郭宏志，田衛(wèi)萍，高英武

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.解放軍95881部隊，北京 100094）

基于多Agent戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同仿真系統(tǒng)

郭宏志1，2，田衛(wèi)萍1，高英武1

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.解放軍95881部隊，北京 100094）

將多Agent技術(shù)引入到戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同作戰(zhàn)模型仿真和評估研究中。首先參考美軍“任務(wù)式指揮”指導思想和諸多協(xié)同理論，提出戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同作戰(zhàn)模型，在分析多Agent建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于多Agent戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同仿真系統(tǒng)，給出了戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同作戰(zhàn)過程的推演，最后以一個案例驗證了戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同作戰(zhàn)模型的可行性。

多Agent，戰(zhàn)術(shù)行動，自主協(xié)同，任務(wù)式指揮

0 引言

作戰(zhàn)系統(tǒng)是一種極其復雜的動態(tài)隨機系統(tǒng)，具有規(guī)模大、因素多、結(jié)構(gòu)關(guān)系復雜、狀態(tài)多維等特點，對其進行建模仿真非常困難。軍事概念模型，作為軍事人員和建模人員之間有效的交流工具，能夠讓建模者更加清楚地認識和把握需要模擬的作戰(zhàn)系統(tǒng)和需要解決的作戰(zhàn)問題。通用、規(guī)范的軍事概念模型的描述將為仿真模型的設(shè)計提供一種科學的依據(jù)和表述方法［1-2］。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)概念建模方法如面向?qū)ο蠓治龇椒ǎ∣OA）、功能建模（IDEF0）、統(tǒng)一建模語言（UML）等，都可以應用到軍事概念建模中。目前，隨著Agent技術(shù)的興起與發(fā)展，基于多Agent的建模成為解決大型分布式系統(tǒng)建模問題的有效手段。利用Agent技術(shù)解決作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域的問題具有十分明顯的優(yōu)勢：作戰(zhàn)仿真建模涉及到大量的智能行為建模，而Agent本身正是利用信念、愿望、意圖等擬人化算子進行描述；作戰(zhàn)仿真建模要求保持現(xiàn)有組織結(jié)構(gòu)的集成性和各組元的自主性，可借助基于角色的建模方式和Agent的自主性加以實現(xiàn)；對作戰(zhàn)建模而言，交互是相當復雜的（包括協(xié)調(diào)、協(xié)商、信息共享等），可借助Agent高超的社交能力加以實現(xiàn)；環(huán)境的變化對作戰(zhàn)仿真模型有很大的影響，借助Agent的反應性和主動性可以較好地解決這一問題［3-4］。

1 任務(wù)式指揮

新軍事變革，實質(zhì)上是一場軍事信息化變革。世界近些年發(fā)生的幾場局部戰(zhàn)爭表明，誰擁有信息技術(shù)上的優(yōu)勢，誰就能在戰(zhàn)爭中贏得主動。信息戰(zhàn)即信息化戰(zhàn)爭，它是以計算機技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，空間技術(shù)，電子技術(shù)，材料等技術(shù)為技術(shù)依托；以控制戰(zhàn)、情報戰(zhàn)、電子戰(zhàn)、心理戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)和精確火力戰(zhàn)等為作戰(zhàn)樣式，并結(jié)合傳統(tǒng)的武器裝備，在四維（地域，海域，空域，電磁）空間全面展開的高科技含量戰(zhàn)爭。信息化戰(zhàn)爭的主要特點就是能夠提供更好的戰(zhàn)場態(tài)勢感知，使各級指揮員能夠更加及時地獲取信息，為共同認知提供條件。

美軍根據(jù)信息化戰(zhàn)爭的特點提出“任務(wù)式指揮”的概念［5-6］，并在美軍《陸軍條令》對“任務(wù)式指揮”定義為：“在一體化地面作戰(zhàn)過程中，指揮官通過使用任務(wù)式指揮行使權(quán)力和進行指揮，以使具有靈活性和適應性的領(lǐng)導者在按照指揮官意圖的前提下發(fā)揮符合作戰(zhàn)紀律的主動性”。

*任務(wù)式指揮原則

任務(wù)式指揮原則建立在相互信任、共同的認知和目的的基礎(chǔ)上。指揮官明白某些決心必須在行動發(fā)起前迅速敲定。因此，他們聚焦于行動的目的，而不是達成目的的手段。指揮官向下級人員提供他們的意圖、行動目的、關(guān)鍵任務(wù)、預期最終狀態(tài)和資源。下級人員發(fā)揮基于紀律的主動性，對預料之外的問題做出反應。每位士兵必須準備好承擔責任，保持行動一致，謹慎采取行動，并根據(jù)指揮官意圖靈活行事。任務(wù)式指揮6條原則是：

1）通過建立互信，建設(shè)有凝聚力的團隊；

2）形成共同的認知；

3）提供清晰的指揮官意圖；

4）發(fā)揮基于紀律的主動性；

5）使用任務(wù)式命令；

6）接受慎重考慮過的風險。

2 自主協(xié)同概念

隨著信息技術(shù)和信息化武器裝備的飛速發(fā)展及使用，現(xiàn)代軍隊已由“機械化”向“信息化+機械化”的方向發(fā)展。現(xiàn)代軍隊利用戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)在各級、各軍兵種、各武器平臺之間形成共同的戰(zhàn)爭信息感知能力，確保各級指揮員能夠近實時地感知戰(zhàn)場，從而加快協(xié)同作戰(zhàn)的進程。信息化條件下作戰(zhàn)是以信息融合為途徑，實現(xiàn)作戰(zhàn)要素高度集成。也就是以柵格化信息設(shè)施為基礎(chǔ)，以一體化指揮平臺為紐帶，以信息單元嵌入為關(guān)鍵，實現(xiàn)偵察、指控、武器平臺的無縫鏈接和戰(zhàn)場信息的高度融合，充分發(fā)揮信息要素在作戰(zhàn)能力生成中的主導作用。這些客觀條件為協(xié)同作戰(zhàn)提供廣闊的平臺。

“協(xié)同”一詞最早出現(xiàn)在《后漢書.呂布傳》中：“將軍宜與協(xié)同管理方式，共存大計”。原意是泛指政治和軍事上的共同謀劃?，F(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，使作戰(zhàn)體系的進一步細化，協(xié)同已經(jīng)發(fā)展為專用軍事術(shù)語。協(xié)同在1997年新版《中國人民解放軍軍語》中解釋為：“各種作戰(zhàn)力量按照統(tǒng)一的協(xié)同計劃在行動上的協(xié)調(diào)配合”。《中國軍事百科全書》對作戰(zhàn)協(xié)同的定義為：“是軍隊為完成合同作戰(zhàn)任務(wù)而采取的協(xié)調(diào)一致的行動”。

在分析上述關(guān)于“協(xié)同”、“聯(lián)合意圖理論”、“共享計劃理論”和美軍“任務(wù)式指揮”［7-11］的定義基礎(chǔ)上，本文提出“自主協(xié)同”的概念，自主協(xié)同隸屬于協(xié)同，是協(xié)同的更高層次。它的定義是：各種作戰(zhàn)力量不需要外部指令，在滿足一定約束條件下，依托共享信息，圍繞同一目標，幾乎同步地自發(fā)調(diào)整各自的行動，以求達成力量上的內(nèi)聚融合和功能上的耦合放大，從而取得最佳的作戰(zhàn)效果。

3 多Agent建模技術(shù)

基于多Agent的作戰(zhàn)建模是近年來進行作戰(zhàn)模擬與仿真的新方法、新工具，它以作戰(zhàn)系統(tǒng)中的基層個體為主要研究對象，通過模擬具有自適應能力的個體以及個體與個體之間、個體與環(huán)境之間的相互影響來揭示宏觀的作戰(zhàn)規(guī)律，突出個體與整體的關(guān)系。Agent強調(diào)靈活的自主性行為，不但抽象出實體的特性、動作，還有感覺、心智、承諾等［9］。

在實際的應用中，基于Agent的作戰(zhàn)建模過程包括以下幾個步驟［3，12-13］，多Agent建模流程圖如下頁圖1所示。

1）對實際系統(tǒng)進行分析。對實際系統(tǒng)的組成要素、結(jié)構(gòu)以及各構(gòu)成要素的活動或工作特征、相互關(guān)系進行分析。

2）確定構(gòu)造模型的Agent。確定用于構(gòu)造系統(tǒng)模型的Agent對象的類型，明確各類Agent與對象系統(tǒng)中實體或事物的對應關(guān)系，確定各類Agent的行為特征，并建立各類Agent之間的抽象關(guān)系模型。

3）模型的詳細描述。根據(jù)前面提供的作戰(zhàn)A-gent系統(tǒng)模型描述方法建立對模型要素及結(jié)構(gòu)的詳細描述，包括各類Agent的結(jié)構(gòu)、行為和交互的描述，以及系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的抽象描述。

4）定義仿真控制結(jié)構(gòu)。確定仿真系統(tǒng)的具體控制結(jié)構(gòu)、各部分的工作方式以及相互之間的信息、指令流動等。

5）建模結(jié)構(gòu)與控制結(jié)構(gòu)的連接。將建模內(nèi)核與仿真控制結(jié)構(gòu)連接起來，形成可運行的仿真模型系統(tǒng)。

6）定義試驗方案。確定模型的具體試驗結(jié)構(gòu)，包括各類Agent的數(shù)量、參數(shù)、Agent對象之間的具體關(guān)系模型、初始狀態(tài)，以及各種試驗控制的運行條件與參數(shù)等，形成仿真試驗方案。

7）執(zhí)行仿真試驗，生成試驗結(jié)果。

8）分析試驗結(jié)果，修改試驗方案，重新進行試驗，直至推出。

4 多Agent自主協(xié)同仿真平臺搭建

4.1 Agent模型構(gòu)建

Agent即智能行為的主體，可以看作具有人的能力的一種信息實體。它有生命周期，并在生命周期內(nèi)，運用知識和能力自主發(fā)揮作用，扮演各種角色，完成多種任務(wù)。作戰(zhàn)實體Agent的通用工作過程如圖2所示。

它具有的性能體現(xiàn)在通過感應器從環(huán)境獲取新知識、新能力，然后在自己內(nèi)部進行融合、處理，再通過效應器向外界環(huán)境進行作用，循環(huán)往復，體現(xiàn)其智能性和社會能力。

作戰(zhàn)實體Agent是整體中能獨立工作的實體，具體感知環(huán)境并作用于環(huán)境，從而實現(xiàn)陸戰(zhàn)場機動、打擊等行為，是戰(zhàn)斗的直接參與者和最外層環(huán)境接觸者。作戰(zhàn)實體Agent模型如圖3所示。

其中，交互單元包括感應器和效應器，從環(huán)境和其他實體Agent接收信息和命令，傳遞給指揮信息單元，并且把指揮信息單元傳遞給環(huán)境和其他實體Agent。

在實際的戰(zhàn)斗建模中，如圖4所示，還可以進一步設(shè)計個體Agent的內(nèi)部行為結(jié)構(gòu)模型。在基于Agent的行為描述中，該模型是由實體Agent通過對外部環(huán)境進行感知、規(guī)劃和效應來實現(xiàn)的。實體A-gent的行為模型通常可分為兩個基本的組成部分，即物理行為模型和認知行為模型［3，14-16］。

根據(jù)Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，在每個行為周期內(nèi)，Agent行為過程如下：

1）首先在物理行為模塊內(nèi)通過感知模塊探測目標信息，通過通信模塊接收己方Agent實體傳送的目標和命令信息。

2）然后在認知行為模塊內(nèi)對信息進行處理，若感知到的情況為緊急情況則直接應用相應的反應型行為規(guī)則執(zhí)行相應的作戰(zhàn)行為，若是一般情況，則對信息進行處理后調(diào)用思考型行為規(guī)則。

3）認知行為模塊內(nèi)的決策生成模塊根據(jù)信息調(diào)用思考行為規(guī)則進行決策，產(chǎn)生決策命令。

4）最后在物理行為模塊中執(zhí)行相關(guān)決策命令，如移動、武器發(fā)射、命令傳送等。

4.2 仿真案例描述

案例說明如下頁圖5所示：假定某次戰(zhàn)役背景下的一個作戰(zhàn)剖面中，擔負守備的某藍方坦克加強連共20輛坦克（裝甲1分隊、裝甲2分隊）和1輛裝甲指揮車在其上級編成下，于高地A附近展開積極防御，阻礙紅軍的坦克部隊的進攻。紅方某裝甲營3個連（裝甲1連、裝甲2連、裝甲3連）共30輛坦克和一輛裝甲指揮車在上級編成下，擔負著沖擊突破攻占藍方高地的作戰(zhàn)使命。紅方裝甲分隊對藍方高地發(fā)起全面的攻擊沖擊突破，紅藍雙方展開一場裝甲兵的裝備對抗。作戰(zhàn)仿真執(zhí)行到一方被消滅結(jié)束。

紅方裝甲1連、裝甲2連、裝甲3連的總體任務(wù)是消滅藍方裝甲1分隊、裝甲2分隊，其中裝甲1連的子任務(wù)是消滅裝甲1分隊，裝甲2連的子任務(wù)是消滅裝甲2分隊，裝甲3連是支援裝甲1連和裝甲2連完成總體任務(wù)。藍方占有地利優(yōu)勢，紅方占有實力優(yōu)勢。紅藍雙方正常情況下（未發(fā)動自主協(xié)同），藍方勝利概率為50%，紅方50%。

作戰(zhàn)規(guī)則如圖6所示。

自主協(xié)同的三方平等，沒有隸屬關(guān)系，可自主決定是否參與協(xié)同。

紅方裝甲1連的坦克數(shù)量小于藍方裝甲1分隊時，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)出的態(tài)勢信息，向協(xié)商Agent發(fā)布自主協(xié)同任務(wù)，如果紅方裝甲2連和裝甲3連都具備協(xié)同條件，根據(jù)紅方裝甲2連和裝甲3連狀態(tài)確認關(guān)鍵協(xié)同人員，雙方進行協(xié)商，如果協(xié)同成功則進行下一階段作戰(zhàn)，如果協(xié)同不成功則向上級匯報，上級根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢給出協(xié)同計劃方案；如果只有裝甲3連具備協(xié)同條件，裝甲3連作為關(guān)鍵（key）協(xié)同成員，雙方進行協(xié)商，如果協(xié)同成功則進行下一階段作戰(zhàn)，如果協(xié)同不成功則向上級匯報，上級根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢給出協(xié)同計劃方案。同樣裝甲2連也可以發(fā)布上述自主協(xié)同任務(wù)。

當藍方裝甲1分隊+裝甲2分隊的戰(zhàn)斗力為零的時候，任務(wù)成功！

如果紅方剩余坦克數(shù)量＜藍方剩余坦克數(shù)量，則任務(wù)失敗！

基于多Agent自主協(xié)同仿真平臺搭建框架圖如圖7所示。各模塊名詞具體含義見表1。

第1步：根據(jù)仿真案例由任務(wù)分配Agent分配任務(wù)給紅藍雙方；

第2步：紅方3個裝甲連按照計劃進行作戰(zhàn)；

第3步：仿真作戰(zhàn)進行一定程度后，戰(zhàn)場態(tài)勢Agent根據(jù)案例規(guī)則對戰(zhàn)場態(tài)勢進行分析評估，紅方各個裝甲連是否已完成協(xié)同計劃任務(wù)：完成，則作戰(zhàn)仿真結(jié)束，紅方勝利；未完成，則發(fā)布戰(zhàn)場態(tài)勢給紅方各裝甲連Agent和藍方各裝甲分隊Agent，跳轉(zhuǎn)第4步。

第4步：根據(jù)規(guī)則判斷紅方是否有戰(zhàn)?。何磻?zhàn)敗，紅方各裝甲連Agent根據(jù)態(tài)勢決定是否發(fā)布自主協(xié)同任務(wù)：不自主協(xié)同，則跳轉(zhuǎn)第2步；自主協(xié)同則跳轉(zhuǎn)第5步。戰(zhàn)敗，藍方勝利，仿真結(jié)束。

第5步：通過協(xié)商Agent進行自主協(xié)同協(xié)商，自主協(xié)同成功則跳轉(zhuǎn)第1步；未成功則由上級Agent根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢重新分配任務(wù)，跳轉(zhuǎn)第1步。

圖8 所示，是基于多Agent自主協(xié)同仿真平臺的仿真主流程。

4.3 仿真結(jié)果

如圖9所示，是基于多Agent自主協(xié)同仿真平臺圖?？梢猿跏蓟t藍雙方兵力，仿真過程中可以實時讀取個實體Agent之間的交互信息，了解仿真過程。

通過多次實驗，紅方在選擇自主協(xié)同，并且協(xié)同成功時，最終勝利的概率在90%；紅方選擇自主協(xié)同，自主協(xié)同未成功，但是通過上級重新協(xié)同的，最終勝利的概率在80%（通過上級協(xié)同，損失決策時間）；紅方未選擇自主協(xié)同的，最終勝利的概率40%。

實驗結(jié)果表明，當一方軍隊一旦與對方武器系統(tǒng)形成“信息差”時，在其他條件一致的情況下，必然遭遇失敗。現(xiàn)代戰(zhàn)爭是體系之間的較量，參戰(zhàn)軍兵種眾多，實現(xiàn)武器裝備體系優(yōu)化配置的一方，在同等其他條件下將在作戰(zhàn)中體現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應用，深刻地改變著戰(zhàn)斗力要素的內(nèi)涵和戰(zhàn)斗力的生成模式。信息和結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為戰(zhàn)斗力構(gòu)成中的核心要素。本文在研究多種協(xié)同理論和美軍任務(wù)式指揮理論，結(jié)合實際的作戰(zhàn)協(xié)同行為，提出了戰(zhàn)術(shù)行動自主協(xié)同定義，并基于多Agent建模技術(shù)搭建自主協(xié)同仿真平臺。闡述了多Agent建模流程，給出了作戰(zhàn)實體Agent的搭建過程，最后通過一個案例驗證了自主協(xié)同在信息化戰(zhàn)爭中的必要性。

［1］吳永波，何曉曄，譚東風，等.軍事建模仿真中概念模型定義比較［J］.火力與指揮控制，2007，32（11）:49-53.

［2］岳秀清，付東，毛一凡.聯(lián)合作戰(zhàn)仿真中的指揮控制建模研究［J］.火力與指揮控制，2010，35（9）:167-170.

［3］李雄.基于Agent的作戰(zhàn)建模［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2013.

［4］趙陣.軍事技術(shù)信息化對作戰(zhàn)方式的影響［J］，自然辯證法研究，2011，27（2）:39-43.

［5］邵晨龍，江雪.基于作戰(zhàn)仿真的任務(wù)驅(qū)動式指揮控制系統(tǒng)的方案設(shè)計［J］.科學時代，2012（16）：25-30.

［6］王小非.美軍指控系統(tǒng)發(fā)展及其對我海軍艦載指控系統(tǒng)建設(shè)的啟示［J］.艦船電子工程，2010，30（5）:1-5.

［7］馮磊，查亞兵，胡記文，等.面向任務(wù)的CGF實體聯(lián)合意圖形成［J］.系統(tǒng)仿真學報，2012，24（10）:2113-2116.

［8］Cohen P R，Levesque H J.Teamwork［J］.Nous（S0029-4624），1991，25（4）:487-512.

［9］Jennings N R，Mamdani E H，Laresgoiti I，et al.GRATE:A General Framework for Cooperative Problem Solving［J］. Journal of Intelligent Systems Engineering（S0963-9640），1992，1（2）:102-114.

［10］TambeM，ZhangWX.TowardsFlexibleTeamworkinPersistent Teams:Extended Report［J］.Autonomous Agents and Multi-AgentSystems（S1387-2532），2000，3（2）:159-183.

［11］張杰勇，姚佩陽，騰培俊.多平臺防空體系中的協(xié)同機制研究［J］.計算機科學，2011，38（9）：91-94.

［12］張琦，王達，黃柯隸.概念模型的描述方法和驗證過程［J］.計算機仿真，2004，21（12）:70-72.

［13］劉宇.基于戰(zhàn)場仿真的智能指揮控制系統(tǒng)總體設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2011，51（7）:39-40.

［14］于屏崗.作戰(zhàn)系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡(luò)建模與仿真［D］.北京：裝甲兵工程學院，2010.

［15］楊建，史紅權(quán).基于多Agent的編隊對潛作戰(zhàn)智能輔助決策系統(tǒng)研究［J］.艦船科學技術(shù)，2010，32（2）:73-76.

［16］王三喜，夏新民，黃偉.聯(lián)合作戰(zhàn)力量協(xié)同機理研究［J］.復雜系統(tǒng)與復雜性科學，2011，8（1）:9-14.

Tactical Action of Initiative Collaborative Simulation System Based on Multi-Agent

GUO Hong-zhi1，2，TIAN Wei-ping1，GAO Ying-wu1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；2.Troops 95881 of PLA，Beijing 100094，China）

The Multi-Agent technology is introduced in this paper to tactical action in autonomous collaborative operational model simulation and evaluation research independently.Firstly，refer to the“mission command”guiding ideology，an initiative cooperative behavior modeling framework is designed. On the basis of analyzing the multiple Agent modeling technology，constructed tactical action of initiative collaborative simulation system isconstructed.Tacticalaction initiative cooperative engagement process deduction is given.Finally，a case verifies the feasibility of tactical action of initiative cooperative engagement model.

Multi-Agent，tactical action，initiative collaborative，mission command

E917；TP391

A

1002-0640（2015）09-0001-05

2014-08-15

2014-09-07

郭宏志（1979- ），男，河南安陽人，博士后。研究方向：指揮自動化建模。