基于多Agent战术行动自主协同仿真系统

郭宏志，田卫萍，高英武

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.解放军95881部队，北京 100094）

基于多Agent战术行动自主协同仿真系统

郭宏志1，2，田卫萍1，高英武1

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.解放军95881部队，北京 100094）

将多Agent技术引入到战术行动自主协同作战模型仿真和评估研究中。首先参考美军“任务式指挥”指导思想和诸多协同理论，提出战术行动自主协同作战模型，在分析多Agent建模技术的基础上，构建了基于多Agent战术行动自主协同仿真系统，给出了战术行动自主协同作战过程的推演，最后以一个案例验证了战术行动自主协同作战模型的可行性。

多Agent，战术行动，自主协同，任务式指挥

0 引言

作战系统是一种极其复杂的动态随机系统，具有规模大、因素多、结构关系复杂、状态多维等特点，对其进行建模仿真非常困难。军事概念模型，作为军事人员和建模人员之间有效的交流工具，能够让建模者更加清楚地认识和把握需要模拟的作战系统和需要解决的作战问题。通用、规范的军事概念模型的描述将为仿真模型的设计提供一种科学的依据和表述方法［1-2］。

传统的系统概念建模方法如面向对象分析方法（OOA）、功能建模（IDEF0）、统一建模语言（UML）等，都可以应用到军事概念建模中。目前，随着Agent技术的兴起与发展，基于多Agent的建模成为解决大型分布式系统建模问题的有效手段。利用Agent技术解决作战仿真领域的问题具有十分明显的优势：作战仿真建模涉及到大量的智能行为建模，而Agent本身正是利用信念、愿望、意图等拟人化算子进行描述；作战仿真建模要求保持现有组织结构的集成性和各组元的自主性，可借助基于角色的建模方式和Agent的自主性加以实现；对作战建模而言，交互是相当复杂的（包括协调、协商、信息共享等），可借助Agent高超的社交能力加以实现；环境的变化对作战仿真模型有很大的影响，借助Agent的反应性和主动性可以较好地解决这一问题［3-4］。

1 任务式指挥

新军事变革，实质上是一场军事信息化变革。世界近些年发生的几场局部战争表明，谁拥有信息技术上的优势，谁就能在战争中赢得主动。信息战即信息化战争，它是以计算机技术，网络技术，空间技术，电子技术，材料等技术为技术依托；以控制战、情报战、电子战、心理战、网络战和精确火力战等为作战样式，并结合传统的武器装备，在四维（地域，海域，空域，电磁）空间全面展开的高科技含量战争。信息化战争的主要特点就是能够提供更好的战场态势感知，使各级指挥员能够更加及时地获取信息，为共同认知提供条件。

美军根据信息化战争的特点提出“任务式指挥”的概念［5-6］，并在美军《陆军条令》对“任务式指挥”定义为：“在一体化地面作战过程中，指挥官通过使用任务式指挥行使权力和进行指挥，以使具有灵活性和适应性的领导者在按照指挥官意图的前提下发挥符合作战纪律的主动性”。

*任务式指挥原则

任务式指挥原则建立在相互信任、共同的认知和目的的基础上。指挥官明白某些决心必须在行动发起前迅速敲定。因此，他们聚焦于行动的目的，而不是达成目的的手段。指挥官向下级人员提供他们的意图、行动目的、关键任务、预期最终状态和资源。下级人员发挥基于纪律的主动性，对预料之外的问题做出反应。每位士兵必须准备好承担责任，保持行动一致，谨慎采取行动，并根据指挥官意图灵活行事。任务式指挥6条原则是：

1）通过建立互信，建设有凝聚力的团队；

2）形成共同的认知；

3）提供清晰的指挥官意图；

4）发挥基于纪律的主动性；

5）使用任务式命令；

6）接受慎重考虑过的风险。

2 自主协同概念

随着信息技术和信息化武器装备的飞速发展及使用，现代军队已由“机械化”向“信息化+机械化”的方向发展。现代军队利用战术互联网在各级、各军兵种、各武器平台之间形成共同的战争信息感知能力，确保各级指挥员能够近实时地感知战场，从而加快协同作战的进程。信息化条件下作战是以信息融合为途径，实现作战要素高度集成。也就是以栅格化信息设施为基础，以一体化指挥平台为纽带，以信息单元嵌入为关键，实现侦察、指控、武器平台的无缝链接和战场信息的高度融合，充分发挥信息要素在作战能力生成中的主导作用。这些客观条件为协同作战提供广阔的平台。

“协同”一词最早出现在《后汉书.吕布传》中：“将军宜与协同管理方式，共存大计”。原意是泛指政治和军事上的共同谋划。现代武器装备的发展，使作战体系的进一步细化，协同已经发展为专用军事术语。协同在1997年新版《中国人民解放军军语》中解释为：“各种作战力量按照统一的协同计划在行动上的协调配合”。《中国军事百科全书》对作战协同的定义为：“是军队为完成合同作战任务而采取的协调一致的行动”。

在分析上述关于“协同”、“联合意图理论”、“共享计划理论”和美军“任务式指挥”［7-11］的定义基础上，本文提出“自主协同”的概念，自主协同隶属于协同，是协同的更高层次。它的定义是：各种作战力量不需要外部指令，在满足一定约束条件下，依托共享信息，围绕同一目标，几乎同步地自发调整各自的行动，以求达成力量上的内聚融合和功能上的耦合放大，从而取得最佳的作战效果。

3 多Agent建模技术

基于多Agent的作战建模是近年来进行作战模拟与仿真的新方法、新工具，它以作战系统中的基层个体为主要研究对象，通过模拟具有自适应能力的个体以及个体与个体之间、个体与环境之间的相互影响来揭示宏观的作战规律，突出个体与整体的关系。Agent强调灵活的自主性行为，不但抽象出实体的特性、动作，还有感觉、心智、承诺等［9］。

在实际的应用中，基于Agent的作战建模过程包括以下几个步骤［3，12-13］，多Agent建模流程图如下页图1所示。

1）对实际系统进行分析。对实际系统的组成要素、结构以及各构成要素的活动或工作特征、相互关系进行分析。

2）确定构造模型的Agent。确定用于构造系统模型的Agent对象的类型，明确各类Agent与对象系统中实体或事物的对应关系，确定各类Agent的行为特征，并建立各类Agent之间的抽象关系模型。

3）模型的详细描述。根据前面提供的作战A-gent系统模型描述方法建立对模型要素及结构的详细描述，包括各类Agent的结构、行为和交互的描述，以及系统组织结构的抽象描述。

4）定义仿真控制结构。确定仿真系统的具体控制结构、各部分的工作方式以及相互之间的信息、指令流动等。

5）建模结构与控制结构的连接。将建模内核与仿真控制结构连接起来，形成可运行的仿真模型系统。

6）定义试验方案。确定模型的具体试验结构，包括各类Agent的数量、参数、Agent对象之间的具体关系模型、初始状态，以及各种试验控制的运行条件与参数等，形成仿真试验方案。

7）执行仿真试验，生成试验结果。

8）分析试验结果，修改试验方案，重新进行试验，直至推出。

4 多Agent自主协同仿真平台搭建

4.1 Agent模型构建

Agent即智能行为的主体，可以看作具有人的能力的一种信息实体。它有生命周期，并在生命周期内，运用知识和能力自主发挥作用，扮演各种角色，完成多种任务。作战实体Agent的通用工作过程如图2所示。

它具有的性能体现在通过感应器从环境获取新知识、新能力，然后在自己内部进行融合、处理，再通过效应器向外界环境进行作用，循环往复，体现其智能性和社会能力。

作战实体Agent是整体中能独立工作的实体，具体感知环境并作用于环境，从而实现陆战场机动、打击等行为，是战斗的直接参与者和最外层环境接触者。作战实体Agent模型如图3所示。

其中，交互单元包括感应器和效应器，从环境和其他实体Agent接收信息和命令，传递给指挥信息单元，并且把指挥信息单元传递给环境和其他实体Agent。

在实际的战斗建模中，如图4所示，还可以进一步设计个体Agent的内部行为结构模型。在基于Agent的行为描述中，该模型是由实体Agent通过对外部环境进行感知、规划和效应来实现的。实体A-gent的行为模型通常可分为两个基本的组成部分，即物理行为模型和认知行为模型［3，14-16］。

根据Agent的内部结构模型，在每个行为周期内，Agent行为过程如下：

1）首先在物理行为模块内通过感知模块探测目标信息，通过通信模块接收己方Agent实体传送的目标和命令信息。

2）然后在认知行为模块内对信息进行处理，若感知到的情况为紧急情况则直接应用相应的反应型行为规则执行相应的作战行为，若是一般情况，则对信息进行处理后调用思考型行为规则。

3）认知行为模块内的决策生成模块根据信息调用思考行为规则进行决策，产生决策命令。

4）最后在物理行为模块中执行相关决策命令，如移动、武器发射、命令传送等。

4.2 仿真案例描述

案例说明如下页图5所示：假定某次战役背景下的一个作战剖面中，担负守备的某蓝方坦克加强连共20辆坦克（装甲1分队、装甲2分队）和1辆装甲指挥车在其上级编成下，于高地A附近展开积极防御，阻碍红军的坦克部队的进攻。红方某装甲营3个连（装甲1连、装甲2连、装甲3连）共30辆坦克和一辆装甲指挥车在上级编成下，担负着冲击突破攻占蓝方高地的作战使命。红方装甲分队对蓝方高地发起全面的攻击冲击突破，红蓝双方展开一场装甲兵的装备对抗。作战仿真执行到一方被消灭结束。

红方装甲1连、装甲2连、装甲3连的总体任务是消灭蓝方装甲1分队、装甲2分队，其中装甲1连的子任务是消灭装甲1分队，装甲2连的子任务是消灭装甲2分队，装甲3连是支援装甲1连和装甲2连完成总体任务。蓝方占有地利优势，红方占有实力优势。红蓝双方正常情况下（未发动自主协同），蓝方胜利概率为50%，红方50%。

作战规则如图6所示。

自主协同的三方平等，没有隶属关系，可自主决定是否参与协同。

红方装甲1连的坦克数量小于蓝方装甲1分队时，根据战场态势发出的态势信息，向协商Agent发布自主协同任务，如果红方装甲2连和装甲3连都具备协同条件，根据红方装甲2连和装甲3连状态确认关键协同人员，双方进行协商，如果协同成功则进行下一阶段作战，如果协同不成功则向上级汇报，上级根据战场态势给出协同计划方案；如果只有装甲3连具备协同条件，装甲3连作为关键（key）协同成员，双方进行协商，如果协同成功则进行下一阶段作战，如果协同不成功则向上级汇报，上级根据战场态势给出协同计划方案。同样装甲2连也可以发布上述自主协同任务。

当蓝方装甲1分队+装甲2分队的战斗力为零的时候，任务成功！

如果红方剩余坦克数量＜蓝方剩余坦克数量，则任务失败！

基于多Agent自主协同仿真平台搭建框架图如图7所示。各模块名词具体含义见表1。

第1步：根据仿真案例由任务分配Agent分配任务给红蓝双方；

第2步：红方3个装甲连按照计划进行作战；

第3步：仿真作战进行一定程度后，战场态势Agent根据案例规则对战场态势进行分析评估，红方各个装甲连是否已完成协同计划任务：完成，则作战仿真结束，红方胜利；未完成，则发布战场态势给红方各装甲连Agent和蓝方各装甲分队Agent，跳转第4步。

第4步：根据规则判断红方是否有战败：未战败，红方各装甲连Agent根据态势决定是否发布自主协同任务：不自主协同，则跳转第2步；自主协同则跳转第5步。战败，蓝方胜利，仿真结束。

第5步：通过协商Agent进行自主协同协商，自主协同成功则跳转第1步；未成功则由上级Agent根据战场态势重新分配任务，跳转第1步。

图8 所示，是基于多Agent自主协同仿真平台的仿真主流程。

4.3 仿真结果

如图9所示，是基于多Agent自主协同仿真平台图。可以初始化红蓝双方兵力，仿真过程中可以实时读取个实体Agent之间的交互信息，了解仿真过程。

通过多次实验，红方在选择自主协同，并且协同成功时，最终胜利的概率在90%；红方选择自主协同，自主协同未成功，但是通过上级重新协同的，最终胜利的概率在80%（通过上级协同，损失决策时间）；红方未选择自主协同的，最终胜利的概率40%。

实验结果表明，当一方军队一旦与对方武器系统形成“信息差”时，在其他条件一致的情况下，必然遭遇失败。现代战争是体系之间的较量，参战军兵种众多，实现武器装备体系优化配置的一方，在同等其他条件下将在作战中体现明显的优势。

5 结束语

信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用，深刻地改变着战斗力要素的内涵和战斗力的生成模式。信息和结构已经成为战斗力构成中的核心要素。本文在研究多种协同理论和美军任务式指挥理论，结合实际的作战协同行为，提出了战术行动自主协同定义，并基于多Agent建模技术搭建自主协同仿真平台。阐述了多Agent建模流程，给出了作战实体Agent的搭建过程，最后通过一个案例验证了自主协同在信息化战争中的必要性。

［1］吴永波，何晓晔，谭东风，等.军事建模仿真中概念模型定义比较［J］.火力与指挥控制，2007，32（11）:49-53.

［2］岳秀清，付东，毛一凡.联合作战仿真中的指挥控制建模研究［J］.火力与指挥控制，2010，35（9）:167-170.

［3］李雄.基于Agent的作战建模［M］.北京:国防工业出版社，2013.

［4］赵阵.军事技术信息化对作战方式的影响［J］，自然辩证法研究，2011，27（2）:39-43.

［5］邵晨龙，江雪.基于作战仿真的任务驱动式指挥控制系统的方案设计［J］.科学时代，2012（16）：25-30.

［6］王小非.美军指控系统发展及其对我海军舰载指控系统建设的启示［J］.舰船电子工程，2010，30（5）:1-5.

［7］冯磊，查亚兵，胡记文，等.面向任务的CGF实体联合意图形成［J］.系统仿真学报，2012，24（10）:2113-2116.

［8］Cohen P R，Levesque H J.Teamwork［J］.Nous（S0029-4624），1991，25（4）:487-512.

［9］Jennings N R，Mamdani E H，Laresgoiti I，et al.GRATE:A General Framework for Cooperative Problem Solving［J］. Journal of Intelligent Systems Engineering（S0963-9640），1992，1（2）:102-114.

［10］TambeM，ZhangWX.TowardsFlexibleTeamworkinPersistent Teams:Extended Report［J］.Autonomous Agents and Multi-AgentSystems（S1387-2532），2000，3（2）:159-183.

［11］张杰勇，姚佩阳，腾培俊.多平台防空体系中的协同机制研究［J］.计算机科学，2011，38（9）：91-94.

［12］张琦，王达，黄柯隶.概念模型的描述方法和验证过程［J］.计算机仿真，2004，21（12）:70-72.

［13］刘宇.基于战场仿真的智能指挥控制系统总体设计［J］.电讯技术，2011，51（7）:39-40.

［14］于屏岗.作战系统复杂网络建模与仿真［D］.北京：装甲兵工程学院，2010.

［15］杨建，史红权.基于多Agent的编队对潜作战智能辅助决策系统研究［J］.舰船科学技术，2010，32（2）:73-76.

［16］王三喜，夏新民，黄伟.联合作战力量协同机理研究［J］.复杂系统与复杂性科学，2011，8（1）:9-14.

Tactical Action of Initiative Collaborative Simulation System Based on Multi-Agent

GUO Hong-zhi1，2，TIAN Wei-ping1，GAO Ying-wu1
（1.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China；2.Troops 95881 of PLA，Beijing 100094，China）

The Multi-Agent technology is introduced in this paper to tactical action in autonomous collaborative operational model simulation and evaluation research independently.Firstly，refer to the“mission command”guiding ideology，an initiative cooperative behavior modeling framework is designed. On the basis of analyzing the multiple Agent modeling technology，constructed tactical action of initiative collaborative simulation system isconstructed.Tacticalaction initiative cooperative engagement process deduction is given.Finally，a case verifies the feasibility of tactical action of initiative cooperative engagement model.

Multi-Agent，tactical action，initiative collaborative，mission command

E917；TP391

A

1002-0640（2015）09-0001-05

2014-08-15

2014-09-07

郭宏志（1979- ），男，河南安阳人，博士后。研究方向：指挥自动化建模。