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智能舰艇编队指挥控制系统体系结构设计
第 31 卷第2期指挥控制与仿真Command Control & SimulationVol.31 No.2 Apr.20092009 年 4 月 文章编号：09)02-0092-04智能舰艇编队指挥控制系统体系结构设计顾东杰，周 丰，郭 鑫（海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033） 摘 要：针对舰艇编队指挥控制系统协同作战自协同的需要，运用多智能体技术探索舰艇编队指控系统体系结构 设计问题。提出了一种由指挥 Agent 和协同控制 Agent 构成的智能舰艇编队指挥控制系统，描述了其组织结构， 分析了面向任务的协同作战任务分解和分配过程， 完成了智能舰艇编队指控系统体系结构的顶层设计。 对多 Agent 技术在舰艇编队指控系统中的应用有一定的参考价值。 关键词：舰艇编队；指挥控制系统；协同作战；多 Agent 系统 中图分类号：TP18，E917 文献标识码：ADesign of Intelligent Architecture of Command and Control System in Ship FleetGU Dong-jie, ZHOU Feng, GUO Xin (College of Electronic Engineering of Naval Engineering University, Wuhan 430033, China) Abstract: Focused on the requirement of adaptive cooperative in command and control system in ship fleet, the multi-agent system(MAS) technology is applied in the field of designing the architecture of the system. A kind of intelligent architecture of command and control system in ship fleet is proposed which is composed of command agent and cooperative agent. After that the organization of the system is described and the task-oriented process of task decomposition and allocation in cooperative engagement is analyzed. At last, the top layer design of intelligent architecture of command and control system in ship fleet is completed. The application of MAS technology in command and control system in ship fleet is significant. Key words: comman co multi-agent system海上舰艇编队作战是现代海战的基本作战样式。 舰艇编队作战是一个实时的、动态的决策过程，不但 要重视战前的决策、制定合理完整的作战计划，更要 注意战斗过程中的实时指挥控制，及时捕获战机。在 编队作战过程中，作战使命有反潜、防空、电子防御、 战术突击、登陆作战等，编队内各舰艇、飞机、潜艇 和侦察卫星、传感器网络等作战单元有搜潜、防空、 佯动等作战任务，单一作战单元作战能力有限，协同 作战已成为现代化战争制胜的关键。 由于现代高科技武器的应用、海战场态势瞬息万 变、战争的复杂性增加，战前协同计划已不能适应现 代复杂电磁环境下的协同作战，因此需要根据变化的 态势信息及时调整作战方案。而指控系统是各作战单 元的大脑，如何增强自协同作战能力已成为编队指控 系统的核心问题。 针对这种情况，借鉴多智能体系统（MAS）在交 通调度、电子商务和智能决策等信息处理领域的广泛 应用，结合 MAS 的主动感知和对环境的适应性以及 自协作和学习性等特点，构建智能舰艇编队指挥控制 系统顶层体系结构增强编队协同能力，适应不断发展 的网络化作战。收稿日期： 修回日期： 作者简介：顾东杰（1985-），男，河南信阳人，硕士研究 生，研究方向为舰艇 C3I 系统。 周 丰（1972-），男，副教授，硕士生导师。 郭 鑫（1986-），男，硕士研究生。1 舰艇编队作战指挥控制结构尽管航母编队、驱护编队等不同的舰艇编队组成 结构不同，但协同作战的关键是指挥控制系统之间的 协同，这一点是相同的。现代舰艇编队指控系统结构 通常为如图 1 所示的分布式系统。 各个作战单元中的作战资源 （传感器、 作战台位、 武器、导航、通信设备等）通过网络或总线连接起来 组成一个有机整体。编队内各作战平台通过战术数据 链（卫通、短波、长波通信等）实现互通、互联，一 定程度上实现互操作，从而实现编队内各传感器、指 控系统、武器系统的协同。编队作战能力不是编队中 各作战资源的简单叠加，而是各部分能力相互协调、 相互作用的综合结果，整体达到大于各个平台作战能 力总和，从而实现整体作战能力的涌现。数据 平 分发 台 数据 分发 情报2雷达声纳战术数据链雷达 声纳雷达 雷达 声纳情报1平 数据 对海 对空 台 分发 1 平 编队指挥 数据 情报1 情报2 对海 对空 分发 台 情报 B 1 对空 对还 电子情报1 声纳 情报2 导弹 对海 导弹 对空 副炮 战 电子 战 对空 对海 导弹 对还 对空 导弹 副炮平 n 台 2情报 1情报 2对空 导弹情报 2 副炮电子 编队 战 指挥 台对还 导弹对空 导弹对海 导弹副炮电子 战图 1 编队指挥控制系统结构图第2期指挥控制与仿真932 多智能体系统概述MAS 是由多个可执行网络计算的 Agent 组成的集 合。通常，每个 Agent 被认为是一个物理的或抽象的 实体。在网络中，每个 Agent 都是自治的，能作用于 环境和自身，能对环境的变化作出反应，并能与其它 Agent 通信、交互，彼此协同工作，完成共同任务。 MAS 能模拟人类社会团体、大型组织机构的群体工 作，并运用人类解决问题的工作方式解决共同关心的 复杂问题，其结构如图 2 所示。Agent全局知识 继承机制如战场情况发生剧变，有战机可乘，需要马上采取突 击行动，则将信息送往紧急反应模块。Agent1 Agent2 Agent n 战场环境战术网络Agent通信语言通信模块感知模块人机接口信息 处理信息融合分类器Agent一般信息紧急信息方法（行为、 过程）属性 语言Network 目标知识经验态势评估 任 务 海 情 敌 情 我 情知识库 世界模型 经验库 战术规则 规划决策 学习应急反应 间 接 处 理 直 接 处 理内部 消息推理机制私有知识 （事实、规则）其它Agent 知识机器人 模式消息传递 系统服务 网络 网络消息 网络消息 网络消息规划重新规划决策生成行为跟踪Agent i图 2 网络环境下 Agent 与 MAS[1]作战行动MAS 具有的自治性、分布性、协调性等特点，并 具有自组织能力、自学习能力和推理能力，有利于构 建具有较强的鲁棒性和可靠性的协同指挥控制系统。 智能体间的通信、合作、互解、协调、调度、管理及 控制，可以很好地体现舰艇编队协同作战系统对体系 结构、功能及行为特征的技术要求。图 3 基于指挥 Agent 的指控系统结构3 基于 Agent 的舰艇编队指挥控制体系结构3.1 作战指挥 Agent 结合舰艇编队作战指挥控制结构和 MAS 系统特 性，为适应现代海战场态势的多变性，及时应对各种 变化，给出基于指挥 Agent 的指控系统结构如图 3 所 示[2]，其主要模块功能如下。 1）通信模块和感知模块 通信模块主要是负责 CA 与外部的通信联络，如指挥命令的上传下达、同 级协同、战场信息共享等；感知模块主要感知战场环 境的变化；人机接口负责作战决心和新作战计划，情 报等信息的录入和人干预作战过程，并将以上结果传 给信息处理模块和规划决策模块。 2） 信息处理模块 信息处理模块接收来自感知模 块及通信模块传来的信息，包括语音指挥信号、战场 态势等其他战场信息， 然后将其进行融合、 分类处理， 使用时空对准、航迹互联、证据理论等传统融合算法 和现代神经网络、模糊理论、支持向量机、聚类分析 等现代信息处理方法，得出各类信息的属性。如果是 一般的信息就送到态势评估模块， 如果是特殊的信息，3） 态势评估模块 态势评估模块接收从信息处理 模块传来的信息，并接合知识库中的世界模型，主要 是外部敌我 Agent 及作战海情气象等情况，如对方的 作战特点，作战地区的地理特点等，然后根据这些战 场信息进行海情、任务、敌我情况判断分析，并将结 果送入规划决策模块。 4）应急反应模块 作战中，战场情况千变万化， 战机稍纵即逝， 作为指挥员必须要有及时的应变能力， 以抓住战机，取得作战胜利。这里还应注意应急有两 种情况：一种是必须马上采取行动，即使推理也是采 取知识库中的简单经验知识；另外一种情况指虽然是 紧急情况，但还不至于要立即采取作战行动，只是要 修改原有作战决策，如上级派来支援部队，或是下级 接收到作战任务后的上报计划，则应融合这些情况而 重新进行部署和决策。当然更多的情况是两种情形并 行处理，一方面采取行动，另一方面重新规划。 5）知识库 知识库是进行推理的知识来源，它 包括对世界的认识模型，即作战地理气候环境、作战 对手情况等，还包括战术规则库和经验知识库；战术 规则用来进行战术推理，而经验知识用于处理紧急战 场情况。同时知识库还随作战次数、经验的增加而不 断更新。 6）规划决策模块 决策模块是指挥 Agent 的核94顾东杰，等：智能舰艇编队指挥控制系统体系结构设计第 31 卷心，它根据态势评估结果并结合知识库中的战术规则 进行作战规划，生成作战决策，产生作战行动。在作 战过程中时常保持对作战行动的跟踪，看决策是否有 效。如果情况发生变化，则立即重新进行决策。另外， 决策模块还接收由应急模块传来的信息，如下级指挥 员的决策计划等， 决策模块会融合这些信息重新决策。 每一次决策情况又可传入学习模块，以更新知识库。 整个指挥 Agent 可以适应不同级别指挥结构，如 编队级、 单舰级甚至部门级， 下级严格服从上级命令。 对于专门针对指挥控制部门，不影响传感器武器系统 的只需更改知识库，以适应不同级别任务。图 3 中虚 线框内本身也可以是一个功能 Agent，也可在同级之 间采用全功能知识库和软件冗余提高系统可靠性。根 据任务需求， 可使系统降功能或以不同方式重组重构， 适应不同需要的情况下提高系统灵活性。 防空、 反潜、 协同突击、协同护航、协同保障等任务涉及的兵力编 成、所需知识、所使用的传感器和武器等资源不同， 对此只需更新知识库，便可灵活性地以不同的资源进 行面向任务的资源重组。 3.2 协同控制 Agent 由于指挥 Agent 面临大量的信息交互，能独立完 成的任务由指挥 Agent 负责本作战单元内部的指挥协 调，本身无法完成的任务或需协作才能提高效能的任 务则发送协作请求， 由上级协调或同级之间协商完成。 考虑到指挥 Agent 要进行大量的实时信息处理，为减 轻指挥 Agent 任务压力，提高协作效率，特在战术数 据网内加入协同控制 Agent，具体结构如图 4 所示。 各模块功能如下。 1） 通信模块 负责各舰艇任务级的信息传递， 如 新的任务和友邻协作消息等。 2） 协同规划器 协同规划是协同作战的核心， 协 同规划器负责任务的分解与待规划任务模块；存放任 务分解后友邻舰艇协作任务请求。 3） 待协同任务模块 存放任务分解后需要友邻舰 艇协作的任务。 4） 态势评估模块 根据指挥 Agent 的信息处理模 块得到的信息融合和分类信息得到的战场态势，为协 同任务制定作参考。 5） 组织知识库 组织知识库存放社会规则、 各舰 艇资源配置及组织结构重组等方面的知识。 6） 领域知识库 领域问题求解知识， 包括战术规 则、各舰艇资源配置参数，如舰载雷达作用范围、工 作方式等具体资源情况等。 7） 冲突类别库 存放着各种冲突类型， 如传感器 目标分配冲突、武器安全射界冲突以及时间、空间精 度冲突等。 8） 消解策略库 根据冲突类型， 提供相应的冲突 消解策略。9） 冲突检测模块 随着时间的推移以及战场态势 的变化，原计划或刚制定的计划和协作方案在执行过 程中可能会产生冲突。冲突检测模块则检测冲突的发 生，判断冲突类别以及推测冲突原因。 10）冲突消解模块 根据冲突类型，提供相应的 消解策略。指挥Agent1 指挥Agent2 战术网络 指挥Agent n通信模块待协同规划任务模块态势评估模块组织知识库 (OKB)协同规划器领域知识库 （DKB)冲突类别库 (CTB)消解策略库 （CRSB）冲突检测模块冲突消解模块图 4 加入协同控制 Agent 的指控系统结构根据不同的任务需求，把协调控制 Agent 加入指 控系统，可以在编队指控系统加入 Agent，也可在作 战单元甚至单个武器系统中加入协调控制 Agent，也 可和指挥 Agent 绑定运行，适应不同粒度任务的协调 控制，实现不同系统和系统内部各单元之间的协同作 战，实现系统整体最优。 协同的关键是进行交互协商，在复杂电磁环境 下， 不可靠的有限带宽通信成为制约协同作战的瓶颈， 在这种复杂坏境下，利用有限信息的自协同能力成为 未来海战制胜的关键。4 舰艇编队的组织结构现有编队指挥系统大多是烟囱式结构，分布式网 络兵力系统为未来兵力指挥结构。现在由传统烟囱向 扁平化发展成全分布式，提高了系统应对故障打击能 力。当编队指挥舰或编队指挥系统处于故障、战伤情 况下，系统具有重组重构能力，及时应对编队动态变 化，保持指挥协同的连续性。同时完成编队内各作战 单元的任务角色的重新分配，具有灵活的协调机制。 根据基于 Agent 的舰艇编队指控系统模型将其描述如 下。 定义 1 一个舰艇编队组织结构用七元组描述[3] 为： NFS= 〈 F_ID ， Role ， FC_Goal ， FCT_Goal ， R_Relation，BF_ID，Super_F〉； F_ID∷=strings，表示战区内编队代号；第2期指挥控制与仿真95Role∷={Agenti}，非空的作战单元集合和各自职 责，包括协同控制 Agent； FC_Goal∷={cft}，战役作战目标集合； FCT_Goal∷={fit}，战术作战目标集合，即编队 具体任务； R_Relation∷={lead，friend}，编队内成员之间的 上下级和友邻关系； BF_ID∷=strings，编队指挥单元标识； Super_F 表示编队上级领导。 定义 2 作战单元可用任务、能力、资源、任务完 成消耗、现在状态来描述： Role_Agenti∷= 〈Tasks， CANDO， Resouce， Tcost， T_Realation〉； Tasks∷={taski}，战术子任务集合； CanDo∷={cando （T） cando{j} ， （T） not T） ， （ }， 分别表示能独立完成、通过和 Agentj 协作完成和不能 完成任务 T； Resouce∷={Si}，表示拥有的传感器、 通信设备、 武器弹药等直接利用的作战资源； Tcost∷={Tcost}，完成任务消耗资源集合； T_Realation∷={before ,serial,none}，分别表示活 动之间的顺序、无特定顺序但不能同时和没有关系。假定编队多指挥 Agent 系统中有作战智能体集 合 A = {a1 , a2 , , an } ， a i 表示第 i 个指挥或协同智能 体。 定义 3 K i = {K i1 , K i 2, K im } 表示第 i 个资源智能体在某一方面所具有的能力（如探测性、打击等）。 K A = ∪ i =1…n K i 表示所有资源智能体具有的能力。 定义 4 当有任务 T 需要完成时，解决它需要用 到的能力为 K T = {K T ! , K T 2 , , K Ts } 时，有分解过程： 1）当 K T ∈ K i 且 ai ∈ A 时，任务 T 能被单一的指 挥 Agent 解决，而不需要分解。 2）当 K T ∈ K A 但对于所有的 ai ∈ A ，不能得到K T ∈ K i ，则任务 T 必须分解，需要协同，或满足如5 舰艇编队作战过程的协同通常，一个作战任务可以由如下多元组描述[4]： Task=&ID，Agents，subtasks，supertasks， arrival_time，earliest_start time，deadline， quality，duration，cost，utility，condition&。 其中，ID 是作战任务的序号，它是唯一的编码； Agents 是任务涉及到的智体,subtasks 是子结点任 务； supertasks 是战术总任务； arrival_time 是任务 到达的时间；earliest_start time 是任务的最早开 始时间；deadline 是任务的最迟完成时间；quality 任务涉及的数量；duration 是任务涉及的周期和阶 段；cost 是任务涉及的成本；utility 是任务涉及的 效用；condition 是任务完成的约束条件。 由于编队作战严格的层次指挥结构、完全从属性 协同等特点[5]，根据编队协同战术规则，由编队指挥 Agent 根据自身能力来确定本编队能否完成任务，若 能则立即分解总任务到下级作战单元指挥 Agent，否 则发出协同信息给编队协同 Agent 或友邻单位确定协 同作战。 协同控制 Agent 在接受协同请求后，协同规划器 查找知识库所代表的友邻作战单元，将任务涉及到的 能力需求与友邻能力进行匹配， 从而完成任务的分解。 下面，我们以定义的形式，描述智能体集合和具 有的领域知识如下：下条件时必须协同交由协同控制 Agent 进行协同。 ① 1 个 Agent 无法完成任务， 必须协同作业合作 完成，如时间、资源等约束无法独立完成。 ② 1 个 Agent 能完成任务但耗费高，效用低，有 其它 Agent 协同能减低成本提高效用。 3）当需协作时，则将协作任务交由协同控制 Agent 根据任务所缺能力来寻求最佳协同作战单元。 4） 与协同单元进行交互协商， 友邻同意协同后并 根据一定的完成任务的约束评价协同效益，制定协作 计划。否则将协作需求经指挥 Agent 报告上级，由上 级调整计划或实行命令强制执行。 5） 实时监控任务的执行， 检测任务协同执行中是 否有火力、频谱等冲突的出现，并提供消解策略。 任务分解和协同计划完成后进行任务分配与执 行，明确任务之间的约束关系，以表的方式存储在系 统数据库中，进行指挥决策过程的学习，并实时根据 战场态势和作战命令实时进行任务调整。6 结束语应用多智能体技术构建智能舰艇编队指挥控制系 统为提高协同作战能力提供有效的技术途径。研究结 合作战过程和编队作战样式中的战术规则来设计舰艇 编队指控系统，并考虑在低通信量和无通信情况下的 自协同作战、冲突情况下的冲突检测和消解策略，将 能更好地适应未来复杂电磁环境下的网络化战争。 参考文献:[1] 王汝传,徐小龙,黄海平. 智能 Agent 及其在信息网络中 的应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2006. 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文档资料库内容来自网络，如有侵犯请联系客服。多智能体系统编队控制相关问题研究综述--《控制与决策》2013年11期
多智能体系统编队控制相关问题研究综述
【摘要】：首先梳理了编队控制研究的脉络,介绍了3种经典的编队控制方法,即跟随领航者法、基于行为法和虚拟结构法的研究思想;接着综述了近年来发展的,包容了上述3种方法且基于图论的编队控制理论的研究成果,包括多智能体系统图论的建模,基于代数图论和基于刚性图论的多智能体编队控制律设计、编队构型变换等方面的研究成果;然后从图论结果出发,回顾了与编队控制密切相关的一致性、聚集/同向、群集/蜂拥和包络控制的最新进展;最后,为了促进多智能体系统在实际中的应用,指出了多智能体编队控制研究中有待解决的若干问题.
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：TP273
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