基于MAS的航材保障仿真系統(tǒng)框架研究

陳 博，徐常凱，任佳成

(空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下，作戰(zhàn)部隊(如空軍)往往執(zhí)行高強度、多機種、大批量、多波次作戰(zhàn)任務(wù)，這使作戰(zhàn)航材保障難度更大，對作戰(zhàn)保障指揮人員的作戰(zhàn)航材保障能力的要求也更高。在此背景下，采用日漸成熟的建模與仿真技術(shù)實現(xiàn)對作戰(zhàn)航材保障流程的仿真模擬，不僅能夠全面細致地展示作戰(zhàn)航材保障的方法步驟，提高作戰(zhàn)航材保障指揮人員對作戰(zhàn)航材保障流程的熟悉程度，還能夠為作戰(zhàn)航材保障提供輔助決策支撐作用，也促使作戰(zhàn)航材保障不斷向滿足“作戰(zhàn)牽引、信息主導(dǎo)、精細管理、精確保障”的總體要求靠攏[1]。

近些年來，對后勤保障系統(tǒng)的仿真建模有很多研究，大多是基于離散事件的基礎(chǔ)上的，文獻[2]介紹了采用Petri網(wǎng)建模技術(shù)對保障系統(tǒng)進行構(gòu)建；文獻[3]闡述了2種國外較為先進的裝備保障仿真軟件OPUS10和SIMLOX，并提出了構(gòu)建裝甲裝備的保障仿真平臺的概念；文獻[4]闡述了基于美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF)下任務(wù)的復(fù)雜裝備系統(tǒng)建模方法。本文參考它們對離散事件的仿真方法，結(jié)合作戰(zhàn)航材的具體保障流程，主要采用應(yīng)用較為廣泛的面向Agent的仿真建模技術(shù)對作戰(zhàn)航材保障流程進行仿真建模，將作戰(zhàn)航材保障中各個實體單元的狀態(tài)與方法進行完全封裝[5]，再以此為基礎(chǔ)，采用Swarm平臺對上述Agent仿真模型進行實現(xiàn)，使系統(tǒng)能夠仿真統(tǒng)計出在具體任務(wù)中發(fā)生缺航材情況的次數(shù)[6]。

1 作戰(zhàn)航材保障仿真的Agent體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用Agent對作戰(zhàn)(其本身就是一個很復(fù)雜的系統(tǒng))進行建模，能夠充分發(fā)揮Agent模型智能化、自適應(yīng)性水平高的特點，建立對應(yīng)的作戰(zhàn)Agent模型。對于作戰(zhàn)航材保障而言，必須從作戰(zhàn)任務(wù)出發(fā)，圍繞具體任務(wù)對作戰(zhàn)航材保障仿真預(yù)案進行分析，從而構(gòu)建具體的仿真模型；同時，還要根據(jù)作戰(zhàn)航材保障任務(wù)對執(zhí)行任務(wù)的組織體系結(jié)構(gòu)進行分析，即以任務(wù)作為出發(fā)點，使航材保障指揮機構(gòu)、航材保障人員和武器航材能夠在一個整體中運作。其具體構(gòu)建方法如圖1所示。

首先，將作戰(zhàn)航材保障任務(wù)劃分為不同層次，使每個保障任務(wù)都可被表示為能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能的多個模塊的組合，用[A1,A2,…，An]表示。其中，n為組織基本功能的數(shù)量，Ai為組織所具備的第i項功能，主要包括作戰(zhàn)保障任務(wù)的接受、作戰(zhàn)保障任務(wù)的下達、作戰(zhàn)航材的籌措等；然后，對這些功能進行量化構(gòu)建。其中，功能用[B1,B2,…,Bn]表示；再接著，根據(jù)n的大小，建立作戰(zhàn)航材保障推演功能平臺，主要包括消耗模擬平臺、作戰(zhàn)航材調(diào)撥平臺以及作戰(zhàn)航材緊急申請平臺等。平臺集合用{C1,C2,…，Ck}表示。其中，k表示平臺的數(shù)量。對于各功能所執(zhí)行某項功能的能力則表示為[CBi1,CBi2,…CBik]；最后，建立決策實體模型，使其能通過必要的平臺資源來執(zhí)行作戰(zhàn)航材保障任務(wù)，并將其各方面能力進行量化，記為集合DS={d1,d2,…dk}[7]。

2 作戰(zhàn)航材保障仿真中的Agent設(shè)計

根據(jù)在執(zhí)行作戰(zhàn)保障任務(wù)過程中所擔(dān)負的職責(zé)、扮演的角色不同對整個作戰(zhàn)航材保障仿真過程中的Agent進行分類，主要包括任務(wù)描述Agent、數(shù)據(jù)分析Agent、決策Agent以及混合Agent 5類。這些Agent結(jié)構(gòu)既有一定的相似性，也有相應(yīng)的區(qū)別。

(1) 任務(wù)描述Agent

任務(wù)描述Agent在作戰(zhàn)航材保障仿真過程中主要承擔(dān)對仿真任務(wù)想定中的參數(shù)進行采集，并對其進行匯總，包括任務(wù)環(huán)境、戰(zhàn)損率、戰(zhàn)斗天數(shù)等如圖2所示。其對作戰(zhàn)航材保障的仿真消耗數(shù)量具有很大的影響。與此同時，任務(wù)描述Agent還可將數(shù)據(jù)信息進行預(yù)處理之后傳遞給其他Agent模型。

圖2 任務(wù)描述Agent仿真結(jié)構(gòu)

(2) 數(shù)據(jù)分析Agent

數(shù)據(jù)分析Agent主要應(yīng)用于對作戰(zhàn)航材保障仿真過程中的信息傳遞，包括接收其他Agent的相關(guān)信息，并將這些信息進行匯總、分類，在此基礎(chǔ)上通過在數(shù)據(jù)分析Agent中輸入算法，實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理。最終將不同類型的數(shù)據(jù)分類推送給對應(yīng)層次的Agent模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析Agent仿真結(jié)構(gòu)

(3) 決策Agent

決策Agent主要在作戰(zhàn)航材保障仿真過程中發(fā)揮決策管理的作用。其主要通過接收其他Agent所反饋的數(shù)據(jù)信息，并通過對這些數(shù)據(jù)信息的分析，預(yù)先實現(xiàn)擬定的仿真規(guī)則，共同進行推理決策，包括作戰(zhàn)航材是否被消耗、是否發(fā)生缺件等。決策Agent還將決策信息結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制指令下達給其他Agent，如圖4所示。

圖4 決策Agent仿真結(jié)構(gòu)

(4) 應(yīng)急處置Agent

應(yīng)急處置Agent是作戰(zhàn)航材保障流程仿真保障的核心內(nèi)容之一。對于作戰(zhàn)航材保障預(yù)案，其仿真中往往會出現(xiàn)缺器材的現(xiàn)象，即器材仿真模擬的消耗數(shù)量過大，預(yù)案制定的對作戰(zhàn)航材的消耗預(yù)測無法滿足作戰(zhàn)任務(wù)需要時，應(yīng)急處置Agent采用接受器材緊急調(diào)撥的指令，并調(diào)用數(shù)據(jù)分析Agent中的相關(guān)作戰(zhàn)航材保障資源數(shù)據(jù)以及模型庫中的航材緊急調(diào)撥申請表模板，受訓(xùn)人員可根據(jù)仿真結(jié)果對其進行填寫，如圖5所示。

(5) 混合Agent

混合Agent主要是以上4類Agent進行組合的一種Agent類型，主要指在作戰(zhàn)航材保障仿真過程中往往一個Agent需要上述Agent組合才能實現(xiàn)其功能。例如：在保障過程中發(fā)生缺器材情況時，一方面要將數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)分析Agent中；另一方面也要調(diào)用應(yīng)急處置Agent對缺航材情況進行處理。

圖5 應(yīng)急處置Agent仿真結(jié)構(gòu)

根據(jù)對作戰(zhàn)航材保障仿真任務(wù)過程的分析，將以上5類Agent模型進行分層次交互設(shè)計。其具體交互模型如圖6所示。多Agent作戰(zhàn)航材保障預(yù)案按照各單元擔(dān)負的任務(wù)不同可分為描述層、分析層、決策層、處置層以及資源層[8]。

圖6 作戰(zhàn)航材保障流程的Agent仿真架構(gòu)圖

3 基于Agent仿真模型的作戰(zhàn)航材保障實體關(guān)系描述

3.1 實體Agent

實體Agent代表在預(yù)案仿真過程中執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的單位。不同層次的Agent在仿真過程中擔(dān)負的角色各不相同，主要包括作戰(zhàn)航材、作戰(zhàn)航材保障部隊以及保障部隊的上級業(yè)務(wù)機關(guān)。按照作戰(zhàn)Agent建立的要求，可將其劃分為3元組，包括Agent名稱、Agent行動集合以及Agent的相關(guān)約束集合。

作戰(zhàn)航材保障部隊實體模型可用于整建制地模擬航材保障部隊的保障行動，在部隊調(diào)動、集結(jié)、補充以及機場、兵力集結(jié)地被攻擊等非交戰(zhàn)行動中，反映保障部隊組成結(jié)構(gòu)、位置分布等變化情況。例如：根據(jù)空軍作戰(zhàn)航材保障涉及的相關(guān)單位，主要包括以下部隊實體模型：上級指揮所、后方倉庫、航材保障單位、機務(wù)大隊、航材保障機動分隊。

3.2 行動

行動主要代表各部門在作戰(zhàn)航材保障過程中所需要完成的任務(wù)，包括行動名稱、開始任務(wù)的條件、行動結(jié)束的條件以及行動的約束等。其中：行動名稱是指任務(wù)活動的名稱；開始任務(wù)的條件是指當(dāng)滿足一定條件后任務(wù)開始執(zhí)行，例如在接受上級命令后，保障單位才能夠開始行動；行動結(jié)束后置條件指在任務(wù)完成后，所能夠滿足的條件，例如在進行緊急申請時，該項器材一定出現(xiàn)了短缺。行動的約束包括行動執(zhí)行者的規(guī)定、行動的相關(guān)規(guī)定等約束。

3.3 約束

由于各Agent在仿真過程中的層次不同，所以要設(shè)置一系列約束，作戰(zhàn)航材保障仿真中的Agent實體約束，主要包括作戰(zhàn)航材保障任務(wù)的時間約束、空間約束、資源約束以及各Agent之間的邏輯順序約束。其中：時間約束主要表示嚴格在想定規(guī)定的任務(wù)時間內(nèi)完成作戰(zhàn)航材保障任務(wù)，通常用任務(wù)持續(xù)時間與時間范圍來描述；空間約束主要是指作戰(zhàn)航材保障資源受空間限制的主要操縱中心點以及半徑描述；資源約束是指在作戰(zhàn)航材保障過程中所需要的航材資源配置的約束，包括航材數(shù)量、保障人員等資源約束；邏輯順序約束主要表示Agent在執(zhí)行任務(wù)過程中的流程順序，主要包括順序運行、并列運行以及選擇運行3種[9]。

(1) 順序運行

順序運行是Agent模型之間最簡單的關(guān)系之一，主要表示前一個Agent運行結(jié)束，后一個Agent隨即開始的關(guān)系。例如：在進行航材轉(zhuǎn)場保障任務(wù)時，轉(zhuǎn)出單位在結(jié)束保障關(guān)系后，轉(zhuǎn)進單位馬上進入接裝任務(wù)，建立新的保障關(guān)系。

(2) 并列運行

并列運行的方式主要可分為2種：一種是起始并列運行；另一種是并列運行結(jié)束。

(a) 起始并列運行

起始并列關(guān)系表示多個Agent在相同的條件下同時觸發(fā)開始運行狀態(tài)，例如：在轉(zhuǎn)場任務(wù)保障中，轉(zhuǎn)進單位和轉(zhuǎn)出單位可能同時接收到作戰(zhàn)任務(wù)后，同時進入清點庫存物資的狀態(tài)。

(b) 并列運行結(jié)束

并列運行結(jié)束表示多個Agent行動完成之后同時結(jié)束，后一個Agent開始運行。例如：在多個保障單位全部完成各自的保障任務(wù)之后，決策Agent才會對本次作戰(zhàn)保障任務(wù)是否成功進行判斷。

(3) 選擇運行

選擇運行方式與并列運行相類似，主要分為2種：一種是起始選擇結(jié)束運行；另一種是結(jié)束選擇運行。

(a) 起始選擇運行

起始選擇運行表示在一個Agent運行完畢后在多個Agent中選擇一個進行。例如：在發(fā)生航材緊缺的情況時，在仿真航材緊急調(diào)撥的過程中，當(dāng)應(yīng)急處置Agent發(fā)出應(yīng)急指令后，系統(tǒng)會在附近單位中選擇一個單位提供緊缺航材，并計算出時間。

(b) 結(jié)束選擇運行

結(jié)束選擇運行表示對于多個Agent同時運行時，只要一個Agent執(zhí)行結(jié)束，下一個Agent便開始運行。例如：多個參與作戰(zhàn)保障單位，任意一個單位出現(xiàn)航材短缺，應(yīng)急處置Agent就開始運行。

根據(jù)上述關(guān)系，對各實體Agent之間的關(guān)系進行梳理，使其能夠完整地描述出作戰(zhàn)航材保障流程，并構(gòu)建出完整的各Agent之間的關(guān)系圖，由Agent模型構(gòu)建的作戰(zhàn)航材仿真流程如圖7所示。

圖7 Agent模型構(gòu)建的作戰(zhàn)航材仿真流程

4 基于Swarm的作戰(zhàn)航材保障仿真的實現(xiàn)

Swarm仿真軟件是由圣菲研究所設(shè)計開發(fā)的、基于多主體并面向?qū)ο蟮囊豢钔耆_源的仿真平臺[10]，其主要能夠?qū)﹄x散事件進行仿真并構(gòu)建出層次化的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立對多Agent仿真模型的多層嵌套式結(jié)構(gòu)?；镜腟warm仿真程序主要包括ModelSwarm和Observe Swarm兩類[11]。

作戰(zhàn)航材保障仿真系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的保障系統(tǒng)，主要用于模擬各作戰(zhàn)單位在作戰(zhàn)航材保障過程中的保障活動，采用模型Swarm對上級指揮Agent、應(yīng)急指揮Agent、航材股Agent、攜行保障分隊Agent以及后方航材倉庫Agent進行封裝[12]，主要包括以下4個要素：

(1) 作戰(zhàn)航材Agent狀態(tài)

作戰(zhàn)航材Agent狀態(tài)是指個體Agent自身的保障狀態(tài)，包括能夠使用的作戰(zhàn)航材資源的品種、數(shù)量、地理位置與人員素質(zhì)等基本信息要素，這些要素是影響模型Swarm產(chǎn)生動作的主要因素。

(2) 約束與交互

作戰(zhàn)航材Agent中都有不同的條件約束限制其活動范圍，例如航材股Agent要遵循上級指揮機關(guān)發(fā)布的任務(wù)的基本信息與要求。與此同時，各Agent之間能夠進行信息的交流。

(3) 流程控制

流程控制是指為了模擬作戰(zhàn)航材保障流程事先對各個Agent仿真執(zhí)行任務(wù)的順序進行設(shè)置，通過調(diào)整各Agent行動發(fā)生的時間，實現(xiàn)對Swarm仿真模型的時間控制。

(4) 仿真行為

仿真行為是指在Agent接收到外部信息之后，各實體Agent對輸入的信息，根據(jù)實現(xiàn)擬定的規(guī)則進行推理計算，輸出結(jié)果傳輸?shù)较乱粋€Agent實體之中。

再建立Observe Swarm，其主要用于觀察統(tǒng)計ModelSwarm中的各仿真數(shù)據(jù)，并能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)生成圖標(biāo)進行直觀分析。

下面以作戰(zhàn)保障任務(wù)為例，空軍某型飛機24架，于某年某月某日由A單位進駐B單位，執(zhí)行戰(zhàn)略性突擊任務(wù)，作戰(zhàn)時間為7天。此型裝備完好率設(shè)為85%，出動率設(shè)為80%，出動強度設(shè)為3次/天，裝備戰(zhàn)損率設(shè)為4%，進行仿真，通過仿真其作戰(zhàn)裝備保障流程，仿真統(tǒng)計出在保障任務(wù)過程中發(fā)生缺航材的次數(shù)、缺器材的種類、數(shù)量等信息，具體Observe Swarm數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖如圖8、圖9所示。

圖8 缺航材發(fā)生次數(shù)

圖9 缺航材品種與數(shù)量

這些數(shù)據(jù)都能夠作為作戰(zhàn)航材保障部隊制定作戰(zhàn)航材保障預(yù)案時的重要數(shù)據(jù)支撐，使整個作戰(zhàn)航材保障獲得更大的軍事經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

在作戰(zhàn)裝備保障仿真系統(tǒng)中,根據(jù)具體的作戰(zhàn)航材保障流程，考慮各作戰(zhàn)元素的關(guān)系，采用基于Agent仿真建模方法與表達形式，搭建了Agent仿真系統(tǒng)的設(shè)計框架，建立了各Agent相互之間的協(xié)同關(guān)系,然后將作戰(zhàn)裝備保障流程中的Agent實體模型包裝為Swart模塊，通過Swart仿真平臺實現(xiàn)執(zhí)行某種方法或者動作以實現(xiàn)預(yù)期的仿真功能。最后本文給出了對具體作戰(zhàn)航材保障任務(wù)的仿真結(jié)果，具有較強的實用性，能夠廣泛地運用于對作戰(zhàn)裝備保障決策領(lǐng)域中，為作戰(zhàn)指揮人員的決策提供數(shù)據(jù)支撐。