基于HLA的Multi-Agent军事物流仿真系统研究

张 帅,杨西龙,姜玉宏,刘洪娟

(陆军勤务学院,重庆 401331)

随着信息技术高速发展,军事物流系统的决策指挥、成员交互与保障过程日趋复杂。军事物流活动作为战争中重要的一环,是部队能打仗、打胜仗的有利保证,没有坚实有利的后勤保障作支撑,将无法取得战争胜利。计算机仿真具有高效、可控、可重复利用,不受时间、空间和环境条件限制的独特优势,利用计算机仿真技术来研究复杂分布式军事物流系统是研究的新方向[1]。

1 HLA和Agent

1995年10月,美国国防部建模与仿真办公室提出了HLA,用于解决分布式仿真系统的集成问题。HLA是分布式仿真的高层体系结构,是按照面向对象的思想和方法构建仿真系统、构建仿真联邦和划分仿真成员的技术。HLA的核心是促进仿真系统的互操作性和提高仿真模型在不同仿真应用中的重用性[2-8];但是,基于HLA的仿真系统对联邦成员缺乏智能性描述,不能体现系统的智能性,是智能化仿真系统研究的瓶颈。

Agent技术是人工智能领域应用广泛的智能技术,是MAS(Multi-Agent System)的基本个体单元。多个Agent间相互交互能够实现复杂系统的问题求解。Agent是指在一定环境下能独立自主运行,能持续感应外界环境及自身状态变化并作出相应的动作,能从外界环境中获取知识以提高自身能力,并能将推理和知识表示有机结合的智能实体[8];基于Agent的建模方法采用自底向上的方式,通过研究个体的微观行为,进而获得系统的宏观行为。近年来,国内外研究人员着手将Agent方法应用于分布式交互仿真中,期望实现仿真系统的智能性,增强互操作性。

军事物流系统是复杂分布式系统,军事物流系统涉及多种物流实体,如指挥机构、物资消耗单位、物资保障单位和物资储存单位等,随着信息技术的发展,物流实体的智能化要求不断提高。同时各个物流实体又分布在不同地域,并且根据系统的任务要求,新的物流实体能够随时加入系统。本文综合HLA仿真和Agent技术两者的优点,将Agent技术与HLA结合,以HLA为底层支撑框架,利用Agent固有的自主性、主动性、交互性、社会性和智能性来描述物流实体的自主、交互、反应等行为。通过设计Agent联邦成员,实现军事物流仿真系统的智能性表述。构建的军事物流仿真系统既具有可扩充性和重用性,又具有智能性;此外,本文研究的是新编制体制下的军事物流系统,以前由后方仓库对作战部队进行物资保障,新编制体制下由专门的保障部队对作战单位进行保障,指挥机构也由原来的后勤指挥机构变为联勤保障部队,本文的研究更加符合实际,为目前我军军事物流系统研究可提供一定的参考价值。

1.1 基于HLA仿真的逻辑结构

HLA是一个公共的、支持面向对象的体系结构,通过运行时间支撑环境(Run Time Infrastructure,RTI)提供通用的、相对独立的支撑服务环境,将仿真应用同底层的支撑环境分开,即通过RTI将仿真系统的功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分离,隐藏各自的实现细节并保证各部分充分应用各自领域的先进技术独立开发。基于HLA仿真的逻辑结构如图1所示。

从HLA仿真的逻辑结构中可以看出,各联邦成员、运行时间支撑环境RTI和底层通信支撑系统共同构成分布式仿真系统,整个系统具有可扩充性。

1.2 HLA与Agent技术集成研究

基于HLA的分布仿真强调系统的可操作性和模型的可重用性,它规定了分布式仿真的高层体系结构,不需要考虑由对象去构建联邦成员,而是假定联邦成员已经存在,仿真人员将工作重心放在将联邦成员集成起来,从而实现联邦成员间的交互,实现仿真目的[1]。同时,HLA仿真的RTI服务能为MAS仿真环境提供大部分功能,包括Agent控制、信息分发、事件处理和时间推进等,能有利支持Agent状态更新和明确事件的处理,时间管理机制也灵活方便。目前,相关学者就HLA/RTI高层体系框架与Agent技术结合,进行了诸多领域方面的研究。李云芳等[9]就空防对抗仿真系统进行研究,给出基于Agent模型的空防对抗火力单元指挥控制仿真实例,并验证仿真系统的可行性;陈国炎等[10]为研究广域后备保护算法,开发了联合同步仿真平台WAPSS,并验证了平台的正确性和有效性;尹桥宣等[11]设计出能源系统与信息通信系统的联合仿真框架,实现了能量流与信息流联合的统一仿真;康世瀛等[12]设计出中医药多Agent仿真体系结构,并提出中医药仿真体系的复杂性研究的协调机制和智能优化功能。通过研究分析HLA仿真与Agent技术的集成应用,为军事物流仿真系统设计提供技术参考。

2 军事物流仿真系统联邦成员设计

军事物流系统的任务是保证作战过程中与作战相关的所有物资,包括作战装备、军需物资、武器弹药以及油料等的快速、精确保障。灵活、反应迅速的军事物流系统能够及时就战场情况变化做出保障行动,能够掌握战场先机从而提高物资保障效率,保证夺取战争的最终胜利。

在HLA分布式仿真框架下面向军事物流系统进行分析与设计时,将军事物流仿真系统看成是一个联邦,组成军事物流仿真系统的所有因素作为联邦成员。将Agent技术引入军事物流仿真系统联邦成员设计时,具有智能性的物流实体设计成为Agent联邦成员(简称Agent成员),如指挥机构、物资消耗单位等;不具有智能性的实体设计成非Agent联邦成员(简称非Agent成员),如地理环境、气象环境等。设计Agent联邦成员是构建基于HLA的Multi-Agent军事物流仿真系统的关键所在。

2.1 Agent成员设计

设计Agent成员的关键在于从军事物流系统的物理结构出发,围绕系统的目标对系统进行Agent抽象。Agent抽象需要注意两点,即同质Agent与异质Agent的处理和对系统抽象的分辨率选择[13]。军事物流系统的功能是进行军事物流活动,是在指挥决策机构统筹整个物流系统资源以及对战场形势分析的基础上,充分协调并合理利用物流资源,对作战部队进行生活、训练和作战物资的保障。参与军事物流活动的部门包括:指挥决策机构,如联勤保障部队、联勤保障中心等;物资消耗单位,如作战部队;物资保障单位,如保障旅、旅支援营等;物资储存单位,如后方仓库、野战仓库等;物资供应单位,如供应商、兵工厂等。

在军事物流仿真系统构建过程中,有些Agent联邦成员是同质的,如联勤保障部队和联勤保障中心同属于指挥决策机构,后方仓库和野战仓库同属于物资储存单位。因此,在设计Agent成员时,需要首先区分同质Agent和异质Agent,然后再在同质Agent中建立Agent类,最后根据系统需求实例化为具体的Agent。

在对军事物流系统进行Agent抽象时可以有不同程度的分辨率,大到整个物流系统,小到作战部队的下级各个部门,甚至每个参战人员都可以抽象为一个实体Agent。在本文的研究中,对军事物流系统的抽象程度到指挥决策机构、物资消耗单位、物资保障单位、物资储存单位和物资供应单位这级,各个单位的下级结构组成暂不作研究。

根据以上分析,将军事物流系统抽象为五类,包括指挥决策Agent类、物资消耗单位Agent类、物资保障单位Agent类、物资储存单位Agent类和物资供应单位Agent类;并以每一类中的一个实例进行问题研究:联保中心Agent、作战部队Agent、保障旅Agent、后方仓库Agent和供应商Agent。

2.2 个体Agent的建模

个体Agent的建模是根据个体所具有的功能和特点对其进行模型建立,需要考虑接口模块和内部结构两个部分。Agent成员内部及Agent成员之间通信必须通过标准化的Agent通信语言(Agent Communication Language,ACL)进行交流,KQML(Knowledge Query and Manipulating Language)是目前使用广泛的通信语言标准。军事物流仿真系统Agent成员模型中的KQML消息遵循的语法格式如下表示:

(ask-one

:sender 发送消息的Agent

:receiver 接收消息的Agent

:reply-with 响应当前消息的期望标示值

称)

在HLA/RTI体系结构下,设计接口模块时既要满足Agent成员间的交互,同时能实现Agent成员与地理环境、气象环境等的信息交流。本文主要对保障旅Agent成员和后方仓库Agent成员内部结构详细研究,其他实体Agent成员根据自身功能特点也能确定其内部结构,由于篇幅有限,故不详细阐述。

2.2.1 保障旅Agent成员建模

保障旅Agent成员的主要功能是对作战部队Agent成员进行物资保障;当物资储备水平较低时向联保中心Agent成员发出物资补充请求。在军事物流仿真系统运行过程中,保障旅Agent成员感应联保中心命令、意图,作战部队人员、位置变化,物资保障请求和外部环境等信息,根据自身保障能力,物资储备和担负的保障任务,制定物资保障计划或确定是否需要物资补充,向作战部队进行物资保障或向联保中心发出物资补充请求。保障旅Agent成员的内部结构如图2所示。

2.2.2 后方仓库Agent成员建模

后方仓库Agent成员的主要功能是对保障旅Agent成员进行物资补充;当自身物资储备水平较低时，向联保中心Agent成员发出物资补充请求。在系统运行时,后方仓库Agent成员感应联保中心命令、意图、物资调拨单,保障旅物资补充请求和环境信息等,根据自身储备水平,补充能力和担负的补充任务等,制定物资补充计划或确定自身是否需要物资补充,向保障旅进行物资补充或向联保中心发出物资补充请求。后方仓库Agent成员的内部结构如图3所示。

后方仓库Agent成员结构图中有两条物资补充请求信息,其中物资补充请求1是保障旅Agent成员向联保中心Agent成员发出的,物资补充请求2是后方仓库Agent成员向联保中心Agent成员发出的,两条物资补充请求信息有本质区别。

3 基于HLA的Multi-Agent军事物流仿真系统

军事物流活动是一个系统、网状交叉的过程:一个作战部队可以接收多个保障旅的物资保障、一个保障旅可以接收多个后方仓库的物资补充、一个后方仓库可以接收多个物资供应单位的物资补充,并且在进行物资保障过程中,系统是动态变化的。军事物流仿真系统运行过程实际上就是军事物流活动过程:在特定战时条件下,作战部队Agent为保证战斗顺利进行,向联保中心Agent发出物资保障请求;联保中心Agent综合作战地域、作战规模、保障对象和物资保障请求等信息向保障旅Agent分派任务;保障旅Agent根据上级意图、作战部队人员及位置变化、物资保障请求等信息向作战部队Agent进行物资保障,当保障任务过大、物资库存水平较低时向联保中心Agent发出物资补充请求,联保中心Agent根据保障旅位置、保障任务和物资补充请求等信息向后方仓库Agent发出物资调拨单;后方仓库Agent根据上级意图、物资调拨单和物资补充请求等信息向保障旅Agent进行物资补充,当物资补充量大、库存水平较低时,后方仓库Agent向联保中心Agent发出物资补充请求,联保中心Agent根据后方仓库位置、物资补充请求等信息向供应商Agent发出物资补充要求;物资供应商Agent根据受领任务及时向后方仓库Agent进行物资补充。构建的军事物流仿真系统如图4所示:

军事物流仿真系统结合目前我军新编制体制下物资的保障方式进行设计,符合军事物流活动的实际过程,模型设计真实可信。该模型可应用于物资保障过程的模拟训练,Agent技术的应用能够体现物资保障过程中Agent实体间的交互关系、物流系统的总目标以及各个实体的自我目标实现过程,便于对系统进行全面分析研究;应用于战时条件下物资保障决策优化研究,通过整合物流系统资源并对模型进行仿真,能够实时根据战场态势变化优化物资保障方案,形成作战优势,提高物资保障效率并保证战争胜利。此外,目前基于军事物流物资保障方面的仿真研究主要是理论层次的,关于物资的定量化研究几乎没有,该模型可为局部战争条件下物资定量化保障仿真研究提供基础模型参考。

4 结束语

军事物流系统在物资保障方面作为战争中重要的一环发挥着重要作用,随着新军事变革,军事物流系统的编制体制也发生了变化。本文利用计算机仿真技术对新编制体制下军事物流系统研究,结合分布式仿真HLA体系结构和Agent技术,设计了军事物流仿真系统的非Agent联邦成员和Agent联邦成员,并详细研究了保障旅Agent成员和后方仓库Agent成员的个体模型。通过对军事物流系统的分析研究,论文最后设计了基于HLA的Multi-Agent军事物流仿真系统,在实现军事物流系统互操作性和可扩展性的基础上,又能满足系统的智能性需求,使系统更加符合实际。该军事物流仿真系统可作为研究军事物流系统的技术参考。