基于MAS的多平臺協同作戰分布式武器目標分配研究*

宗方勇 張 森 楊立強

(海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局 重慶 400023)

1 引言

未來海上戰爭的主要作戰樣式之一是“網絡中心戰(Net-centric Warfare,NCW)”,即使用計算機、高速數據鏈和網絡軟件等,將海軍作戰艦艇、作戰飛機和岸基軍事力量聯結成一個高度集中的計算機/通訊網絡。在該網絡中,各作戰單元將在高速和連續的基礎上共享大量的關鍵信息,將會大大提高海軍作戰的反應速度、精度和有效性。網絡中心戰系統是一個分布式實時系統,具有動態性、異構性、適應性和協同性,對傳統的分布實時計算技術提出了巨大的挑戰。在網絡中心戰環境的海上戰爭,戰場態勢復雜,信息瞬息萬變,武器種類繁多,如何完成陸、海、空等多個平臺上的多種武器有效地協同作戰是一個極其復雜的問題[1]。

本文就是在以上背景的基礎提出了一種基于MAS的多平臺協同作戰目標分配方法,該方法采用了先進的分布式人工智能技術中的Agent理論[2],首先建立了基于MAS的分布式的體系結構,然后采用多個平臺分布式計算的思想建立了整個作戰過程的武器目標分配模式,并采用了一種基于合同網協議的武器目標分配策略,最后通過圖例展示與分析對算法的性能進行了研究。

2 多平臺協同作戰武器目標分配的問題描述

設海上的作戰平臺總數為I,每個平臺上有Ki種武器,主要是各種型號的艦炮和導彈,其中,i=1,2,…,I。其中,k=1,2,…,Ki,建立如圖1所示的網絡結構。各平臺間通過傳感器網絡達到了數據共享,平臺上的各武器是在平臺之上并且受對應平臺的直接控制。

圖1 多平臺協同作戰的平臺武器關系圖

要防御的目標主要有彈道導彈、巡航導彈、反輻射導彈等,在網絡信息共享的條件下,幾個平臺的傳感器構成傳感器網絡,它們可以隨時感知目標,在整個防御過程中,如何制定有效的武器目標分配策略才能達到最佳的防御效果。根據武器目標分配實時性的特點,其分配不可能是整個作戰過程的最優,為此,將每個平臺看作分布式計算的一個節點,每個節點根據其傳感器信息向所有可能的武器發起一次目標分配。此時,若其它平臺也發現了目標同樣可以向空閑的武器發起目標分配,從而在整個網絡中形成一個分布式分配模式[3]。

3 基于MAS的分布式目標分配的體系結構

為了實現上面的分配思想,首先應建立基于MAS分布式分配的體系結構,由兩種智能體模型組成,分別是平臺智能體(Platform Agent,PA)、武器智能體(Weapon Agent,WA),其詳細結構如圖2所示。

3.1 體系結構

圖2中,T1、T2、…、Tn表示整個網絡中要執行的任務,任務一般由一個或多個要打擊的目標構成,存貯于相應地PA中,并由PA根據傳感器的信息隨時進行更新;WA(1,1)表示第1個平臺的第1個武器智能體(WA),一個平臺內的指揮員、PA、WA和傳感器構成局部網絡,多個平臺間構成完整的作戰網絡。

圖2 基于MAS的分布式目標分配的體系結構

WA接收來自PA的指揮并執行由PA發布攻擊指令,具體的發射參數解算與發射控制由WA自己完成,此外在緊急可特殊情況下,WA也接收由指揮人員的直接控制。在WA進行武器解算和發射的過程,其目標的動態信息直接來自于傳感器網絡。

從系統的體系結構中可以看出,WA智能體是以平臺上的武器為基礎而建立的,以武器為單位選擇智能體是因為每個武器具有自己的能力,它的一些相關性能參數對每個武器系統來說是基本相同的,便于智能體對相關參數的計算。下面分別對平臺智能體和武器智能體進行介紹。

3.2 平臺智能體

PA對應于網絡中的每個作戰平臺。平臺智能體PA主要由以下幾部分組成:知識庫、數據庫、任務分配模塊、推理決策模塊、任務管理模塊,以及通信模塊構成,其結構模型如圖3所示。

圖3 平臺智能體(PA)結構示意圖

PA的設計原則是按照程序自動執行的,以獲得快速的反應時間,其與指揮員交互的環節均由平臺指控系統或武器火控系統完成。

PA的知識庫內容為靜態知識,主要包括進行作戰網絡武器目標分配所需的信息,比如武器之間相互影響因素、火力和電磁兼容信息等。

數據庫的內容為動態信息,包括目標的更新信息、武器當前使用情況、作戰網絡態勢變換信息等動態變化的信息。數據庫的動態信息在需要的時候可以轉化為知識庫的靜態知識,其自身的內容也可通過通信模塊接收外部信息進行更新。

任務分配模塊:與其余平臺協同完成武器目標分配任務;

任務管理模塊:對任務進行管理,如增刪、修改等;

推理決策模塊:負責對PA接收到的協同指令進行分析處理;

通信模塊為WA提供統一的接口形式,完成與WA、指揮員、傳感器和其它PA的通信。

3.3 武器智能體

WA對應于編隊中的每個武器系統,根據武器系統的特性[3]及模型的特點,主要應由知識庫、數據庫、學習模塊、效能評估模塊、目標分配模塊、其它模塊等構成,其基本結構如圖4所示。在協同決策中用到的幾個部分介紹如下:

圖4 武器智能體(WA)的結構示意圖

1)知識庫的內容為靜態知識,主要包括該WA自身的能力信息即有關的屬性、性能、效能評估參數、效能評估和目標分配的工作日志文件等;其中有些信息和參數可以由學習模塊進行修改。

2)數據庫的內容為動態知識,主要有當前WA的狀態和PA發送的實時目標信息組成。

3)效能評估模塊主要是采用設定的數學模型對當前幾個武器系統的打擊效能進行評估。

4)目標分配模塊主要完成合同網分配過程中的相關消息傳遞和合同建立行為。

5)通信模塊為WA提供和PA統一的接口形式,完成與PA、傳感器網絡和其它WA的通信。

4 基于同網協議的目標分配

合同網協議[4～5](Contact Net Protocol,簡稱CNP)是MAS中經典的資源分配算法,它模擬市場中的招投標行為:招標者有一項任務需要處理,將之在市場上招標,同時說明任務的性質和要求。投標者根據自身資源情況計算完成該任務的質量、成本、時間等,折合成投標值反饋給招標者。招標者根據投標者的標值選擇最后的中標者,并與之簽訂合同,將任務交由它處理。其基本過程可以用以下四個過程來描述:

1)當PA發現目標時,由PA的任務管理模塊將目標轉化成任務,然后由PA結合知識庫中所有WA的能力和狀態信息,選擇適當能力和數目的WA,并同時向選中的候選WA發送當前任務;

2)候選WA根據當前任務,由其效能評估模塊根據知識庫的信息做出自己對任務完成情況的評估,并以參數Pij等的形式上報給PA;

3)PA根據任務分配模塊中的評價模型,結合候選WA發送的參數數據,最終給出武器對目標的分配方案,并將方案發送要執行的候選WA;

4)選中的WA執行指派的任務,并隨時上報任務執行情況。若任務完成,則由PA的任務管理模塊刪除該任務,若沒有完成,則由PA作為新任務進行重新分配。

以上就是一次分配中基于合同網協議的四個過程,可以總結為合同網協議中的招標、發標、中標和建立合同的一個工作流程。這種分配方式可以很好得處理整個作戰網絡遇到的其它情況,充分表現了算法良好的適應性,在此考慮兩個特殊情況的分配:

1)當有新目標出現時

當系統檢測到新目標時,可以直接將新目標作為新任務執行。分配時,在目標出現前整個系統分配結果的基礎上,由某個PA主持對新任務進行基于合同網的分配,將新任務分配給空閑的WA。

2)當有平臺損失時

當系統檢測有平臺損失時,可以將損失平臺的任務作為新任務來執行。分配時,同樣在平臺損失前整個系統分配結果的基礎上,由某個PA主持對新任務進行基于合同網的分配,將新任務分配給空閑的WA。

5 實例與分析

現采用提出的分布式模式及合同網協議對多平臺協同作戰情況下遇到的情況進行分配,具體的態勢如下:

圖5 基于CPN的分布式分配

1)t1時刻,PA1平臺對任務T1進行分配;

2)t2時刻,PA4平臺對任務T2進行分配;

3)t3時刻,PA3平臺對任務T3進行分配;

4)t4時刻,PA1平臺對任務T1重新進行分配;

5)t5時刻,PA4平臺退出戰斗。

從整個分配算法及思想來看,該分布式武器協調算法充分體現了以下三個特點:

1)首先是整個分配的體系結構是分布式,進行分配的算法也是分布式。各平臺和武器之間是平行關系,在整個分配過程中沒有主次之分,任何一個平臺都可以做為一次分配的發起者,任何武器都可以做為一次分配的響應者。

2)整個分配過程體現了動態性。該武器協調算法可以很方便地應對作戰過程中敵我發生的新情況,如發現新目標,或者個別平臺和武器因某種原因退出戰斗等。

3)整個分配過程充分利用了各平臺和武器的交互。各平臺通過與位于不同平臺的武器進行交互完成武器協調,通過交互使武器協調是在共享整個網絡信息的基礎上合理有效進行。

6 結語

多平臺海上協同作戰面臨的環境極其復雜,必須實時處理大量的動態信息,隨時做出攔截決策,遠非指揮員人力可以勝任,因此自動化、智能化的輔助決策系統是提高協同作戰效能的重要保證。本文提出利用MAS技術來分析、構建多平臺協同作戰的分布式空輔助決策系統,建立了系統的體系結構模型,并重點研究了相關的基于合同網的分布式目標分配算法。當然本文也只是提出了一個初步的結構體系,諸如整個系統的仿真及其分配算法的改進這將在以后的工作中進一步進行完善。

[1]郁軍,賁可榮等譯.網絡中心戰與復雜性理論[M].北京:電子工業出版社,2004,9

[2]賈得民,劉剛,秦勇.基于智能Agent的動態協作任務求解[M].北京:科學出版社,2007,9

[3]邢昌風,李敏勇,吳玲.艦載武器系統效能分析[M].北京:國防工業出版社,2007,10

[4]Smith,R.G.The contract net protocol:High-level communication and control in a distributed problem solver[J].IEEE Transaction on computers,1980(12)

[5]張海俊,史忠植.動態合同網協議[J].計算機工程,2004,30(21):44～57