基於ABMS的體系計算實驗方法及應用（簡體書）

本書是"十三五"國家重點圖書出版規劃項目"體系工程與裝備論證系列叢書"之一。本書以武器裝備體系作戰效能評估為背景，重點介紹基於Agent的體系計算實驗方法、相關工具和應用示例。針對體系論證分析對計算實驗的需求，本書從實驗過程、模型設計、仿真運行機制、實驗設計與分析方法等方面介紹了基於ABMS（基於Agent的建模與仿真）的體系計算實驗方法，並對國外典型案例進行了複現和剖析研究，希望能夠為國內武器體系裝備論證工作中的應用實踐提供一些有益的借鑒。

國防科技大學博士，教授。二代導航專家組專家、武器裝備論證中心體系實驗室學術委員會委員。主持、參加自然科學基金、國防預研基金、型號科研項目50余項，獲國防科工委科技進步一等獎2項，軍隊科技進步二等獎3項，軍隊科技進步三等獎1項。

體系工程與裝備論證系列叢書
總序
1990年，我國著名科學家和系統工程創始人錢學森先生發表了《一個科學新領域―開放的複雜巨系統及其方法論》一文。他認為，複雜系統組分數量眾多，使得系統的整體行為相對於簡單系統來說可能湧現出顯著不同的性質。如果系統的組分種類繁多，並具有層次結構，它們之間的關聯方式又很複雜，就成了複雜巨系統；再如果複雜巨系統與環境進行物質、能量、信息的交換，接收環境的輸入、干擾並向環境提供輸出，而且還具有主動適應和演化的能力，就要作為開放複雜巨系統對待了。在研究解決開放複雜巨系統問題時，錢學森先生提出了從定性到定量的綜合集成方法，這是系統工程思想的重大發展，也可以看作對體系問題的先期探討。
從系統研究到體系研究涉及很多問題，其中有三個問題應該首先予以回答：一是體系和系統的區別，二是平臺化發展和體系化發展的區別，三是系統工程和體系工程的區別。下面，我引用國內兩位學者的研究成果討論對前面兩個問題的看法，然後再談談我自己對後面一個問題的看法。
關於系統和體系的區別。有學者認為，體系是由系統組成的，系統是由組元組成的。不是任何系統都是體系，但是只要由兩個組元構成且相互之間具有聯繫就是系統。系統的內涵包括組元、結構、運行、功能、環境，體系的內涵包括目標、能力、標準、服務、數據、信息等。系統最核心的要素是結構，體系最核心的要素是能力。系統的分析從功能開始，體系的分析從目標開始。系統分析的表現形式是多要素分析，體系分析的表現形式是不同角度的視圖。對系統發展影響最大的是環境，對體系形成影響最大的是目標要求。系統強調組元的緊密聯繫，體系強調要素的鬆散聯繫。
關於平臺化發展和體系化發展的區別。有學者認為，由於先進信息化技術的應用，現代作戰模式和戰場環境已經發生了根本性的轉變。受此影響，以美國為首的西方國家在新一代裝備發展思路上也發生了根本性轉變，逐漸實現了裝備發展由平臺化向體系化的過渡。武器裝備體系化的重要性已為眾所周知，起始於35年前的一場戰役。1982年6月，在黎巴嫩戰爭中，以色列和敘利亞在貝卡谷地展開了激烈空戰，這次戰役的懸殊戰果對現代空戰戰法研究和空戰武器裝備發展有著多方面的借鑒意義，因為採用任何基於武器平臺分析的指標進行衡量，都無法解釋如此懸殊的戰果。以色列空軍各參戰裝備之間分工明確，形成了協調有效的進攻體系，是取勝的關鍵。自此以後，空戰武器裝備對抗由“平臺對平臺”向“體系對體系”進行轉變，為世界周知。同時，一種全新的武器裝備發展思路―“武器裝備體系化發展思路”逐漸浮出水面。這裡需要強調的是，武器裝備體系概念並非始於貝卡谷地空戰，當各種武器共同出現在同一場戰爭中，執行不同的作戰任務時，原始的武器裝備體系就已形成，但是這種武器裝備體系的形成是被動的；而武器裝備體系化發展思路應該是一種以武器裝備體系為研究對象和發展目標的武器裝備發展建設思路，是一種現代裝備體系建設的主動化發展思路。因此，武器裝備體系化發展思路是相對於一直以來武器裝備發展主要以裝備平臺更新為主的發展模式而言的。以空戰裝備為例，人們一般常說的三代戰鬥機、四代戰鬥機都是基於平臺化思路的發展和研究模式的，是就單一裝備的技術水平和作戰性能進行評價的。可以說，傳統的武器裝備平臺化發展思路是針對某類型武器平臺，通過開發、應用各項新技術，研究製造新型同類產品以期各項性能指標超越過去同類產品的發展模式。而武器裝備體系化發展的思路則是通過對未來戰場環境和作戰任務的分析，並對現有武器裝備和相關領域新技術進行梳理，開創性地設計構建在未來一定時間內最易形成戰場優勢的作戰裝備體系，並通過對比現有武器裝備的優勢和缺陷確定要研發的武器裝備和技術。也就是說，其研究的目標不再是基於單一裝備更新，而是基於作戰任務判斷和戰法研究的裝備體系構建與更新，是將武器裝備發展與戰法研究充分融合的全新的裝備發展思路，這也是美軍近三十多年裝備發展的主要思路。
關於系統工程和體系工程的區別。我感到，系統工程和體系工程之間存在著一種類似“一分為二、合二為一”的關係，具體體現為分析與綜合的關係。數學分析中的微分法（分析）和積分法（綜合），二者對立統一的關係是牛頓-萊布尼茲公式。它們構成數學分析中的主脈，解決了變量中的許多問題。系統工程中的“需求工程”（相當於數學分析中的微分法）和“體系工程”（相當於數學分析中的積分法），二者對立統一的關係就是錢學森的“從定性到定量綜合集成研討方法”（相當於數學分析中的牛頓-萊布尼茲公式）。它們構成系統工程中的主脈，解決和正在解決著大量巨型複雜開放系統的問題。我們稱之為系統工程Calculus。
總之，武器裝備體系是一類具有典型體系特徵的複雜系統，體系研究已經超出傳統系統工程理論和方法的範疇，需要研究和發展體系工程，用以指導體系條件下的武器裝備論證。
在系統工程理論方法中，系統被看作具有集中控制、全域可見、有層級結構的整體，而體系是一種松耦合的複雜大系統，已經脫離了原來以緊密的層級結構為特徵的單一系統框架，表現為一種顯著的網狀結構。近年來，含有大量無人自主系統的無人作戰體系的出現使得體系架構的分佈、開放特徵愈加明顯，正在形成以即聯配系、敏捷指控、協同編成為特點的體系架構。以複雜適應網絡為理論特徵的體系，可以比單純遞階控制的層級化複雜大系統具有更豐富的功能配系、更複雜的相互關係、更廣闊的地理分佈和更開放的邊界。以往的系統工程方法強調必須明確系統目標和系統邊界，但體系論證不再限於剛性的系統目標和邊界，而是強調裝備體系的能力演化，以及對未來作戰樣式的適應性。因此，體系條件下裝備論證關注的焦點在於作戰體系架構對體系作戰對抗過程和效能的影響，在於武器裝備系統對整個作戰體系的影響和貢獻率。
回顧40年前，錢學森先生在國內大力倡導和積極踐行複雜系統研究，並在國防科學技術大學親自指導和創建了系統工程與數學系，開辦了飛行器系統工程和信息系統工程兩個本科專業。面對當前我軍武器裝備體系發展和建設中的重大軍事需求，由國防科學技術大學王維平教授擔任主編，集結國內在武器裝備體系分析、設計、試驗和評估等方面具有理論創新和實踐經驗的部分專家學者，編寫出版了“體系工程與裝備論證系列叢書”。該叢書以複雜系統理論和體系思想為指導，緊密結合武器裝備論證和體系工程的實踐活動，積極探索研究適合國情、軍情的武器裝備論證和體系工程方法，為武器裝備體系論證、設計和評估提供理論方法和技術支撐，具有重要的理論價值和實踐意義。我相信，該叢書的出版將為推動我軍體系工程研究、提高我軍體系條件下的武器裝備論證水平做出重要貢獻。

汪浩
2017年5月

序
以信息技術為核心的高新技術的迅猛發展以及在軍事領域的廣泛應用，引發了一場迄今人類歷史上影響最為深刻的新軍事變革，這是人類文明由工業時代向信息時代轉變的產物。縱觀這場軍事變革發展的過程，可以清楚地看到，高新技術是推動新軍事變革最活躍的因素，高技術武器裝備是促進新軍事變革的重要物質基礎，武器裝備成體系發展、建設和應用是實現新軍事變革的最突出特點。
武器裝備體系是為滿足作戰體系對抗需要，以完成一定作戰任務為目的，由在功能和作用上相互聯繫與制約、互為補充的各類武器裝備所構成的一個整體。從系統論的角度看，武器裝備體系是一類典型的複雜巨系統，既具有複雜巨系統的一般特徵，如複雜性、湧現性、自適應性等，也具有其特有的特徵，如層次性、對抗性、開放性等。開展武器裝備體系研究，既要根據複雜巨系統理論方法把握其一般的研究方法，也要針對其獨特的應用領域和研究目的，創新研究的理論、方法和工具，提升研究的針對性、有效性。
開展武器裝備體系的研究，總體上需要研究其體系結構及其演化過程，分析體系結構的變化對體系整體行為的影響，還要研究體系在對抗過程中的能力和效能，分析評估體系的薄弱環節或短板。作為一個特定軍事領域的複雜巨系統，這些問題的研究十分複雜，不僅缺乏可借鑒的理論方法，在實踐中還涉及武器裝備的種類、部署規模、作戰編組、戰術使用，以及相互支撐、相互制約的複雜關係。
近十多年來，學術界十分重視武器裝備體系研究方法的探索，取得了許多成果。開展武器裝備體系研究的方法大體上可以分為兩大類：一類是從體系設計開發的角度開展研究，典型的方法有美國國防部公佈的“國防部體系結構框架”，提出了體系結構開發頂層的、系統的框架和概念模型，主要用於體系結構開發、使用和維護，為體系結構全壽命週期各階段提供指南、原則、方法和技術，以支撐跨領域、跨部門、跨層級決策支持過程；另一類是從體系分析評估的角度開展研究，重點關注武器裝備體系在特定作戰環境下體系對抗中的能力和效能，以此評估武器裝備體系完成作戰任務的程度，通常採用建模仿真、解析計算、數據分析等一系列方法。
武器裝備體系分析與評估的難點在於如何從整體上對體系的能力和效能進行分析評價。從系統論的角度看，體系的整體性難以通過獨立分析其各部分的行為來確定,也不能在有限資源條件下對其整體行為進行大尺度的預測。解析計算、數據分析等方法，只能通過對體系進行簡化與抽象找出各部分之間的相互關係，建立模型或對數據進行分析，難以反映體系的實際運行過程；建模仿真方法能夠解決用解析方法、數據分析難以解決的十分複雜的問題，可以反映體系的動態過程。但是，仿真模型的檢驗、校核比較困難。對於一個具體的、小規模的、具備實際運行條件的實體，可以通過實際運行獲取的數據來檢驗、校核模型。對於不能實際運行的實體，模型的檢驗、校核就缺乏有效的手段。而武器裝備體系作為作戰體系的核心，進行實際的作戰對抗幾乎是不可能的，加上現代戰爭的信息域和社會域的作用，使評估工作更加複雜困難，因此如何採用建模仿真的方法分析評估武器裝備體系就成為

目 錄
第1章 體系與體系計算實驗 1
1.1 體系與體系論證 2
1.1.1 體系 2
1.1.2 武器裝備體系 3
1.1.3 裝備體系效能評估 4
1.2 一個計算實驗示例 5
1.3 武器裝備體系論證的計算實驗需求 9
1.3.1 計算實驗方法 9
1.3.2 體系計算實驗面臨的挑戰 10
1.3.3 體系計算實驗的認識 12
1.4 面向複雜系統研究的計算實驗方法 14
1.4.1 基於數據的計算實驗 14
1.4.2 基於方程的計算實驗 14
1.4.3 基於仿真的計算實驗 15
1.5 面向體系的計算實驗 17
1.5.1 基於數據的體系計算實驗 17
1.5.2 基於方程的體系計算實驗 18
1.5.3 基於仿真的體系計算實驗 18
1.5.4 面向體系的計算實驗應用 19
1.6 基於仿真的體系計算實驗應用 20
1.6.1 傳統的體系仿真方法 20
1.6.2 面向訓練的體系對抗仿真 21
1.6.3 面向網絡中心戰的體系仿真分析 21
1.7 本書的內容和組織 25
第2章 基於ABMS的體系計算實驗方法 26
2.1 基於Agent的建模與仿真 27
2.1.1 Agent概念 27
2.1.2 Agent仿真的特點與應用 29
2.2 基於ABMS的模型設計方法 31
2.3 ABMS與體系仿真 33
2.4 ABMS仿真開發過程 34
2.4.1 ABMS開發過程 35
2.4.2 ABMS使用過程 36
2.5 基於ABMS的體系效能仿真開發與應用過程 37
2.5.1 體系效能仿真開發過程 38
2.5.2 體系效能仿真應用過程 40
2.6 基於ABMS的體系計算實驗框架 42
2.6.1 體系架構定義 43
2.6.2 仿真想定設計 43
2.6.3 體系實驗設計 43
2.6.4 數據收集和整理 44
2.6.5 Agent體系仿真模型開發 45
2.6.6 仿真模型測試與驗證 46
2.6.7 體系仿真計算 46
2.6.8 計算數據整合 47
2.6.9 體系實驗分析 47
第3章 可組合的體系仿真模型框架 49
3.1 模型框架概述 50
3.1.1 Agent層次結構 50
3.1.2 螞蟻Agent與SEASAgent 50
3.1.3 Agent類型 51
3.1.4 Agent自述 52
3.1.5 Agent結構 53
3.1.6 Agent分形網絡結構 55
3.2 作戰實體Agent 56
3.2.1 對象層次 56
3.2.2 作戰單元Unit 57
3.2.3 地面實體Vehicle 59
3.2.4 空中實體Plane 61
3.2.5 空間實體Satellite 63
3.3 裝備對象Device 64
3.3.1 通信設備 65
3.3.2 傳感器 68
3.3.3 武器系統 71
3.4 戰場環境對象 76
3.5 Agent行為表示 77
3.5.1 行為建模方法比較 78
3.5.2 基於進程交互仿真的TPL腳本 79
3.5.3 行為原語 79
3.6 基於ABMS的體系模型組合規範 81
第4章 基於進程的Agent體系仿真 84
4.1 進程交互仿真及實現方法 85
4.1.1 進程交互仿真 85
4.1.2 進程交互仿真的實現方法 86
4.1.3 基於進程例程的進程交互仿真 87
4.2 基於進程仿真的ABMS仿真調度策略 92
4.2.1 Agent模型架構 92
4.2.2 基於進程仿真的Agent調度方法 94
4.2.3 Agent狀態更新 94
4.3 基於ABMS的體系仿真模型框架 95
4.3.1 仿真模型框架組成 95
4.3.2 基於進程的體系仿真模型調度 97
4.3.3 作戰實體的狀態更新 98
4.3.4 相關算法 99
4.4 決策行為進程 101
4.4.1 基本腳本的決策行為進程 102
4.4.2 無延遲操作和延遲操作 103
4.5 體系效能分析仿真平臺原型 103
4.5.1 系統組成 103
4.5.2 系統啟動 104
4.5.3 仿真想定模型 105
4.5.4 仿真運行 105
4.5.5 體系效能分析仿真應用開發過程 107
4.6 仿真示例 110
4.6.1 問題背景與想定 110
4.6.2 仿真想定 110
4.6.3 Agent仿真模型開發 111
4.6.4 仿真結果分析 119
4.6.5 ISR的影響分析 119
第5章 近正交拉丁超立方實驗設計 123
5.1 典型實驗設計方法 124
5.2 面向大規模影響因素的實驗設計 127
5.2.1 仿真模型的數學描述 127
5.2.2 均勻設計 128
5.2.3 正交拉丁超立方矩陣 129
5.3 近正交拉丁超立方實驗設計 132
5.3.1 改進正交拉丁超立方矩陣及評價準則 132
5.3.2　改善近正交拉丁超立方矩陣的正交性 137
5.3.3　近正交拉丁超立方實驗設計算法 138
5.4 構建近正交拉丁超立方矩陣 140
5.4.1　變量數為2～7的NOLH矩陣 140
5.4.2　變量數為8～10的NOLH矩陣 144
5.4.3　變量數為12～15的NOLH矩陣 146
5.4.4　變量數為17～22的NOLH矩陣 148
5.4.5　構造二次實驗 151
5.5 算法驗證 154
5.5.1 近似正交矩陣 第一次實驗的回歸分析 154
5.5.2 正交矩陣 的實驗回歸分析 155
5.5.3 近似正交矩陣 的第二次實驗的回歸分析 157
5.5.4 實驗 158
第6章 基於決策樹的體系計算實驗分析 160
6.1 研究現狀 161
6.2 決策樹算法基礎 162
6.2.1 決策樹生成 162
6.2.2 決策樹剪枝 163
6.2.3 經典決策樹算法 164
6.2.4 模糊集和粗糙集概念 166
6.3 基於模糊集的分類回歸樹算法 169
6.3.1 基於模糊集的CART算法 169
6.3.2 基於模糊集的加權CART算法 172
6.4 基於粗糙集的多變量決策樹算法 174
6.4.1 多變量決策樹算法概述 174
6.4.2 基於粗糙集的加權多變量決策樹算法 177
6.5 算法性能分析與實驗驗證 178
6.6 相關工具介紹 180
6.6.1 JMP 180
6.6.2 SPSS軟件 181
6.6.3 R語言 182
第7章 航母無人艦載機作戰效能分析 185
7.1 研究背景 186
7.2 想定、模型和數據 187
7.2.1 使命想定 187
7.2.2 建模仿真需求 189
7.2.3 數據來源、模型抽象和假設 192
7.3 實驗設計 193
7.3.1 可控因子 193
7.3.2 不可控因子 194
7.3.3 實驗設計方案 195
7.4 Agent仿真模型開發 196
7.4.1 仿真時間 196
7.4.2 作戰組織 197
7.4.3 設備對象 197
7.4.4 環境對象 199
7.4.5 Agent對象 199
7.4.6 交互數據 200
7.4.7 仿真運行初始化與結束處理 201
7.4.8 實體行為模型 209
7.4.9 仿真模型測試 214
7.5 問題分析 215
7.5.1 數據整合 215
7.5.2 數據分析 217
7.5.3 結論和建議 226
7.6 研究展望 227
7.6.1 研究結果對比 227
7.6.2 其他NUCAS想定 227
附錄A 縮略語匯總 229
參考文獻 233