明长城军事防御体系Agent仿真系统建设

曹迎春 杨 杰*

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市建筑文化遗产保护与传承数字技术重点实验室，河北 张家口 075000)

0 前 言

明长城军事防御体系(简称明长城体系)是中国最具代表的世界文化遗产，是明代社会处理边疆地区人—地关系的经典策略，亦对当代区域经济、旅游和文化发展产生重要影响，对其进行持续、深入的系统性研究具有重大的历史价值和现实意义.

明长城体系是由长城本体、军事防御聚落系统、交通系统和烽传系统等相对静态的物态要素和人类决策、防御策略、信息传递等相对动态的非物态要素共同组成的复杂非线性系统，其防御过程相应呈现基于物态要素之必然性与非物态要素之偶然性的复杂交互作用.复杂非线性系统内在机制的解析和呈现需要全面的模拟才能真正实现[1,2].因此，明长城体系复杂性研究的关键，是完整和精确解析物态要素与非物态要素的交互作用机制，以及基于交互作用实现的系统性防御功能，由此逆向还原明长城体系的形成过程并重构其文化系统，再现这一非凡历史事件的演化机制和动机.

传统上，由于研究理论和工具的局限，明长城体系的相关研究主要集中于历史学和建筑学两个独立视角，一方侧重历史文化——明长城体系的历史演化[3]、制度变迁[4]和经济演变[5]等；另一方则偏重物态要素——明长城体系的空间分布关系[6]、功能结构[7]和建筑形态[8]等，以上研究或偏于非物态因素层面，或专注物态因素层面，均缺乏对全要素背景下系统复杂性的关照，因而难以完整和精确解析明长城体系复杂的系统关系.目前，尚无基于历史事件、人类行为以及物质实体三者动态交互作用条件下的明长城体系复杂性研究.

论文以河北省明长城体系为主要案例，基于Agent仿真模拟技术和复杂系统理论，以军事防御活动中的时间、空间、事件为线索和纽带，整合不同层次、不同尺度和不同标准的物态要素和非物态要素，在完整时空语义下，构建明长城体系的全要素Agent仿真模拟系统.仿真系统将为完整、精确的刻画明长城体系物态要素与非物态要素的交互方式和作用机制提供基础平台，对深入解析明长城体系的非线性复杂系统关系具有重要的意义.

2 研究方法

Agent动态模拟是目前最有效的模拟非线性系统复杂运行模式的工具，可以弥补传统研究方法无法呈现非线性系统复杂交互状态的缺陷[9].通过建立与主体对应的多个Agent模型，涉及地理、环境、物体等物态要素和个体决策、集体行为、其他智能体等非物态要素，赋予每个Agent各自的属性数据和决策模型，基于智能对象的微观决策和行为，实现多个Agent的交互作用，以自下而上的方式模拟真实环境和事件背景下的系统运作过程[10].

研究基于AnyLogic平台搭建Agent仿真模拟系统.AnyLogic平台支持离散、系统动力学、多智能体和混合系统的建模和仿真[11].平台基于复杂系统理论，是目前唯一兼容离散系统和连续行为复杂混合状态的仿真模拟系统[12]，被广泛应用于城市规划、交通仿真、系统流程、应急管理、疾病扩散等复杂场景.

明长城体系运行涉及物态要素与非物态要素的复杂交互作用，其中非物态要素对系统的作用至关重要，主要涉及两个方面：(1)影响物态要素形成：明长城体系的物态部分主要由长城本体、军事防御聚落系统等组成，其形成除了受地理和自然环境影响外，非物态要素的属性和特征(如指挥者决策、军队及工具可达性、防御策略、耐力与速度关系、军队数量和素质等)是形成和塑造明长城体系物态要素的重要影响因素；(2)影响系统性防御活动：防御过程中，不同层级军队的调动和驰援等微观行为，将自下而上形成整个系统的宏观防御能力，参与者的积极或消极决策将直接影响系统性防御的成败，大量史料佐证了这一事实(如卫所制度退化后形成的消极怠战以及指挥官或士兵自身怯战等问题，都将导致系统性防御的崩溃).由此考察，明长城系统运行过程涉及多智能体(Agent)、烽传系统、交通系统等多个子系统组成的混合系统，鉴于AnyLogic在支撑和处理复杂系统交互方面的优异表现，研究选择AnyLogic作为基础平台.

3 系统搭建

项目主要工作包括：基础信息综合、子系统模型搭建、多系统综合协同三部分.三部分环环相扣、逐层递进，形成完整仿真系统，具体技术流程如图(图1).

图1 技术流程图

3.1 基础信息综合

明长城系统涉及众多影响因素：长城本体、军事防御聚落系统、交通系统和烽传系统等相对静态的物态要素，以及人类决策、防御策略、信息传递等相对动态的非物态要素，收集、整理和综合各因素的信息并对其参数化，是搭建仿真系统的基础.其中物态要素是整个系统的物质基础.团队前期大量基础研究为系统物态部分搭建提供了大量素材，此处不再赘述.

明长城体系涉及的非物态要素主要包括动态要素属性、历史事件和Agent决策及反馈三大类.要素属性为军队、马匹及工具等要素的可达性[13]、行军速度、数量和素质等，他们决定要素在时空中运作的基础条件和状态，是形成和塑造明长城体系物态要素的重要影响因素.

历史事件是防御行为发生的非物态环境和必要条件.研究建立历史防御事件信息数据集，为模拟提供完整时空语义下真实历史事件的精确信息——事件环境、目的导向、行进节点等宏观数据和信息，选择河北省宣府镇明长城体系的3个层次——局部区域的典型防御事件、镇级别的整体性防御事件、以及更大尺度相邻军镇(大同镇)的协同防御事件——的代表性防御事件为案例，整理完整时空语义下历史事件的全过程，建立事件的时间和空间同步演进的信息和数据集，形成防御模拟真实的背景环境.

Agent对象决策和反馈则涉及智能体的选择和趋向等问题，如指挥者决策、防御策略选择、战斗勇气等，直接影响甚至决定明长城体系系统性防御活动执行的程度和质量，是整个系统动态运行的主体和线索.例如，防御过程中，不同层级军队的调动和驰援等微观行为，将自下而上形成整个系统的宏观防御能力，参与者的积极或消极决策将直接影响系统性防御的成败.大量史料佐证了这一事实，卫所制度退化导致的消极怠战，以及指挥官或士兵自身怯战等问题，均造成系统性防御的崩溃[14].研究基于防御事件信息数据集、古代兵法规则和人类决策等，编辑事件参与对象(Agent)的行为规则数据集，包括个体决策规则、多对象交互规则、事件触发规则等微观行为规则，为动态模拟系统编程提供了微观依据，使真实情景下对象的决策和行为状态还原成为可能.

3.2 子系统模型建设

图2 镇城驻军骑兵Agent模型

子系统模型建设是仿真系统构建的主要工作，是整个仿真系统建设工作量最大的部分，通过独立搭建各子系统模型，为最终完整的仿真系统建立基础.事实上，每个子系统都是一个完整的复杂系统.子系统包括物态模型和非物态模型两大类：物态因素相关子系统主要包括烽传系统、交通系统、聚落系统；非物态系统则以各等级聚落的驻军军团为核心Agent体，可视为多个独立决策的离散系统，但同时在具体条件下，又相互协同实现某种一致性功能.

物态子系统方面，烽传系统基于分析和实验建立[15]，系统能够实现烽传信息的可调节传递(参数可变)、多通路传信(腹内和沿长城)和动态触发传送；交通系统根据前期基于地理环境表面成本分析获得道路的研究成果复原[16]，为Agent体(蒙军和明军)的运行提供空间框架；聚落系统则基于传统军事聚落遗址建立[17]，同样为Agent体(蒙军和明军)的运行提供空间节点，同时存储各聚落驻军Agent体及其相关属性信息(图2).

非物态子系统则以各等级聚落的驻军军团为核心Agent体，非物态子系统是整个系统运行的主体和线索.基于Agent仿真模拟技术和非线性复杂系统理论，模拟防御活动中不同对象(Agent)的属性和交互行为，真实反映非线性因素作用下明长城体系中必然性与偶然性并存的复杂性；同时，基于人类行为的属性和局限反演和归纳探索明长城物质要素规划布局和选址定位的人为原因，由此完整、准确、真实的揭示明长城体系形成的复杂原因和作用机制.

3.3 多系统综合协同

多系统综合协同阶段，将前期搭建的各子系统组织整合在一起，是长城军事防御体系各子系统是否能融合协同、交互共享的关键性工作，也是仿真模拟系统建设的最关键一步.主要工作涉及物态系统关联和多Agent之间的动态交互.其中多Agent之间的动态交互是难点，涉及大量尝试决策、随机决策和互动决策.

物态系统关联工作，在烽传系统、交通系统与聚落系统三个物态要素的基础上，建立数字量化矢量孪生系统，形成物态要素的信息化逻辑模型，使三者关联交互，形成完整且关联的时空事件运行空间；同时，为与Agent体关联协同建立信息化框架.多Agent动态交互工作则是本阶段的难点.明长城体系是明确的复杂适应系统，其运行表现出多系统交织融合的非线性特征.研究通过不同Agent之间的相互作用，自下而上的基于不同层次所属个体的微观行为，涌现出整个防御体系的宏观防御行为，实现整个防御体系网络化、系统性和整体性的防御功能仿真模拟.多Agent动态交互主要涉及：1、定义各种类型Agent对象的交互属性和状态，包括Agent个体或群体；2、定义各Agent与所处环境的交互规则.如依据环境特征，对所选攻击目标的动态调整；3、定义Agent的交互移动规则和博弈规则，即Agent在环境中与其他Agent如何交互.如蒙军抢掠过程中，明军支援到来，蒙军对抢夺目标的调整；4、程序与用户的交互，即使用者通过调整用户界面的时间轴、参数输入、按键类型、交互程度等条件，则系统产生相应改变的功能.基于上述工作，用户便可获得不同背景条件下，系统的运行图景、过程和结果参数、以及事件模拟走向和结果(图3).

图3 明长城军事防御体系仿真模拟系统

4 结 论

研究构建了明长城全要素军事仿真模拟系统，形成了以Agent为主体，沟通和融合物态要素与非物态要素，于时间、空间和事件交织背景下的交互混合仿真模拟，为后续明长城体系系统动力学模拟、参数量化体系建设、虚拟仿真展示、数字孪生系统建设等工作奠定了基础平台.成果对弥补传统理论研究缺环，推进明长城体系复杂性研究，提升研究高度和精度具有重要的价值.