一種海上通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)的軟件仿真

李 冰

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710089)

0 引 言

在海上作戰(zhàn)體系中，一個(gè)響應(yīng)迅速、穩(wěn)定安全的通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)往往是整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)體系的中樞，成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵因素。整個(gè)系統(tǒng)不僅需要高性能及高穩(wěn)定性的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率、軟件接口對(duì)外界的反應(yīng)速度、作戰(zhàn)控制系統(tǒng)中各軟件模塊之間的信息交互以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的加密解密同樣十分重要。

同時(shí)，現(xiàn)代化的作戰(zhàn)體系不僅需要各個(gè)作戰(zhàn)單元能夠自主地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境做出自適應(yīng)的處理及反饋，同時(shí)，各作戰(zhàn)單元能夠相互協(xié)作，完成同一目標(biāo)任務(wù)。

本文首先分析海上通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于多智能體Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了智能體Agent 抽象、智能體Agent 集群概念及各智能體之間的相互通信、整個(gè)模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)及仿真平臺(tái)，為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的仿真方法。

1 海上通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)

海上通信電子作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)主要由信息處理系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)兩部分組成。其中信息處理系統(tǒng)包括艦船航行坐標(biāo)及方向信息、武器火力信息、對(duì)方目標(biāo)偵察跟蹤信息及通信信息;操作控制系統(tǒng)包括火力發(fā)射控制、戰(zhàn)爭(zhēng)情景融合控制、艦船航行方向控制及通信系統(tǒng)。其實(shí)時(shí)處理來(lái)自傳感器采集的數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)利用無(wú)線通信網(wǎng)進(jìn)行信息發(fā)送與接收，對(duì)信息的接收和發(fā)送還需通過(guò)加密解密系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 指揮控制系統(tǒng)信息處理流程Fig.1 The information processing diagram of command and control system

在通信電子作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中，最主要的功能包含以下幾個(gè)方面:

1)對(duì)外界信息的獲取。主要包括對(duì)對(duì)方信息的檢測(cè)、跟蹤及監(jiān)視等，對(duì)我方兄弟單位戰(zhàn)況信息的獲取，對(duì)上級(jí)發(fā)送信息的快速準(zhǔn)確獲取等能力。

2)數(shù)據(jù)處理功能。主要包含對(duì)信息的加密解密、綜合分析、存儲(chǔ)及反饋等功能。

3)戰(zhàn)略決策能力，綜合各方信息進(jìn)行分析，最后提供決策任務(wù)。

4)功能評(píng)估能力，評(píng)估整個(gè)作戰(zhàn)指揮軟件的戰(zhàn)略決策正確率及實(shí)效性。

1.2 Multi-Agent 系統(tǒng)

Agent 技術(shù)是一種利用分布式處理結(jié)構(gòu)，在仿真環(huán)境中構(gòu)建虛擬或?qū)嶓w的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了整個(gè)作戰(zhàn)環(huán)境，利用自身節(jié)點(diǎn)的資源和信息處理能力來(lái)對(duì)外部命令做出相應(yīng)的處理，與其他的Agent 直接進(jìn)行信息接收與發(fā)送來(lái)構(gòu)建對(duì)同一目標(biāo)的協(xié)作，完成整個(gè)系統(tǒng)在作戰(zhàn)中的共同任務(wù)?？梢哉J(rèn)為一個(gè)單獨(dú)的Agent 智能體具有對(duì)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的自主分析與協(xié)調(diào)能力。

基于Multi-Agent的作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件仿真技術(shù)利用了各自節(jié)點(diǎn)的行為與屬性關(guān)系，通過(guò)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的模擬得到各個(gè)作戰(zhàn)單元之間的行為模式，同時(shí)利用了單獨(dú)的Agent 節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)信息交互的修正與自反饋來(lái)研究整個(gè)作戰(zhàn)體系對(duì)外界的行為規(guī)律。同時(shí)，這種方式的仿真方法可以模糊對(duì)上一級(jí)系統(tǒng)的作戰(zhàn)行為，而把重點(diǎn)定位在Agent單元這一級(jí)，根據(jù)這一級(jí)的行為模式及運(yùn)動(dòng)參數(shù)去建立系統(tǒng)的同態(tài)結(jié)構(gòu)，比較利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性。

圖2 多智能體結(jié)構(gòu)的通信作戰(zhàn)控制系統(tǒng)仿真模型圖Fig.2 Communication operations control system simulationmodel based onmulti-Agent

對(duì)于現(xiàn)有的海上作戰(zhàn)電子指揮系統(tǒng)仿真平臺(tái)，由于環(huán)境極其復(fù)雜，很難有精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來(lái)定量分析，通過(guò)基于Multi-Agent的軟件仿真，可以降低仿真環(huán)境的復(fù)雜度。

2 Multi-Agent 作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件原理及流程

2.1 通信電子作戰(zhàn)控制軟件仿真流程

基于Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件對(duì)單個(gè)作戰(zhàn)單元，即1個(gè)智能體Agent 可以用4個(gè)元素進(jìn)行描述:智能體Agent 集群、單個(gè)智能體Agent控制的對(duì)象、所有Agent 集群所處的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境以及外界控制的模擬參數(shù)。

整個(gè)海上通信電子作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)行作戰(zhàn)兵力組織、管理、決策的過(guò)程。其利用當(dāng)前的高頻電波對(duì)各作戰(zhàn)單元信號(hào)發(fā)送來(lái)控制其火力發(fā)射過(guò)程?；贛ulti-Agent的軟件仿真模型在復(fù)雜的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下可以構(gòu)建出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的組網(wǎng)方式，對(duì)Agent 集群內(nèi)部的單元及對(duì)象進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的控制與反饋，有利于作戰(zhàn)單元自身的協(xié)調(diào)管理及決策，適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)多變的環(huán)境?；贛ulti-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

Agent 集群:指海面作戰(zhàn)通信指揮系統(tǒng)中所有戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)體集群利用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行抽象在仿真模型中的行為映射，如單支艦隊(duì)、空中戰(zhàn)機(jī)等都可以抽象映射為1個(gè)Agent 節(jié)點(diǎn)。所有的艦隊(duì)可以規(guī)劃為1個(gè)Agent 集群，特點(diǎn)是Agent 節(jié)點(diǎn)在整個(gè)仿真系統(tǒng)中具有自主控制能力。

圖3 多智能體結(jié)構(gòu)的通信作戰(zhàn)控制系統(tǒng)軟件流程Fig.3 Communication operations control system software flow chart based onmulti-Agent

Agent 作戰(zhàn)單元操作對(duì)象:指在作戰(zhàn)中被Agent智能體控制，自身不具有行為能力實(shí)體的映射，如艦船武器等。

作戰(zhàn)環(huán)境要素:戰(zhàn)場(chǎng)的各種環(huán)境因素對(duì)Agent作戰(zhàn)單元具有指揮決策意義，用來(lái)和智能體發(fā)送環(huán)境決策命令。

控制參數(shù):用來(lái)對(duì)整個(gè)基于Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件進(jìn)行控制，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。其包含整個(gè)仿真系統(tǒng)的初始參數(shù)、中間過(guò)程的反饋參數(shù)以及運(yùn)行結(jié)束的閥值參數(shù)、運(yùn)行結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)等。

2.2 Multi-Agent的作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

基于Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件仿真是以Agent 節(jié)點(diǎn)為自主控制的主要元素，與群內(nèi)的Agent 智能體以及外部群的智能體的通信作為整個(gè)通信作戰(zhàn)控制系統(tǒng)的信息傳輸核心。仿真模型的建立主要考慮以下問(wèn)題:作戰(zhàn)智能體Agent的抽象描述及Agent 群的劃分;智能體Agent控制對(duì)象的抽象;智能體Agent 之間的通信聯(lián)絡(luò)以及整個(gè)系統(tǒng)的Agent 智能體及控制對(duì)象的約束限制等。

在此，本文構(gòu)建了Agent 智能體為最小作戰(zhàn)單元的多層次描述結(jié)構(gòu)，主要分為標(biāo)記(AID)、描述(Character)、狀態(tài)(State)、動(dòng)作(Action)、控制對(duì)象 (Cbject)、 信 息 傳 輸 (Message) 及 目 標(biāo)(Target)等7 種。具體作用如下:

1)AID 標(biāo)記:在整個(gè)仿真系統(tǒng)中，智能體Agent 只能有唯一標(biāo)記符，用以區(qū)分其他Agent。

2)Character 描述:用來(lái)描述智能體Agent 自身屬性，如艦船Agent的航向、坐標(biāo)，所具備的通信能力以及武器庫(kù)等。

3)State 狀態(tài):描述智能體Agent 狀態(tài)信息，如是在進(jìn)攻狀態(tài)還是在就緒狀態(tài)、是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互等，其隨著自身的行為感應(yīng)及外部環(huán)境而變化。

4)Action 行為:作戰(zhàn)中的具體行為，如向敵方發(fā)射武器、為友鄰智能體Agent 進(jìn)行掩護(hù)，是作為自身事件或外部事件驅(qū)動(dòng)而做出的反應(yīng)。

5)Obejct 對(duì)象:智能體Agent所能控制驅(qū)使的對(duì)象，包括兵力部署以及武器等。

6)Message 對(duì)象:智能體Agent 與其他Agent進(jìn)行信息交互的橋梁，在軟件中可抽象為具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信息的接收與發(fā)送指令函數(shù)。

7)Target 目標(biāo):智能體Agent 進(jìn)攻的對(duì)象。

在基于Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件編程中，可對(duì)智能體和對(duì)象進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆庋b，其特征屬性如表1所示。

表1 Agent 與對(duì)象的抽象元素Tab.1 Abstract element of Agent and object

其用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言描述如下:

3 基于Multi-Agent 技術(shù)展望

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，不僅需要戰(zhàn)爭(zhēng)中各個(gè)作戰(zhàn)單元能夠自主根據(jù)各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境做出迅速的反應(yīng)，及時(shí)地進(jìn)行戰(zhàn)略部署。同時(shí)，各作戰(zhàn)單元之間需要相互協(xié)調(diào)合作，完成統(tǒng)一的作戰(zhàn)任務(wù)。特別是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，海陸空多維兵力的統(tǒng)一部署。基于Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件，利用各個(gè)智能體Agent 之間的相互通信是協(xié)作，每一個(gè)Agent 都具有高度的自治性。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)Agent 獲取外部戰(zhàn)場(chǎng)信息的基礎(chǔ)，通過(guò)各種傳感器將艦船、飛機(jī)、偵察機(jī)及地面?zhèn)鞲衅鹘M成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，為Agent 快速提供各種情報(bào)信息。

這種基于Multi-Agent 指揮控制技術(shù)，與現(xiàn)在軟件的開(kāi)放式、模塊化以及面向?qū)ο蟪橄蠡慕Y(jié)構(gòu)相得益彰，同時(shí)與軟件無(wú)線電技術(shù)、信息融合技術(shù)等構(gòu)成了現(xiàn)代化的指揮系統(tǒng)中最重要的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)代化的海軍戰(zhàn)爭(zhēng)指揮系統(tǒng)中，由統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮平臺(tái)對(duì)各個(gè)作戰(zhàn)的單元進(jìn)行垂直的作戰(zhàn)指揮及戰(zhàn)略部署已不能滿足復(fù)雜多變的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的快速反應(yīng)已經(jīng)成為戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵，不僅需要戰(zhàn)爭(zhēng)中各個(gè)作戰(zhàn)單元能夠自主根據(jù)各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境做出迅速的反應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行戰(zhàn)略部署。同時(shí)，各作戰(zhàn)單元之間需要相互協(xié)調(diào)合作，完成統(tǒng)一的作戰(zhàn)任務(wù)。本文提出了一種基于多智能體Multi-Agent的通信電子作戰(zhàn)控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)及仿真平臺(tái)，為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

［1］PRASANNA M，HERBERT D.Ad hoc study on human robot interface issues［R］.Army Science Board- 2002 Ad Hoc Study，2002:15-16.

［2］PAWLOSKI S J.Modeling tactical level combat using a multi-agent system design paradigm(Gl AGENT)［D］.Naval Postgraduate School Monterey，California，2001.

［3］王嚴(yán)輝，李加祥.支持一體化協(xié)作指揮決策的統(tǒng)一決策空間［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(1):121-124.WANG Yan-hui，LI Jia-xiang.Research on unified decisionmaking space for integrative collaborative command［J］.Ship Science and Technology，2012，34(1):121-124.

［4］王子明，徐海峰，王宗杰，等.基于戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的艦艇作戰(zhàn)指揮過(guò)程建模［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(6):91-94.WANG Zi-ming，XU Hai-feng，WANG Zong-jie，et al.Vessel warfare process modeling based on tactics comportment［J］.Ship Science and Technology，2012，34(6):91-94.

［5］JACOFF A，ELENA M.Test arenas and performance metrics for urban search and rescue robots ［C］//Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Las Vegas，NV，2003，10:27-31.