基于Agent的指揮控制系統(tǒng)設計

何兆龍 靳鍇 何文志

摘要：針對現有智能無人系統(tǒng)構成復雜、運作流程繁瑣，難以合理高效地實現各部分功能、協調各分系統(tǒng)工作的問題，建立了完善的指揮控制系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)進行指揮控制與輔助決策。對智能無人系統(tǒng)指揮控制的概念與需求分別進行了建模與分析，結合信息化發(fā)展帶來的網絡中心戰(zhàn)概念，提出了信息時代的指揮控制系統(tǒng)網絡中心結構，并結合智能Agent技術設計了指揮控制系統(tǒng)，通過再入投送系統(tǒng)仿真驗證了指揮控制系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞：指揮控制系統(tǒng)；網絡中心戰(zhàn)；智能體；再入投送

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）05-50-4

0引言

指揮控制系統(tǒng)是以計算機為核心、多種技術設備為輔，由指揮人員構成的指揮層，能夠對任務部隊及主戰(zhàn)武器裝備實施指揮控制，實現全時全域的動態(tài)高效控制。

在指揮控制系統(tǒng)理論方面，大量專家學者開展了廣泛深入的研究。Drillings[1]、Pascual[2]和Klein[3]針對自然指揮控制決策問題展開了研究，以空軍作戰(zhàn)為背景，通過自然決策的方法解決了可視化困難與戰(zhàn)場條件變化情況下給出實時命令的問題。Sarter[4]針對高風險區(qū)域，在規(guī)定時間、信息不確定的情況下對指揮控制決策的問題展開研究，對2種不同的決策信息支持系統(tǒng)的有限性進行了討論。唐立軍[5]研究了有關網絡中心戰(zhàn)的概念與特點，提出了應用信息化帶來的便利條件，構建了以網絡為中心的指揮控制決策系統(tǒng)，替代了以平臺為中心的傳統(tǒng)設計方式，適應了系統(tǒng)現代化發(fā)展的趨勢與要求。李奎[6]對地面武器機器人的指揮控制需求進行了全面的分析，根據研究對象特點構建了適應任務的指揮控制系統(tǒng)結構，依據任務需求，定義了輔助決策概念，設計了輔助決策系統(tǒng)。

針對現有指揮控制系統(tǒng)的不足，開展Agent指揮控制系統(tǒng)設計研究，提出了基于Agent的指揮控制輔助決策系統(tǒng)。

1網絡中心指揮控制系統(tǒng)結構設計

網絡中心戰(zhàn)并不是關于互聯網的戰(zhàn)爭，而是以網絡技術為基礎，包含信息領域的各種技術，是一種指揮控制理念。隨著信息技術的發(fā)展，各種應用系統(tǒng)從平臺中心化向網絡中心化過渡。以往主要是圍繞平臺執(zhí)行任務，在行動過程中，各平臺自行獲取信息，通過決策系統(tǒng)進行決策，最終由指揮控制系統(tǒng)實現任務。而隨著網絡應用技術發(fā)展，由相互聯接的通信、指揮、控制系統(tǒng)構成的網絡也有了長足進步，將平臺中心轉移至網絡中心成為了實現高效指揮控制決策的有效方法。

1.1網絡中心戰(zhàn)網格設計

為實現網絡中心戰(zhàn)的強大優(yōu)勢，建立其網格體系結構，按功能可以把智能無人系統(tǒng)的整個網絡分為3個互相連接的部分：以通信為基礎的信息網格、以傳感器為基礎的傳感器網格和以平臺為基礎的平臺網格。其中信息網格以各種軟件為主，包括各種計算、優(yōu)化、策略軟件等；傳感器網格與投送網格屬于硬件設施，其中傳感器網格包括各種通信、控制設備；平臺網格主要包括軌道平臺。網格體系結構如圖1所示。

所有探測裝置諸如衛(wèi)星、偵察機、艦艇和雷達等共同組成了傳感器網格，各系統(tǒng)之間相互配合相互支持。與此同時，平臺網格能夠充分使用傳感器網格獲得的信息，通過自身的決策技術對信息進行有效處理，從而進行有效的投送任務。信息網格則為傳感器網格和平臺網格提供鏈接支撐，實現2個網格之間的信息傳遞。

1.2網絡中心戰(zhàn)映射域設計

網絡中心戰(zhàn)的整個概念框架可以映射到3個領域：物理領域、信息領域和認知領域，網絡中心戰(zhàn)映射如圖2所示。

物理領域是包括所有硬件在內的系統(tǒng)，這里主要是指智能無人平臺與各種支持系統(tǒng)。信息領域包括與通信有關的一切內容，主要涵蓋信息收集、處理、共享。認知領域是所有算法、策略、優(yōu)化的總和，是決策過程的核心內容。

2基于Agent的輔助決策

2.1 Agent技術

Agent技術屬于人工智能技術，是一種與其周圍環(huán)境進行交互的、自主運行的實體。其主要特點是自主性和協作性。Agent具有獨立于其他實體并自主行動的能力，能將推理與知識相結合。將Agent技術用于智能無人系統(tǒng)的指揮控制，能滿足快速性與多平臺協調性的需求。Agent的典型抽象視圖如圖3所示。

2.2 Agent輔助決策設計

2.2.1指揮決策Agent的提出

指揮控制系統(tǒng)輔助決策是通過傳感器得到數據，經過算法、策略以及優(yōu)化實現任務，同時，對照規(guī)則和制約條件，提出相應的方案供選擇。每一個決策過程中，需要根據平臺本身的性能、目標信息、任務需求等進行決策。而Agent具有的特點滿足了輔助決策需求，因此提出基于Agent理論及方法的輔助決策概念。

2.2.2基于Agent的決策結構

根據智能無人系統(tǒng)的特點，結合Agent輔助決策技術，Agent決策結構如圖4所示，圖中每個虛線框都是一個Agent結構，所以整個決策Agent也就是一個由多Agent共同構成的結構。

決策Agent的工作原理和過程為：

①通信模塊和感知模塊：通信模塊主要負責平臺與外部通信聯絡，如與監(jiān)測系統(tǒng)信息交互、指揮命令下達等；而感知模塊主要是感知外部環(huán)境變化，并將結果傳送給信息處理模塊。

②信息處理模塊：接收來自感知模塊及通信模塊的信息，包括環(huán)境信息、系統(tǒng)自身信息，然后將其進行處理，實現對決策模塊的支撐。在特殊情況下可以采用應急模塊進行處理。

③態(tài)勢評估模塊：收到從信息處理模塊傳來的信息，并結合已有知識庫，進行環(huán)境分析（天氣情況、地形分析）、任務分析等，并將結果送入決策模塊。

④決策模塊：決策Agent的核心，通過任務規(guī)劃生成任務決策，通過指揮控制進行執(zhí)行。針對不同平臺、具體的任務規(guī)劃與決策功能，可采用不同的智能算法與優(yōu)化算法進行有效求解。

⑤應急反應模塊：平臺功能有限，任務千變萬化，當目標出現特殊情況后，需要應急反應模塊進行處理，將應急反應模塊單獨列出。

⑥知識庫：進行決策的知識來源，包括地球、大氣模型、平臺信息、地理情況和氣候環(huán)境等，還包括任務規(guī)則、策略、優(yōu)化知識庫。

3再入投送平臺指揮控制系統(tǒng)設計與仿真

再入投送平臺是一個復雜的系統(tǒng)，投送飛行器平時部署于衛(wèi)星軌道平臺，執(zhí)行任務時通過軌道機動與再入機動，實現高超聲速精確對地投送。一旦平臺部署完成，在執(zhí)行對確定目標點的投送任務時，面臨復雜的指揮控制問題。投送系統(tǒng)是由多個軌道面構成，而每一個軌道面又是由多個平臺構成，可能會存在同一時間有多個平臺都可執(zhí)行投送任務，但是實現投送任務的代價與完成效率并不相同，針對該問題采用本文提出的基于Agent的指揮控制系統(tǒng)進行決策。

3.1再入投送任務

3.1.1平臺部署

為實現全球區(qū)域覆蓋，衛(wèi)星平臺部署采用雙傾角條帶覆蓋設計，采用軌道傾角為69.81°的3條大傾角軌道和軌道傾角為43.62°的3條小傾角軌道，每個軌道面內均勻分布6個平臺，雙傾角條帶覆蓋軌道參數如表1所示。

同時，平臺搭載再入飛行器，最大橫程機動地心角為20°，最大縱程機動地心角為120°，全球覆蓋緯度區(qū)域為80°，重點覆蓋緯度區(qū)域為40°。

3.1.2任務描述

軌道平臺系統(tǒng)正常工作。在0=0.00 s時刻，西經90°、北緯40°出現威脅目標T，此時平臺星下點經緯度（東經、北緯為正）以及速度方向（由南至北為1）參數如表2所示。

3.2再入投送指揮控制系統(tǒng)設計

本文采用基于Agent的指揮控制系統(tǒng)設計方法，投送流程圖如圖5所示，描述再入系統(tǒng)在執(zhí)行任務過程中的主要工作，給出整個系統(tǒng)的運行過程與節(jié)點。系統(tǒng)主要任務包括目標區(qū)域監(jiān)測、通信、任務規(guī)劃、平臺分配、飛行器制導與控制、投送效果評估等。

當覆蓋區(qū)域出現投送任務時，網絡中心下的所有觀測系統(tǒng)對目標區(qū)域進行信息獲取與反饋。對收集的信息進行處理，并將信息發(fā)送給指揮人員，由其決定是否采用再入投送系統(tǒng)進行投送。當決定采用再入系統(tǒng)進行投送，則由任務優(yōu)化Agent完成滿足提前預設最優(yōu)指標的任務規(guī)劃，從而選取合適平臺進行離軌機動，完成最優(yōu)過渡軌道，到達最優(yōu)再入點。飛行器進入大氣層內，通過大氣層內機動實現最優(yōu)再入軌跡與制導，直到到達目標。最后，再次通過觀測系統(tǒng)進行投送任務完成效果評估，如果滿足要求則投送任務完成，如若不滿足任務要求，則需要再一次進行投送任務。

投送任務過程中再入飛行器仿真結果如圖6所示，包括再入過程中高度、速度、經度和緯度變化曲線。

4結束語

本文針對智能無人平臺指揮控制系統(tǒng)設計開展了研究。首先，對指揮控制決策的概念進行了闡述，對研究對象進行了需求分析。然后，介紹了網絡中心戰(zhàn)的概念，提出了信息時代的指揮控制決策系統(tǒng)的特點，從信息角度建立了指揮控制決策系統(tǒng)框架。接著，針對此類系統(tǒng)的任務特點，選擇采用智能Agent技術實現指揮控制決策。在對智能Agent技術進行了介紹后，將智能Agent輔助決策技術引入決策系統(tǒng)進行完善，保證指揮控制決策的快速性、協調性。然后，結合系統(tǒng)與任務特點設計了投送系統(tǒng)空間概念圖與投送流程圖，對整個系統(tǒng)的任務過程從時間與空間上進行了描述和分析。最后，針對一個特定點的投送任務進行仿真，驗證了本文方法的有效性。

參考文獻

[1] DRILLINGS M， SERFATY D. Naturalistic Decision Making in Command and Control[J]. Naturalistic Decision Making， 1997：71-80.

[2] PASCUAL R， HENDERSON S. Evidence of Naturalistic Decision Making in Military Command and Control[J]. Naturalistic Decision Making， 1997：217-226.

[3] KLEIN G. Naturalistic Decision Making [J]. Journal of the Human Factors and Ergonomics Society，2008，50（3）：456-460.

[4] SARTER N B， SCHROEDER B. Supporting Decision Making and Action Selection under Time Pressure and Uncertainty： the Case of In-flight Icing [J]. Journal of the Human Factors and Ergonomics Society， 2001，43（4）：573-583.

[5]唐立軍.網絡中心戰(zhàn)下指揮控制決策系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學，2008.

[6]李奎.地面武器平臺指揮控制系統(tǒng)設計及實現[D].南京：南京理工大學，2008.