基于Agent的建模与仿真设计模式及软件框架

V ol. 17 No. 4 系统仿真学报

Apr. 2005

JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION·863·基于Agent的建模与仿真设计模式及软件框架

廖守亿, 戴金海

(国防科技大学航天与材料工程学院, 湖南长沙 410073)

摘要:提出了一种基于Agent的建模与仿真设计模式——ABMS设计模式，阐述了ABMS设计模式的主要内容。该模式的提出有利于在建模与仿真领域以及软件开发界之间建立关于ABMS的对话联系与交流。然后设计了一种包含仿真服务模型和Agent仿真模型的ABMS分布仿真软件框架，该框架将最大限度实现仿真重用，并将支持大规模的基于Agent的复杂系统的分布仿真，包括军事对抗以及空间作战系统的仿真。该框架部分借鉴了HLA的思想，其中的ServerAgent提供底层的通用仿真服务。

关键词: 复杂系统；设计模式；软件框架；基于Agent的建模与仿真

文章编号：1004-731X (2005) 04-0863-04 中图分类号: TP391.9 文献标识码：A

Design Pattern and Software Framework for Agent-Based Modeling and Simulation

LIAO Shou-yi, DAI Jin-hai

(College of Aerospace and Material Engineering, National University of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China) Abstract: An Agent-Based Modeling and Simulation design pattern, ABMS design pattern, is proposed creatively. The ABMS design pattern will be helpful to build dialogue and communications between the domain of modeling and simulation and software development community. Based on the ABMS design pattern, a distributed simulation software framework for ABMS called ABDSF, including agent simulation service model (ServerAgent) and agent simulation model (ASM), is proposed. The framework uses HLA for reference. With this framework, one can share the models and simulation technologies, improve the reusability and interoperability of the models. And we can also conduct large-scale agent-based simulation for complex systems, including military systems and space operations under the framework.

Keywords: complex systems; design pattern; software framework; agent-based modeling and simulation (ABMS)

引言

复杂系统和关于复杂性的研究近几年来成为系统科学、计算机科学等领域的研究热点，复杂性科学更被称为“21世纪的科学”。为了解决复杂性问题，人们提出了各种解决办法，例如钱学森先生提出的“从定性到定量的综合集成研讨厅”体系，复杂适应系统理论倡导的“基于Agent的建模与仿真(Agent-Based Modeling and Simulation , ABMS)”方法学等。当前的基于还原论的建模方法难以解决复杂性问题[1]。复杂性问题的解决，只能采用基于本体论的建模方法，例如ABMS就是这样一种方法。ABMS在不同的学科领域得到了广泛的应用，包括在人工生命系统、社会系统、经济系统、军事对抗等方面的应用。例如美国国防部(DoD)认为复杂性科学及基于复杂性的建模与仿真[2]有助于解决C4ISR 的开发问题，可以使得C4ISR真正在战场中起作用，使得美军在未来战争中具有对信息的全方位、瞬时的获取能力；美国的海军战场研发司令部NWDC(Navy Warfare Development Command)与Argonne国家实验室的复杂适应系统仿真中心开展合作，共同开发TSUNAMI(The Tactical

收稿日期:2004-03-12 修回日期：2004-09-04

基金项目:武器装备预研基金项目(51420010303KG0109)

作者简介：廖守亿(1974-), 男, 重庆人, 博士生, 研究方向为飞行器设计与先期技术演证, 复杂系统建模与仿真; 戴金海(1943-), 男, 河北昌黎人, 教授, 博导, 研究方向为飞行器设计, 虚拟飞行试验, 系统建模与仿真, 实时系统与计算机控制, 产品数据管理(PDM)及企业信息化。and Ubiquitous Network Agent-Modeling Initiative)，利用ABMS方法来对虚拟战场仿真中出现的关键问题进行研究[3]。现今愈演愈烈的空间对抗(太空作战，也称天战)，显然要比一般的军事对抗复杂得多，对天战的建模与仿真，同样需要先进的建模与仿真技术的支持，而ABMS将是首选[4]。

ABMS作为一种新的建模仿真技术和仿真方法学，目前的研究还远远不够，已有的研究工作还显得比较零散，尚未形成一个完备的体系，还没有一个支持ABMS的通用软件框架。针对这这些情况，本文提出一种ABMS设计模式(也可以说是ABMS方法学)，这将有利于系统研究ABMS的相关问题。然后提出一种ABMS的通用分布仿真软件框架，在此框架下，将有助于对复杂系统进行基于Agent的仿真，提高建模与仿真软件的通用性、可重用性，同时可实现仿真模型的智能特征，特别是支持军事对抗仿真以及对空间作战系统的仿真[4]。

1 设计模式

1.1 模式

模式是一个高度抽象的概念，它最先由Alexander在其经典著作[5]中提出。模式分为三部分：语境(Context)，指模式在何种状况下起作用；动机(Forces)，指问题或预期的目标；解决方案(Solution)，指平衡各动机或解决所阐述问题的一个构造或配置(Configuration)。他指出，模式是表示语境、动机、解决方案三个方面关系的一个规则。模式描述了在一