吳志建，方勝良，朱 林

（電子工程學(xué)院，合肥230037）

0 引 言

隨著軍用仿真研究的不斷深入，模型的輔助決策技術(shù)在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中得到了越來越廣泛的重視和運(yùn)用，同時積累了一大批基礎(chǔ)模型和專用模型資源，但也為模型管理帶來了挑戰(zhàn)。其主要呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：研制單位采用不同技術(shù)研制的模型導(dǎo)致模型在物理上的分布和技術(shù)上的異構(gòu)；基于特定背景下研制的模型與模型、數(shù)據(jù)之間的固定性，導(dǎo)致模型重用性差，使多領(lǐng)域模型的集成非常困難，模型可組合性和可重用性不足的問題十分突出。

本文在對現(xiàn)有組合建模技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對FLAMES柔性仿真框架下的模型組合和重用進(jìn)行了研究，解決了不同研制單位基于FLAMES開發(fā)的模型在戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役仿真中的組合和重用性問題。

1 組合建模概述

組合建?？梢钥焖俳⑿碌哪Ｐ?，提高模型的重用性，加快仿真系統(tǒng)的開發(fā)，提高模型的質(zhì)量和降低開發(fā)成本。組合建模是最為活躍的一種自動建模方法，基本思想是在給定的條件（具體建模任務(wù)的細(xì)節(jié)描述和前提假設(shè)）下，遵循一定的建模規(guī)則，選取模型庫中的預(yù)定義模型片斷子集，并通過組合方式獲得模型。在軍事仿真領(lǐng)域內(nèi)最早使用“可組合性”術(shù)語是在1990年代中期開展的可組合行為技術(shù)（CBT）研究中。CBT的目的是使半自動組件形成（ModSAF）用戶可以在不使用SAF源代碼的情況下，進(jìn)行新實(shí)體行為建模［1］。

Page和Opper從可計(jì)算性和計(jì)算復(fù)雜性的角度對仿真可組合問題進(jìn)行了初步的理論探索。Davis等人從建模領(lǐng)域、建模理論方法、建模規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及管理等不同角度對仿真可組合問題進(jìn)行了全面分析，并指出可組合性對美國國防部的意義和影響［2－3］。Wilke Havinga基于不同需求條件下組合技術(shù)不同的事實(shí)，提出了聯(lián)合對象和組合算子的組合模型，使多種組合算子在同一種應(yīng)用中進(jìn)行組合、重用和完善組合算子、開發(fā)特定領(lǐng)域組合算子成為可能［4］。王維平教授將可組合型劃分為技術(shù)、語法、語義、語用和概念5個層次，并提出多層次的組合建模仿真框架。

目前組合仿真的方法包括：基本對象模型、可移植仿真模型標(biāo)準(zhǔn)、基于公共模型庫的方法、基于產(chǎn)品線的組合仿真方法、模型驅(qū)動的組合仿真方法等?；緦ο竽Ｐ停˙OM）以及仿真對象模型（SOM）的開發(fā)促進(jìn)了對象模型重用的發(fā)展。可移植仿真模型標(biāo)準(zhǔn)（SMP）由歐洲航天局制定，實(shí)現(xiàn)仿真模型的平臺獨(dú)立性、跨仿真平臺重用和實(shí)現(xiàn)基于組件的開發(fā)。

基于公共模型庫（CLA）的組合仿真方法依賴于一個公共的可重用模型庫，模型庫建立在公共的假設(shè)及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議之上。產(chǎn)品線（PL）方法提供的層次化的產(chǎn)品族可加快具體仿真應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，降低開發(fā)費(fèi)用，仿真開發(fā)人員可以利用PL方法提供的服務(wù)與工具對產(chǎn)品進(jìn)行配置、組裝及運(yùn)行，從而便于仿真模型的組合［5］。模型驅(qū)動的軟件開發(fā)（MDSD）提升抽象層次、隔離抽象行為邏輯與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)，使用戶的關(guān)注點(diǎn)集中在領(lǐng)域問題本身，而不是各種環(huán)境與平臺的具體細(xì)節(jié)，從而促進(jìn)了模型的重用，通過提供模型轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺之間的互操作?；ゲ僮鲄f(xié)議方法利用某種標(biāo)準(zhǔn)互操作協(xié)議如DIS、HLA等，將不同的仿真組分連接起來，通過運(yùn)行時的仿真數(shù)據(jù)及服務(wù)交換實(shí)現(xiàn)仿真組分的集成。

2 FLAMES組合建模

2.1 FLAMES簡介

柔性行為分析與建模評估系統(tǒng)（FLAMES）是美國Ternion公司20世紀(jì)80年代中期開發(fā)研制并于2001年公布的仿真開發(fā)軟件。FLAMES是基于行為仿真的開放式仿真框架軟件，其軟件本身不能滿足用戶的具體仿真要求，它僅是一個仿真框架，用戶可以在此仿真框架的基礎(chǔ)上建立各種裝備模型、行為模型和消息模型形成符合自己需求的仿真軟件。運(yùn)用FLAMES可以模擬多種類型系統(tǒng)的行為，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括：新概念武器論證、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役仿真、新戰(zhàn)法研究和驗(yàn)證［6］。

基于FLAMES裝備行為模式的建模方法是完成軍事仿真的有效方法，其基本思想是：采用3類模型協(xié)調(diào)工作，直觀、形象、逼真地模擬雙方作戰(zhàn)力量的對抗過程，即用裝備模型來模擬各種類型裝備的特征和行為屬性，這些裝備模型可以和外部環(huán)境以及其它加載這些裝備模型的實(shí)體進(jìn)行交互；用行為模型模擬人的決策處理過程并賦予實(shí)體存儲處理信息、決策和控制裝備的能力；用消息模型來模擬利用通信裝備接收和發(fā)送一定格式的消息，并處理此消息的過程，消息模型是行為模型的特例。通過在作戰(zhàn)實(shí)體上加載這3類模型來控制實(shí)體的移動、感知、通信、決策等活動，同時也可通過動態(tài)增加、減少或修改加載在實(shí)體上的模型來改變作戰(zhàn)實(shí)體的功能。

2.2 FLAMES組合建模

2.2.1 FLAMES建模思路

FLAMES提供了消息模型、認(rèn)知模型和8種基礎(chǔ)裝備模型（平臺模型、通信裝備模型、傳感器模型、數(shù)據(jù)處理器模型、有源干擾裝備模型、子系統(tǒng)模型、彈藥模型、武器系統(tǒng)模型）。用戶可以通過FLAMES代碼產(chǎn)生器產(chǎn)生指定類的FLAMES模型外殼的源代碼，通過執(zhí)行模型原型編輯器對生成的模型原型進(jìn)行編輯，最后基于C＋＋的工程框架對模型進(jìn)行修改，添加功能函數(shù)和消息響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型具體功能。基于FLAMES的實(shí)體構(gòu)成如圖1所示。

2.2.2 FLAMES組合仿真概念框架

面向重用的建模仿真框架為了支持模型重用，將模型劃分為仿真概念框架以及仿真實(shí)現(xiàn)模型2個層次，根據(jù)王維平教授提出的仿真模型的可組合性具有層次的特征，結(jié)合FLAMES柔性仿真框架，形成基于FLAMES的多層次電子戰(zhàn)仿真模型描述的組合仿真概念框架，如圖2所示。

圖1 FLAMES實(shí)體的構(gòu)成關(guān)系圖

圖2 基于FLAMES組合仿真概念框架

仿真模型的語法層次是模型的具體表現(xiàn)層，通常要求模型接口及其參數(shù)采用某種標(biāo)準(zhǔn)格式描述，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的交互實(shí)現(xiàn)組合過程。語法層次組合模型有效性主要從語法模型的結(jié)構(gòu)和功能方面進(jìn)行檢驗(yàn)，從語法模型的結(jié)構(gòu)來看，主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒涌诘慕M成，包括各語法元素的定義及類型關(guān)系；從語法模型的功能上看，主要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┕δ芘c需求功能，分別由提供接口和請求接口表示。

語義模型主要是模型的靜態(tài)語義描述，不涉及模型各語法元素在實(shí)際使用或被使用過程中的含義，該語義信息是模型自身蘊(yùn)含的，與模型是否與外界發(fā)生交互、何時發(fā)生以及交互序列無關(guān)。對語義模型可組合型的檢驗(yàn)主要包括對模型各輸入、輸出接口以及模型狀態(tài)變量（屬性）的語義約束的檢驗(yàn)。

語用模型主要關(guān)注對模型動態(tài)語義的描述，主要指模型在一定時間段內(nèi)表現(xiàn)出來的交互行為序列，反映了系統(tǒng)內(nèi)部的一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)移。對語用模型的可組合性檢驗(yàn)主要對模型對外提供的功能和模型對外部的請求、模型對外交互的協(xié)議進(jìn)行檢驗(yàn)。

仿真模型的概念層次包含了領(lǐng)域?qū)＜液头抡骈_發(fā)人員對仿真及其所包含元素的一種概念認(rèn)知，它所包含的領(lǐng)域權(quán)威信息是對仿真的頂層約束。對概念層次可組合型的檢驗(yàn)主要是對模型組合時的概念描述一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2.3 FLAMES組合建模方法

FLAMES組合建模思路：首先，基于C＋＋開發(fā)模型組件庫；其次，基于關(guān)聯(lián)假設(shè)的組合建模方法，由所建模的實(shí)體，分析組成實(shí)體的具體組件；第三，在組件編輯界面，根據(jù)仿真模型的語法層次可組合性原則，初始化組件的性能參數(shù)，形成具有一定功能的組件單元；最后，在腳本編輯界面，通過腳本語言，完成具體實(shí)體單元的組合，形成具備全部功能的實(shí)體模型。模型鏈接器模塊在模型組合中，完成對模型配置、組合的檢驗(yàn)，并輸出檢驗(yàn)信息。所以基于FLAMES的組合建模方法可分為模型組件開發(fā)、模型組件編輯、模型組合、腳本解析、模型靜態(tài)檢驗(yàn)、模型動態(tài)檢驗(yàn)等階段，如圖3所示。

（1）模型組件開發(fā)。模型組件開發(fā)階段主要是基于FLAMES內(nèi)核開發(fā)模型組件的源代碼以及在C＋＋環(huán)境下建立模型的片段，信息流編輯部分主要定義模型方法參數(shù)間的傳遞關(guān)系，控制流編輯部分負(fù)責(zé)定義模型組件方法之間的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。

（2）模型組件編輯。在模型組件編輯階段，主要完成對模型組件參數(shù)的初始化和模型組件的選擇。在模型組件選擇時，采用基于關(guān)聯(lián)推理的組合建模方法，依據(jù)變量間的因果作用聯(lián)系，選擇所有與當(dāng)前建模任務(wù)相關(guān)的變量集合，然后選擇一個最簡單的組合模型片斷（CMF）來描述每個變量，同時保證全部CMF的集合是一致的，在不違背建模任務(wù)內(nèi)外部環(huán)境的“建模假設(shè)”的條件下完成模型組件的選擇，從而得到一個初步的模型組件單元。

（3）模型組合。在模型組合階段，根據(jù)建模任務(wù)，首先分離出1組感興趣的客觀對象、描述客觀對象的變量和函數(shù)關(guān)系，然后選擇相應(yīng)的模型組件來描述這些變量和關(guān)系。通過FLAMES內(nèi)核認(rèn)可的腳本語言，按照語法規(guī)則，將模型組件編輯階段形成的組件單元組合為具備全部功能的裝備實(shí)體。

（4）腳本解析。通過腳本完成模型的組合后，運(yùn)行FIRE，F(xiàn)LAMES內(nèi)核會對形成實(shí)體的腳本進(jìn)行解析，從而通過腳本調(diào)用組成實(shí)體的組件模型。

圖3 FLAMES組合建模流程

（5）模型的靜態(tài)檢驗(yàn)。模型組合完畢后，執(zhí)行模型鏈接器，完成想定中所有組合模型的語法層次的檢驗(yàn)，并將錯誤信息反饋給用戶。

（6）模型的動態(tài)檢驗(yàn)。執(zhí)行想定，生成模型仿真的數(shù)據(jù)庫，檢查模型需求定義和模型完整性信息，主要檢驗(yàn)組合模型執(zhí)行任務(wù)中功能的實(shí)現(xiàn)情況，并通過模型組件的使用條件解決組合模型邊界問題。

3 基于FLAMES的組合建模實(shí)例

以某型電子戰(zhàn)飛機(jī)為例，想定設(shè)置：我軍某型電子戰(zhàn)飛機(jī)對敵地面雷達(dá)進(jìn)行干擾，掩護(hù)我軍轟炸機(jī)對敵指揮所進(jìn)行的攻擊行動。

假定此次仿真的重點(diǎn)是研究電子戰(zhàn)飛機(jī)對敵雷達(dá)的干擾效果。通過關(guān)聯(lián)假設(shè)的組合建模方法［7］，如需獲得電子戰(zhàn)飛機(jī)模型，必須要有能夠執(zhí)行電子戰(zhàn)任務(wù)的飛機(jī)平臺模型；能夠探測敵方雷達(dá)的探測器模型和探測器模型上配套的天線模型、數(shù)據(jù)處理器模型；實(shí)時與我方地面指揮所聯(lián)系的空對地通信電臺模型；根據(jù)敵方雷達(dá)型號，確定能夠干擾敵方雷達(dá)的干擾機(jī)模型；控制飛機(jī)平臺飛行的認(rèn)知模型和控制雷達(dá)開關(guān)機(jī)的認(rèn)知模型。敵地面雷達(dá)模型由搭載雷達(dá)設(shè)備的平臺模型、探測器模型、與指揮所聯(lián)系的通信電臺模型和控制雷達(dá)開關(guān)機(jī)的認(rèn)知模型組成。下面運(yùn)用FLAMES仿真模型的組合建模方法，對我方電子戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行組合建模，如圖4所示。

電子戰(zhàn)飛機(jī)腳本描述如下：

圖4 關(guān)聯(lián)假設(shè)的FLAMES電子戰(zhàn)飛機(jī)組合建模示意圖

部分仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5中SimTimeStr顯示仿真時間，Name顯示參與仿真的實(shí)體單元，ID是想定中仿真單元的標(biāo)識，Team是敵我雙方標(biāo)識（1為敵方，2為我方），Velocity顯示實(shí)體單元的速度，Active顯示了單元在參與仿真中開關(guān)機(jī)狀態(tài)。不難觀察發(fā)現(xiàn)，在仿真時間08：01：55、08：02：05時，我方電子戰(zhàn)飛機(jī)由關(guān)機(jī)狀態(tài)改為開機(jī)狀態(tài)，由0變?yōu)?（其中0代表關(guān)機(jī)，1代表開機(jī)）。

圖5 仿真實(shí)體單元信息

圖6 雷達(dá)在干擾前后，探測區(qū)域變化

圖6中UnitID是雷達(dá)仿真中的標(biāo)識，SimTime為仿真時間，在仿真中以15s為1個步長。Points顯示雷達(dá)的探測區(qū)域，以經(jīng)緯度坐標(biāo)在地圖上顯示，部分?jǐn)?shù)值已經(jīng)轉(zhuǎn)化為FLAMES內(nèi)核可讀的形式。不難發(fā)現(xiàn)在08：01：50與08：02：05時，雷達(dá)探測區(qū)域發(fā)生明顯變化，說明敵方雷達(dá)的探測區(qū)域在我方電子戰(zhàn)飛機(jī)中的干擾機(jī)開機(jī)后明顯受到影響，證實(shí)了干擾機(jī)在電子戰(zhàn)飛機(jī)組合建模中的有效性。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，得到了電子戰(zhàn)飛機(jī)和敵方雷達(dá)的仿真數(shù)據(jù)，可觀察發(fā)現(xiàn)電子戰(zhàn)飛機(jī)在探測到敵方雷達(dá)、干擾機(jī)模型由關(guān)機(jī)狀態(tài)變?yōu)殚_機(jī)狀態(tài)后，敵方雷達(dá)探測區(qū)域明顯受到影響，證實(shí)了電子戰(zhàn)飛機(jī)中的干擾機(jī)模型在仿真中發(fā)揮了作用，同時證明了本文提出的基于FLAMES的仿真模型的組合建模方法的有效性。

4 結(jié)束語

基于FLAMES的仿真模型組合建模方法結(jié)合柔性仿真與組合建模理論，提高了模型的適應(yīng)性，增強(qiáng)了模型的組合性、重用性。本文結(jié)合某型電子戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型組合的有效性。

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