何 榕,羅小明

(裝備學院,北京 101416)

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基于MAS的反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模研究*

何 榕,羅小明

(裝備學院,北京 101416)

反導體系是維護國家安全的重要屏障,反導體系的核心是作戰(zhàn)指揮問題,探索研究反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結構及建模具有十分重要的意義?；贛AS的建模方法,分析美軍聯(lián)合反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結構,將其反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各組成要素抽象成Agent實體,并對不同的Agent實體進行微觀建模及行為規(guī)則制定,然后依據反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各要素的交互關系構建混合式MAS結構,為反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的結構定量分析提供了方法支持。

反導體系作戰(zhàn);指揮系統(tǒng);多智能體系統(tǒng)(MAS);建模

彈道導彈具有射程遠、飛行速度快、雷達散射截面積較小、不易被發(fā)現、可攜帶常規(guī)彈頭和核彈頭等特點,已成為現代戰(zhàn)爭中最重要的進攻手段。我國周邊已成為彈道導彈發(fā)展的熱點地區(qū),從本土發(fā)射彈道導彈對我能夠形成威脅的國家(地區(qū))有10余個。尤其是隨著新型彈道導彈隱身、雷達干擾、誘餌、加固、多彈頭、機動變軌等多種技術措施的采用,反導識別和攔截越來越困難,彈道導彈的威脅越來越嚴峻。因此,積極構建我國現代反導體系,特別是反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),對維護國家安全,遏止和打贏未來信息化局部戰(zhàn)爭,具有十分重要的戰(zhàn)略及現實意義。

1 反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)

反導體系作戰(zhàn)指揮強調對各種偵察預警、指揮控制、通信和武器平臺的有序管控,因而反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)不僅應具備指揮和作戰(zhàn)功能,還應具備戰(zhàn)場資源管理功能。在基于信息系統(tǒng)的反導體系作戰(zhàn)中,參與的作戰(zhàn)力量和各種戰(zhàn)場資源遠遠超過以往戰(zhàn)爭,除了依靠指揮員和指揮機構外,指揮信息系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。反導體系作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)主要包括偵察預警系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和通信網絡系統(tǒng),它一方面豐富了各種戰(zhàn)場資源,另一方面為戰(zhàn)場資源的管控提供了手段。反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)通過對各種戰(zhàn)場資源的統(tǒng)一調度管理,減少了由于單個武器平臺的位置、環(huán)境、性能或自身探測器所帶來的局限性,將分散的各個平臺綜合集成為一個有機整體。因此,反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是由遂行反導體系作戰(zhàn)任務的指揮員、指揮機關和指揮手段等要素以一定形式構成的,對參戰(zhàn)力量及戰(zhàn)場資源進行統(tǒng)一管理、對作戰(zhàn)行動進行組織指揮的有機整體。本文以美軍聯(lián)合反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)為例進行分析,其結構如圖1所示。

圖1 美軍聯(lián)合反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結構

由圖1可知,國家指揮當局是彈道導彈防御的最高指揮層,它將非核彈道導彈的防御授權給戰(zhàn)略司令部;戰(zhàn)略司令部具體負責美國全球反導作戰(zhàn),由國防情報局聯(lián)合情報作戰(zhàn)中心及北方司令部導彈預警中心提供情報支持,戰(zhàn)略司令部所屬的陸軍空間與導彈防御司令部(Space and Missile Defense Command, SMDC)具體負責美國本土的彈道導彈防御,并通過授權北方司令部指揮地基中段反導系統(tǒng)(Ground-based Midcourse Defense, GMD)旅,防空反導特遣隊(Air and Missile Defense Task Force, AMDTF)以戰(zhàn)術指揮單元的方式指揮作戰(zhàn),所屬一體化導彈防御聯(lián)合司令部(Joint Functional Component Command for Integrated Missile Defense, JFCC-IMD)指揮、授權相關海外戰(zhàn)區(qū)司令部進行反導作戰(zhàn);海外戰(zhàn)區(qū)反導司令部通過C2BMC向負責指揮PAC-3、THAAD等反導作戰(zhàn)單元的AMDTF戰(zhàn)術指揮單元下達作戰(zhàn)命令并支持反導作戰(zhàn);反導作戰(zhàn)部隊在其戰(zhàn)術指揮單元的指揮下具體完成反導作戰(zhàn)任務。

2 基于MAS的建模理論與方法

指揮系統(tǒng)建模的目的主要是模擬各類指揮系統(tǒng)的情報收集、融合、決策計劃和指揮控制等活動,或模擬指揮員判斷情況、定下決心、擬制計劃和下達命令等活動。此外,通過對指揮系統(tǒng)體系結構進行建?？梢赃_到全面描述和分析該系統(tǒng)的目的。經典的指揮系統(tǒng)建模方法主要有基于Petri網、蘭徹斯特方程等,但是Petri網模型的狀態(tài)/變遷和觸發(fā)集合規(guī)模比較大,不能有效控制系統(tǒng)狀態(tài)集合的增長,容易造成狀態(tài)爆炸問題。蘭徹斯特方程,討論的只是比較理想的情況,對信息化條件下的指揮系統(tǒng)的效能評估功能也十分有限。反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)作為信息化條件下體系作戰(zhàn)的指揮系統(tǒng)與傳統(tǒng)的指揮系統(tǒng)相比,在結構上已從傳統(tǒng)的中心式結構轉變?yōu)榉侵行氖浇Y構,它已經具有復雜系統(tǒng)的全部特征,因此用基于MAS的復雜性建模理論為信息化條件下體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模開辟了一個新方向。

目前被廣泛使用的“Agent”在許多相關的參考文獻中都各自進行了定義,但是迄今為止還沒有一個統(tǒng)一規(guī)范的權威定義。在不同的學科領域,甚至在同一學科中,對“Agent”都有著多種不同的理解。在建模與仿真領域,“Agent”被看一種描述手段和實現方法,亦即具有獨立行為的離散個體均可建模為Agent[3]。而單個Agent受其資源和能力的限制,無法適應大規(guī)模復雜問題的求解。將多個Agent集成在同一系統(tǒng)環(huán)境中,通過它們之間的相互交互可以實現問題的求解[4]。一般將這種由多個Agent通過自身的能力和相互間的協(xié)作來完成某些任務或達到某些目的而形成的松散耦合系統(tǒng),稱為多Agent系統(tǒng),簡稱為MAS(Multi-Agent System)。

基于MAS建模方法的基本思想是:通過對大量個體Agent的微觀行為及其非線性的交互作用來建立系統(tǒng)整體的宏觀行為。對實體利用Agent進行建模,實體之間的相互關系可用Agent的相互交互來建模。系統(tǒng)的宏觀行為由于系統(tǒng)內每個Agent的能動性、適應性和交互作用,使得其不僅僅是所有微觀Agent行為之和,還呈現出較強的非線性和涌現性。

式中:φi為Agenti自身能力系數,表示Agenti的行為對系統(tǒng)宏觀行為的貢獻;φij為Agenti與Agentj的交互作用產生的涌現系數,表示Agenti與Agentj的交互作用對系統(tǒng)宏觀行為的貢獻。因此,基于MAS建模方法的關鍵在于對Agent實體和實體之間的交互作用建模。

3 基于MAS的反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模

基于MAS的反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模的基本思路是:將反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的各個要素抽象成各個Agent,然后建立一一對應的Agent實體模型,接著根據反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各個實體Agent間的交互關系選擇合適的MAS結構來組裝這些Agent,最終實現對系統(tǒng)仿真模型的建立?；贛AS反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的建?？蚣苋鐖D2。

圖2 基于MAS反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建模框架

3.1 反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)實體分析

根據圖2所描述的反導作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的各組成要素以及要素之間的相互關系,在應用基于MAS的建模方法進行建模時,將各個組成要素直接映射為Agent模型,Agent模型的基本屬性由要素的屬性決定,要素間的相互關系映射為各個Agent之間的交互關系。因此,在反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS模型中,包含的實體Agent有預警衛(wèi)星Agent、遠程相控陣預警雷達Agent、天波超視距預警雷達Agent、地基多功能目標跟蹤指示雷達Agent、各級指揮控制中心Agent、攔截作戰(zhàn)單元Agent以及彈道導彈目標Agent。

3.2 微觀模型

反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的微觀模型主要是對實體進行Agent建模,主要包括實體的屬性描述,以及實體的行為模型。本文的實體行為模型通過其相關的數學模型來表示[5-7]。

1)預警衛(wèi)星Agent

(1)

(2)

式中,α、β、c是常數;Vs/Vn是信噪比。

2)預警雷達Agent(包括遠程相控陣預警雷達以及多功能目標跟蹤指示雷達)

預警雷達主要實現對彈道導彈目標的探測、搜索、跟蹤、分類識別、發(fā)點估計、落點預測、預警時間計算等功能。ni(t)=(li,φi)表示第i部雷達在t時刻的狀態(tài)。其中:li=(lon,lat)表示雷達部署的經緯度;φi=(φi1,φi2,φi3)表示雷達的性能指標;φi1為信噪比為1時,雷達目標間的距離，km;φi2為虛警概率;φi3為信號脈沖數。

預警雷達的最遠直視距離Rs由下式確定。

(3)

式中,h為雷達高度;H為彈道導彈目標高度。若Rmax表示雷達最大作用距離,則當R>min(Rmax,Rs),則不能發(fā)現彈道導彈目標;當R≤min(Rmax,Rs),則彈道導彈目標被發(fā)現。

(4)

3)預警信息處理中心Agent

預警信息處理中心Agent的功能是將來源不同、種類各異、真?zhèn)位祀s、數量巨大的戰(zhàn)場情報信息,通過綜合分析、加工處理、比照篩選、去粗取精、去偽存真,形成系統(tǒng)性、針對性較強的高價值信息,供給使用者,提高信息利用的時效性。預警信息處理中心Agent=(li,θi,pi)。其中:li=(lon,lat)表示預警信息處理中心所部屬位置的經緯度;θi=(θi1,θi2,θi3,θi4)表示指揮控制中心的性能指標;θi1為預警信息歸口處理能力;θi2為比照篩選能力;θi3為綜合印證能力;θi4為信息分發(fā)能力;pi為戰(zhàn)場態(tài)勢圖的刷新率。

預警信息處理中心的戰(zhàn)場態(tài)勢圖更新快,表明其信息獲取快、傳遞快、處理快。因此,可用戰(zhàn)場態(tài)勢圖的刷新率pi來表示預警信息處理中心Agent的能力。

(5)

4)各級指揮控制中心Agent

指揮控制中心Agent的功能包括負責接收來自預警衛(wèi)星Agent、遠程相控陣預警雷達Agent、多功能目標跟蹤指示雷達Agent以及預警信息處理中心Agent的偵察預警信息,對信息進行處理和決策,計算打擊的可行性和選擇攔截打擊單元,同時對攔截打擊單元Agent下達攔截指令。指揮控制中心Agent=(li,σi,ti)。其中:li=(lon,lat)表示指揮控制中心所部屬位置的經緯度;σi=(σi1,σi2,σi3,σi4,σi5)表示指揮控制中心的性能指標;σi1為指揮控制覆蓋率;σi2為有效的指揮跨度;σi3為指揮的自動化程度;σi4為指揮控制中心與武器系統(tǒng)的交聯(lián)度;σi5為指揮控制中心的指揮保障能力;ti為指揮控制中心的決策時延。

各級指揮控制中心在信息收集、處理、分發(fā)以及決策環(huán)節(jié)所需要的時間,稱為指揮控制中心的決策時延ti。需要指出的是,決策時延ti是一個不確定的量,可以當作隨機變量來考慮。這個變量有一個性質,即完成上述環(huán)節(jié)的可能性會隨著時間的增加而增加,所以可以用指數分布來描述,決策時延ti可以認為近似服從均值λ的指數分布,其概率密度分布為

(6)

式中,λ為指揮控制中心Agent完成信息收集、處理、分發(fā)以及決策環(huán)節(jié)所需要的期望時間。

5)攔截作戰(zhàn)指控單元Agent

攔截作戰(zhàn)指控單元Agent主要是接收上級指揮控制中心的目標分配命令,協(xié)調其內部的火力指控、制導雷達、發(fā)射系統(tǒng)和攔截彈,對彈道導彈目標實施攔截。ni(t)=(li,ηi)表示第i個攔截作戰(zhàn)指控單元在t時刻的狀態(tài)。其中:li=(lon,lat)表示攔截作戰(zhàn)指控單元的部署經緯度;ηi=(ηi1,ηi2,ηi3,ηi4)表示攔截作戰(zhàn)指控單元的性能指標;ηi1為最大攔截高度，km;ηi2為最小攔截高度，km;ηi3為最大攔截斜距，km;ηi4為最小攔截斜距，km。

(7)

攔截作戰(zhàn)指控單元Agent在攔截過程中的平均速度為V(t′),則飛行至來襲彈道導彈目標Agent在t′時刻所需的時間Δt為:Δt=R(t′)/V(t′)。

6)彈道導彈目標Agent

3.3Agent的行為規(guī)則

在建立反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS結構中,關鍵的一步是制定Agent的行為規(guī)則。Agent中的行為規(guī)則主要用于控制各Agent進行狀態(tài)轉換或引發(fā)動作的執(zhí)行。Agent的每條行為規(guī)則基本形式為

IF<條件>THEN<動作>

其中:條件部分為Agent的感知信息;動作部分可以是一個簡單的輸出參量,如預警系統(tǒng)(包括預警衛(wèi)星、預警雷達、預警信息處理中心等)Agent輸出目標彈的概略位置和速度信息,通信衛(wèi)星Agent輸出路由規(guī)劃的結果,指揮控制中心Agent輸出的是決策結果,攔截彈Agent在收到指揮控制中心Agent的指令后,對目標彈Agent進行攔截等。具體的每個Agent的行為規(guī)則,本文由于篇幅的限制就不一一贅述。

3.4 反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS結構

根據圖1所描述的美軍聯(lián)合反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)內在關系,可以得到其MAS結構。一方面,各級指揮控制中心Agent之間,以及指揮控制中心Agent與攔截作戰(zhàn)單元Agent,預警指控中心Agent與預警衛(wèi)星Agent、預警雷達Agent等存在指控關系;另一方面,各類不同的預警情報Agent之間,以及各類同級指控中心Agent之間,攔截作戰(zhàn)單元Agent之間又存在協(xié)同關系。因此,反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的MAS模型可以采用混合式結構,具體如圖3所示。

圖3 美軍聯(lián)合反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)MAS結構

4 結束語

反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是反導體系建設的重要組成部分,是提升反導體系作戰(zhàn)效能的核心。本文在分析反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結構的基礎上,基于MAS理論建模與方法,將反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各組成要素抽象成Agent實體,并對不同的Agent實體進行微觀建模及行為規(guī)則制定,然后依據反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中各要素的交互關系構建混合式MAS結構,為反導體系作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的結構定量分析提供了方法支持。

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Study on MAS-based Command System Modeling of Missile Defense Systems Operation

HE Rong, LUO Xiao-ming

(Equipment Academy, Beijing 101416, China)

Missile defense is of great importance to national security, and the core of missile defense system is operational command. So it is very significant to explore the structure and modeling of missile defensive operational command system. Using the American missile defense command system structure as a example, the paper abstracts the components in the command system of missile defense systems operation into the agent entitles based on MAS. The different agent entity has different microscopic model, it need to follow itself rules of conduct. Then the paper build the mixing MAS structure about the command system of missile defense systems operation according to its internal interaction. The paper provides the method support to quantitative analysis on the command system of missile defense systems operation.

missile defense systems operation; command system; multi-Agent system (MAS); Modeling

2016-12-13

2017-01-18

國家社科基金(14GJ003-129)

何 榕(1983-),女,江西宜春人,博士研究生,講師,研究方向為軍事運籌與作戰(zhàn)模擬仿真。 羅小明(1966-),男,博士,教授,博士生導師。

1673-3819(2017)02-0005-05

TJ761；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.002