鄭文恩 陸銘華 肖明彥

（海軍潛艇學(xué)院軟件中心 青島 266071）

1 引言

艦艇指揮員為完成特定的作戰(zhàn)任務(wù)，需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化，進(jìn)行攻防作戰(zhàn)決策。作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的構(gòu)建是艦艇作戰(zhàn)仿真的核心內(nèi)容。作戰(zhàn)決策模型的基本形式為：若當(dāng)前作戰(zhàn)狀態(tài)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，則轉(zhuǎn)入新作戰(zhàn)狀態(tài)。傳統(tǒng)作戰(zhàn)決策模型采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法［1］，即P→Q。其實(shí)現(xiàn)方法是，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)想定，將作戰(zhàn)決策規(guī)則編寫(xiě)為嵌套的ifelse程序語(yǔ)句，內(nèi)嵌在其它程序代碼中。該方法使維護(hù)作戰(zhàn)決策規(guī)則變得很復(fù)雜，一旦開(kāi)發(fā)完成，不容易變更。然而，現(xiàn)實(shí)情況卻是，作戰(zhàn)決策規(guī)則需要根據(jù)不同戰(zhàn)術(shù)想定而變化，使用人員希望直接管理作戰(zhàn)決策規(guī)則，不必要求程序開(kāi)發(fā)人員參與。但是，對(duì)于很多復(fù)雜的作戰(zhàn)決策規(guī)則，開(kāi)發(fā)人員很難抽象出算法和數(shù)據(jù)模型；作戰(zhàn)決策規(guī)則嵌在程序代碼中，也不可能讓非開(kāi)發(fā)人員管理。為解決這個(gè)矛盾，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率，更好地滿足艦艇作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)經(jīng)常變化的軍事需求，需要將作戰(zhàn)決策規(guī)則和仿真程序代碼分開(kāi)。本文提出應(yīng)用Java開(kāi)源規(guī)則引擎Drools［2］構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的方法，介紹了Drools原理，給出了基于Drools的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的模型框架和系統(tǒng)的編程實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)功能及運(yùn)行邏輯介紹

作戰(zhàn)決策是指根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、目標(biāo)綜合信息（包括目標(biāo)類型、態(tài)勢(shì)、威脅等級(jí)和可攻性）和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)及作戰(zhàn)過(guò)程，確定艦艇應(yīng)采取的攻擊或防御行動(dòng)，包括作戰(zhàn)目標(biāo)、使用武器類型和攻防作戰(zhàn)樣式。決策依據(jù)艦艇典型戰(zhàn)術(shù)原則和攻防作戰(zhàn)規(guī)則。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)是艦艇作戰(zhàn)仿真軟件的核心，它們相互之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)包括目標(biāo)綜合信息和艦艇當(dāng)前作戰(zhàn)狀態(tài)信息。

其中，目標(biāo)綜合信息包括目標(biāo)類型、運(yùn)動(dòng)要素、威脅強(qiáng)度和可攻性數(shù)據(jù)。艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)信息描述艦艇攻擊和防御的狀態(tài)及子狀態(tài)。作戰(zhàn)狀態(tài)標(biāo)示一個(gè)具體的作戰(zhàn)過(guò)程，而作戰(zhàn)子狀態(tài)進(jìn)一步細(xì)化描述作戰(zhàn)狀態(tài)。如“魚(yú)雷攻擊”作戰(zhàn)狀態(tài)表示艦艇處于使用魚(yú)雷攻擊目標(biāo)的作戰(zhàn)過(guò)程中，“魚(yú)雷攻擊”作戰(zhàn)子狀態(tài)則將攻擊過(guò)程細(xì)化為“確定攻擊方案”、“占領(lǐng)發(fā)射陣位”、“發(fā)射魚(yú)雷”和“觀察攻擊效果”四個(gè)子過(guò)程。

作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)是艦艇攻擊或防御決策結(jié)果。攻擊決策結(jié)果有“導(dǎo)彈攻擊”、“魚(yú)雷攻擊”等；防御決策結(jié)果有“防御魚(yú)雷”、“防御直升機(jī)”和“防御艦艇”等。

作戰(zhàn)過(guò)程改變戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，即目標(biāo)綜合信息和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)都可能發(fā)生改變，這些變化的信息持續(xù)作為系統(tǒng)的輸入進(jìn)行下一步?jīng)Q策。

圖1 艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖

3 Drools規(guī)則引擎原理及應(yīng)用

規(guī)則引擎源于基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，規(guī)則引擎由規(guī)則庫(kù)（Rule Base）、工作內(nèi)存（Working Memory）和推理引擎（Inference Engine）三部分組成。其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）聲明式編程

允許描述做什么而不是如何去做，從而使用規(guī)則更加容易對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行表述，并得到驗(yàn)證。使用規(guī)則引擎能方便地構(gòu)造復(fù)雜專家系統(tǒng)。

2）邏輯與數(shù)據(jù)分離

數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)對(duì)象中，邏輯保存在規(guī)則中。解決了面向?qū)ο笙到y(tǒng)中數(shù)據(jù)和邏輯混編的問(wèn)題，這樣系統(tǒng)當(dāng)業(yè)務(wù)邏輯發(fā)生改變時(shí)更容易維護(hù)。

3）速度及可測(cè)量性

規(guī)則引擎使用的Rete算法［3］提供了對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象與規(guī)則的高效率匹配。

4）知識(shí)集中化

將規(guī)則建立一個(gè)可執(zhí)行的規(guī)則庫(kù)，它代表現(xiàn)實(shí)中的業(yè)務(wù)邏輯。

Drools是基于ReteOO算法的Java語(yǔ)言開(kāi)源軟件，ReteOO表示面向?qū)ο笙到y(tǒng)（Object Oriented systems）增強(qiáng)并優(yōu)化的Rete算法。圖2是Drools規(guī)則引擎的邏輯圖。

圖2 Drools規(guī)則引擎的邏輯圖

Drools規(guī)則引擎運(yùn)行機(jī)制是通過(guò)快速檢索工作內(nèi)存（Working Memory）中的對(duì)象與加載到其中的各項(xiàng)規(guī)則的前件進(jìn)行匹配，激活符合條件的規(guī)則，放入沖突集中。將沖突集中的規(guī)則根據(jù)規(guī)則的優(yōu)先權(quán)排序生成議程（Agenda），從而使優(yōu)先級(jí)高的規(guī)則優(yōu)先觸發(fā)。規(guī)則執(zhí)行后，規(guī)則的后件執(zhí)行部分會(huì)改變加載到內(nèi)存中的事實(shí)對(duì)象信息，使議程中一些激活的規(guī)則的前提條件不再得到滿足，從議程中撤銷，同時(shí)，可能有新的規(guī)則被激活加入議程中。因此，Drools是基于規(guī)則的自動(dòng)推理機(jī)，非常適合用來(lái)構(gòu)建作戰(zhàn)決策系統(tǒng)。

4 應(yīng)用Drools規(guī)則引擎構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的研究

4.1 基于Drools規(guī)則引擎的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)模型框架

根據(jù)上文分析，給出如圖3所示的基于Drools規(guī)則引擎的艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架。

4.2 作戰(zhàn)決策依賴的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息及表示

作戰(zhàn)決策依賴的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息作為Drools規(guī)則引擎的事實(shí)，分為目標(biāo)綜合信息事實(shí)和艦艇作戰(zhàn)狀態(tài)事實(shí)，用Java類對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，類對(duì)象僅包含對(duì)象本身的屬性和屬性的get和set方法，而不包含對(duì)象之間的約束關(guān)系和邏輯。這些事實(shí)對(duì)象，通過(guò)Drools規(guī)則引擎的StatefulKnowledge－Session對(duì)象的insert方法導(dǎo)入到工作內(nèi)存中［5］，完成與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則前件模式匹配過(guò)程。

目標(biāo)綜合信息事實(shí)類tarMessage定義如下：

4.3 應(yīng)用Drools規(guī)則文件構(gòu)建作戰(zhàn)決策知識(shí)庫(kù)

4.3.1 艦艇作戰(zhàn)決策規(guī)則

艦艇作戰(zhàn)決策規(guī)則為多條產(chǎn)生式，組成艦艇決策知識(shí)庫(kù)。例如“在跟蹤目標(biāo)作戰(zhàn)狀態(tài)下”決策規(guī)則有如下四個(gè)子規(guī)則：

規(guī)則1 若目標(biāo)威脅強(qiáng)度為0且類型為直升機(jī)，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“防御直升機(jī)”；

規(guī)則2 若目標(biāo)威脅強(qiáng)度為0且類型為艦艇，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“防御艦艇”；

規(guī)則3 若目標(biāo)威脅強(qiáng)度為大于0，導(dǎo)彈可攻且距離大于a鏈，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“導(dǎo)彈攻擊”；

規(guī)則4 若目標(biāo)威脅強(qiáng)度為大于0，魚(yú)雷可攻且距離小于或等于b鏈，則作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)為“魚(yú)雷攻擊”。

可以看出，艦艇作戰(zhàn)決策的規(guī)則雖然很復(fù)雜，但可分解為相對(duì)簡(jiǎn)單的多條規(guī)則，便于理解和使用。

4.3.2 Drools規(guī)則語(yǔ)法和艦艇作戰(zhàn)規(guī)則的表示

1）Drools規(guī)則的形式化描述

規(guī)則是對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的編碼。一條規(guī)則有屬性（attribute），一個(gè)左部（LHS）和一個(gè)右部（RHS）。

Drools屬性用來(lái)控制規(guī)則執(zhí)行，在目前Drools5中，規(guī)則的屬性共有13個(gè)［5］，這些屬性分別適用于不同的場(chǎng)景，如salience控制規(guī)則執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，no－loop說(shuō)明是否允許規(guī)則執(zhí)行一次。

（4.3.1）中“在跟蹤目標(biāo)作戰(zhàn)狀態(tài)下”決策規(guī)則的規(guī)則1可以表示為：

類似，可以表示其它子規(guī)則。

2）艦艇作戰(zhàn)規(guī)則庫(kù)

在Drools中，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則文件是一個(gè)以“.drl”結(jié)尾的文本文件，便于打開(kāi)、查看和編輯。一個(gè)規(guī)則文件可以存放多個(gè)規(guī)則，規(guī)則文件中還可以存放用戶自定義的函數(shù)、數(shù)據(jù)對(duì)象及自定義查詢等規(guī)則可能用到的對(duì)象。

根據(jù)Drools規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建方法，把規(guī)則放在文件“decision.drl”中，形成艦艇作戰(zhàn)規(guī)則庫(kù)，文件的內(nèi)容如下：

4.4 系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)

4.4.1 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和軟件

1）操作系統(tǒng) Windows XP，Windows 7

2）開(kāi)發(fā)軟件

MyEclipse Enterprise Workbench，Version：8.5

該軟件是一個(gè)開(kāi)放、可擴(kuò)展的企業(yè)級(jí)J2EE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是由Eclipse Foundation開(kāi)發(fā)的軟件。

3）安裝配置drools eclipse插件

從http：／／www.jboss.org／drools／downloads.html，下載drools最新drools eclipse插件文件drools－5.0－bin.zip，安裝到Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，并正確配置drools的Runtime環(huán)境。該軟件包中包含Drools運(yùn)行所必須的組件，它包含若干jar包，在開(kāi)發(fā)Drools應(yīng)用程序時(shí)，需要導(dǎo)入到相應(yīng)的工程中。

4.4.2 軟件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

4.4.2.1 規(guī)則的編譯與運(yùn)行

規(guī)則的編譯與運(yùn)行通過(guò)Drools提供的各種API實(shí)現(xiàn)，這些API分為三類：規(guī)則編譯、規(guī)則收集和規(guī)則的執(zhí)行。完成這些工作的API主要有

KnowledgeBuilder、KnowledgeBase、StatefulKnowledgeSession等，它們起到對(duì)規(guī)則文件進(jìn)行收集、編譯、查錯(cuò)、插入fact、設(shè)置global、執(zhí)行規(guī)則或規(guī)則流等作用。

1）KnowledgeBuilder類

KnowledgeBuilder的作用是完成規(guī)則文件編譯，產(chǎn)生一批編譯好的規(guī)則包（KnowledgePackage）給其它的應(yīng)用程序使用。

創(chuàng)建KnowledgeBuilder對(duì)象使用的是Knowledge－BuilderFactory的newKnowledgeBuilder方法。

2）KnowledgeBase類

KnowledgeBase用來(lái)收集應(yīng)用當(dāng)中知識(shí)（knowledge）而定義的知識(shí)庫(kù)對(duì)象，它可以包含普通的規(guī)則（rule）、規(guī)則流（rule flow）、函數(shù)定義（function）、用 戶自定義對(duì) 象（type model）等。

創(chuàng)建一個(gè)KnowledgeBase要通過(guò)KnowledgeBaseFactory對(duì)象提供的newKnowledgeBase（）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）StatefulKnowledgeSession對(duì)象

通過(guò)StatefulKnowledgeSession與規(guī)則引擎進(jìn)行交互，接收業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、執(zhí)行規(guī)則。

StatefulKnowledgeSession對(duì)象是Drools的工作內(nèi)存WorkingMemory，它與規(guī)則引擎建立一個(gè)持續(xù)的交互通道，在推理過(guò)程中可能會(huì)多次觸發(fā)同一數(shù)據(jù)集。

4）Fact對(duì)象

Fact是JavaBean插入到規(guī)則工作內(nèi)存中的對(duì)象，是對(duì)原來(lái)JavaBean對(duì)象的引用。規(guī)則可以對(duì)Fact對(duì)象進(jìn)行任意讀寫(xiě)操作。

4.4.2.2 關(guān)鍵程序代碼

代碼演示了規(guī)則引擎完整的運(yùn)行處理過(guò)程。首先，使用KnowledgeBuilder將相關(guān)的規(guī)則文件進(jìn)行編譯，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的KnowledgePackage集合，再通過(guò)KnowledgeBase把產(chǎn)生的KnowledgePackage集合收集起來(lái)，然后生成Stateful－KnowledgeSession對(duì)象，將規(guī)則中使用的fact對(duì)象插入，調(diào)用fireAllRules（）方法觸發(fā)所有的規(guī)則執(zhí)行。

采用本文方法開(kāi)發(fā)了艦艇作戰(zhàn)仿真決策系統(tǒng)，規(guī)則庫(kù)有3000多條規(guī)則。程序運(yùn)行測(cè)試顯示響應(yīng)時(shí)間小于0.1s，完全能夠滿足系統(tǒng)的要求，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的應(yīng)用規(guī)則引擎構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)決策系統(tǒng)的方法，將作戰(zhàn)決策規(guī)則庫(kù)與艦艇作戰(zhàn)仿真軟件代碼獨(dú)立開(kāi)來(lái)，并應(yīng)用高效率的開(kāi)源規(guī)則引擎Drools開(kāi)發(fā)了應(yīng)用系統(tǒng)軟件。解決了傳統(tǒng)的作戰(zhàn)決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中難度大、升級(jí)困難、系統(tǒng)匹配效率不高的問(wèn)題。在作戰(zhàn)需求發(fā)生改變的情況下，可盡量不改動(dòng)系統(tǒng)程序代碼，提高了系統(tǒng)的靈活性，降低了系統(tǒng)維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用該方法為大型作戰(zhàn)仿真軟件開(kāi)發(fā)了作戰(zhàn)決策系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，該方法切實(shí)可行。

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