糜玉林，郭智杰，姜文志，劉 濤

（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001）

基于多Agent的要地防空指揮決策體系結(jié)構(gòu)

糜玉林，郭智杰，姜文志，劉 濤

（海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001）

針對要地防空指揮決策體系結(jié)構(gòu)開展研究。首先，對戰(zhàn)術(shù)單位級指揮決策功能進行分析，并給出防空指揮決策功能結(jié)構(gòu)；引入多Agent系統(tǒng)概念定義TCA、FCA、OA三類作戰(zhàn)智能體，建立基于多Agent的指揮決策模型并設(shè)計給出FCA的詳細結(jié)構(gòu)，結(jié)合集中式和分布式指揮決策體系的優(yōu)點，提出有限集中指揮下的火力單元協(xié)同決策體系結(jié)構(gòu)；最后，采用NetLogo平臺設(shè)計實現(xiàn)指揮決策體系拓撲結(jié)構(gòu)，驗證了所建立體系結(jié)構(gòu)的可行性。

要地防空；指揮決策；多智能體；體系結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代空襲武器和手段的進步，要地防空作戰(zhàn)對智能化指揮決策的要求越來越高。然而，防空指揮決策是一個動態(tài)復(fù)雜的過程，整個指揮決策過程呈現(xiàn)出多樣化、快速性和實時性的特征，防御方要想提升抗敵能力和指揮決策效率，不能再單純依靠單個作戰(zhàn)單元的能力，需要防空體系里的所有火力單元協(xié)同決策以完成作戰(zhàn)任務(wù)，而多Agent技術(shù)的出現(xiàn)，為解決作戰(zhàn)指揮決策的復(fù)雜性和分布性提供了新的解決方案［1?2］。

指揮決策作為整個要地防空作戰(zhàn)的核心環(huán)節(jié)，需要其體系結(jié)構(gòu)具有良好的智能性和環(huán)境適應(yīng)性，才能充分發(fā)揮每一個作戰(zhàn)單元的潛能使得整個防空體系效能得到提高，而多Agent系統(tǒng)［3?4］表現(xiàn)出來的智能性、適應(yīng)性和協(xié)同性則很適合于構(gòu)建防空指揮決策體系。因此，本文采用多Agent理論為基礎(chǔ)對要地防空指揮決策體系結(jié)構(gòu)進行研究。

1 要地防空指揮決策功能分析

1.1 戰(zhàn)術(shù)單位級指揮決策

戰(zhàn)術(shù)單位級指揮決策是防空作戰(zhàn)過程（如圖1所示）的重要組成部分，也是防空作戰(zhàn)中承前啟后的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。戰(zhàn)術(shù)單位級指揮決策是在作戰(zhàn)準備、情報獲取以及目標跟蹤識別之后，也是在發(fā)射決策、跟蹤制導(dǎo)以及效能評估之前的中間階段，其結(jié)果為輔助指揮員進行決策提供重要的參考。

圖1 要地防空作戰(zhàn)指揮過程示意圖

戰(zhàn)術(shù)單位級指揮決策主要是由戰(zhàn)術(shù)單位決策中心指揮，在探測獲取情報并完成目標跟蹤識別的前提之下，結(jié)合我方防空資源對來襲目標進行威脅評估和目標分配決策。在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心遭到破壞時，可由下轄的火力單元進行接替指揮，從而繼續(xù)作戰(zhàn)指揮決策。

1）目標威脅評估

戰(zhàn)術(shù)單位決策中心從探測識別目標時刻起到空襲目標喪失對我方要地攻擊能力的這段時間內(nèi)，對來襲目標進行威脅評估。戰(zhàn)術(shù)單位決策中心根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，在對各火力單元實時空情信息進行融合處理的基礎(chǔ)上，以一定的方法對來襲目標進行威脅評估，初步給出目標威脅排序，之后結(jié)合目標攔截適宜性檢查，最終給出目標攔截的順序。

2）目標分配

通常情況下戰(zhàn)術(shù)單位決策中心根據(jù)威脅排序大小對來襲目標進行攔截，火力單元在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心的集中指揮下進行目標分配。然而，由于防空戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，單一的集中式分配難以滿足作戰(zhàn)決策的需求，此時需要在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心的集中指揮下，各火力單元根據(jù)其責(zé)任扇區(qū)和所轄作戰(zhàn)單元的情況進行組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)。這種指揮方式下，來襲目標可能分配至單個或多個火力單元，在火力單元受到破壞而無法獨立對來襲目標進行攔截的情況下，防空火力單元之間通過某種協(xié)同策略，實現(xiàn)動態(tài)協(xié)同的目標分配。

1.2 要地防空指揮決策功能結(jié)構(gòu)

指揮決策是要地防空作戰(zhàn)的重要環(huán)節(jié)［5］，其功能結(jié)構(gòu)也屬于作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分，作為保證防空作戰(zhàn)勝利的關(guān)鍵，對指揮決策的功能結(jié)構(gòu)進行分析很有必要。整個要地防空作戰(zhàn)是基于戰(zhàn)術(shù)單位決策中心的集中指揮之下，對各火力單元決策節(jié)點進行組織協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)集中指揮方式下的火力單元組網(wǎng)協(xié)同決策。基于此，給出要地防空指揮決策功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 要地防空指揮決策功能結(jié)構(gòu)

1）戰(zhàn)術(shù)單位決策中心

戰(zhàn)術(shù)單位決策中心，在整個指揮決策功能結(jié)構(gòu)中充當“領(lǐng)導(dǎo)者”的角色。戰(zhàn)術(shù)單位決策中心匯集由情報預(yù)警體和火力單元傳送來的空情信息，經(jīng)過處理將信息由地域通信網(wǎng)傳遞至各火力單元。在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心指揮下，根據(jù)任務(wù)需要統(tǒng)一協(xié)調(diào)火力單元，完成目標威脅評估以及目標分配。

2）火力單元決策節(jié)點

火力單元決策節(jié)點，主要由指揮決策系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，作為功能結(jié)構(gòu)里的重要節(jié)點，在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心受到破壞時，可以實現(xiàn)接替指揮功能。作為連接戰(zhàn)術(shù)單位決策中心與底層作戰(zhàn)單元的橋梁，該決策節(jié)點主要實現(xiàn)對本級火力的組織控制，實現(xiàn)火力單元之間組網(wǎng)通信功能，也可實現(xiàn)與上下級之間的指揮控制功能。多個火力單元決策節(jié)點可以組成一個火力單元指揮決策網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)同決策功能。

3）作戰(zhàn)單元節(jié)點

作戰(zhàn)單元，隸屬于火力單元決策節(jié)點，是整個防空作戰(zhàn)中執(zhí)行任務(wù)的基本單元。在完成目標威脅評估和目標分配的基礎(chǔ)上，需要作戰(zhàn)單元具體執(zhí)行對敵攔截任務(wù)，作戰(zhàn)單元一般由火力單元決策節(jié)點直接指揮，在特殊情況下也可在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心的跨級指揮下獨立或協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)。

4）地域通信網(wǎng)

地域通信網(wǎng)，是整個防空指揮決策體系里的“中樞神經(jīng)”，主要由戰(zhàn)術(shù)單位決策中心和各火力單元的通信系統(tǒng)組成［6］，它將戰(zhàn)術(shù)單位決策中心和各火力單元決策節(jié)點連接在一起。整個指揮決策體系里的信息和指令，都將通過地域通信網(wǎng)傳送至各個節(jié)點，充分發(fā)揮火力單元協(xié)同作戰(zhàn)的效果。

由圖2可知，要地防空作戰(zhàn)由兩級指揮決策節(jié)點組成，戰(zhàn)術(shù)單位決策中心是整個要地防空作戰(zhàn)的核心。在戰(zhàn)術(shù)單位級決策層面，a功能是情報預(yù)警體系將所獲取的空情信息通過地域通信網(wǎng)傳遞至戰(zhàn)術(shù)單位決策中心，b功能是火力單元決策節(jié)點將探測所得的目標信息通過地域通信網(wǎng)傳遞至戰(zhàn)術(shù)單位決策中心，戰(zhàn)術(shù)單位決策中心將a、b傳來的數(shù)據(jù)進行融合處理形成有效的目標威脅評估信息和目標分配方案，并通過地域通信網(wǎng)下達給各火力單元。

在火力單元決策層面，c功能則主要實現(xiàn)各火力單元動態(tài)組網(wǎng)，各火力單元既可以獨立進行指揮決策，也可以通過地域通信網(wǎng)將彼此連接起來?；鹆卧g組網(wǎng)進行協(xié)同決策時可以動態(tài)接入和退出火力單元，當戰(zhàn)術(shù)單位決策中心出現(xiàn)故障而無法進行集中指揮，此時可指定某一火力單元進行接替指揮保證防空指揮決策的正常實施。功能d是實現(xiàn)火力單元內(nèi)部指揮決策系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的信息交互，一方面戰(zhàn)術(shù)單位決策中心下達的決策信息經(jīng)由通信系統(tǒng)發(fā)送至指揮決策分系統(tǒng)，另一方面當前火力單元的狀態(tài)信息也可由通信系統(tǒng)反饋給戰(zhàn)術(shù)單位決策中心。

2 基于多Agent的要地防空指揮決策

2.1 基于多Agent的要地防空指揮決策模型

防空作戰(zhàn)指揮決策模型應(yīng)實現(xiàn)決策分析、任務(wù)下達、形成決策方案、決策執(zhí)行以及決策效果反饋等決策過程，本文引入多Agent的建模理論對要地防空指揮決策模型進行合理構(gòu)建。為方便簡化模型的構(gòu)建，假設(shè)防空指揮決策體系中存在三類作戰(zhàn)智能體：戰(zhàn)術(shù)單位決策智能體（Tactical Command Agent，TCA）、火力單元決策智能體（Fire Agent，F(xiàn)A）、作戰(zhàn)單元智能體（Operation Agent，OA），構(gòu)建指揮決策模型如圖3所示。

圖3 基于多Agent的要地防空指揮決策模型

該模型核心功能是在完成對目標威脅評估的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動體系中各Agent的作戰(zhàn)積極性，從對目標信息進行決策分析到戰(zhàn)術(shù)單位決策中心下達任務(wù)，通過地域體系網(wǎng)傳遞決策方案，接收到?jīng)Q策方案之后，火力單元決策節(jié)點執(zhí)行協(xié)同策略并調(diào)用作戰(zhàn)單元OA執(zhí)行任務(wù)，在執(zhí)行決策之后OA將結(jié)果反饋給TCA，通過再次判斷當前態(tài)勢進行新一輪的決策。防空作戰(zhàn)指揮決策模型的實施，都需要Agent個體或群體Agent的共同作用以實現(xiàn)整個體系的功能。

火力單元決策節(jié)點作為防空指揮決策MAS中既能指揮又能執(zhí)行作戰(zhàn)的單元，其自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計對體系智能決策影響重大。FCA結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 TCA有限集中指揮下的多FCA協(xié)同決策體系結(jié)構(gòu)

目前常用的多Agent體系結(jié)構(gòu)有集中式和分布式［7］，傳統(tǒng)的指揮決策體系雖然能夠高度集中調(diào)配作戰(zhàn)資源，取得全局作戰(zhàn)效能最優(yōu)的能力強，但這種方式往往制約了火力單元決策的自主性。網(wǎng)絡(luò)化的指揮決策體系雖然采取分布式指揮方式，能夠有效發(fā)揮各火力單元的自主性，但全局求解能力差［8?9］，并且真正意義上的分布式指揮決策實現(xiàn)較為困難。防空作戰(zhàn)指揮決策體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)該具有良好的伸縮性、高魯棒性、高可靠性、快速反應(yīng)能力、動態(tài)重構(gòu)能力和容錯能力［10］。所構(gòu)建防空指揮決策體系采用的指揮方式，應(yīng)綜合集中指揮方式和分布式指揮方式的優(yōu)點，秉承權(quán)利下放的原則，以此充分調(diào)動火力單元的協(xié)同特性。

圖4 FCA結(jié)構(gòu)示意圖

在防空指揮決策MAS中，戰(zhàn)術(shù)單位決策中心TCA對各火力單元決策節(jié)點FCA進行集中指揮，并且統(tǒng)一下達任務(wù)至各火力單元；體系中所有的火力單元決策節(jié)點TCA進行組網(wǎng)，形成一個火力單元指揮網(wǎng)，網(wǎng)中各火力決策節(jié)點以一定的協(xié)同策略進行交互協(xié)作；火力單元決策節(jié)點FCA的協(xié)同策略是在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心的授權(quán)與監(jiān)控之下的，一旦該策略無法起到作用，此時TCA便會采取集中干預(yù)，重新制定策略作用于各火力單元，防空指揮決策體系層次之間與節(jié)點層次內(nèi)部的Agent均存在交互行為，如圖5所示。

圖5 有限集中指揮下的火力單元協(xié)同決策體系結(jié)構(gòu)

在戰(zhàn)術(shù)單位決策中心TCA的集中指揮之下，體系里FCA通過區(qū)域通信與上級進行直接交流，而FCA之間則在火力單元指揮網(wǎng)內(nèi)部進行通信，體系中各火力單元在TCA的有限集中指揮下，完成對空目標識別、制導(dǎo)跟蹤以及最終的發(fā)射決策，其指揮決策作戰(zhàn)如6所示。

圖6 有限集中指揮下火力單元協(xié)同決策作戰(zhàn)示意圖

3 基于NetLogo的體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

采用多主體建模平臺NetLogo對指揮決策體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，其自身提供的Logo語言能夠有效模擬人的思維，控制體系A(chǔ)gent之間進行協(xié)同交互，所構(gòu)建的指揮決策體系拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 指揮決策體系拓撲結(jié)構(gòu)

所構(gòu)建指揮決策體系結(jié)構(gòu)中的TCA、FCA以及OA三類主體之間不斷發(fā)生交互，三者之間采用鏈方式進行通信連接，主體之間具體的通信內(nèi)容和交互規(guī)則通過編程實現(xiàn)。通過設(shè)置控件可以改變Agent之間交互條件，體系中定義的Agent正是通過不斷地交互來實現(xiàn)協(xié)同智能決策。

4 結(jié)束語

本文基于要地防空指揮決策的背景之下，對基于多Agent的指揮決策體系結(jié)構(gòu)進行了研究。信息化條件下的防空作戰(zhàn)已經(jīng)不單純是以平臺為中心的作戰(zhàn)，鑒于防空作戰(zhàn)實際和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的興起，防空火力單元協(xié)同決策必然成為主流模式。本文所提出的有限集中指揮下的火力單元決策體系結(jié)構(gòu)，既能相對有效集中地對作戰(zhàn)單元進行控制，又能充分發(fā)揮體系作戰(zhàn)單元的自主性和協(xié)同性，多Agent理論引入能夠使得體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)定性得到加強。下一步將通過構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計Agent之間具體的交互和協(xié)同策略，并探究和完善體系效能評價方法。

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Command and Decision Architecture of Key Positions Air?defense Based on Multi?Agent

MI Yu?lin，GUO Zhi?jie，JIANG Wen?zhi，LIU Tao
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Command and decision architecture of key positions air?defense is studied.Firstly，command and decision func?tion of tactical level is analyzed，function structure of air?defense command and decision is given.MAS theory is introduced to define TCA，F(xiàn)CA and OA，then command and decision model based on multi?agent is built，especially the detailed struc?ture of FCA，combined advantage of command and decision architecture under centralized and distributed，the fire unit col?laborative decision under limited centralized command is proposed.Finally，the network topology of architecture is designed in NetLogo to prove the feasibility of architecture.

key positions air?defense；command and decision；multi?agent；architecture

TJ762.1+3；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.005

1673?3819（2016）06?0022?04

2016?08?11

2016?08?24

糜玉林（1963?），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，教授，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)與管理科學(xué)工程。

郭智杰（1992?），男，碩士研究生。

姜文志（1964?），男，博士，教授。

劉 濤（1981?），男，碩士，講師。