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指挥控制与仿真

指挥控制与仿真 >

2017 , Vol. 39 >Issue 2: 5 - 9

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.002

理论研究

基于MAS的反导体系作战指挥系统建模研究*

  • 何榕 ,
  • 罗小明
展开
  • 装备学院, 北京 101416

何榕(1983-),女,江西宜春人,博士研究生,讲师,研究方向为军事运筹与作战模拟仿真。

罗小明(1966-),男,博士,教授,博士生导师。

收稿日期: 2016-12-13

  修回日期: 2017-01-18

  网络出版日期: 2022-05-20

基金资助

* 国家社科基金(14GJ003-129)

收起

Study on MAS-based Command System Modeling of Missile Defense Systems Operation

  • HE Rong ,
  • LUO Xiao-ming
Expand
  • Equipment Academy, Beijing 101416, China

Received date: 2016-12-13

  Revised date: 2017-01-18

  Online published: 2022-05-20

Fold

摘要

反导体系是维护国家安全的重要屏障,反导体系的核心是作战指挥问题,探索研究反导体系作战指挥系统结构及建模具有十分重要的意义。基于MAS的建模方法,分析美军联合反导体系作战指挥系统结构,将其反导体系作战指挥系统中各组成要素抽象成Agent实体,并对不同的Agent实体进行微观建模及行为规则制定,然后依据反导体系作战指挥系统中各要素的交互关系构建混合式MAS结构,为反导体系作战指挥系统的结构定量分析提供了方法支持。

关键词： 反导体系作战; 指挥系统; 多智能体系统(MAS); 建模

本文引用格式

何榕 , 罗小明 . 基于MAS的反导体系作战指挥系统建模研究*[J]. 指挥控制与仿真, 2017 , 39(2) : 5 -9 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.002

Abstract

Missile defense is of great importance to national security, and the core of missile defense system is operational command. So it is very significant to explore the structure and modeling of missile defensive operational command system. Using the American missile defense command system structure as a example, the paper abstracts the components in the command system of missile defense systems operation into the agent entitles based on MAS. The different agent entity has different microscopic model, it need to follow itself rules of conduct. Then the paper build the mixing MAS structure about the command system of missile defense systems operation according to its internal interaction. The paper provides the method support to quantitative analysis on the command system of missile defense systems operation.

Key words： missile defense systems operation; command system; multi-Agent system (MAS); Modeling

弹道导弹具有射程远、飞行速度快、雷达散射截面积较小、不易被发现、可携带常规弹头和核弹头等特点,已成为现代战争中最重要的进攻手段。我国周边已成为弹道导弹发展的热点地区,从本土发射弹道导弹对我能够形成威胁的国家(地区)有10余个。尤其是随着新型弹道导弹隐身、雷达干扰、诱饵、加固、多弹头、机动变轨等多种技术措施的采用,反导识别和拦截越来越困难,弹道导弹的威胁越来越严峻。因此,积极构建我国现代反导体系,特别是反导体系作战指挥系统,对维护国家安全,遏止和打赢未来信息化局部战争,具有十分重要的战略及现实意义。

1 反导体系作战指挥系统

反导体系作战指挥强调对各种侦察预警、指挥控制、通信和武器平台的有序管控,因而反导体系作战指挥系统不仅应具备指挥和作战功能,还应具备战场资源管理功能。在基于信息系统的反导体系作战中,参与的作战力量和各种战场资源远远超过以往战争,除了依靠指挥员和指挥机构外,指挥信息系统发挥了重要作用。反导体系作战指挥信息系统主要包括侦察预警系统、指挥控制系统、武器系统和通信网络系统,它一方面丰富了各种战场资源,另一方面为战场资源的管控提供了手段。反导体系作战指挥系统通过对各种战场资源的统一调度管理,减少了由于单个武器平台的位置、环境、性能或自身探测器所带来的局限性,将分散的各个平台综合集成为一个有机整体。因此,反导体系作战指挥系统是由遂行反导体系作战任务的指挥员、指挥机关和指挥手段等要素以一定形式构成的,对参战力量及战场资源进行统一管理、对作战行动进行组织指挥的有机整体。本文以美军联合反导体系作战指挥系统为例进行分析,其结构如图1所示。
图1 美军联合反导体系作战指挥系统结构
由图1可知,国家指挥当局是弹道导弹防御的最高指挥层,它将非核弹道导弹的防御授权给战略司令部;战略司令部具体负责美国全球反导作战,由国防情报局联合情报作战中心及北方司令部导弹预警中心提供情报支持,战略司令部所属的陆军空间与导弹防御司令部(Space and Missile Defense Command, SMDC)具体负责美国本土的弹道导弹防御,并通过授权北方司令部指挥地基中段反导系统(Ground-based Midcourse Defense, GMD)旅,防空反导特遣队(Air and Missile Defense Task Force, AMDTF)以战术指挥单元的方式指挥作战,所属一体化导弹防御联合司令部(Joint Functional Component Command for Integrated Missile Defense, JFCC-IMD)指挥、授权相关海外战区司令部进行反导作战;海外战区反导司令部通过C2BMC向负责指挥PAC-3、THAAD等反导作战单元的AMDTF战术指挥单元下达作战命令并支持反导作战;反导作战部队在其战术指挥单元的指挥下具体完成反导作战任务。

2 基于MAS的建模理论与方法

指挥系统建模的目的主要是模拟各类指挥系统的情报收集、融合、决策计划和指挥控制等活动,或模拟指挥员判断情况、定下决心、拟制计划和下达命令等活动。此外,通过对指挥系统体系结构进行建模可以达到全面描述和分析该系统的目的。经典的指挥系统建模方法主要有基于Petri网、兰彻斯特方程等,但是Petri网模型的状态/变迁和触发集合规模比较大,不能有效控制系统状态集合的增长,容易造成状态爆炸问题。兰彻斯特方程,讨论的只是比较理想的情况,对信息化条件下的指挥系统的效能评估功能也十分有限。反导体系作战指挥系统作为信息化条件下体系作战的指挥系统与传统的指挥系统相比,在结构上已从传统的中心式结构转变为非中心式结构,它已经具有复杂系统的全部特征,因此用基于MAS的复杂性建模理论为信息化条件下体系作战指挥系统建模开辟了一个新方向。
目前被广泛使用的“Agent”在许多相关的参考文献中都各自进行了定义,但是迄今为止还没有一个统一规范的权威定义。在不同的学科领域,甚至在同一学科中,对“Agent”都有着多种不同的理解。在建模与仿真领域,“Agent”被看一种描述手段和实现方法,亦即具有独立行为的离散个体均可建模为Agent[3]。而单个Agent受其资源和能力的限制,无法适应大规模复杂问题的求解。将多个Agent集成在同一系统环境中,通过它们之间的相互交互可以实现问题的求解[4]。一般将这种由多个Agent通过自身的能力和相互间的协作来完成某些任务或达到某些目的而形成的松散耦合系统,称为多Agent系统,简称为MAS(Multi-Agent System)。
基于MAS建模方法的基本思想是:通过对大量个体Agent的微观行为及其非线性的交互作用来建立系统整体的宏观行为。对实体利用Agent进行建模,实体之间的相互关系可用Agent的相互交互来建模。系统的宏观行为由于系统内每个Agent的能动性、适应性和交互作用,使得其不仅仅是所有微观Agent行为之和,还呈现出较强的非线性和涌现性。
<系统的宏观行为>= ∑ i = 1 nϕi(Agenti)<Agenti行为>+ ∑ 1 ≤ i ≤ n 1 ≤ j ≤ n n ϕ i j<Agenti~Agentj>
式中:ϕi为Agenti自身能力系数,表示Agenti的行为对系统宏观行为的贡献; ϕ i j为Agenti与Agentj的交互作用产生的涌现系数,表示Agenti与Agentj的交互作用对系统宏观行为的贡献。因此,基于MAS建模方法的关键在于对Agent实体和实体之间的交互作用建模。

3 基于MAS的反导体系作战指挥系统建模

基于MAS的反导体系作战指挥系统建模的基本思路是:将反导体系作战指挥系统中的各个要素抽象成各个Agent,然后建立一一对应的Agent实体模型,接着根据反导体系作战指挥系统中各个实体Agent间的交互关系选择合适的MAS结构来组装这些Agent,最终实现对系统仿真模型的建立。基于MAS反导体系作战指挥系统的建模框架如图2。
图2 基于MAS反导体系作战指挥系统建模框架

3.1 反导体系作战指挥系统实体分析

根据图2所描述的反导作战指挥系统中的各组成要素以及要素之间的相互关系,在应用基于MAS的建模方法进行建模时,将各个组成要素直接映射为Agent模型,Agent模型的基本属性由要素的属性决定,要素间的相互关系映射为各个Agent之间的交互关系。因此,在反导体系作战指挥系统的MAS模型中,包含的实体Agent有预警卫星Agent、远程相控阵预警雷达Agent、天波超视距预警雷达Agent、地基多功能目标跟踪指示雷达Agent、各级指挥控制中心Agent、拦截作战单元Agent以及弹道导弹目标Agent。

3.2 微观模型

反导体系作战指挥系统的微观模型主要是对实体进行Agent建模,主要包括实体的属性描述,以及实体的行为模型。本文的实体行为模型通过其相关的数学模型来表示[5⇓-7]。
1)预警卫星Agent
预警卫星主要实现对弹道导弹目标的检测、跟踪、弹道估计、预警信息发布等功能。 n i s(t)=( l i s, δ i s)表示第i颗预警卫星在t时刻的状态。其中: l i s表示预警卫星的星下点经度; δ i s=( δ i 1 s, δ i 2 s, δ i 3 s, δ i 4 s, δ i 5 s, δ i 6 s, δ i 7 s, δ i 8 s, δ i 9 s)表示红外预警卫星的性能指标; δ i 1 s为红外探测系统正常工作所需最小信噪比,dB; δ i 2 s为光学系统入射孔径直径,cm; δ i 3 s为光学系统数值孔径; δ i 4 s为探测器的单位面积、单位带宽的探测度,cm·Hz1/2/W; δ i 5 s为传感器的红外透过率; δ i 6 s为脉冲能见度系数; δ i 7 s为单个探测器元件数目,个; δ i 8 s为扫描周期,s; δ i 9 s为扫描视场大小,Sr。
预警卫星的最大探测距离Rmax、探测概率 p d S(t)分别由下式确定:
R m a x = R 0 / V s / V n m i n R 0 = 0.5 π D 0 ( N A ) D * J λ 1 - λ 2 τ a τ 0 ( γ C T Ω - 1 ) 1 4
式中, V s / V n m i n表示探测系统正常工作所需的最小信噪比;R0表示预警卫星的理想探测距离;D0为光学系统入射孔径的直径;NA为光学系统数值孔径;D*为探测器的单位面积、单位带宽的探测度; J λ 1 - λ 2为弹道导弹目标在λ1-λ2波段的红外辐射强度;τa为传感器至目标的透过率;τ0为传感器的透过率;γ为脉冲能见度系数;C为单个探测器元件数目;T为扫描周期;Ω为扫描视场大小。
p d S (t)=1-exp - α V s / V n - c β
式中,α、β、c是常数;Vs/Vn是信噪比。
2)预警雷达Agent(包括远程相控阵预警雷达以及多功能目标跟踪指示雷达)
预警雷达主要实现对弹道导弹目标的探测、搜索、跟踪、分类识别、发点估计、落点预测、预警时间计算等功能。ni (t)=(li,ϕi)表示第i部雷达在t时刻的状态。其中:li=(lon,lat)表示雷达部署的经纬度;ϕi=(ϕi1,ϕi2,ϕi3)表示雷达的性能指标;ϕi1 为信噪比为1时,雷达目标间的距离,km;ϕi2 为虚警概率;ϕi3 为信号脉冲数。
预警雷达的最远直视距离Rs由下式确定。
Rs=4.12( h+ H)
式中,h为雷达高度;H为弹道导弹目标高度。若Rmax表示雷达最大作用距离,则当R>min(Rmax,Rs),则不能发现弹道导弹目标;当R≤min(Rmax,Rs),则弹道导弹目标被发现。
若n表示雷达一次扫描中的脉冲累计数,SN为单个脉冲信噪比,y0表示检测门限,则探测概率 p d P(t)可由下式确定。
p d P (t)= n S N + 1 n S N n - 1exp - y 0 n S N + 1
式中:SN= R 0 R 4;R为弹道导弹目标和雷达的距离,R0为信噪比为1时弹道导弹目标和雷达的距离。
3)预警信息处理中心Agent
预警信息处理中心Agent的功能是将来源不同、种类各异、真伪混杂、数量巨大的战场情报信息,通过综合分析、加工处理、比照筛选、去粗取精、去伪存真,形成系统性、针对性较强的高价值信息,供给使用者,提高信息利用的时效性。预警信息处理中心Agent=(li,θi,pi)。其中:li=(lon,lat)表示预警信息处理中心所部属位置的经纬度;θi=(θi1,θi2,θi3,θi4)表示指挥控制中心的性能指标;θi1 为预警信息归口处理能力;θi2 为比照筛选能力;θi3 为综合印证能力;θi4 为信息分发能力;pi为战场态势图的刷新率。
预警信息处理中心的战场态势图更新快,表明其信息获取快、传递快、处理快。因此,可用战场态势图的刷新率pi来表示预警信息处理中心Agent的能力。
pi= 满 足 作 战 需 要 的 战 场 态 势 显 示 最 小 刷 新 时 间 信 息 处 理 中 心 战 场 态 势 信 息 的 实 际 平 均 刷 新 时 间×100%
4)各级指挥控制中心Agent
指挥控制中心Agent的功能包括负责接收来自预警卫星Agent、远程相控阵预警雷达Agent、多功能目标跟踪指示雷达Agent以及预警信息处理中心Agent的侦察预警信息,对信息进行处理和决策,计算打击的可行性和选择拦截打击单元,同时对拦截打击单元Agent下达拦截指令。指挥控制中心Agent=(li,σi,ti)。其中:li=(lon,lat)表示指挥控制中心所部属位置的经纬度;σi=(σi1,σi2,σi3,σi4,σi5)表示指挥控制中心的性能指标;σi1 为指挥控制覆盖率;σi2 为有效的指挥跨度;σi3 为指挥的自动化程度;σi4 为指挥控制中心与武器系统的交联度;σi5 为指挥控制中心的指挥保障能力;ti为指挥控制中心的决策时延。
各级指挥控制中心在信息收集、处理、分发以及决策环节所需要的时间,称为指挥控制中心的决策时延 t i 。需要指出的是,决策时延ti是一个不确定的量,可以当作随机变量来考虑。这个变量有一个性质,即完成上述环节的可能性会随着时间的增加而增加,所以可以用指数分布来描述,决策时延ti可以认为近似服从均值λ的指数分布,其概率密度分布为
f(ti)= 0 , t i < 0 1 λ e - t i / λ , t i ≥ 0
式中,λ为指挥控制中心Agent完成信息收集、处理、分发以及决策环节所需要的期望时间。
5)拦截作战指控单元Agent
拦截作战指控单元Agent主要是接收上级指挥控制中心的目标分配命令,协调其内部的火力指控、制导雷达、发射系统和拦截弹,对弹道导弹目标实施拦截。ni (t)=(li,ηi)表示第i个拦截作战指控单元在t时刻的状态。其中:li=(lon,lat)表示拦截作战指控单元的部署经纬度;ηi=(ηi1,ηi2,ηi3,ηi4)表示拦截作战指控单元的性能指标;ηi1 为最大拦截高度,km; ηi2 为最小拦截高度,km;ηi3 为最大拦截斜距,km;ηi4为最小拦截斜距,km。
若在某t时刻, 拦截作战指控单元Agent在部属的坐标位置为(Xi(t'),Yi(t'),Zi(t')),来袭弹道导弹目标Agent飞行至t'i时刻位置所经过的时间为t'i-ti,来袭弹道导弹目标Agent在t'i时刻的位置为(Xi'(t),Yi'(t),Zi'(t))。则来袭弹道导弹目标Agent相对于拦截作战指控单元Agent的高度Hi(t)和斜距Ri(t)可分别由下式确定。
R i ( t ) = ( X i ( t ' ) - X i ( t ) ) 2 + ( Y i ( t ' ) - Y i ( t ) ) 2 + ( Z i ( t ' ) - Z i ( t ) ) 2 H i ( t ) = X i 2 ( t ' ) + Y i 2 ( t ' ) + Z i 2 ( t ' ) - X i 2 ( t ) + Y i 2 ( t ) + Z i 2 ( t )
拦截作战指控单元Agent在拦截过程中的平均速度为V(t'),则飞行至来袭弹道导弹目标Agent在t'时刻所需的时间Δt为:Δt=R(t')/V(t')。
6)弹道导弹目标Agent
若NT表示弹道导弹目标Agent集合, n T i(t)表示集合NT中第i个弹道导弹目标,则该类Agent模型可表示为 n T i(t)=(typei,lani,locilanch,locifall, δ i T)。其中:typei、lani、locilanch、locifall分别表示弹道导弹i的型号、发射时间、发点位置、落点位置, δ i T=( δ 1 T, δ 2 T, δ 3 T)分别表示t时刻 n T i的运动、电磁、红外特性值。

3.3 Agent的行为规则

在建立反导体系作战指挥系统的MAS结构中,关键的一步是制定Agent的行为规则。Agent中的行为规则主要用于控制各Agent进行状态转换或引发动作的执行。Agent的每条行为规则基本形式为
IF<条件>THEN<动作>
其中:条件部分为Agent的感知信息;动作部分可以是一个简单的输出参量,如预警系统(包括预警卫星、预警雷达、预警信息处理中心等)Agent输出目标弹的概略位置和速度信息,通信卫星Agent输出路由规划的结果,指挥控制中心Agent输出的是决策结果,拦截弹Agent在收到指挥控制中心Agent的指令后,对目标弹Agent进行拦截等。具体的每个Agent的行为规则,本文由于篇幅的限制就不一一赘述。

3.4 反导体系作战指挥系统的MAS结构

根据图1所描述的美军联合反导体系作战指挥系统内在关系,可以得到其MAS结构。一方面,各级指挥控制中心Agent之间,以及指挥控制中心Agent与拦截作战单元Agent,预警指控中心Agent与预警卫星Agent、预警雷达Agent等存在指控关系;另一方面,各类不同的预警情报Agent之间,以及各类同级指控中心Agent之间,拦截作战单元Agent之间又存在协同关系。因此,反导体系作战指挥系统的MAS模型可以采用混合式结构,具体如图3所示。
图3 美军联合反导体系作战指挥系统MAS结构

4 结束语

反导体系作战指挥系统是反导体系建设的重要组成部分,是提升反导体系作战效能的核心。本文在分析反导体系作战指挥系统结构的基础上,基于MAS理论建模与方法,将反导体系作战指挥系统中各组成要素抽象成Agent实体,并对不同的Agent实体进行微观建模及行为规则制定,然后依据反导体系作战指挥系统中各要素的交互关系构建混合式MAS结构,为反导体系作战指挥系统的结构定量分析提供了方法支持。

参考文献

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