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海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)仿真模型體系研究*

2016-09-09 09:21孫光明王大志
艦船電子工程 2016年8期
關(guān)鍵詞:實例實體建模

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

1 引言

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 海上作戰(zhàn)仿真和模型分類

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)。

3 構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真模型體系需要解決的問題

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 海上作戰(zhàn)仿真模型體系構(gòu)建

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。

5 結(jié)語

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

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