柏 羽，孫永侃，張萍萍

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

海戰(zhàn)場實體的范圍很廣，廣義上定義為海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中能單獨辨識的一切主體和客體，可以是具體的人、事、物，也可以是抽象的概念或聯(lián)系［1］。本文將實體界定為海戰(zhàn)場中客觀存在、可觸、可知且有形的作戰(zhàn)裝備實體，如一艘艦艇、一枚導(dǎo)彈等，不考慮海戰(zhàn)場環(huán)境等設(shè)施實體。顯然，實體是海上軍事活動的主體，對實體進行仿真是海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。為提高實體仿真效率，我們有必要對實體數(shù)據(jù)進行有效管理［2］。目前，海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體的數(shù)據(jù)建設(shè)工作始終具有一定難度，主要體現(xiàn)在兩個方面［3］:一是數(shù)據(jù)量龐大，部分實體數(shù)據(jù)更新速度快，對仿真瞬時影響大;二是功能、層次不同的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，建模方式存在差異，對實體的描述各有側(cè)重。

這就需要我們建立一個準(zhǔn)確、一致、可擴展、可重用的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架，有效管理各類實體數(shù)據(jù)。一個高可用性的數(shù)據(jù)框架將有效提高建模效率，降低開銷，提高數(shù)據(jù)的重用性［4］。目前對實體數(shù)據(jù)建設(shè)工作的研究成果已有很多，但針對海上作戰(zhàn)實體的研究相對較少，且對實體動態(tài)數(shù)據(jù)管理方面的重視不夠。本文通過設(shè)計一個面向海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的實體數(shù)據(jù)框架，為各類海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)提供實體數(shù)據(jù)支持，進而為各系統(tǒng)間實體數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)提供基礎(chǔ)。

1 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體特點

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)涉及到大量的實體，而每一個實體的結(jié)構(gòu)、功能、性能都是借助一系列數(shù)據(jù)來體現(xiàn)的。海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架是一個由相互關(guān)聯(lián)、影響的海量實體數(shù)據(jù)依照一定的規(guī)則，科學(xué)、系統(tǒng)、有機地聯(lián)系在一起形成的整體。要研究海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架，首先要對其實體進行分類。實體的分類方式繁多，有按照實體層次劃分、專業(yè)劃分、作戰(zhàn)樣式劃分、類別劃分等［5］。本文按照類別不同進行劃分，分為平臺類實體、彈藥類實體和裝備類實體三類。

平臺類實體是基礎(chǔ)性實體，一方面肩負著海上部隊的一切機動、集結(jié)、運輸?shù)热蝿?wù)，另一方面可以作為載體，搭載不同的武器裝備，執(zhí)行多種條件下的攻擊、防御、干擾等任務(wù)。根據(jù)執(zhí)行任務(wù)環(huán)境的差異，又可以將平臺類實體分為水面艦艇、潛艇、飛機三類，分別對應(yīng)海面、水下、空中三個維度。

彈藥類實體與攻擊任務(wù)密切相關(guān)。在海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，彈藥一經(jīng)發(fā)射，脫離平臺，便有屬于自己的運動方式及狀態(tài)，可單獨作為一個實體看待。彈藥類實體種類繁多，相互之間構(gòu)成、工作原理也有所不同，主要可以分為導(dǎo)彈、魚雷、火炮、水雷四類。

裝備類實體雖然多數(shù)搭載在各作戰(zhàn)平臺上，作為平臺的一個子實體。而目前各類海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，對這一類實體的效能更加注重。因此，可單獨作為一類實體進行研究，按照類別不同可以分為雷達、聲納、電子對抗設(shè)備三類。

三類實體相互之間也存在著復(fù)雜的聯(lián)系，主要有以下三種［6］。

一是構(gòu)成關(guān)系。各實體數(shù)據(jù)之間存在關(guān)聯(lián)，按照一定的組織方式進行組合，主要包括平臺和裝備的關(guān)系、裝備和彈藥、平臺和編隊的關(guān)系，如圖1所示。

二是組織關(guān)系。各實體數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則，建立從上到下的指揮控制關(guān)系，如圖2所示。

圖2 實體組織關(guān)系

三是損傷關(guān)系。彈藥類實體會與平臺實體與裝備實體構(gòu)成不同程度的毀傷關(guān)系，如圖3所示。

圖3 實體損傷關(guān)系

2 基于動態(tài)數(shù)據(jù)的實體數(shù)據(jù)框架

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中對實體進行描述需要大量的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的各類實體裝備數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)源對數(shù)據(jù)分類存儲的，若將系統(tǒng)直接面向各數(shù)據(jù)庫，則海量、異構(gòu)的實體數(shù)據(jù)處理起來會消耗大量的系統(tǒng)資源，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運行速度。并且，每個海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)根據(jù)其仿真目的、功能不同，并不是與所有實體數(shù)據(jù)都相關(guān)，不同海戰(zhàn)仿真所需要的實體種類不同，且對實體的描述要素也存在不同側(cè)重的需求。此外，在海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的運行過程中，各類實體數(shù)據(jù)不斷地進行調(diào)用、計算、更新，如此大量的數(shù)據(jù)運算會給整個系統(tǒng)帶來不小的負擔(dān)。而這些實體數(shù)據(jù)中，有大量的數(shù)據(jù)在仿真運行過程中不發(fā)生變化或是變化速度緩慢，不會對仿真結(jié)果造成影響，而會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)往往變化迅速，需要不斷進行監(jiān)測、記錄。

因此，本文提出建立一個基于動態(tài)數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架，將實體數(shù)據(jù)分為動態(tài)和靜態(tài)兩類分別處理，根據(jù)具體仿真任務(wù)的不同提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方法能夠大大減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸和處理，可進一步提升仿真系統(tǒng)的效能?？蚣艿奶攸c如下［7-9］。

1)以仿真需求為牽引。實體建模方式多種多樣，根據(jù)仿真需求不同，實體建模所需要的實體數(shù)據(jù)存在差異。在建立海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架時，應(yīng)脫離具體模型，以各仿真需求為牽引，確定實體要素。

2)支持動態(tài)數(shù)據(jù)管理。在仿真運行過程中，實體動態(tài)數(shù)據(jù)多用于描述實體當(dāng)前狀態(tài)，對仿真瞬時影響大，在建立實體框架時，應(yīng)著重將動態(tài)數(shù)據(jù)進行單獨分類管理。

3)可重用的集成數(shù)據(jù)管理。為滿足實際仿真需要，須改變以往的數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用方式。建立可重用的高集成度實體數(shù)據(jù)框架，有需要時隨時進行數(shù)據(jù)抽取，通過交互接口為各仿真模塊靈活地提供數(shù)據(jù)支持。

一個完整的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體模型包括實體模型結(jié)構(gòu)和實體數(shù)據(jù)兩部分。前者定義了實體模型的體系框架，后者作為輔助，能將實體模型進行實例化。建立海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架時應(yīng)做到以下幾點:一是明確實體間關(guān)系;二要對實體進行要素描述;三要對實體進行數(shù)據(jù)設(shè)計。此外，海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架作為數(shù)據(jù)源與海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的過渡層，應(yīng)提供對兩者的交互接口。具體框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架提供與各類數(shù)據(jù)源、仿真應(yīng)用的交互接口?？蚣苣軌蛲ㄟ^數(shù)據(jù)獲取服務(wù)，從想定數(shù)據(jù)庫、實體裝備數(shù)據(jù)庫等來源獲取符合要求的實體參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，將實體參數(shù)提供給各類仿真應(yīng)用。

框架中涉及的數(shù)據(jù)量龐大，為提高效率，將數(shù)據(jù)分為動態(tài)與靜態(tài)兩類處理。將一定時間、空間等約束條件下，變化緩慢且對仿真結(jié)果影響不大的實體數(shù)據(jù)視為靜態(tài)數(shù)據(jù)，可以大大減少數(shù)據(jù)量，省去許多不必要的運算，在不影響仿真結(jié)果的前提下，節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存，提高仿真效率。而將在仿真過程中，變化迅速且對仿真結(jié)果影響較大的數(shù)據(jù)視為動態(tài)數(shù)據(jù)處理。動態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量往往非常巨大，通常借助動態(tài)變化模型進行實時運算、更新。動態(tài)變化模型主要用于體現(xiàn)實體在仿真過程中狀態(tài)的變化，其建立方法較多，通過采用合理的實體動態(tài)變化模型與制定不同頻率的數(shù)據(jù)更新策略，能夠提高仿真運行效率。

圖4 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架

3 基于動態(tài)數(shù)據(jù)的實體要素提取

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的仿真體系、模型不同，建立實體模型的方式也多種多樣。因此，建立框架時應(yīng)不受具體模型的約束，全面考慮實體的各個描述要素，從而滿足不同的仿真需求?；谏鲜鰧嶓w分類方式以及數(shù)據(jù)框架，對各實體的主要要素進行提取。

3.1 平臺類實體

平臺類實體指海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中的各作戰(zhàn)平臺，包括水面艦艇、潛艇、飛機三類。

其動態(tài)要素包括:

1)平臺位置信息。用于描述平臺當(dāng)前所處位置。

2)平臺運動狀態(tài)。用于描述平臺當(dāng)前速度信息、穩(wěn)態(tài)信息等。

3)平臺毀傷情況。用于描述平臺及平臺搭載武器裝備當(dāng)前的損毀狀況。

4)平臺載荷情況。用于描述平臺載彈量、載油量等信息。

其靜態(tài)要素包括:

1)實體標(biāo)識。用于區(qū)分不同的實體，如平臺名稱、型號、國別、代號、圖標(biāo)等信息。

2)物理尺寸。用于描述平臺的幾何外觀，如實體的長、寬、高等信息。

3)運動學(xué)參數(shù)。用于描述平臺的機動能力，如平臺運動速度、加速度等信息。

4)性能屬性。用于描述平臺所具備的性能，如續(xù)航能力、動力裝置等信息。

5)裝備能力。用于描述平臺攜帶各種武器裝備的能力，如攜帶彈藥種類、數(shù)量以及搭載裝備的種類、數(shù)量等信息。

3.2 彈藥類實體

彈藥類實體指直接用于實施各種打擊任務(wù)的彈藥，包括導(dǎo)彈、魚雷、火炮、水雷四類。

其動態(tài)要素包括:

1)彈藥位置信息。用于描述彈藥當(dāng)前所處位置。

2)彈藥運動狀態(tài)。用于描述彈藥當(dāng)前速度信息、穩(wěn)態(tài)信息等等。

3)彈靶關(guān)系。用于描述彈藥當(dāng)前與目標(biāo)的位置速度等關(guān)系。

其靜態(tài)要素包括:

1)實體標(biāo)識。用于區(qū)分不同的實體，如彈藥名稱、型號、類型、國別、代號、圖標(biāo)等信息。

2)物理尺寸。用于描述彈藥的幾何外觀，如彈長、翼展、彈重等信息。

3)性能屬性。用于描述彈藥所具備的能力，如彈藥運動能力、制導(dǎo)能力、發(fā)射條件等信息。

3.3 裝備類實體

裝備類實體指搭載在平臺實體之上的設(shè)備，在對其工作效能需求較重的情況下可以單獨作為一個實體看待，主要包括雷達、聲納、電子對抗設(shè)備三類。

其動態(tài)要素包括:

1)裝備工作范圍。用于描述探測/干擾類裝備的工作方向、角度、距離等信息。

2)裝備工作效果。用于描述裝備開展探測/干擾的時間、面積等信息。

其靜態(tài)要素包括:

1)實體標(biāo)識。用于區(qū)分不同的實體，如設(shè)備名稱、型號、類型、國別、代號、圖標(biāo)等信息。

2)基本屬性。用于描述裝備的基本性能，如功率、頻率等信息。

3)工作能力。用于描述裝備的基本功能，如探測目標(biāo)、探測范圍等信息。

4 基于動態(tài)的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)設(shè)計

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)運行過程中，實體數(shù)據(jù)不斷進行運算、更新與存儲。如此龐大的數(shù)據(jù)給整個仿真系統(tǒng)的存儲空間、運行效率帶來不小的負擔(dān)，基于動態(tài)數(shù)據(jù)對框架進行簡化設(shè)計能夠有效緩解這個問題。

4.1 平臺類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

在仿真運行過程中，各平臺的實體標(biāo)識、物理尺寸等要素基本不變，可視為靜態(tài)數(shù)據(jù)。而其運動狀態(tài)、裝備情況會隨著仿真運行不斷變化，可視為動態(tài)數(shù)據(jù)。平臺類實體相互間描述要素較為相似。

以水面艦艇為例，其動態(tài)數(shù)據(jù)包括以下幾點:

1)水面艦艇航行坐標(biāo)，指水面艦艇在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中所處的位置。2)水面艦艇航向，指當(dāng)前水面艦艇航行的方向。3)水面艦艇航速，指當(dāng)前水面艦艇航行的速度。4)燃料情況，指當(dāng)前水面艦艇燃料的消耗量及剩余量。

5)彈藥情況，指當(dāng)前水面艦艇彈藥的消耗量及剩余量。

6)毀傷情況，指當(dāng)前水面艦艇平臺及所搭載武器裝備的毀傷狀況。

7)水面艦艇穩(wěn)態(tài)參數(shù)，包括橫搖角、橫搖角速度、橫搖角加速度。

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括以下幾點:

1)實體標(biāo)識，包括名稱、型號、國別、代號、圖標(biāo)等。

2)物理尺寸，包括艦長、艦寬、吃水量、標(biāo)準(zhǔn)排水量、滿載排水量等。

3)運動學(xué)參數(shù)，包括巡航速度、最大速度、最大/小加速度、最大角速度、旋回直徑、最大搖擺角等。

4)性能屬性，包括續(xù)航力、動力裝置、人員編制等。

5)裝備能力，包括艦載設(shè)備和艦載武裝兩類。其中艦載設(shè)備指攜帶雷達、聲納、電子戰(zhàn)等裝備情況，艦載武裝指搭載的艦炮、導(dǎo)彈等武器情況。

動態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)計能更好地反應(yīng)出各平臺當(dāng)前的位置、運動以及載荷情況。因此，對這類實體的描述數(shù)據(jù)，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 彈藥類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

同樣，對于彈藥類實體來說，在仿真運行過程中，實體標(biāo)識、物理尺寸等要素基本不變，可視為靜態(tài)數(shù)據(jù)。而彈藥的運動狀態(tài)，如當(dāng)前位置、方向、速度等信息對仿真實時影響大，可視為動態(tài)數(shù)據(jù)進行處理。

以導(dǎo)彈為例，其動態(tài)數(shù)據(jù)包括以下幾點:

1)導(dǎo)彈飛行坐標(biāo)，指導(dǎo)彈在發(fā)射坐標(biāo)系中所處的位置。

2)導(dǎo)彈飛行高度，指導(dǎo)彈距離海平面的高度。

3)飛行時間參數(shù)，包括導(dǎo)彈末制導(dǎo)開機時間、累計飛行時間、導(dǎo)彈分段飛行時間。

4)速度參數(shù)，包括導(dǎo)彈飛行速度與在發(fā)射坐標(biāo)系中三個軸上的分速度，以及彈道偏角、彈道傾角。

5)加速度參數(shù)，包括導(dǎo)彈切向加速度、導(dǎo)彈法向加速度與導(dǎo)彈側(cè)向加速度。

6)彈靶關(guān)系參數(shù)，包括彈靶相對距離、彈靶相對速度與彈速前置角。

7)導(dǎo)彈飛行過載及在發(fā)射坐標(biāo)系中三個軸上的分過載。

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括以下幾點:

1)實體標(biāo)識，包括導(dǎo)彈名稱、型號、類型、國別、代號、圖標(biāo)等。

2)物理尺寸，包括彈長、彈徑、翼展、彈重等。

3)性能屬性，包括航程、有效射程、飛行速度、飛行高度、戰(zhàn)斗部裝藥量、制導(dǎo)方式、自導(dǎo)距離、發(fā)射條件、搜索類型等。

動態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)計能更好地反應(yīng)出彈藥的瞬時位置信息、運動狀態(tài)以及與目標(biāo)之間的動態(tài)關(guān)系。對這類實體的描述數(shù)據(jù)，其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.3 裝備類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

裝備類實體種類比較復(fù)雜，具體數(shù)據(jù)會根據(jù)裝備種類、功能不同呈現(xiàn)出明顯的差異。其中雷達實體和聲納實體都屬于探測類裝備，兩者較為接近，其實體標(biāo)識、基本性能保持相對不變，而探測方位會發(fā)生變化。電子對抗設(shè)備主要分為電子偵查設(shè)備與電子干擾設(shè)備兩類，可將偵查與干擾的方向、角度視為動態(tài)數(shù)據(jù)。此外，對于箔條、紅外干擾彈來說，其展開程度、持續(xù)時間等數(shù)據(jù)也可以作為動態(tài)數(shù)據(jù)記錄。對這類實體的描述數(shù)據(jù)，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 平臺類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

5 基于動態(tài)的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體描述數(shù)據(jù)框架實現(xiàn)

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架能為各實體模型、想定以及仿真子系統(tǒng)提供實體數(shù)據(jù)支持及數(shù)據(jù)共享基礎(chǔ)。XML(可擴展標(biāo)記語言)作為一種數(shù)據(jù)存儲、傳遞和交換的元語言標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的可擴展性、高度結(jié)構(gòu)化、平臺無關(guān)性等特點，能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)進行一致、完整、無歧義的描述［11］。因此，將XML應(yīng)用于數(shù)據(jù)框架的構(gòu)建工作能大大提高數(shù)據(jù)框架的靈活性。

基于上述分析，運用面向?qū)ο笤O(shè)計方法，將各實體進行類定義，借助XML對每個實體類進行形式化描述。以水面艦艇為例，對其進行XML描述:

圖6 彈藥類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

圖7 裝備類實體數(shù)據(jù)設(shè)計

6 結(jié)束語

海戰(zhàn)場實體仿真是海戰(zhàn)建模與仿真的重要組成部分。本文設(shè)計了一種基于動態(tài)數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)框架，抽象出每類實體的主要要素，并采用動靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合的方式對實體數(shù)據(jù)進行簡化設(shè)計，最后運用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，借助XML語言對實體進行描述。本文研究的內(nèi)容已初步應(yīng)用在海戰(zhàn)仿真相關(guān)系統(tǒng)研究中。通過對各實體要素進行一致、完整、無歧義的描述，能為海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)各模塊的開發(fā)提供快速構(gòu)建實體數(shù)據(jù)模型的支持，以及未來為開發(fā)同一項目與其他組織機構(gòu)合作提供數(shù)據(jù)共享基礎(chǔ)。

［1］張永亮，姜峰.陸軍作戰(zhàn)仿真指揮實體概念建模方法研究［C］.2013第一屆中國指揮控制大會論文集，2013:5.

［2］張宏軍，等.作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)概論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［3］殷宏.作戰(zhàn)仿真實體可視化數(shù)據(jù)模型關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2009.

［4］胡斌，常青.軍事概念模型建模實踐分析與研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008(12):3085-3088.

［5］張宏軍，等.作戰(zhàn)仿真數(shù)據(jù)工程［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［6］溫瑋，何友，李牧.基于參數(shù)數(shù)據(jù)庫的CGF實體框架結(jié)構(gòu)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007(6):1231-1233，1237.

［7］Maire D.The theory of relational databases［M］.New York:Computer Science Press，1996.

［8］傅勉，張軍，趙永超，等.面向裝備論證的作戰(zhàn)任務(wù)描述方法研究［J］.指揮控制與仿真，2011(3):21-23.

［9］Carl H B，Stevens C B，Richard N.Command Concepts:A Theory Derived from the Practice of Command and Control［R］.RAND，1999.

［10］Inmon W H.Building the Data WAREHOUSE［M］.New York:John WILEY/Qed，1996.

［11］王鳳山，趙麗娜，張宏軍.軍事工程實體信息及數(shù)據(jù)描述方法研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2010(6):63-67，121.

［12］楊瑞平，郭齊勝.指揮實體建模與仿真研究［J］.火力與指揮控制，2008(10):63-66.

［13］陸敏，黃湘鵬，施未來.軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架研究進展［J］.通信技術(shù)，2011(3):77-79.

［14］王永良，等.仿真系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.