張 媛，劉文彪，杜彬彬，彭四喜

（1.海軍航空工程學(xué)院a.兵器科學(xué)與技術(shù)系；b.指揮系，山東煙臺(tái)264001；2.72283部隊(duì)，山東煙臺(tái)264001）

作戰(zhàn)仿真中，作戰(zhàn)實(shí)體一般由仿真操控人員通過腳本的形式給出實(shí)體的作戰(zhàn)計(jì)劃，并由作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)或虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真系統(tǒng)實(shí)施。隨著仿真規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)計(jì)劃的可執(zhí)行性、互操作性的要求不斷提高，對(duì)實(shí)體的智能性要求也越來越高。為滿足上述需求，采用本體技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行建模是當(dāng)前計(jì)劃建模的一個(gè)重要研究方向。

1 作戰(zhàn)計(jì)劃本體建模中存在的問題

從目前的研究來看，作戰(zhàn)計(jì)劃建模主要存在以下2方面問題：

1）缺乏全面、詳細(xì)的可參考的理論和可重用的計(jì)劃本體。雖然文獻(xiàn)[1]提出的時(shí)間CSP方法接近于自然語言處理方式，但是對(duì)計(jì)劃內(nèi)的任務(wù)和動(dòng)作的時(shí)間規(guī)劃考慮不全面。同時(shí)，除了文獻(xiàn)[2]對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃本體的歷史、技術(shù)和現(xiàn)有的作戰(zhàn)計(jì)劃本體進(jìn)行了概括的論述與比較外，很少有完整、全面的作戰(zhàn)計(jì)劃本體建模理論和可參考的計(jì)劃本體模型。

2）國(guó)內(nèi)目前的研究還沒有對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃本體建模進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。軍事領(lǐng)域的計(jì)劃本體建模也處于起步階段，除國(guó)防科技大學(xué)相關(guān)研究外[3-4]，還沒有更深入、全面的作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型。

針對(duì)以上問題，重點(diǎn)結(jié)合BDI Agent模型，對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中智能實(shí)體推理過程進(jìn)行分析，利用本體刻畫作戰(zhàn)實(shí)體的思維狀態(tài)，建立作戰(zhàn)實(shí)體的作戰(zhàn)計(jì)劃本體。文中提出的作戰(zhàn)計(jì)劃本體及其定義的動(dòng)作之間的關(guān)系可以為實(shí)體認(rèn)知世界，產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)的計(jì)劃并付諸實(shí)施提供新的途徑。

2 基于BDI Agent的作戰(zhàn)實(shí)體模型

Agent的主要特點(diǎn)是模擬（模仿）人類的思維狀態(tài)：認(rèn)知、情感、意圖等。Agent 決策過程依賴于表達(dá)Agent 信念、愿望和意圖的行為來實(shí)現(xiàn)?；谶^程推理（Process Reasoning System，PRS）是BDI Agent 實(shí)現(xiàn)的一種途徑。圖1是基于PSR的BDI Agent結(jié)構(gòu)[5-6]，其中，信念表示Agent對(duì)外界（包括環(huán)境和其他Agent）的認(rèn)識(shí)和判斷；愿望表示Agent 希望達(dá)到的目標(biāo)的可能路徑；意圖表示Agent為實(shí)現(xiàn)承諾而將要采取的行為的計(jì)劃；規(guī)劃是Agent的思維狀態(tài)的體現(xiàn)，是判斷、思考和決策的過程；解釋器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、調(diào)度4者之間的關(guān)系。

圖1 BDI Agent結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of BDL Agent

3 CGF飛機(jī)實(shí)體作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型

3.1 基于事件的CGF飛機(jī)實(shí)體本體模型

時(shí)間和空間模型是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境本體建模中的一個(gè)最基本屬性，采用時(shí)間和空間模型描述戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的對(duì)象間的關(guān)系是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境本體建模中必不可少的要求。本文不采用時(shí)間和空間相結(jié)合的方法建立時(shí)空統(tǒng)一的本體模型，而是基于“時(shí)間和空間是事物的存在的基本方式”這一觀點(diǎn)，將事物（對(duì)象）及其產(chǎn)生的事件，以及發(fā)生事件時(shí)的時(shí)間和空間狀態(tài)、關(guān)系相結(jié)合，將文獻(xiàn)[7]提出的基于事件的BDI Agent結(jié)構(gòu)用于作戰(zhàn)實(shí)體模型，與圖1和圖2的BDI Agent和基于BDI的作戰(zhàn)實(shí)體模型相結(jié)合，建立基于事件的CGF飛機(jī)實(shí)體思維模型，如圖2所示。

圖2 基于事件的CGF飛機(jī)實(shí)體思維模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CGF aircraft entity thinking model based on event

該模型中，所有的交互都通過事件進(jìn)行。CGF實(shí)體推理和決策的核心仍然是規(guī)劃和調(diào)度。輸入事件即是CGF實(shí)體對(duì)外部世界的感知過程，可以理解為態(tài)勢(shì)感知。態(tài)勢(shì)感知是CGF 實(shí)體獲得外部世界環(huán)境狀況的唯一途徑。計(jì)劃以獨(dú)立形式成為CGF 實(shí)體的一個(gè)組件。愿望是行動(dòng)目標(biāo)的集合，通過規(guī)劃和調(diào)度獲得作戰(zhàn)計(jì)劃。意圖則負(fù)責(zé)從已有的計(jì)劃中選擇并進(jìn)行執(zhí)行，意圖還負(fù)責(zé)對(duì)信念和愿望中的目標(biāo)進(jìn)行更新。

3.2 作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型

作戰(zhàn)計(jì)劃建模是與作戰(zhàn)相關(guān)知識(shí)的描述并形成行動(dòng)綱要的過程。基于本體技術(shù)的作戰(zhàn)計(jì)劃建模即利用本體建模思想，通過構(gòu)建本體來對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃相關(guān)的概念、關(guān)系、屬性、實(shí)例、公理等進(jìn)行定義，以提供作戰(zhàn)可重用、易執(zhí)行的行動(dòng)規(guī)范，滿足實(shí)體智能推理和決策的需要。

定義1：作戰(zhàn)計(jì)劃本體，

其中：P_Relations表示關(guān)系集合；P_Functions表示函數(shù)集合；P_Axioms表示公理集合，P_Instances表示實(shí)例集合；P_Concepts表示作戰(zhàn)計(jì)劃中概念的集合，

其參數(shù)描述如下：

1）Situation（態(tài)勢(shì)），計(jì)劃執(zhí)行時(shí)的世界初始狀態(tài)（戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)）。

2）Beliefs（信念），執(zhí)行作戰(zhàn)計(jì)劃的實(shí)體（Agent）對(duì)世界（戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境）的信念，是作戰(zhàn)實(shí)體通過世界初始狀態(tài)形成對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的認(rèn)識(shí)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的理解以及對(duì)自身作戰(zhàn)能力的認(rèn)知。

3）Goals（目標(biāo)），描述通過執(zhí)行作戰(zhàn)計(jì)劃，期望世界所達(dá)到的狀態(tài)。態(tài)勢(shì)和環(huán)境滿足如下公式：

Plan:Situation →Goals ?Situation，

即計(jì)劃將態(tài)勢(shì)映射為目標(biāo)，目標(biāo)是態(tài)勢(shì)的子集。作戰(zhàn)目標(biāo)是執(zhí)行作戰(zhàn)計(jì)劃后期望達(dá)到的一種態(tài)勢(shì)。

4）Tasks（任務(wù)），Tasks:={tk1,tk2,…,tkn}。為達(dá)到即時(shí)目標(biāo)需要完成的任務(wù)。任務(wù)應(yīng)具有層次屬性，并具有序列。即tki可以繼續(xù)分解為低一層的任務(wù)集，并且如果tk1需要在tk2前完成，則未完成tk1的情況下，tk2不能被執(zhí)行。但也存在并行情況，如火力打擊同時(shí)進(jìn)行電子干擾，需根據(jù)實(shí)際情況決定。

5）Actions（動(dòng)作），對(duì)于每個(gè)任務(wù)tki，有有限個(gè)動(dòng)作{a c1,ac2,…,acn} 完成該任務(wù)；aci是已分解完成的原子動(dòng)作，如實(shí)體移動(dòng)到指定位置，火炮開火等。

6）Time Interval（時(shí)間區(qū)間），TimeInterval：={Stat，End}。

Start、End為完成計(jì)劃的起點(diǎn)時(shí)間和終點(diǎn)時(shí)間。

7）Constraints（約束），作戰(zhàn)計(jì)劃不能違反的規(guī)定和完成計(jì)劃的邊界條件。約束包含對(duì)公理（P_Axioms）和規(guī)則（Rules）的定義。

8）Resources（資源），完成作戰(zhàn)想定需要消耗的物資等。

9）Solution（結(jié)論），計(jì)劃是否完成，可將結(jié)論定義為二元組{True，F(xiàn)alse}[8]，度量計(jì)劃是否實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目的（Goals）。

定義2：公理，P_Axioms={Axioms}，是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的永真斷言，是對(duì)概念間關(guān)系的約束，表示軍事、作戰(zhàn)領(lǐng)域概念、關(guān)系等描述的公理，包括關(guān)于作戰(zhàn)和武器裝備的實(shí)例和斷言。例如，任務(wù)與資源匹配、任務(wù)與動(dòng)作等。

1）任務(wù)與資源匹配。該公理定義了資源消耗/使用的原則，即何種資源與何種任務(wù)匹配，如飛行與燃油消耗匹配，對(duì)艦攻擊與反艦導(dǎo)彈匹配等，

2）任務(wù)與動(dòng)作。該公理規(guī)定了如果存在任務(wù)ti，該任務(wù)具有與之相關(guān)的動(dòng)作序列{a1,a2,…,an}，則ti的前件必須包括第一個(gè)動(dòng)作a1，ti的后件必須包括最后一個(gè)動(dòng)作an[9]：

定義3：規(guī)則，包括對(duì)資源和約束的判定，決定動(dòng)作序列和任務(wù)順序。規(guī)則可以由函數(shù)表示：

利用函數(shù)可以定義作戰(zhàn)計(jì)劃中的各種規(guī)則。

時(shí)間、約束、規(guī)則規(guī)定了作戰(zhàn)計(jì)劃能夠在指定的時(shí)間內(nèi)被完成或不能被完成，保證其時(shí)間有限和可實(shí)現(xiàn)，不會(huì)進(jìn)入無解情況。

定義4：關(guān)系，

P_Relations:={R(c1,c2)| c1,c2∈P_Concepts}。

表示關(guān)系集合，包括繼承、聚合、組合和關(guān)聯(lián)。

1）繼承關(guān)系，子類繼承父類中包含的屬性、關(guān)系和方法。

2）聚合關(guān)系，表示一個(gè)概念擁有但可能共享另一個(gè)概念。如4架飛機(jī)組成空中編隊(duì)。

3）組合關(guān)系，是一種強(qiáng)的聚合關(guān)系，是整體與部分的關(guān)系。如雷達(dá)、火炮、指控系統(tǒng)組成火力系統(tǒng)。

4）關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示概念間的相互作用關(guān)系，也可定義為概念的屬性。定義計(jì)劃中的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括：機(jī)動(dòng)（Movement）、火力（Firepower）、防護(hù)（Defense）、保障（Logistics）和電子戰(zhàn)（Electronic Warfare）等[4]。

定義5：實(shí)例，

P_Instances:={I|I ∈P_Concepts ?P_Relations}

是虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境概念和關(guān)系的實(shí)例化表示。例如某一型號(hào)的艦空導(dǎo)彈、雷達(dá)等。

作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型如圖3所示。

圖3 作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型Fig.3 Model of operation plan ontology

1）作戰(zhàn)實(shí)體具有對(duì)態(tài)勢(shì)、目標(biāo)、任務(wù)、約束、動(dòng)作（能力）和資源的信念，信念以知識(shí)庫的形式表示，并能夠通過規(guī)則、邏輯等與態(tài)勢(shì)和計(jì)劃進(jìn)行匹配，以形成認(rèn)知。

2）任務(wù)和動(dòng)作應(yīng)當(dāng)由時(shí)間區(qū)間約束其開始和終點(diǎn)時(shí)間。通過規(guī)劃可以形成計(jì)劃內(nèi)部對(duì)任務(wù)和動(dòng)作的序列關(guān)系，其關(guān)系應(yīng)滿足Agent的13種時(shí)間區(qū)間關(guān)系[10]。

3）任務(wù)和動(dòng)作具有約束，約束以函數(shù)、規(guī)則或公理的形式給出。

4）動(dòng)作需要消耗資源。

5）資源是一種約束。

3.3 作戰(zhàn)計(jì)劃中的動(dòng)作關(guān)系

3.3.1 動(dòng)作的時(shí)空屬性

動(dòng)作的空間屬性與產(chǎn)生動(dòng)作的作戰(zhàn)實(shí)體緊密關(guān)聯(lián)，動(dòng)作從時(shí)間屬性可以劃分為：瞬時(shí)動(dòng)作和持續(xù)動(dòng)作。

瞬時(shí)動(dòng)作是以時(shí)間點(diǎn)描述的動(dòng)作稱為瞬時(shí)動(dòng)作，即瞬時(shí)動(dòng)作只能以一個(gè)有效的時(shí)間點(diǎn)描述，除此點(diǎn)之外的任意時(shí)間中不存在此動(dòng)作，

持續(xù)動(dòng)作是以時(shí)間區(qū)間描述的動(dòng)作稱為持續(xù)動(dòng)作，其動(dòng)作的執(zhí)行總有其起始和終止時(shí)刻，

其中，TakeplaceDuring(Ac,T)定義為：

瞬時(shí)動(dòng)作可以認(rèn)為是開始和結(jié)束時(shí)間相同的持續(xù)動(dòng)作，例如飛行。

上述時(shí)間區(qū)間?T:=[t1,t2]∈{Intervals}可以由直達(dá)關(guān)系Through(t1,t2)描述。動(dòng)作發(fā)生的空間屬性主要指動(dòng)作發(fā)生的空間位置、路線和區(qū)域。

3.3.2 動(dòng)作之間的關(guān)系

瞬時(shí)動(dòng)作包括順序和同時(shí)2種情況，其時(shí)間序列描述為：S(t)={t1,t2,…,tn}，其中t0≤t1＜t2＜…＜tn≤t。

持續(xù)動(dòng)作之間的關(guān)系包括因果、順序和并行3種關(guān)系。

1）因果關(guān)系。即如果動(dòng)作Ac2的實(shí)現(xiàn)必須以Ac1的實(shí)現(xiàn)為其前提條件，則存在因果關(guān)系：

即 Ac1和 Ac2互為前件（Pre_con）和后件關(guān)系（Post_con）。

2）順序關(guān)系。順序情況下后一個(gè)動(dòng)作必須在前一個(gè)執(zhí)行完成之后方可進(jìn)行，滿足{<，m，mi，>}4種時(shí)間關(guān)系。其中（<，>），（m，mi）是2個(gè)逆對(duì)稱對(duì)。在時(shí)間限制不十分嚴(yán)格的情況下，前2 者可以合并為一種關(guān)系，后2 者亦然，分別Bf 和Af定義。順序動(dòng)作Ac2在Ac1后執(zhí)行有：

其中，函數(shù)Follows(Ac2,Ac1)表示Ac2在Ac1后執(zhí)行，Bf(Ac1,Ac2)表示Ac1在Ac2前進(jìn)行，Af(Ac2,Ac1)表示Ac2在Ac1的后進(jìn)行，不考慮端點(diǎn)交互情況。

3）并行關(guān)系。并行情況描述動(dòng)作Ac2在Ac1執(zhí)行的同時(shí)也執(zhí)行。并行情況利用{o,fi,di,s,=,si,d,f,oi}時(shí)間關(guān)系描述，則為逆對(duì)稱，“=”與其自身逆對(duì)稱。如，作戰(zhàn)實(shí)體移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行通信，一般情況，通信過程在移動(dòng)過程中完成，利用關(guān)系d（during）描述：

4 仿真實(shí)例

假設(shè)在VR-Forces仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)有作戰(zhàn)想定，如圖4所示。其中，L1表示CGF 飛機(jī)實(shí)體空中突擊編隊(duì)突擊方向，Return表示返航方向。J1是S 編隊(duì)無源干擾區(qū)域，Am2是近防炮防御區(qū)域，Am3是防空導(dǎo)彈防御區(qū)域，R4是警戒雷達(dá)搜索范圍。

圖4 想定示意圖Fig.4 Schematic diagram of scenario

1）CGF 飛機(jī)實(shí)體由突擊編隊(duì)和指揮編隊(duì)兩種編成方式。其中突擊編隊(duì)由3 架裝備雷達(dá)（Ra），火控系統(tǒng)（Fa），反艦導(dǎo)彈（Ma），通信設(shè)備（Ca）的攻擊飛機(jī)（A1～A3）與1架掛干擾吊艙（Ja）等武器裝備的隨隊(duì)干擾飛機(jī)（A4）組成；而指揮編隊(duì)則由2架裝備通信設(shè)備的指揮巡邏機(jī)（C1、C2）組成。

2）位置：突擊飛機(jī)編隊(duì)t0時(shí)刻位于海域Pa，中心位置為（N2，E2，H2）；指揮編隊(duì)位于海域Pc，初始位置為（N3，E3，H3）；。

3）計(jì)劃：突擊編隊(duì)，無線電靜默，按L1航線超低空突擊S 編隊(duì)。t1時(shí)刻到達(dá)位置P1，轉(zhuǎn)航向；t2時(shí)刻到達(dá)位置P2通信，從指揮機(jī)獲得目標(biāo)指示，轉(zhuǎn)攻擊航向；A4 干擾開機(jī)，對(duì)S 編隊(duì)實(shí)施有源干擾；t3時(shí)刻到達(dá)發(fā)射位置P3，雷達(dá)開機(jī)搜索、鎖定目標(biāo)，導(dǎo)彈齊射；發(fā)射完成后，返航；指揮編隊(duì)雙機(jī)按L2航線巡航，共同完成全時(shí)段全區(qū)域目標(biāo)監(jiān)視和指示，C1負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)通信聯(lián)絡(luò)與指揮，C2輔助C1提供目標(biāo)指示，最終實(shí)現(xiàn)突擊編隊(duì)重創(chuàng)S編隊(duì)的目的。

4.1 作戰(zhàn)計(jì)劃描述

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境：時(shí)間、海域、自然環(huán)境，兵力部署（類型、位置）。類集：作戰(zhàn)平臺(tái)、武器裝備、資源等。屬性集：作戰(zhàn)平臺(tái)和武器裝備的位置、速度、姿態(tài)、狀態(tài)（是否被摧毀）、兵力屬性（紅藍(lán)）；資源數(shù)量、消耗率等。關(guān)系集：繼承、聚合、組合、關(guān)聯(lián)。任務(wù)集：按航線飛行→到達(dá)指定空域→接收目標(biāo)信息→雷達(dá)開機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)→導(dǎo)彈發(fā)射→返航。動(dòng)作集：飛行、通信、發(fā)射、消耗。資源集：燃油數(shù)量、導(dǎo)彈數(shù)量。

規(guī)則集如下：

1）如果未到達(dá)聯(lián)絡(luò)位置且未到達(dá)攻擊位置，則繼續(xù)飛行：

2）如果到達(dá)聯(lián)絡(luò)位置P1或P2，則進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)：

3）如果到達(dá)聯(lián)絡(luò)位置P3，且目標(biāo)在攻擊范圍內(nèi)，則發(fā)射反艦導(dǎo)彈：

4）如果反艦導(dǎo)彈發(fā)射，則返航：

4.2 突擊飛機(jī)CGF實(shí)體作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型

根據(jù)CGF飛機(jī)實(shí)體作戰(zhàn)計(jì)劃描述，利用Protégé本體建模工具，建立對(duì)艦突擊飛機(jī)作戰(zhàn)計(jì)劃本體模型以及相應(yīng)的Protégé實(shí)現(xiàn)類圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 對(duì)艦攻擊飛機(jī)計(jì)劃本體模型Fig.5 Model of operation plan ontology for strike aircraft

圖6 作戰(zhàn)飛機(jī)本體的protégé類圖Fig.6 Classes of aircraft SAW ontology with protégé

5 小結(jié)

結(jié)合BDI Agent模型，建立了基于事件的作戰(zhàn)飛機(jī)CGF 實(shí)體的作戰(zhàn)計(jì)劃模型。利用本體刻畫該模型中作戰(zhàn)飛機(jī)CGF實(shí)體的思維狀態(tài)，對(duì)CGF作戰(zhàn)飛機(jī)實(shí)體描述世界所需的概念、關(guān)系、公理等內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的定義，同時(shí)給出作戰(zhàn)飛機(jī)CGF實(shí)體計(jì)劃進(jìn)行過程中的事件之間的時(shí)序和因果關(guān)系。應(yīng)用實(shí)踐證明，文中提出的基于事件本體的CGF 飛機(jī)實(shí)體作戰(zhàn)計(jì)劃模型可為虛擬海戰(zhàn)場(chǎng)綜合環(huán)境建模和仿真中的作戰(zhàn)實(shí)體作戰(zhàn)計(jì)劃提供語義上的支持，提高了CGF實(shí)體的智能水平和對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的認(rèn)知能力，為CGF兵力實(shí)體認(rèn)知世界，產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)的計(jì)劃并付諸實(shí)施提供新途徑。

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