曹迎春 楊 杰*

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.張家口市建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)與傳承數(shù)字技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

0 前 言

明長城軍事防御體系(簡稱明長城體系)是中國最具代表的世界文化遺產(chǎn)，是明代社會(huì)處理邊疆地區(qū)人—地關(guān)系的經(jīng)典策略，亦對(duì)當(dāng)代區(qū)域經(jīng)濟(jì)、旅游和文化發(fā)展產(chǎn)生重要影響，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)、深入的系統(tǒng)性研究具有重大的歷史價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

明長城體系是由長城本體、軍事防御聚落系統(tǒng)、交通系統(tǒng)和烽傳系統(tǒng)等相對(duì)靜態(tài)的物態(tài)要素和人類決策、防御策略、信息傳遞等相對(duì)動(dòng)態(tài)的非物態(tài)要素共同組成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，其防御過程相應(yīng)呈現(xiàn)基于物態(tài)要素之必然性與非物態(tài)要素之偶然性的復(fù)雜交互作用.復(fù)雜非線性系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)制的解析和呈現(xiàn)需要全面的模擬才能真正實(shí)現(xiàn)[1,2].因此，明長城體系復(fù)雜性研究的關(guān)鍵，是完整和精確解析物態(tài)要素與非物態(tài)要素的交互作用機(jī)制，以及基于交互作用實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)性防御功能，由此逆向還原明長城體系的形成過程并重構(gòu)其文化系統(tǒng)，再現(xiàn)這一非凡歷史事件的演化機(jī)制和動(dòng)機(jī).

傳統(tǒng)上，由于研究理論和工具的局限，明長城體系的相關(guān)研究主要集中于歷史學(xué)和建筑學(xué)兩個(gè)獨(dú)立視角，一方側(cè)重歷史文化——明長城體系的歷史演化[3]、制度變遷[4]和經(jīng)濟(jì)演變[5]等；另一方則偏重物態(tài)要素——明長城體系的空間分布關(guān)系[6]、功能結(jié)構(gòu)[7]和建筑形態(tài)[8]等，以上研究或偏于非物態(tài)因素層面，或?qū)Ｗ⑽飸B(tài)因素層面，均缺乏對(duì)全要素背景下系統(tǒng)復(fù)雜性的關(guān)照，因而難以完整和精確解析明長城體系復(fù)雜的系統(tǒng)關(guān)系.目前，尚無基于歷史事件、人類行為以及物質(zhì)實(shí)體三者動(dòng)態(tài)交互作用條件下的明長城體系復(fù)雜性研究.

論文以河北省明長城體系為主要案例，基于Agent仿真模擬技術(shù)和復(fù)雜系統(tǒng)理論，以軍事防御活動(dòng)中的時(shí)間、空間、事件為線索和紐帶，整合不同層次、不同尺度和不同標(biāo)準(zhǔn)的物態(tài)要素和非物態(tài)要素，在完整時(shí)空語義下，構(gòu)建明長城體系的全要素Agent仿真模擬系統(tǒng).仿真系統(tǒng)將為完整、精確的刻畫明長城體系物態(tài)要素與非物態(tài)要素的交互方式和作用機(jī)制提供基礎(chǔ)平臺(tái)，對(duì)深入解析明長城體系的非線性復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)系具有重要的意義.

2 研究方法

Agent動(dòng)態(tài)模擬是目前最有效的模擬非線性系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行模式的工具，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)研究方法無法呈現(xiàn)非線性系統(tǒng)復(fù)雜交互狀態(tài)的缺陷[9].通過建立與主體對(duì)應(yīng)的多個(gè)Agent模型，涉及地理、環(huán)境、物體等物態(tài)要素和個(gè)體決策、集體行為、其他智能體等非物態(tài)要素，賦予每個(gè)Agent各自的屬性數(shù)據(jù)和決策模型，基于智能對(duì)象的微觀決策和行為，實(shí)現(xiàn)多個(gè)Agent的交互作用，以自下而上的方式模擬真實(shí)環(huán)境和事件背景下的系統(tǒng)運(yùn)作過程[10].

研究基于AnyLogic平臺(tái)搭建Agent仿真模擬系統(tǒng).AnyLogic平臺(tái)支持離散、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多智能體和混合系統(tǒng)的建模和仿真[11].平臺(tái)基于復(fù)雜系統(tǒng)理論，是目前唯一兼容離散系統(tǒng)和連續(xù)行為復(fù)雜混合狀態(tài)的仿真模擬系統(tǒng)[12]，被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通仿真、系統(tǒng)流程、應(yīng)急管理、疾病擴(kuò)散等復(fù)雜場景.

明長城體系運(yùn)行涉及物態(tài)要素與非物態(tài)要素的復(fù)雜交互作用，其中非物態(tài)要素對(duì)系統(tǒng)的作用至關(guān)重要，主要涉及兩個(gè)方面：(1)影響物態(tài)要素形成：明長城體系的物態(tài)部分主要由長城本體、軍事防御聚落系統(tǒng)等組成，其形成除了受地理和自然環(huán)境影響外，非物態(tài)要素的屬性和特征(如指揮者決策、軍隊(duì)及工具可達(dá)性、防御策略、耐力與速度關(guān)系、軍隊(duì)數(shù)量和素質(zhì)等)是形成和塑造明長城體系物態(tài)要素的重要影響因素；(2)影響系統(tǒng)性防御活動(dòng)：防御過程中，不同層級(jí)軍隊(duì)的調(diào)動(dòng)和馳援等微觀行為，將自下而上形成整個(gè)系統(tǒng)的宏觀防御能力，參與者的積極或消極決策將直接影響系統(tǒng)性防御的成敗，大量史料佐證了這一事實(shí)(如衛(wèi)所制度退化后形成的消極怠戰(zhàn)以及指揮官或士兵自身怯戰(zhàn)等問題，都將導(dǎo)致系統(tǒng)性防御的崩潰).由此考察，明長城系統(tǒng)運(yùn)行過程涉及多智能體(Agent)、烽傳系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成的混合系統(tǒng)，鑒于AnyLogic在支撐和處理復(fù)雜系統(tǒng)交互方面的優(yōu)異表現(xiàn)，研究選擇AnyLogic作為基礎(chǔ)平臺(tái).

3 系統(tǒng)搭建

項(xiàng)目主要工作包括：基礎(chǔ)信息綜合、子系統(tǒng)模型搭建、多系統(tǒng)綜合協(xié)同三部分.三部分環(huán)環(huán)相扣、逐層遞進(jìn)，形成完整仿真系統(tǒng)，具體技術(shù)流程如圖(圖1).

圖1 技術(shù)流程圖

3.1 基礎(chǔ)信息綜合

明長城系統(tǒng)涉及眾多影響因素：長城本體、軍事防御聚落系統(tǒng)、交通系統(tǒng)和烽傳系統(tǒng)等相對(duì)靜態(tài)的物態(tài)要素，以及人類決策、防御策略、信息傳遞等相對(duì)動(dòng)態(tài)的非物態(tài)要素，收集、整理和綜合各因素的信息并對(duì)其參數(shù)化，是搭建仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ).其中物態(tài)要素是整個(gè)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ).團(tuán)隊(duì)前期大量基礎(chǔ)研究為系統(tǒng)物態(tài)部分搭建提供了大量素材，此處不再贅述.

明長城體系涉及的非物態(tài)要素主要包括動(dòng)態(tài)要素屬性、歷史事件和Agent決策及反饋三大類.要素屬性為軍隊(duì)、馬匹及工具等要素的可達(dá)性[13]、行軍速度、數(shù)量和素質(zhì)等，他們決定要素在時(shí)空中運(yùn)作的基礎(chǔ)條件和狀態(tài)，是形成和塑造明長城體系物態(tài)要素的重要影響因素.

歷史事件是防御行為發(fā)生的非物態(tài)環(huán)境和必要條件.研究建立歷史防御事件信息數(shù)據(jù)集，為模擬提供完整時(shí)空語義下真實(shí)歷史事件的精確信息——事件環(huán)境、目的導(dǎo)向、行進(jìn)節(jié)點(diǎn)等宏觀數(shù)據(jù)和信息，選擇河北省宣府鎮(zhèn)明長城體系的3個(gè)層次——局部區(qū)域的典型防御事件、鎮(zhèn)級(jí)別的整體性防御事件、以及更大尺度相鄰軍鎮(zhèn)(大同鎮(zhèn))的協(xié)同防御事件——的代表性防御事件為案例，整理完整時(shí)空語義下歷史事件的全過程，建立事件的時(shí)間和空間同步演進(jìn)的信息和數(shù)據(jù)集，形成防御模擬真實(shí)的背景環(huán)境.

Agent對(duì)象決策和反饋則涉及智能體的選擇和趨向等問題，如指揮者決策、防御策略選擇、戰(zhàn)斗勇氣等，直接影響甚至決定明長城體系系統(tǒng)性防御活動(dòng)執(zhí)行的程度和質(zhì)量，是整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的主體和線索.例如，防御過程中，不同層級(jí)軍隊(duì)的調(diào)動(dòng)和馳援等微觀行為，將自下而上形成整個(gè)系統(tǒng)的宏觀防御能力，參與者的積極或消極決策將直接影響系統(tǒng)性防御的成敗.大量史料佐證了這一事實(shí)，衛(wèi)所制度退化導(dǎo)致的消極怠戰(zhàn)，以及指揮官或士兵自身怯戰(zhàn)等問題，均造成系統(tǒng)性防御的崩潰[14].研究基于防御事件信息數(shù)據(jù)集、古代兵法規(guī)則和人類決策等，編輯事件參與對(duì)象(Agent)的行為規(guī)則數(shù)據(jù)集，包括個(gè)體決策規(guī)則、多對(duì)象交互規(guī)則、事件觸發(fā)規(guī)則等微觀行為規(guī)則，為動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)編程提供了微觀依據(jù)，使真實(shí)情景下對(duì)象的決策和行為狀態(tài)還原成為可能.

3.2 子系統(tǒng)模型建設(shè)

圖2 鎮(zhèn)城駐軍騎兵Agent模型

子系統(tǒng)模型建設(shè)是仿真系統(tǒng)構(gòu)建的主要工作，是整個(gè)仿真系統(tǒng)建設(shè)工作量最大的部分，通過獨(dú)立搭建各子系統(tǒng)模型，為最終完整的仿真系統(tǒng)建立基礎(chǔ).事實(shí)上，每個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的復(fù)雜系統(tǒng).子系統(tǒng)包括物態(tài)模型和非物態(tài)模型兩大類：物態(tài)因素相關(guān)子系統(tǒng)主要包括烽傳系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、聚落系統(tǒng)；非物態(tài)系統(tǒng)則以各等級(jí)聚落的駐軍軍團(tuán)為核心Agent體，可視為多個(gè)獨(dú)立決策的離散系統(tǒng)，但同時(shí)在具體條件下，又相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)某種一致性功能.

物態(tài)子系統(tǒng)方面，烽傳系統(tǒng)基于分析和實(shí)驗(yàn)建立[15]，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)烽傳信息的可調(diào)節(jié)傳遞(參數(shù)可變)、多通路傳信(腹內(nèi)和沿長城)和動(dòng)態(tài)觸發(fā)傳送；交通系統(tǒng)根據(jù)前期基于地理環(huán)境表面成本分析獲得道路的研究成果復(fù)原[16]，為Agent體(蒙軍和明軍)的運(yùn)行提供空間框架；聚落系統(tǒng)則基于傳統(tǒng)軍事聚落遺址建立[17]，同樣為Agent體(蒙軍和明軍)的運(yùn)行提供空間節(jié)點(diǎn)，同時(shí)存儲(chǔ)各聚落駐軍Agent體及其相關(guān)屬性信息(圖2).

非物態(tài)子系統(tǒng)則以各等級(jí)聚落的駐軍軍團(tuán)為核心Agent體，非物態(tài)子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的主體和線索.基于Agent仿真模擬技術(shù)和非線性復(fù)雜系統(tǒng)理論，模擬防御活動(dòng)中不同對(duì)象(Agent)的屬性和交互行為，真實(shí)反映非線性因素作用下明長城體系中必然性與偶然性并存的復(fù)雜性；同時(shí)，基于人類行為的屬性和局限反演和歸納探索明長城物質(zhì)要素規(guī)劃布局和選址定位的人為原因，由此完整、準(zhǔn)確、真實(shí)的揭示明長城體系形成的復(fù)雜原因和作用機(jī)制.

3.3 多系統(tǒng)綜合協(xié)同

多系統(tǒng)綜合協(xié)同階段，將前期搭建的各子系統(tǒng)組織整合在一起，是長城軍事防御體系各子系統(tǒng)是否能融合協(xié)同、交互共享的關(guān)鍵性工作，也是仿真模擬系統(tǒng)建設(shè)的最關(guān)鍵一步.主要工作涉及物態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)和多Agent之間的動(dòng)態(tài)交互.其中多Agent之間的動(dòng)態(tài)交互是難點(diǎn)，涉及大量嘗試決策、隨機(jī)決策和互動(dòng)決策.

物態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)工作，在烽傳系統(tǒng)、交通系統(tǒng)與聚落系統(tǒng)三個(gè)物態(tài)要素的基礎(chǔ)上，建立數(shù)字量化矢量孿生系統(tǒng)，形成物態(tài)要素的信息化邏輯模型，使三者關(guān)聯(lián)交互，形成完整且關(guān)聯(lián)的時(shí)空事件運(yùn)行空間；同時(shí)，為與Agent體關(guān)聯(lián)協(xié)同建立信息化框架.多Agent動(dòng)態(tài)交互工作則是本階段的難點(diǎn).明長城體系是明確的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，其運(yùn)行表現(xiàn)出多系統(tǒng)交織融合的非線性特征.研究通過不同Agent之間的相互作用，自下而上的基于不同層次所屬個(gè)體的微觀行為，涌現(xiàn)出整個(gè)防御體系的宏觀防御行為，實(shí)現(xiàn)整個(gè)防御體系網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)性和整體性的防御功能仿真模擬.多Agent動(dòng)態(tài)交互主要涉及：1、定義各種類型Agent對(duì)象的交互屬性和狀態(tài)，包括Agent個(gè)體或群體；2、定義各Agent與所處環(huán)境的交互規(guī)則.如依據(jù)環(huán)境特征，對(duì)所選攻擊目標(biāo)的動(dòng)態(tài)調(diào)整；3、定義Agent的交互移動(dòng)規(guī)則和博弈規(guī)則，即Agent在環(huán)境中與其他Agent如何交互.如蒙軍搶掠過程中，明軍支援到來，蒙軍對(duì)搶奪目標(biāo)的調(diào)整；4、程序與用戶的交互，即使用者通過調(diào)整用戶界面的時(shí)間軸、參數(shù)輸入、按鍵類型、交互程度等條件，則系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)改變的功能.基于上述工作，用戶便可獲得不同背景條件下，系統(tǒng)的運(yùn)行圖景、過程和結(jié)果參數(shù)、以及事件模擬走向和結(jié)果(圖3).

圖3 明長城軍事防御體系仿真模擬系統(tǒng)

4 結(jié) 論

研究構(gòu)建了明長城全要素軍事仿真模擬系統(tǒng)，形成了以Agent為主體，溝通和融合物態(tài)要素與非物態(tài)要素，于時(shí)間、空間和事件交織背景下的交互混合仿真模擬，為后續(xù)明長城體系系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬、參數(shù)量化體系建設(shè)、虛擬仿真展示、數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)等工作奠定了基礎(chǔ)平臺(tái).成果對(duì)彌補(bǔ)傳統(tǒng)理論研究缺環(huán)，推進(jìn)明長城體系復(fù)雜性研究，提升研究高度和精度具有重要的價(jià)值.