一种基于行动规则的仿真推演引擎设计与实现*

闫强强 何 伟

（陆军炮兵防空兵学院 合肥 230031）

1 引言

行动方案推演系统（以下简称“推演系统”）中的行动方案，由若干基本行动按时序组合而成。各个行动在时间上具有因果关系，前一行动的结果是后一行动的基础。因此，高效拟制行动方案、合理控制行动序列运行，是推演系统不可或缺的核心功能，影响着推演系统的适用性和扩展性。

一般推演仿真引擎，只能解析演练方案中“任务”这一层次，除了通过任务参数影响任务执行以外，不能进一步定制任务，进而难以反映要素演练中个别任务的特殊性。为了实现行动任务可定制、体现要素演练中行动任务的特殊性，本文以任务状态机为基础，综合运用时间步长法和事件高度法，设计一种基于行动规则控制仿真实体行动仿真的引擎。

1）规则配置灵活。把序列化的任务，分解为相对独立的原子行动。每个规则由一个条件和若干个行动组成。根据仿真需要，操作人员从条件库中选择规则触发条件、从行动库中选择适当的行动，绘制任务状态图。

2）行动模型可重用性强。各行动模型之间相对独立，是完成相应行动的封装。对各模型的修改，影响范围主要限制在当前行动中，不会对其它行动效应带来不良影响。

3）构建方法通用性好。规则中条件和行动的粒度小，都是通用的最小单位，可适用于不同的仿真场景。当出现特别的仿真需求，总体构建方法仍然保持稳定，不需要调整，可通过扩展条件库和行动库的方式加以适配。

2 推演方案表示

为了使推演系统正确识别推演方案，必须将其进行形式化描述。

2.1 推演方案模型

推演方案，由若干实体行动方案在时间维度上协调聚合而成（如图1）。

图1 推演方案模型

任务控制是使实体按照既定的任务流程，执行相应的行动模型，并进行临机调整。任务流程直接表现为任务流程图。为了使任务流程图具备良好的可配置性特点，将任务划分为若干个阶段，每一个任务阶段对应一个任务状态。在某个状态，实体受若干规则的约束。

每一条规则由条件和一系列行动组成。从而，以条件和行动为最小可配置单位，建立起全生命期的任务模型，并可把任务状态图作为形式表现。

就单个实体而言，实体行动方案，由若干有序的实体任务（简称“任务”）组合而成。

2.2 实体任务的形式化描述

任务具有三个层次视图：任务状态、规则和行动。

用有限状态机描述任务，一个任务具有多个状态，但在某一时刻，只能处于其中一个状态［1］。执行某任务的过程，即任务自初始状态，在不同状态之间转换直至推进到结束状态的过程；而且，任务结束状态可以是任务执行成功的状态，也可以任务执行失败的状态。任务可表示为

其中S为任务状态集合，Ttrans为状态集内不同状态之间的转移集，s0为起初状态（任务启动后，以此状态开始任务执行，用于完成任务准备），Sfinal为任务结束状态集（当任务进行到该集合中任一状态，则表示任务结束，而且可反映任务完成的水平）。另外，s0∈S，Sfinal⊂S。

一个任务状态内，存在一条或多条行动规则，具体运行哪条规则取决于相应条件是否成立。任务状态表示为

每个任务状态由若干规则ri（ri∈R，R为规则集）有序组合而成。

在某任务状态内，实体执行满足条件的规则。规则表示为

其中c为规则条件，A为若干原子行动（a1，a2，…，an)的有序组合，strans为此规则执行成功后转移到的任务状态。转移集Ttrans={＜r，strans＞|r∈R，strans∈S}与中Ttrans一致。如果规则条件成立，则按次序执行规则内的若干行动。若存在多条规则的条件成立，则优先运行排序靠前的规则。

以上涉及的规则条件和原子行动，是描述实体任务的基础，与采用面向对象思想建立的实体模型紧密相关。

3 仿真引擎的设计

基于任务状态图控制任务流程，其核心思想是以状态图为蓝本、以任务当前状态为基础，结合实体状态、战场态势和环境等影响因素，选择规则、执行相应行动，并根据其结果处理任务状态跳转。一方面，状态图中的状态数量、状态规则和规则到状态的跳转关系均可定制，使任务具有良好的扩展性和可配置性；另一方面，任务状态图千变万化，但任务的基本模型相对稳定，对基于状态图控制任务流程无影响。

基于以上抽象，控制多个实体协调一致地仿真推演方案，其关键是控制单个实体正解地判断规则和执行原子行动（图2）。

图2 实体行动控制

规则条件的判断，是规则执行的前提条件，可区分为原子条件和复合条件。

原子条件，从应用需求可分类六类：一是基于时间的条件（T型规则条件）。以事件发生时间为实体行为发生的充要条件。如到指定时间内开通有线、无线通信网。二是基于命令的条件（C型规则条件）。以上级下达的命令为实体行为发生的充要条件。这是适应大多数实体的规则条件。如接到上级火力打击命令时，才对目标进行火力打击行动。三是基于地域的条件（S型规则条件）。以事件发生的地理特征为实体行为发生的充要条件［2］。如光学侦察需要满足现地与目标地的通视。四是基于信息的条件（I型规则条件）。以事件发展变化的标志性事件作为实体行为发生的充要条件。如前方发现我方兵力受损。五是基于请求的条件（Q型规则条件）。以下级实体发出的请求为实体行为发生的充要条件［3］。如侦察分队请求进行油料保障，炮兵连请求进行弹药补充。六是基于兵力的条件（F型规则条件）。以事件处置实体的兵力损耗为实体行为发生的充要条件。如根据兵力的毁伤程度判断出该兵力当前的状态。

复合条件由原子条件组合而成。

4 仿真引擎的实现

4.1 条件判断

分为值比较和逻辑判断两类，都由操作数和操作符组成，其中操作数可为常量、变量和运行时变量。原子条件的逻辑值为真或假，可通过与或非逻辑关系组合成为复合条件。

以装甲兵冲击任务为例，行动集由若干具有优先顺序的行动排列组成，每一个行动对应于实体模型中可执行的仿真行动模型（如图3）。

图3 装甲兵冲击任务

4.2 任务队列调度

实体任务队列，采用“先来先服务”模型，按照任务开始时间升序执行。当仿真时间已推进到下一任务的开始时刻，则停止上一任务、开启下一任务。其流程如图4所示。

图4 任务队列调试示意图

4.3 任务内部状态调度

整个作战过程，由若干断续的任务组成。每个任务由状态机驱动实体执行具体的行动完成，执行时间和顺序由规则确定。加载一个任务，实际是相应的任务状态机启动；任务的状态对应着状态机内的某个状态。状态机，从唯一确定的起始状态开始运行，经历若干中间状态，转入结束状态。在某一状态内，状态机自动按顺序测试状态中的所有规则条件，并优先执行排序靠前且条件成立的规则。若规则执行过程中条件发生变化（即当前规则条件不成立），则转入执行排序靠前且条件成立的规则。当某规则执行完毕且触发跳转，则任务状态发生变更、状态机转入相应状态。

状态机所执行的行动，即为实体的行动，因此，实体模型应包括状态机可能执行的所有行动。同时，由于某些行动执行过程中可能被中断，而且行动恢复还须从中断前的行动状态继续执行，所以实体还应该维护行动的执行状态。

5 仿真引擎关键实现

5.1 条件判断

条件判断是规则执行的前提，只有条件成立的规则才有被执行的可能。条件由基本操作符、操作数、逻辑组合操作符以及括号组成。基本操作符以比较操作为主，主要有“等于”、“小于”、“大于”、“不等于”、“不小于”、“不大于”、以及特殊的“点位于区域内”等。操作数是基本操作符比较的对象。只含有一个操作符的的条件，为原子条件。原子条件，通过“与”、“或”、“非”逻辑组合，形成复合条件。括号用于区分原子条例、改变逻辑组合优先级。原子条件和复合条件都可作为规则条件。

图5 任务内部状态调度示意图

条件中的操作数有三类，第一类是普通常量，当条件形成时就不再变化；第二类是任务常量，根据任务不同而不同，需要在任务初始时进行初始化；第三是实体变量，与实体的某个属性对应。在进行条件判断时，需要三个步骤：一是把条件解析成条件树，以便减小不必要的条件判断；二是统一同一操作符下多个操作数类型；三是按照深度优先原则，判定条件树的布尔值。具体到单个原子条件的判断，先取得各操作数的当前值，再进行操作比较，即得出单原子条件的布尔值。

5.2 规则选择

每一个任务状态，由多个有顺序的规则组成。规则越靠前，其执行优先级越高。一般情况下，当前任务状态的最后一个规则是其主规则，其它规则都是执行此主规则过程中可能会出现的、需要处理的意外情况。每一个规则由一个规则条件和若干行动构成。规则选择，即从任务状态中选择出第一个条件成立且未完成的规则。其中，判断条件是否成立如前所述；判定规则是否完成，由规则内是否存在未完成的行动决定。

5.3 行动执行

基于某种程序语言，实现与任务相关的每个行动，并与特定行动相识对应。利用反射机制，按照指定标识即可执行相应行动。以微软.Net平台为例，其反射机制，包含在System.Reflection命名空间中。通过反射，可以在运行时获得.Net中每一个类型（包括类、结构、委托、接口和枚举等）的成员，包括方法、属性、事件以及构造函数等［4］。还可以获得每个成员的名称、限定符和参数等。.Net中的程序集是自描述的，反射则提供了封装、模块和类的对象。使用反射动态地创建类的实例将类绑定到现有对象，或从现有对象中获取类，然后可以调用类的方法或访问其字段和属性。反射有很多对象，如 Assembly、FieldInfe、Propertylnfo、ParameterInfo等［5］。在仿真控制引擎实现中只用到了Propertylnfo对象，通过该对象可用来获取如下的类似信息，如属性的名称、数据类型、声明类型、反射类型和只读或可写状态等，并获取或设置属性值。本系统是利用Propertylnfo对象来获取和设置相应对象的相关属性的。

5.4 参数映射

任务参数影响任务执行过程和效果，可以反映任务的特殊性。因此，在执行每个任务图之前，有必要把任务参数赋予相关实体。为了减少建模过程中的工作量，建立参数自动映射机制，其实施步骤有以下三节：一是编制任务图时，确定参数序列；二是下达任务时，按次序设定参数序列；三是任务初始化时，利用反射机制将参数序列赋予对应实体属性。

6 结语

推演仿真引擎，控制时间推进，管理实体成员，调用实体模型、规则模型和交互模型，是推演系统的核心部件。为了实现行动任务可定制、体现演练任务的特殊性，本文设计了基于行动规则的仿真推演引擎，根据判断规则条件、调用规则，使各实体按照任务状态图执行相应行动模型，同时以事件的形式进行交互，可以为方案推演提供技术支撑。