基于Web 服务和多Agent技术的水下平台作战推演系统构建

孙宇祥,刘高峰

(海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉　430033)



基于Web 服务和多Agent技术的水下平台作战推演系统构建

孙宇祥,刘高峰

(海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉430033)

对象智能建模、模型调用管理等是水下平台作战推演系统设计与开发过程中的难点问题。基于OODA环指挥控制描述模型,刻画了水下平台作战推演的业务流程和功能,采用Web服务和Agent建模技术,建立了一种基于Web服务和多Agent技术的水下平台作战推演系统体系结构,有效地解决了作战推演模型的智能性、重用性和扩展性等问题,并给出了智能体建模的程序框架,对水下平台作战推演系统的设计与开发等具有重要参考价值。

系统结构;作战推演;Web服务;Agent建模

作战推演是指按照已知的或想定的情况和数据对作战过程进行的模仿，包括实兵演习模拟、计算机作战模拟，通常用于研究、检验作战计划,评价作战装备效能,研究探索新的作战理论等[1]。利用作战推演手段,既可对作战策略和作战计划的合理性和可行性进行验证,训练指挥员分析问题和处置事件的能力,还可以在作战想定背景下探讨新的战法[2]。因此,研究构建一个紧贴实战、模型智能、结构合理、使用灵活的水下平台作战推演系统,开展水下无人器、潜艇等水下平台的作战预案演练,对于优化水下平台作战预案以及提升训练指挥员的作战能力具有重要作用。

本文基于OODA环指挥控制描述模型,简要刻画水下平台作战推演的业务流程和功能域,将Web服务技术和Agent建模技术结合,构建一种基于Web 服务和多Agent的水下平台作战推演系统体系结构,并探讨智能体建模技术的实现方法。

1　水下平台作战推演功能界定

水下平台作战推演功能界定是构建水下平台作战推演系统的基础。目前,国内外已研发和应用了不同类型和用途的作战推演系统[4-9]。其中,联合战争系统(JWARS)是美军支持联合战役作战方案分析的模拟系统,主要包括问题域、仿真域和平台域三部分。问题域提供用于分析的目的、能够描述作战功能的软件;仿真域提供驱动仿真运行的“引擎”;平台域提供系统硬件及人机交互界面[2]。借助联合战争系统的功能界定方法,针对水下平台作战过程及其特点,采用较典型的OODA环指挥控制描述模型[10],开展水下平台作战过程的业务流程分析,刻画水下平台作战推演功能。

1.1水下平台作战业务的一般过程

水下平台作战系统的一般工作过程为:由导航设备、探测设备等完成本平台和目标相关信息的感知;情报分系统收集战场信息,并完成情报收集与综合处理,形成统一战术态势;指挥分系统进行水声环境和战术态势分析,辅助指挥员完成攻防决策,明确攻防方案,包括确定攻防武器类型、通道、平台占位机动方案等;武器分系统进行射击解算、发射控制,完成武器攻击和综合防御等作战活动[10]。

以潜艇为例,利用OODA环指挥控制模型,按照观察(O)-判断(0)-决策(D)-执行(A)过程[11],潜艇作战过程主要分为:预警探测、态势生成与监视、作战辅助决策、武器攻防控制等阶段,如图1所示。

图1　水下平台作战过程模型

1.2水下平台作战推演功能确定

根据水下平台作战过程划分和作战推演需求,可将作战推演功能划分为问题功能域、业务功能域和仿真功能域三部分,如图2所示。

问题功能域是开展作战推演的前提和基础,主要根据作战任务等,对不同水下平台的作战想定内容进行任务分析、功能描述和实体解析。

业务功能域对水下平台作战推演业务功能进行实时仿真,主要包括传感器侦察与探测、情报收集与综合处理、态势生成与监视、态势分析、作战辅助决策、武器攻击、综合防御等仿真功能,用于完成对水下平台作战系统的全过程仿真。

仿真功能域提供作战推演系统的控制和管理能力,主要包括仿真引擎、推演控制和调度管理、作战环境与兵力仿真、想定编辑与生成、作战推演工作界面和辅助工具等,用于支撑水下平台作战推演系统的仿真运行。

图2　水下平台作战推演功能域划分

2　水下平台作战推演系统结构构建

2.1水下平台作战推演系统的基本组成

根据功能界定,水下平台作战推演系统主要由导控分系统、水下平台模型仿真分系统、环境与兵力仿真分系统、作战推演工作台和推演资源库等组成,通过仿真服务总线(SSB)建立各部分的连接关系,如图3所示。

图3　水下平台作战推演系统组成

导控分系统是水下平台作战推演系统的管理与控制中心,主要包括想定编辑与生成、仿真运行控制、推演事件生成与管理、推演效果评估、推演过程记录与回放、战场态势显示、推演数据管理等功能构件,用于导控人员对整个水下平台作战推演实施进行控制和管理。

水下平台模型仿真分系统是水下平台作战推演系统的核心组成部分,主要由传感器模型、情报模型、指挥模型和武器模型组成,每部分分别包括若干子功能构件,用于完成水下平台作战系统的业务功能仿真。

环境与兵力仿真分系统是水下平台作战推演系统的基础,用于生成和维护战场环境、作战实体,提供作战区域的地理环境和主要实体等静态和动态信息。

作战推演工作台是水下平台作战推演系统的人机交互界面,主要用于指挥员实时监视水下平台的作战态势,使用推演辅助工具,完成推演过程中指挥与控制活动等作业任务。

推演资源库是水下平台作战推演系统的数据和模型管理中心,主要包括环境数据库、作战模型库、作战想定库、协议服务库等,为作战推演提供数据和模型服务。

仿真服务总线是水下平台作战推演系统各组成部分的互连互通部分,为服务请求者和服务提供者提供一种标准化的通信基础结构,具有发现、路由、匹配和选择的能力,支持服务之间的动态交互。

2.2水下平台作战推演系统Agent模型构成

水下平台作战推演系统的关键任务之一是建立完备且与问题求解相匹配的仿真模型体系[12]。利用多Agent建模技术,将水下平台模型仿真分系统、环境与兵力仿真分系统中的各子功能进行Agent建模,从而构建出水下平台作战推演系统的对象模型及其集成结构,如图4所示。

图4　水下平台作战推演系统Agent模型构成

环境与兵力仿真分系统主要对作战区域内的所有地理环境、海洋环境、气象环境和电磁环境进行模拟,并对作战区域中的主要作战实体、事件实体进行Agent建模,精确地仿真战场环境和兵力对抗行为等。

水下平台模型仿真分系统包括传感器模型Agent、情报模型Agent、指挥模型Agent和武器模型Agent等。其中,传感器模型Agent主要包括声纳Agent、雷达Agent、导航Agent和通信Agent等;情报模型Agent主要包括情报收集与综合处理Agent、目标运动要素解算Agent、态势生成与监视Agent等;指挥模型Agent是构成系统的核心组成成员,具有从外部获取信息的能力及一定的决策能力,能改变自身状态,并与其他实体进行交互,以完成相关的指挥控制活动,主要包括态势分析Agent、辅助决策Agent等;武器模型Agent根据作战指挥模型Agent下达的指令,协同鱼雷Agent、导弹Agent、声抗Agent等完成鱼雷攻击、导弹攻击、水雷布放及对抗防御等作战过程。

导控分系统用于导控人员对整个水下平台作战推演实施进行控制和管理,采用Web服务的方式对其进行建模。

2.3水下平台作战推演系统体系结构建立

Web服务作为仿真模型服务体系的技术设计工具,具有良好的封装性、复用性和跨平台高度集成性等特点[13]。文献[12]提出一种基于Web 服务的潜艇作战仿真平台框架,把不同类型的子系统进行模块划分并利用Web服务技术集成起来,提高了模型的重用性。但从本质上而言,其集成过程是根据流程提供的服务执行顺序及相互之间的数据传输关系进行集成,Web服务技术作为静态应用程序,只能被动地等待调用,而不能主动提供服务,难以适应水下平台作战推演系统的要求。由于Agent技术引入人工智能特性,具有自治性、适应性、反应性等特点,与Web服务相结合构成一个基于Web服务的多Agent系统,可以互为补充。

因此,以水下平台作战推演模型体系为基础,充分利用Web服务和多Agent建模两者的优势,构建一种服务化、智能化的水下平台作战推演系统体系结构,如图5所示。

图5　水下平台作战推演系统体系结构

该系统结构采用包括应用层、服务流程层、Agent处理层、Web服务层和资源层的五层体系结构,通过分层处理,削弱了系统中各模块的耦合性,使系统具有了更强的适应性。

1)应用层:该层主要由作战推演工作台和导控分系统组成,主要用于受训人员与水下平台作战推演系统之间的人机交互,以及导控人员对水下平台作战推演系统的控制和管理。

2)服务流程层:该层为水下平台作战推演系统提供OODA环作战流程,通过服务流程描述库进行存储。作用是保证用户下达某项推演指令后按照OODA环作战流程,把需要的服务类型发送给任务Agent去分配任务,然后在Agent处理层查找调用最符合作战任务的Web服务并反馈给任务Agent。任务Agent把选好的Web服务信息发送给服务流程模板,并按照服务流程的顺序组合这些服务信息,构建满足受训人员需求的新应用。

3)Agent处理层:该层处于中间层,是服务集成智能化的关键部分,主要有4个方面的工作:一是负责Web服务与Agent之间的通信,为每个服务Agent注册相应的Web服务;二是根据服务流程中的功能需求发布任务:三是根据一定的需求评估选择最匹配的Web服务;四是把选择好的Web服务信息绑定到流程中,以形成一个能够满足业务需求的新应用。

4)Web服务层:它是服务集成系统的执行者,主要为封装已有功能组件而形成的Web服务。通过Web服务的封装,不仅可以降低开发成本,提高可重用性,还能够提高系统的灵活性,方便新应用系统的构建。Web服务层中的每个Web服务都由一个对应的服务Agent代理,并注册到Agent注册中心,每个Web服务之间不直接进行通信,而是由相应的服务Agent负责。

5)资源层:该层包括环境数据库、作战模型库、作战想定库、协议服务库等,为水下平台作战推演系统提供数据支持及持久服务。

2.4服务Agent的管理流程

服务Agent主要有指挥模型Agent、情报模型Agent、武器模型Agent、环境生成Agent和兵力模型Agent等,其管理包括注册、调用等环节。

1)服务Agent的注册流程

服务Agent注册流程如图6所示。UDDI中心节点在整个Agent服务集成体系结构中是核心地位,为各服务Agent协同工作功能的实现提供了一个统一的发现、服务描述和集成平台。各服务Agent发出SOAP请求传到Agent服务UDDI中心节点,注册中心的SOAP服务器在接收到UDDI SOAP消息并进行处理,把发出SOAP请求的服务Agent在Agent服务注册库中注册,然后把SOAP响应返回给发出SOAP请求的服务Agent。上述各服务Agent既可以将自己的基本信息发布到UDDI中心节点上去,也可以根据需要从UDDI中查找其他相关已注册的服务Agent,最后调用绑定的服务,形成协同工作的集成体系结构。

图6　服务Agent注册流程

2)服务Agent的调用流程

调用Agent服务流程如图7所示。在该结构中,受训人员可以通过输入需求,在服务流程库查找到相应的服务流程,并把该流程需要的服务类型发送给任务Agent去分配任务,任务Agent收到服务类型后,向UDDI中心节点的选择Agent发送消息,Agent服务库中的选择Agent根据用户的需求,选择当前服务库中最符合用户需求的服务反馈给任务Agent,任务Agent把选好的服务Agent对应的Web服务信息发送给服务流程模板,并按照服务流程的顺序组合服务信息,实现构建满足用户需求的新应用。

图7　服务Agent的调用流程图

3　水下平台作战推演系统关键技术实现方法

基于Web 服务和多Agent的水下平台作战推演系统涉及多项关键技术,如多智能体建模技术、系统集成技术等。其中,智能体建模技术是构建水下平台作战推演系统的核心技术,其本质是将Agent作为系统的基本抽象单位,赋予一定的智能性,然后在多个Agent之间设置具体的交互方式,从而得到相应的模型;而每个Agent则是一种高粒度的抽象,它除了对属性、事件和方法的封装外,还封装了相关的思维能力和决策行为,表现出较高的自治性、较强的面向目标性、灵活的反应性和其他Agent进行交互的社会性等。智能体建模技术主要应用在通用模型Agent、基础功能类Agent、业务功能类Agent的构建过程中,进而体现水下平台作战推演系统对象智能建模的特征。

3.1通用模型Agent构建

基于Agent的概念和特征可知,Agent一般具有自治能力、目标能力、反应能力和社会交往能力等。其中,自治能力指Agent能够在无外界干预情况下自动操作,即Agent内部结构应包含推理模块;目标能力指Agent的行为具有一定的目的性,即它的内部结构中含有心智特征,包括信念(B)、目标(D)和意图(I);反应能力指Agent能够感知环境并对环境变化作出反应,即它的内部结构中含有感知器和效应器;社会交往能力指Agent可与其他Agent进行交互,即它的内部结构应包含通信模块和通信接口。因此,构建的通用Agent模型结构应该体现出对象智能建模特征。图8给出了通用模型Agent的基本结构,主要包括感知器、效应器、推理机、内部心智状态和通信模块等。

图8　通用Agent模型结构

通用Agent根据对环境的感知或与其他Agent的通信,建立各自的信念,确立自己的目标,并作为知识加以存储。然后依据参照心智状态在推理机的作用下,产生行动作用于环境,或者产生意图与其他Agent进行通信,直至Agent认定的目标已实现、或者目标已改变时,放弃原来的意图,并更新知识能力和心智状态。通用Agent程序框架为

Agent(){

Perception();//感知

While(true){

Reasoning();//推理

DecisionMaking();//决策

InformationInteraction();//通信

Action();//执行

}

Exit();

}

3.2基础功能类Agent的程序框架

基础功能类Agent继承自通用模型Agent,主要包括选择Agent、任务Agent等。以选择Agent为例,其功能包括:接受任务Agent提出的服务选择请求,并根据WSDL文件进行相应的参数传递,选择相应的Web服务。建立的选择Agent程序框架为

/* ServiceAgentjava:负责选择Web服务的Agent */

public class ServiceAgent extends Agent

{

public void setupQ

{

//创建一个Agent行为类

AddBehavior(new CallServiceBehavious){}

//清除Agent操作

Protected void takeDown(){}

}

}

/*声明其Behavior,Behavior为选择某个Web服务的过程*/

private class CallServiceBehavior extends Behavior{

public void action(){

private Boolean 函数名(){

//选择相应Web服务的具体代码

//构造返回的结果值

return true;

}

}

public Boolean done(){}

}

3.3业务功能类Agent的程序框架

业务功能类Agent继承自通用模型Agent,包括传感器模型Agent、情报模型Agent、指挥模型Agent、武器模型Agent等。以指挥模型Agent为例,在作战过程中存在多种不同决策能力的指挥模型Agent,其共性是具有表征自身的属性,能够保持或改变内部状态;具有从外部获取信息的能力及一定的决策能力。建立的指挥模型Agent程序框架为

/*CommandAgentjava:指挥模型Agent*/

public class CommandAgent extends Agent{

public void setup(){

//创建Agent行为类

/*① 获取感知距离范围内其他Agent的相关信息*/

addBehaviour(new searchBehavious()){}

/*② 信息发送与接收模块是通信感知模块的对外接口*/

addBehaviour(new dispatcherBehavior()){}

/*③ 决策模块是Agent产生智能行为的模块*/

addBehaviour(new decisionBehavior()){}

/*③ 行动模块主要依据行为规则控制相应的动作*/

addBehaviour(new actionBehavior()){}

/*④ 集成执行结果*/

AddBehavior(new InterResultsBehavior()){}

}

}

/*声明上述4个Behavior,searchBehabvious详细如下,其他Behavior结构与其相似*/

private class searchBehavior extends Behavior{

public void action(){}

public Boolean doneQ{}

}

4　结束语

本文在OODA环指挥控制描述模型的基础上,分析了水下平台作战推演的功能和业务流程,基于Web服务和Agent建模技术,构建了服务化、智能化的水下平台作战推演系统体系结构。该体系结构与基于Web 服务的作战仿真平台框架相比,有机结合了Web服务和Agent建模技术,具有作战推演模型的智能性、重用性和可扩展性等优点,为基于MAX Sim仿真平台的原型系统设计、开发与集成等奠定了良好技术基础。

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Construction of Underwater Platform Combat Deduction System Based on Web Service and Multi-Agent Technology

SUN Yu-xiang,LIU Gao-feng

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033， China)

Object-Oriented intelligent modeling,model management,et.al,are difficult problems in the designing and development of underwater platform combat deduction system.The command and control description model based on OODA loop depicted the business process and functions of underwater platform combat deduction,using web services and Agent modeling technology,established an underwater platforms deduction system architecture based on Web services and multi-Agent,effectively solve the problem of intelligence,reusing and extensibility in combat deduction modeling,and established program framework.The paper has reference value in the designing and development of underwater platforms deduction system.

architecture; combat deduction;Web Service;multi-Agent

1673-3819(2016)05-0090-06

2016-05-27

2016-07-07

孙宇祥(1990-),男,山东青岛人,硕士研究生,研究方向为作战建模与仿真。

刘高峰(1965-),男,博士,副教授，硕士生导师。

U674；E917

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.020