机载多智能体任务系统研究

王文豪，高　磊，胡盛华，庞海龙，翟保磊

（中国航空无线电电子研究所，上海　200233）



机载多智能体任务系统研究

王文豪，高磊，胡盛华，庞海龙，翟保磊

（中国航空无线电电子研究所，上海200233）

摘要：依据云架构背景下战斗机任务系统的作战需求，结合人工智能技术在航空领域的应用研究，提出了机载多智能体任务系统的概念。分析了任务系统的任务架构和功能架构，研究了多智能体任务系统的运行原理和基于OODA的并行任务管理机制，为战斗机智能化任务系统总体设计提供了参考思路，并可进一步推广至无人机领域。

关键词：云架构，多智能体，任务系统，任务合成

1　概述

未来战争依赖于体系作战，作战云架构作为一个作战整体，能够对作战空间的信息进行收集、处理、存储和分发，自动统一态势和数据共享，完成战场管理。战斗机是作战云架构中完成作战使命的一个重要节点，其航电任务系统不再单一服务载机平台，而要纳入整个云架构中，智能化适应作战云架构的实时作战需求，综合调度管理平台资源完成任务。

本文研究了作战体系到作战飞机，作战飞机到航电任务系统的发展需求，分析了基于云架构的未来航空电子系统逐步向信息化、综合化、智能化的开放性体系架构发展；根据近年来人工智能技术在航空科技领域的应用，探讨了基于云架构的战斗机智能体任务系统概念；对智能体任务系统的任务架构、功能架构建立方法进行研究，给出了运行原理和任务管理机制。

2基于云架构的作战需求

2.1体系作战发展需求

美国提出网络中心战，并为将陆海空天不同信息系统整合在一起制定了从C4I到DODAF2.0的框架结构，体系作战发展领先各国［1］。俄罗斯有学者强调高精度武器集成到各种兵器并联合成集侦察、程序保障、控制、投送和毁伤手段密切协调的武器系统，接受统一的指挥与制导［2］。

作战云架构依靠各交战平台提供的探测、决策控制、武器攻击、制导等功能服务，实现机群协同的任务组合，从而形成基于机群协同的目标探测、识别与跟踪、武器发射与制导、机群协同防御能力。

2.2任务系统发展需求

航空武器装备主要参与信息化战争中的空中作战，其作战样式主要包括综合电子进攻、夺取制空权、远程战略精确打击、空中战役进攻、战场火力支援、协同防空、战术反导、战役空降、远程力量投送和空基反卫星等作战样式［3］。

美国F35是网络中心战思想的产物。俄罗斯T50的首要任务就是要成为对抗美国的F22和以F35为代表的北约空中力量的一种利器［4］。F35和T50的产生和军事应用息息相关，任务系统以设计满足作战需求为核心目标。

文献［5］提出了面向航电领域基于基础设施层、功能层、应用层的航空电子云架构。新型航电架构从任务架构、功能架构、物理架构等角度分析，与云架构紧密结合，向信息化、综合化、智能化的开放性体系架构发展。

3多智能体任务系统架构

3.1多智能体任务系统概念

智能体（Agent）是指驻留在某一环境下，能持续、自主地发挥作用，具备驻留性、反应性、社会性、主动性等特征及与任何其他机器相交互的计算实体，不仅具有知识的求解能力，而且能在动态、不确定的环境中及时地获取知识［6］。

国内对智能体在航空领域的应用作了许多研究，部分内容经过了仿真验证［7-10］，但是对多智能体在任务系统的应用未作深入研究。基于已有研究提出概念如下：

云架构智能体任务系统：面向作战使命，在网络作战体系下组合资源，构成分布式作战系统，分别承担作战逻辑相关节点，在统一协议支持下，管理并驱动实元节点发挥作用完成任务。

战斗机多智能体任务系统：面向战斗云智能体任务系统对节点的驱动任务，由系统级管理智能体进行云平台之间的协同，对作战飞机所有的智能体模块进行订制管理，将传感器、决策者、武器等均作为智能体模块，向系统级管理智能体提供服务。

3.2任务架构

任务系统实现本机作战任务的组织，需要根据典型作战想定生成相应的任务集和任务定势计划，从而建立任务架构。任务架构是指任务元素及其组织关系。

文献［11］建立了基于多Agent任务分解的复杂作战任务分级框架。任务系统需要解决“阶段级任务”的组织运行管理协调问题，文献［12］重点研究了“战术级”任务协调，未给出“阶段级任务”运行协调的具体方法。

任务的分解按照计划任务→阶段任务→事件任务→功能任务4个层次分解得到。①计划任务：依据任务目标定制的任务计划，是对任务的一种抽象化描述。由作战想定分析并扩展，针对不同作战对象和使命目的，任务系统所需要执行的战术类行为。根据云架构智能体发布的“战术级任务”，任务系统生成可执行的计划任务，逐层调用任务和资源完成战术级任务；②阶段任务：为完成计划任务，定义计划任务执行过程中各个任务阶段行为［11］；③事件任务：在阶段任务中，为达到阶段目标，将其分解为由若干属性的事件，共同作用下完成阶段任务；④功能任务：在事件任务中，将事件映射到功能模式上，协作资源完成任务。

战术势：指影响决策者对交战阶段或流程等战术目的作出重大改变的条件，如突发威胁、任务改变等任务条件。

对象势：指影响决策者选择不同的策略等来达到对象目的作出调整的条件，如主辅探测通道、扫描方式等任务条件。

3.3功能架构

根据任务系统任务架构，分析支撑任务运行功能元素及其组织关系，划分不同任务域，如信息感知域、任务管理域、武器管理域等，建立功能架构。

信息感知功能是加速整个作战OODA环工作时间的关键。通过知识系统提供信息资源，任务系统以服务定制的方式对信息感知系统进行重新定义，实现智能管理平台下的信息感知，缩短感知环节的时间。下页图1展示了智能体信息感知系统的工作过程，通过介入开放式传感器技术保证了信息感知的无限增长能力；采用传感器资源列表保证了适应态势的动态智能调整能力；采用定制管理保证了多任务并行处理的能力；采用信号融合技术，保证了更高质量的信息；通过网络保证了信息共享。

任务管理功能具有融合式系统管理的特征，能够更加高效地处理战斗机各个分系统之间的信息交互与处理，任务管理系统涵盖了作战逻辑管理、探测任务管理、决策管理、武器管理等方面。采用这种架构任务管理系统实现了资源共享与感知共享，提高了指挥速度，加快了作战逻辑循环节奏，实现了自动性。

3.4运行原理

利用多智能体的特征对战斗机智能体任务系统进行建模，如图2所示。

图1　智能化信息感知功能视图

图2　战斗机智能体任务系统运行原理图

定义系统级慎思型Agent，对平台级Agent进行协调管理，并且能够与其他平台的系统级Agent进行交互。定义通讯Agent，当平台内部的信息无法满足平台作战需求的时候，就需要通讯智能体对不同平台的系统Agent进行管控，决定整个系统架构平台之间的协调、合作以及协商关系。

战斗机节点对应云架构中的一个平台系统级管理智能体，完成战斗机计划任务的协调，组级管理智能体完成阶段任务的协调。信息融合智能体、数据传输智能体等实现事件任务、功能任务的协调和处理。此外，模型中也包含了传感器管理，外挂物管理以及通讯机制管理等几个部分。

图3　作战飞机的Agent模型结构

设计7个物理模块如图3所示。通信模块提供通信机制完成信息交换；任务态势感知模块，封装数据采集、数据融合、战术势和对象势智能评估功能；任务规划模块封装任务规划和分配等功能；任务决策和协调模块封装自身行为规划、冲突检测和冲突消解等功能；认知图模块封装任务元素信息，智能学习；任务执行管理模块，封装对输出任务信息管理功能；发布模块封装信息发布功能。

系统级管理智能体通过任务规划、通信、发布模块实现。组级管理智能体通过任务态势感知、认知图、任务决策和协调、任务执行管理、发布模块实现。其他智能体通过各模块的功能组合实现。通过各模块、各层级智能体的协同，实现战斗机任务架构的运行。

4　仿真

按照本文提出的智能体任务系统概念和设计方法，建立了仿真环境。仿真环境包括战场想定单元、任务态势能力单元、任务决策单元、任务执行管理单元、功能能力监控单元、传感器仿真单元、战场管理单元。

以“战斗机4对2空空拦截作战想定”为输入，建立了长机的任务架构，如下页图4所示。分为对地攻击计划、对空攻击计划、综合规避计划、电磁对抗计划等计划任务，得到起飞、巡航、远距引导、远距搜索、中距搜索、跟踪、超视距攻击、格斗、返航着陆等8个阶段任务，进而得到事件任务、功能任务等。

战场管理单元实现如图2所示系统级智能体、平台及智能体。其他单元实现单平台仿真。任务态势能力单元实现如图3所示任务态势感知模块，利用态势通过贝叶斯网络算法自主选择任务事件，判决战术势对象势；任务决策单元实现任务规划模块和任务决策、协调模块，利用神经网络算法进行任务计划的选择、评估和协调决策；任务执行管理单元实现任务执行管理模块和发布模块，将决策后的任务信息智能转化成执行指令，发布到传感器仿真单元。认知图模块封装了任务架构中的任务元素信息，根据不同的作战想定自动增加。仿真环境通过以太网连接，采用DDS通信协议，实现通信模块。运

图4　任务架构示意图

行过程如图5所示。

图5　运行过程

主要的运行步骤如下：①预警机、指挥所智能体将接收到的信息通过通讯智能体发送给系统级管理智能体；②系统级管理智能体对输入任务进行分析，根据任务特征选择任务响应计划；③任务计划选定后，根据系统级智能体给出的任务优先级排序确定任务计划主辅关系顺序；④根据对象势的变化，实现阶段任务跃迁。如果战术势发生了变化，则系统重新生成响应计划；⑤阶段任务阶段，不同响应计划对应的任务可以按照主辅顺序并行处理，在事件任务层次，需要进行冲突消解、任务排序等步骤，最终得到最优的一条事件任务链条；⑥进入事件任务阶段后，通过组级管理智能体以及先验知识库进行事件任务的定制服务阶段，即根据事件特征向综合传感器智能体请求服务，最终完成计划—阶段—事件—功能—设备的过程。

经过仿真，长机、预警机、僚机、指挥所等云架构节点协调运行，实现了完整的空空拦截任务过程。在此基础上，相继开发了“战斗机2对1空空拦截”、“战斗机拦截轰炸机”、“战斗机对海攻击”等一系列作战想定，通过各智能体模块的学习及协同运行，实现了想定全过程。

5　结论

战斗机将自适应体系作战需求，智能切换作战角色，有效调度飞机资源完成使命任务，融入到云架构体系中，对任务系统提出了较高的智能化要求。本文探讨了智能体任务系统的作战需求和实现思路，为作战飞机任务系统设计提供参考。文中未对任务系统的具体技术实现和关键技术作深入研究，尤其对性能未做过多探讨。后续可开展智能体任务系统的进一步仿真和设计工作。

参考文献：

［1］毛翔，孟凡松.美军网络中心战案例研究［M］.北京:航空工业出版社，2012.

［2］斯里普琴科，张铁华.第六代战争［M］.北京:新华出版社，2004.

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Research on Airborne Multi—Agent Mission System

WANG Wen-hao，GAO Lei，HU Sheng-hua，PANG Hai-long，ZHAI Bao-lei
（AVIC Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200233，China）

Abstract：Base on the operation requirement of battleplane mission system in background of cloud’s architecture，and by the research on artificial intelligence used on avigation，this paper describes the concept of Airborne Multi -Agent Mission System.This paper analyzes the mission architecture and the function architecture，equally，researches the running elements of Multi -Agent Mission System，and researches the parallel mission manage elements.The content provide a way on system design of the battleplane intelligentize mission system，moreover，the content can extend through to Unmanned Aircraft System.

Key words：cloud's architecture，multi-agent，mission system，task synthesis

作者简介：王文豪（1985-），男，山东聊城人，硕士，工程师。研究方向：航空电子系统技术。

收稿日期：2015-02-25修回日期：2015-04-27

文章编号：1002-0640（2016）03-0097-04

中图分类号：TP242

文献标识码：A