郭智杰 糜玉林 王建國

(海軍航空工程學院 煙臺 264001)

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基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真研究*

郭智杰 糜玉林 王建國

(海軍航空工程學院 煙臺 264001)

計算機仿真是研究防空作戰(zhàn)的重要手段，針對要地防空作戰(zhàn)特點，利用基于Agent的建模技術設計防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構，重點建立基于Agent的雷達和保衛(wèi)目標的行為模型。通過分析系統(tǒng)中各Agent的行為聯(lián)系，建立多Agent的交互關系。最后采用AnyLogic仿真平臺對模型進行驗證，設計并給出了要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，為部隊教學和模擬訓練提供可行的平臺。

要地防空; Agent; 行為建模; 作戰(zhàn)仿真; AnyLogic

Class Number TP391

1 引言

要地防空是為保衛(wèi)國家重要地區(qū)或目標安全而進行的區(qū)域性防空。近幾場局部戰(zhàn)爭表明，現(xiàn)代空襲兵器平臺裝備的導彈突防能力越來越強，打擊距離越來越遠，打擊精度越來越高，對要地防空作戰(zhàn)提出了新的挑戰(zhàn)。

隨著系統(tǒng)仿真技術日益成熟，通過仿真試驗進行防空作戰(zhàn)研究已成為當前最主要的防空作戰(zhàn)分析手段[1],而基于Agent的建模技術被認為是解決復雜系統(tǒng)的最具活力、最具影響力的方法之一[2～4]。當前要地防空作戰(zhàn)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，應用基于Agent的仿真技術展現(xiàn)真實作戰(zhàn)過程能夠為部隊裝備訓練和人員作戰(zhàn)訓練提供新的途徑。本文通過分析目前要地防空作戰(zhàn)指揮體系及作戰(zhàn)指揮過程，結(jié)合AnyLogic仿真平臺對要地防空作戰(zhàn)過程進行建模，構建基于Agent的要地防空作戰(zhàn)體系，最后利用該平臺對要地防空作戰(zhàn)進行仿真。

2 要地防空作戰(zhàn)

2.1 作戰(zhàn)指揮體系

當前要地防空的作戰(zhàn)指揮體系主要采用集中指揮形式，由上級指控中心下達作戰(zhàn)命令進行統(tǒng)一作戰(zhàn)指揮。在上級指控中心出現(xiàn)故障或無法進行統(tǒng)一指揮時，此時下屬的火力單元可以采取自主指揮方式進行指揮作戰(zhàn)，獨立完成作戰(zhàn)任務。

相比網(wǎng)絡化防空指揮體系[5]，雖然集中指揮方式下作戰(zhàn)單元的生存能力有所降低，但是網(wǎng)絡化作戰(zhàn)指揮結(jié)構對于通信組網(wǎng)技術的依賴性高，通信不穩(wěn)定和不及時可能會導致作戰(zhàn)時機的延誤。在集中指揮方式下，指控中心可以對所屬作戰(zhàn)資源進行統(tǒng)一調(diào)配，保證防空作戰(zhàn)行動的一致性和任務的執(zhí)行效率。如圖1所示為當前要地防空作戰(zhàn)指揮體系結(jié)構，這里我們設定火力單元由通信系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、制導系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)和電子對抗系統(tǒng)組成。

圖1 要地防空作戰(zhàn)指揮體系結(jié)構

2.2 作戰(zhàn)指揮過程

要地防空作戰(zhàn)的具體指揮流程為：在收到上級或友鄰部隊的敵情通報后，要地防空指控系統(tǒng)引導所屬對空搜索雷達跟蹤搜索目標，同時下屬的火力單元對所屬空域進行目標搜索跟蹤，地域通信車引導配合雷達進行目標跟蹤識別任務，綜合識別后將目標信息傳送給指控系統(tǒng)形成空情態(tài)勢。同時通過數(shù)據(jù)通信鏈路向各火力單元的指控系統(tǒng)以及發(fā)控系統(tǒng)通報并實時共享目標信息。當敵方目標進入雷達探測區(qū)域后，雷達開始對目標進行識別跟蹤，經(jīng)通信系統(tǒng)將目標的信息傳送至指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)對目標進行綜合識別和目標威脅判斷，對目標進行威脅排序。在目標臨近發(fā)射區(qū)時，指控系統(tǒng)根據(jù)通信系統(tǒng)傳來的目標信息進行參數(shù)計算，對目標進行火力分配。在檢查滿足發(fā)射條件后，由指控系統(tǒng)向發(fā)控系統(tǒng)發(fā)送“發(fā)控解鎖”命令，發(fā)射導彈對目標進行攔截。在導彈發(fā)射之后，指控系統(tǒng)向雷達發(fā)送“截獲目標”命令，此時雷達對導彈進行跟蹤截獲，當雷達截獲導彈之后則向彈上制導系統(tǒng)發(fā)送制導命令，制導系統(tǒng)工作引導導彈飛向目標。在實施打擊后，指控系統(tǒng)對本次攔截目標的效果進行評估，由指揮員進行決策判斷，若目標還在殺傷區(qū)域內(nèi)則可以對其進行二次攔截。電子對抗系統(tǒng)在作戰(zhàn)準備階段完成后，處于待命狀態(tài)由指揮員確定是否參與戰(zhàn)斗。要地防空作戰(zhàn)指揮過程如圖2所示。

3 基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真 系統(tǒng)

3.1 基于Agent的仿真系統(tǒng)層次結(jié)構

要地防空作戰(zhàn)系統(tǒng)有許多要素組成，本質(zhì)上可以抽象為一個多智能體系統(tǒng)。如圖3所示，本文為了對要地防空作戰(zhàn)行為進行仿真，仿真系統(tǒng)結(jié)構組成主要包括仿真控制單元、敵機Agent、防空導彈Agent、雷達Agent、保衛(wèi)目標Agent、戰(zhàn)場環(huán)境Agent等。仿真系統(tǒng)通過采取UML/JAVA建模技術進行混合建模，系統(tǒng)可實現(xiàn)基本仿真推演、三維顯示、數(shù)據(jù)記錄和存儲等功能。

圖2 要地防空作戰(zhàn)指揮過程示意圖

圖3 要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)架構

3.2 基于Agent的行為建模

想要建立基于Agent的要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，就要對這些實體行為采用基于Agent的描述，也就是基于Agent實體的行為建模[6～7]。對防空作戰(zhàn)系統(tǒng)的各Agent實體進行建模，就要依據(jù)各作戰(zhàn)實體的行為、功能進行針對性的設計，這些行為機制就是Agent 利用能力的規(guī)則[8]。在要地防空作戰(zhàn)中，由于導彈Agent，敵機Agent和雷達Agent三者之間要產(chǎn)生較為復雜的動作和信息聯(lián)系，因此結(jié)合Agent定義和多Agent的BDI結(jié)構[9～10]，對導彈Agent、敵機Agent和雷達Agent進行建模。在設計的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，雷達Agent充當指控中心對防空導彈進行統(tǒng)一目標分配，實施對敵打擊行動。如圖4所示這里只給出雷達Agent的結(jié)構。

圖4 雷達Agent結(jié)構

雷達Agent的各模塊功能、行為規(guī)則如下：

1) 通信機制主要功能包括：雷達探測到敵機進入預警范圍后與指控中心進行通信，進行目標識別和威脅判斷，綜合判斷后上級指控中心下達任務至下級指控中心，在火力單元級別接收上級的射擊任務信息；此時雷達Agent與導彈Agent之間進行交互通信，雷達Agent發(fā)送目標分配信息至導彈Agent。在導彈發(fā)射之后及時發(fā)送敵機的動態(tài)目標指示信息，便于實施二次攔截。

2) 環(huán)境感知模塊主要功能包括：雷達Agent感知戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢，用于搜索跟蹤敵機和導彈發(fā)射后的精確位置。

3) 知識庫模塊主要功能包括：存儲和記錄敵機的方位、數(shù)量、火力配置等數(shù)據(jù)，除此之外知識庫里還存儲有導彈火力分配及打擊效能的信息。

4) 目標規(guī)劃模塊主要功能包括：雷達的目標識別、威脅判斷數(shù)據(jù)，引導防空導彈進行動態(tài)目標分配的規(guī)劃模型。

5) 推理決策模塊主要功能包括：結(jié)合知識庫和目標規(guī)劃的模型對來襲目標進行優(yōu)先級排序，根據(jù)自身探測到的敵機目指信息，通過與火力單元里的其余雷達實體進行通信協(xié)作，最終對導彈進行目標分配，同時引導導彈飛向目標。

由于目標Agent實體和戰(zhàn)場環(huán)境Agent實體二者與外界交互行為較為單一，不需要復雜的推理。因此這里采用反應Agent結(jié)構，對目標Agent實體和戰(zhàn)場環(huán)境Agent實體進行建模，如圖5所示這里只給出目標Agent的結(jié)構。

圖5 目標Agent結(jié)構

目標Agent的各模塊功能、行為規(guī)則如下：

1) 傳感器主要功能用于和戰(zhàn)場環(huán)境進行感知交互，主要用于感知來襲敵機信息并且傳遞信息至動作模塊。

2) 條件規(guī)則主要是設計者定義Agent執(zhí)行的規(guī)則、行為，是用于支持目標Agent實體對戰(zhàn)場環(huán)境進行反應的知識空間。

3) 動作機制是用于執(zhí)行設定好的動作行為，是反應型Agent的核心。動作機制主要功能包括模擬目標Agent實體是否處于正常狀態(tài)或者炸毀狀態(tài)。

4) 效應器主要功能是將動作行為傳遞至戰(zhàn)場環(huán)境，同時和敵機Agent進行交互，敵機Agent通過效應器傳來的反應判斷目標是否已經(jīng)被炸毀，通過該模塊可以將Agent的一系列反應傳遞至外界。

3.3 基于Agent的交互關系建模

戰(zhàn)場仿真中，具有智能性的Agent實體，可以根據(jù)外界環(huán)境的變化，通過自身的推理決策做出正確的行動[11]。在整個要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，Agent之間都是相互關聯(lián)并時刻發(fā)生關系的，各Agent通過交互結(jié)合自身推理決策產(chǎn)生相應的行為。要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中各Agent的交互關系如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)Agent交互關系

在要地防空作戰(zhàn)中，各Agent 在自己的感知區(qū)域內(nèi)不斷地搜索各自相關的戰(zhàn)場環(huán)境信息，并與戰(zhàn)場環(huán)境Agent 進行交互。其中導彈Agent，敵機Agent和雷達Agent根據(jù)自身的知識庫結(jié)合交互得到的信息完成雷達對空搜索跟蹤，飛機瞄準目標開始轟炸以及導彈對準敵機發(fā)射等一系列動作。本文設計的要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，雷達Agent不僅可以探測敵機方位，還可以充當火力單元指控中心下達任務信息，為導彈提供射擊信息引導導彈對空攻擊。

4 要地防空作戰(zhàn)模型仿真驗證

4.1 仿真平臺AnyLogic

AnyLogic是由XJ Technologies Company Ltd開發(fā)的應用極為廣泛的仿真軟件。AnyLogic是一個虛擬原型環(huán)境，使用它可以設計連續(xù)、離散和混合行為的復雜系統(tǒng)。AnyLogic主要支持Java語言，無需進行整體代碼框架的編寫，就可以在任何Java支持的平臺，或者Web網(wǎng)頁上運行仿真模型。同時可以通過控件建模，操作非常方便。對于不同的領域，AnyLogic也提供了各種各樣的專業(yè)庫。AnyLogic模型的可視化圖形是由Java編寫的，用戶可以非常方便地定義信息對象、端口、對象、時鐘等功能；并且在模型的任一層次，都可直接在模型編輯器中添加Java代碼。有了Java，再加上面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛨D，用戶便可以得心應手地構建任何復雜棘手的模型了[12]。除此之外AnyLogic是第一個將UML語言引進模型仿真領域的工具，是唯一能夠支持基于Agent的動態(tài)真實主體建模仿真。

上文中對雷達Agent和目標Agent進行了行為建模，下面將以雷達Agent和目標Agent為例闡述對模型的驗證。

4.2 雷達Agent模型設計

這里采用基于的主體建模方法對雷達Agent進行設計，如圖7所示給出了雷達Agent的設計界面。對于雷達Agent的設計，這里定義一個target變量類型為aircraft(敵機Agent)，定義一個搜索目標事件和一個跟蹤目標函數(shù)用于和敵機發(fā)生交互，實現(xiàn)雷達對敵機的搜索跟蹤功能，設置其余一些參數(shù)表示雷達所處三維空間的位置以及雷達的探測區(qū)域。這里將missiles(導彈Agent)嵌套到雷達Agent框架里是為了讓雷達Agent與導彈Agent發(fā)生交互，從而實現(xiàn)雷達引導導彈對空攻擊。

圖7 雷達Agent設計界面

搜索目標事件代碼如下：

for ( Aircraft aircraft : main.aircrafts ) {

double a = x - aircraft.x;

double b = y - aircraft.y;

double c = z - aircraft.z;

double d = sqrt( a*a + b*b + c*c ); //定義d表示雷達與敵機的距離

if( d < 探測區(qū)域 ) {

if ( !aircraft.tracked && missiles.size() < 2 )

跟蹤目標( aircraft ); }}

//若未被鎖定的敵機進入雷達探測區(qū)域，則對敵機進行跟蹤

跟蹤目標函數(shù)體如下：

target = aircraft;

//設置變量target類型表示敵機

add_missiles();

//通知添加導彈準備發(fā)射

aircraft.tracked = true;

//跟蹤鎖定敵機，發(fā)射導彈

target = null;

//導彈發(fā)射后清除當前鎖定敵機

4.3 目標Agent模型設計

如圖8所示，對于目標Agent的建模較為簡單，無需過多的Agent交互行為，這里采用UML狀態(tài)圖對目標Agent進行建模。目標Agent主要分為正常和炸毀兩種狀態(tài)，通過加入變遷機制使得狀態(tài)發(fā)生改變。這里定義正常和炸毀兩個函數(shù)來具體改變目標的狀態(tài)，設置名為目標位置的動態(tài)參數(shù)以及表示目標空間位置的三個變量。

圖8 目標Agent設計界面

其中目標由正常狀態(tài)變遷到炸毀狀態(tài)需要觸發(fā)于消息(“destroyed”)，目標Agent與敵機Agent的交互則體現(xiàn)為正常和炸毀兩個函數(shù)行為。

正常函數(shù)體如下：

return inState( 正常狀態(tài) );

//用于敵機判斷目標是否被炸毀

炸毀函數(shù)體如下：

目標狀態(tài).fireEvent( "destroyed" );

//用于敵機對目標發(fā)動攻擊，同時目標變遷為炸毀狀態(tài)

4.4 仿真驗證

通過對Agent模型進行設計，基于AnyLogic仿真平臺對模型進行仿真，仿真界面設置滑條用于改變導彈速度，雷達探測范圍以及敵機速度等參數(shù)。整個要地防空作戰(zhàn)仿真過程為：對空雷達Agent探測到敵機Agent進入我防空范圍內(nèi)，發(fā)送敵機目標信息至導彈Agent，此時導彈Agent在雷達Agent的導引下向敵機進行火力打擊，經(jīng)過一段時間的火力對抗敵機Agent、目標Agent、導彈Agent數(shù)量會隨之發(fā)生改變，直到一方被消滅結(jié)束戰(zhàn)斗。

圖9 要地防空作戰(zhàn)仿真運行圖

5 結(jié)語

要地防空作戰(zhàn)仿真是一個較為復雜的仿真系統(tǒng)。基于AnyLogic平臺實現(xiàn)要地防空作戰(zhàn)仿真是可借鑒的途徑之一。本文運用基于Agent的建模技術對相應的Agent進行行為建模，并采用AnyLogic仿真平臺設計Agent仿真模型，確定各Agent之間的交互關系，設計開發(fā)要地防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)驗證模型的可行性，可為部隊教學訓練提供新的平臺。目前有關要地防空作戰(zhàn)建模和仿真的方法手段還處在研究階段，一體化聯(lián)合防空作戰(zhàn)仿真、電子對抗仿真、防空作戰(zhàn)效能評估仿真等仿真模型還需要進一步豐富。

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Point Air Defense Combat Simulation Based on Agent

GUO Zhijie MI Yulin WANG Jianguo

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001)

Computer simulation was an important means of research on air defense combat. Due to the characters of point air defense combat, the modeling technology based on Agent was put forward to establish the simulation system architecture, the behavior modeling based on Agent of radar and point area were established. Through the analysis of the relationship between the various Agent, the interaction between the Agent was established. Finally, the simulation platform of AnyLogic was applied to verified model, a simulation system of point air defense was given to verify the feasibiliy of the model in army teaching and training.

point air defense, agent, behavior modeling, combat simulation, AnyLogic

2016年5月7日,

2016年6月23日

郭智杰，男，碩士研究生，研究方向：信息管理與智能決策。糜玉林,男,碩士,教授,研究方向：管理科學與工程、計算機科學與技術。王建國,男,碩士,副教授，研究方向：火力與指揮控制。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.017