基于規(guī)則的CGF實(shí)體行為建模技術(shù)

郝立山，夏洪波，田書(shū)超，郭宗峰，賈會(huì)琰

（1.石家莊陸軍指揮學(xué)院，石家莊050084；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

基于規(guī)則的CGF實(shí)體行為建模技術(shù)

郝立山1，夏洪波1，田書(shū)超2，郭宗峰1，賈會(huì)琰1

（1.石家莊陸軍指揮學(xué)院，石家莊050084；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

CGF行為建模的目的是使行為模型能更好地體現(xiàn)出人類(lèi)行為特征，提高作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的可信性和科學(xué)性。在介紹CGF、CGF行為建模概念的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前幾種主要的CGF行為建模方法進(jìn)行了比較，并分析了CGF行為模型的一般結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了基于規(guī)則的CGF行為模型，重點(diǎn)對(duì)基于規(guī)則CGF行為模型的決策推理方法進(jìn)行了研究。采用產(chǎn)生式規(guī)則方法對(duì)決策知識(shí)進(jìn)行了描述，定義了決策推理過(guò)程中的3個(gè)要素：態(tài)勢(shì)、動(dòng)作、決策推理，并對(duì)其決策推理過(guò)程進(jìn)行了研究。

計(jì)算機(jī)生成兵力，行為建模，產(chǎn)生式規(guī)則，推理決策

0　引言

計(jì)算機(jī)生成兵力（Computer Generated Forces，CGF）是指由計(jì)算機(jī)生成的仿真實(shí)體，它能通過(guò)模擬人類(lèi)作戰(zhàn)行為自主對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的事件和狀態(tài)作出反應(yīng)［1］。CGF建模分為環(huán)境建模、物理建模和行為建模。行為建模是指對(duì)軍事仿真中需要表示的人的行為或表現(xiàn)進(jìn)行建模［2-3］，也被稱(chēng)為人類(lèi)行為的表示（Human Behavioral Representation，HBR），含義是用計(jì)算公式、程序或某種模擬方法來(lái)表示個(gè)人與組織的行為。CGF行為建模技術(shù)是CGF建模技術(shù)的核心，它可以使仿真實(shí)體表現(xiàn)出一定程度的人類(lèi)行為特征，具備不同程度的自治性、推理能力和適應(yīng)性，最終實(shí)現(xiàn)由仿真實(shí)體本身決定自身行動(dòng)的功能，這也是它區(qū)別于仿真中其他兵力的一個(gè)特點(diǎn)［4］。

1　CGF行為建模方法

是否具有真實(shí)可信的行為是CGF行為模型的核心。軍事行動(dòng)高度的復(fù)雜性、頻繁變化的動(dòng)態(tài)性、強(qiáng)烈的對(duì)抗性，對(duì)CGF行為建模技術(shù)提出了更高的要求，使其越來(lái)越受重視，并發(fā)展起了基于有限狀態(tài)機(jī)的行為建模方法、基于規(guī)則的行為建模方法、基于Agent和多Agent的行為建模方法、基于控制論的行為建模方法等。

基于有限狀態(tài)機(jī)的行為建模方法通過(guò)時(shí)刻跟蹤實(shí)體狀態(tài)，依據(jù)實(shí)體狀態(tài)轉(zhuǎn)換行動(dòng)表，決定其下一步動(dòng)作。國(guó)外，ModSAF、CCTTSAF等比較成熟的CGF系統(tǒng)都采用了這種方法，但是，這種方法實(shí)體狀態(tài)的定義非常復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的工作量，也沒(méi)有很好地體現(xiàn)行為模型的可重用性。

基于Agent和多Agent的CGF行為建模方法可以使實(shí)體進(jìn)行自主決策，實(shí)現(xiàn)不同程度的推理能力、反應(yīng)性和自治性。美國(guó)的WARSIM2000系統(tǒng)中，很多行為模型都采用這種方法。但是，目前Agent還沒(méi)有統(tǒng)一的概念和定義，也沒(méi)有形成明確的理論體系。

基于控制論的CGF行為建模方法是我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)在1997年提出的。它把研究對(duì)象的行為看成一個(gè)系統(tǒng)，從輸入、輸出和控制三方面對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，能夠反映對(duì)象行為與外部環(huán)境之間的相互作用關(guān)系。但是，這種方法也不能很好地體現(xiàn)系統(tǒng)可重用性的特點(diǎn)。

基于規(guī)則的CGF行為建模方法具有知識(shí)表示容易、有良好的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)級(jí)、聚合級(jí)的實(shí)體行為模型。在美國(guó)新一代的OneSAF、CCTTSAF等CGF系統(tǒng)中，都使用了基于規(guī)則的CGF行為建模方法，它能夠讓運(yùn)行中實(shí)體在處理突發(fā)狀況時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，減少工作量。

2　CGF行為模型框架

CGF行為模型主要用來(lái)模擬人的思維活動(dòng)，其關(guān)鍵是生成真實(shí)可信的行為。一般來(lái)說(shuō)，人的行為可以看作是從環(huán)境中獲取信息，經(jīng)過(guò)大腦處理后對(duì)人體下達(dá)動(dòng)作指令，到人體輸出動(dòng)作的過(guò)程［5］。因此，可以建立如圖1所示的CGF行為模型框架。

從圖1中可看出，CGF行為模型包括感受器、控制器和執(zhí)行器3部分。感受器負(fù)責(zé)對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中地形、氣候、敵情等各元素的感知，它是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息的收集和分析的過(guò)程，包含知覺(jué)、理解和預(yù)測(cè)3個(gè)層次，其感知結(jié)果將對(duì)仿真實(shí)體的決策產(chǎn)生影響。控制器一般包括學(xué)習(xí)、決策、規(guī)劃等幾個(gè)要素，決策是指從相互沖突的一組行動(dòng)中選擇一個(gè)執(zhí)行；規(guī)劃是指為完成某一任務(wù)，在現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)上，制訂一系列的行動(dòng)方案的過(guò)程；學(xué)習(xí)是指實(shí)體通過(guò)和環(huán)境的交互獲取新知識(shí)的過(guò)程；控制器是行為模型的核心。執(zhí)行器用來(lái)模擬實(shí)體執(zhí)行的動(dòng)作［6］。

圖1　CGF行為模型框架

3　基于規(guī)則的CGF行為模型的構(gòu)建

基于規(guī)則的CGF行為模型就是將規(guī)則應(yīng)用于行為的決策規(guī)劃，通過(guò)利用規(guī)則庫(kù)知識(shí)和決策算法，使CGF實(shí)體實(shí)現(xiàn)自主決策，體現(xiàn)出人類(lèi)行為的特征，具備一定程度的推理能力。

3.1規(guī)則的定義及表示形式

所謂規(guī)則就是事物發(fā)展過(guò)程中所遵循的規(guī)范與法則。目前，大多數(shù)CGF系統(tǒng)的知識(shí)表示都是采用規(guī)則的方法。用規(guī)則表示知識(shí)，主要分為兩部分，一是條件，即前件，二是結(jié)果，即要采取的動(dòng)作。當(dāng)前件與已知的事實(shí)相匹配時(shí)，就執(zhí)行規(guī)則的結(jié)果［7］。

基于規(guī)則的行為建模就是把CGF中實(shí)體的行為決策分解成在不同環(huán)境態(tài)勢(shì)下的行動(dòng)［8］。現(xiàn)有的CGF系統(tǒng)中，規(guī)則庫(kù)中的知識(shí)通常采用產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行描述，比如：OneSAF、CCTTSAF等CGF系統(tǒng)。

在產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)中，知識(shí)表示的基本形式是：if P then Q或P→Q。其中P是前提（條件），Q是結(jié)論（動(dòng)作）。前提和結(jié)論可以是若干項(xiàng)目的邏輯積，其一般形式表示為［9］：

3.2基于規(guī)則的CGF行為模型框架

基于規(guī)則的CGF行為模型，就是將規(guī)則推理的決策方法應(yīng)用于行為模型?；谝?guī)則推理的決策方法以決策人員的決策知識(shí)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)決策規(guī)則的推理實(shí)現(xiàn)決策。當(dāng)實(shí)體狀態(tài)滿(mǎn)足規(guī)則庫(kù)中條件時(shí)，實(shí)體觸發(fā)IF-THEN規(guī)則，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。其行為模型如圖2所示。

圖2　基于規(guī)則的CGF行為模型框架

在基于規(guī)則的CGF行為模型中，感受器對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行收集和分析，而后將其傳送給態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)器。控制器負(fù)責(zé)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，作出決策規(guī)劃。態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)器對(duì)感知器傳送過(guò)來(lái)的態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析、融合，以供決策推理使用。軍事決策知識(shí)庫(kù)包含規(guī)則庫(kù)和算法庫(kù)，規(guī)則庫(kù)是實(shí)體可能采取的行動(dòng)及其需要滿(mǎn)足的態(tài)勢(shì)條件；算法庫(kù)中存儲(chǔ)的算法包括數(shù)學(xué)公式和決策算法，在決策推理過(guò)程中進(jìn)行輔助決策。決策推理層根據(jù)態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)器中的態(tài)勢(shì)信息，以規(guī)則庫(kù)知識(shí)為依據(jù)，以算法庫(kù)的算法為輔助，完成決策推理，生成決策命令，將其傳送至任務(wù)規(guī)劃層。任務(wù)規(guī)劃層根據(jù)決策推理層的決策命令，依據(jù)規(guī)則庫(kù)知識(shí)，規(guī)劃一系列的實(shí)體動(dòng)作指令，并將其發(fā)送至動(dòng)作執(zhí)行層。動(dòng)作執(zhí)行層是根據(jù)實(shí)體動(dòng)作指令組成的一組動(dòng)作狀態(tài)控制器，它們能控制實(shí)體完成基本動(dòng)作。執(zhí)行器主要模擬實(shí)體在行動(dòng)中執(zhí)行的動(dòng)作。

3.3行為模型決策推理的實(shí)現(xiàn)

在基于規(guī)則的CGF行為模型中，關(guān)鍵是決策推理功能的實(shí)現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)態(tài)勢(shì)、動(dòng)作、決策推理3個(gè)概念的描述來(lái)實(shí)現(xiàn)行為模型的決策推理過(guò)程［10］，如圖3所示。

圖3　決策推理過(guò)程示意圖

態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)器將態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和綜合，形成各種態(tài)勢(shì)要素，當(dāng)態(tài)勢(shì)要素中含有符合觸發(fā)決策規(guī)則的要素時(shí)，決策推理模塊根據(jù)算法庫(kù)的決策算法作出決策，使實(shí)體產(chǎn)生動(dòng)作。

3.3.1態(tài)勢(shì)的描述

態(tài)勢(shì)是指在作戰(zhàn)過(guò)程中，影響戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的要素總稱(chēng)，包括：兵力、編制、武器裝備、地形、氣候等。CGF系統(tǒng)中，態(tài)勢(shì)隨時(shí)間不斷變化。以戰(zhàn)場(chǎng)條件下彈藥保障分隊(duì)彈藥供應(yīng)為例，需要決策人員掌握的態(tài)勢(shì)要素包括：

任務(wù)要素：指保障目標(biāo)的屬性、狀態(tài)等。

環(huán)境要素：指戰(zhàn)場(chǎng)中的地形、氣候、道路以及電磁等的屬性和狀態(tài)。

敵情要素：指敵方作戰(zhàn)實(shí)體的屬性、狀態(tài)等。

我情要素：指我方及友鄰作戰(zhàn)和保障實(shí)體的屬性、狀態(tài)等。

可以用一個(gè)n元組描述態(tài)勢(shì)要素，即：Si：：=＜s1，s2，s3…sn＞，以任務(wù)要素的描述為例，其中包含任務(wù)目標(biāo)的名稱(chēng)、狀態(tài)、屬性、可行性等。

3.3.2動(dòng)作的描述

動(dòng)作是戰(zhàn)場(chǎng)上使實(shí)體本身或其他環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化的最小執(zhí)行單元。實(shí)體通過(guò)動(dòng)作改變自身狀態(tài)，通過(guò)與其他實(shí)體交互，影響戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和其他實(shí)體狀態(tài)［8］。不同作戰(zhàn)背景和環(huán)境，實(shí)體的動(dòng)作要素不同，以戰(zhàn)時(shí)彈藥保障分隊(duì)彈藥供應(yīng)為例，其實(shí)體的動(dòng)作要素主要包括：

機(jī)動(dòng)動(dòng)作要素：指各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作的機(jī)動(dòng)參數(shù)。規(guī)避動(dòng)作要素：指躲避敵襲擊、偵查、阻截等動(dòng)作的參數(shù)。

裝（卸）載動(dòng)作要素：指裝（卸）載彈藥的展開(kāi)、撤收等的動(dòng)作參數(shù)。

通信動(dòng)作要素：指接收和發(fā)送信息、定位彈藥庫(kù)、作戰(zhàn)分隊(duì)等的動(dòng)作參數(shù)。

可以用一個(gè)n元組描述動(dòng)作要素，即：Ai：：=＜a1，a2，a3…an＞。以機(jī)動(dòng)動(dòng)作要素為例，動(dòng)作描述包含動(dòng)作的名稱(chēng)、屬性（轉(zhuǎn)彎角度）、速度、安全性等。

3.3.3決策推理的實(shí)現(xiàn)

決策規(guī)則知識(shí)在規(guī)則庫(kù)中，適合用產(chǎn)生式規(guī)則的形式來(lái)表示，由規(guī)則條件（即前件）和規(guī)則結(jié)論（即結(jié)果）兩部分組成［8］?？梢杂靡粋€(gè)二元組表示：

DecisionRule：：=〈ConditionRule，ConclusionRule〉

規(guī)則條件是決策規(guī)則的前提，描述的是態(tài)勢(shì)要素，即在態(tài)勢(shì)要素與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則知識(shí)相匹配的情況下，得到的一個(gè)規(guī)則結(jié)論。規(guī)則結(jié)論，描述的是實(shí)體動(dòng)作。決策規(guī)則描述的是在態(tài)勢(shì)要素影響下，仿真實(shí)體應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作。

規(guī)則條件RuleCondition可用如下二元組描述：

ConditionRule：：=〈S，P〉

S是實(shí)體在戰(zhàn)場(chǎng)中面臨的所有態(tài)勢(shì)要素，是一個(gè)有限的集合；P表示態(tài)勢(shì)要素的合成公式，例如：P=s1∧s2∧（s3∨s4）。

規(guī)則結(jié)論RuleConclusion可以用如下二元組描述：

RuleConclusion：：=〈A，Q〉

A是實(shí)體在戰(zhàn)場(chǎng)中所有動(dòng)作要素的集合，是一個(gè)有限集合；Q表示動(dòng)作要素的合式公式，例如：Q= al∧a2∧（a3∨a4）。

決策推理過(guò)程中，當(dāng)決策規(guī)則的規(guī)則條件為真時(shí)，即作戰(zhàn)實(shí)體的當(dāng)前態(tài)勢(shì)與規(guī)則條件所描述的態(tài)勢(shì)條件相匹配，作戰(zhàn)實(shí)體應(yīng)采取規(guī)則結(jié)論所描述的行動(dòng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文將規(guī)則推理的決策方法應(yīng)用于CGF行為模型，通過(guò)對(duì)決策規(guī)則的推理實(shí)現(xiàn)決策推理過(guò)程，具體介紹了基于規(guī)則的CGF行為模型、規(guī)則的定義及表示形式、決策推理的描述及實(shí)現(xiàn)方法?；谝?guī)則的CGF行為模型的決策推理機(jī)制接近于人類(lèi)的思維方式，結(jié)構(gòu)邏輯容易為人掌握，易于理解和維護(hù)，便于實(shí)現(xiàn)。

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Research on CGF Entity Behavior Modeling Technology Based on Rule

HAO Li-shan1，XIA Hong-bo1，TIAN Shu-chao2，GUO Zong-feng1，JIA Hui-yan1
（1.Shijiazhuang Army Command College，Shijiazhuang 050084，China；
2.Ordance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

CGF behavior modeling is designed to reflect the characteristics of human behavior better，and improve the credibility and scientific of the combat simulation system.It introduces the CGF and its behavior modeling concept，compares several CGF behavior modeling methods which are main current，Then，it analyazed the general structure of the CGF behavior model，and constructs the CGF behavior model based-on rules.This paper focuses on the research of decision-making reasoning method，that it uses the production rules describe method for the decision-making knowledge，whose process contains situation，action，decision reasoning.At last，it researches the decision reasoning process.

computer generated forces，behavior modeling，production rule，decision-making

TP391.9

：A

1002-0640（2015）01-0096-04

2013-11-05

2014-02-15

郝立山（1982-），男，河北滄州人，碩士研究生。研究方向：合同戰(zhàn)術(shù)學(xué)。