（控制科学与工程专业论文）基于事实的cgf行为模型组合方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 计算机生成兵力( c o m p u t e rg e n e r a t e df o r c e ，简称c g f ) 通过计算机实现对 武器装备和人员的建模，增强参训人员的沉浸感、提高训练效果、减少训练费用 和时间场地的限制，并且为军队的装备训练、战术开发、武器系统先期概念、需 求论证及研制等提供支持。 c g f 研究的关键问题之一是战场实体的行为建模。传统的面向特殊领域开发 的c g f 行为建模方法面临模型重用性差、可扩展性不足、无法支持工程化开发等 问题。本文提出了一种基于事实的c g f 行为模型组合建模方法，强调最大限度地 重用现有行为资源，通过灵活的组合方式快速构建满足不同需求的行为模型，以 便更好地应对不断演化的复杂环境。 论文分析了可组合行为建模的方法论，提出可组合行为建模行为模型框架， 并进行组合行为模型开发和行为执行等内容的研究，最后通过设计实现一个应例， 验证了行为模型组合方法的有效性。具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 在分析了c g f 的行为特点的基础上，给出了行为建模组合方法中的相 关概念定义，提出基于事实的组合行为建模的方法论；同时针对不同用户的建模 开发，提出行为建模开发一般流程； ( 2 ) 进行基于事实的可组合行为建模框架设计。结合c g f 行为特性，分析 了可组合行为建模方法内在机理，提炼出可组合行为建模框架的建模要素，建立 了行为模型开发集成框架，并研究了框架下的原子行为和行为模型表示和开发规 范： ( 3 ) 实现行为模型的调度执行。主要分析研究了组合行为模型仿真执行时 执行调度算法和关键技术，设计并开发了行为执行调度引擎； ( 4 ) 在研究以上问题的基础上，结合i b m 公司开发的r o b o c o d e 坦克机器 人行为特征，建立开发了行为组合建模理论的应用实例，验证了组合建模方法的 有效性。 主题词：事实行为建模原子行为组合行为规则引擎行为执行引擎 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t c g f ( c o m p u t e rg e n e r a t e df o r c e ) u t i l i z ec o m p u t e r st om o d e lt h ee q u i p m e n t sa n d s o l d i e r s i tc a ne n h a n c ei m m e r s i o n s h i po ft h et r a i n e r s ，i m p r o v et r a i n i n ge f f e c t ，r e d u c e e x p e n s ea n dl i m i t so ft i m ea n dt r a i n i n gf i e l d ，a l s os u p p o r te q u i p m e n t s e x e r c i s et a c t i c s d e v e l o p m e n t ，a d v a n c e dc o n c e p ta b s t r a c t i o n , r e q u i r e m e n td e m o n s t r a t i o n , d e v e l o p m e n t o fe q u i p m e n ts y s t e m 。n 屺k e ya s p e c to fc g fr e s e a r c hi sb e h a v i o rm o d e l i n go fb a t t l ef i e l da c t o r s ，1 1 1 e t r a d i t i o n a l l ys p e c i a la r e a - o r i e n t e dd e v e l o p m e n to fc g fs y s t e mc o n s i s t so fl o w r e u s a b i l i t y , b a de x p a n s i b i l i t y , n os u p p o r to fe n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n ta n ds oo n i nt h i s p a p e r ，ip u tu pf a c t sb a s e dc o m p o s a b l em e t h o do fb e h a v i o rm o d e l i n g ，w h i c h e m p h a s i z e sf u l lr e u s eo fb e h a v i o rr e s o u r c et or e p l yt h ec o n s t a n t l ye v o l v i n ga n dc o m p l e x e n v i r o n m e n t st h e s i sa n a l y z e st h em e t h o d o l o g yo fc o m p o s a b l eb e h a v i o rm o d e l i n g ，p u t s f o r w a r dt h eb e h a v i o rf r a m e w o r ko fb e h a v i o rm o d e l ，a n ds t u d i e st h ed e v e l o p m e n to f c o m p o s a b l eb e h a v i o rm o d e la n db e h a v i o re x e c t u t i o n f i n a l l yu s i n gau s e c a s e v a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o m p o s a b l em e t h o do fb e h a v i o rm o d e l i n g 啊1 em a j o r c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ed e f i n i n go fr e l a t i v ec o n c e p ti nt h ec o m p o s a b l em e t h o do f b e h a v i o rm o d e l i n ga n da n a l y s i so fb e h a v i o r sc h a r a c t e r i s t i c s ，i tp u t sf o r w a r dt h e m e t h o d o l o g yo fc o m p o s a b l eb e h a v i o rm o d e l i n g ，a n dd e s i g n st h ef l o wo fb e h a v i o r m o d e ld e v e l o p m e n tf o rd i f f e r e n tu s e r s ( 2 ) d e s i g n i n go fb e h a v i o rf r a m e w o r k w i t ht h ec g fb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c s ，i t a n a l y z e st h em o d e l i n ge l e m e n t so fa c t o rm o d e la n ds e q u e n t i a l ，p a r a l l e l ，b r a n c h , l o o p r e l a t i o n s h i p so fc o m p o s a b l eb e h a v i o r s ，u s e sf o r m a l i z a t i o nl a n g u a g et od e s c r i b et h e c o m p o s a b l eb e h a v i o r s ，a n dc o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to fp r i m i t i v eb e h a v i o r sa n d c o m p o s a b l eb e h a v i o r s ( 3 ) r e a l i z i n gt h ee x e c u t i o no fb e h a v i o rm o d e l w i t ht h eb a c k g r o u n do fs y s t e m r u n n i n g ，i ta n a l y z e sh o w t oe f f e c t i v e l ye x e c u t et h ef i l e so fc o m p o s a b l eb e h a v i o r sa n d t h ef u n c t i o no fr u l ee n g i n ei nt h ed e c i s i o nm a k i n g ，a n dc o m p l e t et h ed e v e l o p m e n to f b e h a v i o re x e c u t i o ne n g i n e ( 4 ) w i t ht h ea n a l y s i sa b o v e ，c o m b i n i n g 晰mt h e b e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so f r o b o c o d ed e v e l o p e db ym m ，t h i st h e s i sc o m p l e t eau s e c a s e w i t ht h er u n n i n go ft h e u s e - c a s e ，i tv a l i d a t e st h e e f f e c t i v e n e s so ft h ec o m p o s a b l em e t h o do fb e h a v i o r m o d e l i n g k e yw o r d s ：f a c t ，b e h a v i o rm o d e l i n g ，p r m i t i v eb e h a v i o r 。c o m p o s a b l e b e h a v i o r ，r u l ee n g i n e ，b e h a v i o re x e c u t i o ne n g i n e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 原子行为抽象类3 0 表3 2 串行关系表3 3 表3 3 并行关系表3 4 表3 4 分叉关系表3 5 表5 11 锄k f a c t 组成设计4 7 表5 2s h e l l f a c t 组成设计_ 4 8 表5 3m i s s i o n s f a e t 组成设计4 8 表5 4 探测组合行为描述4 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 行为模型的一般框架结构图4 图2 1 有限状态机示意图1 2 图2 2o o d a 回路15 图2 3 行为建模要素1 6 图2 。4 行为建模开发流程图2 2 图3 1 可组合行为建模框架。2 7 图3 2 原子行为模型开发过程2 9 图3 3 原子行为设计规范描述3 0 图3 4 组合行为模型开发过程3 1 图3 5 组合行为设计规范描述3 2 图4 1 仿真环境执行调度说明图3 7 图4 2 行为执行引擎框架图。3 9 图4 3 行为执行引擎详细设计图。4 0 图4 4 行为模型执行引擎执行流程一4 1 图4 5 原子行为执行时序图4 2 图5 1r o b o c o d ei d e 4 5 图5 2 用例结构图5 0 图5 3 用例开发平台5 l 图5 4 原子行为开发5 1 图5 5e m f 工程组成。：。5 2 图5 6 组合行为编辑5 3 图5 7 行为a g e n t 和物理模型开发5 3 图5 8 基于b r m s 的规则开发5 6 图5 9 坦克决策规则流5 6 图5 1 0 用例运行表现5 7 图5 1 1 坦克执行过程5 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基士室塞鲍鳗至盈羞搓型塑佥友洼盟塞 ：学位论文作者签名：幺址 魄一年月绚 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， t 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：砌缝 作：哲指导教师签名： 日期：月叩年，月而 魄丁m 而 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 当今世界，面临着高技术战争和非传统安全双重威胁，提高部队战斗能力是 有效应对各种威胁和挑战的前提，军事训练是提供部队战斗力的重要途径，世界 各国军队都在加强现代军事训练的探索和研究。由于处在和平时期，我们很难像 过去那样“从战争中学习战争 ，同时传统的大规模军事演习不仅要受到政治环 境和经济条件的约束，而且对演习场所、管理调度和安全保密等方面提出了较高 的要求。随着计算机、网络、仿真等技术的发展，仿真训练已逐渐成为训练部队、 提高军队战斗力的重要手段，利用计算机仿真技术进行模拟训练，就成为一种经 济、有效的部队训练和战术演练方式，“从仿真训练中学习战争”已成为现实。 因此，一个新兴的研究领域一计算机生成兵力( c o m p u t e rg e n e r a t e df o r c e ，以下简 称c g f ) 应运而生。 一 c g f t i ，2 】是指在仿真系统中，利用计算机实现对武器装备和人员的建模，构建 一个在时空一致的虚拟战场仿真系统。在c g f 系统中，军事仿真训练中的作战人 员和平台通常是由成百上千个电脑控制的实体( e n t i t y ) 所实现的【3 】。一个操作人 员可以创建和控制许多c g f 实体。一个操作人员控制的c g f 越多( 需要更少的人 机干预) ，c g f 的智能性就越强。c g f 行为建模的目的就是面向这些低层次的作 战实体，通过对作战行为的表示，支持这些实体自动对仿真战场环境中的事件和 状态做出反应。当前c g f 的主要作用可以概括为：降低演习费用，提高训练效率， 为参演的人在回路的仿真实体提供敌军对抗或友军支援，提高虚拟战场环境的真 实性，增强用户( 参训人员) 的沉浸感，并且为军队的装备训练、战术开发、武 器系统先期概念开发、需求论证及研制等提供支持。 当前c g f 行为建模中关于智能行为建模的研究和实际应用取得了一定的进展 和成果【州，但是关于战术行为建模的理论研究成果还很少，主要关注于特定应用 背景的行为建模。事实上，战术行为模型的准确建立，可以使得c g f 系统具有很 好的训练效果，有助于条令条例战术的理解。战术行为的两个重要特性是反应性 和战术逼真性 反应性是指在某些紧急情况下，没有足够的时间进行周密而细致的态势分析 和行动的规划，以及对多个行动计划的比较，需要相关人员对战场情况做出快速 反应式战术行为，如行进中的部队受到不明火力来源的攻击，就应该立即做出隐 蔽和防护的行动；又如飞机发现来袭导弹的情况下应该立即采取规避动作，或者 对导弹采取干扰等措施，而不是进行长时间的分析和决策。反应式战术行为最突 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出的特点是作战实体只对当前已经感知到的某些环境条件或状态做出快速反应。 战术逼真性是作战条令详细规定的例行行为，不需要进行推理、规划和决策。 这种行为具有明显的技术性和强制性特征，不需要发挥军事人员的主观能动性。 如在防空阵地上的防空导弹作战单元，上级指挥员或指挥机关分配了作战目标后， 对目标的跟踪、锁定、发射，直至战果的确认都具有很强的技术性特点，相关人 员的战斗过程都属于例行的程序性行为，只需根据相关的作战条令按部就班地进 行。 为了反映c g f 实体的反应性和战术逼真性，就必须对不同态势下的实体行为 进行建模，面临问题的复杂性提高，实体行为模型的复杂性也要不断提高。为此， 随着c g f 应用的不断开展，大量复杂的行为模型表示面临着冲突性增加、管理困 难、模块功能重复等等问题；当面临研究领域问题复杂性增加时，由于模型功能 复杂很难进行更改以适应新的研究问题，开发新的系统又耗费大量的人力财力和 时间；同时，对于面向不同领域开发的系统，模型数据格式、模型参数、通信接 口等不一致，使得系统交互性差，很难集成。 基于当前c g f 系统面临的问题，对c g f 行为建模研究提出以下两个方面的主 要问题和需求： ( 1 ) 如何能够重用和组合现有战术行为资源? 美军从上世纪8 0 年代就开始了c g f 技术的研究，并开发了多种半自动化兵 力( s a f ) 模型，但这些半自动化兵力( s a f s ) 模块存在着功能上和技术上的不 足。其中最显著的就是这些s a f 系统缺乏有效的自主化行为，其建模和仿真模块 ( m & s ) 通常包含矛盾的和无效的自动化行为，没有一个模拟系统能实现友军和 敌军的策略、技术和过程的自动化仿真，并且各个模拟系统之间的资源无法得到 充分有效的重复利用，尤其是行为模块的可重用问题十分突出。为此美军正试图 着手建立一套以可组合性( c o m p o s a b l e ) 为目标的、统一的行为组合建模理论以 及工具支持。 从目的上看，行为资源可组合性与可重用性是一致的，都强调快速构建c g f 实体行为的能力，提高行为资源的适应性、降低行为模型开发的难度和复杂度， 降低开发费用，提高开发效益等：而从实现方法上看，可重用性更多地关注行为 模型及行为资源自身的结构、行为表示方法等，是对模型自身适应多种应用情景 的能力度量；可组合性则强调行为模型及行为资源之间的组合，它关注组合机制、 组合过程的正确性等，可组合性是指模型之间具备的有效集成能力。增强行为资 源可重用性是提高可组合性的基本途径之一，是实现可组合性的重要保证。 ( 2 ) 如何在动态战场环境下“自然”方便地快速创建新的仿真实体行为? 随着模拟仿真过程中战场态势的动态不确定性和不可预测性的增加，实体在 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = _ z _ - - - - _ _ t - = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 动态不确定和不可预测的环境下，在训练过程中需要不断根据新的需求调整作战 实体响应环境和进行自主决策的行为。仿真系统使用人员或开发人员如何“自然” 方便地快速创建新的仿真实体行为，同时在不需要更改当前建模框架和现有系统 组成的条件下，以直接添加和替换的方式修改仿真实体行为，是c g f 行为建模亟 需解决的一个重要问题。 上述问题的提出，对c g f 的行为建模提出了更高更具体的要求，具体体现在 以下几个方面： ( 1 ) 增强实体行为的重用性和组合性，在行为建模过程中建立有效的面向重 用和可组合的开发规范和管理机制： ( 2 ) 提高实体行为模型的可扩展性，随着战场态势的动态不确定性和不可预 测性的增加，需要修改现有行为模型或重新设计开发新的行为模型，这样需要避 免当前建模框架和现有系统组件重新开发和工作重复性的问题。 ( 3 ) 支持行为模型的工程化开发。由于缺乏一种自动化的行为建模和行为模 型开发方法，模型开发者需要编写事件持久化、状态保存等大量与仿真逻辑不相 关的代码，花费了大量时间和精力；另外由于大部分行为模型，均是直接采用高 级编程语言开发，代码可读性差，创建新的正确的复杂行为程序十分困难。 可组合行为建模正是在以上需求背景下提出的一种新的开发思想和范式，它 强调最大限度地重用已有行为资源，实现组合与再组合，并模型使用人员通过灵 活的组装方式快速构建满足不同需求的行为模型，通过组件替换实现行为模块的 升级或修正，同时保持行为的正确性和有效性。 可组合行为建模方法是在行为可组合思想指导下所提出的一种新的行为建模 方法，它不仅支持支持行为资源的重用性和组合性，同时还支持以组合与再组合 的方式进行的行为增量式建模，能够快速构建应用行为，为行为建模人员，行为 开发人员，行为使用人员提供一个完整的组合建模框架。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 行为建模的研究内容 c g f 建模共分为三种类型，即物理建模、行为建模以及环境建模，这三种类 型的模型共同构成有效的统一整体，只有正确地建立起三种类型的模型，才能得 到最终可信的c g f 对象。行为建模1 7 j 属于人的行为表示( h u m a nb e h a v i o r r e p r e s e n t a t i o n ) 研究领域，其含义是指用计算公式、程序或某种模拟方法来表示 个人与组织的行为。针对军用仿真领域，行为建模的任务是用计算机模型来模拟 个人或团队的作战行为。行为建模是个具有挑战性的问题，目前对这个问题的 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 研究都局限在特定的应用领域，构造通用的行为模型还比较困难。一般来说，c g f 行为建模的研究内容主要包括以下几个方面： 一战场态势感知。指在一定的时间和空间中对战场环境中各元素的感知，对 其含义的理解和对下一时刻状态的预测。战场态势感知是对战场信息的收集和分 析的过程，包含了知觉、理解和预测三个层次。战场态势感知的结果将对仿真实 体的决策产生影响。 _ 决策。指从一组相互冲突的行动中选择一个执行。c g f 中使用的决策方法 非常广泛，从简单的决策表到复杂的对策理论都可以应用到c g f 决策中去。采取 何种方法主要取决于两个因素：决策时间和聚合级。 - 规划。指为了完成某一任务，利用现有的信息制订一系列行动方案的过程。 c g f 所研究的规划主要是指作战任务规划。规划对于任务的顺利完成起决定性作 用，所以，研究人的规划行为具有重要的意义。 记忆与学习。记忆是知识存储的方式。在行为建模中一般将记忆分为三类： ( 1 ) 情景记忆( e p i s o d i e ) 、般记忆( g e n e r i c ) 和隐含记忆( i m p l i c i t ) ； ( 2 ) 短期和工作记忆； ( 3 ) 长期和可检索记忆。 学习是指主体通过与环境的交互作用来获取新知识的过程。学习能力是创建 逼真的行为模型的必要条件。然而由于学习问题的复杂性，目前实用的c g f 系统 绝大多数都没有学习能力。 一般来说，人的行为可以看作是从环境中获取信息，通过认知系统处理信息 并对外界环境输出动作的过程。从这一思想出发，可以建立如图1 1 所示的行为模 型框架，这种模型也称为刺激响应模型( s r 模型) 。 图1 1 行为模型的一般框架结构图 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 - 2 实体行为分析方法 对实体行为分析并在此基础上构建分析模型，是行为建模的一项重要内容，一一 它是行为模型实现的基础，并对行为模型实现的有效性产生根本影响。根据分析 方法的实现思想和理论基础，现有的行为分析方法主要包含如下几类： ( 1 ) 面向过程的方法【s 1 4 】 面向过程的方法本身并不是针对行为建模研究提出的，它是面向系统研究而 提出的基于数据流和功能的系统建模方法。由于过程性是作战实体行为动态特性 的一个基本特征，因此构建行为执行过程模型是行为建模的一个基本内容，这使 得面向过程的方法成为作战实体行为分析、建模的基础方法。面向过程的方法在 行为建模研究中，依据过程的可分解性将行为的执行过程看作是由多个具有特定 “功能 的子过程按照既定执行关系的动态执行组合，其本质是以功能和信息数 据为中心的方法论。 面向过程的方法在作战实体行为建模研究中的应用前提是作战实体的行为执 行过程必须是可确定的、可分解的，亦即作战实体行为的执行过程必须是可结构 化或可半结构化的。当无法明确或无法基于统计规律构建作战实体行为的执行过 程模型时，面向过程的方法论将不能为行为建模提供有力的支持。 ( 2 ) 基于状态的方法 基于状态的方法是一种以状态为基点的行为分析方法，它把行为定义为状态 的变迁，通过分析确定作战实体的状态并在此基础上确定状态的迁移来建模作战 实体的行为。基于状态变迁研究系统行为是目前计算机领域应用最为广泛的行为 分析和建模方法。而在军事仿真领域，基于状态的方法被普遍用于作战实体行为 模型的程序实现中。 目前有多种应用于行为建模的基于状态的建模方法，包括基于自动机理论的 方法【1 5 1 8 1 、p e t r i 网方法【1 9 1 、状态图方法【2 0 】、事件图【2 、欧拉网方法阎以及基于变 量的方法 2 3 1 等，它们可以为作战实体的行为分析、建模研究提供广泛的支持。与 面向过程的方法不同的是，基于状态的行为建模方法几乎都具有严格的形式化理 论基础，而其状态离散化的思想也使得其非常易于计算机程序实现。实际上，无 论采用什么样的行为建模方法，其计算机实现本质上都是基于状态的方法。然而， 基于状态的行为分析方法的应用前提是状态空间必须是有限的，或可以转换为有 限的情况，而且状态的变迁必须是可确定的。 ( 3 ) 基于进程代数的方法 进程代数方法f 2 4 l 是以进程为基点、基于交错并发理论的复杂并发系统行为分 析方法。在进程代数中，进程表达行为，动作表达行为之间的交互，进程可以基 于进程算子进行组合和分解，从而使得进程代数方法能够支持自顶向下和自底向 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 上的复杂行为分析和建模。进程代数方法一般都有一套完备的形式理论体系，以 便支持进程的分析和建模。尽管进程对应特定的实施对象，但进程代数方法一般 不强调、或不突出进程的具体执行者。可以说，基于进程代数的行为分析、建模 方法是纯面向行为的。目前较为成熟的、应用较为广泛的进程代数方法主要有c c s ( c o m m u n i c a t i o n c o n c u r r e n t s y s t e m ) t 2 5 1 、c s p ( c o m m u n i c a t i n gs e q u e n t i m p r o c e s s e s ) 2 6 1 、疆演算 2 7 1 、s p a ( s t o c h a s t i cp r o c e s sa l g e b r a ) 2 8 1 和p e p a ( p e r f o r m a n e e e v a l u a t i o np r o e e s sa l g e b r a ) 2 9 1 等，这些方法最初都是面向并发系统研究而提出，后 被建模仿真人员广泛应用于各类并发行为的分析、建模当中。 进程代数方法在刻画存在复杂交互的并发行为方面，具有无可比拟的优势。 而且进程代数方法形式体系所定义的进程操作语义，使得进程代数方法能够很好 地为复杂并发行为的分析和建模提供支持。然而，进程代数方法一般只强调并发 交互、以及基于并发交互的进程执行过程的分析与刻画，它不关注进程本身所蕴 含的计算过程的表达。 ( 4 ) 基于逻辑的方法 逻辑方法被广泛的应用于a g e n t 建模i 串 3 0 3 2 】，它主要被用于定义理性( 慎思) a g e n t 的认知行为特性，从而得到基于逻辑的a g e n t 认知行为建模框架，如b d i l 3 3 j 框架。逻辑方法的特点是具有严格的理论体系，能够完备的、一致的表达出行为 的关键特性，它在刻画行为的性质以及建模所必须遵循的规范方面有其特有的优 势。目前在行为建模研究领域应用较为广泛的逻辑方法主要是基于模态逻辑的方 法、基于时态逻辑的方法以及基于一阶逻辑的方法等。 1 2 3c g f 行为建模发展历程 c g f 建模技术是近年来随着先进分布仿真和人工智能等技术的发展而兴起的 一个新的军用仿真建模领域，它的突出特点是利用计算机来代替真实的作战人员 和武器装备，实现其在系统中的角色和职能。从c g f 行为建模研究的角度，c g f 的行为建模大致经历了平台固定、面向对象、基于模块化技术和可组合建模等大 致几个阶段，下面使用代表性的仿真系统或平台对各个阶段进行简要的阐述。 ( 1 ) 平台固定( s n 压n e t ) s i m n e t l 3 4 ，3 5 】用于训练美国陆军地面( m 1 坦克和m 2 步兵装甲车) 和空军作战 人员。1 9 8 2 年由美国陆军和d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n e y ) 发起，进行大规模开发。该计划建立的系统主要用于验证d i s 在训练、研究和开 发的可行性和可应用性。c g f 的需求来自于在s i m n e t 中仿真的参与人员只能限 制到1 0 0 0 个人员且费用昂贵。由于高层指挥官需要更多的参与人员，所以其中更 多的实体必须采用c g f 。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s i m n e t 为网络仿真器问的交互和可视化仿真提供了研究基础。主要的缺陷 在于仿真器和开发软件的费用。许多系统部件属于专用设备，很难进行改造。而 且，具有有效人工智能能力的c g f 的需求还没有解决。可建模的仿真实体相对有 限，指挥和控制结构也有待改造。该计划主要限于低层次的训练，难以支持更高 层次的指挥训练。 。 ( 2 ) 面向对象技术( b b ns a f ) b o l t 。b e r a n e k , a n dn e w m a ni n c s a f 简称b b ns a f t 3 引，与s i m n e t 兼容。它 可以产生用于s i m n e t 分布式交互仿真的兵力。该软件运行于s g i 和m i p s 机器 上。它采用k e m i g a na n dr i t c l l i e ( k & r ) c ，采用面向对象的设计方法编写开发。它 采用与d i s 类似的协议运行于以太网上。其中大多数d i s 协议基于s i m n e t 的研 究成果。主要重点在于近距离作战仿真，仿真中可以包含如地面机动作战单元， 步兵，固定翼飞机和旋转翼飞机的实体。作战单元的仿真和控制从个体到营级。 一个单独的工作站可以控制最多5 0 个实体。 b b ns a f 人机接口基于x 窗口，进行战场环境的二维显示。一个操作员通过 使用作战指令集( c o m b mi n s t r u c t i o ns e t sc i s s ) 和战术突发指令( t a c t i c a l e m e r g e n c yt a c e ) 控制实体。操作员定义c i s 以控制每个实体对战场事件的响应。 操作人员不激活响应，只有战场条件会激活响应。 该系统的主要优点是以s i m n e t 为基础，采用面向对象的设计方法编写开发， 并同时采用更通用的软件解决方案。部分软件仅能产生现实。其缺点在于环境的 二维显示，需要结合s i m n e t 中三维可视化软件。另外其界面相当复杂和庞大， 包含许多创建和控制实体的菜单。 ( 3 ) 基于模块化技术( m o d s a f 、c c t ts a f ) m o d s a f ( m o d u l a rs e m i a u t o m a t e df o r c e s ) 0 6 ，3 7 】当前处于5 0 版，是美国最新一 代c g f 研究项目o n e s a f 的开发基础。 m o d s a f 综合了b b ns a f 和o d i ns a f 的所有功能。类似于b b ns a f 和o d i n s a f ，它由l a d s ( l o r a la d v a n c e dd i s t r i b u t e ds i m u l a t i o n ) 的开发组开发。m o d s a f 主要用于i f o r w i s s a r d ( i n t e l l i g e n tf o r c e s w h a ti fs i m u l a t i o ns y s t e mf o r a d v a n c e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ) 计划，支持美国陆军的s t r i c o m ( s i m u l a t i o nt r a i n i n ga n di n s t r u m e n t a t i o nc o m m a n d ) 的a d s t ( a d v a n c e dd i s t r i b u t e d s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 研究，并用于s t o w 9 7 ( s y n t h e t i ct h e a t e ro f w a r9 7 ) 军事 演习。 其基本思想和体系结构综合b b ns a f 和o d i ns a f 特点，然而在程序结构上 具有模块化的特征，因而容易扩展和使用。 c c t ts a f 3 8 1 ：i 丘战战术训练系统是s a i c ( s c i e n c ea p p l i c a t i o n si n t e r n a t i o n a l 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 c o r p o r a t i o n ) 研制的第一套用于综合作战训练的模拟器系统，该系统采用交互分布 仿真技术为参训的装甲机械化步兵提供虚拟训练环境。包含空中作战实体、地面 车辆、步兵和武器系统的实时战场仿真系统，可以提供战场训练环境，模拟真实 的战斗车辆、武器系统、作战人员和排指挥官。c c t t 中的c g f 称为c c t ts a f ( c l o s ec o m b a tt a c t i c a lt r a i n e rs e m i - a u t o m a t e df o r e ，近战战术训练半自动兵 力) ，c c t ts a f 建立在m o d s a f 基础上，对可靠性和行为逼真度有很高要求。 c c t rs a f 仿真系统采用了模块化方式，由5 个模块组成，其中由平台级实体 模型仿真模块实现对c c t ts a f 实体物理建模和动态建模，由行为模块产生战斗 单元级和平台级的行为。c c t ts a f 作为一个用于军事训练的系统，它所控制实体 的行为要有严格的战术逼真性，并且每个行为都可由行为代码来组合。因此，c c t t s a f 使用基于规则的知识表示人的行为，用自然语言描述战术行为的战斗条令以 及领域专家开发的战斗指导。c c t ts a f 的开发者研究了一个严格的知识工程过 程，来标识、说明和归档系统中要实现的战术行为。这个过程的结果就是形成了 一套平台或战斗单元的行为元素，即作战规则集c i s ( c i s ，c o m b a ti n s t r u c t i o ns e t s ) 。 一个c i s 是一个基本行为、战术操作或反应，包含以下内容：行为描述、行为所 包含的一系列行动、初始条件、输入数据、结束条件、态势中断。c i s 集包含一个 名称和指定的一系列行动，也可能还包括触发、中断和终止的条件。c i s 集归档后， 就把它们转换成相应的软件实现。平台级实体的c i s 由有限状态机( f s m ) 来实 现，将一个行为分解为若干个有限的状态，每个状态对应执行某些活动；根据某 些规则( 如作战条令条例) 定义状态转移函数( 条件) ，实现状态之间的转移， 从而将整个行为过程表现出来。对于战斗单元级，则利用专家系统和战术规则库 选择一个c i s ，然后由f s m 实现。 c c t ts a f 战斗指令集的概念提高了实体的智能水平，但其基本的行为描述都 是通过有限状态机( f s m ) 来实现的。f s m 限制了行为的自主性，较适于对低级 物理行为的描述与建模，如运动、发射武器等行为，但对高级智能行为或含有并 行行为的复杂行为建模比较困难。系统需要对规则进行编码，模型只适合于相似 尺寸和复杂度的作战实体。c c t ts a f 中的行为遵循条令条例，没有考虑到人的智 能行为。 ( 4 ) 基于组合建模技术( o n e s a f ) o n e s a f ( o n es e m i a u t o m a t e df o r c e s ) 1 3 9 4 1 】是美国国防部高级项目计划局 ( d a r p a ) 在m o d s a f 基础上开发的新一代的c g f 系统，它在将代替现有的 m o d s a f 、c c t ts a f 和军队的其他c g f 系统。它可以支持从单兵作战层次、单 兵平台层次到全自动化的友方营一级，全自动化的敌方至旅一级的全方位的作战、 系统以及指控过程。它提供了系统框架和技术支持，允许o n e s a f 部件可选择地 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 进行配置并整合成一个通用的模拟环境，使之能符合m & s 各领域的要求。o n e s a f 将提供一个可进行程序扩展的软件核心，这个扩展的程序将能在m & s 各领域中 拓宽用户功能。可组合性( c o m p o s a b i l i t y ) 是o n e s a f 的核心设计思想之一。 o n e s a f 在继续侧重提高c g f 实体智能行为水平和仿真精确度及可信性的同 时，与h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 兼容，并可应用于合成战场仿真环境( 综 合环境，包括大气、海洋、天气和时间变化的综合战场仿真环境) 。o n e s a f 可集 成到聚合类实体的仿真模型中，用于分布交互式的作战模拟和战争推演。 1 2 4 国内研究现状 我国c g f 的研究比国外要晚【l 一，c g f 系统的整体研究和设计而言，“九五 期间，在总装备部的直接领导下，联合多家单位开展了“综合防空多武器平台仿 真示范系统 的研究，该系统在多项关键技术上取得了重大突破，其中一项为计 算机生成兵力技术。主要包括空中威胁c g f 系统和地面威胁c g f 系统，其中空中 威胁系统主要由智能数字飞机组成，地面威胁c g f 系统由雷达、地对空导弹以及 高炮组成，在实现时采用了简化的模型进行表示。由于数字飞机属于人在回路的 c g f 实体，所以除了建立其动力学模型，对其动力学特性进行仿真以外，还采用 了人工智能、神经网络等技术来实现飞机的作战原则、操纵员的战术决策以及编 队飞行等行为。另外国家“8 6 3 研究课题“分布式虚拟场景技术d v e n e t 在推 动c g f 建模技术的研究和实现方面起到了积极的推进作用，其中实现了分队级的 计算机生成飞机编队和地面坦克分队，主要完成了底层智能行为的建模，如机动、 攻击等行为。从总体上来讲，国内在c g f 建模技术的研究方面尚处于初始阶段， 无论是在理论研究，还是在系统的设计方面，同国外相比都有一定的差距。 1 3 论文的研究内容 针对传统行为建