基于模板的軍事概念模型描述與設(shè)計(jì)*

王洪軍，孫 濤，鄭世明

(南京陸軍指揮學(xué)院作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210045)

軍事概念模型是獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)的真實(shí)世界的實(shí)體、任務(wù)等作戰(zhàn)要素的表示，是軍事建模仿真系統(tǒng)開發(fā)中重要的一環(huán)，對(duì)于仿真的可信度具有重要的影響。軍內(nèi)對(duì)軍事概念模型的研究是在吸取美軍任務(wù)空間概念模型(Conceptual Models of the Mission Space-CMMS)概念和技術(shù)的基礎(chǔ)上［1］，根據(jù)我軍作戰(zhàn)仿真實(shí)際特點(diǎn)提出的。它的提出可以大大減小問題域和求解域之間的差異，更容易為軍事人員和建模人員掌握和運(yùn)用，使其理解所研究的問題并達(dá)成一致意見。隨著建模仿真技術(shù)的發(fā)展，軍事建模與仿真已經(jīng)越來越受到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的重視，軍事概念模型的提出從一定程度上消除了問題域與求解域之間的差異［2］，為軍事人員和技術(shù)人員對(duì)作戰(zhàn)問題的一致性理解提供了很大的幫助。但由于技術(shù)機(jī)制和管理體制等原因，各科研單位對(duì)概念模型的重視程度不一，還存在諸多問題。1)概念模型描述缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)［3］。特別是對(duì)于大型復(fù)雜系統(tǒng)而言，不同的單位可能承擔(dān)不同的模型開發(fā)任務(wù)，在模型對(duì)接時(shí)，往往會(huì)存在很多描述上的偏差。2)概念模型設(shè)計(jì)方法不一致。由于存在著多種概念建模工具，每一種工具對(duì)同一問題的描述的表現(xiàn)形式不同，使得概念模型在語法和語義上缺少一致性，概念描述存在二義性［4］。3)概念模型內(nèi)容不全面。對(duì)于同一類型模型而言，不同的兵種單位描述角度不同、描述屬性不同、建模元素不同，使得模型在組合過程中出現(xiàn)邏輯關(guān)系不清晰、數(shù)據(jù)流不明確等問題［5］。因此，有必要規(guī)范軍事概念建模過程、明確建模內(nèi)容和固化概念模型描述模板。

1 建模思路

通過作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)斗進(jìn)程以及作戰(zhàn)方式的模擬是一種較為科學(xué)的作戰(zhàn)研究手段，通過定量與定性相結(jié)合的方式對(duì)作戰(zhàn)規(guī)律進(jìn)行研究。而要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先要構(gòu)建一個(gè)層次合理、內(nèi)容全面、易于調(diào)用和組合的模型體系，在這個(gè)模型體系中，每一個(gè)模型都由軍事概念、數(shù)學(xué)邏輯和程序模型三個(gè)部分組成，這是仿真建模的三個(gè)重要階段［6］。

軍事概念模型是軍事人員依據(jù)條令、條例和軍事經(jīng)驗(yàn)，面向仿真建模領(lǐng)域，用軍事人員習(xí)慣的軍事語言，對(duì)各類基本作戰(zhàn)實(shí)體、作戰(zhàn)行動(dòng)、作戰(zhàn)環(huán)境、影響因素［7］，以及各類實(shí)體與實(shí)體之間、行動(dòng)與行動(dòng)之間、條件與行動(dòng)之間相互作用的規(guī)則化軍事描述，是一種結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的抽象描述。其目的是為建立邏輯數(shù)學(xué)模型和程序仿真模型提供軍事依據(jù)，確保軍事與技術(shù)人員對(duì)同一軍事問題理解的一致性。

從建模的過程上看，軍事概念模型建模分為面向領(lǐng)域的建模和面向設(shè)計(jì)的建模，只有將領(lǐng)域問題弄清楚后才能完成模型設(shè)計(jì)，基本步驟分為軍事需求分析、軍事概念描述、軍事概念抽象和軍事概念表示，如圖1所示。

圖1 軍事概念建模基本步驟

需求分析主要分為軍事問題分析、建模任務(wù)分析和功能需求分析，緊緊圍繞模型所要解決的問題、模型需要完成的任務(wù)以及模型應(yīng)具備的功能等方面，借助軍事專家的指導(dǎo)完成各個(gè)細(xì)節(jié)特征的描述，確保需求分析的一致性、完備性和準(zhǔn)確性。

概念描述主要分為模型實(shí)體描述、模型關(guān)系描述和模型行為描述，模型實(shí)體描述是對(duì)不同層次不同類型實(shí)體的區(qū)分，將需求描述中的實(shí)體類型等相關(guān)信息進(jìn)行梳理。模型關(guān)系描述是對(duì)行動(dòng)實(shí)體在執(zhí)行特定戰(zhàn)斗動(dòng)作過程中，與其它實(shí)體之間和實(shí)體動(dòng)作之間關(guān)系的總體描述，目的是對(duì)行動(dòng)實(shí)體在不同層次使命空間中所涉及的關(guān)系類型進(jìn)行梳理。模型行為描述是對(duì)特定行動(dòng)實(shí)體完成指定作戰(zhàn)行動(dòng)的抽象描述。

概念模型抽象主要分為模型屬性抽象、模型規(guī)則抽象和模型行為抽象等。軍事概念抽象主要是通過對(duì)作戰(zhàn)編組、作戰(zhàn)階段、主要作戰(zhàn)任務(wù)行動(dòng)以及作戰(zhàn)環(huán)境等分析，對(duì)模型屬性、規(guī)則和行為等形式進(jìn)行描述?？捎妙悎D描述作戰(zhàn)過程中的實(shí)體及實(shí)體間的靜態(tài)關(guān)系，用活動(dòng)圖描述實(shí)體、動(dòng)作及任務(wù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，用交互圖描述出各實(shí)體間的信息交互流程［8］。

針對(duì)軍事概念表示問題，本文主要采用EATI方法對(duì)作戰(zhàn)過程進(jìn)行抽象描述，形成實(shí)體元模型、關(guān)系元模型、行動(dòng)元模型和交互元模型等，并通過填寫概念模型模板對(duì)描述對(duì)象及其動(dòng)作過程和軍事規(guī)則給出一個(gè)集中的、規(guī)范化的描述。

2 基于模板的概念模型描述與設(shè)計(jì)

概念建模目的是為數(shù)學(xué)模型、邏輯模型和驗(yàn)證模型的建立提供軍事依據(jù)，確保軍事人員與技術(shù)人員對(duì)同一軍事問題理解的一致性。本文提出一種基于模板的軍事概念模型建模方法(Military Concept Model based on Template)，主要從原子角度對(duì)概念模型進(jìn)行劃分，通過實(shí)體元模型、動(dòng)作元模型、關(guān)系元模型、屬性元模型和數(shù)據(jù)元模型等對(duì)軍事概念模型進(jìn)行描述，本文提出的建模思路主要是針對(duì)陸軍部隊(duì)作戰(zhàn)仿真實(shí)體的。

2.1 實(shí)體元模型描述

實(shí)體元模型(ENM)描述主要是對(duì)模型的名稱、類別、編號(hào)、功能、所屬兵種、應(yīng)用層次等信息進(jìn)行描述，采用六元組表示:

ENM::= ＜ ENS，ETS，ECS，EFS，EAS，ELS ＞ 。

ENS名稱段，表示模型的名稱，與模型ID綁定;

ETS類別段，表示模型所屬的專業(yè)類別;

EFS功能段，用來說明模型的主要用途;

ECS編號(hào)段，是模型的ID，通過編碼對(duì)模型進(jìn)行唯一性標(biāo)識(shí);

EAS軍兵種段，模型所屬的軍種、兵種;

ELS應(yīng)用層級(jí)段，說明模型的粒度。

以122mm火箭炮模型為例，其模板描述如表1所示。

表1 實(shí)體元模型描述示例

2.2 動(dòng)作元模型描述

動(dòng)作是由實(shí)體模型執(zhí)行的，主要對(duì)模型主體所涉及的所有動(dòng)作行為及其功能進(jìn)行描述。動(dòng)作元模型可以表示為如下的八元組:

ACM::= ＜ ACES，ACSS，ACNS，ACCS，ACFS，ACSS，ACOS，ACCS ＞ 。

ACES執(zhí)行實(shí)體段，執(zhí)行動(dòng)作的主體名稱和編號(hào)(與模型中的ENS關(guān)聯(lián));

ACSS動(dòng)作集合段，描述所能完成動(dòng)作的類型列表，如進(jìn)攻、射擊和機(jī)動(dòng)等;

ACNS名稱段，賦予每一個(gè)動(dòng)作的名稱;

ACCS編號(hào)段，與名稱相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作編號(hào)，即與名稱綁定的動(dòng)作ID;

ACFS功能段，描述每一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行所能完成的具體功能;

ACIS輸入段，描述動(dòng)作的觸發(fā)條件，即執(zhí)行動(dòng)作的輸入信息;

ACOS輸出段，描述動(dòng)作執(zhí)行后的輸出信息;

ACCS控制段，根據(jù)作戰(zhàn)條令，對(duì)所有作戰(zhàn)動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃;

以坦克模型為例，其動(dòng)作元模型描述如表2所示。

表2 動(dòng)作元模型描述示例

2.3 關(guān)系元模型描述

關(guān)系元模型主要是以行動(dòng)為中心的交互關(guān)系，交互關(guān)系區(qū)分為實(shí)體間的關(guān)系、實(shí)體與動(dòng)作間的關(guān)系、動(dòng)作與任務(wù)間的關(guān)系以及任務(wù)間的關(guān)系四大類［9］，如通信關(guān)系、指揮關(guān)系、配屬關(guān)系、控制關(guān)系、供給關(guān)系、對(duì)抗關(guān)系等。上述關(guān)系經(jīng)過統(tǒng)一抽象后變成兩種關(guān)系，即前驅(qū)交互關(guān)系和后繼交互關(guān)系。關(guān)系元模型可用五元組表示為:

RENM::= ＜ RNS，RTS，RAS，RIS，RDS ＞ 。

RNS名稱段，包括前驅(qū)、后繼交互關(guān)系的名稱和編號(hào);

RTS類型段，說明前驅(qū)、后繼交互關(guān)系的類型，如指揮關(guān)系、配屬關(guān)系等;

RAS動(dòng)作段，包括前驅(qū)、后繼交互關(guān)系涉及的動(dòng)作名稱和類型;

RIS接口段，描述與其他模型交互時(shí)的輸入、輸出接口的名稱與編號(hào);

RLS邏輯執(zhí)行段，主要描述關(guān)系執(zhí)行的時(shí)間順序、邏輯順序等。

以行動(dòng)為中心的關(guān)系元模型其模板描述如表3所示。

2.4 屬性元模型描述

屬性元模型(ATTM)描述主要是對(duì)模型各種屬性進(jìn)行具體描述，主要分為標(biāo)識(shí)屬性、實(shí)力屬性、動(dòng)態(tài)屬性、任務(wù)屬性、效能屬性等。采用五元組表示:

表3 關(guān)系元模型描述示例

ATTM::= ＜ ATIS，ATOS，ATDS，ATTS，ATES ＞ 。

ATIS標(biāo)識(shí)屬性段，主要描述模型所屬方、級(jí)別、對(duì)應(yīng)單位編制名稱和代字;

ATOS實(shí)力屬性段，模型配備人數(shù)、裝備數(shù)、上級(jí)單位和作戰(zhàn)編成名稱等;

ATDS動(dòng)態(tài)屬性段，描述模型的行動(dòng)方式、空間位置、生存狀態(tài)和行動(dòng)方向;

ATTS任務(wù)屬性段，描述具體執(zhí)行的任務(wù)內(nèi)容、任務(wù)等級(jí)和任務(wù)執(zhí)行情況的狀態(tài);

ATES效能屬性段，描述的是模型的火力指數(shù)、機(jī)動(dòng)能力指數(shù)、防護(hù)能力指數(shù)、戰(zhàn)斗力指數(shù)和信息共享能力指數(shù)等。

以機(jī)械化步兵連模型為例，其模板描述如表4所示。

表4 屬性元模型描述示例(機(jī)械化步兵連模型)

2.5 數(shù)據(jù)元模型描述

數(shù)據(jù)元模型(DAM)主要是對(duì)模型屬性定量數(shù)據(jù)的描述，主要分為位置數(shù)據(jù)、戰(zhàn)斗力指數(shù)數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、通信距離數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)數(shù)據(jù)、彈藥量數(shù)據(jù)和戰(zhàn)損數(shù)據(jù)等。采用以下十元組表示:

DAM::= ＜ DLS，DIS，DVS，DTS，DES，DPS，DCS，DFS，DAS，DDS ＞ 。

DLS位置段，主要描述模型的坐標(biāo)和高程信息;

DIS戰(zhàn)斗指數(shù)段，主要描述模型針對(duì)不同目標(biāo)的火器指數(shù);

DVS速度段，描述模型的運(yùn)動(dòng)速度;

DTS時(shí)間段，描述模型執(zhí)行任務(wù)、完成動(dòng)作的各種時(shí)間;

DES裝備數(shù)量段，描述模型配備裝備的數(shù)量;

DPS人員數(shù)量段，主要描述模型配置的人員數(shù)量;

DCS通信距離段，模型與其他實(shí)體通信的有效距離等;

DFS戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)段，描述模型的戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)能力;

DAS彈藥量段，描述模型攜帶的彈藥數(shù)量;

DDS戰(zhàn)損段，描述模型的戰(zhàn)損情況。

以坦克連模型為例，其模板描述如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)元模型描述(坦克連模型)

元數(shù)據(jù)屬性注冊(cè)代碼如下:

BEGIN－METADATA(DATAMETAMODEL)

REG－BASE(DAM)

REG－PROP(LocationData，“位置數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(StrengthIndexData，“戰(zhàn)斗力指數(shù)數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(Velocity Data，“速度數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(TimeData，“時(shí)間數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(Equipment Data，“裝備數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(PersonData，“人員數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(CommunicationDistanceData，“通信距離數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(FenseData，“戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(Ammunition Data，“彈藥量數(shù)據(jù)”)

REG－PROP(DamageData，“戰(zhàn)損數(shù)據(jù)”)

END－METADATA()

3 作戰(zhàn)實(shí)體、行動(dòng)與元?jiǎng)幼髂Ｐ椭g的關(guān)系

作戰(zhàn)仿真模型中作戰(zhàn)實(shí)體、行動(dòng)和元?jiǎng)幼髂Ｐ偷南嗷リP(guān)系如圖2所示，通過該圖能夠簡(jiǎn)要說明實(shí)體是如何按照行動(dòng)計(jì)劃完成相關(guān)動(dòng)作的。

圖2 實(shí)體、行動(dòng)計(jì)劃與元模型關(guān)系

模型的驅(qū)動(dòng)主要是采用作戰(zhàn)實(shí)體與行動(dòng)關(guān)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)，即作戰(zhàn)實(shí)體按照上級(jí)賦予的作戰(zhàn)任務(wù)形成若干個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)［10］，以行動(dòng)計(jì)劃列表的形式發(fā)布行動(dòng)命令，而后根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)命令按照專業(yè)、行動(dòng)類別進(jìn)行區(qū)分，對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行分解后，以元?jiǎng)幼鞯姆绞椒謩e調(diào)用射擊、進(jìn)攻、公共計(jì)算和環(huán)境等組件模型完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)。

1)元模型庫(kù)

元模型庫(kù)是作戰(zhàn)仿真模型系統(tǒng)的核心，主要是將陸軍部隊(duì)各兵種主要作戰(zhàn)行動(dòng)進(jìn)行細(xì)化后形成基礎(chǔ)行動(dòng)的集合，以模型服務(wù)的方式提供給各行動(dòng)模型組合調(diào)用。將其中最基本最通用的部分抽取出來形成“元?jiǎng)幼髂Ｐ汀?。包括機(jī)動(dòng)、進(jìn)攻、反沖擊、射擊、布雷、破障等基本模型，同時(shí)還可以結(jié)合公共服務(wù)和計(jì)算模型，如毀傷計(jì)算、地形計(jì)算、坐標(biāo)計(jì)算等模型，形成“元模型庫(kù)”。這樣的模型調(diào)用機(jī)制便于模型的開發(fā)、集成、管理、調(diào)用和維護(hù)。

2)行動(dòng)計(jì)劃列表

行動(dòng)計(jì)劃列表的主要功能是按照計(jì)劃執(zhí)行的時(shí)間順序、集中保存指揮員(作戰(zhàn)方案制定者)所制定的作戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃數(shù)據(jù)，便于管理和調(diào)用。在一條行動(dòng)計(jì)劃中可能會(huì)包含多條行動(dòng)命令，如多條機(jī)動(dòng)路線、攻擊任務(wù)等。將其分解后統(tǒng)一存放在行動(dòng)計(jì)劃列表中統(tǒng)一管理。行動(dòng)計(jì)劃列表是一個(gè)動(dòng)態(tài)管理的數(shù)組，以圖2中為例，存放了用戶針對(duì)1營(yíng)1連、炮兵連、坦克1連的三條計(jì)劃任務(wù)，這三條計(jì)劃任務(wù)分別被拆分為5、4、3條元?jiǎng)幼?，通過實(shí)體模型中的當(dāng)前命令指針的關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到實(shí)體模型按照時(shí)間順序執(zhí)行作戰(zhàn)計(jì)劃的命令。

3)實(shí)體當(dāng)前行動(dòng)計(jì)劃數(shù)據(jù)指針

實(shí)體模型中都包含一個(gè)“CurCmd”指針，該指針指向行動(dòng)計(jì)劃列表中該實(shí)體正在執(zhí)行的行動(dòng)任務(wù)，在行動(dòng)計(jì)劃任務(wù)表中包含實(shí)體執(zhí)行該任務(wù)所需要的輸入、輸出參數(shù)。當(dāng)實(shí)體執(zhí)行完當(dāng)前的行動(dòng)計(jì)劃后，按照邏輯順序自動(dòng)執(zhí)行下一條命令指針，如果下一個(gè)行動(dòng)元任務(wù)中沒有該實(shí)體應(yīng)該執(zhí)行的，則置該實(shí)體的當(dāng)前行動(dòng)計(jì)劃指針為空，從而達(dá)到行動(dòng)計(jì)劃統(tǒng)一管理和調(diào)用的目的。

4 結(jié)束語

通過上述分析研究可以看出，軍事概念模型是作戰(zhàn)仿真軟件開發(fā)的階段性成果，同時(shí)又是作戰(zhàn)仿真軟件開發(fā)過程的可視化顯示，加強(qiáng)對(duì)概念建模的研究，對(duì)推動(dòng)我軍作戰(zhàn)仿真工作的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，我們應(yīng)加強(qiáng)對(duì)概念建模過程工具的開發(fā)［11］。因?yàn)楣ぞ咄鶐в幸欢ǖ摹皬?qiáng)制”性，所以開發(fā)過程工具化既有助于規(guī)范化概念建模過程的實(shí)施，又能夠有效推動(dòng)概念建模規(guī)范化工作的進(jìn)一步發(fā)展。

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