翟懷宇，柏彥奇，申耀德，徐 超

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003）

在對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真時(shí)，作戰(zhàn)實(shí)體按照是否考慮運(yùn)動(dòng)屬性分為靜態(tài)實(shí)體和動(dòng)態(tài)實(shí)體[1]。在實(shí)體模型構(gòu)建方面，作戰(zhàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)實(shí)體的復(fù)雜性上，因此本文主要討論動(dòng)態(tài)實(shí)體概念模型構(gòu)建的問題。在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，最終的執(zhí)行實(shí)體往往是虛擬兵力或者半實(shí)物的人裝單元，而并不是單純的武器裝備，因此并沒有智能水平為零的實(shí)體，因此，可以將作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)內(nèi)的任何實(shí)體都看作智能體。

從作戰(zhàn)過程看，作戰(zhàn)指揮的實(shí)體要素主要是指揮者與指揮對(duì)象[2]。在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，指揮者一般被抽象為指揮型實(shí)體，其結(jié)構(gòu)側(cè)重于指揮、決策部分的構(gòu)建；指揮對(duì)象一般是行動(dòng)型實(shí)體，其結(jié)構(gòu)側(cè)重于響應(yīng)和執(zhí)行部分的構(gòu)建。此外，由于作戰(zhàn)實(shí)體的層級(jí)特征，部分作戰(zhàn)實(shí)體既是指揮者又是指揮對(duì)象，一般抽象為中間型實(shí)體，其結(jié)構(gòu)需要指揮決策和執(zhí)行兼?zhèn)洹?/p>

在對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體的仿真建模中，不同類型的作戰(zhàn)實(shí)體具備不同的實(shí)體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的多樣會(huì)降低模型的重用性。為了提高系統(tǒng)開發(fā)效率和模型的重用性，需要有一個(gè)通用的作戰(zhàn)實(shí)體概念模型來描述不同類型的作戰(zhàn)實(shí)體。本文運(yùn)用六元抽象方法的映射模型，將作戰(zhàn)實(shí)體視為智能體，對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體概念模型各要素構(gòu)成及相互關(guān)系加以分析，明確了不同類型實(shí)體在狀態(tài)、行為和結(jié)構(gòu)上的一致性，提出了一種以知識(shí)系統(tǒng)為中心的通用的作戰(zhàn)實(shí)體概念模型結(jié)構(gòu)。

1 作戰(zhàn)實(shí)體概念模型

六元抽象方法給出了作戰(zhàn)實(shí)體概念模型的構(gòu)成要素[1,3]，如圖1所示。

圖1 六元抽象方法由作戰(zhàn)系統(tǒng)向概念模型的映射

據(jù)圖 1，我們得到作戰(zhàn)實(shí)體的六元組概念模型:

其中，Me為作戰(zhàn)實(shí)體E模型。

Ms為實(shí)體的任務(wù)空間。任務(wù)空間給出了作戰(zhàn)實(shí)體所在的領(lǐng)域信息。在構(gòu)建概念模型時(shí)，作戰(zhàn)實(shí)體任務(wù)空間決定了實(shí)體的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為和交互的范圍。

E為任一作戰(zhàn)實(shí)體。在概念模型中，E作為實(shí)體的名稱。

S為作戰(zhàn)實(shí)體狀態(tài)，是一個(gè)二元組，即S={ So,Si}。 So指實(shí)體外部狀態(tài)，是作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)其他實(shí)體以及外部環(huán)境通過整體表現(xiàn)出來的各類特征，如長度、顏色、重量等，通常用一組狀態(tài)向量來描述，So={So1,So2,...,Son}，這些狀態(tài)向量稱為作戰(zhàn)實(shí)體的屬性。 Si指實(shí)體的內(nèi)部狀態(tài)，是作戰(zhàn)實(shí)體在進(jìn)行內(nèi)部活動(dòng)時(shí)各部分所體現(xiàn)的特征。作戰(zhàn)實(shí)體的內(nèi)部活動(dòng)是對(duì)外界感知和信息的響應(yīng)過程，是一種心智活動(dòng)過程，因此，其所體現(xiàn)出來的特征是作戰(zhàn)實(shí)體的心智狀態(tài)。

A為作戰(zhàn)實(shí)體的行為。作戰(zhàn)實(shí)體的行為是實(shí)體狀態(tài)改變的真正動(dòng)因和依據(jù)。作戰(zhàn)實(shí)體的行為為一個(gè)二元組:A={Ao, Ai}。Ao是改變作戰(zhàn)實(shí)體外部狀態(tài)的行為即外部行為，是作戰(zhàn)實(shí)體外觀的活動(dòng)、動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)、反應(yīng)或行動(dòng)[4]，它是實(shí)體行動(dòng)部分的具體動(dòng)作表現(xiàn)，如機(jī)動(dòng)、射擊等。Ai是改變內(nèi)部狀態(tài)的行為即內(nèi)部行為，它改變了其心智狀態(tài)，因此又稱為心智行為。心智行為主要是對(duì)外部感知的規(guī)劃和決策，其最終結(jié)果是為作戰(zhàn)實(shí)體外部行為提供行動(dòng)方案。

St為作戰(zhàn)實(shí)體的結(jié)構(gòu)。作戰(zhàn)實(shí)體的結(jié)構(gòu)為一個(gè)二元組:S={Sto,Sti}。Sto是作戰(zhàn)實(shí)體在作戰(zhàn)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)，用于表示其在作戰(zhàn)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)中的位置，主要標(biāo)注實(shí)體在分類結(jié)構(gòu)中的父類和在組合結(jié)構(gòu)中的上一級(jí)實(shí)體。 Sti是作戰(zhàn)實(shí)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要描述作戰(zhàn)實(shí)體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

I為作戰(zhàn)實(shí)體的交互。交互是作戰(zhàn)實(shí)體與外部環(huán)境的相互作用，這里的環(huán)境是指作戰(zhàn)實(shí)體所處的領(lǐng)域環(huán)境，不僅包含自然環(huán)境等，還包括其他作戰(zhàn)實(shí)體，是由其任務(wù)空間決定的。作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)外界的感知、受到的影響和接受的信息等都是外界對(duì)其的作用，而作戰(zhàn)實(shí)體發(fā)送的信息以及對(duì)外界環(huán)境所執(zhí)行的動(dòng)作均是其對(duì)外界環(huán)境的作用，因此作戰(zhàn)實(shí)體的感知、通信和執(zhí)行可統(tǒng)一抽象為交互。

就作戰(zhàn)實(shí)體概念模型整體而言，任務(wù)空間是構(gòu)建作戰(zhàn)實(shí)體概念模型的基礎(chǔ)，它確定了模型的問題域。就作戰(zhàn)實(shí)體概念模型的狀態(tài)、行為而言，作戰(zhàn)實(shí)體的內(nèi)部行為和內(nèi)部狀態(tài)的演變決定了其外部行為和屬性特征。因此，對(duì)于作戰(zhàn)實(shí)體的微觀模型的構(gòu)建，應(yīng)當(dāng)是在確定任務(wù)空間后，重點(diǎn)研究其內(nèi)部的行為、狀態(tài)，并以此確定作戰(zhàn)實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 作戰(zhàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)模型

在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，作戰(zhàn)實(shí)體的運(yùn)行過程就是對(duì)外界輸入進(jìn)行響應(yīng)，做出輸出。對(duì)單個(gè)的作戰(zhàn)實(shí)體而言，其對(duì)輸入的響應(yīng)過程是以其領(lǐng)域知識(shí)為基礎(chǔ)的，是一個(gè)知識(shí)處理的過程，如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)實(shí)體運(yùn)行過程元模型

2.1 知識(shí)處理

2.1.1 知識(shí)

知識(shí)一般可分為說明性知識(shí)、過程性知識(shí)和控制性知識(shí)[5]。說明性知識(shí)提供概念和事實(shí)；過程性知識(shí)主要用來描述作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入的響應(yīng)過程，即響應(yīng)規(guī)則；用控制策略標(biāo)識(shí)問題的知識(shí)稱為控制性知識(shí)。作戰(zhàn)實(shí)體概念模型是在確定的問題域下構(gòu)建的，實(shí)體的知識(shí)處理過程相對(duì)固定，因此作戰(zhàn)實(shí)體的知識(shí)構(gòu)成主要包括說明性知識(shí)和過程性知識(shí)。

說明性知識(shí)主要分為兩類:一類是實(shí)體的任務(wù)空間信息，包含部隊(duì)編成信息、武器信息、人員信息、作戰(zhàn)樣式、任務(wù)模式、環(huán)境信息和敵情信息等；另一類是實(shí)體的各種外部狀態(tài)信息。

過程性知識(shí)主要分為三類:一是指揮決策規(guī)則，用于約束作戰(zhàn)實(shí)體的指揮決策過程；二是執(zhí)行規(guī)則，用于約束作戰(zhàn)實(shí)體在輸入條件下的動(dòng)作；三是實(shí)體屬性規(guī)則，用于約束作戰(zhàn)實(shí)體的屬性變化。

2.1.2 知識(shí)處理過程

通常，智能體按照其內(nèi)部知識(shí)處理過程，可分為反應(yīng)型智能體、慎思型智能體和混合型智能體。反應(yīng)型智能體是依據(jù)一定的規(guī)則體系，由輸入直接生成輸出。慎思型智能體則是依賴一定的知識(shí)系統(tǒng)，對(duì)輸入信息進(jìn)行推理、規(guī)劃，最終形成行動(dòng)意圖并進(jìn)行輸出。而作戰(zhàn)實(shí)體是一種混合型智能實(shí)體，不僅不同實(shí)體的知識(shí)處理過程不同，而且同一實(shí)體對(duì)不同輸入的響應(yīng)也不相同。就同一實(shí)體而言，其對(duì)輸入信息的響應(yīng)方式是由規(guī)則決定的，我們將這類決定作戰(zhàn)實(shí)體知識(shí)處理方式的規(guī)則稱為前端規(guī)則，在經(jīng)過前端規(guī)則的篩選后，再按照相應(yīng)的處理方式對(duì)輸入信息進(jìn)行處理。作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入的響應(yīng)方式分為兩類:反應(yīng)響應(yīng)和推理響應(yīng)。反應(yīng)響應(yīng)是作戰(zhàn)實(shí)體根據(jù)一定的反應(yīng)規(guī)則，對(duì)輸入進(jìn)行的直接響應(yīng)；推理響應(yīng)則是作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入經(jīng)過規(guī)劃、決策的知識(shí)處理過程后做出的響應(yīng)。如圖3所示。

圖3 作戰(zhàn)實(shí)體知識(shí)處理過程模型

2.2 作戰(zhàn)實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

我們將作戰(zhàn)實(shí)體的結(jié)構(gòu)分為HEAD和BODY兩部分。BODY是作戰(zhàn)實(shí)體同外界環(huán)境進(jìn)行相互作用的部分，主要包括輸入模塊和輸出模塊。HEAD是作戰(zhàn)實(shí)體進(jìn)行知識(shí)處理的部分，其主要由知識(shí)系統(tǒng)、愿望集和意圖集構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 作戰(zhàn)實(shí)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本構(gòu)成

作戰(zhàn)實(shí)體的知識(shí)表示，一般采取產(chǎn)生式表示法，各類問題的求解規(guī)則采用產(chǎn)生式規(guī)則，這種以產(chǎn)生式表示法為基礎(chǔ)的知識(shí)系統(tǒng)稱為產(chǎn)生式系統(tǒng)[6]。知識(shí)系統(tǒng)的主要構(gòu)成為前端規(guī)則庫、反應(yīng)規(guī)則庫、推理規(guī)則庫、全局信息庫和推理機(jī)。其中，推理規(guī)則庫、全局信息庫和推理機(jī)構(gòu)成了一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)。由于我們將反應(yīng)響應(yīng)也列為知識(shí)處理的結(jié)果，因此前端規(guī)則庫和反應(yīng)規(guī)則庫也是知識(shí)系統(tǒng)的組成部分。為加以區(qū)別，我們將知識(shí)系統(tǒng)分為三大部分:前端規(guī)則庫、反應(yīng)系統(tǒng)（反應(yīng)規(guī)則庫）和產(chǎn)生式系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 作戰(zhàn)實(shí)體概念模型結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 前端規(guī)則庫

前端規(guī)則庫位于產(chǎn)生式系統(tǒng)的前端，它用來決定對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入的響應(yīng)方式。前端規(guī)則庫的輸入為作戰(zhàn)實(shí)體所接收到的所有輸入，輸出為反應(yīng)響應(yīng)、推理響應(yīng)或者二者兼?zhèn)洹?/p>

前端規(guī)則庫的作用是將輸入同任務(wù)空間中的任務(wù)模式相匹配，從而決定作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入的響應(yīng)方式。

2.2.2 反應(yīng)規(guī)則庫

反應(yīng)規(guī)則庫用于儲(chǔ)存作戰(zhàn)實(shí)體的產(chǎn)生反應(yīng)響應(yīng)的規(guī)則。此類規(guī)則以執(zhí)行規(guī)則和實(shí)體屬性規(guī)則為主，它決定了由輸入引起的作戰(zhàn)實(shí)體的行動(dòng)、通信和屬性改變情況。

2.2.3 產(chǎn)生式系統(tǒng)

1）推理規(guī)則庫

推理規(guī)則庫用于存儲(chǔ)作戰(zhàn)實(shí)體進(jìn)行規(guī)劃、決策所需的規(guī)則，根據(jù)實(shí)體任務(wù)空間要求，不同類型的作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)規(guī)則的類型和內(nèi)容的選取是不同的，這也決定了作戰(zhàn)實(shí)體心智行為特征。如指揮型實(shí)體以指揮規(guī)則為主，具有較少的執(zhí)行規(guī)則和實(shí)體屬性規(guī)則；執(zhí)行實(shí)體多以執(zhí)行規(guī)則為主，有的可能不包含指揮規(guī)則；而中間型實(shí)體則是各類規(guī)則兼?zhèn)洹?/p>

2）全局信息庫

全局信息庫包含三個(gè)模塊:常識(shí)庫、愿望集和意圖集。常識(shí)庫用于存儲(chǔ)作戰(zhàn)實(shí)體所應(yīng)具備的各類說明性知識(shí)，如前所述，一方面是任務(wù)空間信息，另一方面是自身的屬性信息。愿望集用于存儲(chǔ)下一步可能的行動(dòng)集合，即愿望；愿望分為兩種:一類是固定愿望，它長存于愿望集，既不被添加也不被刪除，另一類是臨時(shí)愿望，即由推理機(jī)根據(jù)輸入所得的下一步可能的行動(dòng)集合。意圖集是下一步立即執(zhí)行的行動(dòng)集合，是一個(gè)最優(yōu)愿望。

3）推理機(jī)

推理機(jī)主要有規(guī)劃模塊和決策模塊構(gòu)成。規(guī)劃模塊負(fù)責(zé)對(duì)輸入運(yùn)用規(guī)則進(jìn)行處理，得到輸入響應(yīng)的愿望集合；決策模塊主要輸入的愿望集合進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到最終的行動(dòng)意圖。

3 作戰(zhàn)實(shí)體概念模型實(shí)例

3.1 背景介紹

仿真背景為對(duì)機(jī)動(dòng)防御之?dāng)尺M(jìn)行進(jìn)攻戰(zhàn)斗，紅方部隊(duì)為裝甲步兵。本文構(gòu)建裝甲步兵的單車概念模型，重點(diǎn)介紹任務(wù)空間、前端規(guī)則的具體內(nèi)容以及作戰(zhàn)實(shí)體具體的活動(dòng)流程。

3.2 任務(wù)空間

為方便表述，我們這里僅進(jìn)行簡單的作戰(zhàn)想定:裝步連對(duì)機(jī)動(dòng)防御之?dāng)尺M(jìn)行進(jìn)攻戰(zhàn)斗。任務(wù)空間表述如表1所示。

表1 裝甲步兵單車實(shí)體任務(wù)空間

3.3 前端規(guī)則

對(duì)應(yīng)任務(wù)空間，我們規(guī)定前端規(guī)則如下:

WHEN〈未執(zhí)行偵察任務(wù)〉IF〈指揮命令為火力打擊和機(jī)動(dòng)〉&〈條件成熟〉THEN〈至反應(yīng)式系統(tǒng)〉；

WHEN〈未執(zhí)行偵察任務(wù)〉IF〈指揮命令為火力打擊和機(jī)動(dòng)〉&〈條件不成熟〉THEN〈至產(chǎn)生式系統(tǒng)〉；

WHEN〈未執(zhí)行偵察任務(wù)〉IF〈指揮命令為偵察〉THEN〈至反應(yīng)式系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)動(dòng)動(dòng)作〉&〈至產(chǎn)生式系統(tǒng)確定偵察策略〉；

WHEN〈執(zhí)行偵察任務(wù)〉IF〈感知敵情〉THEN〈至產(chǎn)生式系統(tǒng)確定如何響應(yīng)〉。

3.4 實(shí)體行為

用UML活動(dòng)圖來描述作戰(zhàn)實(shí)體的行為。對(duì)單車行為的描述側(cè)重前端規(guī)則對(duì)響應(yīng)樣式的選擇作用，如圖6所示。

圖6 裝甲步兵單車行為活動(dòng)圖

在接收輸入后，前端規(guī)則將任務(wù)進(jìn)行了篩選、拆分，作戰(zhàn)實(shí)體可按照所需樣式進(jìn)行分別響應(yīng)或并發(fā)響應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)在保證完成任務(wù)的同時(shí)兼顧了效率，并且可適應(yīng)不同類型作戰(zhàn)實(shí)體的建模需求。

5 結(jié)束語

本文通過分析作戰(zhàn)實(shí)體概念模型組成要素之間的關(guān)系和智能實(shí)體內(nèi)部狀態(tài)和行為，提出了一種以知識(shí)系統(tǒng)為中心的作戰(zhàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)模型。通過對(duì)裝甲步兵單車概念模型中前端規(guī)則運(yùn)用情況和行為過程的分析，表明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體知識(shí)處理方式的控制，提高了作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)輸入響應(yīng)的效率，并為解決作戰(zhàn)仿真中作戰(zhàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)不一致的問題提供了依據(jù)。本文提出了一種結(jié)構(gòu)框架，對(duì)于知識(shí)處理的具體行為建模將在下一階段進(jìn)行研究。

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