基于多Agent的要地防空指挥决策体系结构

糜玉林，郭智杰，姜文志，刘 涛

（海军航空工程学院，山东烟台 264001）

基于多Agent的要地防空指挥决策体系结构

糜玉林，郭智杰，姜文志，刘 涛

（海军航空工程学院，山东烟台 264001）

针对要地防空指挥决策体系结构开展研究。首先，对战术单位级指挥决策功能进行分析，并给出防空指挥决策功能结构；引入多Agent系统概念定义TCA、FCA、OA三类作战智能体，建立基于多Agent的指挥决策模型并设计给出FCA的详细结构，结合集中式和分布式指挥决策体系的优点，提出有限集中指挥下的火力单元协同决策体系结构；最后，采用NetLogo平台设计实现指挥决策体系拓扑结构，验证了所建立体系结构的可行性。

要地防空；指挥决策；多智能体；体系结构

随着现代空袭武器和手段的进步，要地防空作战对智能化指挥决策的要求越来越高。然而，防空指挥决策是一个动态复杂的过程，整个指挥决策过程呈现出多样化、快速性和实时性的特征，防御方要想提升抗敌能力和指挥决策效率，不能再单纯依靠单个作战单元的能力，需要防空体系里的所有火力单元协同决策以完成作战任务，而多Agent技术的出现，为解决作战指挥决策的复杂性和分布性提供了新的解决方案［1⁃2］。

指挥决策作为整个要地防空作战的核心环节，需要其体系结构具有良好的智能性和环境适应性，才能充分发挥每一个作战单元的潜能使得整个防空体系效能得到提高，而多Agent系统［3⁃4］表现出来的智能性、适应性和协同性则很适合于构建防空指挥决策体系。因此，本文采用多Agent理论为基础对要地防空指挥决策体系结构进行研究。

1 要地防空指挥决策功能分析

1.1 战术单位级指挥决策

战术单位级指挥决策是防空作战过程（如图1所示）的重要组成部分，也是防空作战中承前启后的关键环节。战术单位级指挥决策是在作战准备、情报获取以及目标跟踪识别之后，也是在发射决策、跟踪制导以及效能评估之前的中间阶段，其结果为辅助指挥员进行决策提供重要的参考。

图1 要地防空作战指挥过程示意图

战术单位级指挥决策主要是由战术单位决策中心指挥，在探测获取情报并完成目标跟踪识别的前提之下，结合我方防空资源对来袭目标进行威胁评估和目标分配决策。在战术单位决策中心遭到破坏时，可由下辖的火力单元进行接替指挥，从而继续作战指挥决策。

1）目标威胁评估

战术单位决策中心从探测识别目标时刻起到空袭目标丧失对我方要地攻击能力的这段时间内，对来袭目标进行威胁评估。战术单位决策中心根据战场态势，在对各火力单元实时空情信息进行融合处理的基础上，以一定的方法对来袭目标进行威胁评估，初步给出目标威胁排序，之后结合目标拦截适宜性检查，最终给出目标拦截的顺序。

2）目标分配

通常情况下战术单位决策中心根据威胁排序大小对来袭目标进行拦截，火力单元在战术单位决策中心的集中指挥下进行目标分配。然而，由于防空战场态势的变化，单一的集中式分配难以满足作战决策的需求，此时需要在战术单位决策中心的集中指挥下，各火力单元根据其责任扇区和所辖作战单元的情况进行组网协同作战。这种指挥方式下，来袭目标可能分配至单个或多个火力单元，在火力单元受到破坏而无法独立对来袭目标进行拦截的情况下，防空火力单元之间通过某种协同策略，实现动态协同的目标分配。

1.2 要地防空指挥决策功能结构

指挥决策是要地防空作战的重要环节［5］，其功能结构也属于作战系统的一部分，作为保证防空作战胜利的关键，对指挥决策的功能结构进行分析很有必要。整个要地防空作战是基于战术单位决策中心的集中指挥之下，对各火力单元决策节点进行组织协调，从而实现集中指挥方式下的火力单元组网协同决策。基于此，给出要地防空指挥决策功能结构如图2所示。

图2 要地防空指挥决策功能结构

1）战术单位决策中心

战术单位决策中心，在整个指挥决策功能结构中充当“领导者”的角色。战术单位决策中心汇集由情报预警体和火力单元传送来的空情信息，经过处理将信息由地域通信网传递至各火力单元。在战术单位决策中心指挥下，根据任务需要统一协调火力单元，完成目标威胁评估以及目标分配。

2）火力单元决策节点

火力单元决策节点，主要由指挥决策系统和通信系统组成，作为功能结构里的重要节点，在战术单位决策中心受到破坏时，可以实现接替指挥功能。作为连接战术单位决策中心与底层作战单元的桥梁，该决策节点主要实现对本级火力的组织控制，实现火力单元之间组网通信功能，也可实现与上下级之间的指挥控制功能。多个火力单元决策节点可以组成一个火力单元指挥决策网络，从而实现组网协同决策功能。

3）作战单元节点

作战单元，隶属于火力单元决策节点，是整个防空作战中执行任务的基本单元。在完成目标威胁评估和目标分配的基础上，需要作战单元具体执行对敌拦截任务，作战单元一般由火力单元决策节点直接指挥，在特殊情况下也可在战术单位决策中心的跨级指挥下独立或协同完成作战任务。

4）地域通信网

地域通信网，是整个防空指挥决策体系里的“中枢神经”，主要由战术单位决策中心和各火力单元的通信系统组成［6］，它将战术单位决策中心和各火力单元决策节点连接在一起。整个指挥决策体系里的信息和指令，都将通过地域通信网传送至各个节点，充分发挥火力单元协同作战的效果。

由图2可知，要地防空作战由两级指挥决策节点组成，战术单位决策中心是整个要地防空作战的核心。在战术单位级决策层面，a功能是情报预警体系将所获取的空情信息通过地域通信网传递至战术单位决策中心，b功能是火力单元决策节点将探测所得的目标信息通过地域通信网传递至战术单位决策中心，战术单位决策中心将a、b传来的数据进行融合处理形成有效的目标威胁评估信息和目标分配方案，并通过地域通信网下达给各火力单元。

在火力单元决策层面，c功能则主要实现各火力单元动态组网，各火力单元既可以独立进行指挥决策，也可以通过地域通信网将彼此连接起来。火力单元之间组网进行协同决策时可以动态接入和退出火力单元，当战术单位决策中心出现故障而无法进行集中指挥，此时可指定某一火力单元进行接替指挥保证防空指挥决策的正常实施。功能d是实现火力单元内部指挥决策系统和通信系统的信息交互，一方面战术单位决策中心下达的决策信息经由通信系统发送至指挥决策分系统，另一方面当前火力单元的状态信息也可由通信系统反馈给战术单位决策中心。

2 基于多Agent的要地防空指挥决策

2.1 基于多Agent的要地防空指挥决策模型

防空作战指挥决策模型应实现决策分析、任务下达、形成决策方案、决策执行以及决策效果反馈等决策过程，本文引入多Agent的建模理论对要地防空指挥决策模型进行合理构建。为方便简化模型的构建，假设防空指挥决策体系中存在三类作战智能体：战术单位决策智能体（Tactical Command Agent，TCA）、火力单元决策智能体（Fire Agent，FA）、作战单元智能体（Operation Agent，OA），构建指挥决策模型如图3所示。

图3 基于多Agent的要地防空指挥决策模型

该模型核心功能是在完成对目标威胁评估的基础上，充分调动体系中各Agent的作战积极性，从对目标信息进行决策分析到战术单位决策中心下达任务，通过地域体系网传递决策方案，接收到决策方案之后，火力单元决策节点执行协同策略并调用作战单元OA执行任务，在执行决策之后OA将结果反馈给TCA，通过再次判断当前态势进行新一轮的决策。防空作战指挥决策模型的实施，都需要Agent个体或群体Agent的共同作用以实现整个体系的功能。

火力单元决策节点作为防空指挥决策MAS中既能指挥又能执行作战的单元，其自身结构的设计对体系智能决策影响重大。FCA结构如图4所示。

2.2 TCA有限集中指挥下的多FCA协同决策体系结构

目前常用的多Agent体系结构有集中式和分布式［7］，传统的指挥决策体系虽然能够高度集中调配作战资源，取得全局作战效能最优的能力强，但这种方式往往制约了火力单元决策的自主性。网络化的指挥决策体系虽然采取分布式指挥方式，能够有效发挥各火力单元的自主性，但全局求解能力差［8⁃9］，并且真正意义上的分布式指挥决策实现较为困难。防空作战指挥决策体系结构，应该具有良好的伸缩性、高鲁棒性、高可靠性、快速反应能力、动态重构能力和容错能力［10］。所构建防空指挥决策体系采用的指挥方式，应综合集中指挥方式和分布式指挥方式的优点，秉承权利下放的原则，以此充分调动火力单元的协同特性。

图4 FCA结构示意图

在防空指挥决策MAS中，战术单位决策中心TCA对各火力单元决策节点FCA进行集中指挥，并且统一下达任务至各火力单元；体系中所有的火力单元决策节点TCA进行组网，形成一个火力单元指挥网，网中各火力决策节点以一定的协同策略进行交互协作；火力单元决策节点FCA的协同策略是在战术单位决策中心的授权与监控之下的，一旦该策略无法起到作用，此时TCA便会采取集中干预，重新制定策略作用于各火力单元，防空指挥决策体系层次之间与节点层次内部的Agent均存在交互行为，如图5所示。

图5 有限集中指挥下的火力单元协同决策体系结构

在战术单位决策中心TCA的集中指挥之下，体系里FCA通过区域通信与上级进行直接交流，而FCA之间则在火力单元指挥网内部进行通信，体系中各火力单元在TCA的有限集中指挥下，完成对空目标识别、制导跟踪以及最终的发射决策，其指挥决策作战如6所示。

图6 有限集中指挥下火力单元协同决策作战示意图

3 基于NetLogo的体系结构实现

采用多主体建模平台NetLogo对指挥决策体系结构进行设计，其自身提供的Logo语言能够有效模拟人的思维，控制体系Agent之间进行协同交互，所构建的指挥决策体系拓扑结构如图7所示。

图7 指挥决策体系拓扑结构

所构建指挥决策体系结构中的TCA、FCA以及OA三类主体之间不断发生交互，三者之间采用链方式进行通信连接，主体之间具体的通信内容和交互规则通过编程实现。通过设置控件可以改变Agent之间交互条件，体系中定义的Agent正是通过不断地交互来实现协同智能决策。

4 结束语

本文基于要地防空指挥决策的背景之下，对基于多Agent的指挥决策体系结构进行了研究。信息化条件下的防空作战已经不单纯是以平台为中心的作战，鉴于防空作战实际和网络中心战的兴起，防空火力单元协同决策必然成为主流模式。本文所提出的有限集中指挥下的火力单元决策体系结构，既能相对有效集中地对作战单元进行控制，又能充分发挥体系作战单元的自主性和协同性，多Agent理论引入能够使得体系结构的动态适应性和稳定性得到加强。下一步将通过构建的体系结构模型，设计Agent之间具体的交互和协同策略，并探究和完善体系效能评价方法。

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［3］ 史忠值.智能主体及其应用［M］.北京：科学出版社，2000.

［4］ CHAIB⁃DRAA B，MOULIN B.Trends in Distributed Arti⁃ficial Intelligence［J］.Artificial Intelligence，1992，56（6）：35⁃66.

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Command and Decision Architecture of Key Positions Air⁃defense Based on Multi⁃Agent

MI Yu⁃lin，GUO Zhi⁃jie，JIANG Wen⁃zhi，LIU Tao
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Command and decision architecture of key positions air⁃defense is studied.Firstly，command and decision func⁃tion of tactical level is analyzed，function structure of air⁃defense command and decision is given.MAS theory is introduced to define TCA，FCA and OA，then command and decision model based on multi⁃agent is built，especially the detailed struc⁃ture of FCA，combined advantage of command and decision architecture under centralized and distributed，the fire unit col⁃laborative decision under limited centralized command is proposed.Finally，the network topology of architecture is designed in NetLogo to prove the feasibility of architecture.

key positions air⁃defense；command and decision；multi⁃agent；architecture

TJ762.1+3；E917

A

10.3969／j.issn.1673⁃3819.2016.06.005

1673⁃3819（2016）06⁃0022⁃04

2016⁃08⁃11

2016⁃08⁃24

糜玉林（1963⁃），男，江苏镇江人，硕士，教授，研究方向为计算机应用技术与管理科学工程。

郭智杰（1992⁃），男，硕士研究生。

姜文志（1964⁃），男，博士，教授。

刘 涛（1981⁃），男，硕士，讲师。