黃其旺,朱一凡,李 群,楊 峰

(國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

基于OPM與ABMS的體系架構(gòu)驅(qū)動(dòng)仿真方法

黃其旺,朱一凡,李 群,楊 峰

(國(guó)防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

建模與仿真在武器裝備體系研制的全過程中都發(fā)揮著非常重要的作用,但是對(duì)于如何從體系架構(gòu)中提取仿真所需的數(shù)據(jù)從而驅(qū)動(dòng)構(gòu)造仿真系統(tǒng)運(yùn)行的研究還比較少,無法發(fā)揮架構(gòu)驅(qū)動(dòng)仿真的優(yōu)勢(shì)。采用OPM(Object-Process Methodology)對(duì)武器裝備體系架構(gòu)進(jìn)行描述,通過一定的方法從體系架構(gòu)中提取ABMS(Agent Based Modeling and Simulation)仿真所需的數(shù)據(jù),從而支持仿真的運(yùn)行,繼而實(shí)現(xiàn)利用ABMS分析武器裝備體系架構(gòu)并對(duì)武器裝備體系的能力進(jìn)行評(píng)估。

建模仿真; 對(duì)象過程方法論; 基于Agent的仿真; 架構(gòu); 映射方法

朱一凡(1963-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。

李 群(1971-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。

楊 峰(1975-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)發(fā)生了巨大跳變,從傳統(tǒng)的機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)轉(zhuǎn)化為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)。一系列新型的作戰(zhàn)理念成為研究的熱點(diǎn),如聯(lián)合作戰(zhàn)、空海一體戰(zhàn)、空天一體戰(zhàn)和基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)等。與之相適應(yīng)的是武器裝備信息化程度不斷提高,裝備之間通過信息網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系更加緊密[1]。進(jìn)入21世紀(jì),系統(tǒng)科學(xué)和軍事裝備學(xué)的研究對(duì)象逐步轉(zhuǎn)化為武器裝備體系。如何在聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下評(píng)估武器裝備體系的能力是一個(gè)亟需解決的問題。但是,與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，體系具有更大的復(fù)雜性以及涌現(xiàn)行為和演化等系統(tǒng)所不具有的特性。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法在處理大型復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)存在很大的局限性,針對(duì)這些問題，體系工程得以提出。

為了滿足體系工程的需求,有人提出了如圖1所示的架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的體系仿真過程[2]。架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的仿真過程既是一個(gè)自頂向下的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程,又是一個(gè)自底向上的評(píng)估和確認(rèn)過程,總的來說是一個(gè)循環(huán)迭代逐步優(yōu)化的過程。

圖1 架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的體系仿真過程

目前,最常用方法是采用DoDAF視圖產(chǎn)品對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行描述,DoDAF體系結(jié)構(gòu)框架的主要視圖包括全景視圖、作戰(zhàn)視圖、系統(tǒng)視圖和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)視圖等[3]。但是DoDAF的視圖種類繁多,開發(fā)起來比較復(fù)雜,本文采用OPM(Object-Process Methodology,對(duì)象過程方法論)對(duì)武器裝備體系架構(gòu)進(jìn)行描述,OPM擁有統(tǒng)一的對(duì)象和過程視圖,采用逐層展開細(xì)化的方式對(duì)體系進(jìn)行描述,更符合系統(tǒng)工程的研究思路[4]。本文采用基于Agent的建模與仿真方法,該方法對(duì)于體系行為建模具有以下優(yōu)勢(shì)。首先,Agent的自治性可以很好地模擬體系的組成部分可以獨(dú)立運(yùn)行并且具有一定的自主決策能力這一特性；其次,Agent的適應(yīng)性有利于模擬體系及其組成部分的演化特性；最后,基于Agent的仿真可以通過對(duì)底層實(shí)體模型簡(jiǎn)單的行為進(jìn)行建模,由下向上,從底層向高層表現(xiàn)體系復(fù)雜的、無法預(yù)測(cè)的涌現(xiàn)行為。

1 OPM方法論

OPM(Object-Process Methodology,對(duì)象過程方法論)[5]是由Dori于2002年全面提出的一種整體系統(tǒng)范式,由包含對(duì)象、過程及不同類型的關(guān)系連接的符號(hào)集及相應(yīng)的模型規(guī)范組成。OPM將靜態(tài)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)過程的描述統(tǒng)一到一個(gè)視圖中,將過程從對(duì)象中分離和解耦出來,強(qiáng)調(diào)對(duì)象和過程的對(duì)偶和互補(bǔ)。

OPM(Object Process Methodology) 是一個(gè)用以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的整體方法,它將面向?qū)ο蠓妒胶兔嫦蜻^程范式集成于同一個(gè)參考框架,將結(jié)構(gòu)和行為這兩個(gè)系統(tǒng)的主要方面在同一個(gè)OPM 視圖中表達(dá)。通過結(jié)構(gòu)鏈接表示組成系統(tǒng)實(shí)體間的靜態(tài)聯(lián)系,通過過程鏈接描述一個(gè)系統(tǒng)如何通過過程變換對(duì)象、通過對(duì)象使能過程、通過對(duì)象事件觸發(fā)啟動(dòng)過程等來描述系統(tǒng)的行為。因而OPM不僅提供了架構(gòu)建模的基本元素,而且其語義也具有可執(zhí)行的特點(diǎn),使得構(gòu)建的架構(gòu)模型可以進(jìn)行可執(zhí)行分析。 本文將嘗試?yán)肙PM構(gòu)建武器裝備體系的架構(gòu)模型,通過OPM架構(gòu)元模型與本人所在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的武器裝備效能仿真系統(tǒng)(SEAS)的仿真元模型的映射及架構(gòu)模型和SEAS集成機(jī)制的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)基于OPM的架構(gòu)驅(qū)動(dòng)武器裝備體系能力評(píng)估,支持體系環(huán)境下的武器裝備體系效能仿真。

2 基于Agent的建模與仿真

傳統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真工具主要表示作戰(zhàn)中系統(tǒng)在物理域的變化規(guī)律。隨著網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)理論的發(fā)展和不斷應(yīng)用,傳統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真工具難以適應(yīng)作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、變結(jié)構(gòu)、自組織、自同步等特性,不能有效刻畫和描述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中的信息域和認(rèn)知域。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的復(fù)雜性常常表現(xiàn)為復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的涌現(xiàn)性,為此基于Agent的建模與仿真方法(Agent Based Modeling and Simulation,ABMS)被廣泛應(yīng)用到軍事領(lǐng)域研究復(fù)雜裝備體系。ABMS利用許多相互之間具有復(fù)雜交互關(guān)系的獨(dú)立Agent對(duì)體系進(jìn)行描述和抽象,強(qiáng)調(diào)體系中底層實(shí)體的自治性和實(shí)體之間的交互性。

SEAS仿真軟件是基于Agent建模的典型代表,SEAS是一個(gè)基于實(shí)體的,以時(shí)間步長(zhǎng)推進(jìn)的,面向隨機(jī)多使命層模型的,用于評(píng)價(jià)C4ISR使用性的仿真系統(tǒng)。SEAS中的每個(gè)Agent以并行執(zhí)行線程運(yùn)行并遵循已編碼的認(rèn)知域中的命令控制。隨每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的推進(jìn),針對(duì)每個(gè)Agent,進(jìn)行傳感器探測(cè)、通信隊(duì)列處理、Agent內(nèi)部每個(gè)武器系統(tǒng)的火力打擊次數(shù)、機(jī)動(dòng)等進(jìn)行解算,然后根據(jù)Agent計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Agent資源計(jì)算、狀態(tài)變化計(jì)算、毀傷計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算。自適應(yīng)行為能力允許SEAS可以真實(shí)地模擬包括陸、海、空、天等各類武器裝備體系中的C4ISR的作戰(zhàn)效果。SEAS面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下的體系對(duì)抗,將作戰(zhàn)實(shí)體抽象為Agent對(duì)象,從作戰(zhàn)兵力、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺(tái)、探測(cè)設(shè)備、武器系統(tǒng)、通信設(shè)備、實(shí)體自主決策行為以及影響作戰(zhàn)實(shí)體的環(huán)境等方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)實(shí)體進(jìn)行抽象。SEAS主要有三個(gè)核心實(shí)體:Agent實(shí)體、裝備實(shí)體(Device)和環(huán)境實(shí)體(Environment),三者的關(guān)系如圖2所示。SEAS仿真模型框架強(qiáng)調(diào)作戰(zhàn)模型的主體化、可重用性、實(shí)體關(guān)系的動(dòng)態(tài)性以及模型行為的過程性,使得系統(tǒng)具有一個(gè)動(dòng)態(tài)的模型體系框架作為運(yùn)行支撐基礎(chǔ),并具備模型可組合能力,自動(dòng)在交戰(zhàn)條件下進(jìn)行交戰(zhàn)模擬計(jì)算,以保證模型體系可以響應(yīng)多種形式的想定部署和任務(wù)分配能力。

圖2 SEAS的實(shí)體結(jié)構(gòu)

3 體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與描述

基于OPM體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與描述方法充分吸取了現(xiàn)有各種架構(gòu)設(shè)計(jì)與描述方法的優(yōu)點(diǎn),擁有嚴(yán)格的建模規(guī)范和多種圖形元素,在多個(gè)領(lǐng)域得到了具體的應(yīng)用。本文針對(duì)具體的需求對(duì)OPM方法進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展和細(xì)化,用以設(shè)計(jì)與描述武器裝備體系架構(gòu)。

圖3 SEAS元模型

根據(jù)前面對(duì)SEAS仿真軟件的分析,我們首先利用OPM建立SEAS的元模型,如圖3所示。后續(xù)的武器裝備體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)和描述都是基于SEAS元模型來開發(fā)的,以便于下一步的轉(zhuǎn)化工作。元模型描述了SEAS仿真框架中Agent的層級(jí)關(guān)系,即作戰(zhàn)方、作戰(zhàn)兵力、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺(tái)以及設(shè)備之間的相互關(guān)系。同時(shí)元模型表明了SEAS中Agent與作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)任務(wù)之間的關(guān)系。更進(jìn)一步,元模型通過對(duì)Agent和作戰(zhàn)任務(wù)添加屬性等方式,使得OPM能夠?qū)ψ鲬?zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺(tái)和設(shè)備的通用屬性進(jìn)行描述以及對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)發(fā)生的地理環(huán)境和相關(guān)信息進(jìn)行表示。

4 體系架構(gòu)到SEAS仿真模型的映射

根據(jù)前面對(duì)SEAS結(jié)構(gòu)的分析,SEAS所需的仿真數(shù)據(jù)可以分為通用屬性、通信屬性和實(shí)體命令三個(gè)部分。

4.1 通用屬性的映射

SEAS需要被建模單元的一些通用屬性,例如機(jī)動(dòng)速度、機(jī)動(dòng)高度、重要度、人員數(shù)量以及目標(biāo)信息存儲(chǔ)時(shí)間等。OPM體系架構(gòu)中實(shí)體的通用屬性利用如圖4所示的方式進(jìn)行描述,最終存儲(chǔ)為XML格式的文檔,通過一定的轉(zhuǎn)換工具就可以映射到SEAS的仿真想定中。

圖4 通用屬性示例

4.2 通信屬性的映射

SEAS中的實(shí)體利用通信設(shè)備進(jìn)行通信交互,因此通過查找是否具有相同的通信設(shè)備可以判斷實(shí)體之間是否能夠進(jìn)行通信。這里的通信設(shè)備具有最大通信距離、通信延遲、可靠性和通信信道等屬性。

圖5 通信設(shè)備描述示例

4.3 命令的映射

SEAS中的命令是通過TPL(Tactic Programming Language)語言來描述的。SEAS的仿真策略采用進(jìn)程交互法,其中的基本執(zhí)行單元是進(jìn)程,每個(gè)進(jìn)程表示一個(gè)實(shí)體的生命周期,需要處理實(shí)體全生命周期中發(fā)生的所有事件。因此,SEAS中實(shí)體只需要關(guān)注自己的行為過程,而不用在命令語句中考慮與其他實(shí)體的交互。在OPM中通過層層展開,可以看到每個(gè)實(shí)體在作戰(zhàn)過程中執(zhí)行了哪里的任務(wù),如圖6所示。通過提取任務(wù)的地理位置以及發(fā)生時(shí)間等信息可以獲得每個(gè)實(shí)體在進(jìn)程中發(fā)生的所有事件。

圖6 Agent執(zhí)行任務(wù)描述示例

4.4 具體實(shí)現(xiàn)

本文提出的體系架構(gòu)驅(qū)動(dòng)仿真方法,基于OPM描述體系架構(gòu)模型,然后將架構(gòu)資源要素自動(dòng)或者半自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換到仿真應(yīng)用的對(duì)象中,驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備體系的作戰(zhàn)效能和能力評(píng)估。由于OPM建立的體系架構(gòu)模型和SEAS的仿真想定都可以存儲(chǔ)成XML格式,因此只要實(shí)現(xiàn)兩種不同形式XML文檔之間的轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)從體系架構(gòu)中提取仿真所需的數(shù)據(jù)。目前,翻譯和轉(zhuǎn)換XML文檔的方法主要兩種[6]。一種是通過C++或者Java等傳統(tǒng)的程序語言,利用程序語言與相應(yīng)的XML解析器配合工作,可以對(duì)XML文檔進(jìn)行讀入和處理操作,然后輸出想要的結(jié)果文檔。而這里的XML解析器也主要有兩種,分別是基于樹的模型和基于事件的模型?；跇涞慕馕銎鞯牡湫痛硎荢AX(Simple API for XML),基于事件的解析器有DOM(Document Object Model)。XML的另外一種轉(zhuǎn)換方法是利用標(biāo)準(zhǔn)的語言和模型轉(zhuǎn)換引擎,其中應(yīng)用最廣泛的基于XML的模型轉(zhuǎn)換語言是XSLT和STX[7]。其中XSLT的執(zhí)行效率要比STX高。因此本文擬采用擴(kuò)展樣式表轉(zhuǎn)換語言(XSLT,Extensible Stylesheet Language Transformations)來實(shí)現(xiàn)兩種不同形式XML文檔之間的轉(zhuǎn)換,從而實(shí)現(xiàn)OPM體系架構(gòu)驅(qū)動(dòng)ABMS體系仿真的運(yùn)行。利用XSLT進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基本流程如圖7所示。

圖7 XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

基于OPM描述的體系架構(gòu)和基于ABMS的仿真模型都可以直接保存為XML格式的文件,基于上面關(guān)于通用屬性、通信屬性以及命令映射的分析建立相應(yīng)的XSLT樣式表即架構(gòu)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)架構(gòu)數(shù)據(jù)模型到仿真數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)束語

雖然開發(fā)體系的架構(gòu)與對(duì)體系進(jìn)行建模有著共同的目標(biāo),都是為了獲得更好的體系能力,但是在很大程度上這兩項(xiàng)工作是相互獨(dú)立的由不同的人完成的。本文的研究表示體系架構(gòu)能夠?yàn)榛贏gent的仿真提供必要的數(shù)據(jù),并且提出了OPM描述的體系架構(gòu)向SEAS仿真模型轉(zhuǎn)換的具體方法。該方法的提出具有以下作用。首先,打通了架構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)之間的通道,提高了模型的可理解性,可以有效地減少由于體系架構(gòu)到仿真模型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的建模失誤。其次,可以提高模型的重用層次,體系模型從設(shè)計(jì)、開發(fā)一直到修改、維護(hù)都是基于同樣的體系架構(gòu)進(jìn)行展開。最后,模型開發(fā)效率得到顯著提高,實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)到仿真模型的轉(zhuǎn)換后,在完成體系架構(gòu)的開發(fā)之后,可通過自動(dòng)化或者半自動(dòng)化的模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)OPM體系架構(gòu)到SEAS想定的轉(zhuǎn)換,大大提高了模型開發(fā)的效率。下一步研究應(yīng)該關(guān)注如何利用OPM更好地來設(shè)計(jì)與描述武器裝備體系的架構(gòu)，為仿真提供更多的有用信息，更加快捷和準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)到基于Agent的仿真模型的轉(zhuǎn)換。

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A Method of SoS Architecture Driven Simulation Approach Based on OPM and ABMS

HUANG Qi-wang,ZHU Yi-fan,LI Qun,YANG Feng

(School of Information System and Management,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Modeling and Simulation is important at all stages of weapon equipment system-of-systems development.However,little work has been put into taking data from the architectures and exercising them in a constructive combat simulation environment.This paper details a method for finding architecturally feasible alternatives to weapon equipment system-of-systems capability problems in early phase acquisition using Object-Process Methodology (OPM) and Agent Based Modeling and Simulation (ABMS).The method is a preliminary study on OPM based architecture development and executable model in constructive combat simulation to weapon equipment system-of-systems capability assessment.

modeling and simulation; OPM; ABMS; architecture; mapping method

E242

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.018

1673-3819(2017)05-0085-04

2017-07-29

2017-08-23

黃其旺(1987-),男,湖南瀏陽人,博士研究生,研究方向?yàn)檠b備體系論證與仿真評(píng)估。