国防科学技术大学硕士学位论文CGF通信行为建模研究姓名：李明峰申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：查亚兵2010-11
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(Computer Generated Forces,CGF)是指仿真战场环境中由计算机生成和控制的仿真实体，通过对人类作战行为的足够的建模，这些实体能不需要人的交互而自动地对仿真战场环境中的事件和状态作出反应，实现其在战斗中的角色和职能。当前的CGF之间的交互通信比较简单，多采用查询或者请求—回复的形式，在通信中较少涉及到环境的影响，不能真实的反映人类作战中的通信行为，论文以此为研究点，分析作战单元在战场环境下产生通信的条件，将个体决策特征引入到CGF通信过程中来，使作战兵力通信行为模型更符合人类的通信模式。 论文立足基于Agent技术来实现CGF通信行为的建模，首先对Agent概念和通信机制进行了探讨，根据军事通信的需求提出了具有决策特征的CGF通信行为概念以及体系结构。 其次，因为Agent通信语言的设计是CGF通信行为实现的前提要求，论文第二部分对Agent通信语言--KQML进行了详细的研究，根据战场通信的要求进行原语扩充，定义新的语义，使之能够满足作战仿真中组织约束下的通信行为表示。 第三，对战场环境中的通信本体进行研究，解决因为每个Agent的需求和背景知识的不同，而导致对相同的问题产生不同的认识，缺乏一致的概念，从而影响Agent之间通信的问题，提高了CGF交流和协作的效率，同时也增强了CGF通信的可靠性。 第四，提取分队协同作战中的通信需求，基于联合意图理论对通信行为构成的基本模式进行了分析。在此基础上，根据行为产生的条件和影响因素对通信行为进行分解，基于BDI模型构建了CGF个体的通信行为模型框架；基于该框架对CGF通信行为决策过程进行详细阐述，提出OCBC通信行为模型；建立通信代价模型，使得个体决策过程中的通信行为更加符合实际。 最后，结合上述理论研究成果，基于XX分队指挥训练模拟系统，对系统中的CGF通信行为模块进行详细设计和实现，并以分队作战为背景，设计了一个简单的分队协同进攻与防守的典型想定。以此想定为基础设计实验，验证了从本体构建、行为建模到建模实现开发全过程，并对传统通信和行为通信的仿真结果进行了对比分析，说明了通信行为模块的实现可以真实地模拟战场人类的通信行为，并能减少网络通信数据堵塞，提高通信效率。 关键词： 计算机生成兵力 KQML 通信本体 BDI模型 联合意图理论 通信行为模型 第 i 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRACT CGF (Computer Generated Force, CGF) is defined as entities generated and controlled by a computer in the simulated battlefield, through adequate human behavior modeling operations, these entities will not need human interaction and can automatically response to events and state to achieve its role and functions of the battle. The current interactive communication between the CGF is relatively simple, use of query or request – response method rarely take environment into account, which is not real. the response of human communication behavior, as the research points of combat units on the battlefield communications environment, the conditions of production, will be introduced to the characteristics of individual decision-making process to CGF communications, so that communication behavior model of combat troops can be more in line with the human mode of communication. CGF based on Agent technology to achieve the modeling communication behavior, first the concept of Agent and communication mechanisms were discussed, according to the needs of military communications features proposed CGF communication with decision-making behavior concepts and architecture. Second, because the Agent Communication Language is designed to achieve the prerequisite for communication behavior CGF requirements, the second part of the Agent Communication Language - KQML carried out a detailed study. Based on the requirements of battlefield communications expansion of the original language, we defined new semantics, so that Simulation of the organization can meet the operational constraints when representing its communication behaviors. Third, we studied the communication ontology in the battlefield environment, aimed to handle perceptive differences arose from the difference between Agents’ requirements and background knowledge on the same problems, these differences usually leads to the lack of consensus, thus affecting the communication between Agent. This research improved the communication and collaboration efficiency, as well as the reliability of communication. Fourth, extracted the communication needs in coordinated operations, based on joint intention theory of communication constituted the basic model is analyzed. On this basis, according to the conditions and behavior factors on the communication behavior of decomposition, was constructed based on BDI model CGF model framework individual communication behavior; CGF communications framework based on the behavior of decision-making process in detail, communication behavior model proposed by OCBC ; establish communication cost model, making the communication of individual acts of decision-making process more realistic. Finally, the combination of these theoretical results, based on the XX units command training simulation system, the system of CGF communication behavior module for the detailed design and implementation, and unit operations as the backdrop, designed a simple unit 第 ii 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 cooperative attack and defense of the typical scenario . Scenario-based design this experiment to verify the building from the body, behavior modeling to model the whole process of achieving development, and traditional communication and behavior to communicate simulation results were compared to illustrate the communication behavior of the module can be truly achieved simulated battlefield of human communication behavior, and can reduce network traffic congestion, improve communication efficiency. Key Words：CGF KQML Communication Ontology BDI Model Joint Intention Theory Communication Behavior Model 第 iii 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表 目 录 表 会话类行为原语...................................................................................................25 表 控制类行为原语...................................................................................................26 表 路由类行为原语...................................................................................................26 表 保留的参数关键字及其意义...............................................................................26 表 通信班本体模型的XML表示..............................................................................60 表 通信产生规则文件表...........................................................................................63 表 通信接收规则文件表...........................................................................................63 表 仿真初始条件.......................................................................................................66 表 交战结果...............................................................................................................66 第 IV 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目 录 图 论文组织结构图...............................................................................................................9 图 传统的协议驱动的通信方式.........................................................................................15 图 具有个体决策特征的通信行为.....................................................................................15 图 PVC_HBM认知体系结构..............................................................................................16 图 通信行为模块内部结构.................................................................................................17 图 PVCC_HBM认知体系结构...........................................................................................18 图 ACL的基本框架.............................................................................................................21 图 KQML层次结构.............................................................................................................22 图 基于KQML的通信体系结构.........................................................................................23 图 领域本体、概念模型和仿真模型之间的关系.............................................................30 图 通信联络组织.................................................................................................................31 图 综合通信体系示意图.....................................................................................................32 图 美军分队联合作战下通信需求.....................................................................................43 图 BDI模型结构..................................................................................................................48 图 通信代价分析树状图.....................................................................................................53 图 通信行为决策过程.........................................................................................................53 图 分系统关系图.................................................................................................................56 图 通信行为决策模型.........................................................................................................58 图 愿望更新子过程.............................................................................................................58 图 作战通信本体模型结构示例片段.................................................................................59 图 通信信念库设计框架.....................................................................................................59 图 通信策略库设计框架.....................................................................................................61 图 通信知识库总体设计框架.............................................................................................62 图 Soar的规则编写界面......................................................................................................62 图 环境与系统交互关系图.................................................................................................64 图 隘口地理环境建模效果图.............................................................................................65 图 算子分层组织图.............................................................................................................65 图 通信量对比图.................................................................................................................67 第 V 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章 绪论 研究背景 战争系统具有非线性、不确定性、多层次性以及涌现性等特点，属于典型的复杂系统[1][2]，对于战争系统，可以进行理论研究和实验研究。当前的关于战争系统的理论研究大多属于定性研究，还不能完全深入地揭示作战过程的内在规律；实验研究（如军事演习）存在耗资、耗时且危险性大等问题，且受到时空的严格限制，只能适度进行。因此，必须寻求更为有效的途径展开对战争系统的研究。 将仿真技术应用于军事训练领域，用于指挥人员的军事运筹研究和战略战术训练，这种方式称之为作战模拟 (WarGame)。确切地定义，作战模拟指应用一定的模型进行模拟作[3][4]战实验，以提示军事活动规律的过程。钱学森说过：作战模拟技术“实质上提供了一个作战实验室，在这个实验室里，利用模拟的作战环境，可以进行策略和计划的实验，可以检验策略和计划的缺陷，可以预测策略和计划的效果，可以评估武器系统的效能，可以启发新的作战思想”。传统的作战模拟是利用沙盘、地图和简单计算进行的，现代作战模拟则是在大量计算机技术支撑下进行，在效率和效果方面都得到了很大的提升。通过对作战过程的模拟，各军兵种可以实现对参战的指挥或参谋人员进行指挥谋略或技能训练，对已制定的作战方案或战法进行评估论证和优化，对现有/未来的武器装备进行作战效能评估等军事方面的研究。当前条件下，作战模拟训练以其具有可控、安全、经济，无破坏性、可多次重复，不受气候、空间、时间等条件限制等传统实兵训练和演习方式所不具备的优势特点，得到各国重视。美军的作战模拟训练已经成为分队训练的重要方式，和实兵演练[5]相辅相成，有效地促进了分队战斗力的生成。 计算机生成兵力(Computer Generated Forces，CGF)是指仿真战场环境中由计算机生成[3]和控制的仿真实体。通过对人类的作战行为的建模，这些实体能在计算机的控制下不需要人的交互而自动地对仿真战场环境中的事件和状态做出反应，从而模拟真实战场中的兵力。由此可见，在作战模拟训练的应用中，需要大量的CGF来扮演任务环境中的各种兵力角色，模拟战争系统中复杂的人类作战行为，因此，CGF是作战模拟训练系统中的重要组成部分，每个相应的系统中都有大量的CGF实体。 CGF的一个关键特征是它的自主决策性。例如，类似游戏中，一个完全由人控制的单兵实体不是CGF，因为它的行动受人的主观因素影响；而由计算机程序自主控制其行动的单兵实体则是一个严格意义上的CGF。由此可见，CGF必须通过计算机程序来模拟人的行为，因此，对人类行为进行建模就成为CGF中的一个关键问题。这里的人类行为建模主要是指对人的内部思维活动进行建模，使CGF模型与其真实兵力“神似”，这也是CGF建模[3]技术的核心和难点。现有的CGF模型大多缺乏行为真实性，许多军事作战模拟中的合成第 1 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 兵力模型都是采用相对原始的人类模型来构造的，其中的行为和决策往往采用一种粗糙、脆弱的方式来表示，这使得所产生的虚拟对手和友军兵力表现出不切实际的行为和过分简单化的反应，不符合真实的战斗员和分队的行为。随着仿真技术的发展，在CGF中引入自主决策的人类行为表示就成为必然，因此，对CGF的研究重点在于对认知与行为建模技术的研究，并将其结合进人类行为的可执行模型，才能达到预期的目的。 国内外研究现状 国外研究现状 对CGF中人类行为建模方面的研究和实践，美军处于领先地位，这得益于美国国防部建模与仿真办公室DMSO(Defense Modeling and Simulation Office)制定的建模与仿真主计[6]划(M&S Master Plan，MSMP)，其中主要来自于联邦研究委员会NRC(National Research Council)领导组建的人类行为与组织建模专家组，对人类行为建模领域进行了较广泛的研究。 [7][8]所谓行为建模，按照DMSO的定义，它是指“对在军事仿真中需要表示的人的行[9]为或表现进行建模”。在NATO(North Atlantic Treaty Organization)的LTSS/51中定义得更详细，包括可执行模型、个体和群体行为、指挥控制信息系统、分析和过程模型、不同的聚合级。CGF的行为建模技术是CGF的核心技术，MSMP中就将行为建模列为研究目标之一，这同时也是CGF开发中最困难的部分，尤其是对人类智能行为的实现。智能行为建模作为CGF行为建模的一个关键部分，主要表现为对人类决策过程的建模，它与行动的目标相关，根据目标采取行动，也称为认知行为建模。较为成功的CGF系统均采用了智能行为[10][11]建模技术，如单一半自动兵力(OneSAF)系统、美军近战战术训练系统(CCTT)等。 早在20世纪50年代，美军就已经开始人员行为建模的理论研究。美军海军开发的项[12]目评审技术(PERT)在网络图基础上建成了任务网络模型，用于描述动作者的行为，但这并不是真正意义的行为建模，因为这些行为是关于他们要完成的一些相互依赖的任务，目的是为实现一个总体目标，没有自主性和可变性。同时期，由美国陆军STRICOM资助， [13]Loral System公司开发的模块半自动兵力 (ModSAF)系统，其行为模型采用增量有限状态[14]机(Finite State Machine, FSM)技术来实现。ModSAF把虚拟实体的行为定义为有限个按阶段划分的任务帧(Task Frame)，虚拟实体状态的变化则是通过这些任务帧的转移来实现。ModSAF主要是为了让更多的人参与到作战过程中，同时在不增加模拟器数量的情况下，由真实的参演人员做出决策，代替CGF的智能行为。 [15]20世纪70年代，基于微处理器的系统集成网络分析系统(MicroSAINT)通过任务网络，在完成任务的时候模拟人类行为，它具有以下特点而被广泛推广： 增加网络单元中的人类行为变量（任务的正确可能性，完成时间等）； 第 2 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 让非专家易于设计图形任务网络； 提供模拟离散事件的独立环境。 这其中，许多任务网络模型已经被开发出来模拟军事任务，在改进集成工具的性能研[16]究项目中，美国陆军研究实验室(ARL)扩展了MicroSAINT的基础语言。随后，在战斗自动化试验台项目中，它们又被美国空军研究实验室扩展开来，并被嵌入到其他仿真环境中去。行为建模团体产生了几种衍生物，包括基于改进的集成工具的性能研究项目建成的指3挥、控制和通信的人类效能模型(CHPM)；指挥、控制和通信下的概念执行可靠评估技术3(CTRACE)；基于MicroSAINT的人类操作员仿真器(HOS)。更进一步，自适应推理思维控制(ACT-R)工作小组的研究人员，已致力于将MicroSAINT模型和更为传统的认知结构模型集成的工作。 20世纪90年代，美国国防部制定了一份建模仿真的主计划(MSMP)，旨在整合各军种所做的工作，确定需要发展的方向，并尽量减少重复性工作。该计划是“国防部对建模与[6]仿真能力进行指导、组织并加以总结的第一步，也是努力解决重大问题的第一步”。在该计划中，DMSO设定了六个主要目标，其中包括“提供权威的人类行为表示”，特别指出将行为引入军事建模中，并成立了“人员行为和指挥决策建模”专家组，展开了对战场环境模拟中决策行为表示法的前瞻性研究。MSMP还规定了一些更详细的子目标以实现其总目标，并包括启动与实施这些活动的具体时间表。 [8]20世纪末，DMSO发布的“人员与组织行为建模”研究报告对行为建模作了较为系统的陈述。它突出强调了行为建模在单兵、组织模拟中的重要性，指出了行为建模与仿真应该是未来军事建模与仿真的主要方向，同时也分析了目前的智能行为模型存在三个缺陷：决策过程过于教条、刻板，缺乏多样性、适应性与灵活性；许多智能行为模型中的决策过程过于类属化，难以反映不同环境，如压力、疲劳、冒险等因素对决策的影响；没有考虑已知的限制、偏见或判断误差等。该篇报告可以视作行为建模发展中的重要里程碑。 [10] 21世纪初，美国陆军开发的单一半自动兵力(OneSAF)是一个具有建设性的建模和仿真环境，目的是为了替代以物理实体为基础的仿真系统。它将SAF和CGF有机的结合，采用METT-T(Mandate,Enemy,Terrain,Task-Time)算法，用以实现对旅级实体以及单元的自动化和半自动化的行为进行模拟，支持包括城市使命在内的所有军事行动。OneSAF仿真系列包括单一半自动兵力(OneSAF)、OneSAF目标系统(OOS)、OneSAF测试环境(OTB)、联合半自动兵力(JSAF)和模块化半自动兵力(ModSAF)，同时还提供了一些功能，来进行不同的人类行为建模。 尽管如此，行为建模的研究仍处于发展阶段，还有很多值得深入的研究。从美军建模[17]与仿真资源库中的926个模型、仿真程序和仿真器中可以发现，其中只有不到20个与[18][19][20][21]人类认知、行为或性能有关，这其中包括有四个侧重于人类的视觉性能(VISEO)，三个侧重于人在回路中(HIL)的仿真器，一个侧重于人体测量学(Jack)，其它的才侧重于不第 3 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 同的行为模型：如改进的集成工具性能研究系统(IMPRINT)、集成单元仿真系统(IUSS)、基于技术研究与实验的建模体系结构(MATREX)和半自动兵力(OneSAF)。同时发现，这9263个模型资源中，只有3个与团体或组织有关，它们是指挥，控制和通信网格模型(CGRID)、3基于扩散动力学的群体模型(RDEBBSM)以及用于建立组织模型的软件工具(CTRACE)。 真正具有智能行为的CGF建模，应该基于对多Agent之间协调合作及共同适应的研究，这也是CGF行为建模的重要研究方向之一。它研究如何将多个Agent组织成一个群体并使各个Agent有效地进行协作，从而产生共同适应行为，达到从总体上解决问题的能力。基于Agent的控制系统(Control of Agent-Based Systems ,CoABS)是美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Project Agency, DARPA)领导下的重要项目，Teamcore团队作为项目的主要负责人，致力于从事Agent的协同行为的研究与建模工作，并成功开发Teamwork模型，在开放的环境下实现了包括异构Agent在内的团队协作。典型的，基于Soar[22]智能引擎编写的Steam是一个通用的Teamwork模型，目的是使Agent为了达成共同的目标而协同工作。目前，它已成功应用到三个不同的多Agent领域，其中两个领域涉及DIS环境下的模拟战斗机行动，第三个领域是用于建立RoboCup足球虚拟运动员编队。值得注意的是，基于Steam的合成战斗机编队参加了STOW-97军事演习，这是对Teamwork行为模型的[23]可靠性一个重要的肯定。另外，Jennings提出的基于联合意图(Joint Intention)的联合责任(Joint Responsibility)模型为协作行为提供了一种有效的表示手段，在CGF行为建模中也有较成功的应用。 国内研究现状 国内在CGF行为建模方面起步比较晚，主要集中在管理科学领域，并且还处于理论研究阶段。在智能行为建模领域，目前刚刚开始，需要做的工作还很多。近年来，伴随分布交互式仿真的兴起，国内的一些研究团体在CGF行为建模方面进行了一些研究和应用，已经建立了一系列作战模拟系统，开发了一些CGF行为模型。但是这些系统功能较为简单，与训练作战、指挥人员的要求还有一定的距离。 [24]国防大学胡晓峰教授等对人类的决策行为建模进行了研究，提出危机决策行为相关理论，指出在危机条件下，战略决策或者高层决策者，为维护国家安全利益作出决断的心理活动和行动反应，可分为危机个体决策行为、群体决策行为和组织决策行为。研究主要基于案例推理(CBR)和BP神经网络两项智能决策技术进行CGF决策行为建模，将决策分为四个过程：确定决策目标函数、对数据信息进行判断和处理、确定决策方案的可能结果及其发生概率、确定与方案对应的子目标取值。但研究尚处起步阶段，许多实际问题还没有解决。 [25]装甲兵工程学院郭齐胜教授等指出CGF个体行为建模的框架由感知、工作存储器、认知、机动行为和长期存储器五个部分组成，并给出了CGF行为模型的开发过程，提出基第 4 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于语境推理的智能决策方法，在规则库较大的情况下，大大提高了搜索效率，保证了行为模型的实时性。 [26]北京航空航天大学在国家863课题研究中提出一种基于Agent的CGA体系结构。它的主要思想是，首先构建参数化的基本行为集，通过全局预规划将实体的行为规划为基本行为集中元素的序列，态势分析和任务调度单元使得实体具备对环境变化做出实时响应的能力，有效的提高了Agent的适应性和行为逼真度。 [27]国防科技大学王达等人分析了在作战模拟中人类行为表示(HBR)的目标与内容，提出了战场行为层次化建模的思想，在此基础上给出了CGF 实体Agent行为模型体系结构，[28]最后应用Agent通信语言KQML建立了基于HLA/ RTI 的作战模拟HBR集成框架。党岗等人在一阶时态逻辑的基础上增加模态逻辑操作，并基于此提出了一个多Agent行为建模方法，使复杂行为模型易于结构化表现，并支持Agent的自主行为和互操作。 目前的决策行为模型框架大都比较复杂，缺乏对实践的指导作用。而在Agent的决策方面，基于规则的推理过于呆板，基于神经网络和强化学习的方法理论性较强，不易实现。 课题研究内容和主要工作 问题的提出 真实战场中，通信是作战协同得以顺利实现的基础和产生的手段。通过通信，作战人员可以了解其他作战人员的当前状态，也可以改变其他作战人员的私有信念或者团队的共同信念，以此来达到作战目的一致，使作战效能达到最大化。现有CGF个体行为建模中很少涉及通信行为建模，而已有通信模型存在三个缺陷： 通信过程过于教条、刻板，缺乏多样性、适应性与灵活性； 许多决策模型中的通信过程难以反映不同环境，如地形、战场时机、冒险等因素对通信的影响； 没有考虑已知通信行为的限制条件或通信失败后的处理方案。 已有的通信模型在通信中较少涉及到环境的影响，而在作战模拟战场中，CGF间的通信是为了实现一致的联合意图，周边战场环境对通信有很大影响，更多的要求CGF主动性的进行通信，这就产生了主体的通信行为。如何能够真实地反映CGF实体在虚拟战场环境中的通信行为，是CGF研究中的重点问题之一。 CGF通信行为作为CGF行为建模的一部分，需要CGF个体理性地分析战场态势，得出通信决策，驱使CGF个体完成与其它个体的通信，或者配合其它个体完成通信的全过程。[29]在任何一场战争中，通信联络必须做到“迅速、准确、保密、不间断”等特点，正确的实现CGF之间的协同通信，才能真正反映战场中的作战局势，才能使CGF与真实兵力相似。在一个士兵大脑里，没有通信作战的思想，这个士兵注定是孤军难战，很难形成战斗力，第 5 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 而现实中的分队作战，需要各要素相互配合完成作战任务。因此，CGF之间的通信行为尤为重要。在军事领域，从近几次大规模军事演习中可以看出，各兵种对协同通信要求越来越高，对通信战术的研究也是现代战争的一个重要研究方面；在作战模拟方面，对战争中的行为进行真实模拟是其研究的出发点；在技术层面，在动态的仿真环境中，大量的推理决策算子，已经使得计算机的工作量很大，如果不加控制地进行实时通信，使得通信同时也产生很大的开销，并且具有风险。 课题研究将CGF个体决策用于通信，对当前的CGF个体加入通信行为模块，给CGF“大脑”注入“通信策略”，使其更加真实地反应士兵的战场行为，进而更真实地模拟作战过程。因此，论文的研究工作具有很强的迫切性和一定开创性。 主要的研究工作 基于多Agent系统的建模理论方法是当前人类行为建模研究的热点之一。Agent是同时具有自治性、社会性、响应性和自适应性的软件系统，基于Agent技术构建的CGF系统，将战场中每个CGF实体是看着一个Agent，这样，单个CGF的行为建模和实现则可以利用Agent技术解决。 单Agent系统可以智能化地完成CGF个体问题，但是，战场环境的复杂性导致Agent需要解决的问题复杂、规模巨大，以至于单Agent系统的处理能力基本上无法完成。为了解决这种大规模的问题就必须使用多Agent系统，而多Agent系统和单Agent系统最大的不同就是多Agent系统可以进行互相通信来协同工作，共同解决大规模的问题。正因如此，课题的研究必然会涉及到CGF个体通信行为的表示问题，能否解决好Agent间如何进行通信这个问题是利用多Agent系统实现CGF个体通信行为的关键。 论文的思路是：基于联合意图理论和BDI模型对CGF通信行为模型进行研究，解决是否通信，为什么通信等行为触发的问题；对多Agent系统的通信技术的研究，扩充Agent通信语言，解决CGF通信行为实现的问题；对通信本体的研究，解决CGF通信过程中概念不一致的问题。具体研究内容如下： (1) 通信语言的语法语义研究 KQML提供了一种在多Agent系统中交换知识与信息的语言，它既是语言又是一种通信协议，所依据的理论主要基于言语行为(Speech Act)理论，用于通信的消息本身就是通信动作，也就是说，Agent通过发送消息来企图达到或完成某一特定目的或动作，但是语言本身存在一定的局限： 对知识级别的通信尚有缺陷； 通信内容的语义解释不完善； 可用的通信命令有限，意念、目标的表达方式不完备。 课题研究根据具体的作战模拟领域对多Agent通信语言的要求不同，对KQML通信语第 6 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 言进行原语扩展，为扩展原语定义新的语义，使之能够满足具有组织约束的CGF通信行为表示。 (2) 通信本体的研究 如果两个CGF就军事领域的问题通信，那么它们必须就描述这一领域使用的术语取得一致。本体就是对这些术语集合的说明。由于每个CGF的需求和背景知识的不同，因而会对相同的问题产生不同的认识，缺乏一致的概念，直接后果是CGF之间、联邦之间、CGF与联邦之间的通信不畅，导致在系统需求明确的情况下规范系统的定义很难。因此，减少或者根除在概念上和用词上的混淆，并且达到共享的状态成为解决上述问题的方法。本体论(Ontology)是概念化的明确的表示和描述。对某一领域中的概念有共同理解，可以提高CGF交流和协作的效率，也可以提高CGF通信的可靠性。课题对战场环境中的通信本体进行研究，解决这一领域部分概念建模问题。 (3) 通信行为框架和决策模型研究 通信行为框架和决策模型建模研究是行为产生的关键。这一部分主要结合分队协同作战中的通信需求，基于联合意图理论对通信行为构成的基本模式进行分析，在此基础上，根据行为产生的条件和影响因素对通信行为进行分解，基于BDI模型构建了CGF个体的通信行为模型框架，再基于构建的框架对CGF通信行为决策过程进行详细阐述，提出OCBC通信行为模型，其中包括建立通信代价分析模型，使个体决策过程中的通信行为更加符合实际。 (4) 通信行为模块的建模实现 以分队指挥训练模拟系统为背景，研究其中战斗分系统中CGF个体的通信行为模块实现的问题。按照通信语言设计，通信本体设计，OCBC模型的框架下的通信行为模块设计的顺序，详细阐述通信行为在指挥训练模拟战斗分系统中的建模过程，并设计具体的想定，对加入通信行为模块的系统进行实验验证，分析仿真结果，得出结论。 课题研究目标与意义 研究目标 为适应未来作战仿真技术和应用的发展需求，提高虚拟实体行为的真实性，增强作战模拟系统的可信度，提高行为模型的开发效率，需要解决若干行为建模研究中的关键理论和方法问题。在此基础上，开发和设计公共的行为模型建模环境和工具，并最终为作战模拟系统中的虚拟实体行为建模提供理论、方法、技术和工具支撑，提高我国各领域作战仿真系统的建设水平。 课题研究目标是重点研究在环境约束下的通信行为建模理论和实现的方法，使得构建的行为模型可以逼真地反映出实际作战过程中的通信行为。在模型实现上，不仅对作战过第 7 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 程CGF的常规通信行为进行建模，还要针对意外或突发事件发生时的通信行为进行建模。同时，还注重对该模型进行模块化设计，以满足作战模型对模型可重用和可扩展的要求。 研究意义 本课题在理论和应用上都有重要的研究价值。在理论上，课题研究瞄准CGF 建模技术的必然发展方向，以CGF具有决策特征的通信行为为研究内容。基于多Agent技术和ACL理论研究通信机制和方法，基于联合意图理论和BDI模型研究CGF通信行为建模问题，设计一套适用于作战模拟的通信行为通信规则，构建具有自主决策能力的通信行为模型，在学术上具有重要的研究价值，能够促进CGF 协同行为建模理论和方法的进步。在工程应用上，课题设计和实现更逼真的CGF通信行为模型，进一步提升CGF在战场环境中作战模型的真实性，适应未来作战仿真技术和应用的发展需求。成果应用到分队级别指挥训练模拟系统中，将在很大程度上提高CGF通信行为过程的真实性，使仿真结果更加合理、可信，具有广阔的工程应用前景。 目前，美军也正在为士兵训练、战法演练、作战方案论证、计算机军演、武器装备效能评估研究更为真实、逼真的智能CGF行为模型。DMSO认为在建立人的行为真实性方面哪怕取得很小的提高，都会对行为建模起重要的促进作用。课题追踪领域的前沿发展，在CGF间的通信方面引入一个崭新的、更贴近战场环境的行为建模方法，开辟更具战场真实性的智能CGF通信结构框架设计思路，为实现更加完善的CGF仿真系统做一定的技术储备。 论文组织结构 论文的组织结构如图所示： 除第一章绪论和总结展望外，论文的主体为两大部分，共四章。第二、三、四章为理论研究部分，.第五章为系统设计和应用部分，具体如下： 第一章揭示了本文的研究背景，介绍了当前国内外CGF行为建模的研究现状，提出了本文的研究目标、意义和主要内容。 第二章给出了CGF通信行为的概念，重点研究了基于Agent的通信行为体系结构。首先对现有的Agent通信进行了概略性的总结分析，指出了现有通信在行为决策过程的不足之处，并根据通信行为的特点，提出认知层面的通信行为概念。然后针对具体的作战领域，结合已有的CGF个体认知体系结构，提出一种适用于战场环境的CGF通信行为体系结构，并给出符合通信行为概念的条件。体系结构为以下几章的研究提供了框架依据。 第三章研究Agent通信语言以及通信本体的设计，这是CGF通信行为实现的基础。首先，对Agent通信语言框架和通信机制进行分析，在此基础上，对KQML通信语言的语义语法进行了详细研究。同时，针对分队战术级作战中涉及的通信概念，包括作战实体的静 第 8 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论理论与方法研究第二章CGF通信行为概念及体系结构第三章第四章基于通信本体的ACL原语设基于BDI的CGF通信行为建计模系统设计与应用第五章CGF通信行为建模仿真实现第六章总结和展望 图 论文组织结构图 态描述与作战行动中的动态描述等，给出基于XML的本体表示方法。最后，基于设计的通信本体，对KQML语言进行原语扩充，给出实现CGF通信行为的通信语言。 第四章研究了CGF通信行为的决策模型。本章首先分析了分队联合作战条件下军事通信的特点及需求，并以此为基础，依据联合意图理论，提出了一套基本通信行为模式，包括通信行为发起和通信行为响应过程两部分，然后详细分析了CGF个体内在行为，基于BDI模型设计了通信行为的内在框架，通过行为的产生，决策，输出三个方面对整个通信行为的过程进行建模。 第五章综合前几章的研究结果，对CGF通信行为模块实现进行了设计。基于分队指挥训练模拟背景，主要包括系统通信行为模块的总体设计、通信语言的设计和通信本体的设计以及通信行为模块的实现等，并给出具体的应用实例，对仿真结果进行分析，用于对上述理论和实际问题以及模型的有效性进行最终的验证。 第 9 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第六章对全文研究内容作详细总结，并在分析本课题研究所存在的不足基础上对进一步深入的研究作了展望。 第 10 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章 CGF通信行为 Agent通信 Agent基本概念 Agent技术是人工智能的一个重要分支，基于Agent技术的CGF行为建模成为目前研究的热点，它的产生、发展和应用极大地推动了CGF行为建模的发展和应用。 [30]迄今为止，Agent还没有一个统一的定义。Lane认为，Agent是一个具有控制问题求[31]解机理的计算单元，它可以是一个机器人、专家系统、过程、模块或单元等；Shoham认为，一个状态包含了诸如信念(Belief)、承诺(Commitment)、决定(Decision)和能力[32](Capability)等精神状态(Mental State)的实体便是Agent；Wooldridge和Jennings在1995年提出了目前较权威的Agent定义，他们认为，Agent是一个基于软件或硬件的计算机系统，它拥有以下特性：自治性、社会性、反应性和能动性，还包括人类情感的特性。虽然目前对Agent的定义尚存在着不同的看法，但Agent的基本特性却基本一致。Agent的基本特性如下： 自治性：Agent是一个独立的主体，其行为具有自主能力。Agent能自主控制其行为的执行，不需要用户干预，在没有人或其它程序介入的时候可以自主地运行。 反应性：Agent能感知环境，当环境改变时能及时地做出反应，以适应它们的行动目标。 社会性：Agent能与外界环境和其它Agent之间进行交互，进而Agent能与多个具有独立性的Agent联合形成一个整体，对外显现了社会的特性。 主动性：Agent能自觉承担某些事件并能遵循承诺，利用内部知识和能力持续主动地产生面向静态或动态目标的行为，直到完成整个任务。 智能性：Agent根据内部状态，针对外部环境，通过感知器和执行器执行从感知到推理再到动作的循环，这可通过人工智能程序设计或机器学习两种方式获得。 综述所述，可以得出对Agent的一个描述：Agent是处在某个计算环境中的软件实体，该实体具有自治性、反应性、社会性、主动性和智能性等基本属性，并能对环境做出反应，能够实现设计者和使用者的一系列目标。 多Agent系统组织结构 [33]多Agent系统(Multi-Agent System，MAS)的产生源于Simon在其著作中提出的思想。他认为，一个大的机构把许多个体组织起来，可以弥补个体工作能力的有限；同样，劳动的分工和每个个体负责一项专门的任务，可以弥补个体学习新任务能力的有限；社会机构第 11 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 间有组织的信息流动，可以弥补个体处理信息并运用信息做出决策能力的有限。 在实际环境中，单个Agent的能力有限，而且实验表明，智能、理性的行为是多个具有相对简单行为的Agent在交互活动中产生的结果，而不是一个孤立Agent所能拥有的性质。因此，从实际的角度出发，当利用Agent求解问题时，应该将具有不同能力的Agent个体组成一个为完成某个任务而共同合作的整体，即多Agent系统，以求获得整体效应大于各部分和的目的，这是MAS产生的直接原因。与此同时，分布式仿真环境的迅速普及也为MAS中各Agent之间的行为动作、合作交互提供了一个开放的基础环境。 MAS是指由多个Agent组成的一个联邦，这些Agent成员之间相互协同，相互服务，共同完成一个任务。各Agent成员的活动是自制和独立的，其自身的目标和行为不受其它Agent成员的限制，它通过竞争或协商等手段协调解决各Agent成员的目标和行为之间的矛盾和冲突。 从本质上说，MAS是一种典型的分布式系统。从分布式人工智能(DAI)的角度来说，MAS是由多个问题求解Agent所组成的，为求解任何一个单Agent都不能完成的任务而共同工作的问题求解网络。目前，研究人员将MAS的概念作了进一步的推广，凡具备下列特点的，由多个自治组件组成的系统都可以称为MAS： 每个Agent都不具备完全单独求解问题的能力； 在系统中没有全局的系统控制； 数据分散在系统中的各个节点； 计算呈异步特性。 对MAS组织结构的不同选择，会影响到有多少协作智能存在于单Agent自身内部。系统组织结构的选择也影响系统的异步性、一致性、自主性和自适应性的程度，它决定信息的存储和共享方式，同时也决定Agent之间的通信方式。常见的MAS组织结构有三种： (1) 黑板通信结构：黑板模型结构是为了解决分布在不同物理环境下多个实体协作完成任务的并行和分布式计算模型，黑板是该结构中的局部Agent群共享数据存储的区域。在一个局部Agent群中，控制外壳Agent负责信息交互。黑板结构的不足之处在于，局部数据共享要求一定范围内的Agent群体中的Agent拥有统一的数据结构或知识表示，这就在一定程度上限制了系统中Agent设计和建造的灵活性。 (2) 消息传递结构：这种类型的框架中，通信和状态知识都是固定的，每个Agent必须知道消息应该在何时发送到何地，系统中有哪些Agent是可以合作的，都具备什么样的能力等。但是，将通信和控制功能都嵌入每个Agent内部，就要求系统中的每个Agent都拥有有关其它Agent的大量信息和知识，而在开放的分布式系统中，这往往是做不到的。另外，当系统中Agent的数目越来越大时，这种一对一的交互将直接导致效率的低下。 (3) 辅助通信结构：这种结构中，若干较近的Agent通过一个叫做协助者的Agent来进行交互，而远程之间的交互和消息发送是由各局部群体的协助Agent协作完成的。这些第 12 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 协助Agent可以完成各种各样的消息发送协议，当一个Agent需要某种服务时，它就向所在的群体的协助Agent发出一个请求，该协助Agent将以广播的方式发送该请求或者将该请求与其它Agent所声明的能力进行匹配，一旦匹配成功，则将该请求发送给匹配成功的Agent。同样地，当一个Agent产生了一个对其它Agent可能有用的信息的时候，通过协助Agent，将此信息发送给它所感兴趣的Agent。这种结构中的Agent不需要知道其它Agent的详细信息，因此，该网络结构有较大的灵活性。 Agent间通信机制 在多Agent系统中，Agent之间的各种关系是通过Agent之间的交互实现的，而Agent间的交互是由Agent间的通信来实现的。Agent间的通信的内容可以是“请求”、“应答”、“询问”、“确定”等，在一个具体的多Agent系统中，通信的内容还依赖于具体问题的背景和系统的实现。每个Agent都可以看作进程的并发系统，传统的进程间通信方式有： (1) “私线”(Private-Line)方式：即只有调用和被调用的进程可以见到该通信。这种方式是直接通信，保密性好。 (2) “团线”(Party-Line)方式：也叫“黑板”(Blackboard)方式，即把信息放在广泛可取的“黑板”上，实现广播通信。 (3) “预定点”(Reserve-Spot)方式：过程每次把信息、放在同一个预定的位置，该方式实现间接通信且具有保密性。 (4) “多黑板”(Multi-Blackboard)方式：这种方式介于“黑板”方式和“预定点”方式之间，黑板被划分为利益群体，它们各自注意与自己相关的黑板区域。 综合上面的四种通信方式的优缺点，在多Agent中，把Agent间的通信方式一般分为两类，即“黑板”方式和“消息传递”方式。其中“黑板”方式与上面提到的“团线”方式相同，是广播通讯，“消息传递”方式可以实现上面第一、第三种通信方式，对应于前者的是同步消息传递，对应于后者的是异步消息传递。 在多Agent实现协同通信中，一般使用两种方式的混合模式。对那些在编组内所有成员都可以公开的信息，把它放在黑板上，以供所有成员查阅，同时编组内所有成员都可以在黑板上放入影响自身的有关信息，但可信度相对较低；对某些成员之间的保密信息，把它放入预先确定的预定点上，拥有权限的成员可以查阅这些信息并发表自己的观点，而编组内其它成员则无权参与，其可信度较高；而对一些绝密信息和实时信息则采用私线方式，在两个成员或核心成员和成员之间通过私线直接联系，这是一种同步信息传输方式，可信度最高。 具有决策特征的通信行为 军事力量要素间通信的要求 第 13 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 信息化条件下，军队作战能力显著提高，战争环境复杂，战斗进程加快，战场情况变化迅速。联合作战中的军事力量要素都必须根据战争特点和战场实际，实施正确的行动，才能圆满完成上级所赋予的使命任务。 联合作战过程中涉及的力量要素多元、隶属关系复杂，进攻防御并存，多种作战手段交织使用。根据不同情况，灵活运用多种作战通信形式，是联合作战高效运行的重要保证。此外，作战信息态势具有变化迅速的特点，要提高信息作战行动的针对性，首先要提高通信行为的及时性和准确性，才能保证各力量要素对迅速变化的战场情况及时作出正确反应，必须做到以下几个要求。 (1) 建立高效的通信控制协调机制 联合作战中的军事力量要素间的通信，既要服从上级的统一指挥，也要充分考虑力量要素间的便于控制协调的要求，提高通信的自主性。战斗实施过程中，担负不同作战任务的力量要素，应主动与其他力量要素保持通信，不断根据实际战场情况变化通信手段。在通信中断的情况下，要根据战场情况变化和上级的作战企图，主动分析其他力量要素的作战行动，以迅速适应战场情况的变化。 (2) 及时准确地通过通信获取信息 联合作战实施过程中，力量要素除了组织对自身周边的信息态势进行侦查外，还应通过不同的通信策略，采取多种通信方式，广泛的获取与自己作战相关的情况。根据作战的主要任务，重点搜集战场的环境变化、敌我行动的调整、敌我作战力量和手段的变化，及时判明敌尔后的作战企图，及可能对我联合行动造成的危害；掌握敌作战行动对我造成的损害或破坏，及时判明我作战行动的效果，为下一步行动提供可靠的依据。 (3) 果断决策通信，机断处置信息 联合作战实施过程中，各力量要素应根据作战态势的变化，充分发挥联合作战信息的作用，果断正确的决策通信时机，及时有效的处置通信得到的信息，做到情况判断快，决策快、通信指令执行快、通信效果评估预测快。根据我通信信息遭敌截获的可能情况，以及敌兵力部署的调整、作战力量和手段的变化，及时采取针对措施，迅速调整通信手段，始终保持信息的通畅。 (4) 适时制定通信方案 科学的预测通信进程、特别是影响通信的作战态势的重大变化，有针对的制定信息传送的下一步方案，是联合作战中通信畅通，从而确保指挥员实施快速指挥，提高指挥稳定性的重要保证。战斗实施过程中，各力量要素应在全面掌握自身周边战场情况的基础上，科学预测进行通信所可能出现的各种发展趋势，对可能出现的重大变化作出分析判断，适时修订预期的通信手段，或制定新的通信策略。 通信行为的基本概念 第 14 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 从上一节中提出的联合作战新形势下的通信要求可以看出，信息化条件下，信息对抗已经成为交战双方高度关注的重点。行为建模的出发点就是利用相似性原理来构建真实战场实体行为，所以，传统简单的点对点物理通信方式不能很好的真实反映力量要素之间的通信过程。因此，对通信中涉及的行为决策过程进行建模，就引出了通信行为这一概念，结合图和图，可以分析得出通信行为的概念。 通信对象黑板直接通信通信协议战场态势 图 传统的协议驱动的通信方式 如图，传统协议驱动的通信包含前面介绍的Agent通信机制，可简单的分为黑板通信和直接通信两种方式，通过预先设置好的协议方式，或选择黑板通信，或选择直接通信。战场中的形势瞬息万变，不可能固定一种协议方式进行通信，这就需要CGF智能的选择通 图 具有个体决策特征的通信行为 第 15 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 信方式，甚至中断通信。 如图，通信的产生以及通信的方式的由CGF个体决策驱动，通过对战场态势的感知，经过信息分析和评估，得出通信代价，选择通信策略，触发通信，这就是通信行为产生的全过程。 由以上分析，我们可以得出，CGF要完成一个完整的具有决策特征的通信行为过程应满足以下几个条件： 明确了解自身拥有的通信能力； 全面而有重点的掌握战局情况； 能对战场态势变化进行科学的预测； 及时而准确的运用通信策略和方式； 通信具有组织层次性。 CGF通信行为的体系结构 CGF个体体系结构 将Agent技术应用于CGF建模，首先应为CGF提供一个合理的框架结构。该体系结构不仅要具备认知行为模型的基本功能，如态势分析、推理决策、规划、学习等，还要能够体现战场中人类的前瞻性、差异性和协同性等行为特点。这样才使得基于该体系结构建立的虚拟实体行为模型不仅能够反映虚拟实体的基本行为，还具有更高的行为逼真度和可信性。图为作者所在课题组提出的PVC_HBM(Human Behavior Model with Prediction、 图 PVC_HBM认知体系结构 第 16 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 Variability and Cooperation)认知体系结构。 态势评估模块通过工作存储器提供的战场态势信息，为进一步的决策和任务规划提供详细的态势分析。态势评估模块对获取的环境信息进行抽象和筛选，计算和评估目标的威胁度、优势度等信息，同时，还需要通过已知信息预测战场未来状态，从而作为判断和识别敌方意图的基础。规划模块根据所要达成的目标，依据态势评估的结果和存储在长期存储器中的相关知识和经验，生成一套或多套指向目标的行动方案。在规划过程中，需要考虑到对手的意图。 决策模块根据环境信息、任务情况和相关战术规则，对当前问题进行推理和分析，决定自身的策略和行动。根据不同的态势，决策可以分成两种情况：一种是无规划的决策，此时由于情况紧急，没有充足的时间进行任务规划，而由决策模块直接根据态势评估的结果进行决策；另一种是有规划的决策，即根据态势评估的结果，通过对规划生成的若干行动方案进行分析和判断，选择一个行动方案加以执行。在整个决策过程中，对手意图仍是一个不可忽略的因素。另外，决策模块还根据个体所具有的能力和其当前面临的任务，分析个体单独完成该任务的可能性，从而决定是否通过协同模块发起协同请求。 学习模块根据每次决策的结果，分析问题的特点和所用到的解决途径，形成新的知识，并存入知识库，实现系统的在线学习。 PVCC_HBM体系结构 通信行为目前还没有统一的定义。本文在上一节给出了通信行为的基本概念，基于PVC_HBM认知体系结构，从人类通信行为产生的角度认为，CGF的通信行为是通过CGF主体的观察和从上一阶段通信接收到的信息中综合判断分析，获取信念（或更新信念），触发下一阶段通信行为产生的过程，这是一个不断循环的过程，确保了决策思维的连续性。 战场环境Agent内部观察分析信念通信交流其他Agent图 通信行为模块内部结构 通信行为包括四个步骤：观察、交流、分析和通信，如图。 第 17 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文研究的目的是研究和设计实现通信行为模块，并将其加入PVC_HBM认知体系结构，形成新的具有通信行为的认知体系结构PVCC_HBM(Human Behavior Model with Prediction、Variability 、Cooperation and Communication)，如图。 图 PVCC_HBM认知体系结构 小结 本章解释了Agent及多Agent系统的组织结构，通过两者之间的相互关系详细分析CGF主体的通信的一般机制，以此为基础，结合作战过程通信的特殊要求，对比传统的Agent之间的协议驱动通信机制，提出了CGF主体的通信行为概念，并给出了通信行为的内部结构以及在CGF总体框架中的位置，最后基于课题组已有的CGF体系结构设计出一种具有通信行为的CGF体系框架——PVCC_HBM。 第 18 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章 基于通信本体的ACL原语设计 Agent通信语言(ACL) Agent通信语言是实现CGF通信行为模型的基础，形象的说，通信行为模型是对人思维决策过程的模拟，通信语言是实现交流的表达方法。因此，研究CGF通信行为首先需要设计通信语言，有两种流行的设计通信语言的方法：程序过程方法和描述声明方法。 程序过程方法基于这样一种思想：通信是靠一些可执行的程序语句来实现, 由过程指令的交换来模拟，通常使用的编程语言如Java或Turbo C++。程序过程通信语言的缺点是： 设计过程复杂，特别是对于行为过程中涉及的要素很难考虑周全，且不易修改和调整。 过程是单向的，而Agent共享的许多信息通常应该双向可用。 描述声明方法基于一些描述性的声明, 例如定义、假定或说明，使通信过程能由描述性声明语句的交换来模拟实现。ACL (Agent Communication Language)就是基于描述声明方法的，它将Agent通信建立在知识级别上, 从而使Agent间的通信效率大大高于传统的分布式计算中的通信。 言语行为理论 言语行为(Speech Act)理论把通信作为动作看待，它认为由Agent执行的言语动作就像其他动作一样，是为了推进它们的意图。目前所设计的大部分ACL都基于言语行为理论。言语行为理论是关于人类通信交流的一种形式化模型，其基本原理是：说话者所说的话语不仅仅陈述一个事实，而且也是说话者做出的带有某种意图的动作。也就是说，言语行为理论认为人类的交际语言不仅为了描述某种状态，同时也是为了实现某一行为，称之为言语行为，如“请求”、“拒绝”、“询问”、“告知”等。 [34]Austin认为特定的一类自然语言发音有动作的特点，因为它们用与物理动作相似的方式改变世界的状态。Austin区分了一些行为动词，它们对应于各种不同类型的言语行为，这种语言动词的例子有请求、通知、允诺等。Austin将言语行为分为三类： 言中行为(Locutionary Act)：具有明确意义和所指的表达句。话语和言中行为体现它的实际文字意义。 言外行为(Illocutionary Act)：由于与之相关的约定俗成的推动力在表达句中，产生陈述、提议、承诺等作用。话语的言外行为是话语者的交际愿望或想要话语执行的功能。 言后行为(Perlocutionary Act)：言语行为体现在表达语句后听者身上产生的影响。第 19 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这种影响依赖于表述的特定环境。 例如，“你不要向目标开火”是个言中行为，传达的“不要向目标开火”是言外行为。听者接收到后不向目标开火就是言后行为。 Austin把成功完成行为所需要的条件定义为合适措辞条件，他给出了三种重要的合适措辞条件： 必须有接受行为动词的常规过程，并且环境与人员在过程中必须是确定的； 过程必须正确地、完整地执行； 行为必须是诚实的，并且任何必要的理解必须尽可能完整。 [35]John Searle在后面扩展了Austin的工作，Searle区分出在说者和听者之间言语行为执行成功应满足六个条件： (1) 正常通信的基本条件：即说者能说，听者能听，谈话的环境成立等。 (2)命题内容条件：说话的内容必须符合双方能共同接受的形式（语法、语义）。 (3)先决条件：客观世界中使言语行为能实现的必备条件，如听话者能执行说话者要求的动作、说话者相信听话者能执行该动作等。 (4)诚实条件：要求说话者所说内容必须符合其真实思想，如他断言某事实，则他一定相信该事实。 (5)本质性条件：能确切表明说话者的意图或目的。 (6)自觉性条件：只有当说话者确实有与听话者谈话的愿望时，他才会去实行有关的言语行为。 Searle最为关注的问题是什么样的言外行为能够以言行事，因此他提出了对言外行为进行分类的12条准则。基于这些分析准则，Searle对Austin的分类方法做了修改，提出五种言外行为的基本类型。 断定语(Assertives)：提供确定某件事情的信息，如，目标存在； 指示语(Directives)：发送者发送导向性的消息给接收者，如，射击目标； 承诺语(Commissives)：发送者表明将来完成某种动作，如，我将射击目标； 许可语(Permissives)：允许接收者执行某种动作，如，你可以射击目标； 禁止语(Prohibitives)：禁止某些动作的执行，如，你不能射击目标。 [36]Singh在他提出的社会代理(social agency)思想中，补充增加了两类言外行为类型，即： 宣称语(Declaratives)：说明某个事件，如，这个任务命名为A； 表述语(Expressives)：表达感情和评价，如，我希望向目标射击。 言外行为类型的分类提供了一个能够定义通信交流模式的结构，这样，ACL才能在此基础上发展起来。ACL的通信原语(Primitive)是消息的核心，一般是类似“tell”，“ask”等的动词，通信原语是Agent通信不可再分的“基本单元”。 第 20 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ACL的基本框架 作为一种Agent通信语言，有其一定的规范框架，如图。两个Agent进行交互通信时，需要传输层的传输协议（如TCP/IP，HTTP，IIOP，SMTP）支持，ACL本身位于逻辑层上，定义各个Agent能够理解交流的消息类型和意思。 ACL消息格式消息类型共享本体交互协议语义描述通信原语内容语言逻辑层其他Agent 图 ACL的基本框架 一般的ACL规范框架包括消息类型、消息格式、语义描述和内容语言四个部分，以及支持的共享本体和采用的交互协议。 消息类型：言语行为理论目前认为ACL的消息类型有七种，这些消息类型只属于断定语或者指示语这两类，其他的消息类型还有待开发。一般一个通信原语属于一种消息类型。 消息格式：定义通信原语和消息参数（如发送者、接收者、消息ID、协议和内容语言等）。通信原语和消息参数的定义采用既定的语法，以此来表示消息是如何构架的。 [37]语义描述：语义是Agent消息具有精确意思的基础。Frank Guerin等把ACL语义分成两类：基于协议的语义(Protocol based semantics)和意图语义(Intentional semantics)。基于协议的语义用某种协议明确Agent交互过程中的对话，而意图语义用精神态度明确每个通信语言的意思。意图语义规范列出所有通信原语，并明确每个通信原语必须存在先决的精神状态和事后状态。目前一般的ACL都是属于意图层语义，但语义标准化并没有实现。 内容语言：内容语言是表达给定领域事实的语言工具，是理解Agent通信语言的概念框架，用来表述多个Agent用ACL进行交互过程中双方能共同理解的信念、愿望和意图。 共享本体：共享本体定义一个对话领域的概念（通常用词汇表示）和概念之间相互关系的规范。两个Agent只有存在共享本体，才能解释交互通信，共享本体是Agent通信语第 21 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 言的支撑。 交互协议：用来方便Agent通信的交互模式，Agent交互协议反映了通信模式，用于解决通信过程中的协商问题。 逻辑层：逻辑层属于物理层次，利用解码和编码器把ACL消息转换成两边都能相互理解的字符串或者其他形式。 KQML语言 KQML是美国国防高级研究计划局(DARPA)的知识共享计划的一部分，是一种高层的、面向消息的，用于交换信息和知识的ACL。KQML既是一种Agent之间的消息表示格式，也是一种消息处理协议，它独立于逻辑层的传输机制和内容语言以及共享本体。KQML定义了Agent间传递消息的标准语法和一些行为，这些行为主要是从言语行为理论演化而来。同时，KQML还提供了一套标准的通信原语，并且允许用户根据所研究系统的需要扩充新的通信原语，这使得语言的运用更加灵活，因此，根据CGF通信行为实现的需求，选用KQML作为通信语言，是非常合适的。下面，对KQML语言的语法机构和规约进行详细的阐述。 KQML的层次结构 KQML是一种层次结构型语言，分为内容层、消息层和通信层等三个层次，如图。其中，内容层以KIF (Knowledge Interchange Format)为语法对需要传输的知识进行编码；消息层包括行为类型、资格等，其中行为类型主要从言语行为理论演化而来，该层的基本功能是确定消息传递时所使用的协议、动作或原语（如判断、查询、命令，或是一组已知的原语）；通信层包括底层的通信参数，如消息的发送者、接收者、唯一标识、同步等。 通信层（Communication）通信机制消息层（Message）通信逻辑通信内容内容层（Content） 图 KQML层次结构 内容层(Content Layer)：是消息所包含的真正内容，用程序自己的表示语言来表示。第 22 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 KQML可以采用任何形式的表示语言，以ASCII字符串或二进制形式都可以。特别的是，所有KQML语言的具体实现都不关心消息中的内容部分的具体含义。 消息层(Massage Layer)：消息层构成了KQML语言的核心，它确定了可以与使用KQML语言的Agent进行交流的类型。消息层的基本功能是确定传送消息所使用的协议，并由发送方提供一个与内涵相关的行为原语，用于指明消息中的内涵为确认、询问、命令或是其他已知的原语类型。因为内涵对于KQML是透明的，所以在消息层也包含对内涵进行描述的可选参数，例如所用的语言、采用的本体等，这些属性参数可以让KQML语言的具体实现在内涵是透明的情况下，能够正确地分析和传送消息。 通信层(Communication Layer)：通信层描述了与通信双方有关的一组属性参数，例如发送方和接受方的身份，与此次通信相关的惟一的标识等。 KQML的内部体系结构 由于KQML语言层次性的特点，要使CGF行为模型在基于KQML设计的通信环境中实现，必须设计出和KQML语言层次相符合的通信体系结构。根据通信行为实现的流程，这里首先给出一种基于KQML的通信体系结构，如图所示，由KQML路由器（Router）、通信调解Agent（Facilitator）和KQML路由接口库（KQML Router Interface Library）三个 KQML路由接口库（KQML Router Interface Library）Agent 1KQML路由器Facilitator（Router）KQML路由器KQML路由接口库（Router）（KQML Router Interface Library）Agent 2KQML路由器Facilitator（Router）……Communication Agent（Facilitator）KQML路由接口库（KQML Router Interface Library）Agent nKQML路由器Facilitator（Router） 图 基于KQML的通信体系结构 第 23 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 部分构成。 (1) KQML路由器（Router） Router为Agent应用程序与网络间的连接提供接口，它既提供通信发起方的能力，也提供通信接收方的能力，可以同时管理多个网络连接，并以异步方式处理KQML的交互。 Router与消息所传递的具体内容无关。每个使用KQML语言通信的Agent都通过它自己的Router与外界建立联系，Router负责处理与之相连的Agent发出和接收的KQML消息。在Router的支持下， Agent应用程序不必修改其内部结构便可异步接收来自于不同Agent的KQML消息。 Router在处理消息时，看不到消息里的内容域，它仅仅依靠KQML行为原语和其参数来进行操作。如果一个传出的KQML消息指定了一个特别的通信地址，则Router径直将消息传过去；如果消息通过名字指定了一个特殊的服务，则Router将试着找到一个能提供这种服务的地址并将消息发送过去；如果消息仅仅提供内容的描述，那么Router可能尝试找到一个能处理这种情况的Agent，并将消息传送过去，或者可能选择将这个消息提交给更智能的通信Agent, 它也许会路由这个消息。 (2) 通信调解Agent（Facilitator） 在基于KQML的通信体系结构中，为传送目标地址未完全表达的消息，Router必须依靠Facilitator。Facilitator是提供专职服务的通信Agent应用程序，它提供的最基本的服务是维护通信地址注册表，Router可以利用Facilitator帮助它找到消息的目的Agent。此外，Facilitator还可以直接将消息送往通信的接收者，或者是在消息的发送者和接收者之间进行匹配。Facilitator作为通信服务Agent，专门处理关于消息服务和其它Agent请求的知识，它提供转发、代理、征募、基于内容的路由等服务。 Facilitator本身也可以是使用KQML进行通信的Agent， 也可以拥有Router为它提供消息处理。 (3) KQML路由接口库（KQML Router Interface Library） 因为Router相对Agent应用程序来说是一个单独的进程，所以在Router和Agent应用程序间必须要存在一个编程接口，称为KRIL（KQML Router Interface Library）。由于Router是一个单独的进程，它不能理解KQML消息的内容域，因此，KRIL被封装到Agent应用程序中并利用其工具去分析KQML消息的内容。KRIL的基本目标是使Agent应用程序尽可能简单的访问Router。 KQML语言的规约 KQML语法分析 前面提到，KQML之所以适合作为CGF通信行为建模实现的语言，是因为其包含了一系列可扩充的行为原语(Performative)。这些行为原语定义了CGF对知识和目标的各种操第 24 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 作，在这些操作的基础上则可以建立CGF行为的高层模型。 一条行为原语也称为一条KQML消息，此行为原语用ASCII串表示，行为原语的参数由关键字标识，与顺序无关。如下所示。 (performative（ 原语名称）：sender（ 参数名） <word> （ 参数值） //消息发送方：receiver <word> //消息接收方：reply_with <word> //消息的ID：in_reply_to <word> //所回应消息的ID：from <word> //消息的最初发送方 ：to <word> //消息的最终接收方：ontology <word> //本体特性：language <word> //内容语容：content <word> //消息内容)保留的行为原语 KQML保留了一些行为原语，规定了它们的意义和使用方法。这些保留的行为原语从功能上分为三类： (1) 会话类：此类行为原语从语言学的角度考虑，与言语行为理论尽可能地接近。常用于两个Agent之间信息和知识交换。如表，表中S为Sender，R为Receiver。 表 会话类行为原语 ask-if S想知道:content是否在R的虚拟知识库(VKB)内 ask-all S需要其:content对R为真的R的所有实例 ask-one S需要其:content对R为真的R的一个实例 stream-all ask-all的多个回答 eos 对于多个回答(stream-all)的流结束标识 tell 语句处于S的虚拟知识库内 untell 语句不在S的虚拟知识库内 deny 语句的否定式处于S的虚拟知识库内 insert S要求R将:content加入其虚拟知识库内 uninsert S希望R反向操作前一个insert动作 delete-one S希望R从其虚拟知识库内删除一条匹配语句 delete-all S希望R从其虚拟知识库内删除所有匹配语句 undelete S希望R反向操作前一个delete动作 achieve S希望R在其物理环境内将:content置为真 unachieve S希望R反向操作前一个achieve动作 第 25 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 advertise S告诉R它能够并愿意处理类似于:content内的消息 unadvertise S告诉R它取消前一advertise动作，以后不再处理类似于:content内的消息 subscribe S希望更新R对某个performative的回答 (2) 控制类：此类行为原语被用于干预会话的正常进程,如表。 表 控制类行为原语 error S认为R的前一消息有错 sorry S能够理解R的消息，但无法提供具体回答 standby S希望R声称它能对:content内的消息提供回答 ready S准备回答从R收到的前一消息 next S希望收到R对S发送的前一消息的下一个回答 rest S希望收到R对S发送的前一消息的所有余下的回答 discard S不再需要R对S发送的前一消息的所有余下的回答 (3) 路由类：此类行为原语主要用于使Agent找到能处理自己请求的其它Agent，如表。 表 路由类行为原语 register S通知R它的存在及其符号名称 unregister S希望R反向操作前一register动作 forward S希望R将消息转发给指定Agent（可以就是R） broadcast S希望R将消息转发给它所知道的所有Agent transport-address S将其符号名称与一个新的传输地址相联系 broker-one S希望R找到一个对(performative)的回答（某些非R的Agent可以提供此回答） broker-all S希望R找到所有对(performative)的回答（某些非R的Agent可以提供此回答） recommend-one S希望知道一个可以对(performative)回答的Agent recommend-all S希望知道所有可以对(performative)回答的Agent recriut-one S希望R找到一个可以对(performative)回答的Agent recruit-all S希望R找到所有可以对(performative)回答的Agent 保留的行为原语参数 KQML使用了一些关键字作为保留的行为原语参数，它们的意义如表所示。 参数:content的值是一个表达式，它必须符合参数:language所指定的语言的语法，其中的常量必须在参数:ontology指定的概念模型中有定义。由于Agent采用异步方式收发消息，故使用参数:in_reply_to和:reply_with来匹配发出的询问和收到的回答，即回答的:reply_with的值应与询问的:in_reply_to的值是一样的。 表 保留的参数关键字及其意义 第 26 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 关键字 意义 :sender 行为原语的实际发送者 :receiver 行为原语的实际接收者 :from 用forward转发时，其:content内行为原语的发送者 :to 用forward转发时，其:content内行为原语的接收者 :in_reply_to 对前条消息的response内的关键字（其值应与前条消息的:reply_with的值一致）:reply_with 对本条消息的response内的关键字 :language :content的表示语言的名称 :ontology content参数使用的实体集(本体)的名称 :content 实际交换的信息，行为原语对其表达了一种态度（情感） 通信本体的设计 本体论 上一节中提到，KQML语言中的内容层可以采用任何形式的语言，这就出现一个问题，如果两个CGF就军事领域的问题通信，那么它们必须就描述这一领域使用的术语取得一致。由于每个CGF的需求和背景知识的不同，因而会对相同的问题产生不同的认识，缺乏一致的概念，直接后果是CGF个体之间、联邦之间、CGF个体与联邦之间的通信不畅，导致在系统需求明确的情况下规范系统的定义很难。因此，减少或者根除在概念上和用词上的混淆，并且达到共享的状态成为解决上述问题的方法。本体(ontology)就是对领域知识概念化的明确的表示和描述。 本体的定义 本体的概念最初源于哲学领域，可以追溯到公元前古希腊哲学家亚里斯多德尝试对世界上的事物分类。在哲学中把本体定义为“对世界上客观存在物的系统的描述，即存在论”；牛津(Oxford)英语词典对ontology的解释是“存在的科学或研究”；韦伯斯特(Webster)词典，ontology是“与存在的本质和联系相关的形而上学分支，或与存在的本质或存在物的种类有关的特殊理论”。不同的理论学家在不同知识领域对本体有不同的解释与建议，所以有[37]了表示总的本体的集合，即本体论(ontologies)。Gruber在1993年提出“本体是概念化的[39]明确规范”，成为一个得到广泛认可的定义，Guarino和Giaretta在此基础上增加两个定义，指出本体是给出概念化局部之间明确的逻辑关系的理论，而概念化是一种有含义的语义结构，这种结构反映了真实世界的内在规则联系。 本体的构成 本体从定义上可以直观反映是概念和概念间的关系，虽然概念是构成本体的重要元[40]素，但不能够的反映本体的组成。Perez等人认为本体由五个基本的元素构成，即概念、第 27 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 关系、函数、公理和实例。这五个元素的具体含义如下： (1) 概念（类）(Concepts, Classes)：概念的含义很广泛，可以指任何事物，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程等。 (2) 关系(Relations)：代表了在领域中概念之间的交互作用。 (3) 函数(Functions)：是一类特殊的关系。在这种关系中，前n-1个元素可以惟一决定第n个元素。 (4) 公理(Axioms)：代表永真的断言，是概念和属性上的限定和规则，任何情况下在该领域都是成立的。 (5) 实例(Instances)：代表元素，表示概念的具体元素。 从语义上分析，实例表示的就是对象，而概念表示的则是对象的集合，关系对应于对象元组的集合。概念的定义一般采用框架结构，包括概念的名称，与其他概念之间关系的集合，以及用自然语言对该概念的描述。 本体的构建原则 本体的建模与描述方法有很多种，很多学者提出了自己对本体建模的看法，但基本都是出于对各自问题域和具体工程的考虑，构造本体的过程也是各不相同。许多研究人员从[37]实践出发，提出了不少有益于构造本体的标准，其中最有影响的还是Gruber提出的五条规则。 (1) 明确性和客观性：本体建立的基本原则就是要使概念的表达准确明晰，符合实际，因此对本体的描述要尽可能使用标准术语。 (2) 连贯性和可扩展性：本体中通过推断与学习获得的概念知识和已定义的概念知识必须保持一致，同时，本体中要预留对已建本体作进一步补充说明的空间，以便人们对特殊应用定义新的概念项。换句话说，就是在向本体中添加通用或专用的术语时，可以不再修改原有的内容。 (3) 层次性和交权性：构建本体时使用概念层次关系和多重继承机制可以增加本体的表达能力，但同层次概念间应保持最小的语义距离。本体原型建立之后，还要保持本体的交互性，以便于领域专家的评估、检验和修正。 (4) 最小编码偏差：本体的概念知识应依赖于编码符号，如果不是知识内容的需要，而是为了标注或实现上的方便而做出某种表示选择，就可能导致编码偏差。这种偏差应保持最小，以不影响本体的知识表示。 (5) 最小本体承诺：当某个知识系统使用知识的行为与某个本体中的定义相一致时，就可以称这个知识系统承诺了该本体。这种承诺是基于知识层级的，在实际应用中，本体中定义了用于在知识系统间进行交换的词表，而本体承诺则是以连贯和一致的方式使用这个共享词表的协议。在本体设计时，应该在支持知识共享活动要求的基础上尽可能地减少本体承诺，即允许对本体进行承诺的知识系统根据自身需要自主地对本体进行专门化和实第 28 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 例化。 本体的分类 由于应用领域的不同，对本体研究的侧重点也不尽相同。 [41]1995年Mizognchi等建议按照本体内容划分类别，即领域本体、通用本体和任务本体。 [39]1997年，Guarino提出以描述的详细程度和领域依赖度两个维度作为对本体划分的基础。详细程度是一个相对的模糊的概念，是指描述或刻画建模对象的深度，详细程度高的称为参考本体( Reference Ontology)，以万维网上已有的本体为对象建立，其应用是为了保存各种本体的元数据；详细程度低的称为共享本体(Share Ontology)；依据对学科领域的依赖度，又可将本体分为顶级(Top-level)本体、领域(Domain)本体、任务(Task)本体和应用(Application)本体等四类。 (1) 顶级本体：描述的是最普通的概念及概念之间的关系，与具体的应用无关； (2) 领域本体：描述的是特定领域中的概念及概念之间的关系； (3) 任务本体：描述的是特定任务或行为中的概念及概念之间的关系； (4) 应用本体：描述的是依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系。 [40]1999年，Perez和Benjamins在分析和研究了多种本体分类方案的基础上，归纳出10种类型，分别是：知识表示本体(Knowledge-Representation ontology)、通用本体、顶级本体、核心本体(元本体Meta/Core ontology)、领域本体、语言本体(Language ontology)、任务本体、领域-任务本体(Domain-Task ontology)、方法本体(Method ontology)和应用本体。这种划分方法是对Guarino分类方法的扩充和细化，但划分的界限较为模糊，十种本体之间存在交义，层次不够清晰。 通信本体应用范围 按照Perez和Benjamins的划分，通信本体应属于语言本体的范畴。通信行为模型本身是一个知识库系统，由于本体在开发和利用知识库的系统中必不可少，每个具有知识模型的系统中都有自己的本体，因此通信本体也包含了描述通信行为知识的所有概念。在作战模拟中，根据战场环境的不同，构建CGF的通信本体，使得CGF通信概念在军事领域达成一致，才能有效的建立CGF战场中的通信行为，图描述了本体和模型的关系。 陆军战术指挥控制包括五个战场功能域(BFA)：调遣控制、情报、电子战、火力支援和战斗勤务支援。通信本体的设计要满足这些功能中的概念模型需求： (1) 在调遣控制中的应用 通信既要在上级指挥员与部署之间建立稳定、可靠的通信联络，保障在有效时间内将指挥员的命令、指示传递给下级执行单位，把部属的报告、请示传递给上级指挥员；又要在本级各指挥所之间建立通信联络，完成各指挥所之间的信息传递和交换任务。所以，通第 29 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 信本体中涵盖陆军上级或联合作战指挥中心下达的综合命令，下级或联合作战执行小组报告的情况，以及基于各级组织级别的各种指挥手段等。 通信领域本体仿真领域专家通信概念模型通信行为仿真模型军事领域专家 图 领域本体、概念模型和仿真模型之间的关系 (2) 在情报方面的应用 现代战争对情报的依赖性更大，且情报的有效期缩短，要使各种情报能得以及时传递和充分利用，通信就必须建立用于情报报知的通信联络，以保障各种情报信息的及时获取和迅速发放。因此，通信本体应包括以不同方式传递情报的类别，地理环境和气象情报的描述，敌情的综合态势，情报的传递级别，通信对抗情况的表示等。 (3) 在协同作战方面的应用 现代战斗时诸兵种联合作战的合同战斗，各兵种之间、友邻之间只有密切配合，互相支援，方能取得战斗的胜利。通信的一个重要任务就是把参战的各力量要素融合成一个有机的战斗整体，用信息传递给每个环节维系各力量要素之间的密切联系，确保协调一致的打击敌人。通信本体根据联合作战各力量要素的协作需求，涉及协同的知识表达，协同条件以及协同交互等的描述，同时也包括与调遣控制中的概念重用的问题等。 (4) 在电子战方面的应用 通信对抗在现代战争中的地位在不断加强，它的作用已不在局限于单一的通信系统，而是整个战场的信息网络和作战指挥系统。通信本体应对电子战区域特定的对抗方式，战术措施的概念进行描述，以及敌我通信手段变化、位置和距离等的表示。 (5) 在后勤供给方面的应用 通信必须为部队的后勤机关提供上级后勤、下级后勤以及本级所属分队后勤之间的通信联络，同时时效性要求也比较高。通信本体应给出在后勤补给方式、数量和功能方面的表示，以及后勤补给交互模式等的描述。 同时，通信联络组织的概念模型也是通信本体的一部分，即是对战术范围内不同战斗第 30 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 样式复杂的通信联络组织方案共性的概括，是各种通信联络组织规律的综合描述，如图。 图 通信联络组织 通信本体的构建 通信系统概念分类 联合作战通信是为联合作战部队实施指挥而组织的通信保障。高技术条件下联合作战通信系统必须本着“上、下、左、右”互连互通的原则，建立通信体系，如图。综合通信体系用战略与战术通信系统等将各级、各类指挥所连接起来，从而保障战略指挥、战役指挥、战术指挥的顺利进行。在这里，将涉及联合作战的通信系统概念分五类： (1) 陆军战术通信系统 包括公用通信网、专用通信网（如地面移动通信网、战术卫星移动通信网、指挥所内部通信网）等；同时也包括地面联合作战指挥单元与执行单位之间的通信，如单兵电台和指挥所电台之间的通信，炮兵分队与步兵分队之间的卫星通信等。 (2) 海军通信系统 包括陆地与舰艇之间的通信，如超长波对潜通信系统、激光对潜通信系统、潜艇对岸通信等；陆地与海上舰艇之间的通信，如海军卫星通信系统，海军短波通信系统、海军中波通信系统等；海上舰艇之间的通信，远距离时有卫星、短波、中波电台通信等，近距离有短波电台通信；舰艇与空中飞机之间的通信；航空母舰与相关单元间的通信；海军陆战队内部通信与相关外部单元间的通信等。 (3) 空军通信系统 包括空军各基地及相关部队之间的通信，如空军卫星通信、短波通信、散射通信、有线通信等；地面指挥所与空中飞机之间的通信，如空军短波通信、超短波通信；空中飞机之间的通信，远距离飞行的飞机之间还有短波通信方式，近距离使用超短波电台通信，也第 31 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 侦察通信中继卫星卫星卫星空间部分电子战飞中继通信空中指挥其他通信作战飞机预警机侦察机机飞机所单元中继平台空中部分陆面部分联合作战后方指挥指挥单元所单元前沿指挥步兵指挥所单元单元通信手段有线：如光缆、电缆通信等。海军地面无线：如卫星、微波、散射、炮兵指挥指挥单元短波、超短波等。单元还可以进行简单信号通信。空军地面工兵指挥指挥单元单元导弹部队固导弹部队机定指挥单元动指挥单元海洋部分航母指挥海上指挥舰艇指挥潜艇指挥单元所单元单元单元 图 综合通信体系示意图 包含空中预警机与其他飞机之间的通信。 (4) 空间通信系统 包括空间飞行器之间的通信，飞行器与地面、海上、空中指挥所之间的通信等 (5) 地面导弹部队通信系统 包括指挥中心与导弹部队各基地之间的通信用卫星通信、短波通信、散射通信、无线电接力通信、光纤通信等；地面指挥所与导弹发射场之间的通信用有线通信、无线电接力通信、超短波通信等；地面指挥所与情报探测器之间的通信用卫星通信、短波通信等。 本体基本概念的形式化定义 通信行为本体的构建也属于领域本体的开发，领域本体应给出领域实体概念及相互关系、领域活动以及该领域所具有的特性和规律的一种形式化描述。通信本体应为军事领域应用内部的不同主体(人、武器、装备等)之间进行交流(命令、通报、协商等)提供一种语义第 32 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 基础，即由本体提供一种共识，为军事领域之间的通信奠定基础。只要这些具体军事对话所使用的本体之间对同一概念的定义是一致的或者能够形成唯一映射，那么它们的通信就具备了语义基础。并且，在CGF其他模型中（如协同模型，对手意图模型），只要对这些基本的领域术语都达成了广泛的共识，那么在以后的模型开发中就可以重用以前开发的领域本体来构建新的知识库，而不是重新设计开始。 CGF通信行为的概念中提出，通信的发起者在经过自身决策后作出通信行为，前提是必须确保消息中的每个概念和的接收者的通信行为中每个概念之间相互匹配对应。这里，首先给出本体构建的一些基本概念的形式化定义： 定义：实体(Entity)，分为主动实体(Initiative Entity)，也称功能实体，是指具有进攻、防御、机动等自主行为能力的人员、作战部队或武器系统等，定义为IE={IE,IE,"",IE}；被动实体(Passive Entity)，也称目标实体，是指无自主行为能力12n但其状态会对主动实体的行为产生影响的实体，如道路、桥梁等，定义为PE={PE,PE,"",PE}。其中每个概念E是对所要描述的事物或行为的一个抽象，概12ni念E可以有自己的属性。 i定义：关系(Relations)，定义为实体相互之间的各种关系组成的集合，形式化表示为R={R,R,"",R}。R是一个多元关系集合，因此，集合中的每个元素12nR=E,E,"",E的多元关系，如上下级关系等。 i12i定义：属性(Attribute)，定义为At(E)，表示每种关系的属性集合，描述实体特征i的项目，如位置、速度等。 定义：动作(Action)，定义为Ac(IE)，主动实体所具各的能力或功能属性，如移动、i射击等。 定义：任务(Task)，定义为T(IE)，由一个或多个Action组成的具有明确意图和目i的的行动过程。 定义：交互(Interaction)，定义为IA(IE,IE,"",IE)，主动实体间发生的相互作12n用，包括信息交互，如下达作战命令、战况汇报等，和物理交互，如武器开火。 通信本体的概念捕获 本文只考虑作战领域的通信本体，因此假定CGF的通信都是基于该本体。CGF通信行为产生于作战过程中，所以对作战领域本体的复用，可以减少本体开发的难度。根据作战通信需求情况，基本的作战领域中本体所普遍涉及的概念和元素都适用通信本体中： (1) 实体类概念 作战过程中涉及的基本概念包括人和武器装备，以及战场环境中的一些影响作战结果的人工设施和自然环境等。根据CMMS的军事使命空间的定义，将实体划分为七类。 1、主体(Agent)，表示人或组织的一个实体。主体分为“个人”和“组织”，“个人”第 33 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 (Person)属于一个军事组织，或者是能执行具有军事意义工作的一个个体；“组织”(Organization)是具有指挥关系相互联系的一些机构组成的一个整体，至少应包含一个指挥员和其它的一个人，如： 营：由若干个连编成的军队一级组织。通常隶属于团或师。设有领导机关，编有战斗和勤务保障分队。 班：由若干名士兵编成的军队最基层一级组织。通常隶属于排。为最基本的战术小分队。 士兵：亦称战士。军队中被授予士官、军士和兵军衔的军人。 2、装备(Equipment)，即配备给个人或组织的不能一次性消耗的产品，如： 枪：单兵持有的基本武器，具有杀伤士兵和摧毁小型物体的能力。 坦克：大型武器装备，杀伤力大，能摧毁房屋和中小型人工设施。 导弹：杀伤力巨大的武器装备，能改变部分自然地理特征和摧毁大型人工设施。 3、设施(Facility)，这是一种不动实体，由下列一个或多个成分构成：建筑、构造物、公用系统、道路和土地，如： 坑道：构筑在山体内的暗挖式工事。由口部(包括头部和颈部)和主体两部分组成。一般都有两个以上口部，分为指挥所坑道、战斗坑道、屯兵坑道、交通坑道、救护所坑道、弹药物资坑道和特殊用途坑道等工事。主要有掩蔽工事和地下战斗工事。 4、地貌(Physiognomy)，客观存在的并对军事行动有影响的地理特征称为地貌，如道路、桥梁、河流和山峦等，也包括地图或海图上能表示出来的陆地或水面上的任何物体，如： 山体：自然环境中客观存在的并对军事行动有影响的一种地理特征，能阻隔人和部分装备机动。 5、信息(Information)，是一个实体发送给另一个实体的有关事件或态势的消息、数据或事实。 6、物资(Materiel)，是战争活动所需配、持续、维持的所有产品(包括军舰、坦克、战机等以及有关的备件、维护的设备，但不包括不动产、军事基地和公用系统)等。 7、网络(Network)，是一个通信系统，包括对前面分析的各种通信系统的概念，如海军通信系统。 (2) 属性类概念 描述实体特征的项目称为属性(Attribute)。一般是实体所拥有全部特征的一个子集，用特征参数或者变量表示。一般说来，实体的属性主要包含以下一些内容。 1、基本属性：包括实体标识（实体名称）、实体特性（级别、关系、联系、功能、特性、性质）等。 2、空间属性：包括实体所处的几何空间的位置、实体大小、2D或3D几何描述等。 第 34 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3、行为属性：实体的行为、运动特性指标，主要描述实体内在能力。例如实体火力、机动速度、行为限制等等。 4、任务属性：描述实体执行的任务内容和程度。例如任务的类型、目标、要求、规则、以及目前执行的程度等。 5、效能属性：是根据任务对实体的能力描述，描述实体的作用有多大。例如某个部队的战斗力，某种导弹的武器效能等。 属性根据其变化的特征可分为静态属性和动态属性。静态属性一般不发生变化，而动态属性则要随着系统的活动而不断改变。例如，枪的外观是不会改变的，这个就是静态属性；而枪的弹量多少则是动态属性，随着射击次数而不断地减少。 (3) 交互类概念 交互是一个实体产生的作用与另一个实体产生的作用相互交织形成的一组影响因素。它实际上指的是多个实体之间相互作用的效果，而动作则是作用的过程。事实上，在动作和目标实体确定后，交互方式就隐含在动作之中。在战争系统中，每一个实体与实体之间的行动最终都会转化为物质、能量和信息的交换，从而发生相互作用。据此，交互可以分为物理交互和信息交互两大类型，如攻击类、补给类、信息交流类等。 一般情况下，概念模型对交互的处理模式是一样的，首先主动实体发出一个交互，其次被动实体接受一个交互，最后双方根据交互的完成情况计算结果，如： 攻击：主动进击敌人的战斗行动。 火力压制：给敌生动目标或武器装备以部分毁伤，迫使其暂时丧失战斗力、机动受到限制或指挥遭到破坏的射击。 强攻：集中优势兵力、火力对防御之敌实施强行攻击的战斗行动。主要用于对坚固阵地防御之敌、野战阵地防御之敌、城市防御之敌的进攻战斗。 炮火拦阻：炮兵为限制敌人的行动或切断敌人之间的联系，对某一地区或目标实施定时或不定时射击的作战行动。 通信本体概念的关系 确定了通信本体所包含的各种概念以及信息传输的组织关系，还需要构建概念间的各种其他关系，才能建立完整的本体概念模型。 (1) 基本关系 继承关系(kind of)：概念A中的所有特性也同样存在于概念B，B是A的扩展，那么称这两个概念之间存在继承关系，类似于面向对象中继承的概念。例如“反坦克火箭弹”除了具有火箭弹的特点外，还具有摧毁坦克能力，它可以认为从“火箭弹”继承而来。 实例关系(instance of)：定义的概念有的处于一个抽象的层次，有的处于一个具体的层次，在仿真推演进行时，想定中的实体概念都是群体本体的实例化。例如：“通信1班”就是“通信班”这个概念的实例。 第 35 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 属性关系(attribute of)：属性关系描述了实体类概念与属性类概念之间的关系。 (2) 通信领域特定的关系 协作关系(Collaborate with)：描述实体概念间存在的协同通信关系，概念A与概念B存在协作关系，那么概念A与概念C通信，概念B将在期间协作完成通信全过程。 通信匹配关系(Matche of)：针对通信设备的匹配性质，给出通信匹配关系，用以标识设备类实体之间的连接问题。例如，概念A和概念B之间存在匹配关系，则可以建立通信，反之，则通信失败。 通信对抗关系(Confront to)：描述通信设施之间的对抗关系，用以体现通信干扰或者通信破坏能力。例如，概念A可以干扰概念B，则概念B在概念A存在范围内的通信将会失败。 通信本体的表示 构建完整的通信本体，还需要选择合适的本体描述语言对本领域本体进行编码以及形式化。本体模型的形式化可以提供比自然语言更严格的格式，增强机器的可读性，进行自动翻译及交换，便于本体模型自动进行逻辑推理及检验。 传统的本体表示语言 [42][43]传统的本体表示语言有很多种，这里列举几种： Ontolingua是一种基于KIF和FO (Frame Ontology)的语言，斯坦福大学人工智能实验室的Ontolingua服务器就是采用Ontolingua作为其本体表示语言。KIF是由斯坦福大学人工智能实验室专家在研究本体时提出的一种基于谓词演算的形式化语言，主要功能包括解决知识表示语言的异质性，定义对象、函数和关系等。语言基于一阶谓词逻辑，并含有一个前缀符号，另外，它还可以表示元知识的非单调推理规则，具有描述性语义，成为采用不同知识表示的程序之间通信的桥梁。由于KIF其实是一种互换格式，因此从本质上讲，用KIF来详细说明本体是非常繁琐的，而建立在KIF基础之上的FO是一种知识表示本体，它能够以框架的样式详细描述本体，能够提供诸如class， instance， subclass_ of，instance_ of等项，但它不能表示公理。因此，Ontolingua将KIF表达式引入基于FO的定义内。Ontolingua可以用以下三种方式建立本体： 仅使用FO词汇（不能表示公理）； 使用KIF表达式； 同时使用上述两种方式。 三种方式都包括3个组成部分：定义头部分，用自然语言描述的非形式化定义部分，用KIF或者FO定义的转换器。 OCML(Operational Conceptual Modeling Language)是一种基于框架的语言，它能够表示诸如关系、函数规则、类和实例等。为了使这种语言更为有效地执行，它还另外增加了一阶逻辑机制以增强推理的有效性，同时也提供了一个问答界面，而且可以将它作为阐明事第 36 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 实，检验OCML模型内容的一种机制。 Flogic(Frame logic)综合了基于框架的语言和一阶谓词逻辑，它能够清楚明白地说明面向对象和基于框架语言的大多数结构方面，例如对象属性、合成对象、继承、多态、查询方法、封装等。在推理演绎方面，Flogic有一个理论模型和一个基于决策的完整有效的证明机制。 LOOM是一种高级编程语言，由美国南加州大学信息科学学院设计并实现，主要是用来构建专家系统和其他一些智能系统。它基于描述逻辑，这种方法将基于规则和基于框架模式的方法紧密结合，形成表达力较强的模型描述语言，能描述定义、规则、事实和缺省规则等，同时也提供有效的推理机制，能利用前向推理、语义一致化和面向对象的真值维护等技术实现推理，还包含很多编程范例、产生式规则范例和面向对象范例等，并能方便地把范例集成到应用中。 基于XML的本体表示语言 XML(eXtensible Markup Language)是一套可扩展的标记语言，起源于SGML，是Web上表示结构化信息的一种标准文本格式。它具有以下优点： 语法独立，提供统一的语法表示和存储格式； 可扩充性强，可以扩展增加新的知识表示能力； 可综合多种知识表示方法，可用相同的XML语言重写多种传统知识表示方法； 可以对不同信息源的信息进行集成。 XML本身对于本体的规范并没有什么专门的特性，它只是提供了一个简单而有效的方式来详细指明本体表示语言的语法。 RDF(Resource Description Framework)是一种基于XML的语言，W3C为了创建描述网络资源的元数据而开发出这种语言。RDF与XML之间的关系非常紧密，事实上，他们是互为补充的，RDF的一个目的就是以一种标准的、可共用的方式来描述基于XML数据的语义。RDF数据模型（基于语义网络）包含三种类型：资源（主语），有www地址表示的实体；属性（谓语），定义了用来描述资源的具体特征、属性和关系；声明（宾语），为某个资源的一个属性赋值。RDF为创建本体提供标准语法，建立了关系的标准集。 OIL(Ontology Interchange Language)是OnTo-Knowledge项目组设计的本体语言。OIL的定义融合了三种范例：基于框架的建模、基于描述逻辑的形式化语义和基于XML的语法。OIL中的本体是一个由许多模块组成的三层结构：对象级、本体定义、本体容器，使用OIL定义的本体能够被映射到描述逻辑的公理中，因此能够借助于已有的系统执行可靠性和完整性的推理。 OWL(Web Ontology Language)是专门为Semantic Web而开发的一种本体语言，与OIL不同的是，OWL是由W3C发起的。OWL有三个层次的语言：OWL Lite，OWL DL，OWL Full，这三种语言的表达性逐次增强，较高的层次包含了较低的层次。OWL Lite可以定义第 37 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 类、属性以及类的实例，它是一种比较简单的语言，适用于只需要分类层次和简单的限制条件的用户；OWL DL是OWL Lite的扩充，适用于那此希望在保持计算完整性和可判定性的情况下获得最强表达性的用户；OWL Full又比OWL DL更高一级，它不仅可以定义一个集合的属性，也可以定义某个个体的属性，它适应于那些只需要最大的表达性而不需要任何计算保障的用户。 本体构建工具 如果直接使用手动的方法对本体进行形式化描述的过程是项非常复杂繁琐和耗时的的工作，而且容易出错。为了提高开发效率和简化开发过程，许多学者和研究团体开发了可视化的本体开发工具。如：斯坦福大学知识系统实验室开发的Ontolingua本体开发环境，南加州大学使用LOOM语言开发的OntoSaurus Web浏览工具，英国Open University开发的基于Web的WebOnto本体编辑器，斯坦福大学的Stanford Medical Informatics开发的开放源码的本体编辑器′′Protege2000，马德里技术大学开发的本体建模工具WebODE，卡尔斯鲁厄大学开发的OntoGdit，曼彻斯特大学计算机科学系信息管理组构建的基于OIL的本体编辑工具OilEd等。 基于通信本体的KQML原语设计 KQML在通信行为应用中的不足 通过前面对KQML语言层次的分析知道，一条KQML消息将通信行为层和消息内容层分开，并且相互独立。通信行为层的特点是，体现CGF之间用于交流“态度”的方案的设计，诸如参与、退出、信任、要求、命令等“态度”信息，而内容层的格式与KQML语言无关，可以通过对通信本体的共享采用其他语言进行描述。总而言之， 扩充KQML的关键是设计行为原语(performative)，执行这个原语的目的是发送方让接收方对这条消息表明一个态度，或者为了让接收方执行某些动作。 目前KQML保留的绝大多数执行原语都只能简单体现对话者对待知识的态度：认为是真或者假(Bel 或者¬Bel )。但是，从作战领域的语义层次上设计，CGF在协同时交互的是对待某个任务的态度，这个态度与辨识知识不同，它没有真假性，也就是说，CGF在协同时交互的是态度，不应该用Bel 或者¬Bel 就可以说明的。它的态度应该是想不想执行Promises¬Promises(Want或者¬Want)，或者是愿意承诺还是不愿意承诺执行(或者)来表达。因此，使用现有的执行原语既无法体现出CGF在协同时对待任务的态度，又不能满足它们在通信过程中涉及的语义含义，这就决定了有必要扩充现有的执行原语集合以适应通信行为的应用需要。 例如，在KQML 保留的原语中，会话类原语achieve 的操作目的是，将通信接收方将发送方传送的消息内容置为真。这样的操作使用在作战领域，适用于命令的下达类似的第 38 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 强制性消息传送，但不能满足同级协同任务期间的要求。同时，原语achieve操作过程中的交互也相当简单，一个节点advertise 相应的achieve 原语即可，并且也没有关于任务的完成以及完成的具体情况的应答，这样就不能很好地满足作战模拟系统中CGF之间的通信需求。作战模拟中的CGF之间的通信是灵活多变的，CGF不仅可以进行态势描述或任务执行状态等其他信息的交互，同时CGF也可以掌握周边CGF的协同态度，这都需要在原有KQML 的基础上，扩充引入一系列的行为原语。 原语扩充 虽然KQML语言可以描述应用领域范围很宽的知识，但从前面对它的语法分析可以看出，结构相对比较简单。根据KQML的语法，一条KQML消息的基本格式是：消息的第一个元素是消息名，即该行为原语(performative)的名字，随后的元素是一系列参数名及其参数值，参数名前有一个冒号，参数在消息中的排列位置无关紧要。一条行为原语的格式如下： （原语名称 ：参数名 1 参数值 ：参数名 2 参数值 ：参数名 3 参数值 # #：参数名n 参数值 ） 根据作战通信过程中涉及的通信策略，首先扩充两条参数值： :matche 通信设施的匹配型号 :wait_time 通信过程中最大等待时间，即最迟回答时间 接下来，按照行为原语的格式，扩充出10条行为原语。 order：上级下达执行任务的命令 accept：下级接收到可执行命令的回复 report：下级向上级报告情况 aviso：向友邻部队发布的通报 ask for：下级向上级进行的请示 request：同级之间发出的请求 skip：越级通信 warn：示警信号 promises：对加入任务给出承诺 第 39 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 null：退出通信前提示信号 限于篇幅，对部分行为原语进行详细描述： (order ：sender officer：receiver subordinate：reply_with mission1：in_reply_to receipt1：from commander：to executive ：matche TBR-121：wait_time 30 ：ontology communication ontology：language KIF：content "seize hold of the position!")(accept ：sender subordinate ：receiver officer ：reply_with clearness1 ：in_reply_to receipt2 ：from executive ：to commander ：matche TBR-121：wait_time ¨ 10 ：ontology communication ontology ：language KIF：content "assure finish the task!")扩充原语的语义描述 [44]Yannis Labrou和Tim Finin为解决形式化问题，以思维状态为框架，给出KQML的语义描述，为每个行为原语给出个六描述： (1) 自然语义描述； (2) 以表达式的形式给出对自然语言的描述； (3) 最小前置条件； (4) 后置条件； 第 40 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 (5) 结束条件； (6) 附加说明。 基于这个语义描述框架，对扩充的行为原语进行语义解释，例如： order(A,B,M)：A向B下达任务M的命令。 (1) 自然语言解释：A想知道B对命令M的接受情况。 (2) 形式化表示：want(A,know(A,X))，其中X表示accept(B,M)或者¬accept(B,M) (3) 发送者和接收者的前提：Pre(A)：want(A,know(A,X)) Pre(B)： None (4) 成功发送及接收该消息的后继状态：Post(A)：Int(A,know(A,X)) Post(B)：know(B,want(A,know(A,X))) (5) 表明该消息己实现的条件：Completion：know(A,X) 小结 CGF主体之间的通信必须基于某种通信语言和对本领域问题的一个共同理解。本章针对通信行为设计的需求，首先对 KQML语言体系结构和语言规约进行分析，在此基础上，研究通信本体的设计方法，基于本体论提出了适合作战领域的军事本体建模方法。最后基于通信本体对KQML通信语言的不足进行分析，扩充了适合通信行为表示的原语，并对原语的语义进行了形式化描述。 第 41 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第四章 基于BDI的通信行为建模 分队军事通信行为需求 美军认为，现代战争，任何单一兵种都很难取得胜利，只有联合作战才能赢得战争。美军将来的所有军事行动都是联合作战。根据现代战斗的特征，美军要求战术部队指挥官应在各种战斗中积极贯彻“合成兵种战斗队”的意识，各级部(分)队要结合使用现有的一切资源和战术手段实施合同交战和战斗。在连以上各级，指挥官都要注重协调运用各战斗职能力量（包括侦察兵、机动部队、火力支援部队、航空兵、工兵、防空兵、战斗勤务支援部队、先进的指挥控制系统），以及战术空中支援，有时还包括海军火力支援；战斗中要适时地进行灵活的战斗编组，并及时将这一编组所形成的综合能力集中于决战地点。战[45]术指挥官每战都要进行严密的协同行动，发挥整体威力战胜敌人。 从美军的战术思想中可以看出，协同作战已是未来战争的趋势，这其中每一个环节都涉及到通信行为的产生，特别是协同通信行为的产生。根据联合意图理论的分析，结合实际情况，团以下的陆军分队作战中，主要存在以下通信需求。 步炮协同三项，即步兵团基指与炮兵群指的通信联络；步兵营向炮兵直接召唤火力的通信联络；步兵团基指通过派来的炮兵作战小组与炮阵地和前观的通信联络。 步坦协同三项，即步兵营连通过派来的坦克代表与坦克分队的协同通信；步兵连以下分队与坦克车的直接协同通信；派遣协同与直接协同通信形式相结合。 炮坦协同两项，即直瞄火炮打敌装甲坦克目标时与我方坦克的协同通信；炮坦互派代表时的协同通信。 另外，还有陆空协同与识别四项，即步兵团(营)通过空军目标引导组进行协同通信；步兵营（连）在紧急情况下使用超短波电台或对空台与强击机和直升机的直接协同或指示目标；使用小信标机、尼龙布板和闪光灯等向航空兵表示我军及标示前沿或空投位置；使用发烟罐和信号弹进行互相识别，如图所示。 联合意图理论 [46]联合意图是在确定的共同心智状态下完成一个集体行动的联合承诺。计算机科学领域和哲学领域的许多学者开展了联合意图的研究工作，代表性工作为Cohen和[47][48][49]Levesque等人的研究成果。下面给出一些联合意图理论基本概念的定义，通过联合意图理论概念可以提出主体在团队协作通信时产生行为需求。 可实现目标 第 42 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 美军分队联合作战下通信需求 [50]假如存在下述条件之一，则Agent A以G为可实现目标。 (1) A相信G“能实现”，并让所有其它Agent都相互相信这一事实； (2) A相信G永远“不能实现”，并让所有其它Agent都相互相信这一事实； (3) A不相信G最终“能实现”，但将最终“能实现”的G作为一个目标。 这样，可实现目标可描述为 AGOALA,A,G=()12BELA,G ∧ GOALA,◊MBA,A,G ∨ ()(()[]112BELA, ¬G∧ GOALA,MBA,A, ¬G ()()11¬BELA,G ∧ GOALA,◊G()() 其中，算子BEL，MB分别表示信念与互信念，GOAL，AGOAL分别表示目标与可实现目标，◇G表示G可能成立，□G表示G将一直成立。互信念MB(Mutual Belief)是关于其它Agent信念的无限次合取。即互信念可描述为 第 43 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 MBA,A,G=BELA,G∧MBA,A,G()(())12112 例如，A和A对命题G有一个互信念，其意义为：A和A相信G，A相信A相信121212G，A相信A相信A相信G，……。 联合持续目标 联合持续目标(JPG)是建立在可实现目标基础上的，加入团队的Agent，通过信念产生了联合持续目标，则目标将不会被放弃，直到目标已实现或团队中两个（含）以上的成员认为目标永远不可实现。在可实现目标的基础上，我们再来描述联合持续目标。设一组Agent (A和A)，当且仅当下列三种情况都满足： 12(1) 它们都相信当前G是“不能实现”的； (2) 它们都想让G最终“能实现”； (3) 它们都相信每一个Agent都是以G作为可实现目标，直到相信G“能实现”或G永远“不能实现”为止。 我们则称团队达到联合持续目标JPG。其描述为 JPGA,A,G=MBA,A,¬G∧()()1212MBA,A,GOALA,◊G∧GOALA,◊G∧()()122 ⎛MB⎞A,A,G∨⎞()12⎜,⎟⎟MBA,A, ¬G12⎝⎠BEFOREA,A,AGOALA,A,G∧()1212¬MB⎜⎟AGOALA,A,G()21⎠ 联合意图 联合意图(Θ)基于联合承诺，即联合持续目标(JPG)。JPG为了完成一个团队行动P，描述为JPG(Θ,Ρ)，要求所有团队人员拥有互信念：P当前为假，并且希望P最终会为真。 因为JPG更关注团队任务，所以它在计划表示方面提供了一种基本的改变方法。此外，JPG还保证了团队成员不能放弃承诺，直到团队成员之间相互相信P已经完成，或者不可能完成，或者当前任务已经无关紧要了。本质上，JPG(Θ,Ρ)要求每个团队成员将P作为自身的一个弱目标（WAG），描述为WAG(u,Θ,Ρ)，其中μ表示团队Θ中的一个成员，要求μ不管P是否为真都必须完成任务P。但是，如果μ自身相信P已经完成，或者不可能完成，或者当前任务已经无关紧要了，JPG(Θ,Ρ)即被放弃，但是μ依然留有承诺——将该信念转变成团队Θ的互信念。互信念的建立能够避免关键通信不会失败。 团队Θ的成员必须同步来确立JPG(Θ,Ρ)。为了达到团队的一致，采用请求——确认第 44 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 协议。这里的关键是持续弱目标PWAG，描述为PWAG(ν,Θ,Ρ)，团队成员ν在JPG形成ii之前产生PWAG。μ发起协议，团队ν进行响应。 i(1) μ执行一个请求Request(μ,Θ,Ρ)，可以看做一个尝试Attempt(μ,q,q)。即，μ的q121请求最终目的有两个：完成任务P和使每个ν拥有一个PWAG(ν,Θ,Ρ)。同时，μ还有一个ii最低级别的承诺q，μ拥有PWAG去完成q。 21(2) 每个ν通过确认和拒绝来响应。如果确认，还应做一个尝试，通知其它ν自己有ii了完成P的PWAG。 (3) 如果所有ν都确认，则JPG建立。 iJPG的建立，则表示联合意图已经形成。所以对联合意图的描述如下： A,A,GJI=()12A,A,⎛⎞12⎜⎟A,A,12⎛DONEA,A,G,()JPG12⎜DONEBEFOREA,A,⎞⎟:G?12MBDONEA,A,G()12⎝⎠⎝ 其中，G:G? 表示对行为G进行测试。 该理论描述了多个自治的主体怎样组成的一个团队,共同去完成一些不可能单独完成的任务,以及该团队内主体所必须具有的一些主体之间心智状态的理性平衡。 基于联合意图的通信行为模式 上述军事需求，可以通过对CGF通信行为建模，在仿真环境中得到实现。CGF间的通[51]信行为是一种特殊的行为，因为它将对交互双方的心智状态产生影响，如信念、意图等。根据联合意图理论和实际作战中的通信需求，本文首先提出几种基本的通信行为模式，作为通信行为建模的基础。 通信发起行为 基于联合意图理论，通信行为发起者主要包括以下五种行为： (1) 命令：由指挥部对下属成员发起的通信行为，往往是下达任务命令，只需要得到确认回复。 (2) 通知：由指挥部对下属成员的发起的通信行为，发送的消息内容主要是敌情通报以及我方编组的生存状态，责任变更及编组成员变化情况等。同样只需要得到确认回复。 (3) 条件请求：该请求是隶属下级对上级或者同级之间的消息发送行为，达到通信条第 45 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 件的情况下发出通信请求。 (4) 条件越级请求：达到特殊条件的情况下，下级放弃当前通信网络，对上级的上级越级通信。 (5) 示警：示警行为适用于任何作战成员。示警行为的使用时机是当我方可能受到敌方目标的攻击时，或我方任一成员或编组偏离作战任务和目标时。在发送行为中示警具有较高的发送级别。不需要得到确认回复，属于单方面通信行为。 通信响应行为 通信响应者主要包括以下四种行为： (1) 无条件承诺：无论是否满足条件，均承诺加入任务团队。无条件承诺是下级对上级的指令的回应。使用时机是当下级接收到上级的指令任务，根据自身的协同作战能力和对任务的完成能力所做出的回应。 (2) 条件承诺：满足条件的情况下，承诺加入任务团队。条件承诺是对同级的请求或同级的支援请求的回应。 (3) 承诺回复：通信对象在加入任务团队后，对通信发起者的接受通知。 (4) 无通信：满足特殊条件的情况下，退出所有通信网络，进入无通信状态。 主体的BDI模型描述 [52]1987年Bratman首先从哲学上对行为意图进行研究，认为只有保持信念(Belief)、愿望(Desire)和意图(Intention)的理性平衡才能有效地解决问题。基于这个理论，Rao和[53]Georgeff提出了BDI模型，其中B（信念）是BDI主体对自身和世界的认识；D（愿望）是主体要完成的任务；I（意图）是主体所选择的计划。在CGF内部行为设计方面，BDI模型是一种成熟的结构，因为它可以将理性的CGF进行形式化描述，建立三元认知结构，分别刻画了CGF在信念、愿望和意图等方面的思维状态。 BDI模型概念 BDI模型是近年来人工智能学术界广泛研究的一种智能Agent结构。其中，信念是Agent结合当前环境状态对自身能力的估计，描述了Agent所拥有的基本的知识和能力，包含预先定义的知识，通过感知环境获得的知识，以及通过通信、推理、学习获取的知识等，可以不断更新，属于Agent的信息部件；愿望是Agent对未来环境状态的一种期盼，表达了Agent希望达到或者希望保持的一种状态，包括由外部强加或自身推理产生的各种目标，以及Agent对目标和可能采取行为路线的偏好，其中偏好随所代表的决策者而改变，属于Agent的愿望目标部件；意图是Agent对将要实现目标和行动计划的确定和承诺，由第 46 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于Agent的认知能力和实际资源有限，Agent不能一次追求所有的目标，只能选择愿望集中的一部分目标去实施，这即需要通过承诺形成意图，它是Agent的真实目标组件，直接驱动Agent的外部行为。 Agent的信念是对环境和其自身的了解，信念不同于知识，一般来说，知识是真的信念。在人工智能学科不同研究领域的学者对信念有不同的定义： (1) 信念表示尚未完全证实的命题。在这种含义下，只有已证实的信念和尚未证实的信念，而不关心信念的否定证明。非单调推理关于信念的定义一般属于这一类。 (2) 信念表示不一定正确的命题，在这种含义下，信念既可以被肯定证明也可以被否定证明。 (3) 信念表示对已有证据积累的一种函数，表示对命题的相信程度。例如，专家系统中不精确推理使用的信念概念。 愿望和意图都是关于一个智能Agent希望发生的事件的状态，一般认为他们的区别在于：意图是衡量承诺的一个尺度，它将引导和控制Agent未来的活动，意图在实际推理过程中起着至关重要的作用；而愿望指Agent希望达到的目标，但可能有机会实现，也可能永远不去实现该目标。一但Agent根据承诺或协作知识产生了某种意图，该意图将驱使Agent寻求合适的手段达到这一意图，直到这个意图结束为止。也即意图是Agent行为的控制器，引导着一个Agent未来的活动和当前行为的选择。 意图最明显的性质是它将导致行为。概括起来，意图的主要作用包括： (1) 意图驱动手段目的推理； (2) 意图约束未来的慎思过程（或目标选择）； (3) 意图持续的控制着Agent的行为； (4) 意图影响未来实际推理所基于的信念。 信念、愿望和意图作为Agent心智状态的描述，在决定Agent行为时起着不同的作用。Kiss将其分为三类： (1) 认知(Cognitive)作用，如信念与知识。是有关知识的问题。 (2) 意动(Conative)作用，如意图、承诺和计划，是有关行为和控制的问题。 (3) 情感(Affective)作用，如愿望、目标和偏好等，是关于主体动机的问题。 BDI模型结构 在一个MAS体系结构中最初的变化可由环境引起。当环境发生变化时，Agent接收到新的信息，它会更新它的信念(Bel)。每当环境有变化，Agent将及时更新自己的Bel来满足新的变化的要求。Agent的Bel是在一种开放的环境下．处于动态的变化中。Bel的变化将会引起愿望(Des)的变动。Des的变动就会影响意图(Int)的选择和所要采取的行为，最终影响整个环境的变化。Agent的变动是一种链式反应，环境的变化引起Bel、Des和Int的第 47 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 变化，最终又影响到环境，如图所示。 图 BDI模型结构 在这个模型结构中主要包含四个部分：环境(Environment)，信念(Belief)，愿望(Desire)，意图(Intention)。 当Agent接受或感知到一个事件时，它根据当前环境状态信息而构成的信念库，进行信念修正，完善信念库；然后根据实现状态及意图确定愿望，形成愿望库；经规则推理及筛选函数，在基于当前信念、愿望及意图的基础上形成新的意图库，最后Agent由该意图驱使进行行为选择，并执行活动。 综上所述，BDI模型结构是一个实际的推理结构，其基本成分是表示Agent信念、愿望和意图的数据结构，表示慎思过程的功能和手段．目的推理。意图在BDI模型中起着十分重要的作用。BDI结构的主要问题在于在承诺一个意图和取消一个已承诺意图之间怎样达到平衡，慎思过程是与Agent所处的环境密切相关的。在BDI模型结构里，Agent通过所感知的事件（包括通信行为）、可能采取的行动、所拥有的信念、可能采纳的目标以及达到意图的计划等得到完全实例化。从上述推理过程显然可见，基于BDI结构的Agent建模可以较好地反映智能Agent的反应性、自主性、预动性和社会性（即协作性），同时，BDI模型也给出了Agent体系结构的运行特性，即确定了根据事件（包括通信）和目标如何产生意图，以及意图如何引发并修正信念和目标，同时确定了信念、目标和意图的合理运转，例如，能确保事件被及时响应、意图能一致被维护，以及计划的选择和执行能体现第 48 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 理性的承诺等。 BDI模型的形式化描述 BDI模型有七个主要成分： (1) 当前信念集：表示Agent所具有的关于其当前环境的信息。 (2) 信念修正函数：该函数根据Agent的感知输入和Agent的当前信念确定新的信念集。 (3) 意见产生函数：该函数根据Agent关于其环境和目前意图的当前信念确定一个Agent可能的意见（即愿望）。 (4) 当前意见集：表示Agent可用行为的可能过程。 (5) 筛选函数：代表Agent的慎思过程，该函数基于Agent的当前信念、愿望和意图确定Agent的新意图。 (6) 当前意图的集合：表示Agent的当前主要任务一它承诺试图求解的事件状态。 (7) 行为选择函数：该函数基于当前意图确定要执行的行为。 为了形式化的定义这些成分，设Bel为所有可能信念的集合。Des为所有可能愿望的集合，Int为所有可能的意图的集合。这三个集合必须保持概念的一致性。 在任意给定时刻，一个BDI智能体的状态表示为一个三元组：(B,D,I)，其中，B∈ Bel,D∈Des,I∈Int。 Agent的信念修正函数(brf)是一个映像： ρ(Bel)×P→ρ(Bel) 式中，P表示当前感知的集合，该函数依据当前的感知和当前的信念确定一个新的信念集合。 意见产生函数(options)定义为： ρ(Bel)×ρ(Int)→ρ(Des) 这个函数接受Agent当前的信念和意图，以此为基础产生可能的选择或愿望的集合。 一个BDI模型的Agent慎思过程表示为筛选函数(filter)： ρ(Bel)×ρ(Des)×ρ(Int)→ρ(Int) 并且，filler函数满足下列约束： ∀B∈ ρ(Bel),∀D∈ρ(Des),∀I∈ρ(Int),filter(B,D,I)⊆I∪D filter函数依据Agent当前的意图、当前的信念和愿望刷新Agent的意图。filter函数需要丢弃无法完成或己无意义的意图，为无法实现的意图选择新的实现方法以及选择新的意图。 执行函数(execute)：是返回一个相应于可执行意图的直接可执行行为： ρ(Int)→A 第 49 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这样，整个过程可由下列伪代码定义： Function action (p: P): A; Begin B: =brf (B, p); D: =options (B, I); I: =filter (B, D, I); Returns execute (I); End; 基于BDI模型的通信行为建模 基于BDI的通信行为框架 本文将BDI模型扩展到CGF通信行为建模领域。CGF之间由于进行通信而导致了交互，这种交互性不仅要求关注通信行为的发生，而且应该关注信息发送方所传达的意图，例如请求、应允等，以及信息接受方和发送方可能采取的动作和这些动作所产生的相应的效果。CGF之间的通信行为是一种有意图的智能行为, 产生的效果主要作用于通信双方的内部状态, 对周围的客观世界并不产生影响。 根据行为产生的作用，我们将CGF行为分为战斗行为(Fight-Action)和通信行为(Communication-Behavior)两个方面。战斗行为直接影响客观世界状态的变化，而通信行为[54]则影响接受信息个体内部的信念状态。在这样的划分下，我们根据通信行为的需求，扩展主体的BDI模型，提出了观察(Observation)、交流(Communion)、信念(Belief)、代价(Cost)的通信行为模型框架----OCBC模型。 给定一个能参与联合作战的CGF个体成员，我们对其通信行为进行分解，用一个集合来表征其行为影响因素Ζ,Ω,Ο,Π,Γ,Τ,Β。根据联合意图理论，同时假设，每一个aaaaaaCGF个体的知识库中，都有对通信行为的分解。也就是说，所有的CGF个体都相信这个模型，并且都相信所有的其他CGF个体都相信这个模型。 下面，对集合元素进行解释： (1) 客观世界状态集合：Z Ζ=Ξ×Ξ×""×Ξ：客观世界状态的集合，表征一切能影响到通信行为的客观世界12n因素（例如，地形、敌人位置等）。每一个Ξ都代表一个客观世界状态因素，Z则反映了iCGF个体的周边环境状态。 (2) {Ω}: CGF个体观察的信息集合，表征单个CGF在一个时间点能力范围内可能ii∈a观察到的战场态势的集合。{Ω}包含了所有能影响CGF个体下一步行为的信息集合， Ωiai∈a则表示所有影响CGF团队行为的信息集合。 第 50 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 (3) Ο：CGF个体观察算子，算子得出某个时间点CGF个体自身观察到的战场态势。a算子一般是依据某种分布，往往离自身比较近或者任务期间比较关注的信息，通过观察得到的几率比较大。 (4) {Π}：CGF个体可能通信的有用的信息集合，表征单个CGF在一个时间点根据ii∈a自身信念得到的通信信息。Π则表示团队通信信息，例如，指挥官的命令，示警信号等。 a(5) {Γ}：CGF个体通信产生的代价集合，表征单个CGF在一次通信过程中所产生ii∈a的代价集合。Γ则表示团队通信代价。 a(6) Τ：CGF个体通信行为的产生算子，算子通过对通信代价的分析比较，推理得出a通信与否，通信方式与时机等。 (7) Β：CGF个体通信信念状态，是一个包含了通信策略的集合。对于每一个CGF， ati∈a，定义b∈Β表示在t时刻CGF的私有信念。这样，Β则是CGF所有可能的信念集iii合，Β则表示团队共有的信念集合。 框架下的通信行为建模 通信信念的产生 上一节，我们定义了通信信念的概念。影响个体通信信念的因素，主要有自身观察得到的信息(•Π)，和接收到的其它个体的信息(Π•)。首先，我们假定，所有的CGF个体都能实时正确的接收到相互之间的信息，即通信过程中不存在任何延迟和白噪声。 tt在这个前提下，我们将通信信念的产生分为两个环节：先决信念(b)和决策信念(b)。iΩiCGF在更新自身信念状态分为两个步骤： tz 当CGF接收到来自自身的观察信息Ω，通过知识库产生先决信念状态。 itz 当CGF接收到其他个体的消息Π，综合先决信念，得出决策信念，驱动通信行i为。 我们用SI()来表示推理(Step Illation)函数，则上述步骤可以表示为： 00b=SI()iittt−1tb=SI(b,Ω)iΩiiitttttb=SI(b,Π,Π)iiiΩia 这样，CGF实体内部的信念状态能代表整个观察队列与通信信息队列： 第 51 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 0SI()=; (仿真初期)i111SIΩ=Ω; (T=1时刻),,•()•iii111111SIΩ•,Π,Π=ΩΠΠ; (T=1时刻),)i•iaia #000111222⎛⎞⎡,,,"⎤Ω,Π,ΠΩ,Π,ΠΩ,Π,Πiiaiiaiiatt⎜⎟SI⎢⎥,Ω=•iit−1t−1t−1Ω,Π,Πiia⎣⎦⎝⎠000111222ΩΠΠ,ΩΠΠ,ΩΠΠ,",,,,,,iiaiiaiia (T=t时刻)t−1t−1t−1tΩΠΠ,,,Ω,•iiai000111222⎡⎤ΩΠΠ,ΩΠΠ,ΩΠΠ,",,,,,,iiaiiaiiatttSI⎢⎥,Π,Π=i•iat−1t−1t−1t⎜⎟ΩΠΠ,,,Ω,•iiai⎣⎦000111222⎛⎞ΩΠΠ,ΩΠΠ,ΩΠΠ,",,,,,,iiaiiaiia (T=t时刻)t−1t−1t−1ttt,Ω,Π,ΠΩ,Π,Πiiaiia⎝⎠ 以上步骤表明，仿真开始初始CGF的信念状态为空，SI()根据新的观察信息得到一个•i信念状态，SI()根据通信信息更新该时刻的信念状态。但是实时更新状态并推理出通信行i•[55]为，会造成信息量巨大而导致通信失败。所以，要进行选择性通信，得出合理的通信行为。 通信代价的分析 通信的代价来自于对联合行为的分析，这其中的关键不仅是对通信行为的花销和效果进行分析，还要考虑到通信信息的来源，是否为经验性的信息而可以不进行通信。我们可以用图来表示代价之间的关系。 其中，C为进行通信花销的代价，L为不通信将产生的损失代价，L为通信对象cNCUK没有得到信息将造成的损失， ξ为当前条件下通信的失败率，τ为通信对象知识库中，不存在当前通信信息的概率。这样我们得出通信行为最终不成功的损失： L=τ⋅L=ξ⋅UKNCC () 由()式可得出， CτC=LξNC () 由()式可以看出，通信行为的开销代价与不进行通信造成的损失可由ξ，τ决定。事实上，当前条件通信失败率越高，通信代价越高；同样，通信对象知识库拥有当前通信信息的概率越大，在不通信的情况下，损失越小。 第 52 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 接收信息1−ξ通信CCξL接收失败UKCGF知识获取1−τLNC不通信τL无相关知识UK 图 通信代价分析树状图 个体决策的通信行为 CGF主体的通信行为由自身决策产生。个体根据自身对战场态势的感知和对其它个体交流的信息进行分析，产生行为信念(Action Belief，AB)。如果个体的私有AB空间中有终止或者影响团队行动的AB，但是这个AB并不在团队AB空间中，个体创建一个通信目的——通信信念(Communication Belief，CB)产生。CB的目的是将AB传达给团队，修改团队AB，从而终止或者修改团队行为。CB同时也传达终止或者修改行动的原因，以至于团队成员能决定下一步行动。CB首先分析通信行为的代价，修正自身的CB，最终决策是否产生通信行为。图表示了个体通信行为决策的过程。 图 通信行为决策过程 第 53 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 小结 本章是通信行为建模的重点，首先基于对联合意图理论中联合意图产生过程的研究，结合分队协同作战中的通信需求进行分析，将通信需求映射到意图产生过程，设计通信行为构成的基本模式。在此基础上，基于BDI模型构建出CGF个体的通信行为模型框架，对在该框架下行为产生的条件和影响因素进行分解。并基于框架对CGF通信行为决策过程进行详细阐述，提出了OCBC通信行为模型。模型中CGF个体能通过对通信代价的分析，自主选择通信行为，从而更加真实地贴近于战场行为。 第 54 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第五章 XX分队指挥训练模拟系统中的通信行为模块建模与实现 分队指挥训练模拟系统背景 分队指挥训练模拟系统 现代陆军初级战术分队，在作战指挥、作战任务、作战编成、作战样式、作战能力等方面都有较大的变化，体现了信息化条件下分队战斗的特点。一是编成规模小、指挥层次少，战斗运用便捷；二是初级合成，具有一定的指挥、火力、突击、机动、防护、保障等整体性功能；三是机关、保障人员少，战斗人员多，具有较强的快速部署、首次突击能力和便于接受诸军兵种的支援。现有分队训练模式有：基础训练、指挥训练（军官编组）、战术训练。其中军官编组作业、分队各指挥要素带连排指挥员（战术指挥模拟训练）向实兵战术训练转变过程，跨度过大，有一定的空缺，需要合适的训练模式来填补。分队指挥训练模拟系统建设是作战模拟系统体系中的重要环节，也是为弥补分队现有训练模式中的不足和跨度，而筹划进行的新训练样式建设。 分队指挥训练模拟系统主要是解决分队这一级的战术指挥训练问题，训练的目的是升级提高连指挥员、训练考评营指挥员。分队指挥训练模拟系统训练的对象是分队指挥所和其它分队指挥员，这是“练将”的需要，也是适应院校教学、指挥员训练与部队实兵训练衔接的需要；训练的目的是在陆军传统配属力量的基础上，将电磁干扰、武器直升机、战役战术导弹精确打击、航空航天侦察等纳入到背景式的力量中来，使指挥训练模拟系统能够适应当前、适度超前，达到训练场领先于战场的效果，同时也使分队指挥员的联合力量意识、信息作战意识、体系作战意识等能够在训练中有加强。 分队指挥训练模拟系统，试图集中力量解决传统对抗训练中存在的问题： (1) 设计符合分队指挥训练要求的使用模式。一是在指挥实体的构成上，按指挥实体要求建立模拟指挥所，补齐分队指挥要素，充分实现各要素的功能作用。指挥编组要具有灵活性，能满足合成营遂行多样化任务的需要；二是在指挥界面的显示上，通过综合态势动态显示、三维显示、数据结果报告，满足指挥员实时、全面获取有效信息结果，掌握分队所面临的敌情与战场环境，从而实现指挥、控制及时有效，提升指挥真实感，并能对遂行任务的全过程中不间断地进行评估；三是在指挥通信上，采用无线、有线通信，语音输入等手段直接进行实时指挥，实现模拟指挥训练方式与实兵指挥训练方式的相似性，提高系统的实用性。 (2) 构建信息化模拟指挥训练环境。创新指挥训练手段，引导指挥员更好地适应信息第 55 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 化条件下给作战指挥带来的新特点和新要求。利用计算机仿真技术，构建信息化条件下的三维虚拟战场环境，通过网络化的指挥方式，有效解决指挥训练中指挥员指挥、控制战场的能力。 (3) 通过模拟实验来验证分队作战编组的合理性，指挥员可以通过模拟对抗系统进行反复推演，检验兵力编组的可行性，为实兵现地训练提供较佳兵力编组方案，避免决策、指挥的盲目性，实现科学构建分队兵力模块编成。 (4) 构建精细且逼真度高的战术模型，提高数据结果的真实可靠性。通过毁伤裁决模型和高效智能的CGF来营造战场真实感，指挥员可实时掌握战场整体态势，实现实时指挥和控制，使模拟指挥训练更加真实、客观、可靠、高效。 (5) 构建科学高效的评估系统，通过对各种数据的采集、统计、分析、挖掘，提供一个科学、高效的评估手段，为指挥员的指挥决策提供可靠的依据。同时，通过复盘、回放，实现对指挥训练中重难点问题的反复研究，全面提升分队战术训练水平和质量。 系统从功能结构上主要分为四个分系统：剧情编辑系统、初始态势布署分系统、战斗实施指挥训练模拟分系统、训练控制分系统。同时，系统提供自动生文、查询、分析、统计、报告与打印等辅助功能。剧情编辑系统为指挥训练设定演习场地和环境、指定任务、战斗编成等初始设置条件；初始态势布署分系统是受训人员战前筹划，定下决心，组织相关协同的仿真训练模块，为实时对抗训练提供初始条件；战斗实施指挥训练模拟分系统以预先录入的决心方案作为对抗训练的起点，由受训人员根据对抗实施情况及各种补充情况，实时干预指挥，达到战术训练目的；训练控制分系统贯穿于训练的各个环节，提供整个系统使用和运行的控制功能，如图所示。 图 分系统关系图 战斗实施训练模拟分系统 战斗实施训练模拟分系统是整个模拟系统的关键支撑系统。该分系统可分为两组模块，一个是界面模块组，一个是功能模块组。 界面模块组包括：态势显示模块、情况报告模块、三维显示模块、指挥手段模拟模块。 功能模块组包括：战术模型模块、战场环境仿真模块、数据记录统计模块、态势回放模块。 第 56 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 态势显示模块：完成二维战场态势的显示，对战场上的作战实力情况和战场环境情况以二维图标形式体现，以帮助使用者得到整体的印象。态势显示模块需要能够根据身份不同显示不同情况的视图，模拟战场“迷雾”。 情况报告模块：完成受训者与受训者，系统模型与受训者之间的战场情况报告生成和传输。 三维显示模块：完成战场场景的三维景况显示，以提供受训者一个真实感的视觉环境，以模拟分队指挥员的目视或器材获取信息手段。 指挥手段模拟模块：完成对分队指挥员的现行指挥手段的模拟，增强指挥员的指挥真实感。 战术模型模块：对各种行动实体模型的相关战术模型进行计算，仿真各种实体行为的模块。 战场环境仿真模块：对战场环境对象进行建模，仿真其行为的模块。 数据记录模块：对演习中的各种指挥数据和态势数据进行记录，以便后用。 态势回放模块：对演习中记录的数据进行回放，以便进行组织评估讲评。 CGF通信行为模块设计 通信行为模块总体设计 在战斗实施训练模拟分系统中，战术模型模块中的力量要素都采用模型生成的方式，包括许多计算机生成和控制的仿真对象，即计算机生成兵力(CGF)，CGF 既有敌方的兵力，又有我方的兵力。 CGF的体系结构按第二章的框架进行设计，通信行为模型结构采用观察、交流、信念、代价(OCBC)模型来表示。从形式化角度看，可运用模态逻辑语义描述通信及其代价分析的推理过程。从实现的角度看，通信行为模块可看作知识库，信念可看作是通过观察和交流得到的世界状态；愿望相当于决策树上的决策点，经过代价评估给每个愿望或目标赋予一个代价值，通过代价分析公式来评估与之相连的各条路径；意图是决策树中的最优路径；通信的输出行为是决策树中沿着最优路径需要执行的步骤，如图所示。 基于以上认识，引入了第四章中设计的OCBC建模部件，采用soar智能引擎进行编写，来构建立基于BDI的CGF主体结构通信行为模型。根据本文定义，CGF主体通信行为是五种状态和两个算子的集合，五种状态对应于行为的状态变量。同时，由于这几种状态的结构非常复杂，并具有特定的操作，因此在实现时将五种状态分别作为独立的变量实现，这样既可简化CGF主体的结构，同时也方便这五种状态的实现。观察和通信两个算子作为主算子实现，代价评估是基本的建模部件，表示为若干个子算子，它包括世界状态的若干个单独分析过程。这样，该框架不仅遵循了BDI结构规范，而且可灵活实现通信中的 第 57 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 观察交流信念世界状态1世界状态2世界状态3……世界状态4世界状态n最小代价代价评估代价评估代价评估代价评估……愿望1愿望2愿望3愿望n（代价值1）（代价值2）（代价值3）（代价值n）意图 图 通信行为决策模型 世界状态i观察算子观察信息通信信息代价评估i通信算子代价集合更新信念集合更新愿望更新 图 愿望更新子过程 第 58 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 具体行为，重用现有的设计和实现。上述结构可表示如图。 通信本体设计 通信本体的建立主要对通信过程的概念进行解释和约束，包括组织关系中的各种通信关系，通信条件等。在这里选用资源描述框架(RDF)对通信本体进行描述，完整的通信本体应该包括第三章中所给出的所有三类类军事概念和六种组织关系，限于篇幅，本文只给出了所涉及的部分概念，它是完整领域本体的一个片断，例如，对作战中的通信班这一概念进行简单的演示建模。 针对通信班的一般特点，我们提取了班、班长、电台兵、情报兵、联络兵五个核心概念类。而这五个关键概念之间存在着3种二元关系分别是kind_of （继承）、part_of（整体与局部的关系）、instance_of（实例）。而每个关键概念包含了若干属性（attribute_of），每个属性都在不同的域上取值。因此，一个通信班的概念，可以通过下面的形式化方法表示。 设：M=m,m,m,"",m是所有通信班长的有限集合 {}123nB=b,b,b,"",b是所有电台兵的有限集合 {}123nI=i,i,i,"",i是所有情报兵的有限集合 {}123nC=c,c,c,"",c是所有联络兵的有限集合 {}123n同时给出5个属性，基本属性：名称(name)；空间属性：位置(position)；行为属性：编制人员(form)，任务属性：营连间通信(Y_L)，效能属性：通信能力(ability)。 番号名称编制人员通信能力营连间通信位置attribute_ofattribute_ofattribute_ofattribute_ofattribute_ofinstance_ofkind_of通信班通信1班班command_ofpart_ofpart_ofpart_ofpart_ofpart_of电台兵情报兵联络兵班长command_of 图 作战通信本体模型结构示例片段 第 59 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 则通信班T则是由四个部分组成，即part_of(T)=M,B,I,C来表示；而属性方面，{}Attribute_of(T)=name,position,form,Y_L,ability；通信班内部存在指挥级的交互关系{}command_of(T)=instance_of(M)；同时还存在通信班与班(CL)之间的继承关系, {}kind_of(T)=CL。综上分析，则通信班的本体模型结构如所示： {}XML是书写RDF的规范语法，对于中的本体片段描述，其XML表示如表所示。 表 通信班本体模型的XML表示 <?xml version="" encoding="UTF-8" ?> <class name="squad"><subClass name="communication calss" id="" form="" CommunicationAbility="" CommunicationInY_L="" Position=""><instance name="squad1" /> <monitor /> <signalman /> <intelligenceAgent /> <communicator /> <relationShip><name>command</name> <sponsor>monitor</sponsor> <effector>signalman</effector> <effector>intelligenceAgent</effector> <effector>communicator</effector> </relationShip></subClass> </class> 通信本体是独立于仿真应用的，它在建立后必须经过权威部门的认证并得到所有部门的认可，之后固定下来，实际的通信行为的实现过程中只是利用通信本体所定义的概念而已。 通信知识库设计 通信知识库包括通信信念库、通信策略库和通信行为库。通信信念库包括CGF主体通信前形成的初始意图，通信行为决策过程中接收到的各种他体信念，以及最后更新生成的新的信念。信念内容主要包括关于对所处通信环境的信念、对友邻通信能力的信念、对敌人截获信息的信念以及对自身通信状态的信念。每一类信念又分为不同的子类，形成一个自上而下逐步细化的框架结构，具体到每一子类，如自身通信能力，它用一个数据表表示，里面存储CGF主体战斗过程中的通信能力的最新信息。这个表可以包括通信器材和通信人员的名称、属性值、属性值的变化值、器材的损伤度、人员的伤亡情况、获取信息的时间等，以此表示CGF主体对自身通信能力的评估结果，如图。 通信策略库包括通信中涉及的方案以及通信手段，以一阶谓词逻辑形式描述。由于战场中基本的通信手段有很大一部分是相同的，为了解决占用空间过大问题，同时方便策略 第 60 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 信念更新自身感知信念他体通信信念友邻通信能力子敌人截获信息的自身通信状态子通信环境子信念……信念信念子信念信念通信器材属性值的器材的损获取信息人员的伤和通信人属性值……变化值伤度的时间亡情况员的名称图 通信信念库设计框架 库的一致性维护，将通信策略分为公共策略和私有策略。公共策略作为主体存在，私有策略作为特有，在具有特殊通信能力的个体存在。同时考虑其重用性，私有策略和公共策略可互相转换，如图。 私有策略1公共策略私有策略2……通信策略库私有策略n 图 通信策略库设计框架 通信行为库包括一些通信执行行为的输出，如发送消息，接受消息，退出通信网络等。行为库是一些底层的操作，用以实现通信。 策略库和行为库采用KQML语言封装，信念库采用Soar规则编写，整体设计结构如图。 通信行为建模实现 知识库的规则使用Soar软件 版本编写，Soar 设计是基于这样一个假设：所有的目标定向的行为都可以看作是选择和使用算子作用于状态的过程。 z 状态－表示的是当前问题求解的态势 z 算子－状态的转换 第 61 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 通信知识库总体设计框架 z 目标－问题求解活动所设想的结果 并且它们需要一些规范的支持，目的是为了编码领域知识。 在Soar源文件中有两类规则：一是通用规则，规则可以应用到程序中，而不需要任何改变；二是领域规则，这一部分是不能应用到程序中的，但是提供了向导来提示如何编码所需的领域规则并用于Soar的推理。领域文件是经过文件加载。这部分规则不能混到通用规则中去，Soar的规则编写界面如图所示。 图 Soar的规则编写界面 下面对第四章中提到的终止团队行为所产生的通信规则设计过程进行简要的描述。 首先需要创建六个文件对整个过程进行描述，如表。 用于评估通信代价来终止当前的联合持续目标，第 62 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 用于基于通信代价进行通信的成本效益分析。create-communicative-goals文件用于在Agent内存中创建一个可通信的目标（指可以接收 表 通信产生规则文件表 终止团队信念的这条消息的成员）。文件最后用于把消息广播给可通信目标。最后两个文件用于更新团队队状态和共有信念。上面的文件会建立起一个通信算子，通信过程如下步骤。 前提一：由于产生通信，智能体则假定知识是可信的，即不考虑通信欺诈的问题。 前提二：通信过程不产生丢失信息和电子干扰的效果等，即在物理上假定为理想通信条件。 步骤一：利用文件create-communicative-goals规则中所有团队算子的终止条件来匹配智能体的beliefs。例如，条件可以使得团队算子achieved, unachievable or irrelevant。 步骤二：利用文件terminate-jpg-estimate-cost中的规则来评估当前的可通信目标是拥有通信知识的可能性，可能性给出一个权重值。 步骤三：利用文件elaborate-communicative-cost中的规则分析通信代价，以此来检验通信是否可能。 步骤四：如果通信可能，communicate-broadcast-beliefs文件中的规则用来与团队队中的其它智能体进行通信。 通信接收过程由三个文件进行描述，如表。 表 通信接收规则文件表 创建一个通信接收算子，文件中的规则用于从消息中解析正确的信息。convert-message-to- 文件的规则，是智能体通信后通过规则来将其转换为内部信念。 CGF通信行为建模应用实例 基本作战想定 为了验证上述通信行为模块设计的可行性，下面以一个简单的分队协同作战为例，综第 63 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 合运用前述各章的研究成果，设计了一个战术级分队交战过程，进行仿真实验，以说明通信行为模型构建过程，验证模型的有效性。其基本思想为：首先构建交战过程涉及的领域本体，它是军事领域本体的一个子集，然后依据上一节设计的模型，利用Soar写出通信行为知识库，其次按照KQML体系结构标准封装，加入系统进行仿真实验，最后对作战效果进行对比分析。 基本想定：假设一支步兵分队必须通过一个隘口，遇敌火力防守区，步兵火力点无法达到敌守区，若强行通行，伤亡很大，但可在敌援军到来之前占领阵地。若步兵分队请求炮兵分队支援，则可摧毁火力点，但其通信信号可能被截获，导致在我炮兵分队未到达之前，敌支援部队提前到达，增强阻击。在此之前，步兵分队与炮兵分队等已经建立联合意图，其目的就是通过该隘口，并摧毁敌火力点。 实验设计 根据想定，设计四个CGF模块，分别代表我步兵分队、炮兵分队和敌守军、援军部队，其作战效能和毁伤系数作为初始参数设定输入。通信截获概率根据军事通信演习中的数据统计，依据概率分布随机获取。通信失败率与通信对象知识库中，不存在当前通信信息的概率，按照作战模拟的蒙特卡洛方法建立统计试验模型得到。 虚拟战场环境采用UT 2004引擎，内嵌了一个Socket服务器，UT环境用于虚拟环境的建模，动态行为的显示，Socket服务器用于同外部通信。 系统客户端同系统服务器端进行通信，并负责Agent决策的启动、关闭、输入、输出等控制行为，如图。 虚拟战场环境系统客户端感知信息SocketUT外围AgentSocket输入/ServerClient环境执行系统代码控制命令 图 环境与系统交互关系图 环境建模效果生成图，如图。 部分规则描述： Move：当进行攻击任务时，如果尚未到达攻击地点，且敌人未向我开火，则移动。 Fire：当进行攻击任务时，如果到达攻击地点，且看到敌人，则根据敌人位置进行攻击。 Wait：当进行监视与攻击任务时，如果尚未接到己方下一步消息，且敌人未向我开火，则监视。 Communication：当进行攻击任务时，当己方攻击任务实施条件不满足，则通信。 Cannonade：当进行援助任务时，如果到达攻击地点，且看到敌人，则根据敌人位置第 64 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 进行炮击。 图 隘口地理环境建模效果图 Send：当进行协同攻击任务时，如果到达指定攻击地点，则通知援助方协同攻击。 Stopfire：当进行攻击任务时，如果敌方死亡或者己方死亡，则停止攻击。 … 为了便于推理，我们把所有动作都用“算子”来描述，并且对应于通信行为决策的设计层次，把算子分层组织，如图。 Communication IntentionPrivate IntentionCost AnalyseReceive Intention顶层抽象算子低层算子CannonaCommunCannonaCommunMoveFireMoveFiredeicationdeicationSendWaitMoveSendWaitMove图 算子分层组织图 仿真过程与分析 基于上述设计，利用Soar智能引擎进行通信行为建模实现，并将OCBC通信行为模型第 65 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 [56]加载到CGF实体，在课题小组已有的仿真运行与测试环境下进行实验，得出仿真结果，如表，所示。 表 仿真初始条件 仿真初始条件 步兵分队作战效能 炮兵分队毁伤效能敌守军作战效能 敌援军作战效能 τΡ编号 （截获概率）ξ初始兵力（我/敌）分队（1） 分队（2） 分队（3） 分队（4） 分队（5） 分队（6） 表 交战结果 仿真结果 完成任务后完成任务后行为模完成任务后编号 常规通信 常规通信剩余兵力 剩余兵力 型通信 剩余兵力 分队(1) 通信 42 不通信 23 通信 44 分队(2) 通信 0(任务失败）不通信 23 不通信 23 分队(3) 通信 35 不通信 0(任务失败）通信 34 分队(4) 通信 36 不通信 23 通信 33 分队(5) 通信 0(任务失败）不通信 43 不通信 44 分队(6) 通信 30 不通信 44 不通信 44 由上表可看出，通过六次实验，同样的初始兵力，在不同的战场情况下，通信与不通信的结果对战斗结果的影响很大,甚至会导致战斗失败。常规通信模式下，或者选择通信，或者不通信，但战斗结果中剩余兵力的差距是很大的。而行为模型通信的情况下，由CGF通过代价分析自身决断是否进行通信，得出的结果和真实的战场环境相似。同时，我们对通信时产生的通信量进行采集，得到加入通信行为模块前后的通信量对比图，如图。 可以看出，在加入通信行为模型后，通信量随时间的增加趋于稳定，而正常模式下的通信量会随时间的增加而不断剧增。这可以看出通信行为模型的加入，增加了CGF决策的 第 66 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 通信量对比图250200正常通信150加入通信行100为模块500t1t2t3t4t5t6t7时间 图 通信量对比图 真实性，同时也解决了网络通信压力过大的问题，达到了预期的目的。 小结 本章基于前述通信行为的理论和方法的研究，构建通信行为模块应用到XX分队指挥训练模拟系统。首先，简要介绍了XX分队指挥训练模拟系统，分析了系统中通信行为的需求；然后，对通信行为模块进行设计与实现，设计了通信本体和通信知识库，采用Soar规则实现了通信算子；最后，基于一个典型的分队协同进攻与防守的想定，对通信行为进行实验测试，验证了从本体构建、行为建模到建模实现开发全过程，并对传统通信和行为通信的仿真结果进行了对比分析，说明了通信行为模块的实现可以真实地模拟战场人类的通信行为，并能减少网络通信数据堵塞，提高通信效率。 第 67 页 数据交换量
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第六章 总结与展望 全文总结 行为建模是计算机生成兵力(CGF)建模仿真领域中一个重要的研究方向，CGF缺乏行为真实性是军事仿真领域目前亟待改进的一个问题。本文将个体决策应用于作战模拟中通信的建模，对从通信信念产生到最终通信行为实现的整个流程进行完整的分析，分三个方面进行研究，但其研究还处于起步阶段。主要研究包括基于多Agent系统理论的CGF通信行为体系结构，基于KQML语言的通信语言设计，基于本体论的通信本体构建及其基于BDI的CGF通信行为建模，工程实践方面对XX指挥训练模拟系统中通信行为模块进行了设计与实现。具体而言，主要包括以下几个方面： (1) 分析作战过程通信的流程，对比传统协议驱动的通信机制，提出了CGF主体的通信行为概念，并给出了通信行为的内部结构以及具有通信行为的CGF个体的总体框架。 (2) 根据具体的作战模拟领域对CGF通信语言的要求不同，对KQML通信语言的原语扩展进行研究，扩展了新的语义，使之能够满足作战仿真中组织约束下的CGF通信行为表示要求。 (3) 对战场环境中的通信本体进行研究，提取军事概念，建立适合分队作战的通信本体，解决因为CGF的需求和背景知识的不同，导致对相同的问题产生不同的认识，缺乏一致的概念而通信不畅的问题，提高了CGF交流和协作的效率，同时也提高了CGF通信的可信性。 (4) 将CGF个体决策模型用于通信行为的构建，在CGF个体模型中加入通信行为模块，结合联合意图理论，形式化表示出联合作战中的通信需求，基于BDI模型构建了CGF个体的通信行为模型框架，基于该框架建立了CGF的OCBC通信行为模型，使CGF个体能通过对通信代价的分析自主选择通信行为，从而能够表现出更加真实的战场行为。 (5) 以XX分队指挥训练模拟系统为背景，进一步阐述CGF主体的通信行为建模方法，重点以行为模块总体、通信本体、通信知识库的设计为线索，描述了如何将前几章提出的理论、方法应用到具体的仿真训练系统中。然后以分队作战为背景，设计了一个简单的分队协同进攻与防守的典型想定。以此想定为基础，验证了从本体构建、行为建模到建模实现开发全过程，并对传统通信和行为通信的仿真结果进行了对比分析，说明了通信行为模块的实现可以真实地模拟战场人类的通信行为，并能减少网络通信数据堵塞，提高通信效率。 本文认为，建立CGF主体的通信行为模型对CGF协同行为模型有支持作用，通信行为属于CGF主体的内部行为，是由信念、愿望、意图和知识等内在状态决定的，外在行为第 68 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 通过内在行为触发产生，也就是说，CGF主体的行为输出由外在行为模型决定，但受各种内外部行为因素影响。目前的CGF主体的通信多集中在物理层次上，只是为了完成通信的目的，并不考虑为什么通信。随着行为建模的发展，在CGF通信过程中引入人的行为表示已成为必然，越来越多的CGF通信不单纯的只是简单的反应式信息交换，要求具有自主性和自适应性，要求具有对通信结果的预判断功能。通过对CGF行为建模技术的进一步研究，将会为CGF通信的过程建立更为理想的模型。 研究展望 随着对Agent通信语言、本体论、BDI模型以及联合意图理论研究的进一步深入，从作战模拟应用的角度来看，进一步的研究工作主要有： (1) 对复杂的战场环境进行概念描述，构建全面的智能实体通信本体，使得智能实体通信概念在军事领域达成一致，增加智能实体战场中的通信行为的可重用性。 (2) 通信行为在战术应用的合理性。当前的分队级作战，一般为面向任务的战术应用，当具体的作战环境、任务、人员发生变化时，需要指挥人员动态地进行战术变更。这种变更必然引起通信行为的产生，如何在合理的时机产生与之同步的通信行为，并协调新旧通信行为之间的冲突，使之能更加适应新的战场态势，以及动态变化的通信的合理性。 (3) 通信代价分析的复杂性研究。通信过程中的引起行为变化的态势更新很快，其导致对通信代价的分析更加复杂，怎样对代价组成的合理性进行论证，分析过程中因为计算量增大而涉及到的实时性问题，以及代价决策最优性和可信性之间的取舍，都是下一步研究的重点和难点。 第 69 页
国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 致 谢 硕士生涯即将结束，在课题论文完成之际，回想起学习期间的点点滴滴，深感欣慰的是自己在付出的同时也学到了很多东西，尤其教研室快乐而充实的学习生活过程更是在我生命中刻上了值得珍惜的印记。这两年半的学习中，我看到了自己的成长，也知道成长的背后是老师和同学们的无私帮助，是他们使我克服了工作中片刻的迷惘、挫折感，留下了战胜自我的甜蜜。在此我向他们表示诚挚的感谢。 首先要感谢的是恩师查亚兵教授对我的不倦教诲和悉心关怀。查教授不仅是我学习上老师，也是我工作中的领导，对我的指导和关心格外细心。在学术研究方面，查老师以其高深的学术造诣和严谨的治学态度耐心细致地指导我的研究，深入浅出地解答我的问题，同时又鼓励我大胆独立地探索研究问题，完成研究任务；在为人做事方面，查老师以乐观豁达的生活态度，严于律己的领导作风，淡泊名利的君子品格为我在以后的工作中树立了学以终生的榜样。在他的教导之下，我学会了踏踏实实的做人，学习工作需要静心沉着，从基础着手，能力的提高离不开平时一点一滴的积累，这些都是我一生的财富。学生的点滴进步无不凝结着查老师的心血，在此对查老师致以深深的谢意。 特别感谢教研室尹全军主任，从论文开题到最终完成，尹主任把握论文的研究方向及关键理论创新点，对我研究过程中的瓶颈问题答疑解惑，甚至在论文撰写的最后阶段，和我一起对文章逐字逐句的进行推敲和修正。尹主任直接的指导和中肯的建议，使得我能够顺利地完成预定的研究目标。 衷心感谢教研室互帮互助的的师兄师弟们，他们是唐见兵、邓海军、焦鹏、胡记文、冯磊、许国珍、陈俊、崔浩浩、陈伟等。他们让我在学习、工作和生活中体味到了莫大的乐趣，和他们融洽的相处、热烈的讨论、坦诚的交往将会成为我人生中美好的记忆，师门情谊我将毕生难忘。 深深感谢我亲爱的父亲母亲，感谢他们对我的养育之恩，父母宅心仁厚，勤劳善良的意志品质和道德情操时时刻刻感染和激励着我。他们在我成长的每一个足印里，都倾注了心血和汗水! 感谢单位领导和学员队领导对我的关心和帮助，感谢于百忙之中抽出宝贵时间为我评阅论文的诸位专家教授。 还有很多对我给予关心和帮助的老师、亲人、朋友，向他们表示深深的谢意。硕士求学生涯即将告一段落，一个新的人生阶段也将开始，我将更加努力地投入到新的工作和生活中。最后，再一次对所有帮助过我，关心过我的人们表示最真诚的感谢，祝他们永远幸福快乐。 第 70 页
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