張斌 李瑞軍

(復(fù)雜系統(tǒng)仿真總體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

1 引言

模型是對(duì)仿真對(duì)象的認(rèn)知。體系仿真的模型設(shè)計(jì)，不僅是技術(shù)方法問(wèn)題，更是怎么理解認(rèn)識(shí)體系結(jié)構(gòu)、演化規(guī)律、交互關(guān)系，并依據(jù)仿真相似性原理進(jìn)行抽象提煉的問(wèn)題。目前，模型體系框架是體系對(duì)抗仿真的熱點(diǎn)，也取得較為豐富的成果［1-11］。但隨著體系理論的不斷發(fā)展和對(duì)體系認(rèn)知的逐步增強(qiáng)，體系仿真的模型框架也會(huì)不斷豐富完善。吸收借鑒模型體系框架研究現(xiàn)有成果，結(jié)合體系基礎(chǔ)理論與聯(lián)合作戰(zhàn)理論研究最新進(jìn)展，提出面向“體系結(jié)構(gòu)(S:Structure)、體系演化(E:Evolution)與體系交互(I:Interaction)一體化(I:Integrated)”的SEII 模型體系頂層框架，進(jìn)一步探索解決體系模型的組合化描述、體系演化模型的作戰(zhàn)域描述和體系交互模型的高性能解算等方面問(wèn)題。

2 模型體系頂層框架概念及意義

2.1 頂層框架基本概念

“框架(framework)”，一般是指用于進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)可重用設(shè)計(jì)的抽象概念結(jié)構(gòu)，廣泛用于軟件工程等領(lǐng)域。從仿真角度來(lái)看，模型體系框架主要解決模型結(jié)構(gòu)與組織等基礎(chǔ)共性問(wèn)題，以支撐仿真模型的廣泛重用和快速繼承。體系對(duì)抗仿真的模型體系頂層框架，是指以體系基礎(chǔ)理論、作戰(zhàn)模擬原理與仿真工程方法為指導(dǎo)，從頂層設(shè)計(jì)的角度，按照聯(lián)合作戰(zhàn)使用要求，對(duì)信息化武器裝備體系對(duì)抗仿真所需模型體系的宏觀分類、交互關(guān)系與模型組織等方面進(jìn)行的總體約定與描述，為實(shí)現(xiàn)模型體系的組合構(gòu)模與參量化建模等重用機(jī)制提供基礎(chǔ)形態(tài)，是進(jìn)一步提高體系仿真科學(xué)化水平與體系仿真系統(tǒng)建設(shè)效益，支撐保障體系級(jí)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)條件，如圖1 所示。

圖1 模型體系頂層框架

頂層框架重點(diǎn)關(guān)注模型體系基本要素主要類別與層次，確定模型體系的宏觀邊界、模型體系交互邏輯模型體系類別間、層次間主要耦合交互關(guān)系模型體系組織方法模型體系框架實(shí)現(xiàn)可重用的基本原則與方法等三個(gè)方面的內(nèi)容。

2.2 頂層框架主要特點(diǎn)

模型框架，是確保模型高效重用與模型一致性的基礎(chǔ)性架構(gòu)。頂層模型體系框架與其他類型的模型體系框架比較而言，具有如下特點(diǎn):一是頂層宏觀性，是從頂層設(shè)計(jì)的角度提出了武器裝備體系對(duì)抗仿真所需模型對(duì)象宏觀類別和模型構(gòu)建基本原則;二是機(jī)理相似性，應(yīng)突出反映模型對(duì)象的體系對(duì)抗本質(zhì)機(jī)理，為開(kāi)展機(jī)理模擬提供條件;三是深化擴(kuò)展性，可依據(jù)應(yīng)用需要，以頂層框架為基礎(chǔ)，對(duì)模型類別領(lǐng)域不斷豐富、對(duì)描述深度細(xì)化擴(kuò)展，以支撐聯(lián)合作戰(zhàn)研究、裝備發(fā)展論證、重大裝備貢獻(xiàn)率分析等不同需要進(jìn)行的針對(duì)性拓展。

2.3 頂層框架主要作用

模型體系框架重點(diǎn)解決模型設(shè)計(jì)中的模型構(gòu)成、交互及組織等基礎(chǔ)共性問(wèn)題。就武器裝備體系對(duì)抗仿真而言，由于“體系對(duì)抗”仿真對(duì)象和“體系實(shí)驗(yàn)”仿真目的的特殊性，所帶來(lái)的模型設(shè)計(jì)問(wèn)題更加突出，主要體現(xiàn)在兩個(gè)變化上:一是由系統(tǒng)到體系，建模對(duì)象的本質(zhì)機(jī)理發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，更加突出對(duì)體系內(nèi)在機(jī)制和運(yùn)行原理的描述;二是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，模型構(gòu)成及組織的復(fù)雜度大幅提高，增加了仿真系統(tǒng)，特別是仿真模型體系建設(shè)難度。頂層模型體系框架研究，將針對(duì)體系對(duì)抗機(jī)理規(guī)律，結(jié)合體系理論研究成果與仿真技術(shù)發(fā)展，梳理體系級(jí)對(duì)抗仿真中模型體系架構(gòu)的基本構(gòu)成與構(gòu)建方法，促進(jìn)模型建設(shè)與應(yīng)用能夠高效滿足各類體系實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

3 SEII 模型體系頂層框架

3.1 SEII 框架

SEII 模型體系頂層框架，是指面向“體系結(jié)構(gòu)、體系演化與體系交互一體化”的模型體系頂層框架，主要從體系結(jié)構(gòu)、演化規(guī)則和交互關(guān)系等本質(zhì)屬性出發(fā)，考慮武器裝備體系組織結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)運(yùn)用以及交互效果計(jì)算等模型體系屬性和構(gòu)建方法而進(jìn)行總體性描述。

3.2 SEII 框架結(jié)構(gòu)

模型體系頂層框架SEII，具有三域兩層的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，如圖2 所示。其中三域是指SEII 的三個(gè)描述域:主要包括D1 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架(Structure Field Description Framework)、D2 演化規(guī)則域描述子框架(Evolution Rule Field Description Framework)以及D3 交互計(jì)算域描述子框架(Interaction Rule Field Description Framework)。兩層是指對(duì)每一描述領(lǐng)域進(jìn)行概要表達(dá)的兩個(gè)基本層級(jí)，包括L1 概略分類描述層和L2 領(lǐng)域細(xì)化描述層。

圖2 “三域兩層”基本架構(gòu)

3.3 SEII 框架實(shí)現(xiàn)機(jī)制

該框架主要通過(guò)參數(shù)化和組合化機(jī)制來(lái)具體實(shí)現(xiàn)，主要包括五個(gè)方面，如圖3 所示:一是自下而上由系統(tǒng)組合裝備(兵力)，如水面艦艇由傳感器、指控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等各類系統(tǒng)組合而成;二是自點(diǎn)到網(wǎng)由裝備構(gòu)建體系，裝備模型構(gòu)建完成后，按照作戰(zhàn)使用，通過(guò)通信關(guān)系、指控關(guān)系、作戰(zhàn)支持關(guān)系建模，將獨(dú)立裝備模型向上聚合為體系模型;三是由少到多由型號(hào)擴(kuò)展類型，完成了一型裝備型號(hào)建模后，可通過(guò)修改性能及使用參數(shù)，快速完成新型裝備建模，達(dá)到原模型在結(jié)構(gòu)上的重用、參數(shù)上的替換。四是由靜到動(dòng)實(shí)現(xiàn)體系運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)規(guī)則模板的參數(shù)填制，形成各類作戰(zhàn)計(jì)劃與作戰(zhàn)規(guī)則(包括裝備(兵力)作戰(zhàn)使用規(guī)則以及指揮控制規(guī)則等)，并加載到對(duì)應(yīng)裝備(兵力)實(shí)體模型上，驅(qū)動(dòng)模型在對(duì)抗條件下的行為活動(dòng)，構(gòu)成體系對(duì)抗的整體演化。五是由單到雙配對(duì)交互關(guān)系，按照作戰(zhàn)交互關(guān)系，將各類裝備進(jìn)行配對(duì)，比如紅方反艦導(dǎo)彈對(duì)藍(lán)方水面艦艇的毀傷關(guān)系、命中概率、不同部位的毀傷概率;紅方內(nèi)部各裝備或兵力通信系統(tǒng)間的通信關(guān)系、通信內(nèi)容、成功概率等內(nèi)容;各類交互模板參數(shù)，交互參數(shù)可根據(jù)未來(lái)作戰(zhàn)使用要求或戰(zhàn)技性能狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，支撐比較實(shí)驗(yàn)。

圖3 框架的參數(shù)化／組合化實(shí)現(xiàn)機(jī)制

4 SEII 各子框架概述

4.1 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架

體系結(jié)構(gòu)域描述子框架，主要用于描述武器裝備體系、體系平臺(tái)、功能系統(tǒng)、背景環(huán)境等內(nèi)容，如圖4 所示。體系構(gòu)成平臺(tái)，是指在武器裝備體系中用于搭載各類功能系統(tǒng)的裝備平臺(tái);體系功能系統(tǒng)，是指可在掛載于各類體系平臺(tái)上的功能系統(tǒng);體系關(guān)聯(lián)關(guān)系，依托平臺(tái)及其掛載系統(tǒng)間的作戰(zhàn)組織關(guān)系進(jìn)行搭建，如通信關(guān)系、指控關(guān)系、交戰(zhàn)關(guān)系、保障關(guān)系;體系背景環(huán)境，是指武器裝備體系運(yùn)用的各類環(huán)境。

圖4 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架概述

4.2 演化規(guī)則域描述子框架

體系動(dòng)態(tài)演化規(guī)則子框架，主要用于描述武器裝備體系演化過(guò)程中的作戰(zhàn)計(jì)劃以及單系統(tǒng)、多系統(tǒng)作戰(zhàn)使用規(guī)則和規(guī)則優(yōu)先機(jī)制等內(nèi)容，如圖5 所示。其中，單系統(tǒng)級(jí)行為規(guī)則主要描述裝備實(shí)體的行為規(guī)則，如遭受攻擊反應(yīng)、威脅判斷、平臺(tái)自主行為等;體系級(jí)行為規(guī)則主要描述聯(lián)合任務(wù)中武器裝備體系中各裝備的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役規(guī)則，如監(jiān)視戰(zhàn)術(shù)、攻擊戰(zhàn)術(shù)、自主戰(zhàn)術(shù)等;規(guī)則優(yōu)選準(zhǔn)則則是武器裝備選擇系統(tǒng)級(jí)行為規(guī)則和體系級(jí)行為規(guī)則發(fā)生沖突時(shí)的優(yōu)先選擇原則。

圖5 演化規(guī)則域描述子框架概述

4.3 交互計(jì)算域描述子框架

由于體系對(duì)抗仿真，涉及聯(lián)合作戰(zhàn)全系統(tǒng)全要素聯(lián)動(dòng)，模型交互頻度激增。單一依托體系級(jí)仿真系統(tǒng)內(nèi)設(shè)模型直接解算，計(jì)算量巨大。美軍較為先進(jìn)的大型作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，為降低計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)提高仿真實(shí)驗(yàn)可信性，一般采用兩種做法:一是與戰(zhàn)術(shù)模擬、裝備模擬、技術(shù)模擬仿真系統(tǒng)綜合使用，由高分辨率系統(tǒng)計(jì)算通信、毀傷等方面少對(duì)少的交互效果，結(jié)果數(shù)據(jù)提供給體系對(duì)抗仿真系統(tǒng)直接使用;二是導(dǎo)入歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為交互裁決依據(jù)。SEII 框架借鑒此機(jī)制，如圖6 所示，在交互效果計(jì)算域描述子框架中設(shè)置交互裁決模板，主要包括探測(cè)效果交互、毀傷效果交互以及信息對(duì)抗交互以及通信成功概率等，將預(yù)先采集的各類交互數(shù)據(jù)(來(lái)自歷史經(jīng)驗(yàn)、軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)與作戰(zhàn)專家等渠道)進(jìn)行集中組織與管理，支撐體系仿真系統(tǒng)的交互模型解算直接調(diào)用。

圖6 交互計(jì)算域描述子框架概述

5 結(jié)束語(yǔ)

模型是系統(tǒng)行為、過(guò)程、結(jié)構(gòu)、關(guān)系的抽象表示，是運(yùn)用仿真方法對(duì)實(shí)際已有或未來(lái)發(fā)展系統(tǒng)進(jìn)行描述和實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)。體系級(jí)仿真，突破了簡(jiǎn)單確定性系統(tǒng)和裝備工程技術(shù)層次模擬的傳統(tǒng)內(nèi)容，重點(diǎn)以反映體系能力涌現(xiàn)、全系統(tǒng)全要素聯(lián)動(dòng)、各作戰(zhàn)域鉸鏈等體系運(yùn)行規(guī)律，模型對(duì)象的核心機(jī)理發(fā)生本質(zhì)轉(zhuǎn)變，模型構(gòu)成及組織的復(fù)雜度大幅增加。頂層框架研究，用來(lái)對(duì)模型體系領(lǐng)域范疇、建模機(jī)制、表述邏輯、組織原則等一些基礎(chǔ)要素進(jìn)行界定，以解決體系模型設(shè)計(jì)原理方法中的基礎(chǔ)性問(wèn)題和體系建模實(shí)踐中的一系列共性問(wèn)題，從而全面指導(dǎo)模型體系設(shè)計(jì)和建模工作的全面開(kāi)展。本文所提SEII 框架，是關(guān)于體系仿真模型的一個(gè)初步探索，著力從結(jié)構(gòu)、演化和交互三個(gè)方面刻畫體系模型，并依托參數(shù)化和組合化建模來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。目前該框架在描述粒度方面仍在豐富完善，不斷提升服務(wù)模型體系設(shè)計(jì)工作的實(shí)際能力。

［1］ 蔣亞民.對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w系軍事設(shè)計(jì)的思考［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2012，26(4):5 -9.

［2］ 胡曉峰，陳雷鳴，畢長(zhǎng)劍，等. 作戰(zhàn)模擬術(shù)語(yǔ)導(dǎo)讀［M］. 北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2004.

［3］ 胡曉峰，楊鏡宇，司光亞，等. 戰(zhàn)爭(zhēng)復(fù)雜系統(tǒng)仿真分析與實(shí)驗(yàn)［M］.北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2008.

［4］ 胡曉峰，司光亞，吳琳，等.戰(zhàn)爭(zhēng)模擬原理與系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2009.

［5］ 荊濤.戰(zhàn)役層次海軍武器裝備頂層對(duì)象模型體系研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005，22(10):4 -7.

［6］ 蔣德瓏. 曹建軍. 武器裝備體系評(píng)估論證模型的構(gòu)建研究［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2014，28(1):47 -51.

［7］ 金偉新，肖田元.基于復(fù)雜系統(tǒng)理論的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)體系對(duì)抗仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(10):2435 -2445.

［8］ 黃建新，李群，賈全，等.可組合的Agent 體系仿真模型框架研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33(7):1553 -1557.

［9］ MAIER M W. Architecting principles for systems of systems［J］.Systems Engineering，1998，1(4):267 -284.

［10］ BAR YAM Y. The characteristics and emerging behaviors of systems of systems［M］. New England Complex Systems Institute，2004.

［11］ CASALICCHIO E，GULLI E，TUCCI S. Agent-based modeling of interdependent critical infrastructure［J］. International Journal of System of Systems Engineering，2010，2(1):60 -75.