Ｖｏ１．３６．ＮＯ．１１ ＮＯＶ，２０１１ 火力与指挥控制 Ｆｉｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｃｏｍｍａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ 第３６卷第ｌ１期 ２０１１年１１月 文章缨号：１００２—０６４０（２０１１）１１—００２８—０４ 基于仿真实验的协同决策规则 王长春，陈俊良，陈超 ４１００７３） （国防科技大学信息系统与管理学院Ｃ‘ＩＳＲ重点实验室，长沙摘要：协同规则如何与决策主体的执行能力相匹配，缺乏有效的支撑理论和方法。在对现有协同决策设计研究方法总 结基础上，试着运用仿真实验解决此问题。以舰艇编队目标判断为背景设计仿真实验，通过对仿真结果分析，得到最优协同决 策规则。 关键词：协同，决策规则，分布式仿真 中圈分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃ０ｌｌａｂ０ｒａｔｉＶｅ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ—Ｍａｋｉｎｇ Ｒｕｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｕｎ，ＣＨＥＮ Ｊｕｎ—ｌｉａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｃｈａｏ （Ｃ ＩＳＲ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｌｉｔｔｌｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｗ ｔｏ ｍａｔｃｈ ｒｕｌｅ ｗｉｔｈ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｋｅｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｆｌｅｅｔ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｉｎｇ ｏｆ ａｎｔｉ—ａｉｒ ｗａｒｆａｒｅ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ， ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｒｕｌｅ ｉｓ ｇｏｔ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ，ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｒｕｌｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 引 言 信息技术的发展极大地推动了军事变革，以平 台为中心的作战越来越不适应未来作战的需要，以 共享信息的协同作战为中心的一体化作战理念已经 为世界各国军方所接受，分布式军事组织协同决策 设计研究已成为世界各国海军竞相研究的新的增长 等属性不同，导致其在执行协同规则中最终能否达 到一致性难以检验；二是协同过程复杂，协同决策设 计中，制定协同决策规则的难度增加。从目前的研究 文献看，对协同决策设计方面的研究，主要理论成果 与方法有计算数学组织理论、Ｐｅｔｒｉ网建模与分析、 基于Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ协作机制的研究。 点。决策规则设计是分布式组织的协同决策和群决 策设计理论的基础，也是当前军事决策研究中关注 的热点［１－ｚ］。 由于作战组织的决策主体是人（Ｄｅｃｉｓｉｏｎ— 计算数学组织理论是采用计算和数学手段建立 组织模型来研究组织行为和评价组织的效能［３］。这 种研究本质上是静态问题的研究，而军事决策组织 面临的环境是复杂多变的，因而这种军事协作组织 的设计除了在军事行动之前制定作战计划外，并没 ｍａｋｅｒ），有人参与的决策使得Ｃ２组织成为一复杂 系统。对于复杂性系统，决策主体执行协同决策规则 有更多的现实价值。指控系统决策的Ｐｅｔｒｉ网交互 模型［４ 将组织中决策主体之间的交互作用建立在交 互式决策主体的Ｐｅｔｒｉ网模型基础之上，但是Ｐｅｔｒｉ 网模型未能够描述具体决策主体的能力，包括决策 主体的认知过程。目前在军方已有一些基于Ｍｕｌｔｉ～ Ａｇｅｎｔ的探索性研究，如国防大学作战模拟中心课 如何分析一直是协同决策设计的难题，主要有两方 面的原因：一是由于决策主体的反映时间、认知水平 收稿日期：２０１０—０７—１０ 修回日期：２０１０－１０—２５ ＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（７０６７１１０５） 作者简介：王长春（１９８３一），男，江西永新人，博士研究 生，研究方向：组织决策，体系对抗。 题组正在进行的战争模拟方面的开发与研究。但总 的来说，Ｍｕｌｔｉ—Ａｇｅｎｔ协作决策技术在军事运用上 还是一种不成熟技术［５］，另外对决策主体属性的描 王长春，等。基于仿真实验的协同决策规则 （总第３６—２０７３） ・２９・ 述和处理通过不断的学习来动态定义的，但是无论 如何不能够替代人。 鉴于以上分析，本文以舰艇编队目标判断为背 境参数； ４）实验相关数据的管理，包括实验方案库、目标 库、测试人员信息等数据； ５）实时记录实验过程中产生的目标判断数据， 以及自动处理目标判断数据，生成目标判断结果； ６）模拟雷达终端，向测试人员提供雷达屏幕显 示和回波波形显示，良好的目标判断操作界面。 １ １．２界面设计 景设计仿真系统，让人实际去做这个仿真实验，得出 相关人员的特性和限制参数，最后根据这些参数优 化协同决策规则。该方法考虑了决策者的特性和认 知过程，能较好解决人在回路的协同规则设计问题。 １ 实验设计与实现 人在回路中的仿真实验在人机交互研究中有较 雷达仿真节点模拟早期预警雷达，对目标进行 检测，显示目标的方位距离信息和雷达回波波形，以 供决策人员进行目标判断。界面主要由ＰＰＩ显示 区、雷达回波波形显示区、消息显示区、决策人员操 作区和决策结果显示区组成，如图１所示。 多的应用，但在军事组织决策问题的研究中还不多 见。本系统以协同目标判断为背景，为研究组织协同 决策问题提供支持与帮助。采用基于消息的分布式 系统开发方法进行系统设计，实现了实验监控、实验 数据自动记录与管理、雷达终端仿真等功能。 １．１实验设计 １．１．１功能设计 本文开发的仿真实验系统是以编队协同目标判 断为背景，模拟编队协同判断来袭目标，测试决策人 员目标判断的效果（正确率），并分析相关因素对协 同决策效果的影响。仿真实验系统业务流程即为编 队协同目标判断过程，其过程可描述如下：决策人员 在本地雷达仿真节点上调节电平门限，根据雷达回 波波形与雷达屏幕显示信息进行目标探测与判断； 目标判断实验的主要目的是理解决策者在不同的时 间限制、任务压力的决策情景下的实际决策过程；理 解组织成员之间的协作过程；分析信息结构、协同策 略等因素对组织决策效果的影响。因此要求该仿真 实验系统能实现以下功能： 圈１雷达仿真平台界面示意图 ＰＰＩ显示区显示目标的方位和距离，平面上的 亮点表示目标的坐标位置。回波波形显示区显示雷 达天线扫描方向的回波波型。通信信息显示区是用 于显示各雷达仿真平台之间相互发送的目标判断信 息，包括目标的方位角、距离、门限电平值和对目标 判断的信度，同时还显示实验进程消息。决策人员操 作区是向决策人员提供目标判断操作的区域，包括 门限电平值的调节、目标位置信息。决策人员依据 ＰＰＩ显示器显示的目标信息和回波波型形状并结合 １）支持多人实验，根据不同的实验方案，系统允 许设置不同数量的实验席位； ２）支持实验方案编辑，实验因素的选择和因素 水平的设置； ３）提供多种实验环境，能够设置不同的实验环 自身的经验知识进行目标判断。决策结果显示区是 向决策人员显示目标判断的结果和得分。 ・３０・（总第３６—２０７４） 火力与指挥控制 ２０１１年第１１期 １．２实验实现 程将检测到的目标数据存入临界区，雷达显示子线 仿真实验系统基于Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＃．ＮＥＴ进行开 发。数据库部分用ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２０００实现，存储的表 主要有实验信息表、测试人员信息表、目标表、目标 判断信息表、判断结果数据表，以及维护测试人员表 与目标表之间的约束关系的ＴｅｓｔｅｅＩｎＥｘｐｅｒｉ表和 ＴａｒｇｅｔＩｎＥｘｐｅｒｉ表。利用存储过程实验数据访问，主 程从临界区中读取数据生成雷达显示图像。雷达信 号处理和目标检测子线程执行的计算流程即为信号 处理仿真计算流程。雷达显示子线程生成ＰＰＩ显示 图像和回波波形图像，并通知界面线程显示在对应 的区域。系统中的ＰＰＩ显示图像生成采用两层图像 叠加的办法，即把绘制好的方位基线和距离基线位 要实现以下功能：初始化实验信息；插入新实验时更 图作为底图存入内存，然后在此底图上绘制扫描基 新实验信息；删除实验时更新测试人员信息和删除 与该实验相关的目标判断信息和判断结果数据；添 加和更新测试人员信息；插入和更新目标参数；插入 目标判断信息；插入判断结果数据。下面简要给出各 节点主要功能的实现。 １．２．１ 实验管理节点功能实现 实现该节点功能的主要类包括： １）通信服务类Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ。该类主要提供 通信服务，接受雷达仿真节点的连接请求，发送实验 参数、实验控制命令、目标信息、环境参数等数据，接 收雷达仿真节点发出的目标判断信息，转发通信消 息。由于实验系统要求记录实验过程中产生的所有 实验数据，这就需要保证每条消息准确传输，因此采 用ＴＣＰ／ＩＰ有连接传输方式，基于Ｓｏｃｋｅｔ通信编写 该类。 ２）简化雷达类ＳｉｍｐｌｅＲａｄａｒ。该类主要实现目 标轨迹生成以及真实目标和目标判断信息的显示功 能。通过定时器函数ｔａｒｇｅｔＵｐｄａｔｅ Ｔｉｃｋ（）每隔一 定的时间间隔调用目标对象的更新函数对目标位 置、角度信息进行更新，引发目标更新事件，通知通 信服务类对其进行发送处理。该类将真实目标和目 标判断信息绘制成雷达ＰＰＩ显示图像，便于实验管 理人员对实验情况进行监视。 ３）数据库连接类ＤＢｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ。该类完成与 ｓＱＩ Ｓｅｒｖｅｒ ２０００数据库的连接。 ４）实验数据操作类ＤａｔｅＯｐｅｒａｔｉｏｎ。该类负责目 标判断数据、通信数据的记录，目标判断结果的计算 与存储。 ５）目标类Ｔａｒｇｅｔ类。该类负责目标位置信息的 自动更新和目标位置的坐标转换。 １．２．２ 雷达仿真节点功能实现 １）雷达类Ｒａｄａｒ。实现天线增益、目标回波信号 生成、杂波生成、信号处理与目标检测、ＰＰＩ显示图 像输出、回波波形图像输出等功能。 利用多线程技术，建立雷达信号检测子线程和 雷达显示子线程，这样可使得雷达仿真节点具有良 好的显示效果和运行速度。两个子线程之间通过临 界区进行数据共享，雷达信号处理和目标检测子线 线和目标点迹，实现ＰＰＩ显示图像的动态生成。 ２）通信客户端类ＣｏｍＣｌｉｅｎｔ。该类负责向实验 管理节点发出连接请求，接收实验参数、实验控制命 令、环境参数、目标信息、通信消息等数据，发出目标 判断消息和通信消息。 ２实验结果统计分析 ２．１单个决策实验 本文开发仿真系统的主要目的是为了定量研究 不同决策者在不同的时间限制、任务压力的决策情 景下的决策效果，分析协同结构、决策规则等因素对 决策效果的影响。为此首先将实验人员大体分为五 类，分别以ａ ， 一１，２，３，４，５来表征五类指挥员。 裹２ ５类指挥员描述 本仿真系统可以定量测试出决策时间、信息质 量、任务强度、协同结构和协同规则等因素与决策效 果之间的关系，限于篇幅，在此只研究决策时间、信 息数量、决策规则对决策效果的影响。 １）决策时间对决策效果的影响 一般而言，指挥员处理信息时间越长对态势感 知与决策的质量越高，但是战场节奏瞬息万变，需要 指挥员在最短时间作出反应。记ｔ。为指挥员反应延 迟与执行时间的和，则当给定时间小于ｔｏ时，指挥 员来不及作出任何决策，因而其感知与决策效果为 ０，当给定的决策时间再增加，目标判断的正确率也 上升，最后达到１，如下页图２所示。 王长春，等；基于仿真实验的协同决策规则 （总第３６—２０７５） ・３１・ ］ ］Ｉ竺Ｉ ］ｌ！Ｉ 对表３分析可知，对于５个决策主体来说，简单 社，１９９８． 多数规则是最劣规则Ｅｌ１ １１１］，最优规则为Ｅ２１ １ｌＯ３。该规则可作如下理解：排除掉５个决策者能力 最弱点的决策者，剩下的４个决策者采取简单多数 规则；如果出现僵局，则以能力最强的决策者的选择 作为最终选择。 卜先锦，董文洪．环境判明的组织决策设计及复杂 性研究口］．弹道学报，２００５，２６（３）：１９—２３． Ｋａｔｈｌｅｅｎ Ｍ Ｃ．Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，７５：２５—４７． Ｒｅｍｙ Ｐ Ａ．Ｏｎ ｔｈｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｅｔｒｉ Ｎｅｔｓ［Ｄ］．ＭＩＴ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ＳＭ Ｔｈｅｓｉｓ，ＬＩＤＳ．ＴＨ一１６３０，１９８６． ３ 结 论 如何更好地理解军事决策的实际过程，提高军 事决策效果，是军事决策研究面临的一个挑战，理论 Ｓｔｏｎｅ Ｐ，Ｖｅｌｏｓｏ Ｍ．Ｍｕｌｔｉａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １９９８ ｌ ６７—７７． 研究方法不能很好解决此类问题，需要借助实验手 段。本文以舰艇编队目标判断为背景设计仿真系统， 让人实际去做这个实验，统计分析得到如下结论： 军事科学院军事运筹学分析研究所．作战实验理论 ①军事决策效果与指挥员决策能力、决策时间和信 息数量之间的定量关系；②对于５个决策主体协同 与实践［Ｍ］．北京；军事科学出版社，２００８． 吕越广，方胜良．作战实验［Ｍ］．北京：国防工业出 版社，２００７． Ｎｉｔｚａｎ Ｓ，Ｐａｒｏｕｓｈ Ｊ．Ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｃｉｓｉｏｎ Ｍａｋｉｎｇ： 决策，最优规则为［２１ １１ｏ３；③对于协同决策的其他 问题，如结构设计问题，将另文探讨。 参考文献： ［１］ 姜来根．２１世纪海军舰船［Ｍ］．北京：国防工业出版 Ａｎ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｏｕｔｌｏｏｋ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，１ ９８５．