孫光明 王大志
(1.海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所 大連 116018)(2.91550部隊第220所 大連 116026)
SUN Guangming1 WANG Dazhi2
(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian 116026)
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海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)仿真模型體系研究*
孫光明1王大志2
(1.海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所大連116018)(2.91550部隊第220所大連116026)
分析了海上作戰(zhàn)仿真模型的分類。給出了構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真模型體系的分階段建模方法。提出了基于構(gòu)件思想的海上作戰(zhàn)仿真模型體系建設(shè)思路,并給出了模型庫的設(shè)計與實現(xiàn)方法。
海上作戰(zhàn)仿真; 模型體系; 分階段建模; 參數(shù)化建模
SUN Guangming1WANG Dazhi2
(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian116026)
Class NumberTP391
隨著海軍裝備信息化建設(shè)工作的不斷發(fā)展和作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)在部隊日常訓(xùn)練中的深入使用,部隊對作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)提出了新的要求,不僅要求系統(tǒng)輔助其解決“干什么”和“怎么干”的問題,還要解決“這樣干,行不行”的問題。要求建立一套面向海上作戰(zhàn)戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)層面的作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)[1],使得編隊作戰(zhàn)方案擬制完成后,可立即進(jìn)行推演和評估,進(jìn)而輔助檢驗作戰(zhàn)方案的可行性。
現(xiàn)代高技術(shù)條件下的海戰(zhàn),是敵我雙方海上多種作戰(zhàn)平臺在海、陸、空、天、電五維一體的空間展開的攻防體系對抗,具有參戰(zhàn)力量多元,戰(zhàn)場空間多維,作戰(zhàn)手段多樣,戰(zhàn)場態(tài)勢多變等特點。海上作戰(zhàn)過程中涉及的兵力類型、武器裝備類型數(shù)量繁多,彼此間交互關(guān)系復(fù)雜,這些都給對海上作戰(zhàn)仿真帶來了很大難度。同時,由于海上作戰(zhàn)時效性強,推演準(zhǔn)備和運行時間短等約束條件,推演過程中不可能依靠人工方式指揮每個仿真實體進(jìn)行具體的行動,只能利用具有人工智能的CGF兵力實體來模擬戰(zhàn)場各級指揮員的決策和指揮過程。因此建立何種范圍、何種粒度的海上作戰(zhàn)模型體系是海上作戰(zhàn)仿真推演的最基本問題。
2.1海上作戰(zhàn)仿真
海上作戰(zhàn)仿真是對海戰(zhàn)場環(huán)境、敵我雙方海上作戰(zhàn)平臺、武備系統(tǒng)以及指揮決策過程和交戰(zhàn)對抗過程的仿真模擬。作戰(zhàn)平臺包括可移動平臺(水面艦艇、潛艇、固定翼飛機、直升機等),和固定平臺(機場、海軍基地、雷達(dá)站、水聲站、岸炮、岸導(dǎo)等)。每種作戰(zhàn)平臺還可根據(jù)其類型和型號逐層向下細(xì)分。武備系統(tǒng)是指作戰(zhàn)平臺以外一切與作戰(zhàn)過程直接相關(guān)的設(shè)備和武器的總稱,包括硬殺傷武器(導(dǎo)彈、魚雷、火炮等)、軟殺傷武器(有源和無源電子戰(zhàn)設(shè)備等)、通信系統(tǒng)、偵察探測系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)等。作戰(zhàn)過程是作戰(zhàn)平臺和武備系統(tǒng)在雙方指揮系統(tǒng)統(tǒng)一指揮下的作戰(zhàn)使用過程,由搜索跟蹤、情報處理、指揮決策、攻擊、防御等部分組成。海上作戰(zhàn)仿真主要是對作戰(zhàn)過程的仿真,包括傳感器探測過程的仿真、情報處理過程的仿真、指揮決策過程的仿真、攻擊過程的仿真、防御過程的仿真等[2]。
實現(xiàn)探測過程仿真需建立各種探測設(shè)備的仿真模型,如各種聲納模型,包括艦殼聲納、拖曳線列陣聲納、吊放聲納、魚雷報警聲納、通信聲納等的仿真模型;各種雷達(dá)模型,包括警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等的仿真模型。探測設(shè)備可以配備在不同的作戰(zhàn)平臺上,如水面艦艇、潛艇、直升機等作戰(zhàn)平臺。探測設(shè)備能感知敵方信息,如敵方作戰(zhàn)平臺、武器等信息以及海戰(zhàn)場的自然環(huán)境信息。
探測設(shè)備模型仿真運行得到的各類目標(biāo)和環(huán)境信息集中到情報處理仿真模型中進(jìn)行處理,建立各種目標(biāo)的運動航跡和運動要素,然后對目標(biāo)的威脅程度進(jìn)行判斷,為輔助指揮員決策提供幫助。
指揮決策過程仿真需建立艦艇作戰(zhàn)輔助決策模型,即戰(zhàn)術(shù)模型,包括搜索決策模型、攻擊決策模型和防御決策模型等。決策模型根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢信息進(jìn)行決策,生成決策方案,向各作戰(zhàn)平臺和武器系統(tǒng)模型下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)指令。
實現(xiàn)攻擊決策和防御決策過程的仿真需建立攻擊和防御的作戰(zhàn)過程模型以及實現(xiàn)攻擊和防御的平臺模型、武器系統(tǒng)模型以及軟硬武器毀傷模型。
作戰(zhàn)過程模型由一系列的作戰(zhàn)行動組成;平臺模型包括各種水面艦艇、潛艇、飛機平臺的模型;武器系統(tǒng)模型包括硬武器模型和軟武器模型,硬武器模型包括各類型和型號的魚雷、導(dǎo)彈、深彈、火炮等武器模型,軟武器模型包括電子對抗、水聲對抗模型等。
2.2海上作戰(zhàn)仿真模型的分類
海上作戰(zhàn)仿真涉及模型眾多,模型間關(guān)系復(fù)雜,對其進(jìn)行合理的梳理和組織是構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)模型的用途,海上作戰(zhàn)仿真模型可分為以下五大類,每一類模型還可繼續(xù)向下分解,如圖1所示。
作戰(zhàn)實體模型和作戰(zhàn)模型是海上作戰(zhàn)仿真模型體系的核心。作戰(zhàn)實體模型由實體的屬性模型和功能模型組成。實體屬性模型描述實體的特征,如平臺實體的物理尺寸等。實體功能模型,是實體所具備的物理能力(功能)的數(shù)學(xué)表示,如平臺機動能力模型、系統(tǒng)通信能力模型、傳感器探測能力模型、武器毀傷能力模型等。
圖1 海上作戰(zhàn)仿真模型分類
作戰(zhàn)模型包括指揮決策模型、作戰(zhàn)交互模型和實體運動模型。在海上作戰(zhàn)仿真推演中,各類作戰(zhàn)實體可接受各種作戰(zhàn)指揮命令,執(zhí)行相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)動作,如機動、探測、發(fā)射等。在人在回路中的推演中,這些命令可由人來下達(dá)。否則,由相應(yīng)的指揮決策模型下達(dá)。指揮決策模型感知戰(zhàn)場態(tài)勢的變化,并模擬人的決策過程,生成決策命令,并下達(dá)給仿真實體執(zhí)行。作戰(zhàn)交互模型,針對作戰(zhàn)實體間的相互作用進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并仿真其作用效果,如雷達(dá)、聲吶搜索探測,平臺間通信、武器毀傷等。實體運動模型,是某一類實體在真實環(huán)境下運動狀態(tài)和規(guī)律的數(shù)學(xué)表示,如導(dǎo)彈發(fā)射后不同階段運動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。
作戰(zhàn)實體模型和作戰(zhàn)模型組成了艦艇作戰(zhàn)仿真的主體模型,主體模型主導(dǎo)了海上作戰(zhàn)仿真過程的進(jìn)行,同時為視景模型和評估模型提供顯示和評估數(shù)據(jù)。
構(gòu)建滿足海上作戰(zhàn)仿真推演系統(tǒng)的模型體系,需要解決以下兩個問題:
1) 如何選擇和統(tǒng)一建模方法問題。由于海上作戰(zhàn)具有涉及專業(yè)領(lǐng)域繁多,不同領(lǐng)域的專業(yè)跨度大的特點。對于跨領(lǐng)域、多部門的聯(lián)合建模,必須統(tǒng)一建模方法。只有這樣才能確保建模的粒度和精確度保持一致,進(jìn)而使最終的模型體系能夠協(xié)調(diào)一致的工作。
2) 仿真模型的重用性問題。海上作戰(zhàn)仿真涉及的裝備類型型號繁多。以雷達(dá)裝備為例,包含了警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等多種類型,而每種類型的雷達(dá)還分為不同的型號,不同類型型號雷達(dá)的性能不同。如果針對每一型裝備,均分別建立仿真模型,最終將導(dǎo)致整個模型體系異常龐大,同時也不利于工程化的實施。因此,必須對海上作戰(zhàn)的模型進(jìn)行合理的歸類和抽象,最終形成通用的模型體系,提升模型的重用性。
4.1分階段建模方法
對于復(fù)雜系統(tǒng)建模,直接從被仿真系統(tǒng)抽象出可以運行的仿真模型非常困難,比較好的解決方案是分階段建模方法[2]。分階段建模方法將建模過程分為四個階段:概念模型開發(fā)階段、邏輯模型開發(fā)階段、數(shù)學(xué)模型開發(fā)階段、軟件模型開發(fā)階段,如圖2所示。
概念模型開發(fā)由領(lǐng)域?qū)<彝瓿?。概念模型是對真實世界的首次抽象,實現(xiàn)對真實世界的準(zhǔn)確和規(guī)范的描述。概念模型提供特定領(lǐng)域的概念定義,描述概念之間的關(guān)系,描述領(lǐng)域中發(fā)生的活動以及該領(lǐng)域的主要理論和基本原理等。
圖2 分階段建模過程四個階段
邏輯模型開發(fā)由技術(shù)人員配合領(lǐng)域?qū)<彝瓿?。邏輯模型以仿真實現(xiàn)為目的,對概念模型中的領(lǐng)域知識進(jìn)行歸類和進(jìn)一步抽象。概念模型面向問題域,采用自然語言進(jìn)行面向過程的描述,邏輯模型面向?qū)崿F(xiàn)域,采用形式化方法進(jìn)行面向?qū)ο蟮拿枋?。如采用UML建模語言描述邏輯模型,可用類圖和對象圖描述仿真實體,用活動圖和順序圖描述仿真實體的活動,用協(xié)作圖描述仿真實體之間的交互。
數(shù)學(xué)模型開發(fā)由領(lǐng)域?qū)<液图夹g(shù)人員共同完成。數(shù)學(xué)模型描述邏輯模型中的算法。如描述實體運動的運動模型,描述探測設(shè)備工作的探測模型(聲納模型等),描述實體之間的碰撞模型和毀傷模型等,這些模型一般都在合適的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)之上,形成標(biāo)準(zhǔn)的算法,同時規(guī)定模型使用的約束條件,設(shè)計相對通用和標(biāo)準(zhǔn)的模型接口,說明模型可以完成的功能。
軟件模型開發(fā)階段由軟件技術(shù)人員完成。軟件模型是仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案,主要包括軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計以及體系結(jié)構(gòu)中的組件的設(shè)計等。
4.2基于構(gòu)件思想的海上作戰(zhàn)仿真模型體系構(gòu)建
就國內(nèi)其它行業(yè)成功實施案例分析來看,為了在當(dāng)下的環(huán)境下更好地生存與發(fā)展,充分地利用了信息化和移動化的技術(shù)手段,并引入了先進(jìn)的JIT(準(zhǔn)時至)的管理理念,對鐵路企業(yè)審批業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)上進(jìn)行了改革性的創(chuàng)新和應(yīng)用,讓審批業(yè)務(wù)由線下操作成功的轉(zhuǎn)型到線上操作,不僅大大提高了工作的效率,同時也節(jié)約了大量的時間成本和資源的消耗,取得很好的應(yīng)用效果。具體效果體現(xiàn)在以下幾個方面:
在軟件領(lǐng)域,一種比較有效的提高軟件重用性的方法就是軟件構(gòu)件技術(shù)。軟件構(gòu)件技術(shù)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。一般認(rèn)為,軟件構(gòu)件是指語義完整、語法正確、可提供明確功能和具有可復(fù)用價值軟件單元。從程序角度理解,可以把構(gòu)件看作是有一定功能、能夠獨立工作且能同其他構(gòu)件裝配起來協(xié)一調(diào)工作的程序體。軟件構(gòu)件所具備的封裝性、接口明確性、可裝配性和可擴充性等特點極大地提高了軟件構(gòu)件的可重用性。
可以將軟件構(gòu)件的設(shè)計思想應(yīng)用于海上作戰(zhàn)仿真模型體系的構(gòu)建,以提高仿真模型的重用性[3]。其具體實施可歸納為三方面工作:
1) 在對仿真模型體系進(jìn)行系統(tǒng)性梳理的基礎(chǔ)上,自頂向下逐層細(xì)分,直至得到最小分辨率的模型。這些最小分辨率的模型需具備通用性、可重用性。它們是仿真模型庫的基礎(chǔ),更復(fù)雜的模型是基礎(chǔ)模型通過聚合或組合的方式得到。
2) 針對同一類模型,利用參數(shù)化建模的思想,分析其邏輯模型和數(shù)學(xué)模型中表征模型特征和算法特征的特征屬性集合,形成模型屬性參數(shù)表。進(jìn)而,通過設(shè)置屬性參數(shù)表為不同參數(shù)值,利用同一模型,仿真不同型號的武器裝備或仿真過程。
3) 通過裝配組合和聚合原子級模型,形成更高層次的仿真模型。
4.2.1仿真模型庫的設(shè)計與實現(xiàn)
通過對海上作戰(zhàn)仿真模型體系的分析和梳理,可按功能域歸納出以下類結(jié)構(gòu),如圖3所示。該類結(jié)構(gòu)基本了涵蓋海上作戰(zhàn)仿真的各個方面。
圖3 仿真模型類結(jié)構(gòu)圖1
以上八個子類還可分別繼續(xù)向下派生。以仿真實體類CSimEntity為例,如圖4所示,派生出陸基固定作戰(zhàn)平臺類CLandUnit和可移動作戰(zhàn)平臺類CPlatform。以陸基固定作戰(zhàn)平臺為基類,派生的子類包括:雷達(dá)站類CRadarStation、導(dǎo)彈發(fā)射陣地類CMissilePosition、軍港類CHarbor、水聲站類CSonarStation和機場類CAirport等。以可移動作戰(zhàn)平臺類為基類,派生的子類包括:水面艦艇類CWarship、潛艇類CSubmarine、固定翼飛機類CWarcraft、旋翼飛機類CHelicopter等。
每個子類還可根據(jù)需要繼續(xù)向下派生,直至最小粒度,不可再分為止。仿真模型中表征模型的模型屬性被定義為類的屬性,模型算法被定義為類的方法。其中,具有共性的屬性和方法被封裝在基類中,個性的屬性和方法被封裝在子類中。同時,還可以通過重載的方法,在子類中替換父類的方法。基于構(gòu)件思想的仿真模型庫由全部父類和子類共同組成。在上述模型類體系中,可依據(jù)是否能完整表述一類平臺、武備、行為等,將其劃分為兩部分。一部分對外不可見,另一部分對外可見??梢姷牟糠挚稍诜抡嫱蒲葜猩删唧w的仿真對象。
圖4 仿真模型類結(jié)構(gòu)圖2
通過對模型按功能域進(jìn)行抽象、劃分和逐級分解,可有效避免相同或類似功能模塊的重復(fù)設(shè)計和開發(fā),增強了模型的重用性。同時具備很強的擴展性,還可根據(jù)需要派生出新的子類,擴展已有的模型庫。此外,由于所有模型類都是通過派生得到的,也有利于定義規(guī)范統(tǒng)一的模型接口,進(jìn)而使模型之間的互聯(lián)和交互得以順利進(jìn)行。
4.2.2模型實例參數(shù)的編輯、裝配與模型實例庫的生成
通過上述方法所構(gòu)建的仿真模型庫中的每個模型均是一個通用的模型,每一個模型均仿真了一類具有共同特征和行為的仿真對象,如:導(dǎo)彈、雷達(dá)、水面艦艇平臺等。在仿真特定型號裝備、平臺時,需按照模型屬性參數(shù)表設(shè)計一組與目標(biāo)性能相符合的參數(shù)值。一個模型和一組對應(yīng)的參數(shù)值構(gòu)成了一個模型實例。另外,對于復(fù)雜的仿真對象,可通過聚合多個模型實例得到。例如:A艦艇平臺實例,B艦艇運動模型實例,C指揮決策模型實例,D雷達(dá)實例,E艦空導(dǎo)彈實例,F(xiàn)反艦導(dǎo)彈實例等共同聚合生成X型水面艦艇兵力實例。所有仿真模型實例共同組成了仿真實例庫。
在進(jìn)行海上作戰(zhàn)仿真推演時,首先根據(jù)想定中涉及的兵力類型型號,在模型實例庫中檢索相應(yīng)的模型實例。之后再根據(jù)模型實例參數(shù),生成相應(yīng)的仿真實體。
目前,文中提到的海上作戰(zhàn)仿真模型庫和模型實例庫已初步建設(shè)完成,并在與其配套建設(shè)的海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。已進(jìn)行多次海上聯(lián)合機動編隊層次的作戰(zhàn)方案推演,取得了很好的效果。下一步,將進(jìn)一步豐富和擴充模型庫和模型實例庫,將海上作戰(zhàn)方案推演擴展到更大規(guī)模和范圍。
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Simulation Model Architecture of Marine War Situation Deducing System*
The model classification of navy campaign simulation is analyzed. A multi-phase modeling method for navy campaign simulation model architecture is provided. A modeling method based on software component ideas is raised, and the detailed method for designing and developing is provided.
navy campaign simulation, model architecture, multi-phase modeling, parametric modeling
2016年2月8日,
2016年3月29日
孫光明,男,碩士,助理研究員,研究方向:作戰(zhàn)軟件工程,作戰(zhàn)仿真。王大志,男,碩士,高級工程師,研究方向:作戰(zhàn)仿真。
TP391
10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.004