基于Agent的海上编队防空作战系统建模方法研究*

杨红梅 张建强 耿伯英 盛 文

(空军雷达学院陆基预警监视装备系1) 武汉 430019)(海军工程大学电子工程学院2) 武汉 430033)

基于Agent的海上编队防空作战系统建模方法研究*

杨红梅1)张建强2)耿伯英2)盛 文1)

(空军雷达学院陆基预警监视装备系1)武汉 430019)(海军工程大学电子工程学院2)武汉 430033)

文章研究了当前海上编队防空作战系统的典型组成结构,分析了Agent技术在海上编队防空作战系统建模方面的优越性,提出了基于Agent的海上编队防空作战系统建模方法,并给出了指挥所Agent类和作战资源Agent类两类Agent的结构模型。

海上编队防空作战系统;Agent;建模

Class NumberN945.12

1 引言

实战证明,随着现代航空、精确制导、隐身等大量高新技术的不断发展和在军事上的应用,以现代飞机和导弹为主的空袭兵力、兵器,已逐步形成比较完整的空袭体系,具有远程投送、精确打击、隐蔽突防、杀伤猛烈等特点,并采取高、中、低空相结合的多层次、多批次、多方向同时饱和攻击的战术,使水面舰艇的防空面临严峻的挑战。为此,需要建立能准确描述海上编队防空作战系统的模型,实现对当前海上编队防空作战系统指挥流程、功能结构、资源配置等方面的有效评估。为整合作战资源,提高海上编队整体防空作战效能,提供决策支持。但由于构成海上编队防空系统主要的成员是具有协同组织背景并处于不同等级、不同层次、不同位置的指挥中心(所),其面临的智能行为建模及动态环境等问题从分布、协同、共享、智能等角度对海上编队防空作战系统的建模与仿真提出了更高的要求。

目前,国内外对海上编队防空作战系统建模技术的研究工作一般没有专门的文献,而在综合电子信息系统建模方面的文献比较多,这类工作从一个侧面反映了国内外海上编队防空作战系统建模技术研究发展现状。常用的主要有以下四类方法:

1)结构化分析方法[1],它使用数据流图、数据字典、判定表和判定树作为工具,建立系统的逻辑模型。该方法直观、易于学习和掌握,但是数据流图仅描述了系统的功能模型,而数据模型仅用数据字典描述是不完整的,因为数据字典不刻画数据间的关系。至于动态模型,在结构化分析方法中未做描述。

2)IDEF(ICAM DEFinition Method)方法[2],KBSI公司正在将此发展成一个系列,如:IDEF0(功能建模function modeling)、IDEF1X(数据建模data modeling)、IDEF2(仿真模型设计simulation model design)、IDEF3(过程描述 process description capture)、IDEF4(面向对象设计object-oriented design)、IDEF5(本体论描述获取ontology description capture)和IDEF6(设计原理获取design rationale capture)等。IDEF的方法相对于其他系统分析方法有易于掌握、兼容结构化分析法模型的优点,曾被推荐给863高技术自动化领域作为复杂系统的设计规范,但IDEF0,IDEF1,IDEF2之间没有引用,缺乏联系。

3)面向对象的建模技术(OMT)[3],该方法是从3个相关但体现系统不同方面的角度对一个系统进行建模,得到的3种模型分别是对象模型、动态模型和功能模型。对象模型代表了系统静态的结构;动态模型代表了系统随时间变化、行为、控制的方面;功能模型代表了系统的功能方面,每一种模型都包含对其他模型的引用。OMT方法的优势在于其分析、设计结果可以平滑地过渡到编码阶段,但在基于数据库的MIS应用中,其缺点在于:对象很难识别,对于专用的MIS系统,软件复用很难达到且面向对象的业务处理与传统的数据库管理系统(DBMS)各行其是,二者在方法论上很难结合。

4)基于 Agent的建模技术[4～5],基于 Agent的建模方法是研究大量个体或Agent之间交互以及它们交互所展现的宏观尺度行为。该方法将复杂系统中各个仿真实体用Agent的方式(思想)自底向上对整个系统进行建模,试图通过对Agent行为及其之间交互关系、社会性进行刻画,来描述复杂系统的行为。这种建模仿真技术,在建模的灵活性、层次性和直观性方面较传统的建模技术都有明显的优势,很适合于对诸如生态系统、经济系统、战争系统以及人类组织等系统的建模与仿真。通过从个体到整体、从微观到宏观来研究复杂系统的复杂性,从而克服了复杂系统难于自上而下建立传统的数学分析模型的困难,有利于研究复杂系统具有的涌现性、非线性和复杂的关联性等特点。

从上面的分析我们不难看出,要实现对海上编队防空作战系统中“活”系统成员的描述和研究,采用基于Agent的建模方法,能够自然、同构的描述现实世界的海上编队防空作战系统。不同的基于Agent建模方法适应于不同领域,有必要针对海上编队防空作战系统具体特点,研究适合于海上编队防空作战系统基于Agent建模方法。

2 海上编队防空作战系统功能模型

面对日益严重的空中威胁形势,单艘舰艇在海上的生存能力十分有限,水面舰艇必须组成有各种战舰编成的作战编队,综合使用歼击机、舰空导弹、火炮等硬杀伤武器,有源、无源电子对抗等软杀伤武器和各种雷达、预警机等预警探测系统与情报侦察系统,建立包括不同高度(高、中、低空、掠海)、不同距离(远程、中程、近程、末端)的多层次海上编队防空作战体系,才能有效地抗击敌空袭兵力兵器。典型海上编队防空作战系统安防空作战区域的大小可分为:远程防空作战子系统、中程防空作战子系统和近程防空作战子系统,如图1所示。

图1 典型海上编队防空作战系统功能结构图

1)远程防空作战子系统。该子系统主要由航空兵指挥所、预警机、战斗机组成,其主要任务是:早期预警,远程打击。利用预警机对敌目标实施远程预警,航空兵指挥所在预警机的情报支援下(或航空兵指挥所授权预警机)指挥引导作战飞机将来袭的敌机拦截在其使用武器之前。

2)中程防空作战子系统。该子系统主要由区域防空指挥所、防空型舰艇、雷达哨舰组成,其作战目标是从远程防空作战区域漏过的敌飞机或反舰导弹。利用防空型舰艇或雷达哨舰的远程警戒探测设备,对目标进行精确跟踪、识别,然后引导远程舰载面防空导弹,对突破远程防空作战系统的来袭目标实施打击。为了避免误伤自己的飞机,区域防空舰艇与航空兵作战区域之间设有识别区,航空兵通常不进入识别区,区域防空舰艇先识别目标的敌我属性,再决定打击。

3)近程防空作战子系统。该子系统等同于单舰防空作战系统,编队各舰艇对漏过中程防空作战区域的来袭导弹进行作战。各舰在编队指挥中心的统一协调指挥下,按照编队的防空作战队形,实施末端防空作战。通常使用电防空导弹和近程反导系统,对导弹进行打击。

3 基于Agent的海上编队防空作战系统建模方法

从海上编队防空作战系统角度分析,基于A-gent的建模对于实际海上编队防空作战指挥系统是一种自然、同构的描述。防空作战系统是海上编队作战系统中的一个子系统,在整个系统中的地位比较特殊,这种特殊性体现在它并非独立存在,而是要与其它系统协同作战。然而根据目前的需求方法建立的系统模型由于自身结构僵化而无法适应系统的变化要求,最终将退化为系统正常运转的障碍。而基于Agent的模型可很好地解决此类问题。首先,Agent通过定义自己的目标、职责、活动、行为规则、思维、服务、资源需求等属性完整地描述将要承担的系统角色。其次,基于Agent的模型是一个分布式网状模型,成员间是合作、服务的关系,这正符合防空作战系统体系结构的发展趋势。目前,防空作战的指挥关系正在由“科层式”金字塔结构向“网络化”扁平结构转化,成员关系也由“隶属型”、“指挥型”向“合作型”、“服务型”转变,这与基于Agent的系统模型完全相符。最后,Agent的主动性、反应性使其易于对战场环境变化做出及时响应,实现了作战指挥系统的同步调整。由于Agent技术与海上编队防空作战指挥系统的相互适应性,在对海上编队防空作战指挥系统研究的过程中,我们采用基于Agent的建模与仿真方法。

海上编队防空作战系统指挥关系复杂、作战资源类别及使用要求众多,为了建立全面而准确反映防空作战系统需求、具有一定自适应性、与问题域同构的海上编队防空作战多Agent系统,必须遵循一定的步骤。建模过程可以分为需求分析、Agent识别、Agent描述和多Agent协作模型四个步骤,如图2所示。

1)需求分析阶段

在充分分析海上编队防空作战系统的作战任务样式的基础上,逐步深入研究海上编队防空作战系统的功能结构、指挥关系、资源配置和信息流程,并在此基础上利用IDEF建模方法建立海上编队防空作战系统的作战过程系统、功能结构视图和信息流程视图,为下一步识别系统中所包含的Agent奠定基础。

图2 基于Agent的海上编队防空作战系统建模

2)Agent的识别阶段

多Agent系统的一个关键问题是如何确定最合适的Agent种类及数目。确定的基本原则是尽量使系统简单,以便于控制。在充分分析海上编队防空作战系统的基础上,建立海上编队防空作战系统的IDEF3过程视图,详细研究典型海上编队防空作战系统的作战流程,从中概括、归纳建立多A-gent海上编队防空作战系统所需的Agent的分类和组成,为下一步确定不同类别的Agent的结构奠定基础。海上编队防空作战流程可分为远程防空作战、区域防空作战、近程协同防空、末端防空四个大过程,海上编队防空作战总体流程如图3所示。每一个过程又可进一步分解,可识别出海上编队防空作战系统主要有两类Agent:指挥所类Agent和作战资源类Agent。

3)Agent的描述阶段

结合海上编队防空作战指挥系统的特点,通过分析研究海上编队防空作战系统的功能结构视图,可确定Agent的结构。根据海上编队防空作战系统作战流程,海上编队防空作战系统指挥所类A-gent应包含:通信模块、感知模块、信息处理模块、态势分析模块、知识库、学习模块、决策生成模块等,其典型结构如图4所示。海上编队防空作战系统中作战资源主要包括:飞机、导弹系统、雷达系统三类典型防空作战资源,该三类作战资源接受到作战命令信息后,根据目标指示信息,对敌目标实施一次作战行动。作战资源Agent类应包含:通信模块、感知模块、战术行动模块、作战效果评估模块、知识库、学习模块等,其典型结构如图5所示。

4)多Agent协作模型的确立

基于Agent的海上编队防空作战系统是一个典型的多Agent系统,各类Agent之间相互协调、通信才能共同完成海上编队防空作战系统的功能,在Agent结构模型和海上编队防空作战系统信息流程的基础上,建立海上编队防空作战系统的多Agent协作模型。

4 结语

文章围绕海上编队防空作战系统建模方法这个问题进行了有益的研究和探索。首先研究了海上编队防空作战系统的典型功能结构;然后结合Agent技术与海上编队防空作战系统在特性上的相互适应性,提出了基于Agent的海上编队防空作战系统建模方法及一般建模步骤。该建模方法较好地解决了对于海上编队防空作战系统“活”系统成员的描述和研究问题,实现了对于实际海上编队防空作战指挥系统自然、同构的描述。文章还结合海上编队防空作战系统的IDEF3作战过程视图分析,建立了海上编队防空作战系统两类典型A-gent:指挥所Agent类和作战资源Agent类的结构模型。

[1]Oren T,Zeigler B.Concepts for Advanced Simulation Methodology[J].Simulatition,1997,11(4):122～126

[2]陈禹六.IDEF建模分析和设计方法[M].北京:清华大学出版社,2000

[3]Kivijarvi H.A substance-theory-oriented approach to the implementation of organizational DSS[J].Decision Support System,2005(11):215～241

[4]Green D G.Hierarchy complexity and agent based models In Our Fragile World[J].Challenges and Opprotunities for Sustainable Development,2005(10):168～202

[5]廖守亿.复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用[D].长沙:国防科技大学博士学位论文,2004

An Agent-based the Marine Formation Antiair Operation System Modeling Method

Yang Hongmei1)Zhang Jianqiang2)Geng Boying2)Sheng Wen1)
(Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,AFRA1),Wuhan 430019)
(Department of Electricity Engineering,Naval University of Engineering2),Wuhan 430033)

First of all,the characteristics of the marine formation antiair operation system(MFAOS)were concluded and summarized.Secondly,an agent-based MFAOS modeling method has been presented based on the superiority of agent technology in this field,viz.analyzing the IDEF model,establishing the typical agent framework.

MFAOS,Agent,modeling

N945.12

2010年8月29日,

2010年9月29日

杨红梅,女,硕士,讲师,研究方向:模式识别与智能系统。张建强,硕士,讲师,研究方向:系统建模与仿真。

耿伯英,博士,副教授,研究方向:模式识别与智能系统。盛文,博士,教授,研究方向:雷达系统建模与仿真。