李春洪,李 斌,劉偉濤

(海軍指揮學(xué)院,江蘇 南京 210016)

探索性方法是蘭德公司(RAND)于20世紀90年代在聯(lián)合一體化應(yīng)急模型(Joint Integrated Contingency Model,JICM)和戰(zhàn)略評估系統(tǒng)(Rand Strategy Assessment System,RSAS)開發(fā)過程中總結(jié)出來的一種系統(tǒng)分析方法[1]。通過對各種不確定要素所產(chǎn)生的結(jié)果進行整體研究,全面分析各種不確定要素對結(jié)果的影響,可有效地把握現(xiàn)代戰(zhàn)爭的整體性和不確定性,是研究復(fù)雜系統(tǒng)的有效手段。該方法成功支持了蘭德公司多項分析與評估項目的定量分析工作,如“恐怖的海峽”[2]、“信息時代的海軍作戰(zhàn)效能評估”、“大規(guī)模裝甲部隊入侵的空中打擊”問題等。

探索性仿真實驗方法是在探索性分析方法指導(dǎo)下的體系對抗仿真活動。它將不確定性條件下的探索性分析方法與體系對抗仿真實驗方法相結(jié)合,為研究信息化條件下體系對抗這類復(fù)雜系統(tǒng)提供了有效實驗手段[3-5]。為支持不確定體系對抗空間的探索性分析,需構(gòu)建大量的、體現(xiàn)不確定要素變化的仿真想定集,形成體系對抗仿真的輸入空間,從而建立起要素空間與實驗結(jié)果空間的映射關(guān)聯(lián)。這個仿真想定集稱為探索性仿真實驗想定空間。

為提高想定空間的生成效率,研究者對想定空間的自動生成技術(shù)產(chǎn)生了關(guān)注。袁華等[6]對作戰(zhàn)仿真中的參數(shù)及其水平進行了分析,并用于指導(dǎo)作戰(zhàn)仿真想定空間的設(shè)計;何明等[7]從決策、能力和環(huán)境等視角對實驗要素進行了分類,并用 BNF范式進行了形式化描述,為解決想定空間的自動生成提供了研究思路。但這些研究多立足于理論探討,對于如何與仿真平臺結(jié)合,實現(xiàn)仿真想定的參量化、實驗參量的取值及組合、問題域要素空間向仿真空間映射等關(guān)鍵技術(shù)還缺乏深入研究。本文基于實驗要素參量化原理,設(shè)計實現(xiàn)了實驗想定空間智能化生成系統(tǒng),并對仿真想定的參量化描述、實驗點規(guī)劃、參量化想定空間的實例化等關(guān)鍵技術(shù)及其工程實現(xiàn)進行了探討。

1 基于要素參量化的想定空間生成原理

1.1 相關(guān)概念

1)實驗要素 是指對實驗指標特性值可能有影響的原因或者要素。在探索性作戰(zhàn)仿真實驗中,實驗人員應(yīng)首先對實驗問題及實驗?zāi)康牡冗M行分析,確定實驗的關(guān)鍵要素。通常,這些關(guān)鍵要素從作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)策略等方面選取,分別形成任務(wù)的、能力的、環(huán)境的和策略的實驗探索空間。

2)實驗要素參量化 “參量”,是物理學(xué)和計算科學(xué)中的專用名詞,特指能表征系統(tǒng)特征活行為的獨立變量。本文引入 “參量”這個專用名詞來表述實驗要素的類型、取值方式和值域,便于觀察實驗要素的不同取值對實驗結(jié)果的影響。

3)實驗點規(guī)劃 是指對各實驗參量的取值(采樣點)進行科學(xué)規(guī)劃,使之在實驗精度和實驗復(fù)雜性之間達到平衡。

4)參量空間 是指經(jīng)過實驗點規(guī)劃后,各實驗參量的取值點組合所形成的集合。參量空間是代表了問題域的實驗設(shè)計結(jié)果。

5)參量化仿真想定空間 為了進行仿真實驗,還需將參量空間的各實驗點在具體的仿真想定(即仿真域)中進行映射,形成對應(yīng)的仿真想定集,即參量化仿真想定空間。它是問題域的參量空間向仿真域映射所形成的產(chǎn)品。

1.2 參量化想定空間的生成原理

參量化想定空間的生成,實質(zhì)上是實驗的問題域向仿真域映射的過程,如圖1所示。具體包括三個方面的映射。

1)軍事想定向仿真想定映射 軍事人員對作戰(zhàn)雙方的企圖、態(tài)勢以及作戰(zhàn)發(fā)展情況進行設(shè)想與假設(shè),形成軍事想定。仿真人員依據(jù)仿真系統(tǒng)的模型資源和格式要求,對軍事想定描述作戰(zhàn)背景、兵力編組、作戰(zhàn)計劃等進行具體化和格式化的描述,生成仿真系統(tǒng)能夠接受的輸入格式。該仿真想定稱為基本仿真想定或仿真想定模板。

2)實驗要素映射 在問題域,通過對實驗?zāi)繕说姆治?確定實驗的關(guān)鍵要素;在仿真域,分析這些關(guān)鍵要素在仿真域所對應(yīng)的仿真要素,并在仿真想定中將它們進行標記和參量化描述。

3)實驗點的映射 在問題域,對選取的實驗參量的水平(Level of factor)進行設(shè)計,形成實驗問題的參量空間。參量空間的每一個實驗點(多個實驗要素的不同取值構(gòu)成一個實驗點),即代表一套實驗輸入方案;在仿真域,針對每個實驗點所對應(yīng)的實驗參量值,對參量化仿真想定中相關(guān)參量進行實例化,完成仿真想定空間的構(gòu)建。

圖1 參量化想定空間的生成原理

2 參量化想定空間生成系統(tǒng)

基于上述基本原理,本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于VR-forces的參量想定空間生成系統(tǒng)Vrf-ISSG(VR-forces based Intelligent Senario Space Generation System)。

2.1 系統(tǒng)組成

Vrf-ISSG系統(tǒng)由基于VR-Forces的體系對抗仿真平臺、參量化想定處理模塊、實驗點規(guī)劃模塊和參量化想定數(shù)據(jù)庫等組成,如圖2所示。

圖2 Vrf-ISSG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作過程

Vrf-ISSG系統(tǒng)的工作過程如下:

1)基本仿真想定生成 根據(jù)軍事想定的要求,利用VR-Forces仿真平臺提供的生成工具,對體系對抗雙方的作戰(zhàn)環(huán)境、兵力部署、行動計劃等進行編輯,生成基本仿真想定;

2)基本仿真想定的參量化處理 從仿真平臺中讀取基本仿真想定數(shù)據(jù),提取可以進行參量化的實驗要素,進行參量化處理,形成參量化仿真想定;

3)實驗點規(guī)劃 實驗點規(guī)劃模塊從參量化想定數(shù)據(jù)庫讀取參量化仿真想定數(shù)據(jù),對實驗參量進行采樣和組合優(yōu)化,形成本次實驗的參量空間;

4)參量空間實例化 參量化想定處理模塊讀取參量化想定空間規(guī)劃的結(jié)果,將各實驗點所對應(yīng)的參量值在參量化仿真想定中進行實例化處理,生成滿足要求的仿真想定集合。

3 參量化想定數(shù)據(jù)庫

參量化想定數(shù)據(jù)庫為參量化想定處理模塊和實驗點規(guī)劃模塊提供中間結(jié)果的存儲服務(wù),主要由參量化想定表和實驗點規(guī)劃結(jié)果表組成。

3.1 參量化想定表

參量化想定表用于存儲仿真想定的參量化處理結(jié)果,其表結(jié)構(gòu)見表1。

表1 參量化想定表結(jié)構(gòu)

3.2 實驗點規(guī)劃結(jié)果表

實驗點規(guī)劃結(jié)果表用于存儲參量化空間的實驗點規(guī)劃結(jié)果,其表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 實驗點規(guī)劃結(jié)果表

4 參量化想定處理模塊

參量化想定處理模塊從 VR-forces體系對抗仿真平臺提取基本仿真想定數(shù)據(jù),對關(guān)心的實驗要素進行參量化描述,形成參量化仿真想定;對于實驗規(guī)劃模塊輸出的參量化空間規(guī)劃結(jié)果進行實例化處理,形成參量化仿真想定空間。參量化想定處理模塊要解決的關(guān)鍵問題是仿真想定的參量化和實例化。

4.1 相關(guān)定義

1)行動計劃

行動計劃(plan),用于描述兵力實體的作戰(zhàn)任務(wù)和行為,由一組按照一定邏輯關(guān)系和語義組織起來的語句構(gòu)成。

圖3為F18戰(zhàn)斗機的行動計劃示例。

圖3 兵力實體的行動計劃

2)語句

語句(statement),是構(gòu)成兵力實體計劃的基本單元。語句可進一步分為條件語句(conditional statement)、設(shè)置語句(set statement)和任務(wù)語句(task statement)三種類型。

其中,設(shè)置語句用于設(shè)置實體的狀態(tài)或者屬性。任務(wù)語句用于描述實體的基本作戰(zhàn)行動。條件語句,用于表達實體執(zhí)行某些任務(wù)的觸發(fā)條件,一般由條件判斷語句、end語句和若干條設(shè)置語句或任務(wù)語句組合而成。在圖3所示語句中,語句1為設(shè)置語句,語句2為任務(wù)語句,語句3為條件語句。可見,設(shè)置語句和任務(wù)語句不可再分,我們統(tǒng)稱之為元語句(meta statement)。

4.2 想定參量化與實例化問題的分解

在參量化仿真想定空間生成中,作戰(zhàn)實體的能力和行動策略是空間規(guī)劃的重點。在VR-forces仿真平臺中,作戰(zhàn)實體的能力可以通過設(shè)置元語句進行表示,如“set Resource(weapon |Sidewinder- missile)=4”語句設(shè)置實體所攜帶的Sidewinder導(dǎo)彈數(shù)量為4。而行動策略的變化則通過實體行動計劃來表示。

因此,仿真想定的參量化和實例化問題可以分解為設(shè)置語句和任務(wù)語句,即元語句的參量化和實例化問題。

4.3 仿真想定參量化處理

仿真想定參量化處理基于VR-forces仿真平臺的VR-Link工具提供的接口服務(wù)實現(xiàn),由實體行動計劃子模塊的提取子和實體計劃的參量化處理子模塊組成。

1)提取實體行動計劃

通過VR-Link的遠程控制接口向 VR-forces發(fā)送對實體行動計劃的訂閱報文:

RemoteIf-＞subscribePlan(strEntityname,EntityPl anPrePreprocescb,NULL);

其中,EntityPlanPrePreprocescb為該訂閱消息的回調(diào)函數(shù)。當它被自動調(diào)用時,其攜帶的參數(shù) stmts為指向該兵力實體的行動計劃語句列表。在該函數(shù)的改寫中,對 stmts所指向的語句列表中所有語句逐條提取,將其存儲在全局map容器EntityPlanList中,便于其他接口模塊的查找使用。

2)計劃的參量化處理

計劃的參量化處理,是指對實體作戰(zhàn)行動計劃中的所關(guān)心的實驗要素進行參量化描述的過程。因為計劃由若干語句組成,所以計劃的參量化處理問題可分解為語句的參量化問題。語句的參量化(statement parameterization),是指提取語句中實驗要素,引入描述變量,明確變量的類型和取值范圍,并進行一定的格式化描述。

①元語句的參量化

在對Vr-forces平臺支持的各類元語句進行了分析,提取出各元語句的語句類型、可進行參量化的參數(shù)及其名稱等信息。對于有多個參數(shù)的語句,參數(shù)名稱之間用“;”分隔。以發(fā)射導(dǎo)彈任務(wù)語句為例,元語句名稱為DtFireCruiseMissileTaskType,攜帶四個可進行參量化的參數(shù),即targetName(目標名稱)、routeName(導(dǎo)彈的規(guī)劃航路名)、speed(規(guī)劃速度)、detonationProximity(爆炸范圍)。其參量化處理的代碼如下:

recordtemp.ActionType=DtFireCruiseMissileTas kType;

recordtemp.Parameterstr+=task-＞targetName()+";"+task)-＞routeName()+";"+task)-＞speed()+";"+task-＞detonationProximity ()+";";

recordtemp.Modifyable=true;

②實體計劃的參量化

在提取實體的行動計劃后,遍歷實體計劃中的所有語句,對其中的元語句進行參量化處理,并存儲到參量化想定表。算法如下:

Step1 提取語句statement。如果該語句是元語句,則轉(zhuǎn)Step3,否則轉(zhuǎn)Step2;

Step2 提取 statement語句的子塊 subBlock,對subBlock中包含的語句進行參量化處理;

Step3 對元語句 statement,提取元語句名稱、參數(shù)等,并存儲到接口數(shù)據(jù)庫的參量化想定表;

Step4 如果所有的語句處理完畢,則退出;否則轉(zhuǎn)Step1。

對于條件語句,可能存在多級嵌套。而對于嵌套中的語句來說,處理過程相同。因此,上述過程采用遞歸算法實現(xiàn)。

4.4 仿真想定實例化化處理

依據(jù)實驗點規(guī)劃模塊對各參量的規(guī)劃結(jié)果,對參量化想定進行實例化,生成與之對應(yīng)的多個仿真想定實例。實驗點規(guī)劃模塊的處理結(jié)果存放在變換結(jié)果表中,其中Parametervalues字段存儲了元語句的各參數(shù)取值,多個參數(shù)值之間也用“;”分隔。實現(xiàn)算法如下:①提取兵力實體及其行動計劃;②根據(jù)實驗標識experimentID和想定標識ScenarioID,從實驗點規(guī)劃結(jié)果表中篩選符合條件的記錄集;③針對記錄集中每一條元語句,根據(jù)其EntityID和 StatmentID,在EntityPlanList容器中定位特定的元語句,并用Parametervalues字段存儲的參數(shù)值對元語句的相關(guān)參數(shù)進行修改。這個過程稱為語句的實例化(statement instantiation)處理;④以ScenarioID為名稱,保存仿真想定文件。

其中,元語句的實例化為關(guān)鍵。事實上,元語句實例化是元語句參量化處理的逆過程,這里不再贅述。

5 實驗點規(guī)劃模塊

實驗點規(guī)劃模塊從參量化想定數(shù)據(jù)表中讀取參量化仿真想定,選取感興趣的實驗參量進行取值采樣,經(jīng)對參數(shù)組合(實驗點)進行篩選優(yōu)化后,形成實驗的參量化仿真想定空間,輸出至實驗點規(guī)劃結(jié)果表。模塊由實驗參量選取子模塊、實驗參量采樣子模塊和實驗點篩選子模塊組成。

5.1 實驗參量選取

實驗參量選取,是指從根據(jù)參量化仿真想定中選取本次實驗感興趣的實驗參量,并對其進行標識。

1)實驗要素選取原則 關(guān)鍵、獨立、敏感,是實驗參量選擇的基本要求。即應(yīng)選擇對實驗指標有關(guān)鍵性影響的主要因素;各因素之間盡可能是相互獨立的,以減少因素間相互作用而對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響;所選取的因素對指標變化的影響應(yīng)該是靈敏的。在體系作戰(zhàn)實驗中,影響實驗指標的因素非常多。應(yīng)根據(jù)實驗?zāi)康?在對影響因素全面分析的基礎(chǔ)上,排除次要的、偶然因素的干擾,選取關(guān)鍵因素。例如,超音速反艦導(dǎo)彈對艦艇編隊防空能力的影響實驗研究,導(dǎo)彈的性能參數(shù)及其運用策略是本次實驗應(yīng)關(guān)注的關(guān)鍵因素。

2)子模塊實現(xiàn) 實驗參量的選取主要依靠領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^研討定性地分析確定。實驗參量選取子模塊的主要功能是提取可選的實驗參量及其描述信息,為實驗人員提供實驗參量的選擇界面,并將選擇結(jié)果標識和存儲,輸出至實驗參量采樣子模塊。

5.2 實驗參量采樣

實驗參量采樣子模塊的功能是對選取的實驗參量進行采樣,即在某一實驗參量的有效取值范圍內(nèi)選擇采樣點數(shù)量及采樣位置。根據(jù)變量類型不同,實驗參量分為離散型參量和連續(xù)型參量兩類。

1)離散型參量

離散型參量,是指參量的可能取值為有限或可列多個。例如,導(dǎo)彈類型參量為只能在有限的導(dǎo)彈類型集合中選取。

離散型參量采樣的描述示例為:

＜打擊目標＞::=“A機場”|“B機場”|“C機場”。

依次在可選參量值集合中抽取元素,即可實現(xiàn)離散型實驗參量的選取。

2)連續(xù)型參量

連續(xù)型參量,是指具有有限連續(xù)取值的變量,其取值范圍通常為實數(shù)域上的某一區(qū)間。例如,雷達探測距離參量為連續(xù)型參量。

在進行連續(xù)型參量的采樣前,需先對參量進行離散化處理,然后按照離散型參量的。連續(xù)參量的離散化,是指在參量的取值區(qū)間內(nèi)選取具有代表性的值。系統(tǒng)提供兩類離散化方法,包括均勻取值法、臨界取值法。

均勻取值法,是指按照一定的間隔在參量的取值空間內(nèi)取值。設(shè)參量X的取值區(qū)域為(XL,XH],參量X的水平值為N(N=1,2,3…),則取值間隔Δsample為

臨界取值法是一種通過分析參量軍事意義確定取值點的方法。因為在體系對抗中,當參量取值超越一定的數(shù)值時,與之相關(guān)的作戰(zhàn)事件或作戰(zhàn)能力將發(fā)生很大的變化。例如,對于航空兵突防高度,當其取值低于某一高度H時,對防空雷達的探測性能影響不大,那么H可選擇為該參數(shù)的臨界值,在H以下的參數(shù)取值可用H或小于H的數(shù)值代替。

5.3 實驗點篩選

一次實驗所有參量的某一采樣值組合形成一個實驗點。實驗點篩選是對實驗點的合理性進行分析,篩除那些不符合軍事原則或參量值間存在矛盾的實驗點。實驗點篩選結(jié)果被存儲到實驗點規(guī)劃結(jié)果表,供參量化想定處理模塊調(diào)用。

實驗點篩選子模塊是在Gensym公司的實時智能系統(tǒng)G2上開發(fā)的。G2以基于規(guī)則的專家系統(tǒng)為基礎(chǔ),結(jié)合模型、規(guī)則和經(jīng)驗知識來推理復(fù)雜數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)智能決策。利用G2的知識庫模塊建立實驗點篩選規(guī)則庫,并采取正向推理模式對實驗點篩選規(guī)則進行推理。篩選規(guī)則的基本形式為:

IF＜規(guī)則前件＞THEN＜規(guī)則后件＞。

其中,規(guī)則前件::=＜ Facter1,LO1,Facter2,LO2,…LOn-1,Factern＞,

Facteri=＜ parameteri,COi,valuei＞

式中,Facteri用于描述實驗參量parameteri的取值情況,其中COi為算數(shù)運算符,表示parameteri與valuei的算數(shù)關(guān)系。LOi為邏輯運算符,表示相鄰Facter之間的邏輯關(guān)系?？梢?規(guī)則前件表達了多個實驗參量取值情況的事實。

規(guī)則后件分為兩種類型,直接篩選后件和新規(guī)則觸發(fā)規(guī)則后件。直接篩選后件為“篩除實驗點”;新規(guī)則觸發(fā)后件將觸發(fā)新的規(guī)則推理,直至觸發(fā)篩選結(jié)論或者規(guī)則匹配失敗為止。

6 結(jié)束語

探索性仿真實驗方法在信息化體系作戰(zhàn)研究、武器裝備體系能力評估和發(fā)展論證等方面具有廣闊的運用前景。生成滿足要求的仿真想定空間是成功開展探索性實驗的前提。本文提出了一種基于參量化方法的想定空間生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用VR-forces提供基本仿真想定的生成,在參量化想定處理模塊的橋接作用下,將實驗點規(guī)劃模塊產(chǎn)生的參量空間向仿真想定空間的映射,為大規(guī)模仿真想定空間的自動生成提供了有力支撐。該技術(shù)已經(jīng)在探索性仿真實驗系統(tǒng)中成功運用。

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