基于MAS的多平台协同作战分布式武器目标分配研究*

宗方勇 张 森 杨立强

(海军装备部驻重庆地区军事代表局 重庆 400023)

1 引言

未来海上战争的主要作战样式之一是“网络中心战(Net-centric Warfare,NCW)”,即使用计算机、高速数据链和网络软件等,将海军作战舰艇、作战飞机和岸基军事力量联结成一个高度集中的计算机/通讯网络。在该网络中,各作战单元将在高速和连续的基础上共享大量的关键信息,将会大大提高海军作战的反应速度、精度和有效性。网络中心战系统是一个分布式实时系统,具有动态性、异构性、适应性和协同性,对传统的分布实时计算技术提出了巨大的挑战。在网络中心战环境的海上战争,战场态势复杂,信息瞬息万变,武器种类繁多,如何完成陆、海、空等多个平台上的多种武器有效地协同作战是一个极其复杂的问题[1]。

本文就是在以上背景的基础提出了一种基于MAS的多平台协同作战目标分配方法,该方法采用了先进的分布式人工智能技术中的Agent理论[2],首先建立了基于MAS的分布式的体系结构,然后采用多个平台分布式计算的思想建立了整个作战过程的武器目标分配模式,并采用了一种基于合同网协议的武器目标分配策略,最后通过图例展示与分析对算法的性能进行了研究。

2 多平台协同作战武器目标分配的问题描述

设海上的作战平台总数为I,每个平台上有Ki种武器,主要是各种型号的舰炮和导弹,其中,i=1,2,…,I。其中,k=1,2,…,Ki,建立如图1所示的网络结构。各平台间通过传感器网络达到了数据共享,平台上的各武器是在平台之上并且受对应平台的直接控制。

图1 多平台协同作战的平台武器关系图

要防御的目标主要有弹道导弹、巡航导弹、反辐射导弹等,在网络信息共享的条件下,几个平台的传感器构成传感器网络,它们可以随时感知目标,在整个防御过程中,如何制定有效的武器目标分配策略才能达到最佳的防御效果。根据武器目标分配实时性的特点,其分配不可能是整个作战过程的最优,为此,将每个平台看作分布式计算的一个节点,每个节点根据其传感器信息向所有可能的武器发起一次目标分配。此时,若其它平台也发现了目标同样可以向空闲的武器发起目标分配,从而在整个网络中形成一个分布式分配模式[3]。

3 基于MAS的分布式目标分配的体系结构

为了实现上面的分配思想,首先应建立基于MAS分布式分配的体系结构,由两种智能体模型组成,分别是平台智能体(Platform Agent,PA)、武器智能体(Weapon Agent,WA),其详细结构如图2所示。

3.1 体系结构

图2中,T1、T2、…、Tn表示整个网络中要执行的任务,任务一般由一个或多个要打击的目标构成,存贮于相应地PA中,并由PA根据传感器的信息随时进行更新;WA(1,1)表示第1个平台的第1个武器智能体(WA),一个平台内的指挥员、PA、WA和传感器构成局部网络,多个平台间构成完整的作战网络。

图2 基于MAS的分布式目标分配的体系结构

WA接收来自PA的指挥并执行由PA发布攻击指令,具体的发射参数解算与发射控制由WA自己完成,此外在紧急可特殊情况下,WA也接收由指挥人员的直接控制。在WA进行武器解算和发射的过程,其目标的动态信息直接来自于传感器网络。

从系统的体系结构中可以看出,WA智能体是以平台上的武器为基础而建立的,以武器为单位选择智能体是因为每个武器具有自己的能力,它的一些相关性能参数对每个武器系统来说是基本相同的,便于智能体对相关参数的计算。下面分别对平台智能体和武器智能体进行介绍。

3.2 平台智能体

PA对应于网络中的每个作战平台。平台智能体PA主要由以下几部分组成:知识库、数据库、任务分配模块、推理决策模块、任务管理模块,以及通信模块构成,其结构模型如图3所示。

图3 平台智能体(PA)结构示意图

PA的设计原则是按照程序自动执行的,以获得快速的反应时间,其与指挥员交互的环节均由平台指控系统或武器火控系统完成。

PA的知识库内容为静态知识,主要包括进行作战网络武器目标分配所需的信息,比如武器之间相互影响因素、火力和电磁兼容信息等。

数据库的内容为动态信息,包括目标的更新信息、武器当前使用情况、作战网络态势变换信息等动态变化的信息。数据库的动态信息在需要的时候可以转化为知识库的静态知识,其自身的内容也可通过通信模块接收外部信息进行更新。

任务分配模块:与其余平台协同完成武器目标分配任务;

任务管理模块:对任务进行管理,如增删、修改等;

推理决策模块:负责对PA接收到的协同指令进行分析处理;

通信模块为WA提供统一的接口形式,完成与WA、指挥员、传感器和其它PA的通信。

3.3 武器智能体

WA对应于编队中的每个武器系统,根据武器系统的特性[3]及模型的特点,主要应由知识库、数据库、学习模块、效能评估模块、目标分配模块、其它模块等构成,其基本结构如图4所示。在协同决策中用到的几个部分介绍如下:

图4 武器智能体(WA)的结构示意图

1)知识库的内容为静态知识,主要包括该WA自身的能力信息即有关的属性、性能、效能评估参数、效能评估和目标分配的工作日志文件等;其中有些信息和参数可以由学习模块进行修改。

2)数据库的内容为动态知识,主要有当前WA的状态和PA发送的实时目标信息组成。

3)效能评估模块主要是采用设定的数学模型对当前几个武器系统的打击效能进行评估。

4)目标分配模块主要完成合同网分配过程中的相关消息传递和合同建立行为。

5)通信模块为WA提供和PA统一的接口形式,完成与PA、传感器网络和其它WA的通信。

4 基于同网协议的目标分配

合同网协议[4～5](Contact Net Protocol,简称CNP)是MAS中经典的资源分配算法,它模拟市场中的招投标行为:招标者有一项任务需要处理,将之在市场上招标,同时说明任务的性质和要求。投标者根据自身资源情况计算完成该任务的质量、成本、时间等,折合成投标值反馈给招标者。招标者根据投标者的标值选择最后的中标者,并与之签订合同,将任务交由它处理。其基本过程可以用以下四个过程来描述:

1)当PA发现目标时,由PA的任务管理模块将目标转化成任务,然后由PA结合知识库中所有WA的能力和状态信息,选择适当能力和数目的WA,并同时向选中的候选WA发送当前任务;

2)候选WA根据当前任务,由其效能评估模块根据知识库的信息做出自己对任务完成情况的评估,并以参数Pij等的形式上报给PA;

3)PA根据任务分配模块中的评价模型,结合候选WA发送的参数数据,最终给出武器对目标的分配方案,并将方案发送要执行的候选WA;

4)选中的WA执行指派的任务,并随时上报任务执行情况。若任务完成,则由PA的任务管理模块删除该任务,若没有完成,则由PA作为新任务进行重新分配。

以上就是一次分配中基于合同网协议的四个过程,可以总结为合同网协议中的招标、发标、中标和建立合同的一个工作流程。这种分配方式可以很好得处理整个作战网络遇到的其它情况,充分表现了算法良好的适应性,在此考虑两个特殊情况的分配:

1)当有新目标出现时

当系统检测到新目标时,可以直接将新目标作为新任务执行。分配时,在目标出现前整个系统分配结果的基础上,由某个PA主持对新任务进行基于合同网的分配,将新任务分配给空闲的WA。

2)当有平台损失时

当系统检测有平台损失时,可以将损失平台的任务作为新任务来执行。分配时,同样在平台损失前整个系统分配结果的基础上,由某个PA主持对新任务进行基于合同网的分配,将新任务分配给空闲的WA。

5 实例与分析

现采用提出的分布式模式及合同网协议对多平台协同作战情况下遇到的情况进行分配,具体的态势如下:

图5 基于CPN的分布式分配

1)t1时刻,PA1平台对任务T1进行分配;

2)t2时刻,PA4平台对任务T2进行分配;

3)t3时刻,PA3平台对任务T3进行分配;

4)t4时刻,PA1平台对任务T1重新进行分配;

5)t5时刻,PA4平台退出战斗。

从整个分配算法及思想来看,该分布式武器协调算法充分体现了以下三个特点:

1)首先是整个分配的体系结构是分布式,进行分配的算法也是分布式。各平台和武器之间是平行关系,在整个分配过程中没有主次之分,任何一个平台都可以做为一次分配的发起者,任何武器都可以做为一次分配的响应者。

2)整个分配过程体现了动态性。该武器协调算法可以很方便地应对作战过程中敌我发生的新情况,如发现新目标,或者个别平台和武器因某种原因退出战斗等。

3)整个分配过程充分利用了各平台和武器的交互。各平台通过与位于不同平台的武器进行交互完成武器协调,通过交互使武器协调是在共享整个网络信息的基础上合理有效进行。

6 结语

多平台海上协同作战面临的环境极其复杂,必须实时处理大量的动态信息,随时做出拦截决策,远非指挥员人力可以胜任,因此自动化、智能化的辅助决策系统是提高协同作战效能的重要保证。本文提出利用MAS技术来分析、构建多平台协同作战的分布式空辅助决策系统,建立了系统的体系结构模型,并重点研究了相关的基于合同网的分布式目标分配算法。当然本文也只是提出了一个初步的结构体系,诸如整个系统的仿真及其分配算法的改进这将在以后的工作中进一步进行完善。

[1]郁军,贲可荣等译.网络中心战与复杂性理论[M].北京:电子工业出版社,2004,9

[2]贾得民,刘刚,秦勇.基于智能Agent的动态协作任务求解[M].北京:科学出版社,2007,9

[3]邢昌风,李敏勇,吴玲.舰载武器系统效能分析[M].北京:国防工业出版社,2007,10

[4]Smith,R.G.The contract net protocol:High-level communication and control in a distributed problem solver[J].IEEE Transaction on computers,1980(12)

[5]张海俊,史忠植.动态合同网协议[J].计算机工程,2004,30(21):44～57