作戰(zhàn)仿真中一體化建模問題研究

張永亮 高志年

(1.解放軍理工大學(xué) 指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，江蘇 南京210007;2.南京陸軍指揮學(xué)院，江蘇 南京210045)

1 引言

我軍早期采用面向過程方法開發(fā)的一系列戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)級的作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在信息時(shí)代作戰(zhàn)需求不斷變化時(shí)出現(xiàn)了諸多問題:一是仿真模型與相應(yīng)領(lǐng)域綁定，無法進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)間的移植，基本是同態(tài)不同構(gòu)的模型體系。在軍事需求變化時(shí)需要重新開發(fā)設(shè)計(jì)，大大降低了模型開發(fā)效率。二是軍事人員與技術(shù)人員在系統(tǒng)開發(fā)過程中由于知識背景的差異產(chǎn)生認(rèn)知上的“鴻溝”，亟待尋求一種二者都易于接受的建模語言和建模方法，實(shí)現(xiàn)問題描述與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一致性動(dòng)態(tài)表達(dá)。三是缺乏一套有效的模型庫構(gòu)建機(jī)制，無法實(shí)現(xiàn)對大量模型的高效集成與管理。加之我軍仿真模型工程建設(shè)之初，缺乏模型的頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使得目前我軍建模效率較低，諸多仿真模型重用性差，而且無法成體系地對其實(shí)施集成與維護(hù)，難以有效應(yīng)用于作戰(zhàn)分析、方案推演等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)提供科學(xué)合理、可重用、易集成的作戰(zhàn)仿真模型資源，是我軍當(dāng)前開展作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)必須解決的現(xiàn)實(shí)問題，也是未來我軍軍事仿真模型工程建設(shè)的基本任務(wù)之一。

2 作戰(zhàn)仿真中一體化建模方法的提出及其發(fā)展

20世紀(jì)90年代末，為解決軍事建模過程不規(guī)范和大量軍事仿真模型更新維護(hù)難、重用性不強(qiáng)，以及體系組織、集成管理困難等問題，在全軍重大項(xiàng)目的研討會和學(xué)術(shù)會議上，符合我軍實(shí)際的“一體化建模”方法［1］隨之被提出，旨在通過規(guī)范軍事仿真建模過程，實(shí)現(xiàn)建模過程主要環(huán)節(jié)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，以達(dá)成在統(tǒng)一工具環(huán)境引導(dǎo)下的軍事描述與技術(shù)表達(dá)的一致性。爾后，軍內(nèi)院校的軍事運(yùn)籌和作戰(zhàn)指揮學(xué)科的碩士、博士研究生對一體化建模思想的基本內(nèi)涵、建模原理與方法，以及一體化建模工具設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了深入研究和不懈的探索［1-7］。與此同時(shí)，軍內(nèi)諸多作戰(zhàn)模擬領(lǐng)域的專家們基于一體化建模思想，從軍事概念建模入手，在作戰(zhàn)仿真模型工程建設(shè)方面進(jìn)行了一系列的實(shí)踐與探索。近年來，基于推進(jìn)模型標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)實(shí)考慮，軍內(nèi)多位領(lǐng)域?qū)＜矣窒群笳归_了“軍事概念模型通用規(guī)范設(shè)計(jì)與應(yīng)用”“聯(lián)合作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練陸軍戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)模型體系”“聯(lián)合作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)陸軍作戰(zhàn)模型系統(tǒng)”“陸軍部隊(duì)作戰(zhàn)方案論證仿真推演控制系統(tǒng)”“‘聯(lián)合XX’軍事概念模型一體化建模及標(biāo)準(zhǔn)化模板研究”等一系列課題的研究工作，部分研究成果已成功應(yīng)用于“聯(lián)合作戰(zhàn)仿真推演實(shí)驗(yàn)評估系統(tǒng)”，有力促進(jìn)了我軍聯(lián)合作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)發(fā)展。一體化建模思想經(jīng)過十余年理論研究與實(shí)踐探索，已向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，初步形成了具有我軍建模特色的一體化建模理論體系，其理論框架如圖1所示。需要指出的是，目前一體化建模理論用于指導(dǎo)工程實(shí)踐應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)牟罹?，主要體現(xiàn)在:一體化建?；A(chǔ)理論中的建模規(guī)范、建模過程還未達(dá)成共識;主要建模環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換技術(shù)還有待攻克，即如何建立模型與代碼之間的映射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)軍事概念模型與仿真模型的有機(jī)銜接和相互轉(zhuǎn)換。

圖1 作戰(zhàn)仿真中一體化建模理論框架

3 作戰(zhàn)仿真模型一體化建模方法的內(nèi)涵

在不斷探索與實(shí)踐中，研究人員和工程技術(shù)人員對軍事仿真中一體化建模方法的內(nèi)涵已基本達(dá)成共識，即是在規(guī)范化的建模方法指導(dǎo)下，通過一體化建模通用開發(fā)平臺，將軍事問題描述(需求分析與概念建模)、數(shù)學(xué)邏輯建模和軟件實(shí)現(xiàn)有機(jī)聯(lián)系為一體，進(jìn)行軍事問題描述與技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)動(dòng)式模型開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一工具環(huán)境引導(dǎo)下的軍事描述與技術(shù)表達(dá)的一致性，達(dá)成多數(shù)情況下軍事描述的改變同步引發(fā)仿真描述一致性改變的目標(biāo)，并為模型校驗(yàn)提供更好的解決思路［1-5］。作戰(zhàn)模型一體化建模過程的模型設(shè)計(jì)是依據(jù)一體化建模思想，對作戰(zhàn)模擬模型進(jìn)行從概念建模到數(shù)學(xué)邏輯模型，再到程序組件模型，逐步逼近、反復(fù)迭代的模型設(shè)計(jì)過程。這種模型設(shè)計(jì)過程可以有效減少建模過程中語義與語法上的歧義，提高建模效率，為最終實(shí)現(xiàn)軍事建模自動(dòng)化或半自動(dòng)化打下基礎(chǔ)。

一體化建模的本質(zhì)是軍事人員和技術(shù)人員利用一體化建模平臺和預(yù)定義的模型協(xié)議接口進(jìn)行有機(jī)合作、共同建模的過程。該過程明確了建模各個(gè)階段的內(nèi)容以及相互之間的轉(zhuǎn)化方法，并且提供了一系列的轉(zhuǎn)化工具?？傮w上講，一體化建模包括兩個(gè)方面的核心內(nèi)容:

(1)通過模型與程序代碼之間的映射，實(shí)現(xiàn)概念模型、數(shù)學(xué)邏輯模型向程序仿真模型的正向轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)是通過語言的映射而把模型轉(zhuǎn)換為代碼的過程，即仿真模型的正向工程(forward engineering)，從而將各建模過程有機(jī)地聯(lián)為一體，實(shí)現(xiàn)軍事概念模型與程序模型之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，為因需求變化而帶來的模型修改和維護(hù)提供便利。

(2)通過模型反向映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)程序代碼向可視化概念模型圖的轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)是通過特定的映射而把代碼轉(zhuǎn)換為模型的過程，即仿真模型的逆向工程(reverse engineering)，實(shí)現(xiàn)仿真開發(fā)中不同形態(tài)模型的迭代式開發(fā)。它一方面有助于模型開發(fā)人員和軍事人員相互協(xié)作，在迭代增量式的模型開發(fā)中快速發(fā)現(xiàn)和定位模型開發(fā)過程中的問題;另一方面，可以有效提高模型的正確性和可靠性，并為模型校驗(yàn)和確認(rèn)提供有效手段。

4 作戰(zhàn)仿真模型一體化建模方法

4.1 一體化建模的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)

一體化建模的技術(shù)目標(biāo)是將軍事問題描述、數(shù)學(xué)邏輯模型轉(zhuǎn)化、模型程序軟件實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵性建模步驟，在統(tǒng)一的軟件工具支持下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)連貫轉(zhuǎn)換。其最突出的特點(diǎn)是軍事人員對軍事問題描述的變更，可通過系統(tǒng)自動(dòng)或半自動(dòng)地直接反映到最終的仿真描述上，大幅度提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、針對性和適應(yīng)性，提高系統(tǒng)與軍事人員結(jié)合的緊密度和建模效率。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有六個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):

(1)在面向?qū)ο蠼Ｋ枷胫笇?dǎo)下按照屬性、行為和關(guān)系三個(gè)層次和控制規(guī)則、元?jiǎng)幼鳌⒅С謹(jǐn)?shù)據(jù)三者分離的行為模型描述要求，建立軍事概念模型格式化和形式化表述方法。

(2)依據(jù)規(guī)范化的概念建模要求，設(shè)計(jì)、開發(fā)軍事概念建模軟件支撐環(huán)境。

(3)在軍事概念建?；A(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)學(xué)邏輯模型建模軟件支撐環(huán)境。

(4)基于軍事概念模型、數(shù)學(xué)邏輯模型建模軟件支撐環(huán)境，構(gòu)建軍事概念模型與數(shù)學(xué)邏輯模型自動(dòng)或半自動(dòng)轉(zhuǎn)換軟件，實(shí)現(xiàn)軍事概念模型向數(shù)學(xué)邏輯模型的自動(dòng)或半自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

(5)研制數(shù)學(xué)邏輯模型自動(dòng)或半自動(dòng)轉(zhuǎn)換為程序模型的軟件工具，將數(shù)學(xué)邏輯模型轉(zhuǎn)化為程序組件。

(6)構(gòu)建基于組件的程序模型集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用模型控制管理框架實(shí)現(xiàn)對各模型組件的自動(dòng)或半自動(dòng)集成，最終形成可供使用的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。

總體看，實(shí)現(xiàn)一體化建模的六個(gè)關(guān)鍵是“建立一個(gè)方法，構(gòu)建五個(gè)工具”。通過這種一體化建模方法的實(shí)現(xiàn)，在軍事建模方法上有所突破，以提高軍事仿真模型的開發(fā)效率和模型資源的可重用性，同時(shí)用工程實(shí)踐促進(jìn)軍事模型建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化?；谧鲬?zhàn)仿真實(shí)體模型組件的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)開發(fā)過程，如圖2所示。

圖2 基于作戰(zhàn)實(shí)體仿真模型組件的作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)開發(fā)過程

4.2 一體化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)的總體構(gòu)想

從專業(yè)角度看，實(shí)現(xiàn)一體化建模主要的困難集中在兩個(gè)方面:一是軍事問題的描述和形式化表達(dá)，也就是回答軍事上要描述什么、用什么形式描述的問題;二是如何選擇一種恰當(dāng)?shù)募山７椒?，?shí)現(xiàn)由軍事概念表述向邏輯數(shù)學(xué)模型、程序模型自動(dòng)或半自動(dòng)轉(zhuǎn)化。建模仿真過程中軍事問題描述、邏輯數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化、模型程序軟件實(shí)現(xiàn)是三個(gè)關(guān)鍵性建模步驟，基本思路是總體設(shè)計(jì)、兩端入手、分布推進(jìn)?？煞譃槿綄?shí)施:第一步，完成兩項(xiàng)工作，一是完成軍事概念模型“三分離”(元?jiǎng)幼鳌⒖刂埔?guī)則和支持?jǐn)?shù)據(jù))方法的研究，在此基礎(chǔ)上完成軍事概念模型一體化建模軟件平臺的研究;二是梳理并確認(rèn)作戰(zhàn)模擬模型集成的方法，構(gòu)建程序模型集成建模軟件平臺，以人工方法銜接軍事概念模型、邏輯數(shù)學(xué)模型和模型組件，并在人工控制下嘗試運(yùn)用集成建模工具實(shí)現(xiàn)程序模型原型。第二步，研制邏輯數(shù)學(xué)模型建模軟件平臺，研制軍事概念—邏輯數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換工具軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)軍事概念模型向邏輯模型轉(zhuǎn)換，人工實(shí)現(xiàn)邏輯數(shù)學(xué)模型向程序模型組件轉(zhuǎn)換。第三步，研制邏輯數(shù)學(xué)模型—程序組件轉(zhuǎn)換軟件工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)邏輯數(shù)學(xué)模型向程序模型組件的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)從軍事問題描述到邏輯模型，再到程序模型的全過程自動(dòng)或半自動(dòng)轉(zhuǎn)換，完成一體化建模通用軟件平臺的研制。

綜上所述，一體化建模通用軟件平臺主要包括軍事概念模型建模軟件平臺、邏輯數(shù)學(xué)模型建模軟件平臺、程序建模集成軟件平臺、軍事概念—邏輯數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換工具軟件、邏輯數(shù)學(xué)模型—程序組件轉(zhuǎn)換工具軟件共五個(gè)部分，其應(yīng)用邏輯如圖3所示。

圖3 一體化建模通用軟件平臺應(yīng)用邏輯圖

4.3 作戰(zhàn)仿真中一體化建模基本過程

運(yùn)用一體化建模方法構(gòu)建作戰(zhàn)實(shí)體仿真模型的過程如圖4所示，主要包括五個(gè)步驟。

4.3.1 實(shí)體模型的需求分析

模型的需求分析是開展建模工作的首要環(huán)節(jié)。從需求分析的內(nèi)容上看，建模之前需抽象出特定任務(wù)空間中的相關(guān)作戰(zhàn)實(shí)體，明確實(shí)體模型的任務(wù)定位、應(yīng)用背景、研究范圍，分析實(shí)體的職能及組織結(jié)構(gòu)，規(guī)定模型描述的約束條件，確定與實(shí)體相關(guān)的屬性、方法等。

4.3.2 模型的軍事問題描述

作戰(zhàn)實(shí)體一體化建模中的軍事問題描述，是指運(yùn)用格式化或形式化的表達(dá)方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)使命空間軍事問題的一致性、規(guī)范化表達(dá)，其結(jié)果表現(xiàn)為作戰(zhàn)實(shí)體的軍事概念模型，即美軍的CMMS。

4.3.3 數(shù)學(xué)邏輯建模和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)體概念建模的基礎(chǔ)上，還需完成對實(shí)體屬性和行為的數(shù)學(xué)邏輯建模。其主要工作包括，分析模型系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)特點(diǎn)并設(shè)計(jì)作戰(zhàn)實(shí)體屬性數(shù)據(jù)和行為模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);完成對作戰(zhàn)實(shí)體靜態(tài)屬性的定量化描述，并確定合理的作戰(zhàn)實(shí)體行為數(shù)學(xué)或邏輯算法。需要強(qiáng)調(diào)的是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型間一致性轉(zhuǎn)換，需要按照規(guī)范化的模型設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建數(shù)學(xué)邏輯模型及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4.3.4 不同形態(tài)模型間轉(zhuǎn)換

相關(guān)建模人員在對模型一致性理解的基礎(chǔ)上，借助一體化建模通用軟件平臺的支持，實(shí)現(xiàn)模型間的自動(dòng)或半自動(dòng)化轉(zhuǎn)換，最終完成實(shí)體概念模型和數(shù)學(xué)邏輯模型向模型組件轉(zhuǎn)換。

4.3.5 模型校驗(yàn)與迭代式開發(fā)

模型可信性檢驗(yàn)的需求，使得相關(guān)建模人員須在標(biāo)準(zhǔn)化建模指導(dǎo)思想下，開展模型校核、驗(yàn)證與確認(rèn)(VV＆A)工作。作戰(zhàn)仿真模型應(yīng)用需求的動(dòng)態(tài)改變，要求必須對模型進(jìn)行迭代式檢驗(yàn)，以適時(shí)更新標(biāo)準(zhǔn)化的模型資源庫，合理反映實(shí)際應(yīng)用需求。

圖4 作戰(zhàn)仿真實(shí)體一體化建模過程

1 蘇劍飛.作戰(zhàn)指揮仿真系統(tǒng)軍事模型一體化建模及仿真實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京陸軍指揮學(xué)院，1999.

2 王萌.一體化建模方法研究［D］.南京:南京陸軍指揮學(xué)院，2007.

3 孫鵬.陸軍作戰(zhàn)行動(dòng)一體化建模中軍事概念建模研究［D］.南京:南京陸軍指揮學(xué)院，2009.

4 孫鵬，高志年，蘇劍飛.面向規(guī)則的一體化建模支持系統(tǒng)研究［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2009，23(2):25-29.

5 張永亮.陸軍作戰(zhàn)仿真指揮實(shí)體一體化建模問題研究［D］.南京:南京陸軍指揮學(xué)院，2011.

6 謝衛(wèi)平.一體化作戰(zhàn)仿真建模方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2002.

7 羅旭輝.信息對抗一體化仿真模型體系研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

8 徐學(xué)文，王壽云.現(xiàn)代作戰(zhàn)模擬［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

9 李波，郝靖.軍事仿真一體化建模研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008，(10):206，209.