武器装备Agent作战能力模型指标框架设计_屈强.pdf

收稿日期：2021-08-07修回日期：2021-10-29作者简介：屈强（1982-），男，四川峨眉山人，博士。研究方向：侦察情报、军事智能、军事装备信息化。摘要：武器装备 Agent 作战能力模型构建是基于 Agent 的武器装备体系建模仿真研究的基础。针对体系对抗仿真的特点和需求，将武器装备的作战能力分解为攻击能力、机动能力、防御能力、感知能力、通信能力和保障能力 6项分力，并分别进行了指标分解和设计，形成了一套与武器装备作战行为模型兼容的，足够精简的武器装备 Agent 作战能力模型指标框架，为武器装备 Agent 建模和体系仿真奠定了基础。关键词：武器装备；作战能力；武器装备体系；作战仿真；多 Agent 系统中图分类号：TJ01；E917；TP391文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2022.11.011引用格式：屈强，王子强，刘中晅，等.武器装备 Agent 作战能力模型指标框架设计 J.火力与指挥控制，2022，47（11）：59-63.武器装备 Agent 作战能力模型指标框架设计屈强，王子强，刘中晅，李媛州（陆军装甲兵学院信息通信系，北京100072）Indicator Framework Design for Combat CapabilityModel of Weapon System AgentQU Qiang，WANG Ziqiang，LIU Zhongxuan，LI Yuanzhou（Department of Information and Communication，PLA Army Armored Forces Academy，Beijing 100072，China）Abstract：The construction of weapon equipment agent combat capability model is the basis of SoS（System of Weapon System）simulation based on Multi-Agent System.According to the characteristicsand requirements of SoS conforntation simulation，the combat capability of weapon equipment is dividedinto six components：attack capability，mobility capability，defense capability，perception capability，communication capability and support capability，and the indicators of each component are decomposedand designed respectively，a set of sufficiently simplified indicator framework for the combat capabilitymodel of weapon system agent that is compatible with its combat behavior model is formed.Afoundation for the development of weapon equipment agent modeling and the SoS simulation is laid.Key words：weapon equipment；combat capability；SoS；combat simulation；multi-agent systemCitation format：QU Q，WANG Z Q，LIU Z X，et al.Indicator framework design for combat capabilitymodel of weapon system agent J.Fire Control&Command Control，2022，47（11）：59-63.0引言武器装备体系模型构建是开展武器装备体系对抗仿真和作战效能评估的基础。体系建模常用方法主要包括静态建模方法、状态空间建模方法、网络建模方法、基于 MAS 的建模方法（也可称为基于多 Agent 系统的建模方法）1。基于多 Agent 系统的建模方法能够很好地描述个体之间的作用关系，体现个体的自治性和整体从下至上的涌现性2，非常适合体系建模，受到最多关注。在基于多 Agent 系统的建模方法中，武器装备 Agent 模型的构建是基础。根据建模分辨率或层级的不同，可选择武器装备单元、平台或系统作为最小单元进行 Agent 建模。为了便于模型构建和减少计算量，通常针对武器装备平台和系统进行 Agent 建模，这里都统称武器装备 A-gent。Agent 模型包括能力模型和行为模型两部分，能力模型是 Agent 的血和肉；行为模型是 Agent 的灵魂体现。对于面向体系对抗的武器装备 Agent，主文章编号：1002-0640（2022）11-0059-05Vol.47，No.11Nov，2022火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 47 卷第 11 期2022 年 11 月59（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期要关注其作战能力和行为，因此，需构建作战能力模型和作战行为模型。Agent 作战能力模型配合作战行为模型，便可构成武器装备的虚拟实体。武器装备 Agent 作战能力模型构建是武器装备 Agent 建模的关键内容之一，其核心是将武器装备与作战相关的物理结构和特性数字化，构成 Agent 的作战分力，便于仿真程序读取和使用。当前，武器装备 Agent 作战能力建模研究存在以下特点：一是体系作战能力建模研究多，装备作战能力建模研究少；二是面向评估的建模多，面向体系对抗仿真的建模少。在面向评估的武器装备作战能力模型不能直接用于体系对抗仿真，因为这些模型不是在统一架构下构建，不便于分辨率合成，未充分考虑与武器装备作战行为的兼容，且不够精简，构成体系进行对抗仿真计算量太大。1作战能力分解根据武器装备平台的组成单元和分类，可以将作战行为分为攻击、机动、防御、感知、通信和保障 6类。相应地，学界通常将武器装备看成信息力、打击力、防护力、机动力、保障力 5 种基本作战分力3-4的综合，还有的进一步将信息力分为通信力、感知力和指挥控制力。其中，指挥控制力由编制结构和指挥控制体系决定，更适合作为体系级作战能力的分量，在单个武器装备平台作战能力构建中可不考虑。综上，可以将武器装备 Agent 的作战能力分解为攻击能力、机动能力、防御能力、感知能力、通信能力和保障能力六大分力，如图 1 所示。图 1作战能力的 6 种分力这种分解方式默认将 6 种分力的重要性等同并列。作战本质上是武器装备（系统、体系）之间攻击与被攻击的作用力。攻击力是作战能力的主分力，而其他分力是作战能力的支持分力，其结构关系如图 2 所示。主分力决定了作战能力的方向和主分量大小，如果攻击力为零，那么即使其他分力再大，也没有作战能力。支持分力是支持主分力发挥作用的分力，它不是次要分力，相反，作用不可低估，只是需要依托主分力表现出来。例如，通信连的攻击力几乎为零，然后它的信息力非常强，旅团作战如果失去了通信连的信息力支撑，攻击力的发挥将大打折扣，严重影响作战效能。2作战分力构建2.1攻击能力攻击力主要蕴含在武器装备体系的主战装备上。主战装备是指直接具有攻击毁坏武器装备、人员、作战物资、军事设施等的武器装备。主战装备种类很多，有代表性的主要包括枪械、火炮、导弹、战车、战机、舰艇六大类。武器装备的攻击力主要由射击速度、射击距离、打击精度、杀伤半径、弹药飞行速度等弹药发射的有关技战术指标决定。射击速度指作战中单位时间内发射弹药的数量或重量，单位“发/s”；射击距离是指弹药的飞行距离，简称“射程”，单位“km”；打击精度是指弹药命中目标的概率或偏差程度；杀伤半径是指弹药爆炸后摧毁目标的范围，单位“m”或“km”；弹药飞行速度是指弹药发射后在空中飞行的速度，单位“m/s”或“km/s”。武器装备平台通常包括多个攻击武器，而武器装备系统又包括多个平台。无论是以平台还是系统为单元构建武器装备体系模型，都需要进行攻击能力融合计算，获得 Agent 的攻击能力。武器装备上述弹药发射的 5 个技战术指标之间并不独立，具有相关性，难以直接融合。其次，在 Agent 作战行为建模时，往往需要一个综合的攻击能力指数。本文基于文献 5-6 对指标的简化研究，定义一个新的攻击力矢量，其大小为弹药重量、战斗射速与弹药速度的乘积，方向为弹药速度，即（1）式中，M 为弹药重量；U 为战斗射速；V 为弹药速度。弹药重量是指弹头重量，而不是整弹重量，其中，假设各种弹药均采用最先进的装填技术。在不考虑弹药爆炸威力差异的情况下，杀伤半径主要由弹药重量决定。战斗射速是指在熟练士兵操作下保障一定射击效果的发射速度，战斗射速通常小于最大射击速度。弹药速度定义为弹药加速后的理论最大速度。采用弹药速度代替射击距离和弹药飞行速度，进一步简化了攻击力的计算式。弹药冲量 M 的单位为“kg/发”；战斗射速 U 的图 2作战能力 6 种分力的结构关系图601914（总第 47-）单位为“发/s”；攻击速度 V 的单位为“m/s”，因此，攻击力的单位为“kg m/s2”，这与物理学中力的单位“牛顿”的定义一致。然而，攻击冲量的“s”与攻击速度的“s”含义并不相同，一个是发射弹药的间隔时间；另一个是弹药飞行时间。此外，攻击力不是弹药发射的推力，它还包括弹药爆炸的威力。因此，不能直接套用力的单位来度量攻击力，而需要定义一个新的单位。本文将攻击力的单位定义为“攻”，1“攻”等于 1“kg m/s2”。1 攻的物理意义相当于武器在 1 s内将 1 kg 弹药从静止加速到 1 m/s，这大致相当于 1名持普通手枪单兵的攻击力。由于武器体系的武器装备数量大，为便于表示，可定义“千攻”单位，1“千攻”即 1 000“攻”。按照攻击力方向，可以将攻击力分为同靶、同源、同向、相向、非对称和不相交攻击力 6 种，如图 3所示。起点不同、终点相同的两个攻击力称为同靶攻击力；起点相同、终点不同的称为同源攻击力；起点和终点均相同的称为同向攻击力；起点和终点正好相反的称为相向攻击力；攻击力 F1的终点是攻击力 F2的起点，而攻击力 F2的终点不是攻击力 F1的起点，则称这样的攻击力为非对称攻击力；起点和终点连线完全不相交的两个攻击力称为不相交攻击力。图 36 种攻击力攻击力的融合包括“加”和“并”的运算，此外，攻击力的矢量运算还包括“减”和“交”的运算。加法和减法是简单攻击力的运算，交和并是复合攻击力的运算。不同方向的攻击力可以作等价比较，但 1 架空对地攻击力 1 000 攻的飞机与 5 辆地对地攻击力200 攻的坦克，分别射杀相同地面目标，从理论上讲，两者的作战效果是相当的，即 1 架空对地攻击力1 000 攻的飞机与 5 辆地对地攻击力 200 攻的坦克攻击力等价，然而，等价并不意味着可以将不同方向攻击力直接作加减运算。如果 1 000 攻的飞机与5 辆 200 攻的坦克作战，显然飞机具有压倒性优势。2.2防御能力防御能力是与攻击能力相对应的一种作战分力，是“盾”与“矛”的关系。现代战争，攻击形式多样，武器装备的防御能力也包括火力防御、电磁干扰防御、网络攻击防御等，火力攻击与防御永远是战争最根本、最主要的矛盾。因此，本文只讨论火力攻击与防御能力。在前文攻击力定义时，为了便于合成计算，作了相应简化，默认攻击力只与弹药射速、初速和重量有关，与弹药种类以及被攻击对象无关。这种简化在作战能力评估等不考虑攻击效果的应用中可以接受，但在作战效能评估中显然行不通。例如，“红箭”反坦克导弹的攻击力约为 13 攻，1挺 56 式轻机枪的攻击力约为 14 攻，两者攻击力可近似等价，然而，实际作战中两者对不同目标的攻击效果截然不同。攻击坦克时，反坦克导弹比轻机枪的作战效能更高，而攻击单兵时，轻机枪比反坦克导弹的作战效能更高。为解决这一问题，用 P2P的参数表来定义防御能力，也就是说，对于装备 Ai的防御能力，建立一个防御参数表，如表 1 所示。表 1防御参数表其中，Xi，1，Xi，2，Xi，N分别表示 Ai对敌军所有武器Bj（j=1，2，N）的防御参数。防御能力分为主动防御和被动防御。攻击就是最好的防御，这句话表达的就是主动防御的理念。此外，实施干扰、机动躲闪等都属于主动防御。被动防御则包括防护材料、隐身技术等的使用。防御参数的选取需要综合考虑上述各种情况，主要有两种方法：一是构建指标体系，综合得到防御指数；二是开展实装攻击试验，用武器装备的生存概率作为防御参数。第 1 种方法在指标选取和指标权重设定上存在很强的主观性，并且很难考虑作战运用、战场环境等条件因素。第 2 种方法能够很好地弥补第一种方法的缺点，但需要进行大量重复性攻击试验，遍历各种作战运用和环境，才能获得相对可信的生存概率，人力物力成本较高。击毁是指通过火力攻击使武器装备目标失去作战能力，生存是与击毁相对应的概念，即火力攻击后武器装备仍具有作战能力的情况。唐昭飞等讨论了单弹击毁概率，即单发弹药造成目标失去作战能力的概率7。假设装备 Ai对 Bj的单弹命中概率pi，j和命中击毁概率 i，j，则两者的乘积定义为单弹击毁概率，记为 Ki，j，则（2）为了与攻击力配合使用，单弹击毁概率可转换为单攻击力击毁概率，简称单攻击毁概率，记为，则B1B2BN-1BNAiXi，1Xi，2Xi，N-1Xi，N屈强，等：武器装备 Agent 作战能力模型指标框架设计611915（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期（3）式中，表示装备 Ai的单弹攻击力。显然，单攻击毁概率与防御能力成反比，即单攻击毁概率越大，防御能力越小。将单攻击毁概率转换为单攻生存概率，便可得到与防御能力成正比的参数，表示为 Dj，i，则（4）式（4）是单攻生存概率的定义式，实际上单攻生存概率是通过试验统计的方法获得的，因此，没有必要再将单弹击毁概率分解为单弹命中概率和命中击毁概率的乘积。单弹击毁概率的试验获取方法，需要遍历各种主要的作战运用和环境，例如：不同距离、不同角度、不同地形、不同气象条件、不同操作人员等，且每种情况均要采集足够的样本点，然后再通过统计平均，获得最终可信度较高的概率值。通过试验统计和式（4）计算，便可得到如表 2 所示的单攻生存概率表。表 2单攻生存概率表其中，Di，1，Di，2，Di，N分别表示 Ai对敌军所有武器Bj（j=1，2，N）的单攻生存概率。2.3机动能力机动能力是武器装备实施机动的能力，是作战能力的重要组成部分。机动能力越强，越容易把握时机和战机，夺取作战主动权。车辆、飞机、大炮、舰船等不同类型武器装备对机动能力有不同要求，但最基本的性能指标包括最大速度、最大行程、最大加速度、最大转弯半径、最大爬坡角度等8-9。传统的作战能力评估中，常采用层次分析法等指标综合类方法将机动性能指标综合起来，得到一个机动能力指数，再进一步综合得到作战能力，例如文献 7。而在基于 MAS 建模仿真中，只关心Agent 什么时候能够抵达或撤出作战地域，不关心具体的加速度、转弯半径、爬坡角度等瞬间运动状态参数。因此，可以采用平均机动距离与综合机动速度来衡量 Agent 机动能力。平均机动距离 ML，一般通过不同地形、不同条件下的机动实验数据加权平均计算。综合机动速度 V 表示为V=Vmax（5）其中，Vmax为最大机动速度；为通过性因子。效能仿真时，通过性因子由装备与地形环境共同决定。能力评估时，通过性因子 等于可快速通过区域面积与战场地域总面积的比值。2.4感知能力感知能力是指武器装备 Agent 探测识别作战目标和战场环境的能力。感知是攻击的前提，是作战OODA 环的重要环节。感知能力不同于侦察能力，侦察能力是物理域上的能力，而感知能力是认知域的能力。武器装备的感知能力指标主要包括探测距离、识别距离、识别率、天时适应性、天气适应性、目标适应性、抗干扰性等。探测距离是指武器装备能够准确探测到目标的最大距离。识别距离是指武器装备能够准确识别目标类型的最大距离，不同距离、不同环境条件、不同对象下的识别成功率一般不同，装备夜间、白天等不同天时下，阴天、雨天、雾天等不同天气下的感知能力通常也不同。目标探测结果一般不能直接应用，还需要进行敌我识别和目标类型识别，才能供 Agent 仿真使用。对于探测雷达、预警机、侦察卫星等装备，其主要作用就是大范围目标探测，然后引导其他武器装备聚焦某一区域，进一步识别和打击，这类装备在建模时需要保留探测距离的参数，而其他常用武器装备则可以省略探测距离，仅用识别距离表征感知能力。为统一表征，便于体系对抗仿真中使用和比较，可以将天时适应性、天气适应性、目标适应性、抗干扰性等因素按如下公式综合：RL=R （6）其中，RL 为综合识别距离；R 为识别距离基数；为天时因素；为天气因子；为目标因子；为抗干扰因子。取值白天为 1，夜间为 0。、和 在 0，1间取值，具体由实验数据分析处理得到。此外，综合识别距离，需对应某个特定的识别率，一般可选择90%以上。识别率越高，综合识别距离越近；识别率越低，综合识别距离越远。仿真中，需要统一规定识别率。2.5通信能力通信能力是指武器装备 Agent 之间传递信息的能力。通信是作战协同的基础，是作战指挥的前提。在体系对抗仿真中，武器装备 Agent 之间的通信主要是指移动战术通信。移动战术通信的主要指标包括通信距离、通信有效性、通信容量、机动通信、协同通信、通信抗干扰、通信保密、通信组网等10-11，其中，通信距离是首要考虑的指标。武器装备 Agent之间传递基本的战术侦察感知信息和指控信息，一般通信容量都能够满足。抗干扰性能对装备通信距离影响很大。抗干扰性能越强，相同电磁干扰下，通信距离越远。为统一表征，可以按如下公式综合：CL=C （1-）（7）B1B2BN-1BNAiDi，1Di，2Di，N-1Di，N621916（总第 47-）屈强，等：武器装备 Agent 作战能力模型指标框架设计其中，CL 为综合通信距离；C 为通信距离基数；为抗干扰因子；为组网因子。和 取值为 0，1。综合通信距离是两个通信体制配对，可组网通信装备之间的通信距离。因此，效能仿真时，由新源装备与新宿装备共同确定。能力评估时，组网因子 等于可联网装备数量与装备总数量的比值。此外，其他指标可作为全局变量，添加到体系和环境模型中。2.6保障能力保障能力是指确保战斗力有效发挥的支撑能力。保障过去分为装备保障和后勤保障，现在统一称为联勤保障。按照保障分力不同，可分为攻击能力对应的弹药保障，机动能力对应的搭载保障，对于整体能力发挥相关的油料、食品等物资保障，以及维修、医疗等服务保障。对于体系对抗中的武器装备 A-gent，最关心的是高频次的保障行为及其相关能力。在战术、战役层次，频次最高的是运输保障行为，包括弹药、器材、油料、食品等物资运输以及装备投送运输。保障行为是其他装备攻击、防御、机动能力的倍增器。因此，Agent 的保障能力，可以用综合运输量W 来统一衡量，该值可以通过手册获得。其他保障因素可作为全局变量，添加到体系和环境模型中。3武器装备作战能力模型框架综上所示，可以得到武器装备作战能力模型框架，如图 4 所示。该作战能力模型框架是一个基础框架，是武器装备（系统）Agent 作战能力构建的基础，在实际应用中，还可根据需要添加其他必要的能力指标。课题组基于该作战能力模型框架，成功实现对陆军重型合成部队武器装备体系的建模和作战仿真，取得了满意的结果。4结论武器装备 Agent 作战能力构建是武器装备 A-gent 建模的关键内容之一，是武器装备体系建模和对抗仿真的基础。本文将武器装备的作战能力分解为攻击、防御、机动、感知、通信、保障 6 项分力。针对武器装备体系对抗仿真的特点和需要，分别对 6项分力进行了构建。定义了攻击力矢量和单攻生存概率表，分别用以度量攻击能力和防御能力，同时简化了机动能力、感知能力、通信能力和保障能力的构建，设计形成了一套适应体系对抗仿真的武器装备 Agent 模型作战能力指标基础框架。本文研究存在一定不足，例如攻击力矢量只适用于常规火力武器的攻击能力度量，对于激光武器、次声武器、电磁武器等新概念武器，以及核武器等均不适用。机动能力、感知能力、通信能力和保障能力简化度量对仿真结果的影响有待验证。这些都是今后需要重点研究解决的问题。参考文献：1葛亚维，刘德胜，马宝林.作战体系建模方法与应用 J.指挥控制与仿真，2020，42（5）：1-6.2BORGES F，GUTIERREZ-MILLA A，LUQUE E，et al.CareHPS：a high performance simulation tool for parallel anddistributed agent-based modeling J.Future GenerationComputer Systems，2017，68（3）：59-73.3郭杰，黄建华，周华任，等.基于五力的武器装备作战能力评估模型 J.火力与指挥控制，2011，36（2）：11-14.4李瓂.战斗力解析 M.北京：国防大学出版社，2013.5王冰切，周栋栋，许登荣.反辐射无人机攻击海上移动目标作战效能评估 J.舰船电子对抗，2021，44（2）：64-67.6余明晖，高艺哲，何渝海.分布式杀伤环境下的多舰对陆攻击效能评估 J.舰船电子工程，2020，40（1）：16-19.7唐昭飞，田康生，王进轻，等.反辐射无人机攻击目标击毁概率分析 J.空军雷达学院学报，2006，20（1）：8-10.8徐波.基于灰色 ANP 的轻型高机动步兵战略机动能力评估 J.指挥控制与仿真，2019，41（1）：77-83.9冯卉.基于 Vague 集的防空武器系统机动能力评估技术J.火力与指挥控制，2016，41（1）：19-21.10林伟.基于 AHP-FCE 的复杂电磁环境下炮兵群通信能力评估 J.舰船电子工程，2012，32（2）：65-66.11徐煜华，禹明刚.军事智能抗干扰通信效能评估综述J.军事运筹与系统工程，2021，35（1）：73-80.图 4武器装备作战能力模型框架631917