基于ABMS的体系计算实验方法及应用

"十三五"国家重点图书出版规划项目"体系工程与装备论证系列丛书"之一。 国防科大科研团队研究成果。 高新技术，内容*威。

本书是"十三五"国家重点图书出版规划项目"体系工程与装备论证系列丛书"之一。本书以武器装备体系作战效能评估为背景，重点介绍基于Agent的体系计算实验方法、相关工具和应用示例。针对体系论证分析对计算实验的需求，本书从实验过程、模型设计、仿真运行机制、实验设计与分析方法等方面介绍了基于ABMS（基于Agent的建模与仿真）的体系计算实验方法，并对国外典型案例进行了复现和剖析研究，希望能够为国内武器体系装备论证工作中的应用实践提供一些有益的借鉴。

国防科技大学博士，教授。二代导航专家组专家、武器装备论证中心体系实验室学术委员会委员。主持、参加自然科学基金、国防预研基金、型号科研项目50余项，获国防科工委科技进步一等奖2项，军队科技进步二等奖3项，军队科技进步三等奖1项。

目 录
第1章 体系与体系计算实验 1
1．1 体系与体系论证 2
1．1．1 体系 2
1．1．2 武器装备体系 3
1．1．3 装备体系效能评估 4
1．2 一个计算实验示例 5
1．3 武器装备体系论证的计算实验需求 9
1．3．1 计算实验方法 9
1．3．2 体系计算实验面临的挑战 10
1．3．3 体系计算实验的认识 12
1．4 面向复杂系统研究的计算实验方法 14
1．4．1 基于数据的计算实验 14
1．4．2 基于方程的计算实验 14
1．4．3 基于仿真的计算实验 15
1．5 面向体系的计算实验 17
1．5．1 基于数据的体系计算实验 17
1．5．2 基于方程的体系计算实验 18
1．5．3 基于仿真的体系计算实验 18
1．5．4 面向体系的计算实验应用 19
1．6 基于仿真的体系计算实验应用 20
1．6．1 传统的体系仿真方法 20
1．6．2 面向训练的体系对抗仿真 21
1．6．3 面向网络中心战的体系仿真分析 21
1．7 本书的内容和组织 25
第2章 基于ABMS的体系计算实验方法 26
2．1 基于Agent的建模与仿真 27
2．1．1 Agent概念 27
2．1．2 Agent仿真的特点与应用 29
2．2 基于ABMS的模型设计方法 31
2．3 ABMS与体系仿真 33
2．4 ABMS仿真开发过程 34
2．4．1 ABMS开发过程 35
2．4．2 ABMS使用过程 36
2．5 基于ABMS的体系效能仿真开发与应用过程 37
2．5．1 体系效能仿真开发过程 38
2．5．2 体系效能仿真应用过程 40
2．6 基于ABMS的体系计算实验框架 42
2．6．1 体系架构定义 43
2．6．2 仿真想定设计 43
2．6．3 体系实验设计 43
2．6．4 数据收集和整理 44
2．6．5 Agent体系仿真模型开发 45
2．6．6 仿真模型测试与验证 46
2．6．7 体系仿真计算 46
2．6．8 计算数据整合 47
2．6．9 体系实验分析 47
第3章 可组合的体系仿真模型框架 49
3．1 模型框架概述 50
3．1．1 Agent层次结构 50
3．1．2 蚂蚁Agent与SEAS Agent 50
3．1．3 Agent类型 51
3．1．4 Agent自述 52
3．1．5 Agent结构 53
3．1．6 Agent分形网络结构 55
3．2 作战实体Agent 56
3．2．1 对象层次 56
3．2．2 作战单元Unit 57
3．2．3 地面实体Vehicle 59
3．2．4 空中实体Plane 61
3．2．5 空间实体Satellite 63
3．3 装备对象Device 64
3．3．1 通信设备 65
3．3．2 传感器 68
3．3．3 武器系统 71
3．4 战场环境对象 76
3．5 Agent行为表示 77
3．5．1 行为建模方法比较 78
3．5．2 基于进程交互仿真的TPL脚本 79
3．5．3 行为原语 79
3．6 基于ABMS的体系模型组合规范 81
第4章 基于进程的Agent体系仿真 84
4．1 进程交互仿真及实现方法 85
4．1．1 进程交互仿真 85
4．1．2 进程交互仿真的实现方法 86
4．1．3 基于进程例程的进程交互仿真 87
4．2 基于进程仿真的ABMS仿真调度策略 92
4．2．1 Agent模型架构 92
4．2．2 基于进程仿真的Agent调度方法 94
4．2．3 Agent状态更新 94
4．3 基于ABMS的体系仿真模型框架 95
4．3．1 仿真模型框架组成 95
4．3．2 基于进程的体系仿真模型调度 97
4．3．3 作战实体的状态更新 98
4．3．4 相关算法 99
4．4 决策行为进程 101
4．4．1 基本脚本的决策行为进程 102
4．4．2 无延迟操作和延迟操作 103
4．5 体系效能分析仿真平台原型 103
4．5．1 系统组成 103
4．5．2 系统启动 104
4．5．3 仿真想定模型 105
4．5．4 仿真运行 105
4．5．5 体系效能分析仿真应用开发过程 107
4．6 仿真示例 110
4．6．1 问题背景与想定 110
4．6．2 仿真想定 110
4．6．3 Agent仿真模型开发 111
4．6．4 仿真结果分析 119
4．6．5 ISR的影响分析 119
第5章 近正交拉丁超立方实验设计 123
5．1 典型实验设计方法 124
5．2 面向大规模影响因素的实验设计 127
5．2．1 仿真模型的数学描述 127
5．2．2 均匀设计 128
5．2．3 正交拉丁超立方矩阵 129
5．3 近正交拉丁超立方实验设计 132
5．3．1 改进正交拉丁超立方矩阵及评价准则 132
5．3．2　改善近正交拉丁超立方矩阵的正交性 137
5．3．3　近正交拉丁超立方实验设计算法 138
5．4 构建近正交拉丁超立方矩阵 140
5．4．1　变量数为2～7的NOLH矩阵 140
5．4．2　变量数为8～10的NOLH矩阵 144
5．4．3　变量数为12～15的NOLH矩阵 146
5．4．4　变量数为17～22的NOLH矩阵 148
5．4．5　构造二次实验 151
5．5 算法验证 154
5．5．1 近似正交矩阵 第一次实验的回归分析 154
5．5．2 正交矩阵 的实验回归分析 155
5．5．3 近似正交矩阵 的第二次实验的回归分析 157
5．5．4 实验 158
第6章 基于决策树的体系计算实验分析 160
6．1 研究现状 161
6．2 决策树算法基础 162
6．2．1 决策树生成 162
6．2．2 决策树剪枝 163
6．2．3 经典决策树算法 164
6．2．4 模糊集和粗糙集概念 166
6．3 基于模糊集的分类回归树算法 169
6．3．1 基于模糊集的CART算法 169
6．3．2 基于模糊集的加权CART算法 172
6．4 基于粗糙集的多变量决策树算法 174
6．4．1 多变量决策树算法概述 174
6．4．2 基于粗糙集的加权多变量决策树算法 177
6．5 算法性能分析与实验验证 178
6．6 相关工具介绍 180
6．6．1 JMP 180
6．6．2 SPSS软件 181
6．6．3 R语言 182
第7章 航母无人舰载机作战效能分析 185
7．1 研究背景 186
7．2 想定、模型和数据 187
7．2．1 使命想定 187
7．2．2 建模仿真需求 189
7．2．3 数据来源、模型抽象和假设 192
7．3 实验设计 193
7．3．1 可控因子 193
7．3．2 不可控因子 194
7．3．3 实验设计方案 195
7．4 Agent仿真模型开发 196
7．4．1 仿真时间 196
7．4．2 作战组织 197
7．4．3 设备对象 197
7．4．4 环境对象 199
7．4．5 Agent对象 199
7．4．6 交互数据 200
7．4．7 仿真运行初始化与结束处理 201
7．4．8 实体行为模型 209
7．4．9 仿真模型测试 214
7．5 问题分析 215
7．5．1 数据整合 215
7．5．2 数据分析 217
7．5．3 结论和建议 226
7．6 研究展望 227
7．6．1 研究结果对比 227
7．6．2 其他NUCAS想定 227
附录A 缩略语汇总 229
参考文献 233

体系工程与装备论证系列丛书

总序

1990年，我国著名科学家和系统工程创始人钱学森先生发表了《一个科学新领域—开放的复杂巨系统及其方法论》一文。他认为，复杂系统组分数量众多，使得系统的整体行为相对于简单系统来说可能涌现出显著不同的性质。如果系统的组分种类繁多，并具有层次结构，它们之间的关联方式又很复杂，就成了复杂巨系统；再如果复杂巨系统与环境进行物质、能量、信息的交换，接收环境的输入、干扰并向环境提供输出，而且还具有主动适应和演化的能力，就要作为开放复杂巨系统对待了。在研究解决开放复杂巨系统问题时，钱学森先生提出了从定性到定量的综合集成方法，这是系统工程思想的重大发展，也可以看作对体系问题的先期探讨。

从系统研究到体系研究涉及很多问题，其中有三个问题应该首先予以回答：一是体系和系统的区别，二是平台化发展和体系化发展的区别，三是系统工程和体系工程的区别。下面，我引用国内两位学者的研究成果讨论对前面两个问题的看法，然后再谈谈我自己对后面一个问题的看法。

关于系统和体系的区别。有学者认为，体系是由系统组成的，系统是由组元组成的。不是任何系统都是体系，但是只要由两个组元构成且相互之间具有联系就是系统。系统的内涵包括组元、结构、运行、功能、环境，体系的内涵包括目标、能力、标准、服务、数据、信息等。系统最核心的要素是结构，体系最核心的要素是能力。系统的分析从功能开始，体系的分析从目标开始。系统分析的表现形式是多要素分析，体系分析的表现形式是不同角度的视图。对系统发展影响最大的是环境，对体系形成影响最大的是目标要求。系统强调组元的紧密联系，体系强调要素的松散联系。

关于平台化发展和体系化发展的区别。有学者认为，由于先进信息化技术的应用，现代作战模式和战场环境已经发生了根本性的转变。受此影响，以美国为首的西方国家在新一代装备发展思路上也发生了根本性转变，逐渐实现了装备发展由平台化向体系化的过渡。武器装备体系化的重要性已为众所周知，起始于35年前的一场战役。1982年6月，在黎巴嫩战争中，以色列和叙利亚在贝卡谷地展开了激烈空战，这次战役的悬殊战果对现代空战战法研究和空战武器装备发展有着多方面的借鉴意义，因为采用任何基于武器平台分析的指标进行衡量，都无法解释如此悬殊的战果。以色列空军各参战装备之间分工明确，形成了协调有效的进攻体系，是取胜的关键。自此以后，空战武器装备对抗由“平台对平台”向“体系对体系”进行转变，为世界周知。同时，一种全新的武器装备发展思路—“武器装备体系化发展思路”逐渐浮出水面。这里需要强调的是，武器装备体系概念并非始于贝卡谷地空战，当各种武器共同出现在同一场战争中，执行不同的作战任务时，原始的武器装备体系就已形成，但是这种武器装备体系的形成是被动的；而武器装备体系化发展思路应该是一种以武器装备体系为研究对象和发展目标的武器装备发展建设思路，是一种现代装备体系建设的主动化发展思路。因此，武器装备体系化发展思路是相对于一直以来武器装备发展主要以装备平台更新为主的发展模式而言的。以空战装备为例，人们一般常说的三代战斗机、四代战斗机都是基于平台化思路的发展和研究模式的，是就单一装备的技术水平和作战性能进行评价的。可以说，传统的武器装备平台化发展思路是针对某类型武器平台，通过开发、应用各项新技术，研究制造新型同类产品以期各项性能指标超越过去同类产品的发展模式。而武器装备体系化发展的思路则是通过对未来战场环境和作战任务的分析，并对现有武器装备和相关领域新技术进行梳理，开创性地设计构建在未来一定时间内最易形成战场优势的作战装备体系，并通过对比现有武器装备的优势和缺陷确定要研发的武器装备和技术。也就是说，其研究的目标不再是基于单一装备更新，而是基于作战任务判断和战法研究的装备体系构建与更新，是将武器装备发展与战法研究充分融合的全新的装备发展思路，这也是美军近三十多年装备发展的主要思路。

关于系统工程和体系工程的区别。我感到，系统工程和体系工程之间存在着一种类似“一分为二、合二为一”的关系，具体体现为分析与综合的关系。数学分析中的微分法（分析）和积分法（综合），二者对立统一的关系是牛顿-莱布尼兹公式。它们构成数学分析中的主脉，解决了变量中的许多问题。系统工程中的“需求工程”（相当于数学分析中的微分法）和“体系工程”（相当于数学分析中的积分法），二者对立统一的关系就是钱学森的“从定性到定量综合集成研讨方法”（相当于数学分析中的牛顿-莱布尼兹公式）。它们构成系统工程中的主脉，解决和正在解决着大量巨型复杂开放系统的问题。我们称之为系统工程Calculus。

总之，武器装备体系是一类具有典型体系特征的复杂系统，体系研究已经超出传统系统工程理论和方法的范畴，需要研究和发展体系工程，用以指导体系条件下的武器装备论证。

在系统工程理论方法中，系统被看作具有集中控制、全局可见、有层级结构的整体，而体系是一种松耦合的复杂大系统，已经脱离了原来以紧密的层级结构为特征的单一系统框架，表现为一种显著的网状结构。近年来，含有大量无人自主系统的无人作战体系的出现使得体系架构的分布、开放特征愈加明显，正在形成以即联配系、敏捷指控、协同编成为特点的体系架构。以复杂适应网络为理论特征的体系，可以比单纯递阶控制的层级化复杂大系统具有更丰富的功能配系、更复杂的相互关系、更广阔的地理分布和更开放的边界。以往的系统工程方法强调必须明确系统目标和系统边界，但体系论证不再限于刚性的系统目标和边界，而是强调装备体系的能力演化，以及对未来作战样式的适应性。因此，体系条件下装备论证关注的焦点在于作战体系架构对体系作战对抗过程和效能的影响，在于武器装备系统对整个作战体系的影响和贡献率。

回顾40年前，钱学森先生在国内大力倡导和积极践行复杂系统研究，并在国防科学技术大学亲自指导和创建了系统工程与数学系，开办了飞行器系统工程和信息系统工程两个本科专业。面对当前我军武器装备体系发展和建设中的重大军事需求，由国防科学技术大学王维平教授担任主编，集结国内在武器装备体系分析、设计、试验和评估等方面具有理论创新和实践经验的部分专家学者，编写出版了“体系工程与装备论证系列丛书”。该丛书以复杂系统理论和体系思想为指导，紧密结合武器装备论证和体系工程的实践活动，积极探索研究适合国情、军情的武器装备论证和体系工程方法，为武器装备体系论证、设计和评估提供理论方法和技术支撑，具有重要的理论价值和实践意义。我相信，该丛书的出版将为推动我军体系工程研究、提高我军体系条件下的武器装备论证水平做出重要贡献。

汪浩

2017年5月

序

以信息技术为核心的高新技术的迅猛发展以及在军事领域的广泛应用，引发了一场迄今人类历史上影响最为深刻的新军事变革，这是人类文明由工业时代向信息时代转变的产物。纵观这场军事变革发展的过程，可以清楚地看到，高新技术是推动新军事变革最活跃的因素，高技术武器装备是促进新军事变革的重要物质基础，武器装备成体系发展、建设和应用是实现新军事变革的最突出特点。

武器装备体系是为满足作战体系对抗需要，以完成一定作战任务为目的，由在功能和作用上相互联系与制约、互为补充的各类武器装备所构成的一个整体。从系统论的角度看，武器装备体系是一类典型的复杂巨系统，既具有复杂巨系统的一般特征，如复杂性、涌现性、自适应性等，也具有其特有的特征，如层次性、对抗性、开放性等。开展武器装备体系研究，既要根据复杂巨系统理论方法把握其一般的研究方法，也要针对其独特的应用领域和研究目的，创新研究的理论、方法和工具，提升研究的针对性、有效性。

开展武器装备体系的研究，总体上需要研究其体系结构及其演化过程，分析体系结构的变化对体系整体行为的影响，还要研究体系在对抗过程中的能力和效能，分析评估体系的薄弱环节或短板。作为一个特定军事领域的复杂巨系统，这些问题的研究十分复杂，不仅缺乏可借鉴的理论方法，在实践中还涉及武器装备的种类、部署规模、作战编组、战术使用，以及相互支撑、相互制约的复杂关系。

近十多年来，学术界十分重视武器装备体系研究方法的探索，取得了许多成果。开展武器装备体系研究的方法大体上可以分为两大类：一类是从体系设计开发的角度开展研究，典型的方法有美国国防部公布的“国防部体系结构框架”，提出了体系结构开发顶层的、系统的框架和概念模型，主要用于体系结构开发、使用和维护，为体系结构全寿命周期各阶段提供指南、原则、方法和技术，以支撑跨领域、跨部门、跨层级决策支持过程；另一类是从体系分析评估的角度开展研究，重点关注武器装备体系在特定作战环境下体系对抗中的能力和效能，以此评估武器装备体系完成作战任务的程度，通常采用建模仿真、解析计算、数据分析等一系列方法。

武器装备体系分析与评估的难点在于如何从整体上对体系的能力和效能进行分析评价。从系统论的角度看，体系的整体性难以通过独立分析其各部分的行为来确定,也不能在有限资源条件下对其整体行为进行大尺度的预测。解析计算、数据分析等方法，只能通过对体系进行简化与抽象找出各部分之间的相互关系，建立模型或对数据进行分析，难以反映体系的实际运行过程；建模仿真方法能够解决用解析方法、数据分析难以解决的十分复杂的问题，可以反映体系的动态过程。但是，仿真模型的检验、校核比较困难。对于一个具体的、小规模的、具备实际运行条件的实体，可以通过实际运行获取的数据来检验、校核模型。对于不能实际运行的实体，模型的检验、校核就缺乏有效的手段。而武器装备体系作为作战体系的核心，进行实际的作战对抗几乎是不可能的，加上现代战争的信息域和社会域的作用，使评估工作更加复杂困难，因此如何采用建模仿真的方法分析评估武器装备体系就成为