基于多Agent的编队协同反潜仿真

梁义芝，张 云，王 超

(1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018;2.国防科技大学 机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073)

0 引言

编队协同反潜是编队根据上级要求，对执行一定作战任务的敌潜艇进行搜索、跟踪、攻击和防御而组织实施的，其主要作战活动包括:接触并识别目标，综合使用反潜武器，及时规避对抗潜艇攻击等。

本文在分析编队协同反潜作战特点的基础上，研究构建反潜作战仿真中的Agent个体模型和基于多Agent的协同作战模型。

1 编队协同反潜

1.1 编队协同反潜的指挥方式

在编队协同反潜作战中，实施集中与分散相结合的指挥方式［1］。

1)整个反潜作战以统一指挥为主。编队统一选定搜索方法，确定搜索队形和速度，各舰直升机由编队统一组织使用。

2)具体的攻击方法和机动采取分散指挥方式。如派遣直升机进行反潜时，编队指挥员、载舰指挥员及空中指挥员之间需根据直升机活动空域、战场情况适时交接转换指挥权。遇有紧急情况如受到威胁时各舰(机)可独立进行抗击和反击。已发现目标的舰(机)应迅速上报，并按编队指挥所命令引导其他兵力接敌，组织指挥编队攻击。

1.2 编队反潜中的作战协同

作战协同，是指各种作战力量为形成整体作战能力，按照统一的协同计划，在行动上进行的协调配合［2］。编队反潜中的协同是海上作战的战术协同，其中既有兵力协同，也有火力协同。协同的组织者、协同对象、协同手段和协同信息构成了作战协同的基本要素。编队指挥员是编队反潜作战的协同组织者，协同对象主要是编队中的各舰艇、直升机，协同手段主要是通信、指控设备等，协同信息主要包括上级协同指示、本级协同计划、作战协同状况、友邻情况等。其中协同信息是协同的基础，是实现协同的重要条件和依据。

编队反潜协同主要有计划协同和临机协同2种形式。编队进行协同对潜搜索的时候，根据敌情、编队任务、出动直升机数量和搜索能力等因素，制定协同计划，明确编队队形、机动方法、直升机任务、阵位和搜索手段等，这属于计划协同。临机协同主要是当战场情况发生重大变化，原定的协同计划已不再适用新的战场情况时，必须重新组织新的协同。

2 编队中Agent个体模型

进行编队协同反潜仿真时，可将编队中各个舰艇和直升机都抽象为实体Agent。

2.1 实体Agent的体系结构

编队协同反潜作战，实质上是编队各作战实体在一定的使命背景下，根据具体任务，同时面对多个目标的作战行动。实体不但需要对战场态势进行分析推理、对作战行动进行规划决策、相互通信协调作战行动，还能在紧急情况下不需进行慎思，迅速反应采取相应对抗措施，故将各实体Agent设计为混合型结构，如图1所示。

Agent通过感知模块和通信模块获取外部环境信息，这些信息在信息分类模块中进行处理分类，同时修正原来的世界模型World。在态势分析模块中对World进行态势分析得到Agent当前态势Status，根据Agent的当前目标Goal、当前态势Status以及战术规则中的知识，生成任务规划TaskPlan。在执行动作过程中，如果态势发生重大变化，则进行重新规划，得到新的任务规划。任务规划TaskPlan经Agent的决策模块得到下一步执行的动作Action。当Agent得到紧急信息时，可以直接匹配经验库，产生应急动作序列。最后所有的动作都调用相应的物理行为模型，模型执行的结果会影响外部环境。

图1 混合型实体Agent结构图Fig.1 Structure of composite agent

Agent通信模块所接收到需要应答的消息在态势分析模块进行处理后，在消息生成模块生成应答消息的内容，最后由决策生成模块确定时机将消息输出到通信模块，从通信模块发到相应的其他Agent。而Agent在消息生成模块主动产生的消息，也通过同样的路径传输。

2.2 基于MBGT的实体Agent认知模型

1)反潜编队实体Agent主要心智状态分析

反潜编队中实体Agent需有较强的社会意识，要做到面向使命、服从命令、努力完成任务，其自主性一般会受到较大的约束。根据编队中实体Agent的这些特征，本文提出了反潜编队中实体Agent的MBGT模型，即用使命、信念、目标和任务模型来描述反潜编队实体Agent的心智状态。

实体Agent的使命Msn(Φ)，在其心智状态中占有最高地位，是其他心智状态活动的依据。Msn(Φ)表示实体Agent将Φ(使命状态)作为一次作战行动的最终目标。

每个态势和1组信念可达世界相关联，信念可达世界是Agent相信世界的可能情况。实体Agent的信念包括2部分，一是Bel(Φ)，表示Agent在当前世界和时间相信Φ已经或将会成立，Φ即为Agent此时的信念可达世界;二是实体Agent对其他实体Agent心思的揣度，如 Beli(Agentj，Belj(Φj))，即 Agenti相信Agentj的信念可达世界为Φj。

实体Agent的目标Goal(Φ)，即目标可达世界。Goal(Φ)中1个节点是Agent完成Msn(Φ)的1个子目标。

实体Agent的任务Task(Φ)，即Agent为实现一定目标而进行的活动。Agent根据对Msn(Φ)、Capa(能力)的综合处理，在Goal(Φ)中决策选择某个节点作为当前目标，然后运用Plan(规划)算子，得到当前任务Task(Φ)。

实体Agent的能力Capa，是其完成任务的基础，也是主体之间进行有效合作的基础。Agent的能力主要包括2方面，即思维活动方面的能力和完成动作任务的能力。本文仅研究后者，并假设实体Agent在思维活动方面的能力没有区别。实体Agent的能力描述主要涉及状态参数、环境参数以及对应装备的技战术性能指标［3］3个方面。根据实体Agent达到某个目标对各方面能力的不同要求，来决定其能力值。如执行搜潜任务时，实体Agent水声探测能力最重要，其中水声探测能力的主要影响因素有:实体的机动性能、探测海区水声环境特点、探测设备的探测距离和精度。

编队反潜作战中指挥员规划决策时，一般通过战术计算结果结合相应规则从有限的备选方案中进行选择，本文中实体Agent的规划采用规则匹配与战术计算相结合的方法，实体Agent的决策采用基于规则的方法，实体Agent根据约定的规则进行决策能满足仿真要求。

2)实体Agent的认知模型结构

编队中实体Agent是在自己上述心智状态和上级命令的双重驱动下行动的。命令Command主要有3种形式:MsnCom(使命命令，以使命状态作为命令下达的内容，要求接受该命令的实体Agent实现该使命状态)、GoalCom(目标命令，以某个目标作为命令下达的内容，要求接受该命令的实体Agent实现该目标)、TaskCom(任务命令，以某个任务作为命令下达的内容，要求接受该命令的实体Agent完成该任务)。这3种形式的命令，都转化为Agent相应的心智状态，Agent收到这3种命令并做出承诺答复后，命令的内容在实体Agent的相应心智状态中都有强制的优先权，一般优先于Agent自身产生的心智状态的内容。3种命令的优先级由高到低为 TaskCom，GoalCom和MsnCom，即越具体的命令优先级越高。

友邻或下级的协同请求Co Re qu分为2种，即GoalCo Re qu(目标一致请求)和TaskCo Re qu(任务一致请求)。当协同请求来自于同级时，GoalCo Re qu表示协同请求方要求与被请求方协同完成同一目标，TaskCo Re qu表示协同请求方要求与被请求方协同完成同一任务。当协同请求来自于下级的时候，表示下级请求上级将其目标或任务作为上级的当前目标或当前任务。

实体Agent将GoalCo Re qu中的目标放入Goal(Φ)，将TaskCo Re qu中的任务放入 Task(Φ)，并将请求目标(任务)与当前目标(任务)进行比较，决定是否替代;如果可以替代则将请求目标(任务)作为当前目标(任务)，而原来执行的当前目标或任务在Goal(Φ)或Task(Φ)中，具有除当前目标(任务)外最高的优先级。图2所示为命令、请求与心智状态相互作用的实体Agent认知模型结构。

图2 实体Agent认知模型结构Fig.2 Structure of cognizing model for agent entity

3 编队中Agent协作模型

编队反潜与单舰反潜，其最大的区别就是编队的协同特性，在仿真中如何体现这个特性，是很重要的问题。本文运用多Agent的协作理论来探讨解决这个问题。

3.1 基于组织观点的编队反潜多Agent系统

多Agent协作是指主体之间互相配合一起工作，包括完全协同型、协同型、自私型、完全自私型、协同与自私共存型等5种类型。其中协同型是指系统中的智能主体具有1个共同的全局目标，同时各主体还有与全局目标一致的局部目标［4］。编队协同反潜作战就属于这种类型，编队各反潜实体的共同目标就是完成反潜使命，同时各反潜实体必须完成各自所担负的任务并保证友邻及自身的安全。

1)编队多Agent组织中的关系

编队多Agent组织中出现的几种关系如下:

①指挥控制关系。编队作战活动的协调与合作主要是通过一定的指挥控制结构实现的。

②对等关系。有些实体之间的关系是对等的，它们都能在需要的时候请求其他角色平等地参与相关决策或行动。

③通信关系。通信是组织内的各个角色之间交换信息和情报，实现协同作战的必要途径，编队之间的情报共享必须通过通信来实现。

④依赖关系。依赖关系的存在是由于各个角色能力的不同以及资源的限制。在编队仿真系统的虚拟组织中，信息关系和行为依赖关系是2种最重要的依赖关系。

2)编队多Agent组织的共同使命

编队海上作战行动尤其强调一致性，无论进行什么形式的反潜行动，都有一个使命贯穿其中，这个共同使命使所有实体Agent都有高度的整体意识。实体Agent在承担了某项作战目标或任务后，与实现同一目标或任务的团队中其他实体Agent保持高度协作，在努力实现自身承诺的同时尽量协作团队中的其他实体Agent实现该目标或任务;对于编队中不属于该团队成员的实体Agent，在条件允许的情况下，也会尽量支援协作他们，因为完成共同使命才是他们的最终目标。

在不同的使命背景下，编队实体可能会执行相同的任务、遇到同样的态势，如编队执行护航防潜或应召搜索使命时，编队实体都可能突然发现潜艇，而接下来采取的行动，往往因为使命不同而不尽相同。

3.2 基于共同使命的编队协同反潜模型

编队组织需要具备在运行时动态选择协作方式的能力，以适应不同的战场条件和任务环境。确定仿真的使命背景后，编队指挥Agent采用分布计划集中规划的方法，根据各实体Agent的能力分配任务，为它们的反潜行动形成一个统一的规划，在行动过程中根据需要进行协调控制或重新规划。实体Agent产生协同需求时，则会向其他Agent发出协作请求，进行协作协商。同时各实体Agent必须遵守一定的规则，主要按照作战条令或使命背景下的特殊要求执行任务，以确保作战行动的顺利进行，这属于社会规则协调方法。由于该方法的实现必须以编队各实体Agent在某些心智状态上的一致为基础。因此本文提出了基于共同使命的编队协同反潜协作模型，在共同使命这一更高层次对编队各实体Agent的作战协同进行约束，更符合客观实际，也能产生更灵活的协作协调效果。

1)基于共同使命的编队协作框架

编队作战中，实体Agent之间必须尽可能信息共享，使各实体Agent面对统一的战场态势，但在通信中断的情况下，实现信息共享往往比较困难。即使实体Agent面对一致的战场态势，由于所处的空间位置和自身状态不同，他们的信念、目标、任务等心智状态往往不尽相同。编队组织的联合行动并非单个实体Agent行为的简单组合，为使他们进行有效的协作，不但需要上级命令的约束，而且需要共同使命为编队组织的协同作战提供基础和保证。基于共同使命的协作模型框架中，共同使命、共同信念、联合目标、联合承诺、联合任务等几个表达集体意识的心智状态发挥重要作用。

共同使命描述了整个编队Ψ中所有Agent成员完成的共同使命，在作战的整个过程中都致力于共同使命的完成。编队Ψ中所有Agent拥有共同使命Φ，记为FMsn(Ψ，Φ)，等价于编队中的每个Agent成员都拥有使命Φ，每个Agent的Msn(Φ)与FMsn(Ψ，Φ)是一致的。

共同信念描述1个Agent团队对于某个事实的共同认识。如果Agent团队Θ拥有共同信念Ω，记为MBel(Θ，Ω)，等价于此团队中的每个Agent成员都拥有信念Ω，同时每个Agent都相信团队中的所有其他成员也拥有信念Ω。

联合承诺JCommit(Θ，γ，η)是指协作团队Θ共同承诺实现γ(γ表示联合目标或联合任务)，η是γ的持续条件。联合承诺描述1个团队所有成员对某个群体行为做出共同的承诺，同时相信每个成员都将努力实现它。1个团队就某个目标或任务做出联合承诺后，团队中每个Agent必须将γ已经实现或γ实现不了的情况这一私有信念转化为团队的共同信念。

联合目标 JGoal(Θ，δ，ϑ)是指 Agent团队 Θ 中所有的Agent都将目标δ作为当前目标，ϑ是联合目标的持续条件。1个团队就某个联合目标做出联合承诺以后，团队中每个Agent必须将自己已经实现或现不了的目标δ的情况这一私有信念转化为团队的共同信念。

联合任务JTask(Θ，τ，λ)是指协作团队Θ共同承诺完成任务规划τ，λ是将τ作为团队任务的持续条件。联合任务描述1个协作团队的所有成员共同完成某个任务;同时相信每个成员都在努力完成该任务。1个团队就某个联合任务做出联合承诺以后，团队中每个Agent必须将自己完成τ中所承担的那部分活动已经实现或实现不了的情况这一私有信念转化为团队的共同信念。

基于共同使命的编队协作框架中，当联合目标、联合任务的条件已经不成立，而通知其他实体Agent又不可能时，实体Agent根据共同使命要求，可以违背对联合目标、联合任务的承诺，执行新的行动。

当实体Agent选择了目标可达世界中某个节点作为当前目标，并决定用协同方法解决的时候，就会产生协同需求。若该实体Agent是编队指挥Agent，则采用分布计划集中规划的方法;若该实体Agent为执行Agent，则采用协同请求的协商方法;若该实体Agent为中层指挥Agent，则先判断是否仅使用所辖的兵力完成任务，若是则采用分布计划集中规划的方法，否则采用协同协商请求的方法。

2)分布计划集中规划协作方法

命令Command主要有MsnCom、GoalCom、TaskCom 3种形式。以下达TaskCom(任务命令)为例，指挥Agent需要根据目标进行任务规划，将规划方案在下属中进行分解，形成任务命令，然后将任务传给团队中的各Agent，各Agent以分布的形式并发执行任务，这样联合任务形式JTask(Θ，τ，λ)就形成了。在任务执行过程中，指挥Agent负责监控任务的执行，当出现意外情况时还需重新规划［5］，生成新的规划方案。这种协调方法是编队协同反潜的主要方法，各级指挥Agent担任构造、分发和监控任务执行的功能。

3)协同请求的协商方法

军事中协商一般被看作是2个互不隶属和制约的平行单位指挥员，为实现共同目标而自动建立相互关照、彼此策应的协同关系。编队海上作战，由于时间紧迫，实体数量不多，指挥关系清晰，发生严格军事意义上协商的情况比较少。而多Agent理论中，协商的含义有多种理解，相互协商的Agent之间的关系也没有严格约定，所有协商活动的目的是在1组独立工作的主体间构建协作［6］。本文在尊重军事上协商原则的基础上，根据多Agent协商的含义，从协商的广义上来探讨实体Agent协同请求的协商问题。

编队作战中，下级有协同需求时一般都向上级请示，上级根据情况指派某些实体Agent进行协同;在特殊情况下，如与上级通信中断、时间紧急来不及上报或在上级授权的情况下，实体Agent可直接向某些同级Agent发出协同请求，通过协商形成协作。

在协同请求中，如果实体Agent是以具体的作战任务作为请求的内容，则协同关系建立的同时，联合任务形式JTask(Θ，τ，λ)也就建立了，主动发出协同请求的Agent实现协作团队形式Θ形式行动中的协调控制功能。如果Agent是以达到某个目标作为请求的内容，则协作团队形式Θ建立时，联合目标形式JGoal(Θ，δ，ϑ)也建立了，主动发出协同请求的Agent担任任务规划与协调控制的功能。

4 结语

根据海军信息化建设和提高联合作战能力的要求，编队必须提高协同反潜作战能力，以有效搜索、攻击复杂海战场条件下的敌方潜艇。编队反潜过程中，存在多种样式的协同，任务也随着战场态势的变化需要进行重新规划和分配，因此非常有必要在编队协同反潜作战模型中建立更加逼真灵活的协同机制。

本文根据编队作战实体的使命任务，设计出符合Agent基本结构和作战实体特点的混合型实体Agent结构;在基于BDI的Agent认知模型基础上，提出更符合编队作战实体特点的基于MBGT的实体Agent认知模型，并对该认知模型的主要心智状态进行分析;运用组织观点分析编队多Agent系统的特点、关系与共同使命，结合多Agent协作理论，提出基于共同使命的编队反潜协同模型框架，并在该框架下分析实体间的协商协作方法。

应用本文提出的编队协同反潜仿真模型，在HLA仿真平台上初步实现了协同反潜的仿真系统原型，并以编队对潜应召搜索为使命背景，仿真实现编队协同反潜。仿真过程中，编队实体能根据仿真战场环境条件，自然恰当地实现多种战术协同样式。

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