基于MAXSIM平台的巡逻战法仿真建模

邵作浩，熊正祥，由大德

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

基于MAXSIM平台的巡逻战法仿真建模

邵作浩，熊正祥，由大德

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

MAXSIM平台具有良好的二次开发性，通过MAXSIM平台进行战法研究将更好地满足战术战役级的军事仿真需求。目前MAXSIM平台中巡逻战法只具备发现报告对方目标及返港能力、未能列出不同巡逻战法，通过行为编辑器（BE）编写常用的巡逻战法，完善了MAXSIM平台的行为知识库（BKB），使水面舰艇具备发现敌方目标后进行追逐、攻击的能力，并提出根据Bezier曲线算法对目标航行轨迹进行预判的追逐方式，对进一步研究巡逻战法的应用具有借鉴意义。

MAXSIM；水面舰艇；行为建模；巡逻；战法

目前，计算机兵力生成（CGF）是各个国家发展其军事仿真应用广泛的技术手段，应用于各类演练、武器装备测试中，其系统也得到了不断的改进与开发［1］。

美国自20世纪投资建设了CGF模拟训练系统［2］，且在本领域内一直处于先进水平［3］。根据还原论进行建模的方法无法良好地描述复杂系统，然而通过Agent的建模思想能更好地建模，并且具有平台独立性强、二次开发性高、支持不同种类仿真等优点［4］。由于通过Agent进行建模的方法自主性高，更有利于单个实体与单个实体、实体与环境之间的交互，国外已经开发出了众多性能良好的仿真系统并得到了广泛应用，如：One SAF、STAGE和VR⁃FORCE等。MAXSIM平台是基于多Agent的建模思想［5］开发出的一个具有开放性的分布式仿真平台系统，具有较好的二次开发性，利用MAXSIM平台研究战法对提升我国军事仿真水平具有重要意义。

目前MAXSIM平台中巡逻战法只具备发现对方目标并报告其信息等基本功能，未能列出不同巡逻战法，本文主要针对MAXSIM平台中行为知识库及行为编辑器（BE）的应用，以创建往返巡逻战法为例对水面舰艇巡逻战法进行研究。通过编写水面舰艇的巡逻战法扩展MAXSIM平台的行为知识库（BKB），使水面舰艇巡逻战法具备发现目标后采用Bezier曲线算法预测目标行进路线、进行追逐并攻击的能力，丰富了水面舰艇的巡逻方式，完善了巡逻战法的功能，为深入研究巡逻战法的应用提供借鉴。

1 MAXSIM平台中水面舰艇巡逻方式与实现

1.1 水面舰艇巡逻方式及其特点

在目前海上情况下，应对不同海上作战任务需求，水面舰艇主要有六种巡逻方式［6］，如图1所示。

图1 六种巡逻方式

往返巡逻是指在执行往返巡逻任务的过程中，舰艇会在指定的巡逻范围内，按照设置的巡逻航向航速进行往返巡逻，待巡逻至指定范围之外前将转向180°，调转航向恢复至原定巡逻路径进行巡逻。

环绕巡逻是指在执行环绕巡逻任务的过程中，舰艇会在指定的巡逻范围内，在确定巡逻过程中不同阶段的航向后，根据当前位置信息确定舰艇位于环绕巡逻路径的对应阶段继续进行巡逻。如果不在预定的巡逻路径上或到达制定转向点时，通过调整航向，使得舰艇逐渐驶向预定路径继续进行巡逻。

交叉巡逻是指在执行交叉巡逻任务的过程中，舰艇会在指定的巡逻范围内，到达转向点时通过计算巡逻的当前位置信息，确定航向转变角度进而继续巡逻。

定点巡逻是指在执行随机巡逻任务的过程中，舰艇会在设置的巡逻范围内，沿距离最短路径驶向最后发现敌方目标的位置附近，按照指定的路径对敌方目标可能出现的周边局域进行搜索。

随机巡逻是指在执行随机巡逻任务的过程中，舰艇会在设置的巡逻范围内，利用随机数方式随机地调整处于不同巡逻阶段时舰艇下一步的航向航速及航行时间。

平行巡逻是指在执行随机巡逻任务的过程中，舰艇会在指定的巡逻范围内，根据当前位置信息确定舰艇更接近于平行巡逻路径的对应阶段，驶向指定的巡逻路径附近，沿类似于蛇形的路径回路进行巡逻。

1.2 水面舰艇巡逻方式的实现

MAXSIM平台经过先前的开发建立了很多战法，一个较为实用的战法往往是由多个之前创建的状态子、战法及互相之间的转换条件组成［7］。开发者可以通过行为编辑器（BE）对行为知识库（BKB）进行更改及扩充。本节将以往返巡逻为例，简要介绍如何对MAXSIM平台可支持的行为知识库进行扩展。

首先，通过选择状态编辑器中不同类型状态并设置相关参数，创建往返巡逻状态子Rectilinear Patrol，如图2所示。

图2 创建往返巡逻状态子Rectilinear Patrol

在完成往返巡逻状态子Rectilinear Patrol的创建后，将其作为往返巡逻战法的开始点，通过转换规则编辑器编辑对应的转换条件，如图3所示，并排列各状态子的转换顺序，如图4所示。在完成各状态子间转换条件的编辑后，如图5所示，保存创建好的往返巡逻战法。CGF模型将根据当前参数，按照转换条件的优先次序，依次验证是否满足该转换条件从而确定转换至对应状态。图5中Rectilinear Patrol为图3中创建的往返巡逻状态子，在满足转换条件①～③时将对目标进行攻击，在满足转换条件④时进入返港状态脱离战场。若因目标处于武器装备攻击范围之外、为保证射击效果或其它原因，在满足转换条件⑤时可进入追逐状态从而接近目标，即执行图5中Bezier Chasing状态子。

2 采用Bezier曲线法追逐目标

在编队巡逻过程中，CGF能通过用户自定义、探测到的距离最近的敌军目标等不同方式选择目标，如果目标不在武器装备攻击范围内或者因为战术战略要求需要接近目标，CGF可以通过追逐的方式减小与目标间的距离。然而，当追逐方的机动性能不如被追逐方或者两者差异较小时，追逐算法的智能化高低将对追逐的最终结果起到至关重要的影响。

图3 编辑往返巡逻状态转为攻击水面舰艇状态的转换条件

上述以往返巡逻战法的创建为例介绍了MAXSIM平台中水面舰艇巡逻方式的实现。在发现敌方目标后，为减少接近目标的用时，使舰艇具备对目标航行轨迹进行预判的能力，下面将介绍引入到该往返巡逻战法中相比传统追逐算法具有更强预判能力的建模方法——Bezier曲线法。

图4 编辑往返巡逻状态转至其它状态的转换顺序

图5 往返巡逻战法示意图

追逐目标是不断接近目标实体的行为，开始它的实现是通过比较己方与目标的坐标，例如：当己方横坐标小于目标横坐标时，则递增己方横坐标，纵坐标同理，如图6所示。这种方法简单易于实现，然而与实际情况相差较大。

图6 传统追逐算法可能出现的不自然效果

确保己方速度方向始终指向目标的方法，使得追逐过程更加逼真，却不够智能，不能进行预判无法提升追逐效率。而且，在己方相对目标没有明显机动性能优势、己方与目标的初始距离较远等情况下，更要求追逐算法能进行预判、减少实际所需的追逐路程从而实现更高效地追逐。

由于目标实际的运动轨迹直接由其速度矢量决定，而速度通常情况下是渐变的连续量。在对目标运动轨迹曲线进行预判时，如图7所示，当预测的轨迹曲线位于曲线末端的圆弧延长线和切线之间时，认为此次预测可以接受［3］，因此能够建立一种Bezier曲线算法对目标的轨迹曲线进行预判。

图7 Bezier曲线示意图

通过探测到的数据，能够得到目标在之前一段时间的运动轨迹曲线为P（t），0≤t≤1。建立Bezier曲线算法的步骤如下：

1）设P（t）为目标轨迹曲线的预测量，其中时间t为目标轨迹曲线的自变量，p≤t≤q。

2）根据三次Bezier曲线和参数间的关系建立方程组，通过计算得出以t′（0≤t′≤1）作变量的曲线：

3）通过选出先前已知轨迹曲线中的4个位置和时间信息，得出预测轨迹曲线中以t′为时间变量的4个点。

4）将这4个点及t′值代入联立方程组，可解出延长后曲线的控制点信息，得到延长后的Bezier曲线三次函数。

由于速度通常情况下是渐变的连续量，当被追逐实体的轨迹预判信息得出之后，追逐实体的路线设定就可以选取延长线上的一点位置以及该点处的切线斜率，为跟随实体生成一条平滑曲线路径。

3 结束语

本文以水面舰艇往返巡逻为例，介绍了对MAXSIM平台行为知识库进行扩展的基本方法，通过编写水面舰艇的巡逻战法完善了MAXSIM平台的行为知识库（BKB），使水面舰艇具备发现敌方目标后进行追逐、攻击的能力。

同时针对MAXSIM平台中实体朝目标机动以期望追逐拦截目标的算法提出了将Bezier曲线算法引入MAXSIM平台战法机动，对进一步研究巡逻战法的应用具有借鉴意义。下一步将研究不同的追逐算法并分析各战法追逐的效率高低及适用情况，从而更好地满足实际作战需求。

［1］ 杨克巍.基于半自治Agent的CGF建模及应用研究［J］.系统仿真学报，2005，17（4）：997⁃999，1003.

［2］ U.S.Department of Defense.Modeling and Simulation（M＆S）Master Plan［R］.DoD 5000.59⁃P，1995.

［3］ 介飞.复杂仿真系统中的行为建模方法研究［D］.北京：北京理工大学，2014.

［4］ 廖守亿.复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用［D］.长沙：国防科学技术大学，2005.

［5］ HarTech Technologies.Developer's Guide For SSG⁃Based Applications［M］.2014.

［6］ 孙珠峰.舰艇CGF协同反潜技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

［7］ 韩晓光，徐海刚，吴晞.基于MAXSIM平台的两栖坦克CGF兵力生成方法研究［J］.计算机与数字工程，2016，44（1）：32⁃36，69.

Patrol Methods Modelling and Simulation Based on MAXSIM

SHAO Zuo⁃hao，XIONG Zheng⁃xiang，YOU Da⁃de
（Dalian Navy Academy，Dalian 116018，China）

MAXSIM platform，which has a high level of secondary development，could meet the demand of military simulation by methods'researching.As the Behavior Knowledgebase（BKB）doesn't contain enough patrol methods to meet practical needs，it's necessary to edit more practical patrol methods by Behavior Editor（BE）.The simulation of tactical patrol perform⁃ance is realized，especially the surface vessels could chase targets according to the Bezier algorithm and attack them which have been found.This paper's method could also be used for further research on the application of patrol methods.

MAXSIM；surface vessel；behavior model；patrol；method of operation

TJ391；E917

A

10.3969／j.issn.1673⁃3819.2016.06.018

1673⁃3819（2016）06⁃0090⁃03

2016⁃07⁃31

2016⁃10⁃27

邵作浩（1994⁃），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向为舰艇作战系统仿真。

熊正祥（1973⁃），男，博士。

由大德（1962⁃），男，教授。