基于嵌套MAS的战术通信模拟训练框架研究

黄一斌， 钟海波

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)

基于嵌套MAS的战术通信模拟训练框架研究

黄一斌1， 钟海波2

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)

为有效解决基层数字化部队成体系、成建制、成系统、低成本的战术通信模拟训练的难题，通过军事需求建模分析和多智能体系统(Multi-Agent System，MAS)改进设计，提出了嵌套多智能体系统(Embedded MAS, EMAS)框架。作为通用集成框架，EMAS具备虚实融合、硬软结合、形式逻辑上的多重嵌套以及低耦合、高聚合、模块化等特征,可满足基层培训的4个要求；同时该框架扩展性好，且便于模块化设计、开发、调试和集成。基于军事需求建模的EMAS框架能有效支持战术通信系统训练，也可用于整个数字化部队指挥信息系统训练。

嵌套多智能体系统; 军事需求建模；通用集成框架

仿真模拟是数字化部队战斗力生成的有效手段。当前针对战术通信系统的研究，多数侧重于其战术通信网络的功能和性能的仿真研究分析[1-6];也有些研究是针对战术电台的模拟，或是电台模拟器的组网训练[7-11]。然而，以上研究不能满足基层部队战术通信系统的成体系、成建制训练要求，而且也没有开展模拟训练通用框架研究。

为有效解决各个师旅级数字化部队成体系、成建制、成系统、低成本地开展战术通信模拟训练的难题，也即开展战术通信模拟系统装备训练，实现在训练内容及模式上成体系、在教学规模上成建制、在装备范围上成系统、在经费开支上低成本的总目标，从战术通信系统训练的军事需求建模(Military Requirements Modeling, MRM)技术研究入手，根据虚实融合、硬软结合、多重嵌套的要求，需要构建一个通用技术框架，以支持扩展和应用集成，提高通用性和适用性。

本文将采取优化组合、模块复用、突出重点、兼顾系统完整性的原则对通用技术框架进行研究，重点针对指挥信息系统中的战术通信子系统，一并集成指挥控制子系统。同时也考虑其余的侦察情报子系统、信息对抗子系统、安全保密子系统和保障子系统等分系统的集成可能性和可行性，支持通过同样的技术方案进行建模和集成，实现深层次的成建制、成系统训练，有效解决基层数字化部队各要素的综合训练。此外，为了提高仿真的可信度，需要考虑模拟训练原型系统的真实程度，且能适应不同部队的差异。

1 基本要求

从运用功能上，要求能实现通信专业技能模拟训练、信息系统操作技能模拟训练、各级模拟训练、科股部门模拟训练、首长机关指挥模拟训练和示范教学等功能，为数字化部队各级指战员完成战术通信装备的专业技术和组网运用等模拟训练提供支持。

从运行模式上，要求既可分别自主运行，又能大规模组网运用训练，减少甚至是不设管理人员，减小维护工作量，而且在原型系统建设成本和使用维护成本2个方面，应尽量减少经费开支。

从相似性上，要求与部队实际尽量一致，以提高可信度和逼真度。为充分模拟初级战术互联网中的信息流，应尽量按照实装组成、系统拓扑、运用原则构建模拟训练系统。同时，对于那些一线训练人员操作较少且基本没有复杂操作过程的设备，也应进行功能简化和集成，如：规划配置好的网络设备主要负责连接电台和车内局域网，并提供部分路由功能等，这些功能不需要指挥人员设置，而只需专业技术人员进行规划配置并调试好即可。因此，应将网络通信控制器和互联网控制器进行简化模拟，以保证信息流与实装的一致性。对于实装指控系统，虽然只作实装集成，但要求其与战术通信系统及相应网络设备的关系与真实情况保持一致，以保证实装上的指控与模拟训练原型系统上的指控是相同的，方便指挥人员操作，从而提高训练效果。

从技术上，多智能体系统(Multi-Agent System, MAS)是研究复杂系统的一种重要方法，主要应用于复杂系统的涌现性、整体性、不确定性和自组织性等研究[12]。对于战术通信系统模拟训练，MAS理论技术经过改进和创新，也不失为一种有效的技术。通过对模拟训练系统的建模分析，可以得到各类Agent，进一步通过功能划分和模块集成，从分布角度来看，需要不同类型的仿真节点。

2 模拟训练需求分析建模

借鉴军事需求的层次结构[13-14]，依据军事需求建模技术框架，可以建立数字化部队战术通信系统模拟训练的需求层次结构和映射谱系，如图1所示，用于指导和规范模拟训练系统的研究和开发工作。

图1 模拟训练需求层次结构和映射谱系

1) 顶层的军事需求。该需求是为解决装甲机械化部队因缺乏指挥信息系统训练装备而难以成建制、成系统进行训练的问题，以提高训练质量与效益，加快数字化新装备形成战斗力的进程。这层需求可转换映射为开展战术通信系统模拟训练、实装训练等模式的需求与实现。本文主要研究开展战术通信系统模拟训练的需求。

2) 模拟训练的总体需求。该需求主要为了满足数字化部队开展战术通信系统模拟训练的需求，可以归纳成3个层次的内容：一是采用多种手段开发新型电台的基础教学，使操作人员从不懂到熟练掌握，并对其掌握程度进行考核评估；二是实现新型电台的操作训练，操作人员可以根据专业课目设计的步骤，从学习到引导训练，然后实现自主训练；三是作为模拟战术训练网节点，实现成建制联网组训。这层需求可转换映射为成体系、成建制、成系统、低成本训练的需求。

3) 模拟训练需求基本内容。通过细化总体需求，将3个层次内容分解成4个方面的需求：基础知识学习、专业科目引导学习与训练、虚拟操作训练(单机和组网)和考核(含理论和操作2类，评估单独考虑)。这层需求可转换映射为理论、技能、虚拟训练和考核4个训练的需求。

4) 基本内容细节需求。将模拟训练需求基本内容进一步细化分解，如：基础知识可覆盖军事通信基础知识，以及数字化部队通信装备所涉及的新理念、概念、原理、结构组成等。这层需求可转换映射为原理、结构、操作和科目等具体内容的需求。

5) 功能模块需求。分解出各功能模块需求，确定各功能模块之间的集成关系。这层需求可转换映射为组件、各类Agent和数据库等内容的需求。

6) 技术需求。明确功能模块细节要求，要求能到模型、代码、数据、函数层面。这层需求可转换映射为组件、各类Agent和数据库等具体实现时要求的功能性能指标。

3 模拟训练总体框架

对于指控通信子系统，主要有通信装备、网络装备和信息装备3大类装备。而要开展成体系的模拟训练，重点是通信装备。因此，战术通信系统模拟训练的核心部分就是各类虚拟电台，其配置在模拟训练方舱中，电台类型及数量由方舱所担任的角色决定，提供技能训练支持、理论知识学习支持、协同训练支持(成建制、成规模)和训练考核支持等功能。虚拟电台与半实物模拟电台作为模拟训练中的人机交互设备，直接面对训练人员。

各类仿真电台(含虚拟电台与半实物模拟电台)能根据需要动态组网，可以在局域网中模拟多个超短波网、短波网和宽带数据传输网等。一般师旅级模拟训练系统的网络拓扑结构包括师、团指挥车及其他通信车辆，营指挥车和指挥坦克，以及连排指挥车和战斗单车训练平台，根据实际情况配置相应的指控席位，每个席位配备模拟车通，使用的仿真电台包括超短波、短波和宽带数据电台。各训练平台分别接入控制信息网、数据及话音通信网。

某型通信装备模拟训练平台主要由仿真电台(含虚拟电台与半实物模拟电台)、仿真训练、理论教学、技能训练、引导训练、考核评估、使用帮助、网络通信、串口通信和维护/配置等子系统(功能)组成，其训练功能需求框架结构如图2所示。其中，对于半实物模拟电台，由于其固有原因，一些子系统/功能难以实现，如图中虚线框所示。

图2 某型通信装备模拟训练功能需求框架结构

除通信装备模拟训练平台软件外，为模拟相应的交互设备，需研发与之配套的硬件输入、输出模拟设备。它们自成体系，但通过硬件接口串口传输控制信息，通过音频接口传输话音数据。

为降低成本，虚拟电台应尽量采用数量最少的计算机实现，因此，需要将多个虚拟电台的运行管理、硬件调度、指挥数据及语音的输入、输出等工作统一管理，确保整个模拟训练的最终实现。

3.1 结构选型

混合式MAS由多个集中式的子系统组成，并且各子系统之间呈现分布式结构，对于复杂问题研究，此结构综合了集中式组织结构和分布式组织结构二者的优点[15-16]，因此是一个方便有效的技术途径。对于战术通信系统模拟训练，通过模拟训练需求分析建模进而设计出一个特殊的混合式MAS组织结构——嵌套多智能体系统(Embedded Multi-Agent System，EMAS)。

依据战术通信系统模拟训练需求分析建模，可以将理论学习、技能训练、各类通信装备的仿真操作和操作考核以及理论考核设计成独立的Agent，最后设计一个大的主服务框架Agent，最终构成一种集成服务和代理的EMAS框架结构。

成体系、成建制、成系统、低成本训练需求也赋予EMAS结构新的含义，主要有以下2层含义。

1)嵌入式体现为虚实结合、硬软结合，即真实装备和仿真系统二者的融合，硬件设备与各类软件Agent所组成的MAS也紧密融合，突破了仿真系统集成模式。同时，由于EMAS结构的灵活性和扩展性好，半实物模拟器也可以方便快速地集成在一起，形成了半实物仿真、虚拟仿真和构造仿真3种类型的集成平台。由于虚实有机融合，还促使产生了新的研究和应用方向，提高了仿真可信度。

2)嵌入式体现为各类Agent的集成形式，即不同类型的Agent既有形式上的嵌入，也有逻辑上的嵌入，充分体现了MAS的结构特征，也符合软件工程的低耦合、高聚合和模块化等特征的要求。

3.2 EMAS结构层次

从应用层来看，战术通信系统集成训练需要有4类功能，分别对应各自的Agent，即：理论教学Agent(Theory Teach Agent，TTA)、技能教学Agent(Skill Teach Agent，STA)和考核评估Agent(Examine Estimate Agent，EEA)；而由于虚拟训练相对复杂，因此需要分成多个部分来共同实现，其中界面交互操作部分由通信装备Agent(Communication Equipment Agent，CEA)来实现。由于战术通信系统一般由短波、超短波、甚短波3类无线通信装备组成，因此共有4类12种Agent来组成人机交互的应用层。

从服务层来看，为保证应用层中各类Agent的硬件无关性，把所有硬件问题，各类无线通信过程中的握手建链、通断判别、音频音效处理、操作冲突处理，以及电台运行状态管理等大量工作，通过构建相应的机制、算法和服务，然后集成为主框架Agent (Main Frame Agent，MFA)，以实现对应用层的支持。

电磁环境模拟是战术通信系统建模与仿真中必不可少的内容，而影响战场电磁环境的随机性大、因素多，在战术通信系统仿真运用时需要另行处理，可采取人为干预模式，即通过导调人为设置电磁环境参数，由各仿真节点自行解算，完成对电磁环境的模拟。因而将此过程中分布于各仿真节点的电磁环境解算单独划为一类，即将电磁解算Agent(Electromagnetic Resolving Agent，ERA)划至服务层，嵌入MFA中一起并行工作，也进一步体现了EMAS的结构特点。而在导控中心，通过人机交互界面发布电磁环境控制参数信息，这些参数由各节点中的ERA具体来完成解算。从工程实现层面上讲，由于MFA直接管理所有硬件，ERA要实现对语音通话效果和指控数据通信效果的干预，也必须通过MFA才能得以实现。

本文重点研究核心组件和典型结构，分别是服务层的MFA和ERA，以及应用层中的代表CEA。

结构最复杂的模拟方舱对应于指挥车辆，其EMAS的结构层次及连接调用关系如图3所示，其余车型相应减少通信设备即可，层次结构与之类似。需要说明的是，指挥车模拟方舱和战斗平台模拟方舱除了在硬件上有区别外，在EMAS和指控软件等方面也有区别：前者一般由2个MFA完成全部功能；而后者一般由1个MFA完成全部功能。这样处理便于灵活配置，以适应不同训练的特殊需求。

此外，当1个MFA进行必要配置后，也可以看作一个能为各类虚拟电台提供模拟训练支持的操作平台(由于层次结构的开放性和扩展性，通过深入研究开发，集成为一个电台虚拟训练操作系统)；若站在训练人员的角度来看，直接操作的是通信装备界面CEA，而后面的MFA及Windows等相当于一个分布式电台模拟训练操作系统。

图3 指挥车辆EMAS结构层次及连接调用关系

从图3也可以看出：在整个EMAS层次结构中，至少要包含底层的主服务框架、理论教学、技能训练、虚拟训练和考核评估这几类Agent，才能实现对模拟训练的支持，确保结构的完整性。

4 基于EMAS集成框架

如前所述，EMAS集成框架主要由6大类Agent组成，即TTA、STA、CEA、EEA、ERA和MFA，利用它们以及相应硬件和配套设备，共同实现战术通信系统模拟训练的理论学习、技能引导、虚拟训练和训练考核4个方面功能，如图4所示。每个EMAS节点既有虚拟仿真，也有真实的装备，既有硬件，又有软件，硬件、软件在形式和逻辑上既嵌套又功能相对独立，满足虚实融合、硬软结合、多重嵌套的要求。

服务层中的ERA结构和功能均相对特殊，不独立运行，而是内嵌于MFA中，在MFA的统一调度下工作，其结构比CEA结构简单，其原因在于：ERA只从环境中接收信息，而不发布任何信息到环境中，其动作响应直接作用于对应的硬件，即声卡，并将影响指控数据通信效果，即最终影响到串口指控数据的收发。

图4 EMAS集成框架

4.1 MFA结构模型

4.1.1 功能与任务

1) 负责所有虚拟CEA的网络交互。具体包括：语音和数据通信、建链等功能的具体实现；发布订购信息，由于CEA需要订购同类Agent状态信息，也即将网络中所有CEA中同类Agent的工作状态有选择地反馈发布信息给订购者。

2) 负责硬件和软件调度及冲突处理，事件处理及冲突协调。

3) 负责所有嵌入式Agent和挂载式Agent的运行管理、生命周期管理和对应资源控制等工作，处理异常事件。

4.1.2 框架结构

MFA采集的动态信息可分为2类：1)正常的动态信息，包括通信装备的工作状态、语音指挥和数据指挥的动态信息等，当MFA接收到该类动态信息之后，只需要作出适当的反应，如在同步状态下电台更改工作参数时，只需通知MFA修改对应电台映射状态信息即可；2)异常的动态信息，包括虚拟电台故障、操作违规和硬件环境变化等信息，当MFA接收到这些异常信息后，就会有针对性地在原计划的基础上进行新的规划(如中止对应电台的数据传输、运行异常退出的电台建链、中断相应的硬件操作响应等)以及重新调整映射信息。

对于正常动态信息，各MFA自行处理，不需要与其他MFA通信协商；而对于异常动态信息，需要与其他MFA协商处理，防止产生错误。根据MFA对动态信息的不同处理，可设计一个4层垂直型层次结构，如图5所示。

图5 MFA混合型层次结构

图5中MFA层次结构将知识库划分成3个子库，其中：静态知识库采取数据文件和数据库形式，用于保存各MFA工作运行参数等静态数据；动态知识库采取内存数据库或内存变量形式，可保证工作运行时动态数据的快速存储和查询匹配；规划知识库作为程序模型形式存在，主要存储相应推理规则和策略。图5中虚线框内为核心部件，用于处理调度、协商和冲突，尤其是处理硬件和软件集成运转、人员操作、异常等工作，确保MFA的正常运行。

为避免慎思型Agent中耗时的推理过程，规划知识库中以IF-THEN形式存放各类规则知识，利用数据和事件驱动规则进行推理。

图5中局部反应层的主要作用是：根据MFA知识库中的知识和推理规则，采取相应的动作或反应。若接收到的数据是正常信息，则MFA单独采取相应动作；若是异常信息，则MFA根据规划知识库中的预案作出相应调整，然后将调整办法交由局部调整层进行后续处理。MFA的工作机理如下。

1) 感知和接收外界环境及系统运行信息，实时更新相应知识库中的信息。

2) 针对动态信息，采取数据和事件驱动局部反应层。对于正常动态信息，MFA根据知识库中的知识和规则，由该模块执行相应动作；对于异常的动态信息，如用户中止、软件异常退出等，先选择预案执行并转交至局部调整层进行后续处理。

3) 完成局部规划后，由MFA冲突检测层进行冲突判断，若存在，如调度冲突等，则由协调协作层作进一步处理。

4) 协调协作层主要负责与其他MFA协商解决上一步骤中的冲突，通过协商作出最终反应；否则，按异常信息进行处理，以免影响主服务框架MFA的正常运行。

5) 局部反应层利用产生式规则和数据驱动方式进行推理分析，重新确定MFA、CEA等Agent的运行状态。

4.2 CEA结构模型

与MFA结构相比，各类CEA基本没有太多的规划需求，故由CEA完成人机交互操作，同时向MFA订购相应的服务并产生动作响应。因此，对于操作事件和响应服务，CEA的动作完全基于行为，故CEA选取反应型结构，如图6所示。

图6 CEA反应型结构

CEA反应型结构也包括3个知识库、动作和通信层，其中：静态知识库存储通信装备的性能参数等静态信息；动态知识库存储通信装备的工作参数、工作状态等动态信息；规划知识库存储相应通信装备的通信推理规则。不同于MFA的是，CEA的规划知识库只存储相应类型通信装备的通信推理规则，主要是响应用户操作和通信装备工作时的那些条件-动作规则。

其中的推理器作为CEA的核心部件，主要工作是根据3个知识库中的知识，利用产生式规则作出相应的动作反应。CEA的工作机理如下：

1) 感知整个外界环境同类电台工作信息，并将动态信息实时融合到内存数据库中，也即实时更新动态知识库；

2) 推理器根据动态信息，在规划库中查找并执行相应的动作；

3) CEA通过通信层，即各类CEA对应的通信DLL，来实现与底层的MFA进行通信，完成感知和动作。

4.3 ERA结构模型

为了在战术通信系统训练过程中实现电磁环境的简化模拟，需在导控中心的协调控制下由各个仿真节点完成电磁环境解算。因此，ERA基本没有规划需求，也不将动作影响到整个MAS环境。但是ERA动作主要影响语音通话效果和指控数据通信效果，需要通知到MFA，也即ERA的动作由对应的父级MFA最终作用于相应的硬件上和控制数据通断。

设计时，ERA主要是向MFA订购相应的服务并产生动作响应，它的动作完全基于行为，因此ERA的结构也选取反应型结构，与图6类似。

虽然ERA结构与CEA结构基本一致，但ERA不对环境产生作用，ERA的规划知识库只存储相应类型通信效果的推理规则。ERA的工作机理如下：

1) 接收父级MFA所转发的信息，将其存入内存变量，实时更新动态知识库；

2) 依据接收的动态信息，启动推理器选择电磁解算模型算法，也即在规划知识库中进行查询，若找到相应的动作，则执行；

3) ERA由函数接口和消息组成通信模块，完成与环境的通信。

5 基于EMAS建模特征

由于MAS本身是一种自下而上研究复杂系统的有效方法，描述目标复杂系统的自然层次性好，有机结合了系统的宏观和微观行为，弥补了还原论与整体论的缺陷，建模重点在于研究相互作用与关系，适合于分布计算，模型重用性好，因此，在此基础上的EMAS更突出虚实融合、硬软结合和形式逻辑上的多重嵌入嵌套，以及低耦合、高聚合、模块化等特征。

作为一个通用集成框架，EMAS具备良好开放性，可灵活拓展、修改，也可动态加入、退出，为不同的数字化部队战术通信系统建模与仿真做了一个顶层设计，提供了一个通用的技术思路。

通过军事需求建模技术自上而下对战术通信系统训练需求进行分析分解与建模，然后通过EMAS自下而上综合集成为一个模拟训练原型系统，形成了一个“U”型的建模与仿真流程，如图7所示，也可以拓展至整个指挥信息系统的建模与仿真。

图7 “U”型建模与仿真流程

6 结论

针对师旅级数字化部队战术通信系统的模拟训练需求，通过借鉴MAS、软件工程等理论方法的基本思想，经过军事需求分析和概念建模，结合工程实际与系统应用，提出了基于EMAS的通用集成框架，

体现了虚实融合、硬软结合、形式逻辑上的多重嵌套，有效解决了基层部队成体系、成建制、成系统、低成本地开展战术通信模拟训练的难题，通用框架与技术思路可扩展至基于信息系统的体系模拟训练。

下一步，将深入研究EMAS框架中所涉及的核心服务、机制算法和应用实现等内容，以及电磁环境模拟、训练效果评估等问题，进一步提升模拟训练效果。

[1] 刘宏, 晁文峰, 孙羽. 基于HLA的地域通信网通信仿真模型研究[J]. 通信对抗, 2009(2):34-36.

[2] 杨娜, 慕晓冬, 朱涛. 基于OPNET的某战术互联网无线组网能力仿真研究[J]. 计算机科学, 2009,36(4B):241-242.

[3] 张锋, 叶丽娜. 基于OPNET的军事通信网网络性能仿真[J]. 电子质量, 2010(3)：38-40.

[4] 张文兴, 钟联炯. 基于OPNET的无线战术通信网仿真建模[J]. 电脑开发与应用, 2009,22(9):57-59.

[5] Kolek S R, Rakpaul S J, Christensen J. Battlefield Communication Network Modeling[EB/OL].[2014-11-01]. http://www.sisostds.org

[6] 蒋谱成, 李红奎, 孙志芳. 外军基地化训练现状及发展趋势[J]. 电子对抗试验,2006,16(3):56-59.

[7] 陈树新, 温祥西, 邓妍. 基于网络环境的电台模拟训练系统设计与实现[J]. 科学技术与工程, 2008,15(8):4335-4338.

[8] 谢铁城, 达新宇, 刘芸江. 某电台网络模拟训练系统的设计与实现[J]. 计算机测量与控制, 2010,18(5):1151-1153.

[9] 董飞, 杨清文, 郑义. 火箭炮营通信仿真系统控制子系统的研究[J]. 计算机工程与设计, 2009,30(14):3416-3418.

[10] 曾柏华. 短波数字电台训练模拟器的研究与实现[D]. 成都:电子科技大学, 2009.

[11] 余立立, 施朝健, 黄震民, 等. 多模拟器集成的船用VHF通信仿真系统[J].上海海事大学学报, 2009,30(1):20-23.

[12] 高波,费奇.从现实世界到MAS世界:基于MAS理论的复杂系统建模思想探讨[J].科学学研究,2005,23(2):179-182.

[13] 余滨, 段采宇. 军事需求与军事需求工程[J]. 国防科技,2006(2): 21-26.

[14] 余滨, 石建迈, 段采宇. 军事需求工程技术之需求管理[J]. 国防科技, 2006(10):18-21.

[15] 洪流. 基于MAS的协调知识与协调策略研究[D]. 武汉:华中科技大学,2007.

[16] 张少苹, 戴锋, 王成志, 等. 多Agent系统研究综述[J]. 复杂系统与复杂性科学, 2011,8(4):1-5.

(责任编辑:尚彩娟)

Research on Tactics Communication Simulation Training Framework Based on Embedded MAS

HUANG Yi-bin1, ZHONG Hai-bo2

(1. Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

For effectively solving the difficulty of each basic digital forces in tactics communication simulation training, and realizing the general target of systematic in training model, training scale, training equipment’s scope and low cost, the Embedded Multi-Agent System(EMAS) framework is promoted through military requirements modeling and enhancement design of MAS. As a common integration framework, EMAS meets the four needs of basic forces training with characteristic such as blending vitality and reality, combining hardware and software, multi-embedding and wedging in form and logic, and low coupling, high aggregation, modularization. Meanwhile, the framework provides good extension, and it is convenient to modularization design, system development, debugging and integration. EMAS based on military requirement modeling could effectively support tactical communication system training as well as military command information system training.

Embedded Multi-Agent System (EMAS); military requirements modeling; common integration framework

1672-1497(2015)02-0085-07

2014-12-20

军队科研计划项目

黄一斌(1975-)，男，工程师，博士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.017