楊　妹, 楊山亮, 許　霄, 鞠儒生, 黃柯棣

(國防科學技術大學信息系統(tǒng)與管理學院, 湖南 長沙 410001)

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面向高層輔助決策的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)框架

楊妹, 楊山亮, 許霄, 鞠儒生, 黃柯棣

(國防科學技術大學信息系統(tǒng)與管理學院, 湖南 長沙 410001)

摘要：作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)是面向高層輔助決策系統(tǒng)研究中的關鍵基礎性課題,目前的研究在模型設計和應用層次上不是針對高層次作戰(zhàn),無法有效解決高層輔助決策時面臨的大規(guī)模復雜性問題。通過研究分析仿真系統(tǒng)在面向高層輔助決策系統(tǒng)中的地位,分析系統(tǒng)開發(fā)所要遵循的原則性問題,提出了基于指控驅動、模型驅動、數(shù)據(jù)驅動的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)框架。該研究成果從總體上對面向高層輔助決策的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)進行了研究,理清了面向高層的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的設計思路,為系統(tǒng)建設提供了指導。

關鍵詞：高層輔助決策; 分析仿真; 系統(tǒng)框架; 開發(fā)原則

0引言

近年來,建模與仿真因為能極大地降低成本、避免人員傷亡、執(zhí)行過程不受實際環(huán)境限制,已經成為研究和分析戰(zhàn)爭規(guī)律的重要手段之一[1]。使用建模與仿真技術為軍事指揮人員提供輔助決策也已經成為軍事領域的研究熱點。然而,戰(zhàn)爭系統(tǒng)本身的復雜性和不確定性、輔助決策系統(tǒng)的實時性和高效性需求、新技術和新裝備的應用給研究大規(guī)模聯(lián)合作戰(zhàn)過程帶來了極大的挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在:①決策體現(xiàn)了指揮的藝術,應該考慮真實世界中人進行決策的過程,以及人對決策的影響因素;②戰(zhàn)爭不是孤立系統(tǒng),在進行軍事打擊的過程中,涉及多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)、多種類型武器運用、復雜作戰(zhàn)環(huán)境影響,需要在對戰(zhàn)爭進行不同層次的分解研究以及作戰(zhàn)實驗的體系化建設,并綜合考慮多種因素的影響。針對戰(zhàn)略或戰(zhàn)役層決策問題的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)是作戰(zhàn)實驗體系的重要組成部分,它的目的在于對戰(zhàn)略或戰(zhàn)役過程進行模擬,為指揮人員提供決策支持,也能成為訓練高層決策人員和開發(fā)作戰(zhàn)概念與條令的重要手段。

在作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的建設方面,國內外學者已經進行了大量的工作。典型的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)或平臺有:可擴展分析建模與訓練系統(tǒng)(flexible analysis modeling and exercise system,FLAMES)、聯(lián)合軍事戰(zhàn)術系統(tǒng)(joint operational tactical system,JOTS)、MANA(map aware non-uniform automata)、聯(lián)合戰(zhàn)區(qū)模擬系統(tǒng)(joint theater level simulation,JTLS)、聯(lián)合分析系統(tǒng)/聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)(joint analysis system/joint warfare system,JAS/JWARS)和深綠(deep green),以及國內的XSim、HPC-RTI、YH-SUPE等平臺。

這些系統(tǒng)或平臺都是針對作戰(zhàn)領域的特定應用目的開發(fā)的,已經在組件化建模、運行速度、應用人工智能技術體現(xiàn)人的決策行為、強調以(command,control,communications,computers, intelligence, surveillance and reconnaissance,C4ISR)為核心的建模和多系統(tǒng)互聯(lián)等方面已經取得較可用性成果,為探索面向高層輔助決策的作戰(zhàn)分析仿真框架提供了較好的借鑒。但是,仍然存在以下不足之處:①模型抽象程度不能滿足戰(zhàn)時高層決策支持系統(tǒng)要求,戰(zhàn)術層仿真系統(tǒng)模型分辨率太高、對細節(jié)關注太多,JWARS等聯(lián)合戰(zhàn)役層仿真系統(tǒng)模型分辨率不符合我軍指揮員習慣;②人機交互支持有限,不支持或較少支持仿真運行過程中數(shù)據(jù)的修改;③缺乏對聯(lián)合作戰(zhàn)應用層面的支持。除此之外,上述研究較少涉及高層次作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)總體框架問題。

本文通過研究作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)在面向高層輔助決策支持系統(tǒng)中的地位,結合其他學者的研究成果分析了系統(tǒng)開發(fā)所要遵循的原則性問題,提出了基于指控、模型(Command and control,C2)驅動、模型驅動和數(shù)據(jù)驅動的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)框架,從總體上對面向高層輔助決策的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)進行了研究,理清了面向高層的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的設計思路,為系統(tǒng)建設提供了指導。

1面向高層輔助決策支持的作戰(zhàn)分析仿真

在戰(zhàn)爭環(huán)境中,軍事指揮員通常面臨戰(zhàn)爭系統(tǒng)中復雜的時空關系,需要根據(jù)有限的信息在有限的時間內對敵方的敵對行為快速做出反應。根據(jù)指揮員的經驗和意圖,軍事分析仿真能快速地分析這些意圖執(zhí)行后的可能結果,從而為指揮員的決策提供支持。

面向高層輔助決策支持的作戰(zhàn)分析仿真(operational analytic simulation for high level decision-making,HLDM-OAS)是軍事領域高層決策支持系統(tǒng)中的一個部分。使用計算機仿真支持高層決策的一個重要目的是回答“在已有給定任務目標以及當前可獲得的信息情況下,哪一種解決方案是最好的”這一問題[2]。文獻[3]指出,與純粹的啟發(fā)式方法或幾何方法相比,在不確定性和復雜性條件下只有依靠仿真技術才能夠制定出最有效的計劃。根據(jù)軍事仿真系統(tǒng)應用層次的分類[4],面向高層輔助決策支持的作戰(zhàn)實驗仿真指主要用于對高層指揮員和決策者進行決策輔助的戰(zhàn)爭分析仿真系統(tǒng)。這一概念包含以下幾個含義:一是指明了進行建模與仿真所要研究的對象是軍事戰(zhàn)爭領域及其相關領域的個體和行為;二是由于它的主要目的是面向高層決策,因此在對研究對象建模時,所需要進行的模型抽象和簡化應該滿足研究目的;三是仿真運行過程要滿足決策系統(tǒng)對仿真提出的需求;四是仿真結果要能為高層指揮人員提供決策支持。

為了實現(xiàn)對戰(zhàn)爭過程的模擬,面向高層輔助決策支持的作戰(zhàn)實驗仿真通常有兩步執(zhí)行過程[5],如圖1所示:首先,分析人員根據(jù)應用開發(fā)具體的想定,想定中描述了作戰(zhàn)過程中涉及的部隊、單位和裝備的參數(shù),以及初步的作戰(zhàn)計劃/方案。該過程中用戶對所開發(fā)的想定進行多次運行進一步調整細化作戰(zhàn)計劃/方案,使之可以正確闡述所要完成的軍事行動;其次,對每一細化后的作戰(zhàn)計劃/方案進行批量蒙特卡羅運行,獲得統(tǒng)計結果,再對結果進行評估以便得到決策所需的輔助性結論。

圖1　作戰(zhàn)分析仿真的分析過程圖

2作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的構建原則

由于戰(zhàn)爭系統(tǒng)越來越復雜,如何指導開發(fā)一個面向聯(lián)合作戰(zhàn)的軍事仿真系統(tǒng)已經越來越受到國內外軍事領域人員和仿真工作者的高度重視。比較有代表性的研究有:蘭德公司的研究報告指出了諸如美國空軍特種作戰(zhàn)司令部(Joint Forces Air Component Commander)在作戰(zhàn)計劃編制過程中所需的高層軍事決策支持系統(tǒng)的基本原理和方法,以此應對戰(zhàn)場中的不確定性因素[6]。文獻[4]指出為了提高分析和預測軍事復雜系統(tǒng)的能力,可以將仿真系統(tǒng)與實際指揮控制系統(tǒng)有機結合形成作戰(zhàn)分析仿真評估系統(tǒng),他還從軍事分析仿真評估系統(tǒng)的互操作性和在線決策系統(tǒng)方案設計等方面提出了該系統(tǒng)用于指揮控制決策支持領域所涉及的關鍵技術。文獻[7]研究了戰(zhàn)爭分析模擬系統(tǒng)的特點和組成。這些論述和研究都對開發(fā)作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)具有重要的參考價值。

2.1仿真軟件提出的要求

仿真軟件是仿真系統(tǒng)的靈魂,對數(shù)字仿真至關重要[8]。構建HLDM-OAS系統(tǒng)的最終目標是針對高層決策支持實現(xiàn)具有能用性、可用性、好用性、易于維護和可重用的仿真軟件,這些要求也是常見軟件系統(tǒng)所需要遵循的原則[9-11]。

(1) 能用性

能用性指仿真軟件提供了達到應用目的所需要的能力,能夠在一定的應用背景下為特定用戶實現(xiàn)其目標提供支持。

(2) 可用性

可用性指仿真軟件能被其用戶使用并在某些方面達到一定的效果,如:滿意度、效率、效益等。其中,滿意度指用戶對系統(tǒng)使用的體驗感到滿意,效率指為了達到用戶的應用目的而對資源的利用率,效益是指系統(tǒng)能夠幫助用戶達到目標的程度。

(3) 好用性

好用性描述了仿真軟件可被用戶使用的程度。軟件開發(fā)追求的目標之一是,設計和開發(fā)的軟件即使是對新手用戶都能使用。達到好用性要求的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)使作戰(zhàn)實驗人員或指揮參謀人員不經過特殊培訓就能直接開展仿真實驗。

(4) 軟件維護和重用

維護指對仿真軟件在出現(xiàn)錯誤時進行的修改。這既要求軟件本身具有可測試性,能通過測試發(fā)現(xiàn)軟件可能存在的問題;還需要提供軟件的可修改能力,能便于解決軟件測試或運行時發(fā)現(xiàn)的問題。重用性體現(xiàn)了已開發(fā)的軟件產品或其組件可以運用到其他軟件系統(tǒng)的能力。軟件的對維護和重用能力的支持能提高軟件開發(fā)的效率,節(jié)約仿真系統(tǒng)的開發(fā)成本,縮短仿真系統(tǒng)的建設周期。

其中能用性、可用性和好用性在涵義上逐層遞進。能用性反映了系統(tǒng)在一定程度上達到設計要求的能力,通常能體現(xiàn)一定的作戰(zhàn)使用能力、實現(xiàn)一定的功能即可;可用性反映了用戶對系統(tǒng)使用效果的要求,通常追求系統(tǒng)加速比、二維或三維態(tài)勢顯示能力等指標;好用性是系統(tǒng)設計的最終要求,一個不好用的HLDM-OAS系統(tǒng)即使達到了能用和可用的要求,也可能因為被用戶的接受程度較小而喪失競爭力。

2.2決策支持提出的要求

本文研究的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)是決策支持系統(tǒng)的子系統(tǒng),因而需要滿足決策支持系統(tǒng)對其提出的需求,主要包括[4,12-13]:

(1) 快速性

軍事分析仿真為高層決策提供可選方案的質量取決于提交方案之前可用的時間。如果時間越充裕,那么可以進行的仿真越多,仿真實驗也可以實時進行。另一方面,如果時間很緊迫,那么可以使用抽象層次更高的低分辨率模型作為模擬實驗的模型。這一快速性需求對仿真系統(tǒng)的引擎提出了要求,使用高速計算方法或并行方法可以極大地節(jié)省仿真執(zhí)行所花費的時間。

(2) 參數(shù)可調整

決策支持系統(tǒng)的一個重要目的是最大程度地評價每種備選方案。為了達到這一目的,需要進行What-if分析,用于分析參數(shù)的變化對結果的影響[12]。這涉及到“靈敏度分析”問題,即參數(shù)的微小變化最好只引起給定方案的微小變化或不變化,這也是系統(tǒng)中仿真子系統(tǒng)的主要任務之一。

(3) 多樣本運行能力

多樣本是一個統(tǒng)計學上的概念,主要考慮不同方法、決策或實驗條件下所產生的結果是否一樣等問題。為了解決軍事復雜領域的不確定性問題,作戰(zhàn)分析仿真評估系統(tǒng)常常需要使用“統(tǒng)計試驗法”(亦即蒙特卡羅方法)對大量的不同隨機數(shù)條件下的仿真運行結果進行統(tǒng)計評估,得到仿真結果的分布特性。在運用“探索性仿真”方法對作戰(zhàn)方案優(yōu)化過程中,需要通過改變輸入?yún)?shù)產生大量方案,以及通過對各個方案進行重復仿真分析得到不同參數(shù)條件下的仿真結果,從而選擇最佳/近似最優(yōu)方案或可行方案。在面向在線決策輔助支持的仿真系統(tǒng)中,通常也需要對各個“what-if”分支進行分析。因此,多個樣本重復運行是面向決策的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)所需的基本功能之一,研究多樣本同時運行的技術有利于提高仿真系統(tǒng)的運行效率,使仿真系統(tǒng)在盡可能短的時間內得到仿真結果。

(4) 人機互操作性

作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)既要為決策者提供調整參數(shù)的接口,也要提供對仿真運行的控制能力,包括系統(tǒng)初始化設置、運行、暫停、結束等操作,還要盡可能地為指揮員直觀地提供他們需要的戰(zhàn)場細節(jié)顯示,這種顯示通常使用二維或三維態(tài)勢顯示。

(5) 仿真過程可回放

由于決策支持系統(tǒng)需要仿真系統(tǒng)進行快速的運行,這種快速性使用戶無法在運行過程中對戰(zhàn)爭態(tài)勢的變化做及時的分析和響應。仿真過程的回放使用戶在仿真運行結束后可以對運行過程進行重復的分析和理解,有利于更好地抓住決策問題的關鍵和細微之處。

(6) 多時間比例尺運行

在“在線”輔助決策中,仿真需要在“決策點”附近為用戶提供實時的輸入/輸出能力,也需要在計算過程中進行盡可能快的操作,因此,這就要求分析仿真系統(tǒng)可以根據(jù)需求改變運行速度。

2.3軍事應用領域提出的要求

軍事分析仿真的研究對象是戰(zhàn)場空間中的實體、關系和環(huán)境等元素,其應用目的主要是為了支持作戰(zhàn)方案的分析評估、戰(zhàn)場態(tài)勢的預測或對作戰(zhàn)方案進行優(yōu)化以便對指揮員決策提供支持。因此,開發(fā)作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)既需要考慮戰(zhàn)爭系統(tǒng)的特性,也要考慮其特定應用領域中用戶的特點,具體體現(xiàn)在[4, 14-15]:

(1) 對模型的抽象層次符合軍事需求

軍事行動中一個最根本的法則是指揮員的戰(zhàn)斗對象比其低兩級單元,即團指揮員面對的作戰(zhàn)單元是以連為單位的,營指揮員面對的作戰(zhàn)單元是以排為單位的[16]。在軍事仿真中應用這種抽象層次有利于對作戰(zhàn)實體建立合適分辨率的模型,而無需全部按照真實實體層次建模,使模型在滿足作戰(zhàn)需求的同時又能盡可能快地運行。

(2) 建立的仿真系統(tǒng)能考慮各國之間的差異,體現(xiàn)軍隊特色

在很多情況下,武力戰(zhàn)爭并不是解決問題的最佳手段,軍事部門也往往不是領導機構。即使在純粹的聯(lián)合軍事行動中,不同的主體為了保衛(wèi)國家利益所采用的手段也不同,陸軍的手段是“占領陣地”,而空軍則可能考慮鎖定目標。另一方面,國家與國家之間文化和理解上的差異是與其他部隊聯(lián)合行動的指揮員需要銘記在心的問題。這意味著在聯(lián)合行動中給不同單元定義能力和期望的行為時需要具備靈活性。特別是在進行對抗性仿真時,仿真系統(tǒng)需要重視不同戰(zhàn)爭節(jié)奏、文化、條令、交戰(zhàn)規(guī)則和對命令的響應時間等問題。

(3) 仿真運行支持多平臺和多用戶

如果仿真工具是作為計劃開發(fā)和分發(fā)的公共工具來使用,那么,仿真工具和配置數(shù)據(jù)對于計劃編制中的所有參與者都應該是可用的、能用的。這意味著在采用分布式仿真、基于公共仿真引擎的分發(fā)方法或使用一系列有效的仿真系統(tǒng)等不同仿真工具時,不同用戶在相同條件下都能產生相同的結果。

(4) 與指揮自動化系統(tǒng)的互操作性

C4ISR(command,control,communications,computers, intelligence, surveillance and reconnaissance)系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中軍隊的神經中樞,是提高指揮效率的重要手段。作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)與C4ISR的互操作性主要有兩個方面:一方面是仿真軟件提供的可修改參數(shù)、結果以及態(tài)勢顯示等可以通過C4ISR系統(tǒng)被指揮員理解,另一方面是指揮員通過C4ISR系統(tǒng)傳輸?shù)闹缚孛詈蛨笪牡饶鼙环抡嫦到y(tǒng)理解并生成仿真系統(tǒng)中的信息。面向決策的軍事分析仿真軟件的用戶是軍隊的指揮員,因此與指揮控制的互操作有助于為指揮員構建真實的決策指揮環(huán)境,提高指揮員對指令和報文描述的準確度并使之能更快地得到響應。

(5) 提供對單用戶和單機上進行仿真實驗的支持

在戰(zhàn)時條件下,指揮人員和帶寬的限制將更為突出,仿真系統(tǒng)的便攜性有利于其在惡劣環(huán)境中發(fā)揮作用。

(6) 支持基于效果的軍事行動(effects-based operation,EBO)

在復雜戰(zhàn)爭環(huán)境下,如何通過更大程度地識別對手是當前的主要關注點,也是一個挑戰(zhàn)。戰(zhàn)爭不是對領土和敵方兵力毀滅的安全控制,而是領土上居住的人們的心靈和精神的戰(zhàn)爭。戰(zhàn)爭的核心是為這些人們提供安全,包括領土的安全控制和消滅敵方的能力。軍事目標已經變得更為復雜,導致了EBO概念的出現(xiàn)。EBO的核心是根據(jù)想要達到的效果來制定作戰(zhàn)計劃,其關鍵問題是基于效果的評估。因而,支持EBO的軍事仿真系統(tǒng)需要提供對作戰(zhàn)方案和計劃進行分析評估的能力。

(7) 對指揮員決策行為的支持

不對稱戰(zhàn)爭的復雜性通常超出了任何單個指揮員(任何層次的指揮員)的能力范圍。在這些情況下,經驗、直覺和對人性的理解可能是最好的工具。因此,仿真系統(tǒng)需要為指揮的藝術性提供支持,一個最好的辦法是進行“在線”輔助決策。

(8) 綜合考慮多種因素

對仿真結果的評估不僅需要考慮直接的兵力損耗,還需要考慮諸如經濟、社會、文化等因素。其中,需要特別考慮“中立國”和第三方的行為,使交戰(zhàn)的結果能當作非戰(zhàn)爭模塊的輸入。例如,一個橋梁的損失對于一個村莊的經濟來說可能是災難性的,會起到消極影響,但是,花費額外的時間來分配醫(yī)療救治資源很可能十分重要,會起到積極作用。

(9) 提供仿真結果與輸入配置之間的關聯(lián)關系

對戰(zhàn)爭系統(tǒng)復雜的內部關聯(lián)性建模并不是直接進行的,而是需要考慮校核、驗證和確認(verification,validation and accreditation,VV&A)。尤其是軍隊沒有多少經驗時,必須將主要問題專家集成到計劃評估過程中。因而,需要將交戰(zhàn)結果與專家知識和情報數(shù)據(jù)相結合。這些工具也應該使指揮員理解為什么工具配置中一些特殊的改變可以更好地適應真實世界。雖然直接使用類似于“黑盒”的系統(tǒng)可以實現(xiàn)預測目的,但是“黑盒”系統(tǒng)并沒有提供直接的因果關聯(lián)來幫助理解。因此,若要求將配置中的改變與結果中的改變以一種有意義的方式聯(lián)系起來,則需要仿真算法有更深入的知識,或者有能力回溯這些改變到仿真中起決定性作用的行為鏈。

3作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)框架設計

HLDM-OAS系統(tǒng)是一個以支持高層決策為最終目的的軍事領域的分析仿真系統(tǒng)。根據(jù)上述設計開發(fā)原則,快速性、互操作性(包括人機互操作和運行互操作等)和多樣本運行能力是系統(tǒng)實現(xiàn)決策支持目的所需要具備的基本功能。而從建模的角度看,越詳細的模型,即分辨率越高的模型所要進行的計算量就越大。高層決策問題所面對的研究對象通常十分繁多,涉及到各個軍兵種各種類型的武器裝備,也導致仿真運行的時間成本增加。所以,在大規(guī)模軍事分析仿真中,通常采用低分辨率模型進行仿真。但是抽象層次越高的模型,進行仿真結果的精度也就越受到影響。一種可行的方法是提供多種抽象程度的模型,由作戰(zhàn)計劃編制人員根據(jù)所需要的模型詳細程度以及反應時間,選擇能平衡這兩個需求的模型[12]。另一種方法是為了保證所選分辨率模型的計算精度,由低層仿真系統(tǒng)或軍事演習為更高層仿真提供數(shù)據(jù)支持,使仿真結果逐步接近執(zhí)行層次[4]。本文主要研究的是后面這種方法。

為了提高仿真系統(tǒng)的重用性,通常對仿真平臺與仿真應用邏輯采用了松散耦合設計,將二者從邏輯上和實現(xiàn)上都進行了分離。仿真平臺[17],也被稱為仿真引擎,主要用于管理仿真樣本的執(zhí)行,提醒應用程序在何時因為何種原因到達系統(tǒng)的某種狀態(tài),并對未來所有可能發(fā)生的情況進行調度安排,推進仿真運行。由于仿真引擎的設計與實現(xiàn)受到仿真應用目的的影響,不同應用領域對仿真軟件需求的著重點不同,且模型的分辨率和粒度可能影響到系統(tǒng)的結構,因此很難為軍事系統(tǒng)中所有領域設計一個通用的仿真引擎。

3.1系統(tǒng)結構設計

根據(jù)前面對HLDM-OAS系統(tǒng)開發(fā)設計要求的研究,可以設計如圖2所示的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的結構框架。

系統(tǒng)由仿真引擎、用戶界面、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和仿真應用四大部分構成。仿真引擎負責提供仿真所需的公共功能。用戶界面是仿真分析人員和實驗人員的操作界面,負責將仿真運行結果展現(xiàn)給用戶,并將用戶從人機交互界面上輸入的控制信息和實驗配置信息發(fā)送給仿真引擎,控制仿真的運行過程。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)包括組件模型庫、模型數(shù)據(jù)庫和結果數(shù)據(jù)庫3大類,分別用于存儲模型結構、模型數(shù)據(jù)和仿真運行結果等3種數(shù)據(jù)。仿真應用是根據(jù)仿真目的在仿真引擎上進行的仿真運行過程,它將組件模型組合形成組合模型,再通過多功能交互服務程序將模型與數(shù)據(jù)進行關聯(lián),并針對不同的方案進行仿真。其中各重要模塊主要功能如下:

(1) 控制模塊:用于初始化和控制仿真應用程序的運行,將操作用戶界面的仿真分析人員與執(zhí)行仿真樣本的處理器相關聯(lián),并執(zhí)行仿真系統(tǒng)的啟動、暫停、停機等與仿真推進相關的控制命令。

(2) 方案管理模塊:進行仿真克隆的相關工作,包括決策樹構建,克隆創(chuàng)建和管理等。

(3) 通用算法模塊:集成了仿真實體所需的通用算法,如隨機數(shù)生成、毀傷計算、坐標轉換等函數(shù)。

(4) 多功能交互服務模塊:將模型數(shù)據(jù)與模型結構進行關聯(lián)。

(5) 核心服務模塊:進行仿真事件的推進、LP的管理、回滾/回退,包括聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理、時間管理等服務。

圖2　HLDM-OAS系統(tǒng)框架結構示意圖

在這一結構框架中,仿真引擎是進行仿真系統(tǒng)運行的核心部分,是仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中首先需要完成的部分。其他模塊的功能在仿真引擎的基礎上實現(xiàn),受到仿真引擎的約束。

3.2動態(tài)結構分析

在HLDM-OAS系統(tǒng)的結構框架中,仿真系統(tǒng)中的模型和數(shù)據(jù)被分別存放在了不同的數(shù)據(jù)庫中,并依賴多功能交互服務程序在運行時對模型結構及數(shù)據(jù)進行映射關聯(lián)。這為仿真系統(tǒng)的“參數(shù)可調整”能力提供了支持。因為模型結構與數(shù)據(jù)之間建立了松散耦合的關系,使參數(shù)不僅可以在仿真初始化時被提供給仿真執(zhí)行,也能在仿真運行過程中直接通過人機界面對模型數(shù)據(jù)進行調整。

仿真系統(tǒng)的結構框架對系統(tǒng)的結構和功能進行了描述,但是這種描述主要在系統(tǒng)的靜態(tài)層面,沒有具體地說明如何開發(fā)系統(tǒng),也沒有描述系統(tǒng)開發(fā)和運行的動態(tài)特征。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)需求,結合戰(zhàn)爭系統(tǒng)模型特性、仿真系統(tǒng)開發(fā)方法學和仿真系統(tǒng)運行特點,HLDM-OAS系統(tǒng)具有如圖3所示的C2驅動、模型驅動和數(shù)據(jù)驅動3種動態(tài)特性。這3種特性與仿真引擎一起形成了“三驅動、一核心”的開發(fā)運行原理。

圖3　HLDM-OAS系統(tǒng)動態(tài)框架結構圖

其中,C2驅動特性體現(xiàn)為在建模過程中作戰(zhàn)實體的軍事行動受到指控實體的驅使,數(shù)據(jù)驅動特性體現(xiàn)為仿真模型結構與數(shù)據(jù)的動態(tài)關聯(lián),模型驅動則是基于模型驅動架構快速建立仿真系統(tǒng)的方法。

3.2.1C2驅動的模型設計

(1) C2在戰(zhàn)爭中的核心地位

在信息化條件下,信息技術的發(fā)展為軍事行動中的組織和作戰(zhàn)單元帶來了新的轉變:一是任務的改變;二是網絡中心戰(zhàn)的轉變。任務的改變體現(xiàn)在聯(lián)合作戰(zhàn)任務對軍事部門和組織提出的整體性、聯(lián)結性和敏捷性的需求。而網絡中心戰(zhàn)的核心步驟[19]可以簡化成:首先達到信息共享,然后通過共享的信息達到更高程度的自同步,以便提高部隊的效能和敏捷性。文獻[20]指出,在網絡中心戰(zhàn)條件下,C2的主要作用包括:確定指揮員意圖,確定角色、責任和關系,確定規(guī)則和約束,監(jiān)視和評估形勢和發(fā)展情況,訓練和教育,提供后勤支持等。

與傳統(tǒng)C2的觀念不同,面向網絡中心戰(zhàn)的C2一方面更加關注信息的共享能力,另一方面不再僅僅著眼于某個指揮員制定的計劃或決策,而是更為注重決策指令執(zhí)行過程中所產生的可能影響執(zhí)行效果的新的決策,同時,這些不斷變化的決策體現(xiàn)了集體的智慧和能力。美國空軍上校Boyd于19世紀70年代提出的觀察、調整、決策和行動(observe orient decide act,OODA)環(huán)模型[21]較好地突出了這些問題。OODA環(huán)如圖4所示。觀察過程負責采集觀察者從環(huán)境中獲得的感知輸入。調整過程根據(jù)已知的信息來辨識輸入數(shù)據(jù),通過對觀察數(shù)據(jù)進行整理來建立對真實世界態(tài)勢的整體認識。調整過程得到的對態(tài)勢的新的認知形成決策過程的基礎。而決策過程所得出的行動策略導致了行為的發(fā)生。

圖4　OODA環(huán)模型

OODA環(huán)不但以簡潔而富有邏輯的方式提出了戰(zhàn)術領域的一種行為方法,并把戰(zhàn)場中的各種元素整合成一個有序的行動環(huán),而且還可看作C2的過程模型,作為C2系統(tǒng)架構的操作視圖[22]。以人工智能的觀點看,OODA過程進行的主體可以是環(huán)境中與其他Agent具有競爭關系的Agent,其他Agent也可以根據(jù)OODA模型執(zhí)行其行為過程。因此,在軍事領域中,OODA過程模型的主體是C4ISR系統(tǒng)。而C2是C4ISR系統(tǒng)的“神經中樞”和“大腦”,因此,從單個指揮控制實體的角度來看,OODA環(huán)模型可以被轉換成如圖5所示的過程模型。

圖5　指揮控制實體的過程模型

在軍事行動中,一個典型的指揮控制實體有一個向其下達命令的上級,和一個或多個接收其指令的下級。報告和請求可以在上下級指揮員之間發(fā)生。同級指揮員之間以報告的形式進行信息交換。指揮員既可以通過接收其他實體采集的信息也可以通過自己控制的傳感器來獲得對戰(zhàn)場環(huán)境的認知。整個C2結構是由這種指揮控制實體通過命令、報告、請求等方式進行的各種交互而連接形成的網絡。

(2) C2的驅動地位

根據(jù)指揮控制實體的過程模型可以知道,C2是戰(zhàn)爭“運轉”的驅動器,主要表現(xiàn)在:

① C2限制了行為發(fā)生的范圍

盡管C2沒有指明哪一行為應該具體實施的細節(jié),但是,C2規(guī)定了執(zhí)行行為的主體范圍和約束條件,只有在約束范圍內,實施行為的作戰(zhàn)實體才具有一定的自主性。

② C2產生行為

由OODA環(huán)可知,指揮員根據(jù)任務和當前態(tài)勢作出指揮決策,作戰(zhàn)實體依據(jù)決策執(zhí)行行為。在這里,即使有的決策是為了搜集更多的信息,有的決策內容是在當前時刻什么也不做,那么對應的搜集信息或等待/停機也仍然都是決策產生的行為。

③ C2確定了感知發(fā)生的條件

C2本身與傳感器及其感知實施過程之間是分開的。C2通過命令的方式對戰(zhàn)場傳感器分派任務,規(guī)定傳感器何時需要采集戰(zhàn)場空間的信息。

④ C2是任務完成過程的開始

盡管不同的環(huán)境下的任務千差萬別,完成任務所需的資源也各有不同,但是創(chuàng)建任務的主體始終是人,而C2過程可以看作是指揮員將任務目標轉換成一系列資源和兵力部署的過程。一旦指揮意圖形成之后,C2便開始運轉了。

⑤ 任務完成的結果體現(xiàn)了C2的好壞

指揮員的決策所產生的行為能夠產生一定效果,這些效果是一種與指揮員意圖保持一致的、有計劃地改變態(tài)勢所產生的結果。根據(jù)美國國防部的定義[17],評價C2好壞的標準之一為評價任務完成質量的好壞,任務的完成結果是體現(xiàn)C2質量的重要因素之一。最高層指揮員根據(jù)最高任務或目標將指揮意圖傳達給下級指揮員,并最終通過分配和部署作戰(zhàn)實體單元實施作戰(zhàn)行動來達到一定的效果。

C2的驅動地位引發(fā)如下思考:

① 在為作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)制定想定時應當考慮到C2決策過程的影響。這體現(xiàn)在作戰(zhàn)過程的不確定性上:不確定性條件導致任務完成效果的不可預測性,因而在想定制定時需要考慮到的不確定性因素需要足夠為指揮員進行決策提供支持。

② 由于戰(zhàn)場感知和行為都受到C2指令的控制,因此,為了提高指令執(zhí)行的有效性,需要研究C2的組織結構,使指令能快速、準確地到達終端實體。

③ C2決策的核心主體是人,指揮員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢所進行的決策是決定任務成敗的重要因素之一。對指揮員進行模擬主要有兩種形式,一是進行“人在環(huán)”的仿真,真實世界的指揮員個體直接或通過C4ISR系統(tǒng)與計算機仿真系統(tǒng)連接,指揮員可以實時觀察戰(zhàn)場態(tài)勢并作出決策,下達的指令可以直接轉換成計算機可以處理的信號被計算機中的實體模型執(zhí)行;二是建立指揮員的決策模型,使用計算機模擬人的決策指揮能力。

④ 請求、命令和報告是實現(xiàn)C2驅動能力的主要信息流,是戰(zhàn)場空間實體之間進行通信的關鍵。對請求、命令和報告內容的規(guī)范化描述有助于提高戰(zhàn)場空間實體之間的互操作能力,幫助建立戰(zhàn)場的共享態(tài)勢感知,提高指令執(zhí)行的效率。當前對戰(zhàn)場管理語言(battle management language,BML)的研究和應用為建模與仿真中描述指揮員意圖、提高真實部隊和計算機系統(tǒng)的理解能力具有重要意義。BML與另一種用于描述戰(zhàn)爭初始態(tài)勢的SISO標準——MSDL一起應用于建模與仿真系統(tǒng),可以實現(xiàn)C2與仿真實體之間的互通互用,提高軍事仿真系統(tǒng)與真實C4ISR系統(tǒng)之間的互操作性,為指揮員決策提供更為真實的C2環(huán)境[23-24]。另外,條令條例的科學化、規(guī)范化和數(shù)字化也是規(guī)范化描述任務和指控的前提,對我軍條令條例的研究也應該考慮這一問題。

為體現(xiàn)C2驅動的模型設計特點,HLDM-OAS系統(tǒng)中對高層決策人員的建?？梢圆捎没谝?guī)則的推理等方法體現(xiàn)高層指揮的藝術性,對較低層次指揮人員的建?？梢圆捎米灾鳑Q策的方法,用以體現(xiàn)低層指揮的規(guī)則性。

3.2.2模型驅動的仿真系統(tǒng)開發(fā)和集成

(1) 問題的提出

計算機仿真系統(tǒng)的最終存在形式是一個軟件系統(tǒng),建立計算機仿真系統(tǒng)的關鍵是進行仿真模型和仿真軟件開發(fā)。在仿真軟件中,用于對模型運行進行支持并實現(xiàn)仿真運行基本邏輯的公共部分通常都被設計成仿真平臺支持架構,如RTI和DES等。而這種仿真平臺支持架構可以被當作與應用領域無關的底層平臺,被不同的仿真系統(tǒng)重用。同時,針對同一個應用目的開發(fā)的仿真模型也可能在進行調整后應用于不同的仿真平臺實現(xiàn)上,如,RTI實現(xiàn)有不同的版本,同一個聯(lián)邦成員運行在KD-RTI和mark-rti等平臺上需要對模型代碼對應接口進行修改。因此,針對某一個領域應用的仿真系統(tǒng)的開發(fā)結果通常表現(xiàn)為根據(jù)應用目的針對仿真平臺的具體實現(xiàn)版本開發(fā)與這一仿真平臺兼容的仿真模型可執(zhí)行代碼。這種直接的實現(xiàn)方法也成為傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)開發(fā)的思路。

隨著科學技術的發(fā)展,仿真技術在不斷發(fā)展的同時也在吸收其他領域技術的進步成果,這些技術變化導致仿真平臺的設計與實現(xiàn)也在不斷發(fā)展變化之中。仿真平臺的易變性將引起與之一致的模型代碼發(fā)生相應的改變,從而增加了模型代碼的維護成本。

在軍事分析領域,仿真系統(tǒng)的設計和研究工作還未成熟,軍事人員的仿真應用需求也通常需要在仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中通過不斷的探索進行完善,實踐經驗表明,系統(tǒng)建設過程中總是需要同領域人員進行交流,需求的變化也就從來沒有停止過。這些需求變化也導致仿真概念模型需要不斷改進。概念模型的不斷調整將引起根據(jù)概念模型開發(fā)所得的模型代碼也進行相應的調整。在實際開發(fā)過程中,代碼開發(fā)人員通常只根據(jù)需求的變化在代碼層次做出修改,而沒有時間去更新概念模型對應的圖表和說明文檔,使概念模型變得與模型可執(zhí)行代碼脫節(jié),造成了概念模型與仿真模型的不一致,從而導致在仿真軟件維護階段需要維護人員花費大量時間和精力來弄清楚軟件在做什么的問題。

基于MDA的仿真系統(tǒng)構建方法為上述問題提供了一種有效的解決之道。模型驅動方法是一種融合了基于組件開發(fā)方法、設計模式、中間件、說明性規(guī)約、企業(yè)架構、企業(yè)應用繼承和契約式設計等技術的軟件開發(fā)方法學[25]。MDA方法是由OMG定義的軟件開發(fā)框架,MDA與其他軟件開發(fā)方法的不同之處在于十分重視模型在軟件開發(fā)過程中扮演的角色,軟件的開發(fā)過程是由軟件系統(tǒng)的建模行為驅動。

MDA這種以模型為核心的思想與仿真領域將模型作為仿真的三要素之一的思想不謀而和。仿真界對仿真的定義都十分重視模型的概念,認為仿真是對模型進行實驗的過程,系統(tǒng)模型是聯(lián)結系統(tǒng)中研究對象和計算機上實驗的關鍵要素。要進行仿真試驗,建立系統(tǒng)模型是基礎,而進行仿真的三項基本活動也是圍繞模型進行。因此,仿真系統(tǒng)中模型的核心地位也使MDA思想應用到仿真系統(tǒng)建設中變得極為自然。

(2) 基于MDA的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)模型的開發(fā)過程

MDA[26]將模型定義成計算無關模型(computational independent moel,CIM)、PIM和PSM,嚴格地將實現(xiàn)技術與領域關注點區(qū)分開來。CIM模型是用戶對系統(tǒng)領域和需求的描述,是對系統(tǒng)的最高層抽象。平臺是一個相對概念,取決于對領域相關“業(yè)務”與技術的定義,可以是中間件層,也可以是更低的系統(tǒng)層次。這與軍事術語中的“平臺”是兩個完全無關的概念,例如,軍事術語中的“武器平臺”通常指可以裝配武器的任何結構或系統(tǒng)。一個嚴格地與平臺無關的PIM應該不會受到技術變化的較大影響,除非技術發(fā)生革命性改變引起模型設計上變化。當系統(tǒng)所采用的實現(xiàn)技術應用到PIM模型并將之映射到平臺上時,就形成了PSM。“映射”意味著將PIM“翻譯”成PSM,這一過程可以使用自動化映射工具,也可以進行手工映射和也可以使用半自動化工具輔助支持映射。平臺相關模型實現(xiàn)過程的最終產物是可以把每個PSM變換成在平臺直接運行的可執(zhí)行代碼。

在系統(tǒng)仿真的基本活動中,模型主要有功能概念模型、數(shù)學/邏輯模型與仿真模型等形式[27]。軍事領域中以使命空間功能描述(functional description of mission space,FDMS),亦即原來的任務空間概念模型(concetual model of mission space,CMMS),為軍事戰(zhàn)場空間中與某項使命相關的實體、任務、活動、交互和環(huán)境等提供了可操作性描述,是建立軍事仿真模型的起點。根據(jù)任務空間概念模型的描述文件,可以基于系統(tǒng)理論和數(shù)學理論進行模型的形式化描述,這樣的描述方法根據(jù)模型特性的不同有所不同。通用的描述方法有基于集合論的方法,也有針對連續(xù)系統(tǒng)的微分方程,針對離散事件系統(tǒng)的DEVS規(guī)范等。由于軍事系統(tǒng)的復雜性,對軍事系統(tǒng)中實體及其交互的形式化描述可以根據(jù)應用目的不同而采用基于Agent的建模方法或DEVS規(guī)范描述等,也可以根據(jù)仿真平臺的不同采用與應用平臺一致的模型描述方法。例如,對基于HLA的分布式仿真平臺開發(fā)的軍事模型,可以使用HLA規(guī)范中的FOM(federation object model)和SOM(simulation object model)來描述聯(lián)邦成員之間進行數(shù)據(jù)交換的互操作能力。

綜合MDA架構的特點和軍事仿真模型的主要形式,可以建立基于MDA的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)模型的開發(fā)過程,如圖6所示。

圖6　基于模型驅動架構的作戰(zhàn)分析仿真模型開發(fā)過程

從軍事仿真模型的開發(fā)過程看,經歷了CIM到PIM、PIM到PSM和PSM到可執(zhí)行代碼的變換,這一開發(fā)過程通常伴隨著模型變換工具的輔助支持。在這種開發(fā)模式下,軍事領域人員的關注點集中在如何對任務空間中的任務、實體及其交互以及環(huán)境問題進行抽象性描述,以便建立仿真的需求,以及如何根據(jù)仿真應用需求對專業(yè)的實體和設備等建立數(shù)學/邏輯模型。在模型變換工具的支持下,這些數(shù)學/邏輯模型被最終轉換成仿真軟件。隨著模型變換的不斷進行,對領域問題的抽象性逐漸減弱,而對采用何種技術對模型進行實現(xiàn)的關注逐漸增強。

CIM、PIM和PSM模型在MDA過程中始終保持一致,這也為仿真執(zhí)行軟件到CIM模型的反向工程提供了可能。文檔一直都是仿真系統(tǒng)開發(fā)過程的薄弱之處,通常在初始需求確定好了之處就開始了模型開發(fā)的過程,且由于最終的可執(zhí)行代碼常常是大家認為需要重點完成的項目,因而耗時又費力的文檔經常在項目開發(fā)過程中被跳過,只在程序編寫完成之后才進行文檔的補充。這對仿真系統(tǒng)的維護很不利。MDA中的反向工程使得代碼的修改可以被反映到PSM、PIM中,并最終定位到CIM的描述中去,使文檔總是最新的,與代碼保持一致的。

3.2.3數(shù)據(jù)驅動的模型運行方式

(1) 模型數(shù)據(jù)驅動的含義

“數(shù)據(jù)驅動”是指在數(shù)據(jù)的作用下使模型得以運行。仿真模型數(shù)據(jù)驅動的運行方式主要有3個方面的體現(xiàn):

① 模型描述方法

系統(tǒng)仿真最基礎的理論包括相似論和系統(tǒng)論。相似性描述了系統(tǒng)仿真的本質特征——抽象性。系統(tǒng)論對系統(tǒng)仿真的研究內容做出了指導:系統(tǒng)被定義為按照某些規(guī)律結合起來,互相作用,互相依存的所有物體的集合或總和。

以相似論和系統(tǒng)論為基礎,建立仿真系統(tǒng)的模型除了要研究系統(tǒng)的實體、屬性及其活動,還需要研究系統(tǒng)的環(huán)境。通常將系統(tǒng)的數(shù)學模型形式化描述[27]為

(1)

式中,T是時間基;X是輸入集;Ω是輸入段集;Q是內部狀態(tài)集;Y是輸出集;δ是狀態(tài)轉移函數(shù);λ是輸出函數(shù)。

這是根據(jù)系統(tǒng)論的觀點將系統(tǒng)的內部構成與行為(系統(tǒng)的外部表現(xiàn))區(qū)分了開來。其中,系統(tǒng)內部構成包括狀態(tài)和狀態(tài)轉移機制,而輸入/輸出行為是輸入/輸出數(shù)據(jù)的時間流表現(xiàn)。狀態(tài)轉移機制本質上是研究系統(tǒng)在施加輸入段的情況下系統(tǒng)狀態(tài)的改變。系統(tǒng)輸出行為則通過輸出函數(shù)描述了系統(tǒng)內部狀態(tài)與環(huán)境的影響之間的關系。因而,不管是從系統(tǒng)輸入、輸出的角度還是系統(tǒng)內部狀態(tài)轉移的角度看,系統(tǒng)都是數(shù)據(jù)驅動的,系統(tǒng)仿真進行研究的基礎內容也包括對系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅動特性的描述。

② 模型實現(xiàn)技術

仿真是對模型開展的實驗,而仿真的“實驗”特性使仿真需要通過人為地重復控制仿真運行以達到探索系統(tǒng)屬性和規(guī)律或檢驗某一假說和理論的目的,這也是仿真區(qū)別于計算的根本所在。計算是利用計算機進行面向目標的行為需求,體現(xiàn)為依據(jù)數(shù)據(jù)對模型進行求解的過程。仿真的側重點在于設計針對模型而開展的實驗,并對實驗結果進行分析;計算的側重點在于硬件或軟件的設計和數(shù)據(jù)的管理等問題。計算能力是計算機仿真的基礎,仿真實驗中計算處理仿真模型的性能從很大程度上決定了仿真的性能。計算科學領域的成果也可以吸收到仿真領域推動仿真技術的進步,例如,高性能計算和云計算等技術與仿真技術相結合形成了高性能仿真和云仿真,給仿真系統(tǒng)的成長帶來了新鮮的血液。

HLDM-OAS具有“多樣本運行”的特點,通過對仿真設置隨機變量并進行多次運行來消除軍事系統(tǒng)的不確定性因素對仿真結果帶來的影響。為了達到這一目的,最簡單的方法是仿真在運行初始化時為每一個描述隨機性的參數(shù)賦予特定的隨機值。但是這種方式無法得到變量隨機分布的改變對結果產生的影響。例如,輸入?yún)?shù)使用正態(tài)分布或均勻分布時,觀察仿真輸出結果。

分析仿真的實驗過程需要控制模型在不同輸入條件下運行并對輸出響應進行研究。因此,模型輸入與輸出之間的映射關系通常表現(xiàn)為模型結構,這在仿真過程中是保持不變的,是由模型開發(fā)人員預先定義好并實現(xiàn)的。而進行模型計算所需要的輸入、輸出數(shù)據(jù)以及狀態(tài)變量數(shù)據(jù)是根據(jù)仿真實驗目的、真實系統(tǒng)的狀態(tài)、仿真運行時間過程的不同而發(fā)生變化的,是系統(tǒng)動態(tài)特性的體現(xiàn)。故模型的結構與數(shù)據(jù)在實現(xiàn)過程中被劃分成了兩種不同類型的數(shù)據(jù)進行存儲。例如,1976年由美國計算機仿真協(xié)會(society of computer simulation, SCS)制定的數(shù)字仿真語言標準文本CSSL67就將模型劃分成了初始化區(qū)、動力學區(qū)和終止區(qū)三塊區(qū)域,分別用于建立初值及其他計算、建立系統(tǒng)的微分方程描述、以及用于結束運行所需要的I/O操作;MPS-10仿真應用系統(tǒng)也將模型區(qū)分成用于描述模型結構的源文件、說明模型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)說明文件,以及將模型數(shù)據(jù)關聯(lián)到模型結構的關聯(lián)程序,并且提供了人機交互接口用于修改參數(shù)、初始條件和比例因子[1]。

這種模型結構與數(shù)據(jù)分離,由數(shù)據(jù)驅動模型運行的方式提高了仿真系統(tǒng)開發(fā)和運行的效率。模型結構以仿真代碼模塊的形式存儲,模型數(shù)據(jù)則存儲在數(shù)據(jù)區(qū),模型只有在運行時才調用數(shù)據(jù),因而,除了模型結構的改變才會使模型代碼需要重新編譯外,模型數(shù)據(jù)上的改變則無需進行二次編譯。

數(shù)據(jù)驅動模型的實現(xiàn)方式在模型層次提供了可進行外部修改的數(shù)據(jù)接口,也為人機交互在模型層次的互操作性提供了基礎。根據(jù)前文所述由決策支持目的提出的參數(shù)可修改需求,面向決策支持的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)中需要研究參數(shù)的變化導致的仿真結果的改變,這些可調整的參數(shù)可以對模型進行在線或離線數(shù)據(jù)修改,從而產生新的輸出結果。

③ 仿真運行技術

模型的數(shù)據(jù)驅動本質上是仿真運行過程中,模型狀態(tài)轉移函數(shù)的觸發(fā)由模型的輸入數(shù)據(jù)驅使完成。一個模型的輸入數(shù)據(jù)既可以是仿真系統(tǒng)中其他相關模型的輸出數(shù)據(jù),也可以是系統(tǒng)外部動態(tài)注入的額外數(shù)據(jù)。在對戰(zhàn)爭系統(tǒng)進行仿真時,由于系統(tǒng)的復雜性以及戰(zhàn)爭中敵方行為的不可預測性,很難對不斷變化的戰(zhàn)場態(tài)勢進行正確的預測,因此,可以利用觀測到的真實世界的戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)對模型的狀態(tài)和輸入數(shù)據(jù)進行動態(tài)的調整,使仿真運行過程的系統(tǒng)狀態(tài)與真實世界狀態(tài)保持一致,這也是動態(tài)數(shù)據(jù)驅動應用系統(tǒng)(dynamic data driven application system,DDDAS)的基本思想[28]。

④ 模型控制技術

前文指出,為了增強可維護性和重用性,仿真軟件中的模型需要具有“可測試性”特點。根據(jù)運行時(Runtime)的不同,模型的測試可分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。靜態(tài)測試對單個模型的接口和功能進行檢查;動態(tài)測試對模型在系統(tǒng)運行過程中的功能進行檢查。模型的可測試能力對模型的可控性提出了要求,需要對模型輸入數(shù)據(jù)的變化情況進行控制,以便觀察模型的輸入/輸出關系是否與參考輸入/輸出關系一致。

(2) 模型數(shù)據(jù)驅動的要求

模型數(shù)據(jù)驅動的思想為建模與仿真技術提出的要求主要表現(xiàn)在:

① 在模型描述層次提供將模型數(shù)據(jù)與結構分離。

② 設計參數(shù)反映需要修改的模型數(shù)據(jù),以便在仿真過程中可以通過這些參數(shù)控制仿真中模型的運行。

③ 支持模型數(shù)據(jù)的可修改能力,為數(shù)據(jù)修改提供接口支持。

④ 在應用層次增強仿真系統(tǒng)的適應能力。由于真實系統(tǒng)在不斷變化,為了支持動態(tài)數(shù)據(jù)驅動能力,可以使用模型組件化開發(fā)方法、仿真系統(tǒng)動態(tài)重構技術等提高系統(tǒng)應對不斷變化的數(shù)據(jù)的能力。

(3) 模型數(shù)據(jù)驅動的應用模式

模型數(shù)據(jù)驅動的應用模式主要有3種:

① 基于指針索引的方式。模型初始化時確定模型參數(shù)在數(shù)據(jù)區(qū)的索引位置。模型運行過程中由多功能交互服務程序通過索引位置獲取模型參數(shù)的數(shù)值,模型參數(shù)的修改也通過指針索引進行。例如,MPS-10仿真系統(tǒng)和AD-10仿真系統(tǒng)[1]。

② 基于編譯的方式。在人機交互界面設置好想定后,模型通過編譯鏈接初始化模型數(shù)據(jù)。例如,AD-100仿真系統(tǒng)[1]。

③ 基于接口的方式。在模型接口中以“Set”和“Get”函數(shù)的形式提供獲取模型參數(shù)和設置模型參數(shù)的接口。例如,基于BOM的KD-ModelEditor模型格式中將接口函數(shù)設計為“Set_Mod_**”或“Get_Mod_**”格式的函數(shù)[29]。

值得注意的是,不論采用哪一種方式實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)驅動,多功能交互服務程序都是數(shù)據(jù)驅動的核心。它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與模型變量之間的映射,將特定的數(shù)值與模型結構參數(shù)進行關聯(lián)。

4結論

本文通過分析作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的開發(fā)原則,提出了面向高層輔助決策支持的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)的框架設計;進一步指出了系統(tǒng)“一核心、三驅動”的特性,明確了仿真引擎的核心地位、C2驅動的模型設計、模型驅動的開發(fā)方法和數(shù)據(jù)驅動的運行控制。本文對于理解面向輔助決策支持的作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)具有一定的啟發(fā),也為構建作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)提供了指導。

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楊妹(1985-),女,講師,博士,主要研究方向為分布式仿真、作戰(zhàn)仿真。

E-mail:yangmei@nudt.edu.cn

楊山亮(1987-),男,博士研究生,主要研究方向為作戰(zhàn)仿真。

E-mail:yangshanliang@nudt.edu.cn

許霄(1989-),男,博士研究生,主要研究方向為作戰(zhàn)仿真。

E-mail:xiaoxu@email.arizona.edu

鞠儒生(1976-),男,副教授,博士,主要研究方向為作戰(zhàn)效能評估、面向服務建模與仿真。

E-mail:jrscy@sina.com

黃柯棣(1940-),男,教授,主要研究方向為復雜系統(tǒng)仿真。

E-mail:huangkedi@nudt.edu.cn

Framework of operational analytic simulation in high level decision-making system

YANG Mei, YANG Shan-liang, XU Xiao, JU Ru-sheng, HUANG Ke-di

(SchoolofInformationSystemandManagement,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410001,China)

Abstract:Operational analytic simulation is a crucial fundamental issue in research on the high level decision-making system. However, current studies are not aimed at high level operations, thus cannot solve the problems raised from the large scale and complex war system. By investigating the status of operational simulation in the high level decision-making system, some fundamental issues, which lie in development of the simulation system, are analyzed. The framework of operational simulation in the high level decision-making system is then proposed, which is based on command and control-driven model design, model-driven system development, and data-driven system running. The research studies operational simulation in the high level decision-making system as a whole, and sorts out the design ideals, which provides directions for the building of the simulation.

Keywords:high level decision-making; analytic simulation; system framework; principles for development

收稿日期：2015-09-29；修回日期：2016-02-12；網絡優(yōu)先出版日期：2016-03-03。

基金項目：國家自然科學基金(61403402,61374185)資助課題

中圖分類號：TP 391

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.34

作者簡介：

網絡優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160303.1709.008.html