李宏宏, 康鳳舉

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西 西安　710072; 2.水下信息處理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安　710072)

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命令模式下的智能UUV模型設(shè)計(jì)

李宏宏1,2, 康鳳舉1,2

(1.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,陜西 西安710072; 2.水下信息處理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710072)

摘要：多智能UUV編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí),接收到上級的命令后,應(yīng)以上級命令為中心根據(jù)環(huán)境信息采取行動(dòng)完成任務(wù)。通常的Agent模式以個(gè)體意識為中心,不適合這種以命令為中心的UUV建模。本文結(jié)合近年來Agent理論的研究成果,通過對軍事作戰(zhàn)中命令體制的研究,提出一種基于命令的Agent模型組織結(jié)構(gòu),給出了該模型的形式化語言描述,并構(gòu)建了基于命令機(jī)制的智能UUV模型,實(shí)現(xiàn)了基于MAS的多UUV機(jī)群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。為構(gòu)建基于MAS的水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：命令; UUV; Agent組織模型; 作戰(zhàn)仿真

1引言

基于MAS的多UUV作戰(zhàn)機(jī)群接收航母或潛艇的指令,完成指定的任務(wù)。在這個(gè)過程中UUV個(gè)體應(yīng)以接收到的命令為中心,根據(jù)環(huán)境信息采取最優(yōu)方案完成上級任務(wù)。目前對智能Agent的主體結(jié)構(gòu)研究主要有慎思型,反應(yīng)型和混合結(jié)構(gòu)主體。純粹的慎思型和反應(yīng)型都不是結(jié)構(gòu)主體的最佳選擇,以BDI為基礎(chǔ)的混合結(jié)構(gòu)主體以個(gè)體意識為中心[1],并不適應(yīng)于描述這種智能UUV作戰(zhàn)機(jī)群。針對混合型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),德國Fischer,Muller和Pischel將反應(yīng)、慎思和協(xié)作能力結(jié)合起來,研制了一種混合式結(jié)構(gòu)InteRRap[2]。在軍事領(lǐng)域,文[3]對智能艦艇編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,但是還僅限于在原BDI結(jié)構(gòu)上加入作戰(zhàn)等級標(biāo)識來描述實(shí)體等級特點(diǎn),并不能從根本上解決命令與個(gè)體意識的沖突。文[4]針對政府和軍事領(lǐng)域的強(qiáng)制性對基于使命的Agent組織模型進(jìn)行了初步探索。

本文通過對軍事作戰(zhàn)中命令體制的研究,抽取作戰(zhàn)體系中的命令指令形成命令集,代替BDI結(jié)構(gòu)中的意圖集,構(gòu)成一種新的基于命令的Agent模型組織結(jié)構(gòu),并給出了該模型的描述語言ABL的定義和語義解釋,構(gòu)建了基于命令的智能UUV模型,實(shí)現(xiàn)了基于MAS的多UUV機(jī)群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。

2命令模式Agent 模型的提出

在軍事作戰(zhàn)中,存在著明確的層級關(guān)系,各層級完成各自的任務(wù)使命。上級給下級下達(dá)命令,下級需要嚴(yán)格執(zhí)行上級命令[5]。傳統(tǒng)的BDI結(jié)構(gòu)Agent以個(gè)體意識為中心,并不適合這種以上級命令為中心的模式。在BDI結(jié)構(gòu)中意圖主要描述主體打算達(dá)到的一組目標(biāo)。主體根據(jù)環(huán)境信息實(shí)時(shí)改變自身的意圖集[6]。在UUV作戰(zhàn)機(jī)群中,UUV要達(dá)到的目標(biāo)往往由上級下達(dá),因此本文利用命令集代替意圖集,弱化個(gè)體意識強(qiáng)化上級命令,提出由信念-命令-愿望組成的更適合軍事作戰(zhàn)使用的新BCD模型。并在此基礎(chǔ)上加入能力、承諾、角色等心智因素,建立UUV的智能模型,如圖1所示。

圖1　Agent BCD模型Fig.1　Agent BCD model

BCD模型由信念、愿望、命令(含社會義務(wù))、能力、承諾、角色等組成。信念包括環(huán)境、自身及群體中其他Agent的狀態(tài)信息;命令包括Agent接收到的命令、應(yīng)盡的義務(wù)和Agent根據(jù)環(huán)境形成的意圖;能力包括Agent個(gè)體可執(zhí)行的動(dòng)作;愿望包括Agent對所選擇目標(biāo)的承諾;角色包括Agent在團(tuán)體中的層級關(guān)系,決定能力集的組成;承諾是依據(jù)信念、目標(biāo)和能力應(yīng)用承諾規(guī)則產(chǎn)生愿望;承諾規(guī)則是Agent做出承諾的形式依據(jù);規(guī)劃是依據(jù)愿望和能力產(chǎn)生動(dòng)作序列。

3BCD模型邏輯

3.1ABL語法

為了描述Agent的BCD模型,本文首先給出Agent BCD模型描述語言ABL[7]。

ABL以謂詞邏輯為基礎(chǔ),引入時(shí)態(tài)算子,動(dòng)作算子以及描述心智狀態(tài)BCD算子。其中時(shí)態(tài)算子包括:L( 上一次)、N(下一次)、P(曾經(jīng))、F(將會)、H(總有)、G(總會);動(dòng)作算子包括:ACHIEVED、DONE;模態(tài)算子包括:BEL(信念)、DES(愿望)、COM(命令)、CAP(能力)等。針對ABL在此給出以下幾個(gè)定義:

定義1:ABL語言(簡記為La)構(gòu)成如下:

(1) 個(gè)體常項(xiàng):c1,c2,c3……;

(2) 個(gè)體變項(xiàng):x1,x2,x3……;

(3) 謂詞符號:P1,P2,P3……;

(4) 命題連接符:﹁,→,∨,∧,∣,“;”;

(5) 心智模態(tài)詞:BEL,DES,COM,CAP;

(6) 動(dòng)作詞:ACHIEVED,DONE

(7) 時(shí)態(tài)模態(tài)詞:L,N,P,F,H,G;

(8) 存在量詞:?,?;

(9) 括號:()。

﹁、∨、∧與常規(guī)定義相同,→表示因果關(guān)系,P→Q表示如果P則Q。∣連接兩個(gè)選擇執(zhí)行的動(dòng)作,“;”連接兩個(gè)順序執(zhí)行的動(dòng)作。ACHIEVED(φ,p,φ’)表示在前提狀態(tài)φ下完成p的執(zhí)行,達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)φ’;DONE(φ,p)表示在前提狀態(tài)φ下完成p的執(zhí)行;CMD(i,j,α)表示Agenti向Agentj下達(dá)命令執(zhí)行行為α。CAP(i,α)= 1 的含義:Agenti有執(zhí)行行為α的能力。

定義2:La的公式定義如下:

(1) 每個(gè)原子公式是La的公式;

(2) 若φ和?是La的公式,則﹁φ,(?∨φ),?xφ,?xφ和X(φ)都是La的公式,其中X 為定義1中給出的任一模態(tài)詞。

(3) 只有通過上述1)和2)得到的非空符號串才是L a的公式。

3.2AML語義與公理

ABL的語義模型由八元組M=(S,T,φ,π,B,DE,C,N)構(gòu)成,其中S 為狀態(tài)集;T是隨時(shí)間變化的狀態(tài)序列,T中的元素為狀態(tài)序列,用來反映狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況;φ為基本事件類型集合;π是指定與事件相關(guān)的Agent。B?T×Z×T為信念的可達(dá)關(guān)系;DE?T×Z×T為愿望的可達(dá)關(guān)系;N?T×Z×T為能力的可達(dá)關(guān)系;C?T×Z×T為命令的可達(dá)關(guān)系。Z代表離散數(shù)學(xué)中的Z變換。

在此定義真值指派函數(shù)π為:

設(shè)變量指派V→φ。函數(shù)i用于解釋個(gè)體詞,當(dāng)τ為常量時(shí),i(τ)=C(τ),當(dāng)τ為變量時(shí),i(τ)=V(τ)。ABL公式的語義解釋為:

UUV承諾模塊根據(jù)承諾規(guī)則產(chǎn)生愿望,初始規(guī)則由ABL公理和規(guī)則構(gòu)成,UUV在運(yùn)行過程中可通過學(xué)習(xí)產(chǎn)生ABL定理加入承諾機(jī)制。因此承諾規(guī)則構(gòu)成如下:

A1CMD(φ)∧BEL(φ)∧CAP(φ)→DES(φ)

A2CMD(φ)→BEL(φ)

A3DES(N(φ))→N(φ)

A4DES(φ)→BEL(DES(φ))

A5L(φ)→BEL(L(φ))

A6CMD(φ)→F(-CMD(φ))

A7CAP(φ)→BEL(φ)

A8CMD(φ)→CAP(φ)

A9CAP(φ)→BEL(CAP(φ))

A10CMD(φ)→CAP(CMD(φ))

A11DES(φ)→CAP(DES(φ))

A12G(φ→φ)→(G(φ)→G(φ))

A13H(φ→φ)→(H(φ)→H(φ))

A14L(φ)→P(φ)

φ→H(F(φ))

φ→G(P(φ))

A17F(φ)→G(P(φ)∨φ∨F(φ))

A18P(φ)→G(P(φ))

A19F(φ)→F(F(φ))

A20F(φ)→H(F(φ))

X(?xφ)→?xX(φ)

?xX(φ)→X(?xφ)

?xX(φ)→X(?xφ)

4BCD UUV的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

開發(fā)基于BCD模型的多UUV智能編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于BCD模型的Agent智能個(gè)體,實(shí)現(xiàn)了基于命令機(jī)制的智能UUV模型,完成了多UUV系統(tǒng)仿真。

4.1BCD UUV模型總體結(jié)構(gòu)

圖2　UUV模型結(jié)構(gòu)Fig.2　UUV model composition

BCDUUV結(jié)構(gòu)的主要組成成分如下:

(1) 通信交互模塊負(fù)責(zé)命令、信息的接收和狀態(tài)信息的反饋通信。實(shí)時(shí)接收來自其他Agent發(fā)送的交互信息,并將自己的某些狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋出去。

(2) 命令集存儲來自上級Agent的命令及完成情況,在群體中應(yīng)盡的義務(wù)、遵守的規(guī)則等信息。還具備分析命令信任程度的能力和根據(jù)命令完成情況實(shí)時(shí)調(diào)整目標(biāo)。

(3) 目標(biāo)確定模塊根據(jù)命令集中給定的命令確定精確可實(shí)施目標(biāo)。

(4) 信念集存放環(huán)境信息、其他Agent信息和自身信息。并根據(jù)這類信息推理出實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的若干種方案。

(5) 愿望集存放個(gè)體利益愿望規(guī)則,接受信念集發(fā)送來的方案,根據(jù)個(gè)體愿望選擇最佳方案。并將方案的接受程度實(shí)時(shí)反饋給信念集及時(shí)修正信念集。

(6) 能力集存放個(gè)體的能實(shí)現(xiàn)的行為能力,由個(gè)體角色決定。接收來自愿望集中的實(shí)施方案,根據(jù)自己能實(shí)現(xiàn)的能力確定執(zhí)行步驟,分析完成效能,結(jié)果輸出。

(7) 結(jié)果輸出執(zhí)行能力集中的行為。并將目標(biāo)完成情況實(shí)時(shí)反饋給命令集和信念集,以供后續(xù)行為參考。

4.2UUV主體模型

為了使UUV主體模型具備Agent特點(diǎn),為其設(shè)計(jì)一個(gè)軟件框架。根據(jù)BCD Agent的結(jié)構(gòu)分析,只有感知和執(zhí)行部分是相對固定的,思考部分隨著上級命令的不同而改變,所以為了符合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),軟件框架中只能實(shí)現(xiàn)感知和執(zhí)行部分的功能,思考部分必須作為接口留給獨(dú)立模塊根據(jù)具體命令來處理。這樣的軟件框架需要具備自維持能力。

該軟件框架需要具備以下特性:自主感知和自成思考體系,其中自主感知是智能UUV特性中的重要一點(diǎn),也是區(qū)別于普通UUV的一個(gè)重要標(biāo)志。UUV必須具備自主感知能力,才能主動(dòng)探索外界環(huán)境,實(shí)現(xiàn)自身的判斷。自成思考體系也是智能UUV特性中的重要一點(diǎn),UUV必須能夠在生存期間自主觀察、自主思考和行動(dòng)。

(1) UUV主體模型可以通過下列要素描述:

(a) 一組關(guān)于世界的信念;

(b) 主體當(dāng)前打算達(dá)到的一組目標(biāo)

(c) 一個(gè)規(guī)則庫,描述怎樣完成命令和改變信念;

(d) 一個(gè)命令庫,描述主體接收到的命令和自身的個(gè)體意識。

(2) 在此給出一個(gè)簡單的解釋器,如下所示:

BCD-Interpreter

Initialize-state();

do

options:=option-generator(event-queue,B,C,N);

selected-option:=deliberate(options,B,N,C);

update-desires(selected-options,D);

execute(D);

get-external-events();

drop-successful-attitudes(B,C,N);

drop-impossible-attitudes(B,G,N);

until quit

4.3UUV運(yùn)行過程

UUV運(yùn)行主要是由上級命令驅(qū)動(dòng),而不是由環(huán)境的刺激激發(fā),充分體現(xiàn)以上級命令為中心的特性。UUV運(yùn)行過程如下:

(1) 初始待命狀態(tài);

(2) 感知模塊實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息更新信念集。對某些緊急情況利用反射機(jī)制直接做出行動(dòng)反應(yīng)。

(3) 接受上級命令,分析命令建立目標(biāo);

(4) 根據(jù)環(huán)境信息,能力集和目標(biāo)利用承諾規(guī)則產(chǎn)生愿望;

(5) 若愿望集不為空,根據(jù)能力集規(guī)劃出執(zhí)行方案;

(6) 行為評估,更新承諾規(guī)則和能力庫,并將任務(wù)完成效能反饋給上級;轉(zhuǎn)到3)。

5仿真實(shí)驗(yàn)

在此基于VC++ 2003.net開發(fā)環(huán)境開發(fā)了一個(gè)基于BCD模型的多UUV智能編隊(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于BCD模型的Agent智能個(gè)體,實(shí)現(xiàn)了基于命令機(jī)制的智能UUV模型,實(shí)現(xiàn)了基于MAS的多UUV機(jī)群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。為構(gòu)建基于MAS的水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐,完成了多UUV系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該系統(tǒng)由二維態(tài)勢節(jié)點(diǎn),航跡圖繪制,仿真時(shí)鐘和9個(gè)UUV節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。其中二維態(tài)勢節(jié)點(diǎn)從整體上展示編隊(duì)的運(yùn)行狀況,航跡圖節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)繪制每個(gè)UUV的運(yùn)動(dòng)軌跡。時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)控制仿真的時(shí)間推進(jìn),UUV節(jié)點(diǎn)對各自UUV進(jìn)行運(yùn)動(dòng)結(jié)算控制。

在此設(shè)計(jì)想定9個(gè)UUV隨機(jī)分布在系統(tǒng)中,UUV任務(wù)為組成編隊(duì)通過一個(gè)狹長海峽到達(dá)指定的區(qū)域。仿真開始后,首先由已經(jīng)加入的UUV根據(jù)任務(wù)需求決定各自的角色,由系統(tǒng)中的UUV協(xié)商決定誰是主UUV,然后根據(jù)主UUV的決策組成編隊(duì)。其他從UUV進(jìn)入編隊(duì)跟隨狀態(tài)。組成人字形編隊(duì)。在探測到狹長海峽的時(shí)候由主UUV發(fā)出指令變換隊(duì)形為一字型隊(duì)形通過海峽。通過海峽后恢復(fù)人字形編隊(duì)向目標(biāo)區(qū)域航行。實(shí)現(xiàn)效果如圖4和圖5所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Simulation systemstructure

圖4　UUV運(yùn)行的航跡Fig.4　The interface of UUV

圖5　UUV編隊(duì)變換效果圖Fig.5　The initial position and chevron formation of UUV

6結(jié)束語

本文利用作戰(zhàn)體系中的命令指令形成命令集,代替BDI結(jié)構(gòu)中的意圖集,構(gòu)成一種新的基于命令的Agent模型組織結(jié)構(gòu),給出了該模型的描述語言ABL的定義和語義解釋,并構(gòu)建了基于命令機(jī)制的智能UUV模型。我們并采用VC++實(shí)現(xiàn)了智能UUV機(jī)群控制仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果顯示利用該模式構(gòu)建的UUV作戰(zhàn)機(jī)群更容易指揮控制,完成上級命令的效率更高。在組成編隊(duì)的過程中不會出現(xiàn)多UUV搶占一個(gè)機(jī)位的問題。為構(gòu)建基于MAS的水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

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李宏宏男(1983-),河北石家莊人,博士生,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

康鳳舉男(1947-),江蘇無錫人,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真理論及應(yīng)用,自動(dòng)控制理論。

Design of intelligent UUV model under the commandLIHonghong1,2,KANGFengju1,2

(1.School of Marine Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi’an,Shanxi 710072,China;

2.National Key Laboratory of Underwater Information Process and Control,Xi’an,Shanxi 710072,China)

Abstract：Compared with traditional BDI structure Agent which is controlled by individual consciousness to accomplish tasks,Multiple UUV combat receives command from carrier or submarine and takes action according to its surrounding information.Combined with research works from Agent Theory and military combat command system,this paper brings up a structure which is based on Agent model and illustrates the formula language to build up the command oriented intelligent UUV model.UUV model realized the MAS UUV Fleet Combat simulation system and provide technical support to the realization of MAS underwater network centric warfare systems.

Key words：command; UUV; agent organization model; combat simulation

中圖分類號：TP 391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A