杜國紅，李路遙

(南京陸軍指揮學院作戰(zhàn)實驗中心，江蘇 南京 210045)

建模與仿真技術是研究戰(zhàn)爭復雜系統(tǒng)的重要方法和手段，隨著仿真系統(tǒng)和仿真模型越來越豐富，研究對象越來越復雜，仿真模型的重用和組合已經(jīng)成為當前戰(zhàn)爭復雜系統(tǒng)建模與仿真領域的熱難點問題［1］。梁義芝等對當前支持仿真模型重用的方法進行了梳理，歸納出多階段建模方法、基于模型框架的方法、基于模型與模型表示的規(guī)范化與標準化方法以及綜合適用上述方法的綜合集成方法［2］，并對支持模型重用的艦艇作戰(zhàn)仿真模型框架進行了研究［3］。宋莉莉等提出了基于面向服務架構(SOA)和模型驅動架構(MDA)的模型重用和組合方法［4］。余廣文提出了模型驅動的組件化A-gent仿真模型開發(fā)方法［5］。由上述文獻可知，當前研究的重點側重于模型架構和重用技術，對模型構建規(guī)范和技術標準方面的研究則較少涉及。仿真模型重用和組合的關鍵是模型的標準化，只有建立標準化的模型框架，確立標準化的模型設計、模型管理以及模型交互方法，才能推動建模與仿真領域的資源重用、共享和互操作。

1 陸軍作戰(zhàn)仿真建模中的問題

陸軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)是一個復雜的巨系統(tǒng)，涉及步兵、裝甲兵、炮兵、防空兵、陸軍航空兵、工程兵、通信兵、防化兵、電子對抗兵、特種部隊等多個兵種，具有要素多、規(guī)模大、關系結構復雜等特點。并且，隨著武器裝備的更新?lián)Q代以及作戰(zhàn)樣式的發(fā)展變化，使得該系統(tǒng)時刻處于變化之中。對它建模，尤其是構建高質量的模型非常困難。至今，陸軍作戰(zhàn)仿真尚未形成較為完善的標準化的仿真模型體系，嚴重阻礙和遲滯作戰(zhàn)仿真的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)模型粒度問題

陸軍作戰(zhàn)仿真模型現(xiàn)已形成平臺級仿真模型和聚合級仿真模型兩種粒度的模型。平臺級仿真模型側重于對武器平臺進行描述，依據(jù)武器平臺的戰(zhàn)技術性能進行建模，具有較高的可信度，但由于建模粒度過細，不能有效支持大規(guī)模的仿真應用。聚合級仿真模型則側重于對單位級如營、連、排、組進行描述，依據(jù)單位的整體戰(zhàn)技術特性進行建模，支持大規(guī)模仿真應用，但由于建模粒度過粗，仿真的可信度往往會受到質疑。因此，如何將兩種粒度的仿真模型進行統(tǒng)一建模，使其既可支持不同規(guī)模的仿真應用，又兼具較高的可信度，是一個迫切的現(xiàn)實需求。

2)模型重用問題

已開發(fā)和建立的模型標準不統(tǒng)一，通用性差，主要體現(xiàn)在三個方面:一是模型在設計和開發(fā)時缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)范指導;二是模型中數(shù)據(jù)、知識與邏輯嚴重耦合;三是模型局限于具體領域的特定需求。

3)建模效率問題

由于在模型框架、模型設計、模型管理、模型交互以及模型開發(fā)集成等方面缺乏標準研究，在作戰(zhàn)仿真建模時，各單位閉門造車、各自為戰(zhàn)，研制的仿真模型也未經(jīng)過有效地校核、驗證和確認，不僅影響了模型的交流和交互，同時也造成模型的重復開發(fā)，使得模型資源極大浪費，且建模過程費時費力，建立和運行成本很高，不易維護、擴展，建模效率低，限制了模型的推廣和使用。

建模仿真在陸軍作戰(zhàn)方案論證、作戰(zhàn)概念創(chuàng)新、新戰(zhàn)法檢驗、作戰(zhàn)能力評估以及作戰(zhàn)訓練等領域發(fā)揮著十分重要的作用，構建的模型越逼真、完善、實用、可靠，則越能發(fā)揮仿真系統(tǒng)的推動和促進作用，產(chǎn)生巨大的軍事和經(jīng)濟效益。因此，進行陸軍作戰(zhàn)仿真模型的標準化研究具有非常重大的意義，建立一個完整、通用的陸軍作戰(zhàn)仿真模型體系框架，推進模型的標準化和規(guī)范化成為現(xiàn)階段陸軍作戰(zhàn)仿真模型研究的當務之急。

2 模型架構標準化設計

模型架構是對模型的構成及其相互關系的規(guī)范化、一致性描述。因此，對模型構成要素及其關系進行梳理分類是進行架構標準化設計的前提。陸軍作戰(zhàn)仿真模型通用要素包括作戰(zhàn)環(huán)境、武器裝備等物理域要素和作戰(zhàn)人員認知域要素，模型差異主要體現(xiàn)在各兵種武器裝備類型、性能、描述粒度以及具體的作戰(zhàn)規(guī)則等層面。在進行模型框架設計時，通過抽象這些共性要素，構建通用的模型體系，將模型結構與具體內容進行分離，從而實現(xiàn)模型架構的通用化、標準化設計。模型體系如圖1所示。

依據(jù)上述模型體系，按照功能邏輯進行抽象分類的原則，將陸軍作戰(zhàn)仿真模型劃分為仿真控制系統(tǒng)、仿真實體＆實體管理系統(tǒng)、地理環(huán)境仿真系統(tǒng)、氣象環(huán)境仿真系統(tǒng)、人工智能仿真系統(tǒng)等系統(tǒng)。通過將上述模型相關核心系統(tǒng)進行插件式設計，采用“方案-單元-實體-組件”的方式描述仿真實體管理機制，功能組件組合的方式描述仿真實體建模機制，事件訂購、分發(fā)的方式描述仿真實體之間的信息交互機制，構建縱向支持武器平臺建模、分隊兵力要素建模、部隊兵力要素建模，橫向支持單兵戰(zhàn)術規(guī)則建模、分隊戰(zhàn)術規(guī)則建模到陸軍合同戰(zhàn)術規(guī)則建模的“柔性”仿真模型架構，支持陸軍作戰(zhàn)仿真需要。仿真模型架構的“柔性”體現(xiàn)為模型架構具有很強的使命導向性、組合靈活性、邊界可延伸性和配置可替換性，具體表現(xiàn)在兩個方面:一是采用插件方式對模型架構進行設計，系統(tǒng)提供規(guī)范的插件接口描述，依據(jù)該接口規(guī)范，可以實現(xiàn)模型組成系統(tǒng)的靈活增減和替換;二是采用功能組件組合的方式對仿真實體進行描述，功能組件是按照仿真應用需要對各類仿真實體的共性功能進行的邏輯拆分，通過拼裝具有最細集合特征的各類功能組件，實現(xiàn)仿真實體的靈活描述?！叭嵝浴狈抡婺Ｐ图軜嬋鐖D2所示。

圖1 陸軍作戰(zhàn)仿真模型體系圖

圖2 模型架構設計圖

其中，仿真控制系統(tǒng)是模型的核心控制系統(tǒng)，負責模型啟動時運行參數(shù)配置、系統(tǒng)插件加載以及系統(tǒng)依賴關系配置和模型運行時各系統(tǒng)的管理調度。仿真實體＆實體管理系統(tǒng)基于抽象描述陸軍作戰(zhàn)仿真涉及的人員、裝備、人工環(huán)境、認知模型等要素，負責對上述實體要素的建模、管理以及交互進行整體設計，同時支持仿真實體的變分辨率建模。地理環(huán)境仿真系統(tǒng)負責對陸軍作戰(zhàn)仿真涉及的地形、天然地物以及地貌進行描述。氣象環(huán)境仿真系統(tǒng)負責對陸軍作戰(zhàn)區(qū)域內的氣象、水文情況進行描述。地理環(huán)境仿真與氣象環(huán)境仿真均采用實現(xiàn)模式進行設計，以支持不同類型、不同格式的地理和氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境仿真系統(tǒng)的通用化設計。人工智能仿真系統(tǒng)負責對仿真實體的智能行為算法進行描述，輔助仿真實體＆實體管理系統(tǒng)完成實體的智能行為建模，如尋路、決策等。

3 模型構建標準化設計

模型構建標準化是指對模型設計方法、模型分類以及模型組裝方法的規(guī)范化描述。傳統(tǒng)模型設計多采用面向對象的建模方法，其基本出發(fā)點是盡可能按照人類認識世界的方法和思維方式來分析和解決問題，并以對象為中心綜合功能抽象和數(shù)據(jù)抽象。其優(yōu)點是比較接近人類認知，易于理解和實現(xiàn);存在的不足是容易出現(xiàn)類爆炸以及分類易混淆的情況?；诮M件的建模方法，則從全新視角，以組件為中心進行建模。其核心思想是將研究的對象作為一個容器，按照對象本身固有功能進行拆解，采用分而治之的方法封裝為組件，由一系列組件的聚集來描述對象。容器本身作為組件的載體無實質內容，可理解為一個空殼。組件之間通過數(shù)據(jù)共享和控制指令實現(xiàn)通信，對象容器與容器之間通過消息實現(xiàn)交互。如圖3所示。

圖3 組件化建模實體結構圖

針對陸軍作戰(zhàn)仿真涉及要素多以及仿真應用差異大的特點，模型組件設計時，既要能夠支持對不同類型武器裝備、兵力要素的描述，又要支持對不同級別的仿真實體如營、連、排等要素的描述。模型組件結構如圖4所示。

圖4 模型組件結構圖

其中，物理組件主要側重于描述仿真實體的物理結構功能，包括平臺組件、機動組件、傳感器組件、武器系統(tǒng)組件、通信組件、干擾組件、目標特征組件、防護組件、資源組件等。行為組件主要側重于描述仿真實體的行為邏輯功能，包括指控組件、任務組件、計劃組件、邏輯規(guī)則組件等。輔助組件主要提供附加功能或判斷邏輯的描述，包括信息組件、觸發(fā)器組件、條件組件、動作組件等。管理器組件按照功能類型提供管理和維護功能，包括任務管理組件、計劃管理組件、資源管理組件、武器系統(tǒng)管理組件、組織管理組件、通信管理組件等。

基于組件的建模方法，按照仿真實體實際功能特性，通過組合各類功能組件，實現(xiàn)仿真實體的靈活描述。如圖5所示，坦克是由平臺組件、機動組件、傳感器組件、武器系統(tǒng)組件、通信組件、防護組件、資源組件等組裝而成;導彈則由平臺組件、機動組件、武器系統(tǒng)組件等組裝而成。

圖5 實體組件組裝示意圖

4 模型管理標準化設計

模型的有序組織和管理是保證模型運行效率和穩(wěn)定性的關鍵，模型管理包括模型靜態(tài)管理和模型動態(tài)管理兩個方面。模型靜態(tài)管理是對模型組件參數(shù)化以及實體裝配的配置方案進行的管理。采用基于組件的建模方法開發(fā)系列功能組件之后，需要依據(jù)具體裝備或兵力要素進行功能組件參數(shù)配置，而后將參數(shù)化的功能組件裝配，形成仿真實體的配置方案。組件參數(shù)化以及實體裝配的配置方案采用XML文件的方式進行設計，通過分層的文件管理方法和資源路徑配置的方式進行管理，模型靜態(tài)管理是模型動態(tài)管理的前提和基礎。模型動態(tài)管理是指對模型運行時組織調度方式的管理，采用“方案-單元-實體-組件”的管理策略予以設計，如圖6所示。

其中，方案管理是模型動態(tài)管理的核心，采用方案的形式對具體的作戰(zhàn)方案進行組織，便于在數(shù)據(jù)邏輯上保持一致。在方案管理初始化期間，單元管理、組織管理、通信管理以及數(shù)據(jù)處理管理向方案管理注冊，提供全局服務功能。單元管理是對作戰(zhàn)編成編組進行的管理，采用單元的形式對處于編成編組同一層級結構中的實體進行組織。單元支持單元嵌套，用于支持單元加入或脫離編組單元。實體管理是對執(zhí)行作戰(zhàn)行動的實體進行管理，任務管理、計劃管理、武器系統(tǒng)管理以及資源管理向實體管理提供注冊，提供對任務、計劃、武器系統(tǒng)以及資源的有序管理。單元與單元、單元與實體、實體與實體之間的交互通過消息分發(fā)管理提供支持。實體同樣支持實體嵌套，用于支持實體搭載或卸載、?？炕蛎撾x等軍事應用。組件管理是對各類功能組件進行管理，包括組件類型管理、組件注冊、組件創(chuàng)建等具體功能。

圖6 模型動態(tài)管理圖

5 模型交互標準化設計

模型交互是指模型各系統(tǒng)之間以及仿真實體之間的信息交互。模型系統(tǒng)間的交互主要是指仿真控制系統(tǒng)與模型插件系統(tǒng)之間的運行調度信息交互。模型運行調度采用消息驅動的方式進行設計，定義三類消息MESSAGE－PREFRAME、MESSAGE－FRAME、MESSAGE－POSTFRAME 分別對應 PreFrame、Frame、Post-Frame消息處理函數(shù)。其中，PreFrame函數(shù)負責系統(tǒng)更新前的準備工作，如網(wǎng)絡通信系統(tǒng)獲取緩存中的通信信息、任務管理組件獲取任務隊列中待執(zhí)行的任務等。Frame負責系統(tǒng)更新工作，如機動組件、傳感器組件、武器系統(tǒng)組件等進行邏輯運算。PostFrame負責系統(tǒng)更新后的善后工作，如網(wǎng)絡通信系統(tǒng)發(fā)布仿真實體狀態(tài)更新信息等，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)交互策略圖

仿真實體之間的交互主要用于描述實體之間指揮、通信、射擊、召喚、上報等信息交互。實體交互采用事件與事件處理的方式進行設計，事件對應具體的交互類型，事件處理對應針對該交互的邏輯處理規(guī)則。定義兩種事件類型:一是立即事件，對應立即執(zhí)行的交互信息;二是未來事件，對應后續(xù)執(zhí)行的交互信息。采用事件工廠的方式描述事件創(chuàng)建機制，事件“訂購-發(fā)布”模式描述事件分發(fā)處理機制，采用事件隊列的方式對事件進行管理，如圖8所示。

圖8 實體交互策略圖

6 結束語

陸軍作戰(zhàn)仿真模型的標準化對于陸軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的設計和發(fā)展具有重大意義，只有建立標準化的模型架構，確立標準化的模型設計、模型管理以及模型交互準則，為陸軍各兵種模型的開發(fā)建立起統(tǒng)一的設計和集成規(guī)范，才能在最大范圍內規(guī)范陸軍作戰(zhàn)仿真模型開發(fā)，避免低水平重復建設，推動陸軍作戰(zhàn)仿真領域的資源重用、共享和互操作。

［1］李瑛，畢義明，金鑫.導彈作戰(zhàn)仿真模型標準化研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(17):5349-5352.

［2］梁義芝，張維石，康曉予，等.仿真模型重用方法綜述［J］.計算機仿真，2008，25(8):1-5.

［3］梁義芝，張維石，康曉予，等.支持模型重用的艦艇作戰(zhàn)仿真模型框架［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(14):4274-4278.

［4］宋莉莉，王維平，李群.基于SOA和MDA的模型重用和組合技術研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(13):3969-3974.

［5］余文廣，王維平，李群，等.模型驅動的組件化Agent仿真模型開發(fā)方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2011，33(8):1907-1912.

［6］中國人民解放軍軍語［M］.北京:軍事科學出版社，2012.

［7］覃征，邢劍寬，鄭翔.Software Architecture［M］.杭州:浙江大學出版社，2007.

［8］王積鵬.信息化建設的頂層設計方法［J］.中國電子科學研究院學報，2011，6(5):457-460.

［9］金偉新，肖田元，馬亞平，等.聯(lián)合作戰(zhàn)仿真模型體系的設計［J］.計算機仿真，2003，20(8):4-6.

［10］胡小云，馮進.陸軍分隊作戰(zhàn)仿真模型結構描述規(guī)范設計［J］.指揮控制與仿真，2010，32(1):63-67.

［11］秦媛媛，趙琳.基于組件化的作戰(zhàn)想定系統(tǒng)設計［J］.信息系統(tǒng)工程，2012(3):129-133.