網絡中心戰下C2系統的建模、實現與驗證?

金 亮

（北京西三環中路19號 北京 100841）

網絡中心戰下C2系統的建模、實現與驗證?

金 亮

（北京西三環中路19號 北京 100841）

針對網絡中心戰下指揮與控制系統的特點，建立了一種基于多Agent的指控系統體系結構模型，給出各智能體的內部結構模型，詳細描述了指控體系多Agent模型的UML實現過程。以網絡中心戰下多機協同空戰為例，給出作戰指揮控制的具體工作流模型，并通過Petri網驗證了該模型的正確性和可行性。

網絡中心戰；指揮控制系統；多Agent系統；UML；Petri網

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，現代戰爭正朝著網絡化方向發展，網絡中心戰（Net Centric Warfare，NCW）成為未來戰爭發展的必然趨勢。指揮控制系統（Command and Control System，C2）作為網絡中心戰的核心環節，對其過程進行科學合理的建?？梢源蠓岣呦到y作戰效能。

目前，國內外提出了許多關于指揮控制系統的參考模型，如 ：SHOR（Stimulus-Hypothesis-Op?tion-Response）模型、Lawson C2過程模型、OODA（Observe，Orient，Decide，Act）環模型、CECA（Cri?tique-Explore-Compare-Adapt）認知模型［1～2］等。為了實現指揮控制系統的智能化，國內外學者做了大量的研究工作，文獻［3］給出了面向NCW的C2過程模型，以過程模型和MOM框架為核心構建了面向復雜網絡的C2系統概念性模型框架。文獻［4］提出基于多智能體的一體化聯合作戰指揮控制系統仿真方法，構建了作戰想定開發環境，結合一體化聯合作戰的指揮模式，分析了基于多智能體的指揮控制系統的運行體系結構。文獻［5］給出了網絡中心戰環境下戰術信息的分發過程，并結合編隊協同對地攻擊作戰環境給出了節點戰術信息分發過程的Agent模型。

為了更好地描述C2系統，本文從一體化聯合作戰的角度出發，對網絡中心戰下的指揮控制系統進行多Agent建模，并給出各Agent的具體結構模型。在具體實現方面，使用UML（Unified ModelingLanguage）語言對各Agent進行描述，并結合進程和多線程技術對系統進行仿真。最后，使用Petri網對所建模型結構的邏輯性進行檢驗。

2 網絡中心戰下C2系統特點

網絡中心戰下指揮控制系統具有信息傳輸快、打擊精度高、協同能力強等特點。網絡中心戰強大的作戰能力主要來源于信息網絡支撐下的作戰體系結構。其中，多種傳感器、多個指揮中心、多種武器平臺之間

形成一個統一高效的大系統，各子系統間實現戰場態勢、武器裝備、作戰信息等作戰資源的共享［6～7］。

與傳統平臺中心戰的樹狀指揮控制結構不同，網絡中心戰對指揮控制系統提出了更高的要求。網絡中心戰環境下各作戰單元之間的配合需要高度協調，各級指揮控制中心需要共享戰場信息，相互密切配合，進而形成橫向連通、縱橫一體的指揮控制網絡。

3 基于多Agent的C2系統體系結構模型

網絡中心戰下指揮控制系統是一個多Agent系統（Multi-Agent System，MAS），指控系統中不同等級的各個節點對應MAS中不同等級的智能體。本文對網絡中心戰下C2系統的體系結構進行多Agent建模，具體模型如圖1所示。

系統包括信息探測Agent、態勢感知Agent、指揮中心 Agent、輔助決策 Agent、武器平臺 Agent、效能評估Agent、網絡通信Agent和云端數據庫。具體的作戰指揮控制流程如下：首先，信息探測Agent通過傳感器網絡對戰場環境實施實時、全時空、全頻域的偵察監視。其次，態勢感知Agent通過數據融合對搜集的戰場數據進行綜合分析，并將初步分析結果傳遞到指揮中心Agent。然后，指揮中心Agent將參考輔助決策Agent提供的輔助決策信息，通過內部子系統將作戰命令下達至各武器平臺Agent，各武器平臺根據具體的作戰命令對具體目標進行火力打擊。最后，效能評估Agent對各武器平臺的作戰效能進行評估，并將評估結果反饋至指揮中心Agent，用于決定是否需要對目標進行二次打擊。整個作戰指揮控制過程中由網絡通信Agent負責各智能體間的信息交互，它架起了各智能體間通信的橋梁。

下面分別對系統中的幾個核心智能體結構進行介紹。

3.1 信息探測Agent

預警機、地面雷達網絡、艦載防空雷達、天基探測偵察衛星、有人/無人偵察機、作戰飛機探測系統（雷達和光電）等是網絡中心戰下信息探測Agent的主要作戰單元。信息探測Agent的主要任務是獲取戰場信息并對數據進行預處理。其結構模型如圖2所示。各模塊功能如下［8］：

1）環境感知模塊：通過傳感器網絡實現戰場環境信息的實時獲取。

2）目標模塊：通過通信模塊接收上級下達的任務信息生成所需達到的任務目標。

3）推理模塊：利用當前戰場環境數據，結合任務目標和知識庫，做出相應的決策。此外，推理模塊還不斷地總結經驗，為知識庫增加新的知識。

4）執行模塊：主要描述Agent獲取目標時的行為，并將決策信息輸入到相應的控制機構中。

5）威脅告警模塊：結合獲取到的戰場環境信息，對可能存在的安全隱患產生報警信息。

6）知識庫：該模塊是指導信息探測Agent高效有效的核心，其中主要包括推理知識和控制知識。

7）通信模塊：一方面，實現信息探測Agent與其他Agent的信息交互。另一方面，實現知識庫與云端數據庫之間數據的共享。

3.2 指揮中心Agent

網絡中心戰下的指揮中心Agent包括：地面指揮中心、空中指揮中心和海上指揮中心。指揮中心Agent是網絡中心戰下C2系統的核心Agent，其主要由知識庫、態勢情報處理模塊、推理決策模塊、任務分配模塊、協同作戰模塊、導航模塊、人機交互模塊和通信模塊構成，具體結構模型如圖3所示。其中，態勢情報處理模塊負責對態勢感知Agent上報的戰場態勢信息進行處理；推理決策模塊結合知識庫中已有的知識對得到的戰場態勢信息進行綜合處理，生成具體的作戰任務；任務分配模塊和協同作戰模塊分別負責作戰任務在多種武器平臺之間的分配和協調工作。為了更好地實現C2系統的智能化，人機交互模塊將負責戰場態勢信息和指揮控制過程的實時顯示。

3.3 武器平臺Agent

網絡中心戰下的武器系統網絡是由各種天基、陸基和?；淦飨到y組成的復雜網絡。為了提高作戰效能，指揮中心Agent應結合作戰任務的特點，將具體的打擊任務分配至不同的武器平臺。武器平臺Agent由知識庫、火控解算模塊、武器管理模塊、電子干擾模塊以及通信模塊構成，其結構模型如圖4所示。

在具體的空戰環境下，當載機發現目標時，武器平臺Agent通過通信模塊從信息探測Agent獲取目標和載機的運動參數，經火控解算后，選擇合適的武器類型對目標進行攻擊。此外，當信息探測Agent中的威脅告警模塊發現友機正在被攻擊時，武器平臺Agent中的電子干擾模塊會立即根據威脅情況和飛行員指令選擇具體的干擾方式對敵機進行電子干擾。

4 C2系統多Agent模型的UML實現

在多Agent模型的實現方面，可以將Agent視為對象的擴展。UML作為面向對象的標準建模語言，它自然成為描述多Agent系統模型的首選建模語言［9～11］。類圖作為面向對象模型的核心，表達了一組類和它們之間的聯系，它一方面描述了類的成員，另一方面描述了系統類與類之間的靜態關系［12］。因此，C2系統的多Agent模型可以通過類圖的方式進行描述。網絡中心戰下C2系統的總體類圖如圖5所示。此外，當C2系統采用分布式網絡結構時，可以結合進程和多線程技術將不同進程分布在不同的計算機上，各個進程之間既可以獨立運行又可以進行信息交互，進而實現C2系統的動態仿真。

活動圖既可以描述操作的行為，也可以描述用例和對象內部的工作過程，使用UML的活動圖可以詳細地描述網絡中心戰下指揮控制過程中的控制流［13～14］。為了更加清晰地描述網絡中心戰下C2系統中各個Agent之間的協作過程，本文給出了基于UML活動圖的作戰指揮控制過程，具體實現如圖6所示。

在網絡中心戰下指揮控制過程的活動圖中，使用泳道區分指揮控制過程中涉及到的不同Agent對象。使用圓角矩形表示指揮控制過程中各Agent內部模塊的活動狀態，分別使用菱形和同步棒表示指揮控制工作流的分叉和并發。

5 C2系統模型的Petri網驗證

前面對網絡中心戰下C2的建模和實現過程進行了分析，下面通過Petri網對本文所建立的模型進行驗證。

利用Petri網進行工作流模型的檢驗首先需要將基于UML的指揮控制模型轉換成Petri網。將UML活動圖轉換為Petri網的主要規則如下［15］：

UML活動圖中的狀態由Petri網中的庫所來表示；

UML活動圖中的轉移由Petri網中的變遷來表示；

UML活動圖中狀態與轉移之間的關系由Petri網中對應的庫所與變遷之間的弧來表示；

UML活動圖中的泳道在轉換過程中可以忽略。

根據上述轉換規則，可以將網絡中心戰下指揮控制過程的活動圖轉換成與之對應的Petri網模型，如圖7所示。其中P1表示開始狀態，P2表示偵察命令已經下達，以此類推，P22表示攻擊完成，P23表示結束狀態。

Petri網模型的驗證方法有很多種，主要包括：可達樹法、關聯矩陣法、狀態方程法等?？紤]到從UML模型直接轉換得到的Petri網模型中包含一些相對于性能分析而言冗余的部分，本文采用文獻［16］中Petri網模型的化簡規則對網絡中心戰下指揮控制過程的Petri網模型進行化簡。化簡后的Petri網模型及其可達樹如圖8所示。

通過對上述Petri網模型的可達樹進行分析可以發現：

1）在給定初始標識的情況下，系統的所有過程節點都有可能被執行，該模型滿足可達性。

2）系統的可達標識集是有限的。在系統運行過程中，對任意可達標識而言，其任一位置上所包含的令牌數均為0或1。由此說明系統是有界的，且整個指揮控制過程具有極好的安全性。

然而，上述模型存在死鎖｛p2，p3｝。經分析發現，產生死鎖的原因是對作戰目標進行二次打擊時存在打擊目標不明確的問題。在實際作戰過程中，輔助決策Agent應根據作戰效能確定二次打擊目標，進而完成對特定目標的二次打擊。因此需要對圖6所示的UML活動圖進行修改，改進后的網絡中心戰下C2系統活動圖如圖9所示。

對圖9所示活動圖所對應的Petri網模型進行多次化簡，化簡后的Petri網模型只包含開始庫和結束庫所，由此說明改進后的UML活動圖可以很好地描述網絡中心戰下C2系統中各個Agent之間的協作過程。由此可以判定本文提出的網絡中心戰下C2系統多Agent模型及其UML實現方法是正確、安全和可靠的。

6 結語

本文在分析網絡中心戰下指控系統特點的基礎上，建立一種C2系統的多Agent體系結構模型，并對各Agent的內部結構模型及其UML實現方法行了詳細介紹。最后，以網絡中心戰下典型的多機協同空戰為例，給出了作戰指揮控制過程的UML活動圖，并使用Petri網對其結構邏輯性進行了驗證。驗證結果表明本文提出的基于多Agent的C2系統模型可以很好地描述網絡中心戰下指揮控制系統的作戰流程，為網絡中心戰下指揮控制系統建模提供了一種新的思路和方法。

［1］李敏勇，張建昌.新指揮控制原理［J］.指揮控制與仿真，2004，26（1）：1-10.

［2］Bryant D J.Critique，Explore，Compare，and Adapt（CE?CA）：A new model for commanddecisionmaking［J］.Cs.cmu.edu，2003，105（1）：23-34.

［3］王鈺，蔣曉原，王春江，等.面向NCW的C2參考模型研究［J］.火力與指揮控制，2007，32（3）：19-21.

［4］陳永科，江敬灼，張俊學，等.基于多Agent的一體化聯合作戰指揮控制系統仿真研究［J］.軍事運籌與系統工程，2006，20（3）：3-7.

［5］張耀中，張安，李相民.基于網絡中心戰的戰術信息分發過程模型分析［J］.系統工程與電子技術，2008，30（1）：108-111.

［6］秦繼榮.指揮與控制概論［M］.北京：國防工業出版社，2012：30-36.

［7］王建剛.網絡中心戰系統及其發展［J］.電光與控制，2010，17（5）：1-5.

［8］楊嘯天，馮金富，聶光戍.基于AGENT的多機協同作戰傳感器平臺模型［J］.火力與指揮控制，2011，36（9）：100-102.

［9］郭峰，張萌.基于UML的多agent系統軟件體系結構建模研究［J］.計算機應用研究，2009，26（9）：3384-3387.

［10］Rodriguez S，Gaud N，Hilaire V，et al.An Analysis and Design Concept for Self-organization in Holonic Multi-agent System［M］.Engineering Self-Organizing System.Springer Berlin Heidelberg，2010：15-27.

［11］Hsieh F S，Lin J B.A self-adaptation scheme for work?flow management in multi-agent system［J］.Journal of intelligent manufacturing，2016，181（2）：131-148.

［12］王明昳，趙新國.基于UML/Petri網的作戰指揮可視化建模與驗證［J］.指揮控制與仿真，2009，31（5）：98-102.

［13］齊歡.系統建模與仿真［M］.北京：清華大學出版社，2004：78-85.

［14］孫國磊，李冬，李京.基于UML和Petri網的艦載機作戰指揮引導［J］.兵工自動化，2016，35（4）：76-80.

［15］趙俊峰，周建濤，邢冠男.UML活動圖到Petri網的轉換方法及實現研究［J］.計算機科學，2014，41（7）：143-147.

［16］張筠，崔哲，張宇淵.UML和Petri網的建模驗證方法［J］.火力與指揮控制，2013，38（10）：154-156.

Modeling，Implementation and Verification of Command and Control System in Network Centric Warfare

JIN Liang
（No.19 Central Xisanhuan Road，Beijing 100841）

According to the characteristics of network centric warfare command and control system，this paper establishes a structure model of command and control systembased on multi-Agent.It gives the internal structure modeloftheagent，and UML im?plementation process of the multi-Agent command and control system model is described in detail.Then，taking the multi fighterco?operative air combat as an example，the specific workflow model of combat command and control is presented，and the correctness and feasibility of the model are verified by Petri-net.

network centric warfare，command and control system，multi-Agent system，UML，Petri-net

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.001

Class Number TP393

2017年5月2日，

2017年6月22日

金亮，男，碩士，工程師，研究方向：電子信息系統。