智能仿真在軍用UUV裝備體系研究中的應用

康鳳舉, 謝 攀

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智能仿真在軍用UUV裝備體系研究中的應用

康鳳舉1,2, 謝 攀1,2

(1. 西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710072)

根據基于水下網絡戰的多無人水下航行器(UUV)集團攻擊作戰研究的需求, 在分析從面向對象仿真到面向智能仿真技術發展的基礎上, 給出了軍用UUV智能建模和仿真目標, 包括專家系統識別、智能控制決策、作戰指揮流程和戰法研究等, 指出了因智能仿真技術的引入使得多UUV武器裝備體系的研制仿真和戰術級層次上的作戰仿真這2種仿真系統在形式和內容上正趨向一致, 并初步構建了一種基于多智能體系統(MAS)的UUV編隊作戰仿真系統, 為軍用UUV智能仿真及其作戰效能評估提供了技術支撐。

軍用UUV; 智能仿真; 裝備體系; 研制仿真; 智能體; 多智能體系統(MAS)

0 引言

智能仿真技術主要體現人工智能技術與仿真技術的全面結合, 包括專家系統、人工神經網絡、定性仿真、智能體(agent)技術及多智能體系統(multi-agent system, MAS)等多項技術的應用, 雖已歷經了數十年的研究, 但在武器裝備體系中的應用仍是當前仿真領域的熱點技術之一。

目前, 在智能仿真軟件平臺研究上已有一些成果, 如美國桑塔菲研究所的仿真平臺Swarm[1], 麻省理工大學媒體實驗室的StarLogo[2], 國內開發的復雜系統分布式仿真平臺Jcass[3]。在仿真應用上, 有多個將作戰視為復雜系統而開發的多agent仿真和應用系統, 如美國海軍分析中心提出的不可約半自治自適應戰斗(irreducible semi- autonomous adaptive combat, ISAAC)模型[4], 由澳大利亞的維多利亞大學和新南威爾士大學合作開發的系統“通過生命仿真得到的可縮減的智能體戰場行為”(reducible agent battlefield behavior through life emulation, RABBLE)[5]。國內, 楊克巍建立了基于半自治作戰agent的作戰仿真系統模型[6], 尹全軍研究了agent在計算機生成兵力(co- mputer generated force, CGF)建模與仿真中的應用[7], 張明智探討了基于agent的體系對抗仿真建模方法[8], 龍濤研究了多架無人機協同作戰智能指揮控制系統[9]。

由于現代作戰環境的復雜性及瞬時性, 武器裝備實體執行作戰任務需要快速的反應能力, 這就要求武器實體必須具備一定的自主性, 作戰指揮系統具有相當的智能化程度。為此, 在武器裝備體系研制中需要深入研究智能仿真技術的開發和應用問題。而國內外有關軍用智能仿真的理論方法有待深入, 涉及基于水下網絡戰的軍用UUV智能仿真應用研究處于起步階段。本文結合軍用UUV仿真技術闡述了智能仿真研究內容及構建智能仿真系統的方法。

1 智能仿真技術是21世紀仿真技術應用的發展

仿真技術從面向過程仿真到面向對象仿真, 是一次飛躍, 從計算機語言上則是從C語言發展到C++語言。現代仿真技術的發展使仿真技術擴展到系統建模、仿真建模和仿真試驗等3項活動中, 使傳統意義上的仿真概念產生了變革。例如, 在應用仿真技術確定實際的模型方面, 提出了面向對象的建模方法, 將高度抽象的數學描述轉變為面向對象更自然方式的描述, 在類庫的基礎上實現模型拼合與重用; 在仿真建模方面, 采用模型與試驗相分離的技術, 即模型的數據驅動; 在仿真試驗方面, 將試驗框架與仿真運行控制區分開來, 一個試驗框架定義一組試驗條件, 將輸出函數定義與仿真模型分離開來等。

從面向對象仿真到面向agent的仿真, 則是另一次飛躍。對象是一種對事件、方法和屬性的封裝, 而agent更封裝了思維能力和決策行為, 從而體現出作戰武器實體的自主性和與其他agent的交互性。面向agent仿真技術的需求, 來自信息化作戰條件下武器系統和戰爭行為的復雜性。

2 智能仿真是軍用UUV技術發展仿真的需求

目前, 各類UUV正被廣泛地用于海洋資源探測、水下作業等領域。軍用UUV則是繼魚雷、水雷之后的一類新型水中兵器, 其發展目標是為了適應水下網絡戰等作戰需要, 因而應使其具有網絡化探測、中繼通信、集團攻擊等多種作戰能力, 發展方向是遠航程、大深度和智能化, 從而起到海軍水下作戰力量倍增器的作用。軍用UUV技術的發展得到了世界各國的重視, 如美國已計劃于近年研制出1 500條左右的UUV用作軍用。

軍用UUV本身的智能性、自主性, 以及由多UUV組成具有協同作戰能力的復雜武器裝備系統的研究, 將對智能仿真技術提出新的需求。這是因為水中兵器傳統的建模和仿真是以確定性和隨機統計的數學模型為基礎, 難以描述復雜武器智能自主性、戰場上復雜態勢變化和作戰指揮人員的智能決策行為。

3 軍用UUV智能仿真研究的主要內容

在UUV武器研制仿真中, 要為UUV論證、設計和試驗服務, 武器研制離不開先期論證和開發過程中不斷針對各個階段性成果所進行的一系列系統仿真試驗以及相應的效能評估。在技術開發階段, 若離開系統所處的環境, 就很難在實戰條件下全面驗證作為新技術載體的特定軟件和硬件平臺。這一階段的智能仿真內容包括以下幾個方面。

1) UUV專家系統識別及智能控制決策問題

在UUV原始系統數學模型中的智能建模對象是UUV智能識別、處理、控制和決策系統, 可以是各種專家系統知識庫、進化算法、神經網絡表達方法等。其中, 專家系統是指計算機將領域里的專家知識收集起來, 代替專家解決一些決策問題, 而智能優化算法能對一類最優求解問題進行描述, 典型的有遺傳算法、模擬退火算法、人工免疫算法、人工神經網絡和群智能算法等。

實際上, 現今的魚雷、水雷等兵器和聲納裝置一般也都裝備了具有不同程度智能識別或控制決策能力的計算機系統, 如各國的水雷中一般都有用于目標判別的水雷識別專家系統。美國早期 的MK46魚雷中就已有可以處理數百種彈道邏輯的魚雷自導計算機系統。只是在以往仿真中, 這些系統是作為被仿真的專用系統而接入仿真系統的, 這時智能仿真研究僅限定在武器的一次建模即領域專家研究的范疇。

隨著軍用UUV自適應性、自組織等較高一級智能化仿真要求的提出, 智能仿真軟件即智能的仿真建模或二次建模問題, 就需要由仿真人員開發和加以解決。特別是MAS概念的提出, 它是分布式人工智能和人工生命理論的發展, MAS技術最大特點是agent間的動態交互性, 能夠更好地適應分布、開放式的系統應用, 如規模龐大和結構復雜的多平臺多武器的作戰系統仿真問題。基于MAS的仿真利用各種agent的屬性和行為, 直接從模擬組成作戰系統的作戰個體及個體與個體之間的相互作用出發來研究系統的整體行為。

同時, 仿真人員還可進一步開發出仿真專家系統, 以作為建模的智能輔助工具。仿真建模專家系統支持用戶用其比較熟悉的方式描述仿真模型, 例如圖形、用戶接口、使用交互式監視界面和使用類自然語言處理器等。一旦仿真系統的數學模型都已獲得, 就可使用作為編程系統的應用程序生成器產生仿真模型。可以對用戶建立的仿真模型進行檢驗, 例如仿真模型的語法、詞法和一致性檢驗等。

2) 基于軍用UUV作戰應用的指揮流程和戰 法仿真

在軍用UUV作戰應用如作戰訓練、作戰評估的仿真階段, 涉及艦、艇等多基地、多平臺作戰系統及人在作戰回路的仿真問題, 需要利用人工智能來仿真人的指揮控制流程或戰法決策的思維決策行為和能力。

當前作戰系統的行為方式越來越具有自主性等特征, 系統控制變得更加分散化, 很難對其進行完善的表征和描述。在作戰仿真領域, 采用agent描述具有自主能力的作戰實體, 可真實地反映作戰過程中非武器性能方面的智能屬性及戰場中出現的各類不確定性因素, 因此使用agent來描述戰場作戰實體, 并建立基于agent的作戰仿真環境, 是進行作戰仿真的一種有效途徑。

從建模與仿真內容上, 以往的武器研制仿真著重系統動力學精確建模, 而作戰仿真則側重指揮控制流程和戰法運用。從學術上講, 這2種仿真技術的劃分是為了限制所研究問題涉及的范圍, 用系統邊界把被研究的系統與系統環境區分開來, 但仿真系統邊界的劃分是根據仿真目標的不同, 按系統和環境之間關系來劃定的, 這不是一成不變的, 隨著智能仿真技術在這2類仿真中的應用, 在構建這2類仿真系統時, 除了戰略和戰役層次作戰仿真系統外, 在戰術性作戰仿真和編隊級武器裝備體系系統研制仿真系統間的區別已愈來愈小, 采用的技術和研究的內容上存在著一致的仿真目標需求, 因此, 作戰仿真中要求研制部門提供武器的智能精細模型, 研制仿真中也要求作戰部門提供指揮控制決策模型, 這是信息化條件下軍用仿真技術發展的趨勢之一。

4 基于MAS的UUV編隊作戰仿真系統初步設計

為了研究多UUV編隊集團攻擊問題, 需要構建基于MAS的由多個UUV仿真實體組成的編隊仿真系統。利用MAS的理論和技術可解決UUV編隊協作系統的相關問題, MAS是由多個agent組成的集合, 其中每個agent是1個物理或抽象的實體, 能作用于自身和環境, 并與其他智能體通信。基于agent體系對抗仿真建模過程分為agent實體分析、agent實體結構和行為建模、agent實體交互建模、agent實體模型的封裝階段和基于MAS的綜合集成建模5個階段。

UUV編隊協作系統是一個復雜系統, 各UUV本身具有自主決策控制能力外, 相互之間具有很強的依賴性和協調性, 基于MAS的UUV編隊協作系統結構如圖1所示。該系統的特點: 1)每個UUV節點模型中包含遠程GPS衛星導航、探測、自主運動、協同控制以及聯合作戰決策功能; 2)仿真系統具備虛擬戰場態勢的實時或近實時共享能力; 3)由于聯合戰斗中協同作戰的主要樣式是以公共的規則集為基礎的自主協同, 因此仿真系統還支持交戰規則的開發。

圖1 基于MAS的UUV編隊系統結構

UUV編隊系統中的管理一般由主UUV充當, 領航主UUV中的組群管理agent接收或發射指揮平臺的任務, 進行自動任務和路徑規劃并執行任務, 通過傳感器系統感知環境, 響應環境變化, 根據環境信息決定是否進行任務路徑的重規劃, 保證任務和目標的實現。組群管理agent將導航任務進行分解, 分配至每個UUV單個實體, 對UUV成員的任務執行過程進行監控, 并能夠直接指揮其成員UUV。UUV agent之間也存在相互的通信和協調, 共同執行協同的任務, 實現編隊間的任務協同。UUV編隊系統中各agent是行為自主的, 通過交互和協同實現整個MAS系統的任務和目標, 這包括UUV成員間的交互、UUV成員和編隊管理agent的交互。

UUV編隊協作系統是基于主從式分層結構的復雜實時動態環境下的異構系統, 具有空間分布、功能分布、時間分布的特點, 能夠擴展單體UUV的感知范圍, 提高工作效率, 實現單體UUV無法或難以完成的復雜任務。圖2為基于MAS的UUV編隊協同控制與作戰仿真體系框架圖, 每個功能agent由感知模塊(sensor), 協同模塊(coordinator), 任務管理模塊(task manager)和執行模塊(executor)組成, 同時擁有自身的知識庫(knowledge base), 其知識包括狀態、相關的規則以及系統參數等。該體系框架為UUV編隊控制與作戰系統提供了運行支撐環境, 進一步的軟件開發內容有: 從開發環境對象agent, 庫中提取對象agent實例化后生成滿足遠程協同導航任務想定的控制體系和控制活動, 包括通信模塊、情報獲 取、態勢評估、群體決策和聯合行動模塊。圖2中UUV編隊系統的各agent功能模塊的實體行為結果作用于別的實體, 是agent實體之間的交互, 把主動產生并對其他agent實體施加影響的agent實體稱為主動agent實體, 接受交互并受交互影響的agent實體稱為被動agent實體。在各職能agent中, 導航數據融合agent完成各UUV的多種導航傳感器的資源分配、傳感器管理、組合模式方案生成及優化、組合導航融合濾波解算; 指揮控制agent完成UUV編隊遠程導航任務管理、航跡規劃、隊形控制以及用于協同導航定位的水聲通信方式切換, 從而確保系統通過UUV之間的協調與合作完成組群遠程導航和控制任務。

5 結束語

本文分析了智能仿真技術發展特點, 從軍用UUV武器裝備體系仿真需求出發, 給出不同仿真階段智能仿真的內容, 并初步構建了一種基于MAS的UUV編隊作戰仿真系統。而該系統中多agent組織主要局限于多元組的形式化表示方式, 尚不適應武器裝備編組的種類增多時基于agent作戰系統建模的需要, 因而需深入探討實現多agent組織模式的理論方法。

系統仿真技術學科的一些新探索表明, 系統仿真方法學正在從人、計算機同研究數學映像模型為主題的計算機輔助仿真(computer aided simulation, CAS), 逐步轉向創建人、信息、計算機融合的智能化、集成化、協調化高度一體的仿真環境的探索。可見, 信息時代的來臨正在孕育著系統仿真方法學某些新的突破。

圖2 基于MAS的UUV編隊協同導航控制仿真體系結構

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Application of Intelligence Simulation in Military UUV Equipment System Research

KANG Feng-ju1,2, XIE Pan1,2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2.Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710072, China)

To satisfy the requirement of multi-unmanned underwater vehicles (UUVs) group attack operation in underwater network warfare, the development from the object-oriented simulation technology to intelligent simulation technology is analyzed, and the items of military UUV intelligent modeling and simulation are given, such as identification via expert system, intelligent control and decision-making, operational command process, and tactical research. It is indicated that the introduction of intelligent simulation technology has made, the simulation of weapon and equipment system, and the simulation of tactical level combat for multi-UUVs towards being consistent in form and content. Moreover, a combat simulation system for UUV formation is preliminarily built based on multi-agent system (MAS), in order to offer a support to intelligent simulation and evaluation of operational effectiveness for military UUV.

military UUV; intelligent simulation; equipment system; development simulation; intelligent agent; multi agent system(MAS)

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2011)02-0151-05

2010-06-23;

2010-08-03.

水下信息與控制重點實驗室基金資助(9140C2305041001).

康鳳舉(1947-), 男, 教授, 博導, 研究方向為系統仿真理論及應用, 自動控制理論.

(責任編輯: 陳 曦)