)是一個多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS），指控系統(tǒng)中不同等級的各個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)MAS中不同等級的智能體。本文對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行多Agent建模，具體模型如圖1所示。

系統(tǒng)包括信息探測Agent、態(tài)勢感知Agent、指揮中心 Agent、輔助決策 Agent、武器平臺 Agent、效能評估Agent、網(wǎng)絡(luò)通信Agent和云端數(shù)據(jù)庫。具體的作戰(zhàn)指揮控制流程如下：首先，信息探測Agent通過傳感器網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)場環(huán)境實施實時、全時空、全頻域的偵察監(jiān)視。其次，態(tài)勢感知Agent通過數(shù)據(jù)融合對搜集的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并將初步分析結(jié)果傳遞到指揮中心Agent。然后，指揮中心Agent將參考輔助決策Agent提供的輔助決策信息，通過內(nèi)部子系統(tǒng)將作戰(zhàn)命令下達(dá)至各武器平臺Agent，各武器平臺根據(jù)具體的作戰(zhàn)命令對具體目標(biāo)進(jìn)行火力打擊。最后，效能評估Agent對各武器平臺的作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估，并將評估結(jié)果反饋至指揮中心Agent，用于決定是否需要對目標(biāo)進(jìn)行二次打擊。整個作戰(zhàn)指揮控制過程中由網(wǎng)絡(luò)通信Agent負(fù)責(zé)各智能體間的信息交互，它架起了各智能體間通信的橋梁。

下面分別對系統(tǒng)中的幾個核心智能體結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

3.1 信息探測Agent

預(yù)警機(jī)、地面雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)、艦載防空雷達(dá)、天基探測偵察衛(wèi)星、有人/無人偵察機(jī)、作戰(zhàn)飛機(jī)探測系統(tǒng)（雷達(dá)和光電）等是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下信息探測Agent的主要作戰(zhàn)單元。信息探測Agent的主要任務(wù)是獲取戰(zhàn)場信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。各模塊功能如下［8］：

1）環(huán)境感知模塊：通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境信息的實時獲取。

2）目標(biāo)模塊：通過通信模塊接收上級下達(dá)的任務(wù)信息生成所需達(dá)到的任務(wù)目標(biāo)。

3）推理模塊：利用當(dāng)前戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合任務(wù)目標(biāo)和知識庫，做出相應(yīng)的決策。此外，推理模塊還不斷地總結(jié)經(jīng)驗，為知識庫增加新的知識。

4）執(zhí)行模塊：主要描述Agent獲取目標(biāo)時的行為，并將決策信息輸入到相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)中。

5）威脅告警模塊：結(jié)合獲取到的戰(zhàn)場環(huán)境信息，對可能存在的安全隱患產(chǎn)生報警信息。

6）知識庫：該模塊是指導(dǎo)信息探測Agent高效有效的核心，其中主要包括推理知識和控制知識。

7）通信模塊：一方面，實現(xiàn)信息探測Agent與其他Agent的信息交互。另一方面，實現(xiàn)知識庫與云端數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的共享。

3.2 指揮中心Agent

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下的指揮中心Agent包括：地面指揮中心、空中指揮中心和海上指揮中心。指揮中心Agent是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)的核心Agent，其主要由知識庫、態(tài)勢情報處理模塊、推理決策模塊、任務(wù)分配模塊、協(xié)同作戰(zhàn)模塊、導(dǎo)航模塊、人機(jī)交互模塊和通信模塊構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。其中，態(tài)勢情報處理模塊負(fù)責(zé)對態(tài)勢感知Agent上報的戰(zhàn)場態(tài)勢信息進(jìn)行處理；推理決策模塊結(jié)合知識庫中已有的知識對得到的戰(zhàn)場態(tài)勢信息進(jìn)行綜合處理，生成具體的作戰(zhàn)任務(wù)；任務(wù)分配模塊和協(xié)同作戰(zhàn)模塊分別負(fù)責(zé)作戰(zhàn)任務(wù)在多種武器平臺之間的分配和協(xié)調(diào)工作。為了更好地實現(xiàn)C2系統(tǒng)的智能化，人機(jī)交互模塊將負(fù)責(zé)戰(zhàn)場態(tài)勢信息和指揮控制過程的實時顯示。

3.3 武器平臺Agent

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下的武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由各種天基、陸基和?；淦飨到y(tǒng)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。為了提高作戰(zhàn)效能，指揮中心Agent應(yīng)結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)的特點(diǎn)，將具體的打擊任務(wù)分配至不同的武器平臺。武器平臺Agent由知識庫、火控解算模塊、武器管理模塊、電子干擾模塊以及通信模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

在具體的空戰(zhàn)環(huán)境下，當(dāng)載機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，武器平臺Agent通過通信模塊從信息探測Agent獲取目標(biāo)和載機(jī)的運(yùn)動參數(shù)，經(jīng)火控解算后，選擇合適的武器類型對目標(biāo)進(jìn)行攻擊。此外，當(dāng)信息探測Agent中的威脅告警模塊發(fā)現(xiàn)友機(jī)正在被攻擊時，武器平臺Agent中的電子干擾模塊會立即根據(jù)威脅情況和飛行員指令選擇具體的干擾方式對敵機(jī)進(jìn)行電子干擾。

4 C2系統(tǒng)多Agent模型的UML實現(xiàn)

在多Agent模型的實現(xiàn)方面，可以將Agent視為對象的擴(kuò)展。UML作為面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)建模語言，它自然成為描述多Agent系統(tǒng)模型的首選建模語言［9～11］。類圖作為面向?qū)ο竽Ｐ偷暮诵模磉_(dá)了一組類和它們之間的聯(lián)系，它一方面描述了類的成員，另一方面描述了系統(tǒng)類與類之間的靜態(tài)關(guān)系［12］。因此，C2系統(tǒng)的多Agent模型可以通過類圖的方式進(jìn)行描述。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)的總體類圖如圖5所示。此外，當(dāng)C2系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，可以結(jié)合進(jìn)程和多線程技術(shù)將不同進(jìn)程分布在不同的計算機(jī)上，各個進(jìn)程之間既可以獨(dú)立運(yùn)行又可以進(jìn)行信息交互，進(jìn)而實現(xiàn)C2系統(tǒng)的動態(tài)仿真。

活動圖既可以描述操作的行為，也可以描述用例和對象內(nèi)部的工作過程，使用UML的活動圖可以詳細(xì)地描述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制過程中的控制流［13～14］。為了更加清晰地描述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)中各個Agent之間的協(xié)作過程，本文給出了基于UML活動圖的作戰(zhàn)指揮控制過程，具體實現(xiàn)如圖6所示。

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制過程的活動圖中，使用泳道區(qū)分指揮控制過程中涉及到的不同Agent對象。使用圓角矩形表示指揮控制過程中各Agent內(nèi)部模塊的活動狀態(tài)，分別使用菱形和同步棒表示指揮控制工作流的分叉和并發(fā)。

5 C2系統(tǒng)模型的Petri網(wǎng)驗證

前面對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2的建模和實現(xiàn)過程進(jìn)行了分析，下面通過Petri網(wǎng)對本文所建立的模型進(jìn)行驗證。

利用Petri網(wǎng)進(jìn)行工作流模型的檢驗首先需要將基于UML的指揮控制模型轉(zhuǎn)換成Petri網(wǎng)。將UML活動圖轉(zhuǎn)換為Petri網(wǎng)的主要規(guī)則如下［15］：

UML活動圖中的狀態(tài)由Petri網(wǎng)中的庫所來表示；

UML活動圖中的轉(zhuǎn)移由Petri網(wǎng)中的變遷來表示；

UML活動圖中狀態(tài)與轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系由Petri網(wǎng)中對應(yīng)的庫所與變遷之間的弧來表示；

UML活動圖中的泳道在轉(zhuǎn)換過程中可以忽略。

根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則，可以將網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制過程的活動圖轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，如圖7所示。其中P1表示開始狀態(tài)，P2表示偵察命令已經(jīng)下達(dá)，以此類推，P22表示攻擊完成，P23表示結(jié)束狀態(tài)。

Petri網(wǎng)模型的驗證方法有很多種，主要包括：可達(dá)樹法、關(guān)聯(lián)矩陣法、狀態(tài)方程法等?？紤]到從UML模型直接轉(zhuǎn)換得到的Petri網(wǎng)模型中包含一些相對于性能分析而言冗余的部分，本文采用文獻(xiàn)［16］中Petri網(wǎng)模型的化簡規(guī)則對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制過程的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行化簡?；喓蟮腜etri網(wǎng)模型及其可達(dá)樹如圖8所示。

通過對上述Petri網(wǎng)模型的可達(dá)樹進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）在給定初始標(biāo)識的情況下，系統(tǒng)的所有過程節(jié)點(diǎn)都有可能被執(zhí)行，該模型滿足可達(dá)性。

2）系統(tǒng)的可達(dá)標(biāo)識集是有限的。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對任意可達(dá)標(biāo)識而言，其任一位置上所包含的令牌數(shù)均為0或1。由此說明系統(tǒng)是有界的，且整個指揮控制過程具有極好的安全性。

然而，上述模型存在死鎖｛p2，p3｝。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生死鎖的原因是對作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行二次打擊時存在打擊目標(biāo)不明確的問題。在實際作戰(zhàn)過程中，輔助決策Agent應(yīng)根據(jù)作戰(zhàn)效能確定二次打擊目標(biāo)，進(jìn)而完成對特定目標(biāo)的二次打擊。因此需要對圖6所示的UML活動圖進(jìn)行修改，改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)活動圖如圖9所示。

對圖9所示活動圖所對應(yīng)的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行多次化簡，化簡后的Petri網(wǎng)模型只包含開始庫和結(jié)束庫所，由此說明改進(jìn)后的UML活動圖可以很好地描述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)中各個Agent之間的協(xié)作過程。由此可以判定本文提出的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下C2系統(tǒng)多Agent模型及其UML實現(xiàn)方法是正確、安全和可靠的。

6 結(jié)語

本文在分析網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指控系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立一種C2系統(tǒng)的多Agent體系結(jié)構(gòu)模型，并對各Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型及其UML實現(xiàn)方法行了詳細(xì)介紹。最后，以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下典型的多機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)為例，給出了作戰(zhàn)指揮控制過程的UML活動圖，并使用Petri網(wǎng)對其結(jié)構(gòu)邏輯性進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明本文提出的基于多Agent的C2系統(tǒng)模型可以很好地描述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程，為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)下指揮控制系統(tǒng)建模提供了一種新的思路和方法。

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Modeling，Implementation and Verification of Command and Control System in Network Centric Warfare

JIN Liang
（No.19 Central Xisanhuan Road，Beijing 100841）

According to the characteristics of network centric warfare command and control system，this paper establishes a structure model of command and control systembased on multi-Agent.It gives the internal structure modeloftheagent，and UML im?plementation process of the multi-Agent command and control system model is described in detail.Then，taking the multi fighterco?operative air combat as an example，the specific workflow model of combat command and control is presented，and the correctness and feasibility of the model are verified by Petri-net.

network centric warfare，command and control system，multi-Agent system，UML，Petri-net

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.001

Class Number TP393

2017年5月2日，

2017年6月22日

金亮，男，碩士，工程師，研究方向：電子信息系統(tǒng)。