孔晨妍，于麗蓉

(1.信息系統(tǒng)工程重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

組件化的指控仿真系統(tǒng)多分辨率建模研究*

孔晨妍1，于麗蓉2

(1.信息系統(tǒng)工程重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

分析了指揮控制系統(tǒng)在仿真層次和仿真模型2種模式的多分辨率建模特點，提出自頂而下分解構(gòu)建指揮控制仿真模型體系的方法，實現(xiàn)了基于組件化技術(shù)的多分辨率模型框架。仿真試驗表明，這種構(gòu)建方法可以滿足仿真系統(tǒng)靈活、快速構(gòu)建，實現(xiàn)多分辨率靈活轉(zhuǎn)換的需求。

多分辨率建模；模型框架；組件化技術(shù)；指揮控制系統(tǒng)；聯(lián)合作戰(zhàn)；仿真層次

0 引言

模型分辨率是指模型在仿真中描述現(xiàn)實世界的精確度和詳細(xì)程度，亦稱粒度。多分辨率建模(multi- resolution modeling，MRM)是針對同一系統(tǒng)或過程的不同層次建立不同粒度的模型，且保持這些模型所描述的系統(tǒng)或過程特性的一致性，系統(tǒng)運行過程中根據(jù)某種機(jī)制選擇一種合適的分辨率模型來滿足系統(tǒng)需求。

目前多分辨率建模除了在理論[1-3]、關(guān)鍵技術(shù)[4-7]方面的研究，在計算機(jī)生成航空兵力、空軍作戰(zhàn)仿真、海軍作戰(zhàn)仿真、坦克編隊作戰(zhàn)領(lǐng)域等應(yīng)用領(lǐng)域也出現(xiàn)了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度，歸納分析了戰(zhàn)爭模擬多分辨率聯(lián)合仿真設(shè)計中面臨的技術(shù)難題，重點研究了多分辨率聯(lián)合仿真中的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[9]提出了完整的多分辨率通信系統(tǒng)建模方法，實現(xiàn)了對作戰(zhàn)仿真中通信網(wǎng)絡(luò)、鏈路終端、通信節(jié)點、消息類型、通信方案的建模。文獻(xiàn)[10]針對C4ISR模型中的傳感器模型的多分辨率建模，從傳感器性能和傳感器報告2個方面實現(xiàn)了傳感器模型的低、中、高分辨率建模。目前還未有專門針對指揮控制系統(tǒng)的多分辨率建模研究，本文以聯(lián)合作戰(zhàn)中的指揮控制系統(tǒng)(簡稱指控系統(tǒng))為研究對象，從仿真層次和仿真模型2個層面探討了指控仿真系統(tǒng)不同分辨率的建模，并設(shè)計實現(xiàn)了基于組件化技術(shù)的多分辨率模型框架。

1 多分辨率建模需求

聯(lián)合作戰(zhàn)是一個復(fù)雜的戰(zhàn)場對抗體系，涉及不同軍兵種類，陸、海、空、導(dǎo)彈、信息戰(zhàn)等，不同層次，包括戰(zhàn)略層、戰(zhàn)役層、戰(zhàn)術(shù)層。涉及到多級指控系統(tǒng)，通過各級指控系統(tǒng)之間的指令、信息的交互，完成作戰(zhàn)鉸鏈工作。這種多層次的作戰(zhàn)行動在縱向、橫向上的加強(qiáng)，客觀上要求仿真模型與之相適應(yīng)[11]。由于仿真試驗過程中，需求會不斷地變化，視角尺度也會發(fā)生變化，單一分辨率的模型很難滿足體系對抗試驗的功能需要。必須使用多分辨率、在不同層次上用不同分辨率對該層次所關(guān)心的問題進(jìn)行描述能夠?qū)⒄麄€指控系統(tǒng)的現(xiàn)實狀況進(jìn)行客觀仿真。通過動態(tài)改變分辨率可以提高模型或模擬的自適應(yīng)性，有效解決模擬復(fù)雜性、模擬對象的層次性、考慮問題的視角性、資源有限性等問題。

2 仿真層次的多分辨率建模

在聯(lián)合作戰(zhàn)武器裝備體系對抗試驗中，有預(yù)警偵察類模型、武器平臺類模型、指揮控制類模型、光電對抗類模型等等，站在宏觀的視角看，聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)是一個整體，關(guān)注指控系統(tǒng)在整個體系對抗中的作用以及與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用于對指控系統(tǒng)的宏觀分析決策。改變視角，放大比例，聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)分解為戰(zhàn)略級指控系統(tǒng)、各方向的戰(zhàn)略戰(zhàn)役級指控系統(tǒng)、各軍種的戰(zhàn)役級指控系統(tǒng)以及戰(zhàn)術(shù)級指控系統(tǒng)等多層次的指控系統(tǒng)，如圖1所示。

建模時整體的指控系統(tǒng)以及各層次指控系統(tǒng)建模在模型功能的剪裁、建模重點和模型粒度都不同。

聯(lián)合作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的整體模型關(guān)注指控系統(tǒng)對外的交互關(guān)系，內(nèi)部的處理流程相對簡化，模型的粒度也相對較粗。

分解后的模型關(guān)注每層指控系統(tǒng)的使命任務(wù)、指揮職責(zé)、指揮控制對象以及它們之間的組織關(guān)系、根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)臨時組建的應(yīng)用關(guān)系、交互信息流等。其中，戰(zhàn)略層模型主要關(guān)注“作戰(zhàn)決心”，模型建模重點在于戰(zhàn)略態(tài)勢處理，實時掌握各軍兵種、部隊力量作戰(zhàn)部署、訓(xùn)練、保障及能力動態(tài)等；戰(zhàn)役層模型主要關(guān)注“作戰(zhàn)籌劃”，根據(jù)上級指揮部下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)，制定各軍種作戰(zhàn)計劃，對所屬任務(wù)部隊進(jìn)行一體化、專業(yè)化指揮控制，建模重點在于作戰(zhàn)籌劃以及作戰(zhàn)指令上報下發(fā)的流程模擬；戰(zhàn)術(shù)層模型關(guān)注“作戰(zhàn)行動”，建模重點是面向作戰(zhàn)任務(wù)的兵力行動控制功能和武器平臺控制功能的模擬。

圖1 仿真層次的多分辨率結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi- resolution structure for simulation level

各層級模型關(guān)注的重點模型采用高分辨率的模型，其余的可以采用較粗的模型，在各層的評估指標(biāo)和評估模型上也各有重點[12]。

3 仿真模型的多分辨率建模

除了在不同仿真層次根據(jù)關(guān)注點選擇合適的模型分辨率，單層次的指控系統(tǒng)依據(jù)不同建模任務(wù)和試驗?zāi)康囊泊嬖诙喾直媛式５倪x擇。從分辨率的低到高將指揮控制系統(tǒng)多分辨率結(jié)構(gòu)劃分為信息仿真、功能仿真和原型仿真3個層次，如圖2所示。

信息仿真的分辨率最低，主要模擬指揮控制系統(tǒng)的輸入輸出特性，不關(guān)注系統(tǒng)模型的處理。主要由態(tài)勢處理、指揮決策的低分辨率模型組成，態(tài)勢處理主要模擬實際系統(tǒng)的情報輸出，指揮決策根據(jù)想定將預(yù)先準(zhǔn)備好的作戰(zhàn)方案和計劃發(fā)送給相應(yīng)的指揮對象，不涉及相關(guān)的計算模型。這類仿真主要用于支持C4ISR系統(tǒng)開發(fā)、集成試驗，作為應(yīng)用系統(tǒng)軟件聯(lián)調(diào)、內(nèi)外場的聯(lián)試工具，功能和實現(xiàn)都比較簡單[13]。

功能仿真的分辨率比信息仿真高。除了模擬輸入輸出特性外，還模擬主要的功能和信息流程，包含態(tài)勢處理、作戰(zhàn)籌劃、指揮決策和效能評估，要素齊全，采用的算法比較簡單。態(tài)勢處理模型除了模擬輸入輸出，也有情報處理的算法；作戰(zhàn)籌劃是基于條件的判斷決策算法；指揮決策模型模擬兵力分配，作戰(zhàn)方案的生成下達(dá)等；效能評估模型主要是功能指標(biāo)的評估及算法。這類仿真主要用于C4ISR系統(tǒng)的總體論證和仿真設(shè)計分析，輔助開發(fā)一些反映指控決策行為及結(jié)果的時間和效率指標(biāo)方面的算法。

原型仿真，高分辨率最高。以實際的指揮控制系統(tǒng)為主，用于研究和分析戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)的人機(jī)交互特性和規(guī)則，以及作戰(zhàn)訓(xùn)練。原型仿真在過程上與功能仿真一致，在各階段模型更細(xì)化，更逼真，并且考慮了指揮容量、時延、精度等性能指標(biāo)。

系統(tǒng)分辨率由低到高的變化過程實際上是系統(tǒng)功能分解、流程細(xì)化和模型逼真度提高的過程，這個變化過程同樣對應(yīng)于各階段模型，以態(tài)勢處理階段模型為例。

低分辨率的態(tài)勢處理模型主要模擬實際系統(tǒng)的情報輸出能力和情報輸出特性，如圖3所示。主要模擬態(tài)勢感知和情報輸出特性，態(tài)勢感知的探測能力模型模擬目標(biāo)探測，情報報出特性模型模擬報出密度、情報協(xié)議、發(fā)送給相應(yīng)的外部系統(tǒng)或模型等屬性。

圖2 指揮控制系統(tǒng)多分辨率結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi- resolution architecture of command and control system

中分辨率的態(tài)勢處理模型增加了情報處理仿真模型，包含雷達(dá)情報處理的相關(guān)算法，對融合產(chǎn)生的目標(biāo)狀態(tài)、屬性身份進(jìn)行判斷，根據(jù)目標(biāo)信息推理敵方的意圖和目的，量化判斷敵方對我方的危害程度，如圖4所示，在模型的信息處理流程上更加細(xì)化。

高分辨率的態(tài)勢處理模型在中分辨模型的基礎(chǔ)上，更詳細(xì)地模擬實際系統(tǒng)的主要功能和性能指標(biāo)，如圖5所示。在態(tài)勢感知仿真模型中除了探測能力還考慮了環(huán)境的仿真、干擾仿真模型等。在情報處理中除了雷達(dá)情報處理，增加多源情報的處理，除了基本的目標(biāo)估計，還考慮戰(zhàn)場態(tài)勢估計，估計目標(biāo)行為在上下文中的意義，對融合系統(tǒng)性能和效能進(jìn)行估計，實現(xiàn)對融合處理的優(yōu)化控制等等，模型功能和流程上更細(xì)化。

圖3 態(tài)勢處理低分辨率模型Fig.3 Low- resolution model of situation processing

圖4 態(tài)勢處理中分辨率模型Fig.4 Middle- resolution model of situation processing

圖5 態(tài)勢處理高分辨率模型Fig.5 High- resolution model of situation processing

4 基于組件的多分辨率設(shè)計

我們從仿真層次和仿真模型分析了指控系統(tǒng)的多分辨率建模問題。實現(xiàn)這2種模式的多分辨率仿真，要解決多方面的技術(shù)問題，其中最重要的就是模型設(shè)計和多分辨率模型框架。

4.1 模型設(shè)計

從仿真模型設(shè)計看，模塊化、組件化是模型可重用、可組合的基礎(chǔ)。系統(tǒng)多分辨率建模有2類模型，一種是原子模型，一種是復(fù)合模型。原子模型是構(gòu)成系統(tǒng)的基本模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)中不可分割的最小功能，復(fù)合模型可以由原子模型或復(fù)合模型連接組成而成。復(fù)合模型和復(fù)合模型組合構(gòu)成更大的復(fù)合模型，最終構(gòu)成系統(tǒng)，這個過程實際上就是模型的聚合過程。

模型體系設(shè)計正好相反，是個自頂而下的模型解聚過程。指控系統(tǒng)不同于武器裝備系統(tǒng)，它是將作戰(zhàn)各裝備、各環(huán)節(jié)鉸鏈在一起的信息處理過程。不同任務(wù)、不同級別、不同軍種的指控系統(tǒng)，盡管任務(wù)、規(guī)模不同，功能配置不同，在功能流程劃分上基本相同的，因此模型解聚的設(shè)計過程適用所有仿真層次、所有任務(wù)的指控系統(tǒng)仿真建模，如圖6所示。將指控仿真模型體系分解成態(tài)勢處理、作戰(zhàn)籌劃、指揮決策和效能評估4個基本業(yè)務(wù)過程的復(fù)合模型。過程復(fù)合模型根據(jù)流程或功能進(jìn)一步細(xì)分為子流程復(fù)合模型或功能復(fù)合模型，子流程/功能復(fù)合模型進(jìn)一步細(xì)分，分解成功能更小的復(fù)合模型或原子模型。

自頂而下的模型解聚實際上是系統(tǒng)的功能分解和流程細(xì)化過程，根據(jù)前面的分析，模型分辨率也在這一變化中由低變高。還有一類分辨率變化，通過模型的逼真度變化產(chǎn)生。作戰(zhàn)籌劃的知識表示模型，粒度最粗的是以想定的形式預(yù)先擬制好，隨著逼真度提高，采用基于條件判斷的決策表表示法按照條件觸發(fā)判斷。逼真度更高的基于Agent的智能體表示，基于語義推理的語義網(wǎng)絡(luò)表示法等[14]，知識規(guī)則還可以基于現(xiàn)有的進(jìn)行自學(xué)習(xí)，推理出新規(guī)則，這類模型的處理方法和計算模型也更復(fù)雜。

這些不同分辨率的模型采用統(tǒng)一的形式化規(guī)范描述，以層次化、模塊化的形式建立模型庫，支持模型的分解和組合，支持各類指控系統(tǒng)建模。

4.2 基于組件的多分辨率模型框架

本文利用組件化技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了多分辨率模型框架，將模型體系中的多分辨率模型組裝起來，建立不同分辨率對象之間的關(guān)系，支持不同的分辨率模型運行模式，支持不同分辨率的模型切換等功能。多分辨率模型框架主要提供以下功能[15]：

(1) 提供模型組件實現(xiàn)的接口規(guī)范；

(2) 實現(xiàn)模型組件的公共服務(wù)功能，如仿真控制命令的接收，模型組件的仿真運行狀態(tài)，仿真時鐘的同步等等；

(3) 負(fù)責(zé)調(diào)度和管理各模型組件模型；

圖6 指控仿真系統(tǒng)模型體系Fig.6 Model system of the command and control simulation system

(4) 負(fù)責(zé)模型組件內(nèi)部的信息分發(fā)和交互。

基于組件的多分辨率模型框架是整個系統(tǒng)軟件的一個骨架，它通過“配置”的方法，將各個模型組件設(shè)計成“配置項”，這些配置項的信息保存在框架的組件參數(shù)配置文件中，組件參數(shù)配置文件中配置了2類信息：模型組件基本信息，包含模型組件的名稱、描述信息，存儲位置等；模型組件接口信息，包含模型組件的對外接口數(shù)據(jù)類型，模型組件數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送目的等。多分辨率模型框架在啟動時讀取參數(shù)配置文件中的模型組件信息，在試驗運行過程中，根據(jù)配置的模型組件接口信息，調(diào)用相對應(yīng)的模型組件。如圖7所示，組件1的輸出是組件2的輸入，組件3的輸出是組件4的輸入。對于同一功能的組件，可以設(shè)計不同描述程度的接口，實現(xiàn)不同分辨率模型的調(diào)用。

圖7 多分辨率模型組件接口交互Fig.7 Interaction of Multi- resolution components

通過這種方式能夠靈活重組構(gòu)建目標(biāo)指揮控制系統(tǒng)，滿足戰(zhàn)略到戰(zhàn)術(shù)不同級別、不同軍兵種的聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)，并支持不同系統(tǒng)間的聯(lián)合、互操作的能力。當(dāng)仿真層次發(fā)生改變時，模型分辨率不能滿足試驗需求時，系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)不用變化，替換相關(guān)的模型組件，修改模型組件接口配置，重新配置模型交互關(guān)系就可以快速實現(xiàn)。

5 仿真驗證

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文遵循框架的模型組件接口規(guī)范，以空海一體聯(lián)合作戰(zhàn)為背景，在已有的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行封裝，根據(jù)試驗需求開發(fā)了相關(guān)的模型組件，分別構(gòu)建了顯示、網(wǎng)絡(luò)通信、指揮決策、情報處理等類型的“低”、“中”2種分辨率的仿真組件庫。圖 8為組件配置工具，功能是從組件庫中選擇不同功能、不同分辨率的模型組件，通過配置他們之間的交互關(guān)系和交互信息，設(shè)置仿真系統(tǒng)的屬性、運行參數(shù)等信息，生成組件參數(shù)配置文件。多分辨率模型框架讀取參數(shù)配置文件，動態(tài)生成聯(lián)合作戰(zhàn)仿真中的戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)級指控系統(tǒng)。

圖8 組件配置工具界面Fig.8 Interface of components configuration tool

本文構(gòu)建了仿真試驗運行支撐環(huán)境，提供了仿真控制、想定編輯、劇情產(chǎn)生、光電對抗、通信對抗模擬器等仿真要素，用于驗證多分辨率指控模型在不同模擬級別指控仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)需求、信息流程、功能性能指標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)。針對多分辨率應(yīng)用進(jìn)行了2類試驗：

(1) 輸入?yún)?shù)觸發(fā)的仿真模型多分辨率應(yīng)用

在構(gòu)建某指控系統(tǒng)時，利用組件配置工具配置了高分辨率和低分辨率2種粒度的情報處理模型。當(dāng)仿真系統(tǒng)收到輸入?yún)?shù)，框架會查詢該輸入?yún)?shù)的處理模型，并調(diào)用相應(yīng)模型的輸入函數(shù)。如果收到的為簡單屬性的輸入?yún)?shù)，框架則會調(diào)用低分辨率處理模型；如果收到的為復(fù)雜屬性的輸入?yún)?shù)，框架則調(diào)用高分辨率處理模型。

(2) 想定觸發(fā)的仿真層次多分辨率應(yīng)用

在試驗想定中設(shè)置戰(zhàn)役級指揮所被擊毀，則由戰(zhàn)術(shù)級指揮所越級指揮，如圖 9所示。戰(zhàn)術(shù)指揮所在進(jìn)行越級指揮后，要完成兩級指揮所的指揮作戰(zhàn)任務(wù)，既要完成對武器平臺的作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)，又要接收戰(zhàn)略級指揮所的作戰(zhàn)任務(wù)，對下級指揮所進(jìn)行任務(wù)分配等功能，實現(xiàn)了指揮控制仿真系統(tǒng)的跨層次多分辨率建模。

圖9 仿真層次多分辨率應(yīng)用界面Fig.9 Application Interface of simulation level multi- resolution

6 結(jié)束語

本文基于多分辨率建模的思想，分析了指控系統(tǒng)在仿真層次和仿真模型的建模特點，構(gòu)建了多分辨率的指揮控制仿真組件庫，開發(fā)了多分辨率模型框架，實現(xiàn)了2種分辨率轉(zhuǎn)換的仿真試驗。試驗表明，這種構(gòu)建方法可以滿足聯(lián)合作戰(zhàn)的仿真快速構(gòu)建需求，很好地解決體系對抗仿真所面臨的多分辨率建模問題。結(jié)合該成果，還有許多方面值得進(jìn)一步研究和探索，比如模型聚合解聚帶來的一致性問題，多分辨率模型運行時的視圖一致性問題等等。

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Multi- Resolution Modeling of Command and Control Simulation System Based on Components

KONG Chen- yan1，YU Li- rong2

(1.Science and Technology on Information System Engineering Key Laboratory，Jiangsu Nanjing 210007，China； 2.The 28th Research Institute of China Electronic Science & Technology Group Inc，Jiangsu Nanjing 210007，China)

The multi- resolution modeling characteristics of the command and control system in two modes, the simulation level mode and simulation model mode, are analyzed. The top- down decomposition method of command and control model system is proposed. A multi- resolution model framework based on components technology is built. The simulation experiments show that this method can build simulation system flexibly and quickly, and meet the needs of flexible resolution conversion.

multi- resolution modeling； model framework； components technology； command and control system； joint operations； simulation level

2016-08-15；

2016-12-12 作者簡介：孔晨妍(1982-)，女，江蘇南京人。高工，碩士，主要研究方向為仿真建模技術(shù)。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.031

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