海战仿真中反潜直升机CGF的行为建模方法

2011-04-23李照顺

指挥控制与仿真 2011年1期

陈挺，李照顺

（海军指挥学院，江苏南京 211800）

计算机生成兵力（Computer Generated Force，CGF）是大规模交互仿真系统的重要组成部分，CGF行为建模是CGF的核心技术。美国国防部的建模与仿真计划就将行为建模列为研究目标之一，可见行为建模在仿真建模中的重要性。行为建模的方法很多，由于CGF实体行为的决策控制不需要所有的决策知识，只需要态势下的相应知识，因此基于语境推理（Context-Based Reasoning，CXBR）近年来得到广泛的应用。

传统CXBR框架使得行为建模的情感推理受到限制，而缺乏情感的行为建模是不合理的行为建模。本文在传统CXBR框架中增加的个性和情绪，两个抽象类提出了基于改进CXBR的行为建模方法，使得CGF能够表现情感，并从反潜直升机作战实际出发，在CXBR转换逻辑中引入产生式表示法和层次分析法，实现了基于改进CXBR的反潜直升机CGF系统构建，并对改进CXBR框架的可行性进行了初步探索。

1 CXBR的原理及改进

1.1 CXBR的原理

基于语境推理（Context-Based Reasoning，CXBR）的基本思想【1】是当一个Agent执行任务时，它总是顺序经历几个不同的状态，每个状态都要求Agent有一定的技巧和动作，而且从一个状态过渡到下一个状态，很多情况是突变的。为了成功完成任务，Agent必须具备遍历所有战术状态的能力，并能掌控状态转换的时机。CXBR假设Agent在一个特定情况下控制行为，无需总是运用它们全部的知识库，而是运用一个有限的、与情况紧密相关的知识集。Context指明了当前状态下所有条件，能控制自主智能平台（AIP）在战术模拟中的行为。一旦找到，则将本身设为无效，激活新 Context。一个 AIP可以根据状态要求通过一个Context到下一个 Context的连续转换来进行智能控制。

在Context中，定义了三个层次的Context：使命Context、任务Context、子任务Context，如图1所示。

图1 Context层次

1.2 改进CXBR

传统CXBR框架如图2所示包含四个抽象类，它们通过API机制使得人类行为建模更加便利。其中，自动智能平台类（AIP）提供建模agent的交互界面；使命和context类提供了一个agent行动、反应和计划想定的方法；推理机用于模式匹配。

图2 传统CXBR框架

图3 转换关系图

Agent分配使命是依据高层agent对给定想定的预期。使命同样详细说明了能够适用于agent的context。Context提供了agent的计划和反应能力并且列出了可以由当前context转换到的所有context。Context、agents和使命之间的关系见图3。

然而在真实的人类行为中，动机和情感对认知行为过程有重要影响，思考和解决问题必须考虑这些影响。缺乏情感的人类行为建模是不正常的人类行为建模。对传统CXBR框架的改进【2】是为了提供agent能够进行情感推理的切实可行的方法。比较图2和图4看出改进CXBR框架在传统CXBR框架中增加的两个抽象类个性和情绪。比较图3和图5看出个性和情绪的关系与CXBR中使命和context的关系平行。类似使命详细列出agent经历的所有可能context，个性详细列出 agent经历的所有可能情绪。根据常识，个性好战的人在遇到威胁时表现出愤怒的情绪，而个性软弱的人在遇到威胁时会表现出害怕的情绪。上述情绪转换可采用如下程序语言描述：

图4 改进CXBR框架

图5 转换关系图

2 反潜直升机CXBR决策方法的实现

2.1 反潜直升机CGF的context定义

根据CXBR的决策原则，反潜直升机的行为可以分为四个层次【3】：使命context，例如搜索和攻击潜艇、巡逻、布雷等；任务context，例如直升机的调度、搜索潜艇、跟踪潜艇、攻击潜艇（深水炸弹攻击、鱼雷攻击、导弹攻击），直升机撤退等；子任务context，例如直升机武器发射准备，占领攻击阵位，武器发射等；原子行为context，例如变向、变速、机动方案计算、武器射击诸元计算、目标运动分析等。

使命Context包括使命所对应的任务Context。任务Context包括任务所对应的子任务Context，子任务Context包括相应的原子行为 Context，原子行为Context是直升机作战行为中粒度最小的单位。尽管，在实际中可能包含不同的战术行动，为了模型简化和减少不必要的复杂性，将这些原子行为视为不可再分的。这些contexts之间的行动是相互独立的，原子行为级以上的行为通常是长期的，尽管原子行为是相互独立的，它们同样能够在同一时刻进行。

2.2 CXBR转换逻辑

在想定中，context的激活是由CXBR转换逻辑控制的，反潜直升机CGF的反潜作战态势复杂，战场形势瞬息万变，作为决策依据的信息来源复杂多变，确定性和不确定性并存；同时为了改进CXBR框架的情感模块在反潜直升机CGF中的实现，我们引入了基于产生式表示法的CXBR转换逻辑和基于层次分析法的CXBR转换逻辑。

2.2.1 基于产生式表示法的CXBR转换逻辑

反潜直升机 CGF在反潜作战环境态势中，对于确定的比较简单的态势，可采用产生式表示法【4】。它的基本形式是P→Q或者IFPTHENQ。其中 P是产生式的前提，用于指出该产生式是否是可用的条件；Q是一组结论或操作，用于指出前提P所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。

在CXBR中，

例如反潜直升机在执行巡逻任务发现潜艇目标时，如果指挥员情绪害怕，则可能逃跑；如果指挥员情绪愤怒，则可能攻击潜艇目标；如果指挥员情绪中性，则可能跟踪潜艇目标。发现来袭导弹，则进行导弹防御。对于这样一些确定的比较简单的态势，可采用产生式表示法。

2.2.2 基于层次分析法的CXBR转换逻辑

反潜直升机CGF在反潜作战环境态势中，对于不确定性强且比较复杂的态势，难以用大量精确的规则进行描述，为完成对复杂作战态势的决策，可采用层次分析法【5】。层次分析法步骤如下：

1）构造比较判断矩阵

根据专家及有关人员的意见，按照1～9标度对重要性程度赋值，分别构造准则层各个准则对目标的比较判断矩阵，以及各个方案分别对各个准则的比较判断矩阵，即，然后按照判断矩阵的一致性检验方法对A进行检验。

2）求解权向量

取判断矩阵n个列向量的归一化后的算术平均值近似为权重向量，即

3）计算各方案对目标的合成权重，从而进行方案的选择

记指标层各因素f1,f2,…,fm针对目标层T的权重分别为；各备选方案针对指标层各因素的权重记为n，则各备选方案对于目标T的合成权重为

例如，反潜直升机 CGF在执行反潜任务时主要依靠声纳浮标(S)、雷达(R)、红外搜索仪(I)、磁探仪(M)和电子支援系统(E)组合成不同的搜索方案来探测水面或水下的潜艇目标。

设各搜潜手段组成的合理的搜索方案集【6】为其中：

评价方案的因素集为

其中，f1为搜索能力；f2为隐蔽性；f3为实施难度。最优搜索方案为T。

图6 搜索方案评价体系

图6 给出了搜索方案的评价体系。为了简化建模的复杂性，只考虑情绪对3,2,1,=i有影响。假设：

1）情绪愤怒的指挥员急于发现敌方潜艇，在选择搜索方案时较侧重搜索能力，则，计算结果为wj=(0 .099,0.162,0.221，0.213，0.143,0.138)，最优方案T为 s1= {R,I,E,S}。

2）情绪害怕的指挥员担心受到敌方潜艇的攻击，在选择搜索方案时较侧重掩蔽性。则算结果为wj=(0.122,0.181,0.186,0.180,0.159,0.120)，最优方案T为s6={M}。

可见改进 CXBR框架的情感模块可以根据专家及有关人员的意见，利用层次分析法中的评价因素，通过选择不同的标度（1～9）对重要性程度赋值，从而实现改进CXBR框架的情感模块。

3 反潜直升机CGF系统结构

图7给出了反潜直升机CGF系统结构[7]，它主要由三个部分组成：物理模型、行为模型以及操作员。其中物理模型和行为模型用simDFW仿真平台实现，simDFW仿真平台是一种开放性的、支持二次开发的、可扩展的仿真基础框架，是集多种功能于一身的仿真平台，具有想定编辑、控制执行、回放、结果分析于处理等功能。本文利用simDFW仿真平台开发基于改进CXBR的反潜直升机CGF系统，能够提高系统的开发起点，加快开发进度，并验证了上述理论的合理性。下面主要对物理模型和行为模型进行分析：

3.1 物理模型

物理模型主要对仿真实体客观存在的外部特征及其客观规律进行描述，并对实体的物理特性和表象进行建模。在海战仿真中，反潜直升机CGF中需要建立天线、主被动声纳、声诱饵、声干扰、鱼雷等物理装备模型，可采用 VC++面向对象语言结合 simDFW仿真平台对这些物理模型进行开发。模中的情感建模是CGF的重点和难点，本文只给出了初步探索，有待进一步完善。

图7 反潜直升机CGF系统结构

3.2 行为模型

行为模型主要描述反潜直升机根据敌我双方的态势结合自身的装备情况进行战术决策采取的智能行为。它由战场态势分析、战术决策、战术知识库、情感模块以及动作规划五个部分组成。根据战场态势感知对战场态势进行分析，然后采用基于改进CXBR的行为建模方法结合战术知识库和情感模块进行战术决策，最后根据战术决策进行动作规划表现为物理模型中的动作执行。