鄭世明,高 歆,付雪梅,錢一虹,王智新

(南京陸軍指揮學院,江蘇 南京 210045)

現有仿真模型存在應用面窄、重用性弱、移植性差等問題,這與“實現仿真建模、驗證方法和仿真軟件一體化、智能化”趨勢相沖突。隨著聯(lián)合作戰(zhàn)仿真需求不斷擴展,作為一項基礎性的關鍵工程[1],作戰(zhàn)仿真模型的開發(fā)將以可重用和組件化為最基本要求。作戰(zhàn)仿真模型必須按照一體化建模思想構建,使各類作戰(zhàn)模型進行重組能滿足不同的軍事應用,提高建模的靈活性和效率,使其在不斷完善模型組件庫的基礎上成為一種公用的軍事模型資源,避免重復建設、重復投資。近年來,軍隊大型作戰(zhàn)仿真開發(fā)實踐表明,按照一體化建模要求,通過規(guī)范建模過程和結果,真正實現仿真模型的標準化、規(guī)范化,構建基本模型組件資源庫,滿足不同層次、不同級別的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)需要,才能快速推進軍隊作戰(zhàn)仿真的深入發(fā)展。

1 作戰(zhàn)實體仿真模型開發(fā)總體思路

作戰(zhàn)實體一體化建模的任務是指在規(guī)范化建模思想指導下,通過各軍兵種各級、各類作戰(zhàn)實體概念建模、數學建模和程序建模的漸進式開發(fā),最終生成適合不同應用需要的作戰(zhàn)實體仿真模型組件。這一過程不僅產生了最終的模型組件,還產生了中間層次的概念模型、數學邏輯模型和程序仿真模型,它們不但是實現組件模型的前提和基礎,而且是模型VV&A的依據,直接關系到模型的質量。

通常,模型轉換的方式有三種[2]:一是技術開發(fā)人員利用自己專業(yè)知識,完成對模型設計說明的人工轉化,然后編碼實現;二是把模型框架與共有功能提取出來,形成模型開發(fā)向導,技術人員利用模型開發(fā)向導,實現模型半自動轉化;三是充分利用前兩種方法,定義模型間協(xié)議接口規(guī)范,把技術人員對模型的推理、轉化與實現過程進一步抽象,描述成可以自動推理的“推理機”,實現軍事概念模型到程序模型的自動轉化。基于一體化建模的作戰(zhàn)實體模型仿真開發(fā)采用第二、三種模型轉換方式設計與開發(fā)一體化建模通用軟件平臺,軍事問題的概念化描述、數學邏輯模型構建、仿真程序模型實現是作戰(zhàn)實體一體化建模的三個關鍵性步驟,要想實現三者的有機銜接和正、反向轉化,總體思路擬分以下三步。

1)從實體屬性、行為和關系三個概念模型要素出發(fā),完成對作戰(zhàn)實體概念模型的定性分析與描述。

2)依據作戰(zhàn)實體概念模型,對其進行量化分析與描述,形成其數學邏輯模型。

3)參照 COM 組件對象的軟件工程方法,將模型分成原子模型、組合模型和復雜模型等幾個層次,并以 Web服務的形式對其進行封裝,針對不同的模型實現不同粒度的服務組合,將原子模型、組合模型和復雜模型分別以原子Web服務、組合Web服務和復雜 Web服務的方式建模,最終完成實體仿真模型組件開發(fā)。首先,依據作戰(zhàn)實體需求模型,完成模型總體設計,其基本原則是使得每個模型盡量獨立,能夠通過其他模型生成的實體模型不單獨建模,盡量減少模型間的重復;其次,將不同的實體模型進行服務封裝;再次,設計服務組合的規(guī)則,使得各種作戰(zhàn)仿真模型能夠以 Web服務的形式靈活組合;最后完成對仿真模型服務組件的測試和管理。實體仿真模型開發(fā)的基本思路和過程如圖1所示,其中編程與封裝主要由服務抽象、功能編程、服務封裝和服務組合策略等組成,在指揮實體模型組件中包含通用組件和專用組件,這種組件實際上就是通過統(tǒng)一、規(guī)范的服務接口實現的通用服務、專用服務和組合服務等。

圖1 基于一體化建模的作戰(zhàn)實體仿真模型開發(fā)思路

2 作戰(zhàn)實體仿真模型開發(fā)的一體化過程

作戰(zhàn)實體一體化建模首先根據軍事模型需求分析,按照規(guī)范化建模方法,建立不同形態(tài)、不同功能的軍事概念模型和數學模型,然后根據預定義的模型協(xié)議接口規(guī)范,在一體化建模平臺支持下,采用服務封裝的方式實現不同形態(tài)模型間有機銜接,最終生成可重用、可集成的作戰(zhàn)實體模型服務組件[3]。

一體化建模方法需要解決好兩個關鍵問題:一是模型規(guī)范化描述問題;二是模型的自動轉化問題?？傮w來看,面向實體的一體化建模主要包括兩個方向的轉換過程[4]:1)按照面向實體的建模方法,通過模型與程序代碼之間的映射,實現作戰(zhàn)實體概念模型、數學邏輯模型向程序仿真模型正向轉換,從而將建模過程有機地連為一體,為因需求變化而帶來的模型修改和維護提供極大便利;2)通過模型反向映射機制來實現程序代碼向可視化概念模型圖轉換,它一方面有助于模型開發(fā)人員和軍事人員相互協(xié)作,在迭代增量式的模型開發(fā)中快速發(fā)現和定位模型開發(fā)過程中的問題,另一方面,可以有效提高模型的正確性和可靠性,并為模型校驗和確認提供有效手段。

從 Web服務技術的實現機理和過程可以看出,采用Web服務技術,實現作戰(zhàn)仿真模型的組件化、規(guī)范化,是促進建模標準化、提高作戰(zhàn)仿真模型可重用性和互操作性的有效途徑。主要優(yōu)勢有[5]:1)仿真模型資源充分共享,提高資源利用率;2)兼容性好、適用性強,不受操作系統(tǒng)和應用軟件的約束和限制;3)具有良好的封裝特性,使得模型內部機制得以安全、完整維持,避免模型被任意改動;4)訪問接口統(tǒng)一、標準化,所有的應用均以Web服務的方式呈現,易于訪問。基于Web服務組件的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)過程是一個服務封裝的過程,通過服務的組合實現模型的集成調用,以達到模型重用的目的,因此模型功能組件是以 Web服務組合形式出現,最后根據作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中對模型的實際需求,按照一定的策略實現服務組合,并通過實例化完成相關作戰(zhàn)仿真活動,將軟件構架、通用服務組件、專用服務組件加載到作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中?；?Web服務的模型組件/構架的作戰(zhàn)仿真開發(fā)過程如圖2所示。

圖2 基于Web服務的模型組件/構架的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)過程

3 基于 Web服務的模型驅動架構作戰(zhàn)實體仿真模型一體化建模

一體化建模思想的提出并非空穴來風,而是建立在與一體化建模相似或相關的理論與方法基礎之上的[6]。本文在一體化建模實現技術中,采用基于模型驅動架構MDA (Model Driven Architecture)的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)方法,通過采用基于XML的描述規(guī)范實現異構模型之間的數據交換,并通過 Web服務的方式對各種個體模型、組合模型進行統(tǒng)一封裝,通過服務組合實現模型組合,構建多分辨率的作戰(zhàn)仿真模型,提高實體仿真模型的靈活性。MDA是實現面向實體一體化建模的重要成果,為論文輔以 Web服務的方式探索作戰(zhàn)實體一體化建模理論和方法的合理性和可行性提供了支撐[7]。

按照MDA觀點,模型主要有以下三個層次[8]。

1)平臺獨立模型(Platform Independent Model,PIM) 具有高度抽象意義且獨立于任何實現技術的模型,對應于系統(tǒng)的需求與分析階段。

2)平臺相關模型(Platform Specific Model,PSM)

是 PIM 的某種具體實現,對應于具體技術實現平臺的模型,對應于系統(tǒng)總體和詳細設計階段。軟件開發(fā)中,PIM可以對應一個或多個PSM。

3)程序模型 按照 PIM 和 PSM 建立的可以在計算機上運行的程序,對應于軟件開發(fā)編碼和測試階段。

基于MDA的軟件系統(tǒng)開發(fā)過程是,首先使用平臺無關的建模語言來建立 PIM,然后根據特定平臺和實現語言的映射規(guī)則,將 PIM 進行轉換以生成PSM,再由PSM生成應用程序代碼[9]。基于MDA的作戰(zhàn)仿真實體一體化建模過程,是在作戰(zhàn)建模方法學的指導下,通過MDA的一系列技術實現方案,將仿真模型的軍事問題描述、建模過程和技術實現有機聯(lián)系為一體,實現模型轉換的自動或半自動化,如圖3所示。

MDA技術實現的核心是元建模技術,即使用統(tǒng)一建模語言UML、元對象設施和公共數據倉庫元模型和 XML元數據交換(XML-based Metadata Interchange,XMI)來制定精確形式化表示、模型存儲及模型交換的各種標準以實現模型轉換[10]。從圖3可以看出,要實現基于MDA的模型開發(fā)過程,必須具備良好的支持工具,主要包括:模型間轉換工具、模型到代碼的轉換工具、模型創(chuàng)建工具和模型驗證工具等。實現 PIM 到 PSM 轉換過程的自動化,除需要MDA工具支持外,根據特定平臺明確定義的模型轉換規(guī)則必不可少,它是整個開發(fā)過程中實現模型映射的關鍵。轉換規(guī)則即一組從源模型轉換到目標模型的規(guī)則,它作為轉換工具的輸入具有準確的語義,因而應該用形式化的轉換定義語言(TDL,Transformation Definition Language)對其進行描述。

圖3 基于Web服務的模型驅動體系作戰(zhàn)仿真實體一體化建模過程

實際作戰(zhàn)仿真實體一體化建模開發(fā)環(huán)境中,需要模型編輯工具創(chuàng)建和修改模型,需要轉換定義工具定義轉換規(guī)則,需要模型轉換工具轉換模型,需要模型驗證器來校驗模型等[11]。目前比較可行的發(fā)展趨勢是將密切相關的建模工具集成在一起,形成作戰(zhàn)仿真模型一體化建模通用開發(fā)平臺,如圖4所示。由于 XMI利用 XML描述模型存儲和交換的格式,因而工具之間的異構模型數據交換可使用 XMI實現。

圖4 基于模型驅動體系的一體化建模通用開發(fā)環(huán)境

4 基于 Web服務的模型驅動體系對抗仿真實驗框架

體系對抗仿真實驗是指在信息化條件下,通過計算機仿真手段構建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境(包括通信環(huán)境、地形環(huán)境、氣象水文環(huán)境、電磁環(huán)境等),依據相應的作戰(zhàn)理念和指導思想,在一定的作戰(zhàn)編成和規(guī)模下,以紅藍雙方對抗的形式,對人員編組、武器配備、作戰(zhàn)力量運用、作戰(zhàn)活動指揮等進行全面展示和評估,并通過反復實驗,分析評估體系的效能,驗證體系的可靠性與可行性。而在體系對抗中通常有多個系統(tǒng)構成,包括紅藍雙方的對抗系統(tǒng)、仿真實驗設置系統(tǒng)、評估分析系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)與數據庫系統(tǒng)等,甚至可以將實際的指揮系統(tǒng)接入,而這些系統(tǒng)之間可能采用不同的技術手段和平臺實現,彼此之間存在著異構性,在整個對抗系統(tǒng)中統(tǒng)一采用 web服務的方式、以標準化接口實現不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通和互操作是一種較好的解決途徑和方法。同時,MDA是一種基于模型的軟件開發(fā)框架,其基本思想是將不同形態(tài)模型作為軟件開發(fā)的核心產品,通過提供統(tǒng)一的模型驅動仿真框架,將通用模型 PIM具體化為特定技術實現平臺的仿真模型 PSM,并在系列轉換工具支持下,完成PIM到PSM再到程序代碼的轉換,從而完成軟件系統(tǒng)的開發(fā),有助于提高系統(tǒng)的開發(fā)效率、可移植性、可復用性、可維護性、易集成性等。綜上分析,在體系對抗仿真實驗方法的指導下,本文提出基于 Web服務的模型驅動體系對抗仿真實驗框架,框架的具體內容如圖5所示。

圖5 基于Web服務的模型驅動體系對抗仿真框架

從圖 5中可看出,實驗的核心過程為“實驗設置—仿真推演—評估分析”這一過程,同時輔以其它功能系統(tǒng),主要由7個系統(tǒng)組成。

1)仿真實驗配置系統(tǒng) 根據作戰(zhàn)方案需求對仿真實驗進行相應的配置。主要完成體系結構規(guī)劃、仿真任務規(guī)劃、想定規(guī)劃、模型規(guī)劃、數據規(guī)劃和評估目標規(guī)劃等任務。

2)體系對抗仿真系統(tǒng) 現有的仿真大多是以紅藍雙方對抗的形式展開的,因此在體系對抗仿真中通常由紅方體系模型、藍方體系模型、導調控制等模塊構成,重要的是在體系對抗中需要紅藍雙方進行交戰(zhàn)數據的互通,采用 web服務的方式實現各種對抗行動,并交由統(tǒng)一的模塊進行處理,然后按照導調部門的指令完成對抗任務,對作戰(zhàn)過程的各種情形進行模擬,不斷總結戰(zhàn)法,為真正的實兵對抗或者實戰(zhàn)積累經驗,用以指導真實的戰(zhàn)爭行動,同時仿真對抗系統(tǒng)還可以通過代理系統(tǒng)(橋接服務)實現與真實系統(tǒng)、實兵系統(tǒng)的互聯(lián)、互通、互操作。

3)評估分析系統(tǒng) 評估分析是作戰(zhàn)實驗的重要支撐,通過對仿真結果的分析可以不斷改進作戰(zhàn)方案,實現作戰(zhàn)指揮活動的升華?？傮w而言,分為在線評估和離線評估兩種方式,具體來說包括概念分析、統(tǒng)計分析、探索性分析和綜合分析等多種評估方法。

另外,該評估系統(tǒng)可以針對多方面進行評估,既可以是局部性評估,如對某個重要打擊目標的毀傷程度評估或對某些集群目標的打擊毀傷評估,也可以是綜合性評估,如對作戰(zhàn)任務協(xié)同效果的評估或對聯(lián)合作戰(zhàn)整體效果的綜合評估。

4)模型構建系統(tǒng) 模型構建系統(tǒng)以文件形式存儲和管理模型,并與數據庫實時交換數據,將模型與其相關的數據分開管理,有利于充分發(fā)揮文件系統(tǒng)的可變大容量文件存儲優(yōu)勢和數據庫的復雜關系數據管理優(yōu)勢。主要有建模工具、模型庫、構件庫和構建工具等組成,通過 Web服務的組合實現模型的組合重用,從而實現多分辨率模型的靈活調用。模型構建系統(tǒng)與數據庫系統(tǒng)共同組成模型資源管理系統(tǒng),通過模型資源管理系統(tǒng)實現模型和數據的集中、統(tǒng)一訪問。

5)橋接服務系統(tǒng) 實現實際系統(tǒng)與仿真實驗系統(tǒng)之間的橋接,提供一種基于 Web的橋接服務,通過服務的封裝實現信息格式的統(tǒng)一轉換,時間同步校正功能由仿真實驗系統(tǒng)向實際系統(tǒng)提供信源。實際上橋接服務系統(tǒng)是由Web服務系統(tǒng)和中間件系統(tǒng)融合而成,主要通過在現有的網絡結構上配置可擴展的中間件來解決不同平臺、不同系統(tǒng)之間的異構訪問問題。將作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)通過橋接服務系統(tǒng)實現與體系對抗仿真系統(tǒng)的無縫連接,通過采用仿真的手段檢驗實兵對抗、實兵系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)的性能,接受橋接服務系統(tǒng)的信源并產生相應的實際系統(tǒng)數據,將作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的數據送入評估分析系統(tǒng)。

6)數據庫系統(tǒng) 該數據庫系統(tǒng)是一個全局的數據管理系統(tǒng),主要針對對抗仿真過程中產生的數據、交互的數據進行處理,并將處理的結果傳輸給顯示系統(tǒng)和評估系統(tǒng),另外該數據庫系統(tǒng)還具有對其他真實系統(tǒng)數據庫進行統(tǒng)一映射的功能,實現與其他數據庫系統(tǒng)的相互訪問。

7)高性能仿真計算平臺 這是一個可拓展的平臺,主要進行大規(guī)模數據處理與復雜計算,主要由計算集群、高性能計算中心構成,支持異構環(huán)境下的負載共享、分布式計算、復雜任務調度和大規(guī)模并行計算等,用于實現對各類仿真資源的綜合利用和管理,為仿真模型開發(fā)、運行、重用與互操作提供可靠的集成環(huán)境。隨著作戰(zhàn)仿真需求的加大,還可以將云計算中心、云存儲中心、云數據中心等接入該平臺。

5 基于 Web服務的系統(tǒng)體系結構仿真驗證過程

在基于 Web服務的體系對抗仿真實驗框架下,對指揮控制系統(tǒng)進行體系結構仿真驗證,驗證需要經過多次的循環(huán),涉及到仿真實驗框架內的很多方面,產生一系列的數據,具體如圖6所示。

圖6 基于Web服務的系統(tǒng)體系結構仿真驗證

1)實驗總體目標 根據實驗仿真驗證需求,將總體目標按照想定方案和具體評價指標進行劃分,通過專門的想定編制和指標構建自動形成實驗基本信息和相關實驗參數。

2)想定方案 按照作戰(zhàn)仿真任務擬制軍事想定,在此基礎上形成具有統(tǒng)一格式的軍事仿真想定,根據想定信息進行建模規(guī)劃。

3)模型服務建模 根據總體目標、仿真想定,分別對實體模型、仿真模型和評估模型等進行基于Web服務的建模,所有的模型將以服務的形式在仿真體系中運行,為模型發(fā)布做好準備。

4)實驗指標體系量化 實驗指標體系類型多樣,單位和量級表示不一,有的是通過模糊性語言描述,按照統(tǒng)一的轉化工具實現對其標準化處理,并建立層次化的評估指標體系。

5)發(fā)布模型服務 在進行仿真對抗之前要將所有的數據、模型進行注冊和統(tǒng)一發(fā)布。

6)體系對抗仿真運行 通過實驗腳本驅動,將各種仿真模型建模為 Web服務,所有作戰(zhàn)仿真活動均以服務的方式在體系對抗仿真系統(tǒng)中運行,通過數據服務獲取各種仿真數據并對其進行相應分析,而服務是完成系統(tǒng)業(yè)務流程和信息流程的基本方式,因此,為了仿真結果的精確性,需要對所調用的各種服務進行評價。

7)綜合分析 根據結構效能驗證評估、分項指標結果、綜合分析的結論,判定仿真實驗是否達到預期的實驗目標,按照統(tǒng)一的滿意度評價準則,如果對驗證結果滿意,則可以進入新的實驗,如果對驗證結果不滿意,則調整仿真驗證參數以完善仿真實驗方案。

6 結束語

本文采用基于模型驅動架構 MDA的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)方法,通過采用基于XML的描述規(guī)范實現異構模型之間的數據交換,并通過 Web服務的方式對各種個體模型、組合模型進行統(tǒng)一封裝,通過服務組合實現模型組合,構建多分辨率的作戰(zhàn)仿真模型,提高實體仿真模型的靈活性。不僅能夠對已有模型進行有效地管理,更有利開發(fā)大量新的模型,有助于進一步增強軍事模型的重用,充分發(fā)揮模型的軍事效益,避免重復投資、重復建設,提高模型的可信度和互操作性[12]。

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