張柯 孫昊 閆飛 譚雄 段偉

作戰(zhàn)仿真是不同技術(shù)背景下研究戰(zhàn)爭問題,分析和評估作戰(zhàn)方案的重要手段[1?3].近年來,人們建立了多個作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)以模擬不同作戰(zhàn)層次(戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù))和不同作戰(zhàn)域(陸、海、空)的作戰(zhàn)過程,以支持作戰(zhàn)訓(xùn)練、作戰(zhàn)問題研究和作戰(zhàn)計劃輔助決策.例如:基于HLA技術(shù)體制的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)[4]、海上區(qū)域作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)[5]和潛艇作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)[6]、空軍戰(zhàn)役作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[7]、空間作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)[8]和電子對抗作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)[9]、后勤保障中醫(yī)療后送模擬系統(tǒng)[10]、武器裝備體系對抗建模與仿真[11?12],以及作戰(zhàn)指揮控制建模與仿真分析系統(tǒng)[13]等.各種樣式的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)為研究不同作戰(zhàn)域的軍事問題提供了很好的支撐.然而,由于技術(shù)標準、模型規(guī)范、模型粒度的不同,作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)之間難于互聯(lián)互通,且升級改造與維護難度大.作戰(zhàn)仿真模型難于重用,且存在重復(fù)開發(fā)等問題.

采用組合式建模、模型與數(shù)據(jù)分離等方法可以實現(xiàn)作戰(zhàn)仿真模型的靈活組裝與搭配,提高作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的可擴展性與可重用性.2002年美國海軍研究生院、喬治梅森大學(xué)以及SAIC公司等組織提出了可擴展建模與仿真框架(XMSF)[14].XMSF基于XML標記語言,采用Web技術(shù)作為共享的通信平臺和通用的傳輸框架,促進建模與仿真應(yīng)用在更大范圍的互操作和重用[15].2006年仿真互操作標準化組織(Simulation Inter-operability Standard Organization,SISO)提出了基于組件建模的基本對象模型(Basic Object Model,BOM)規(guī)范[16?17].BOM是一種促進仿真模型互操作、重用性和可組合性的實現(xiàn)機制,鼓勵靈活、快速、有效地開發(fā)和管理模型.該機制已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用,例如:基于BOM組件規(guī)范的仿真建模與運行環(huán)境[18]、基于BOM組件的并行計算仿真引擎[19]等.同時,其他的組合式建模方法也得到了研究和應(yīng)用,例如:基于面向服務(wù)架構(gòu)軟件組件技術(shù)來支撐仿真模型的組合與重用,提高仿真效率與靈活性[20]、基于原子/復(fù)合組件開放的系統(tǒng)設(shè)計方法開發(fā)分布式機載電子對抗仿真系統(tǒng)[21]等.

組合式建模方法將作戰(zhàn)實體拆分為不同的功能部件或模塊.例如:戰(zhàn)斗機實體可劃分為飛機平臺、機載雷達、機載通信設(shè)備、機載武器系統(tǒng)、航空彈藥、航空燃油、飛行員等.為實現(xiàn)作戰(zhàn)實體模型的可重用性,將作戰(zhàn)實體的功能模塊以不同組件的形式實現(xiàn),例如:指控組件、運動組件、感知組件、通信組件、任務(wù)組件等,再通過不同組件的靈活搭配與組裝來形成一定功能的作戰(zhàn)實體仿真模型.同時,模型與數(shù)據(jù)分離方法將作戰(zhàn)實體模型的屬性數(shù)據(jù)和行為參數(shù)從模型中剝離出來,設(shè)計統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)接口,通過配置不同數(shù)據(jù)即可形成不同功能的模型,從而增強模型的可重用性.例如:感知組件實現(xiàn)了戰(zhàn)場偵察、情報收集、態(tài)勢融合,以及情況匯報等業(yè)務(wù)模型,同時設(shè)計了傳感器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).為感知組件配置不同類型或型號的傳感器數(shù)據(jù),例如:機載雷達、聲吶浮標、紅外探測儀等,即可形成不同功能的感知組件.

由于模型粒度不同,戰(zhàn)場空間實體的抽象層次不同.有的作戰(zhàn)實體被抽象為實體模型,具有一定的作戰(zhàn)行為能力描述;而有的實體僅僅抽象為仿真數(shù)據(jù).例如:戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中飛機作為一個作戰(zhàn)實體來描述,而組合飛機的其他裝備,包括:機載雷達、無線電臺、彈藥、航空燃油等不作為實體描述,僅描述為屬性數(shù)據(jù).戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中飛機可能作為空軍部隊或者飛行編隊的裝備,抽象為屬性數(shù)據(jù),而不作為作戰(zhàn)實體描述.

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中如何有效組織和描述不具有行為能力的屬性數(shù)據(jù)是一個重要的問題.作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中通常將不具有行為模型的實體描述為屬性變量.該方法難于實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的完全分離,以及模型的可重用性.本文在作戰(zhàn)實體建模過程中采用“資產(chǎn)”的概念來描述不具有行為模型的實體,即將作戰(zhàn)實體所擁有的雷達、武器系統(tǒng)、彈藥等裝備,以及油料、水、電等資源作為實體的資產(chǎn),并為每一種資產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).同時,為組合式作戰(zhàn)實體模型設(shè)計資產(chǎn)管理組件,實現(xiàn)資產(chǎn)的查詢、存儲、消耗等功能操作.

1 作戰(zhàn)仿真中資產(chǎn)的定義與作用

資產(chǎn)是戰(zhàn)場空間實體所持有的、占據(jù)的、存儲的、裝載的和使用的資源,用于支持和約束作戰(zhàn)實體執(zhí)行相應(yīng)軍事行為的能力.戰(zhàn)場空間中所有的資源,只要被作戰(zhàn)實體所持有、占據(jù)、存儲、裝載和使用,即可稱之為作戰(zhàn)實體的資產(chǎn).沒有被作戰(zhàn)實體所持有、占據(jù)、存儲、裝載和使用的資源就不能稱為資產(chǎn),例如:公路作為環(huán)境資源,是公共資源,不被任何作戰(zhàn)實體所擁有,所以不是資產(chǎn).如果將作戰(zhàn)實體當(dāng)作其他實體所持有、占據(jù)、存儲、裝載和使用的資源,那么該作戰(zhàn)實體也可稱之為其他實體的資產(chǎn).需要明確的是,資產(chǎn)在仿真過程中的存在形態(tài)是資源屬性數(shù)據(jù)集.作戰(zhàn)實體是戰(zhàn)場空間中具有特定軍事行為能力的對象,且其軍事行為需要在仿真模型中描述.

作戰(zhàn)仿真中根據(jù)模型的粒度和研究問題來確定需要描述作戰(zhàn)實體中的哪些資產(chǎn).但是所有作戰(zhàn)實體均擁有自己的資產(chǎn),例如:飛機實體擁有飛機平臺、機載雷達、航空彈藥、航空燃油、飛行員等資產(chǎn);艦艇實體擁有艦船平臺、艦載雷達、艦炮、彈藥、航海燃油、給養(yǎng)等資產(chǎn);倉庫實體擁有各種后勤保障的資產(chǎn),包括:油料、給養(yǎng)、彈藥、汽車等資產(chǎn).根據(jù)資產(chǎn)的用途可以對資產(chǎn)進行多級分類,例如:將資產(chǎn)初步分為:裝備、物資、設(shè)施、人員等,其中設(shè)施可以再分為營房、陣地、工事、設(shè)障等.

作戰(zhàn)仿真中資產(chǎn)的作用主要體現(xiàn)為以下3個方面:

1.1 資產(chǎn)體現(xiàn)和約束作戰(zhàn)實體的軍事行為能力

資產(chǎn)作為作戰(zhàn)實體所持有的、可支配的資源,體現(xiàn)了實體能夠執(zhí)行的作戰(zhàn)行動.例如:為飛機配置不同的彈藥資產(chǎn),那么飛機就具有不同的打擊能力.機場擁有不同型號的飛機資產(chǎn),包括:戰(zhàn)斗機、偵察機、轟炸機等,那么機場就可以執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務(wù)等.資產(chǎn)體現(xiàn)作戰(zhàn)實體軍事行為能力的同時,約束了作戰(zhàn)實體的作戰(zhàn)行動.例如:飛機實體擁有的彈藥數(shù)量的缺乏限制了其打擊能力,航空燃油數(shù)量的缺乏限制了其航行范圍.地面部隊擁有的汽車數(shù)量限制了其機動能力,給養(yǎng)數(shù)量限制了其持續(xù)作戰(zhàn)時間.

1.2 資產(chǎn)有助于后勤保障模型的建立

戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中通常忽略資源對作戰(zhàn)過程的影響,從而不考慮后勤保障模型.但是,戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中由于作戰(zhàn)時間跨度大、資源消耗數(shù)量大,需要建立后勤保障模型.后勤補給、后勤運輸?shù)饶Ｐ椭袑⑸婕按罅康牟煌愋偷馁Y產(chǎn)描述.例如:倉庫實體需要描述和管理各種類型的補給資源,同時具有資源的接收、存儲、分配、查詢等功能.因此,以資產(chǎn)的概念來描述作戰(zhàn)實體所擁有的資源,并對各種資產(chǎn)進行有效的組織和管理,將有助于后勤保障模型的建立.

1.3 資產(chǎn)有助于作戰(zhàn)實體的毀傷裁決和裝備維修模型的描述

作戰(zhàn)實體的交戰(zhàn)過程通過裁決算法來裁定實體的毀傷程度.而作戰(zhàn)實體的毀傷程度可通過其資產(chǎn)數(shù)量的變化來體現(xiàn).其次,作戰(zhàn)仿真模型和裁決算法的粒度不同,那么作戰(zhàn)實體的毀傷描述也不同.例如:戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真中空空交戰(zhàn)過程,紅藍雙方飛行編隊進行對抗,飛行編隊實體的毀傷通過減少飛機資產(chǎn)數(shù)量來描述.而戰(zhàn)術(shù)級空空交戰(zhàn)仿真中飛機作為實體描述,其毀傷通過減少飛機實體的傳感器、通信設(shè)備、武器系統(tǒng)、飛機平臺等資產(chǎn)數(shù)量來描述.同樣地,作戰(zhàn)實體的維修也可以通過增加或者替換其資產(chǎn)來描述.

2 資產(chǎn)管理組件設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于組件化建模思想,組合式作戰(zhàn)實體模型將實體的功能劃分為不同模塊,實現(xiàn)為動態(tài)庫組件,例如:指控組件、感知組件、運動組件、任務(wù)組件等.然后,靈活搭配功能組件,并通過實體模型集成框架組裝功能組件形成完整的作戰(zhàn)實體仿真模型.資產(chǎn)管理組件作為組合式作戰(zhàn)實體模型框架的重要組成部分,集中管理作戰(zhàn)實體所擁有的資產(chǎn),實現(xiàn)資產(chǎn)的查詢、存儲、消耗、預(yù)留等功能.

為了實現(xiàn)作戰(zhàn)實體模型的通用性,資產(chǎn)管理組件需要能夠在不同的作戰(zhàn)實體模型中可重用.然而,不同類型的作戰(zhàn)實體所擁有的資產(chǎn)類型和數(shù)量是有差異的.因此,在資產(chǎn)管理組件的設(shè)計中需要實現(xiàn)資產(chǎn)管理模型與資產(chǎn)數(shù)據(jù)的分離.另外,不同的作戰(zhàn)實體可能擁有相同的資產(chǎn).如果相同的資產(chǎn)數(shù)據(jù)重復(fù)性地保存于不同作戰(zhàn)實體的資產(chǎn)管理組件中,那么將消耗計算機內(nèi)存資源,尤其在大規(guī)模實體數(shù)量的作戰(zhàn)仿真中.因此,在資產(chǎn)管理組件設(shè)計中需要實現(xiàn)僅描述和存儲一份資產(chǎn)數(shù)據(jù).

資產(chǎn)管理組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計描述如圖1所示.每一個作戰(zhàn)實體(TSEntity)均掛載有一個資產(chǎn)賬戶(TSAssetAccount),即通過屬性變量的方式掛載到作戰(zhàn)實體模型.資產(chǎn)賬戶中有各種狀態(tài)的資產(chǎn)數(shù)組變量,用于存儲不同存在狀態(tài)的資產(chǎn).資產(chǎn)類(TSBaseAsset)描述中記錄了資產(chǎn)定義類(TSAbstractAssetSpec)的索引編碼,通過該編碼可以在資產(chǎn)模型庫(TSModelRepository)中查找到資產(chǎn)定義.資產(chǎn)模型庫類實現(xiàn)了資產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一存儲,并提供資產(chǎn)數(shù)據(jù)訪問接口.資產(chǎn)定義類描述了資產(chǎn)屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).資產(chǎn)管理組件結(jié)構(gòu)中各類的功能具體描述如下.

2.1.1 資產(chǎn)賬戶(TSAssetAccount)

根據(jù)現(xiàn)實中資產(chǎn)記錄方法,采用資產(chǎn)賬戶來記錄和管理各種類型和數(shù)量的資產(chǎn).資產(chǎn)賬戶作為資產(chǎn)管理組件的功能實現(xiàn)的主體部分,是作戰(zhàn)實體訪問資產(chǎn)管理組件的主要接口對象,并實現(xiàn)了資產(chǎn)的分類、查詢、存儲、增加、減少、修改等操作功能.資產(chǎn)賬戶作為作戰(zhàn)實體的屬性變量,形成1對1的關(guān)聯(lián)關(guān)系,并通過數(shù)組變量存儲多種狀態(tài)的資產(chǎn),對資產(chǎn)進行“增刪查改”等基本操作.

2.1.2 資產(chǎn)類(TSBaseAsset)

資產(chǎn)數(shù)據(jù)可分為兩種類型,即資產(chǎn)的索引數(shù)據(jù)和定義數(shù)據(jù).資產(chǎn)的索引數(shù)據(jù)包括:資產(chǎn)的編號、類型、名稱、數(shù)量、狀態(tài)等.資產(chǎn)的定義數(shù)據(jù)是描述資產(chǎn)的屬性、型號等數(shù)據(jù),在仿真過程中不會發(fā)生變化,可作為靜態(tài)數(shù)據(jù)來描述.為了實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)的可重用,將資產(chǎn)索引數(shù)據(jù)與資產(chǎn)定義數(shù)據(jù)相互分離.資產(chǎn)類描述資產(chǎn)索引數(shù)據(jù),包括:索引編號、類型、數(shù)量等.資產(chǎn)定義類描述資產(chǎn)的定義數(shù)據(jù).資產(chǎn)類通過索引編號可以從資產(chǎn)模型庫中查找資產(chǎn)定義類.

資產(chǎn)類(TSBaseAsset)作為資產(chǎn)基類,根據(jù)資產(chǎn)的不同狀態(tài)可以派生出不同狀態(tài)資產(chǎn)類.不同狀態(tài)資產(chǎn)類用于區(qū)分同一個作戰(zhàn)實體的資產(chǎn)管理組件中存在的相同類型資產(chǎn).

2.1.3 資產(chǎn)定義類(TSAbstractAssetSpec)

資產(chǎn)定義類描述資產(chǎn)定義數(shù)據(jù),主要包括資產(chǎn)的識別信息、性能參數(shù)等型號數(shù)據(jù),例如:飛機平臺資產(chǎn)的形狀、重量、最大航速、起飛油耗等.TSAbstractAssetSpec是資產(chǎn)定義基類,根據(jù)資產(chǎn)分類結(jié)構(gòu)可以派生出一系列各種類型的資產(chǎn)定義類,例如:裝備資產(chǎn)(TSAssetEquipment)、物資資產(chǎn)(TSAssetMaterial)、設(shè)施資產(chǎn)(TSAssetFacility)、人員資產(chǎn)(TSAssetForce)等.資產(chǎn)定義類的抽象層次可以通過模型粒度來確定,例如:將所有類型的飛機,包括:戰(zhàn)斗機、轟炸機、直升機等,統(tǒng)一描述為飛機資產(chǎn).如果往下細分的話,可分為固定翼飛機資產(chǎn)和旋轉(zhuǎn)翼飛機資產(chǎn).資產(chǎn)定義的分類描述可細化到具有相同屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的同一類資產(chǎn),例如:將所有型號的戰(zhàn)斗機歸為一類資產(chǎn)定義,然后通過資產(chǎn)定義類的屬性數(shù)據(jù)來區(qū)分不同型號的戰(zhàn)斗機.

2.1.4 資產(chǎn)模型庫類(TSModelRepository)

資產(chǎn)模型庫類實現(xiàn)資產(chǎn)定義的屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理,并提供資產(chǎn)數(shù)據(jù)訪問接口.作戰(zhàn)仿真中存在多個作戰(zhàn)實體,而每一個實體均掛載了資產(chǎn)管理組件.不同實體的資產(chǎn)管理器可能存儲相同的資產(chǎn)數(shù)據(jù),從而增大計算機的內(nèi)存開銷.為了減少仿真運行中計算機的內(nèi)存開銷,資產(chǎn)類中設(shè)計了資產(chǎn)索引編號,通過該編號可以從資產(chǎn)模型庫類中找到資產(chǎn)定義數(shù)據(jù).資產(chǎn)模型庫類實現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)據(jù)的唯一存儲,減少仿真推演過程中多份資產(chǎn)數(shù)據(jù)對內(nèi)存消耗.

2.2 接口設(shè)計

資產(chǎn)管理組件作為組合式作戰(zhàn)實體模型的功能組件,通過實體模型集成框架集成到作戰(zhàn)實體仿真模型中.資產(chǎn)管理組件向?qū)嶓w模型集成框架和實體模型的其他功能組件提供了對外接口,以調(diào)用資產(chǎn)的查詢、增加、刪除等功能.資產(chǎn)管理組件的主要接口描述如表1所示,主要包括:擁有資產(chǎn)管理組件的實體設(shè)置與查詢接口、資產(chǎn)賬戶中資產(chǎn)設(shè)置與獲取接口、指定狀態(tài)或類型資產(chǎn)的獲取與刪除接口、指定狀態(tài)或類型資產(chǎn)數(shù)量的查詢接口、增加資產(chǎn)接口等.

表1 資產(chǎn)管理組件接口

3 資產(chǎn)應(yīng)用流程

在組合式作戰(zhàn)實體建模與仿真應(yīng)用中資產(chǎn)作為實體所有持有的、占據(jù)的、支配的資源的抽象描述,需要建立合理的模型.作戰(zhàn)實體模型在搭配和組合各項功能組件時需要選擇資產(chǎn)管理組件,同時配置相應(yīng)的資產(chǎn)數(shù)據(jù).在仿真運行過程中作戰(zhàn)實體模型首先初始化資產(chǎn)管理組件,并加載各項資產(chǎn)數(shù)據(jù),通過資產(chǎn)管理組件接口對資產(chǎn)數(shù)據(jù)進行操作.資產(chǎn)在建模與仿真過程中的應(yīng)用流程描述如圖2所示.

3.1 資產(chǎn)定義模型設(shè)計

在組合式作戰(zhàn)實體建模過程中資產(chǎn)定義模型同樣采用組件方式來實現(xiàn).因此,首先創(chuàng)建資產(chǎn)模型組件,然后在該組件中設(shè)計資產(chǎn)定義類(TSAbstractAssetSpec).資產(chǎn)定義類繼承已有的資產(chǎn)定義基類,并設(shè)計資產(chǎn)的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).最后,資產(chǎn)定義模型設(shè)計以組件形式輸出.

3.2 資產(chǎn)型號化

資產(chǎn)型號化即針對資產(chǎn)定義類的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),為每一項屬性賦予數(shù)據(jù)值,形成型號化的資產(chǎn).例如:對雷達資產(chǎn)定義進行型號化時,為其資產(chǎn)定義類的名稱、型號、探測范圍、發(fā)現(xiàn)概率等屬性賦予數(shù)據(jù)值之后,即可形成指定型號的雷達資產(chǎn).資產(chǎn)型號化過程,首先需要選擇資產(chǎn)定義模型,即資產(chǎn)定義模型設(shè)計過程中輸出的資產(chǎn)模型組件.然后,編輯資產(chǎn)的屬性數(shù)據(jù),并保存型號化后的資產(chǎn)定義組件.

3.3 資產(chǎn)配給實體

作戰(zhàn)實體模型選擇和組合各項型號化后的功能組件時,同樣需要為實體配置型號化資產(chǎn).首先,選擇組合后的作戰(zhàn)實體模型;然后,為其選擇型號化資產(chǎn),并編輯該類型資產(chǎn)的數(shù)量.

3.4 資產(chǎn)數(shù)據(jù)操作

資產(chǎn)數(shù)據(jù)操作即仿真運行過程中作戰(zhàn)實體對資產(chǎn)的使用,主要包括:設(shè)置資產(chǎn)、查詢資產(chǎn)、獲取資產(chǎn)、增加資產(chǎn)、刪除資產(chǎn)等.在仿真運行開始時作戰(zhàn)實體模型首先加載資產(chǎn)管理組件,然后對資產(chǎn)進行各項操作,在仿真運行結(jié)束時卸載資產(chǎn)管理組件.

4 結(jié)論

本文采用“資產(chǎn)”的概念對作戰(zhàn)仿真中實體的資源進行描述,并設(shè)計資產(chǎn)管理組件對實體的各項資產(chǎn)進行管理.在資產(chǎn)管理組件和資產(chǎn)定義模型設(shè)計過程中考慮模型的可重用性,同時避免資產(chǎn)數(shù)據(jù)對內(nèi)存資源的消耗.

使用資產(chǎn)描述作戰(zhàn)實體的資源,以及資產(chǎn)管理組件對各種資產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理,具有以下幾個方面的優(yōu)點:首先,通過資產(chǎn)可以體現(xiàn)和約束作戰(zhàn)實體的軍事行為能力,解決以往作戰(zhàn)仿真過程中不考慮資源對實體作戰(zhàn)行為約束的問題,更好地模擬作戰(zhàn)過程.其次,改進以往采用作戰(zhàn)實體模型的屬性變量來描述資源的方法.建立資產(chǎn)模型便于模擬資源類型和數(shù)量的動態(tài)規(guī)劃、動態(tài)掛載,以及資產(chǎn)的消耗和補給規(guī)劃.再次,建立資產(chǎn)模型和資產(chǎn)管理組件有助于后勤保障模型、裝備維修模型和毀傷裁決算法的設(shè)計.

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