1、第二部分建模与仿真方法 255空间信息系统复杂性分析与研究思路廖守亿1 。陈 坚1 陆宏伟2(I第二炮兵工程学院陕17ti，西安7l25；2北京信息商技术研究所，北京。l00085)，P摘要：空间信息系统是一个典型的复杂系统，复杂性是其本质属性首先对空间信息系统的复杂性进行了分析，指出空间信息系统具有开放性非线性，动态性、多尺度性、有序性和自组织性、随机性与不确定性、层次性与高维性等复杂系统的特点在此基础上，提出了空间信息系统的研究思路，即在复杂系统与复杂性的理论指导下，采用复杂系统的建模与仿真方法来研究空间信息系统最后介绍了作者正在进行的基于Agent的空间信息系统建模与仿真方面的工作关键词
2、：复杂系统；复杂性；空问信息系统；基于Agt的建模与仿真中图分类号：TP39I9The Complexity Analysis and Research Frameworkof Space Information SystemLlao sho优y哥 Chen Jta一乙仇H0ngwe子(111le second Anillery EIlginring CoIlegexian，Shanxi7l0025；2BeUing IIlf0兀TIation a11d High 1缸hnology Rearch IIlstitutc，Bcijing100085)Abstr丑ct：Space inf0舢acio
3、n syscem(SlS)js aypical complex system，And complexity is the essential propefy of SISFirsJychecomplexities of SIS were anaIyzedIt w弱pointcd out tllat山e SIS has the featurcs such鹪openness，nonline撕ty，dyIl删c。muIti-scaIeo日er卸d self-o曙帅ization，stochastic and unce嘣ntyhierarchy and muIti-dimensionB勰cd on t
4、tle complexities 0f SIS。tIIe memodology for it，that is using the modelling帅d simulation method to research under the theories 0f complex system锄dcompIexityw器put fonardFinallyour current佗search works on agentb私ed modelIing锄d simuIation for SIS，are introduccdKeywor由l Complex Systcm；CompIexity；Space In
5、fo咖ation System；Agent-b鸹酣Modelling锄d Simulation(ABMS)1 引言2l世纪是人类全面走向信息化的世纪，而信息化的关键是空问信息化。随着各国对窄问信息的需求和依赖不断加深，空间力量和空间信息资源的战略性地位正日益被人们所接受。在“谁掌握窄间，谁就拥有了未来”的观念驱使下，世界各航天大国围绕空问信息优势的争夺越来越激烈，空间信息优势已成为21世纪世界大国和地区强国竟相追逐、抢占的战略制高点【II。 -t根据空问系统发展的现状，各航天大国先后都提出作者简介；廖守亿(1974)：男，重庆人讲师博十。从事飞行器系统建模与仿真复杂系统建模与仿真等方面的研究；
6、豫坚(1969_)：男湖北赤壁人副教授博l：从事导航、制导与控制厅嘶的研究：陆宏伟(1975：男。山西人助理研究员。博士从事蹦像处理计算机仿真方面的研究了宅问对抗、空问信息系统的概念，并在此基础上大力发展其核心系统空间信息系统。空间信息系统是由高、中、低轨道上带有多种有效载荷的各类航天器、地面信息网络(含测控网络)和应用系统组成的、通过通信链路实现无缝链接，实现对陆、海、空基信息系统的综合集成与提升，形成具有信息获取、信息融合处理、信息传输与分发和信息攻防对抗等功能的天、空、地智能一体化分布式信息系统。我们认为，空间信息系统是在空间上分布、具有明显时空复杂性的开放的系统，系统内航天器与航天器之
7、间、航天器与空问环境以及地面环境之间，存在物质、能量和信息的交互，且以“流”的形式(如物质流、能量流、信息流)贯穿其间，既维系系统与环境的关系，又维系系统内部各要素的关系，形成一个动态的、成等级的和分层次的开放系统，具有复杂系统的明256 暴统仿真技术及其应用第9卷显特征。窄问信息系统作为获取、融合、分发和处理宅问信息和资源的主要手段和途径，在侦察监视、环境和灾害监测、资源探测、导弹预警、导航定位、广播通信、空间防御与对抗等方血，具有特殊的功能及作用，发展空日J信息系统具有重要的战略意义。而建立IF确的系统观、整体观是空问信息系统复杂性研究的雄础。空间信息系统复杂性研究的核心问题和关键步骤就是
8、如何应用复杂系统的理论方法，建立守M信息系统的科学模型，包括数理模型、行为模型以及仿真模型。因此，如何在复杂系统理论的指导下，应用研究复朵系统的方法论，对空间信息系统进行综合研究是目前航天领域研究的迫切课题，也是目前军事航天领域的前沿领域。系统科学、非线性科学以及复杂性科学等复杂系统的理论和方法的迅速发展，为审问信息系统的研究提供了新的契机。2空间信息系统的复杂性分析窄问信息系统在木质上具有复杂性，其复杂性集中体现在它是一个具有强的时卒特件的统体，并日雄于此系统的审问对抗还具有比地断作战更为复杂的笮参对抗特征。一般说来，窄fuJ信息系统具有以下特征。(1)开放性空l日Jf高息系统首先是个Jl：
9、放系统，它与外界环境不断发生着物质、能量、信息的交换，这是l审lj信息系统复杂性的筚本条件。例如，新的航天器的发射入轨、航天器脱离守HJ环境返I口I地面、航天器之日J以及航天器与地面站之问的通信、地曲站或指挥控制中心对航天器的指挥与控制等行为，都是物质、能量与信息交换的表现形式。系统的肝放性必然造成影响系统运动的因素的增加，系统运动变量的增加也客观上形成了系统的复杂性。空间信息系统的开放性是审问系统复杂性的必要和基本条件。由于系统的开放性，很多时候小能用牛顿力学的分析方法来分析卒问系统的运动规律。企图用机械论的方法去认识它们。是注定要失败的，必须采用复杂系统的理论去深入分析。总之，空间信息系统
10、的开放性是牢问信息系统的l古I有特征，又是形成窄fuJ信息系统复杂性的基本条件。(2)非线性非线性是窄问信息系统的核心特征，也是造成空间信息系统复杂性的根本原因。空间信息系统是一个典型的复杂非线性系统，其中各个要素或予系统中存在着非线性的相互作用，它们之间的函数关系大多是非线性的，而且航天器运行的轨道动力学方程本身也是非线性的。另外，系统中包含大量的非线性交互行为，比如空间作战指挥控制中的反馈、指挥决策过程以及作战过程中的偶然因素等，使得系统总体行为旱现强的非线性和不可计算特性。总之，空间信息系统的非线性是普遍存在的。非线性一方俩使远离平衡态的系统形成有序结构，同时也使得系统的演化具有多样性和
11、fi确定性，非线性特征决定了窄间信息系统的是一个复杂系统。(3)动态性窄IuJ信息系统中的航天器无时不处在高速运动变化中，其，宅uJ拓扑结构随时问动态变化。航天器之日j的距离关系也是动态的，航天器之问的格斗(如反卫、字问监视、电了攻击等)以及信息传输将由于它们之问的动态时空关系经常变化而复杂化。(4)多尺度性审问信息系统的多尺度性包括时问的多尺度性和空口J的多尺度性。一方面，空问信息系统具有很大的时空跨度，从窄Iuj上讲，审问系统可以大到整个地球表层，小到卫星的成像分辨率，例如分米的量级：从时问上讲，空问信息系统的运动有可能是几年甚牟是几十年，也可能是几个小时或几分几秒，特别是卫星的运行速度很
12、快，一般在几千米秒的量级，使得在卫星的控制以及有效载荷的j卒制时uJ精确度上要求很高。有时需要达到毫秒级。兄一方面，宅IuJ信息系统内部的元素和予系统往往具有时卒尺度的差异性。卒juJ信息系统的多时审尺度性使得窄fuJ模型的刚卒比例尺选取上的困难，在客观上造成了守问信息系统的复杂性。(5)有序性与白组织性卒fUJ信息系统4i仅在守问上表现出有序性，如卫星星座、卫星编队保持定的空问构型，而且在时间上也表现出剧期性、节律性等时问有序性。例如卫星对地嘶的覆盖总是有j；!l!律的，地血i用，-访问卫星总是存在周期的；p星、卫星星座、卫星编队总是能保持自己在空I日】中的预期轨道和相对位置以及空问构型，一
13、旦偏离了预定的轨道或窄问构型遭到破坏，就可通过轨道机动或构型变换、恢复技术恢复到预期的位置。特别是肖卫星的控制技术发展到自主控制、智能控制阶段后，这一一点就更加明昆。空问信息系统的有序性同时也说明了空间信息系统有其嘲有的规律性。 。(6)随机性与不确定性空fHJ信息系统是一个不确定性的系统，造成空问信息系统小确定性的原因有两方面。一方面，空问信息系统中航天器的运行受各种随机冈素的扰动(如各种轨道摄动，包括大气摄动、三体摄动、非球形摄动、潮汐摄动、太阳光压摄动等摄动的影响)，从而造成了空口J信息系统运动发展的不确定性。同时我们应当看到，这种随机性并不是完全的随机，而是在规律性基础上的扰动，并不能
14、因此腼否认空问系统的规律性，而得出空问信息系统第二部分建模与仿真方法 257的fi町预测忡甚伞是小r，J知的错误结沦。j方呵，审问信息系统足。个非线。n系统，我仃J无法精确的o；出它的动力学力+程，但即使我1fJ口，以得出这样的个确定性方程，它的运动也是小确定的混沌行为。同样混沌小是“混乱”，不能冈此埘否认字M信息系统的规律性。相反，混沌是我们认识窄fuJ信息系统复杂规律性的有效T具之一。总之，审问信息系统是个既非完伞随机、毫无j|!I!律的朵乩系统，又非完令确定的系统，它是。个随机性与规律性、确定性与非确定性共存的4个复杂系统。(7)层次性与高维性空问信息系统是由系列的予系统以及予系统的予系
15、统所构成的层次性系统，也可称之为复杂的体系SoS(System of Systems)，如航天器本身由各分系统组成，多颗卫星J口T形成星座、编队或星簇系统。各个了系统都是个开放的系统，内部进行着物质、能量和信息的交流，同时参与高层次系统的外部循环。卒IuJ信息系统层次性决定了牢问信息系统运动所涉及要素的多样性，众多的系统要素又决定了它是个多变量的系统。在动力学方程中，系统状态变量的多少决定了系统的维数，因此，多变量的卒fu】系统具有高维性。 。个具有多于二个系统变量的非线性动力学系统就农现出分俞、突变、混沌等复杂行为，史何况具有几十、甚伞是成百上千个变量的窄问信息系统呢?冈此，卒IuJ信息系统
16、的高维傩或称多维性也决定了宁IuJ信息系统运动的复杂件。总之，上述窄fuJ信息系统的特征相互联系，相互支持，应用复杂系统的fi同理沦方法，从1i同侧断说明了卒日J信息系统的复杂性，可以说，复杂件是审fuJ信息系统的本质属性。3空间信息系统研究思路31研究思路复杂系统与复杂性理论二二臣二复杂熏统建模仿真方法学I竺复杂系统仿真环境I 擅巫匦墨圈瓣空问信息系统仿真运行十叶戮公譬卜=I三：空向信息系统仿真工具库图l 空问信息系统的建模j仿真研究方法复杂性是卒问信息系统的本质属性，必须采用复杂系统的理论和方法以及复杂性的处理方法来分析研究审问信息系统。研究复杂系统所采用的最终有效手段是系统仿真，而系统仿
17、真遇到的首要问题是如何对目标系统建莎模州并最终缱立jC仿真模掣从IfIi进行仿真实验。审M信息系统的复杂性刨f究思路E J【叫口J概括为：以复杂系统和复杂忡理论为指导，以复杂系统建模j仿真方法学为依抛。建立复杂系统仿真环境和审问信息系统模型，在复杂系统仿真环境的支持下，运用窄J日J信息系统仿真模型，进行卒l-日J信息系统的仿真实验，根据评价准则对仿真结果进行评估，来获取窄11日J信息系统j；!I!律性的认识，最终达到优化配霞审|uJ信息系统的目的。上述思路可用图l来表示。32基于Agent的空间信息系统建模与仿真图l给出的窄Hj信息系统的研究思路，只是一个方法沦的框架。对于具体的方法，特别是复
18、杂系统的建模与仿真方法，目前旗手Agent的建模与仿真方法是比较有效的解决办法。国内外的研究农明，已有的旗于解析模型的传统建模方式并4i能很好的刻画复杂系统，而采用坫于Agent的建模与仿真方法，通过对复杂系统中的睡本元素及其之uJ的交互的建模与仿真，町以将复杂系统的微观行为和宏观“涌现”现象有机的结合到起，是种自顶向下分析、自底向上综合的有效建模方式。目前，耩于Agent的建模与仿真方法学是最具有活力、有所突破的仿真方法学。它将复杂系统中符个仿真实体用Agent的方式思想来建模，试图通过对Agent的行为及其之fuJ的交互笑系与利：会性进行刻画，来描述复杂系统的行为。Agent的思怨存并个领
19、域研究非常广泛，以致坫十Agent的建模与仿真已经从种具体的技术方案中脱颍jnj出，成为种思维方式-成为种用卡复杂系统建模与仿真的方法论。目的旗f Agent的建模与仿真方法在人J：生命、经济学、社会学以及军事对抗等领域有着大量的研究成果。基于Agenc的建模与仿真方法(也称为复杂系统的建模与仿真方法学、琏于复杂性的建模与仿真)，它既是方法的创新，也是方法论的创新。它与传统的綮于数学模型的分析方法相比，刁i仅建模方法fi同，属于方法的更新，而日也是方法论的更新，前者是生成论的，后者是构成沦的41。 。因此，摹于Agent的窄问信息系统建模与仿真的研究思路为：以复杂系统和复朵性理沦为指导，以复杂
20、系统建模仿真方法学为依据，把空问信息系统中的各航天装备抽象成小同的Agent，建立空问信息系统仿真环境和空问信息系统仿真模型：Jj具库，在空臼J信息系统仿真环境的支持下，运用空fHJ信息系统仿真模型(Agent仿真模型)，进行窄问信息系统的仿真实验，根据评价准则对仿真结果进行评估，来获取卒问信息系统的规律性认识，最终达到优化配最窄问信息系统的目的。258 系统仿真技术及其应用第9卷目Ij我们正在对空间信息系统开展螭于Agent的建模与仿真研究，已经取得了一蝗进展和研究成果。特别是建立开发了基于Agent的建模与仿真软件框架删和基于Agent的分布仿真环境例。目前-Lf：在该仿真环境中实现空问信
21、息系统的仿真研究，相关研究内容将另文介绍。，4结束语复杂系统与复杂性是当前国内外研究的热点希J前沿领域【4】【n，是人类面临的一个崭新的认识领域。只有利用系统科学理论、非线性科学、复杂性科学才可能I列答自然界的本质问题：确定性与随机性；有序与无序：质变与量变；简单性与复杂性；偶然性与必然性；局部与整体；有限与无限等概念。空间信息系统是一个典型的复杂系统，对它的研究需要纳入到复杂系统的理论框架下。空日J系统的复杂性研究的核心和关键性问题是应用复杂系统的理论，结合空间信息系统的本质规律，采用复杂系统的建模与仿真研究方法即基于Agent的建模与仿真方法，建立卒问复杂系统的科学模型，尤其是仿真模型。
22、。参考文献【l】任吴利，李新明，栗勇兵空间信息系统仿真框架研究【J】系统仿真学报，2006，l 8(Suppl2)：365368【2】廖守亿复杂系统基于Agcnt的建模与仿真方法研究及应用【D】长沙：国防科技大学研究生院，2005【3】摩守亿，戴金海基于多Agent的天战系统建模与仿真方法研究【J】计算机仿真，2003，拟1)：182l【4】苗东升复杂性研究的现状与展望J】系统辩证学学报，200l，9(4)：39【5】廖守亿，戴金海基于Agent的建模与仿真设计模式及软件框架【J】系统仿真学报，2005，17(4)：863866【6】廖守亿，戴金海基于Agent的分布仿真中的通信系统设计与实现【J】系统仿真学报，2006，18(4)：100昏1009【7】于景元，刘毅，马吕超关于复杂性研究【J】系统仿真学报，2002，14(11)：14171424
