多Agent的聚合級炮兵營CGF 設計與實現

康春農，王永良，張春娣

1.南京炮兵學院，南京211132

2.宣化科技職業學院 信息技術系，河北 宣化075100

1 引言

計算機生成兵力（CGF）是指仿真戰場環境中由計算機生成和控制的仿真實體，仿真實體可能對應一個分辨率較低的模型也可能分解成分辨率較高的多個模型[1]。這種多粒度（多分辨率）CGF 模型在分布交互式作戰仿真中占有重要地位，可以通過模型高低分辨率之間的動態轉換（聚合和解聚）實現對作戰實體不同細節度的模擬，來滿足不同作戰規模仿真的需要，減少仿真節點，節省仿真資源。

CGF 系統中的模型可以看做具有不同功能的智能體（Agent）、聚合級的Agent 實體，除實體的物理行為仿真外，指揮決策仿真是其主要功能，最底層的Agent 則主要仿真實體的物理行為。Agent一般由6 部分組成[1]：感知模塊、知識庫、決策模塊、學習模塊、行動模塊、通信模塊，如圖1。主體通過感知模塊來感知外部環境，對環境信息做出一定的處理，并送到決策模塊；決策模塊在知識庫的支持下，根據從感知模塊得到的外部環境信息做出決策，將決策結果傳送給行動模塊與通信模塊；行動模塊則根據傳入的動作命令做出相應的動作，對外部環境做出響應；通信模塊主要用來處理Agent 之間的信息交換；學習模塊的職責是從Agent的不斷運行過程中總結經驗，為知識庫增加新的知識。

炮兵營是基本的火力執行單位，內部作戰單位間交互信息繁雜而緊密，其與外部單位交互信息清晰可探查，應該以一個仿真節點模擬炮兵營作戰行為。本文以某型火炮炮兵營為研究單位，給出了多Agent的聚合級炮兵營CGF體系結構，分析了重要作戰單位模型間的信息交互方式和內容以及模型解聚的策略，在此基礎上實現了一套仿真系統。

圖1 Agent一般結構圖

2 需求分析和仿真系統體系結構

2.1 系統需求分析

依據課題和實驗室建設的需要，需要構建炮兵營CGF系統，為后續師團級炮兵作戰對抗仿真系統搭建基礎平臺。炮兵營CGF 需要具備以下幾項功能：

（1）能夠模擬自行火炮、牽引火炮、火箭炮三類炮兵營的作戰活動。

（2）能夠在陸戰場聯合作戰背景下模擬炮兵營戰備等級轉換、行軍、開進展開、作戰4 個階段全過程的作戰活動。

（3）能夠訓練炮兵營指揮人員對炮兵營的指揮能力，尤其是對突發情況的處理。

（4）保障仿真的真實性，利用面向對象的系統分析方法和系統設計方法，使用統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）圖形化語言建模，使用頒發的地理數據信息搭建地理信息平臺，利用正則表達式解析文本格式的命令。

（5）能夠驗證軍事運籌學科構建的各種算法，例如觀察所、炮陣地的地域選擇算法，對敵目標的偵察選擇算法等。

2.2 仿真系統體系結構

為了給炮兵營CGF 提供一個陸戰場的聯合作戰環境和展示平臺，采用高層體系結構（HLA）技術搭建仿真結構[2-3]，設計了5 個聯邦成員，如圖2 所示，每個聯邦成員運行在一個節點機上，數據庫運行在一臺節點機上。聯邦成員間的作戰信息通過運行支撐環境（Run-Time Infrastructure，RTI）進行交互，仿真控制信息，例如仿真開始、結束等信息通過局域網套接字編程通信。各個聯邦成員工作流程如下所示。

圖2 炮兵營CGF 仿真系統結構圖

（1）導調成員：與炮兵營CGF 成員通過局域網套接字編程通信協商啟動仿真程序；從數據庫中讀取部署信息和模型設置信息，或在二維電子地圖上重新編輯，將這些信息寫入數據庫進行存儲以備下次應用，然后通過RTI 發送給其他聯邦成員；啟動仿真主線程，運行紅藍雙方作戰模型，導調這些模型的作戰行為，為戰場提供一些突發情況，例如衛星過頂等，將這些模型的行為結果和突發情況通過RTI 傳送給其他聯邦成員；模擬炮兵團指揮機關對炮兵營進行命令控制，下達的命令和收到的炮兵營報告信息通過RTI傳送。

（2）炮兵營CGF 成員：與導調成員通過局域網套接字編程通信協商啟動仿真程序；啟動仿真主線程，生成紅藍雙方作戰模型的映像模型，運行炮兵營模型；依據接收到的命令指示，炮兵營模型確定作戰階段，必要時進行解聚，結合命令指示、地形信息、戰術數據庫、映像模型的信息進行行為決策，并進行動作，將動作結果通過RTI 發送給其他聯邦成員，將階段炮兵營整體模型狀態存入數據庫。

（3）數據記錄分析成員：收集導調成員和炮兵營CGF成員發送的各種信息，讀入數據庫進行記錄，分析本次仿真的記錄數據，評估指揮員的指揮能力和水平。

（4）二維顯示成員：依據上級頒發的數字地理數據生成二維電子地圖，從導調方和炮兵營CGF 方接收信息，展現二維戰場態勢，包括二維作戰模型的顯示、移動、毀傷、射擊等。

（5）三維顯示成員：依據上級頒發的數字地理數據生成三維戰場環境，從導調方和炮兵營CGF 方接收信息，展現三維戰場態勢，包括三維作戰模型的顯示、移動、毀傷、射擊等。

考慮到作戰實體數目較多，而且為了適應將來方便的增加作戰模型，同時也為了降低各聯邦成員間的耦合度，設計在RTI 網絡上交互的信息只有4 類：模型信息、射擊信息、命令指示和報告、輔助信息。

模型信息對應作戰模型，為保障模型的一致性，采用了3 層身份鑒定方法。例如，藍軍機步營1 連機步排1 排ID是020101-J-1，020101 代表所屬單位，02：藍軍，01：機步營，01：1 連，J 代表本身性質：機步排，最后一個1 代表標號：第1 排，這樣可以在網絡上唯一確定一個模型信息的歸屬。每個模型有3 個狀態{appear，exist，disappear}，分別代表出現、存在、消失，有了這些信息模型在各個節點上的維護就有了保障。

射擊信息包括彈種、起點、終點等信息，各節點依據天氣信息和地形數據對射擊信息進行維護，這樣可以減少網絡上信息的流量。

命令指示和報告目前根據其特殊格式分別進行公布和訂購，將來計劃采用正則表達式對文本格式字符串進行解析。

輔助信息包括作戰時間、仿真時間、時間推進比例、天氣，這些信息由導調方生成并發送給其他聯邦成員，作戰時間、仿真時間由其他聯邦成員自己在仿真循環中不斷計算更新。

3 多Agent的聚合級炮兵營CGF 結構

3.1 體系結構

圖3 某型火炮炮兵營多Agent的聚合級炮兵營CGF 體系結構圖

炮兵營在不同作戰階段其仿真的粒度是不一樣的，比如戰備等級轉換階段，關注的是炮兵營的整體行為，且炮兵營各單位駐地在一起沒有必要分開模擬，因此這個階段只用炮兵營模型模擬即可。但開進展開階段和作戰階段就有必要分解出偵察車輛、下級指揮車和單炮車等模型，因此炮兵營整體模型必然是聚合級的。無論是聚合級的炮兵營模型還是解聚開的各子單位模型，都具有自主決策能力、對外部環境感知能力、行動能力和與其他模型進行通信的能力[2-3]，這些模型將綜合應用天氣、地形、戰場環境、上級命令等信息進行決策，然后進行物理行為，與其他炮兵營單位協同作戰，因此炮兵營整體模型又必然是多Agent 的，以某型火炮炮兵營為例搭建的多Agent 的聚合級炮兵營CGF 體系結構如圖3 所示。該結構由6 部分組成，分別是CGF 操作員、界面Agent、信息管理器Agent、聯邦管理器Agent、紅藍雙方作戰模型Agent、炮兵營整體模型，其中紅藍雙方作戰模型是導調方模型的映像，真實模型在導調方運行，運行結果由CGF 成員接收后更新，其目的是為炮兵營各模型提供一個聯合作戰的背景。

3.2 炮兵營整體模型的靜態結構和解聚算法

利用面向對象技術[4-5]構建某型火炮炮兵營各單位靜態組織結構，如圖4 所示。炮兵營各單位分別對應一個類，類間關系主要是組合關系（實心棱形箭頭），例如炮兵營指揮車組合了各連指揮車，表示各連指揮車是營指揮車的一部分，是一種同生共死的關系，整體有創建和銷毀部分的義務和權利，整體消亡部分必然消亡。在這里利用了指揮關系進行結構建模，而沒有利用編制情況，主要是考慮到便于組織協同、解聚，以及減少模型個數。炮兵營指揮車是炮兵營的部分，在戰備等級轉換階段和行軍階段，以炮兵營這個Agent 模型模擬整個炮兵營的行為，當接收到展開指令后，炮兵營模型創建子部分炮兵營指揮車，炮兵營指揮車創建它的子部分，模擬炮兵營的任務由炮兵營過渡到炮兵營指揮車為龍頭的整個炮兵營模型中去，炮兵營模型具有控制臺的功能，控制著解聚的過程。

圖4 炮兵營整體模型的靜態結構圖

具體的解聚算法偽代碼為：

炮兵營.circumvent（）{

如果狀態為日常訓練

為保證消防車輛全力救災，美豐加藍積極行動、統籌協調，與當地經銷商攜手，迅速成立“美豐加藍支持災區建設服務隊”，并攜帶美豐車用尿素及加注設備前往青州消防支隊和救災前線，為消防車輛提供美豐車用尿素及加注服務。

如果接收到戰備等級轉換命令

設置狀態為戰備等級轉換；

否則執行日常訓練工作；

如果狀態為戰備等級轉換

如果接收到行軍命令且戰備等級轉換工作已完成

設置狀態為行軍；

否則執行戰備等級轉換工作；

如果狀態為行軍

設置狀態為開進展開；

否則執行行軍工作；

如果狀態為開進展開

如果炮兵營指揮車不存在

生成炮兵營指揮車及下屬單位；//將開進展開狀態和炮兵營參數數據傳給營指揮車及下屬

發送炮兵營指揮車及下屬單位生成消息；

發送炮兵營模型消失消息；

如果炮兵營指揮車已存在

炮兵營指揮車.circumvent（）；//如果炮兵營指揮車感知到各子單位已展開完畢，發送戰斗進行狀態給炮兵營

如果狀態為戰斗進行

炮兵營指揮車.circumvent（）；

}

其中加粗的字體代表仿真模型，15、16、17、18 行代碼為解聚過程，20、23 運行的是解聚開的模型。炮兵營模型控制著解聚的過程，且只是發送了自身消失的消息（18行），在這個仿真節點并沒有真正刪除該模型，但在其他節點看來該模型已由解聚開的模型替換掉了，這主要是為了減少模型個數，簡化管理層級[2-3]。

3.3 Agent間通信內容和通信方式

由于多個Agent 組織在一起，Agent 間的通信內容和通信方式的建模是仿真設計的重點和難點，也是炮兵營CGF設計成敗的關鍵[2]。炮兵營內部采用直接通信方式，炮兵營外部接口是炮兵營模型或炮兵營指揮車模型，他們與其他Agent 間的通信工作原理如表1（表中編號為圖3 中數字序號）。

表1 所設計的通信原理能夠保障如下幾個功能：

（1）支持人在回路或人不在回路。來自9、10 的炮兵團命令可以直接驅動炮兵營整體模型，實現人不在回路的仿真，或者將9、10 信息通過11 反映到界面上，由操作員編輯命令，通過1、2 信息傳遞驅動炮兵營整體模型，實現人在回路的仿真。

（2）滿足聚合模型和解聚模型的需求。炮兵營作為聚合模型，接收2、9 信息，解聚開之后，炮兵營指揮車接收10、13 信息，再傳遞給子模型，2 和13 信息格式和內容是一樣的，9 和10 信息格式和內容是一樣的，且都是采用的黑板通信，處理決定權只在炮兵營模型和炮兵營指揮車模型。

（3）為炮兵營各模型提供了充足的信息。來自2、9、10、13 的命令信息驅動仿真的進行，6、8 信息提供天氣、作戰模型等戰場環境信息，另外還有來自數據庫的戰術數據庫和地形數據庫，保障了炮兵營各模型運行所需數據的充足。

表1 炮兵營CGF 模型Agent間的通信工作原理

（4）有利于仿真系統的穩定。炮兵營整體模型內部直接通信；利用黑板通信接收其他Agent的信息；通過15 向其他聯邦成員發送模型信息、射擊信息和上報報告信息，這些信息格式固定，而且只管發送不用維護。這樣就將炮兵營內部復雜的交互與其他Agent 和其他仿真節點隔離開來，形成了高內聚和松耦合。

4 仿真應用

使用VC2005 開發工具、BCG 界面庫、MGS 地理信息系統、項目組開發的GDI+繪圖程序、HLA 技術、套接字局域網通信技術、多線程技術、視頻播放技術、OGRE 三維渲染技術等[6]，實現了導調方、炮兵營CGF 方、二維顯示方、三維顯示方4 個節點，導調方和CGF 方都以模型為中心，以領域驅動進行開發設計，以面向對象技術組織和建設這些模型。其中導調方運行著非炮兵營各單位的模型，維護著炮兵營整體模型的映像信息，展現二維態勢和簡易動畫，向炮兵營發送命令，展現炮兵營整體模型和其他模型的動作狀態報告。炮兵營CGF 方運行著解聚前和解聚后炮兵營各單位模型，維護著非炮兵營各單位的模型信息，接收導調方的導調信息和命令信息，展現炮兵營的動作狀態，為二、三維顯示成員提供數據。截取的運行界面如圖5 和圖6所示。從多次仿真運行的情況來看，導調方的命令和導調信息能夠得到CGF 方及時的反應和回饋，各模型的毀傷計算、機動實施計算能夠及時反映到界面上來，沒有邏輯上的錯誤，而且仿真運行過程流暢，有很高的安全性和穩定性。總體上來看，能夠支持炮兵營CGF 系統的需要，以及模擬整個4 個階段的炮兵營活動。炮兵營各作戰模型以及紅藍雙方作戰模型設計還比較簡單，今后在本文設計的技術框架基礎上，將豐富各個作戰模型，力爭將炮兵營CGF系統融入到師團以上級別的仿真系統中去。

圖5 導調方運行時截圖

5 結論

將炮兵營內部各模型和外部模型都看做Agent，并給出它們的構成和組織關系，通過分析它們之間的通信內容和方式，確認了各Agent 的功能和職責。本文設計的多Agent 的炮兵營CGF 結構不僅能實現人在回路和人不在回路的仿真，也能夠順暢的實現解聚前模型運算到解聚后模型運算的切換，保障了炮兵營各作戰單位模型運算數據的充足性，并且保障了炮兵營整體模型內部間的高內聚和與外部的松耦合。以該模型為中心實現了系統仿真，仿真運行結果表明本文的設計合理且有效，能夠滿足炮兵營CGF系統建設的需要。今后，將以本文設計為平臺充實炮兵營各作戰單位模型，在一個節點機上力爭真實地模擬整個炮兵營的行為。

圖6 炮兵營CGF 方運行時截圖

[1] 郭齊勝，楊立功，楊瑞平.計算機生成兵力導論[M].北京：國防工業出版社，2006.

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