虚拟群体组织协同行为建模方法研究

论文摘要

虚拟群体组织协同行为建模技术所研究的是虚拟环境中虚拟群体组织协同行为的建模理论与方法,是虚拟现实的重要技术前沿领域。无论是在大规模作战模拟训练系统中,还是在社会公共安全仿真系统和网络对抗游戏中,都需要大量的虚拟实体参入（已高达10万以上）,而且大部分虚拟实体行为,需要用计算机模型来实现。由于大规模虚拟实体之间既有复杂的组织指挥关系,又有高级的智能协同行为和自主行为,使得大规模虚拟实体行为建模技术复杂性非常高,技术难度很大。已有的群体组织协同行为建模方法可分为两类:一类是以单个虚拟实体行为为中心的自底向上的行为建模方法,这类方法注重描述单个虚拟实体的环境感知和交互,基于个体行为构建组织行为,没有独立的组织协同行为模型,可重用性和可扩展性较差。另一类是以组织协同行为为中心的自顶向下的行为建模方法,这类方法注重描述群体的组织关系和协同行为,可以克服以个体行为为中心的行为建模方法的不足,是群体行为建模技术的发展趋势。已有的以组织协同行为为中心的虚拟群体组织协同行为建模方法大都针对社会机构建立,采用合同和惯例语义描述群体组织协同行为,用以描述虚拟战场环境中的兵力组织协同行为,语义不够自然、确切,使用不方便,难以满足应用需求。本论文主要面向大规模作战模拟训练的实际应用需求,研究新的虚拟群体兵力组织协同行为描述理论和描述模型、模型验证方法、模型工程设计方法,研究支持虚拟群体组织协同行为模型的行为仿真平台的构建技术等。所完成的主要工作和取得的主要创新性成果有:（1）建立了一种用于描述虚拟群体组织协同行为的任务交互关系和协同行为规划的描述理论---描述任务逻辑。该逻辑系统将描述逻辑中的知识表示结构和任务逻辑所使用的任务语义结合,表达能力强。既能简洁而准确地描述虚拟群体组织指挥关系的任务交互语义,又能提供任务可完成性和任务执行策略正确性的可判定的推理服务。（2）给出了基于描述任务逻辑的虚拟群体组织协同行为模型OCbrem及其对该模型进行验证的方法。OCbrem使用描述任务逻辑描述组织内角色之间的任务交互关系、协同行为规划,具有完整的、基于描述任务逻辑的形式化语义。在OCbrem的组织模型中,具有旨在描述实体间任务交互关系的交互结构和旨在描述群体协同行为规划的功能结构,两者相互引用,可以实现组织协同行为的逐层细化。给出了一个将组织协同行为模型转化为任务规划推理的算法,可以方便地对OCbrem模型的正确性和完备性进行验证。（3）根据开发虚拟群体兵力组织协同行为模型的实践,研究提出了一个基于OCbrem进行虚拟群体组织协同行为建模的工程方法TPPOM。TPPOM将虚拟群体组织协同行为模型的建立过程分为两个阶段:初步分析阶段和模型抽象阶段,每个阶段又分为三个步骤或层次。初步分析阶段以任务分解为牵引,通过任务分解、交互设计和行为确定三个有机结合的步骤,实现对组织协同行为过程的初步设计。模型抽象阶段在初步分析阶段得到的协同行为过程的基础上,进行进一步的分析和抽象,通过结构、元素和关系三个层次的设计,建立组织协同行为模型。使用结果表明,该工程方法可以有效地指导虚拟群体组织协同行为模型的设计。（4）研究提出了一种支持组织协同行为描述的虚拟实体行为仿真平台系统结构FLASOC。FLASOC将虚拟实体的认知功能划分为基本功能和组织协同行为决策功能,实现了实体模型和组织协同行为模型的融合,使用模型信息队列实现了组织协同行为仿真系统中各类模型的信息管理和对仿真应用的灵活定制,可实现基于面向服务的架构SOA的仿真资源共享。（5）设计了一个战场实体组织协同行为建摸语言CBML,并实现了一个支持组织协同关系描述的虚拟战场实体行为建模与仿真支持系统原型OCBMSS。基于OCBMSS用户可以方便地开发自己的虚拟群体组织协同行为仿真系统。将OCBMSS用于战场实体行为仿真系统开发,显示出方便、高效的特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟现实和行为建模
• 1.1.1 虚拟现实
• 1.1.2 行为建模
• 1.2 虚拟群体组织协同行为建模问题和关键技术需求
• 1.2.1 虚拟群体组织协同行为建模问题
• 1.2.2 虚拟群体组织协同行为建模关键技术需求
• 1.3 虚拟群体行为建模问题研究现状
• 1.3.1 计算机动画领域中的虚拟群体行为建模方法
• 1.3.2 人工智能领域中的虚拟群体行为建模方法
• 1.3.3 军事仿真领域中的虚拟群体行为建模方法
• 1.4 本文所做的工作
• 1.4.1 项目来源
• 1.4.2 本文所做的工作和主要创新点
• 1.5 本文的结构
• 第二章 描述任务逻辑
• 2.1 描述任务逻辑的语法和语义
• 2.1.1 描述任务逻辑的语法
• 2.1.2 描述任务逻辑的语义
• 2.2 描述任务逻辑的语构理论
• 2.2.1 简单任务的可完成性判定方法
• 2.2.2 任务的可完成性判定方法
• 2.3 使用描述任务逻辑进行虚拟实体交互关系描述和实体能力推理
• 2.4 小结
• 第三章 虚拟群体组织协同行为模型OCbrem
• 3.1 预备知识
• 3.1.1 任务过程和任务过程规划
• 3.1.2 水面舰艇编队协同作战行为知识
• 3.2 虚拟实体组织协同行为生成框架
• 3.3 知识模型
• 3.3.1 通讯结构
• 3.3.2 规范结构
• 3.4 组织模型
• 3.4.1 交互结构
• 3.4.2 功能结构
• 3.4.3 组织模型与知识模型元素之间的功能关系
• 3.5 任命模型
• 3.5.1 任命模型的作用和地位
• 3.5.2 任命模型的组成
• 3.6 交互模型
• 3.6.1 交互模型的作用和地位
• 3.6.2 交互模型的组成
• 3.6.3 交互模型和组织模型元素之间功能上的关系
• 3.7 小结
• 第四章 OCbrem的形式化描述
• 4.1 任务描述语言
• 4.1.1 标识符和名字集合
• 4.1.2 概念描述
• 4.1.3 任务描述语言
• 4.2 OCbrem 的形式化描述
• 4.2.1 通讯行为和规范表示语言
• 4.2.2 组织模型
• 4.2.3 任命模型
• 4.2.4 交互模型
• 4.3 组织协同行为模型的执行语义
• 4.4 OCBrem 的语法
• 4.5 小结
• 第五章 虚拟群体组织协同行为模型验证
• 5.1 任务规划的有关概念
• 5.1.1 任务规划的表示
• 5.1.2 任务规划的验证问题
• 5.2 任务规划的验证方法
• 5.2.1 任务规划的单实体验证
• 5.2.2 协同行为规划的整体验证
• 5.3 组织协同行为模型的验证
• 5.3.1 对角色进化关系和角色规范的处理
• 5.3.2 目标任务规划的生成
• 5.4 OCbrem 模型验证方法的应用
• 5.4.1 用于模型的完备性检查
• 5.4.2 用于组织协同行为的决策
• 5.5 小结
• 第六章 组织协同行为建模工程方法TPPOM
• 6.1 建模工程方法需求
• 6.2 研究现状
• 6.3 组织协同行为模型建模方法TPPOM
• 6.3.1 TPPOM 的基本结构
• 6.3.2 初步设计
• 6.3.3 模型的抽象
• 6.4 小结
• 第七章 虚拟实体组织协同行为仿真系统结构设计
• 7.1 可定制的虚拟群体组织协同行为建模框架
• 7.1.1 组织协同行为仿真系统结构
• 7.1.2 虚拟实体认知模型结构和对实体认知功能的构建
• 7.1.3 战场实体行为仿真系统开发和定制
• 7.2 基于SOA 的行为仿真资源共享的实现
• 7.2.1 仿真资源本体
• 7.2.2 基于SOA 的分布式仿真系统构造和运行
• 7.3 方法分析
• 7.4 小结
• 第八章 战场实体组织协同行为建模与仿真支持系统原型
• 8.1 OCBMSS 的体系结构
• 8.2 内核
• 8.3 模型开发工具
• 8.3.1 装备模型和环境模型开发
• 8.3.2 认知模型开发
• 8.4 场景编辑工具
• 8.5 组织协同行为建模语言CBML
• 8.6 应用实例介绍
• 8.6.1 想定介绍
• 8.6.2 兵力组织与协同关系描述
• 8.7 小结
• 结束语
• （一）对本文工作的总结
• （二）需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 水面舰艇编队组织协同行为模型中的任务符号和组织模型中的交互结构和功能结构