基于发生认识论的实体行为建模框架

朱江 沈寿林 闻传花 盖森

实体行为建模,指的是“对虚拟环境中虚拟实体对象所遵循的行为规律的建模”.按照美国国防部的定义,行为建模是指“对在军事仿真中需要表示的人的行为或表现进行建模”.实体可以划分为行动实体和指挥实体.行动实体对应实际作战单元和装备.指挥实体对应指挥员和指挥机关等.

行动实体行为建模难点在于: 作战实体会遵循战术条令,也会根据保守或激进的个性,产生不同的作战行为结果.导致实体行为多样,且包含大量有意志、有目的和有学习能力的人的活动.面对作战中实体的多样性,和行为特点的互异性,需要刻画的行为变量众多、关系复杂,刻画行为不切实际和过分简单化,会导致虚拟兵力过于呆板和教条,不符合真实指挥员和战斗员的行为.

指挥实体在应对敌我强烈对抗、环境变化频繁、信息不完整、不确定的环境时,指挥决策往往伴随着复杂的认知心理活动.指挥决策当前主要依赖现有的成熟知识,来源于条令、条例和既有经验,模型算法对完全、确定性信息环境决策较好,面向新决策场景需要新的知识.而对认知结构的生成规律不清晰带来的算法学习能力不足,新知识获取困难等问题,一旦缺乏解决问题的知识结构,就难以求解复杂决策问题.导致实体无法自主规划,完成决策任务.

总之,传统建模方法难以对认知域建模[1],无法描述“人”的个性、情感、心理、认知对行为的作用,常常把行为看成僵死、静态的公式,推理过程简单,行为结果单一,没有考虑约束、偏见或判断误差,难以反映压力、疲劳、冒险等因素对决策的影响[2-3],难以刻画高度的主体意识和人类认知活动,难以应对环境带来的不确定性和偶然性.

发生认识论能够描述具有高度主体意识的实体行为和受认知心理支配的复杂决策行为.本文引入发生认识论来解决人的个性、情感、心理、认知等的描述与建模,进而建模有关“人”的行为.后续安排如下: 首先分析发生认识论的建模原理和机制,然后提出基于发生认识论的行为建模框架,最后,与现有行为建模框架对比,并做简单小结.

1 行为建模框架

行为高度依赖于人的认知,是在认知驱动下的行为.所以行为建模要加强对认知域建模,难点在于如何构建概念逻辑框架.

美国DMSO (Defense Modeling and Simulation Office) 成立了“人员行为和指挥决策建模” 专家组,对逻辑框架和行为表示法进行了前瞻性的研究.ASTT -ASCF (Advanced Synthetic Command Forces)模型引入“压力”、“疲劳程度”、“训练水平”及“个性”等概念.美军研制的信息系统中,引入“脾气”、“习性”、“思维习惯” 来描述感情特征与行为.PMFService 集成框架,以个人认知模型为基础建立统一的行为体系结构,描述“生理”、“压力”、“个性”、“文化”、“情感” 和“社会关系” 对决策行为的影响[4-5].《牛津军事心理学》[6]中,把最新的认知心理学理论引入作战,基于战争实例,阐述了作战心理学、影响士兵绩效的认知与非认知因素等内容,对构建逼真的作战实体行为模型都有着积极重要的作用.

上述认知框架和模型,虽然引入了一些认知和心理的相关概念,为行为建模奠定了良好的基础.但存在没有深入结合认知本身的规律,部分概念逻辑关系不强,对不同类别实体的认知过程没有区分,对组件化实体行为建模而言存在认知模块不够独立、规范的问题.

2 发生认识论原理

发生认识论是瑞士科学家皮亚杰关于认识的理论,核心是运用发生学的方法研究认识的起源、发生和演化规律的理论[7].

发生认识论涉及生物学、心理学、认识论、数理逻辑等领域,作为认识论的最新成果,与传统的认识论相比,它承认主体与客体的统一性与主客体之间的相互作用,提供了人类认识的结构、发生、发展过程及心理起源,它的主要观点如“从心理学的桥梁达到认识的结论”,“认识的形成是适应环境,学习的过程”,以及“认识主客体的相互作用性”,比其他认识论更契合行为建模[8],具体意义在于:

1)发生认识论特征之一是强调动作是外显的实际行动,运算是内化的系统行为.研究了“运算”的心理起源,提供了描述和计算个性、心理的方法.

2)发生认识论特征之二是强调“认识是一种适应”,把认识作为大脑、经验与行为在认识者与对认识者之间的关系与活动中确定起来的交互作用之结果.描述了用于解决未知问题的知识建构过程.

3)发生认识论特征之三是强调“学习的建构作用”,阐述了通过学习,“随阶段性的结构演化,能产生越来越强的逻辑结构”的优化过程.

3 基于发生认识论的行为建模

图1左部反映了实体行为的过程.右部基于发生认识论的认知过程.基于发生认识论,我们运用环境、刺激、信息、学习、进化、认知、适应等概念描述了认知建构和心理起源的过程,就可以理解行为的机制和生成过程,并指导实体建模.

对指挥实体、行动实体的隐性认知活动过程加以观察,基于发生认识论,我们运用环境、刺激、信息、学习、自然、进化、适应等概念描述了认知建构和心理起源,进行实体建模,对行动决策、指挥决策、战法战术的涌现生成分别运用1)发生认识论“认识形成是适应性建构过程”的理念; 2)研究“运算”的心理起源; 3)运用“随阶段性的结构演化,能产生越来越强的逻辑结构”的认知特性,解决了传统行为建模难以体现认知建构和心理起源的问题,使仿真实体接近真实人的思维方式和行为方式.

3.1 基于“个性分析＋环境感知＋规则表示” 的行动实体行为模型

行动实体的行为建模,建立了具有属性、个性参数、行动规则的基本作战实体.

个性把个体的心理行为与物理行为联系在一起.心理行为是按照个性驱动行为生成机制,认知心理学的理论下包含“需要—动机—行为—效果”的内部过程.物理行为即作战实体的OODA 环过程.即从感知到判断到选择行动执行的过程.

如图2所示,围绕行为生成主线,实体在环境的刺激(实体感知红外、声音、振动)和考虑赋予任务情境下(任务情境知识),根据训练、实战得到的经验、规则、条令,结合能力,得到行动按什么步骤做(行动策略)和行动如何由实体完成(行动技能)的基本遵循.

从社会心理学角度[9-11],由个性可以预测一个人在给定的环境中的物理行为.对个性建模,可以将个性抽象成由若干个因素(指标) 表示,并辅以一定的权重衡量,结合个性对战术选择的影响,产生行为的意愿,进行行为选择,并结合规则推理,进行事件处置.这解决了常用的“规则” 型实体,因规则有限,适应性不强,仅能针对事件被动处置,难以适应未知环境的不足.

图1 基于发生认识论的认知框架行为生成示意图

图2 行动实体行为模型

3.2 基于“思维认知＋态势理解＋任务匹配” 的指挥实体行为模型

指挥实体行为建模的核心和关键部分是“决策”建模.决策行为是基于思维认知的信息加工过程.发生认识论描述使人能够思维的系统,采用的认知机制包括图式理论,描述一种存在于记忆中的认知结构(Cognitive Structure)或知识结构图式(Schema);采用信息加工理论,描述一种既要加工外部信息,也要处理内部信息的认知过程; 采用注意力理论,描述人的注意力对信息的筛选; 从而产生对行为的指导[12-16].

图3中,有一条主线,即指挥决策从信息处理到自主决策到行动控制的过程.围绕这条主线,态势理解、任务匹配等决策工作,都是建立在认知心理分析的基础上.具体认知心理过程是: 态势理解分析要运用“综合”得到信息,结合学习获得的知识经验进行分析.任务匹配也是在“综合”信息的基础上,根据上级任务、当前的态势、决策的要求进行,通过思维认知过程描述,将上级任务转化为“目标愿望”,当前的态势转化为“实体信念”,结合考虑“压力”条件下的决策,和指挥员“理性”导向(包含时间、空间、能力、过程等方面,某指挥员关注分队XX 时间到达XX 地域,就涉及时间、空间约束条件),依靠经验生成一定的处理“模式”,并最终生成“意图”,输出作战计划与作战命令.这些心理认知机制包括: 信息加工理论、图式理论、注意力理论、记忆理论、期望价值理论等.在进行心理分析基础上进行任务-能力、目标-武器、目标- 弹药以及任务- 实体的自主匹配和规划,实现了指挥实体任务和目标的自动分配;除了从军队条令条例以及相关指挥人员的经验中获取,还通过强化学习方法获取针对环境和态势的决策控制知识,优化任务匹配方案.以使己方获得最大效益.

这样指挥实体能自主决策、自主行动,解决了作战任务多样、武器装备多型、目标特性复杂、作战过程易变、不完全信息等特性下的任务分配与行动规划的自动决策难题.提高了指挥行为在对抗过程中的自适应性和动态性.

4 基于Agent 的模型实现

Agent 是指在分布式系统中那些具有自主性、交互性、反应性、主动性等特征的活着的计算实体.Agent 建模方法能提供一些成熟的智能表示和决策框架以及软件的范式,在建模指挥实体和行动实体时具有天然的优势.比如考虑了战场压力、疲劳程度和个人差别的ASTT-ASCF,描述了生理、压力、个性、文化、情感和社会关系对决策影响的PMFService 集成框架,以及提出大规模通用认知体系结构的SOAR 项目.

图3 指挥实体行为模型

图4 基于Agent 的实体建模框架

我们通过综合集成,运用Agent 技术[17-18],构建了一个包含简单的反应、组合的反应、学习、推理、综合等层次智能的框架[19],其中构建行动实体采用1 级～3 级的智能形式; 指挥实体采用3 级～5 级的智能形式.以便作战实体适应瞬息万变的战场环境,进行自动化、智能化的决策.对构建智能化的训练和实验系统很有帮助.

1级(简单的反应):指Agent 为应对外部刺激而做出的简单决策.采用If 满足条件Then 执行行动的规则表达方法.

2级(组合的反应):是指应用一组具有领域知识的组合.个性驱动行动产生的就是组合的反应.

3级(学习):是指通过从环境中得到奖惩的方法来不断地“学习”和“积累经验”.指挥实体和行动实体都能学习.

4级(推理): 对于一些未知情况模拟人的思维进行假设,重在描述人的思维状态属性.指挥实体的认知心理就是在这一层实现.

5级(综合): 综合是智能的高级阶段,将多种智能方式结合可以自由地应对态势变化,进行决策.指挥实体指挥决策中很多情况需要规划,采用认知推理进行决策.但是,当任务主题的明确或者训练产生的条件反射,可以存在“蛙跳”现象,即不许复杂的规划,而是直接从信息输入阶段直接进入了输出控制阶段.

5 结论

本文利用发生认识论提供的认知理论基础,描述了行为建模需要的认知、学习、思维、心理等的内在机制和相关重要概念,提供了实体行为框架,针对作战实体行为建模过程中,难以体现行为心理起源和生成机制、不确定性条件下自主决策和行为适应性等难题,建立“个性分析＋环境感知＋规则表示”的行动实体模型,“思维认知＋态势理解＋任务匹配”的指挥实体模型,提升了作战实体行为模型的逼真度、智能程度和适应性.