基于任務(wù)分解的作戰(zhàn)仿真模型測(cè)試

李 震，姜本清，姚 萍

（1.海軍航空工程學(xué)院信息融合研究所，山東煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍61618部隊(duì)，北京 102102）

基于任務(wù)分解的作戰(zhàn)仿真模型測(cè)試

李 震1，姜本清1，姚 萍2

（1.海軍航空工程學(xué)院信息融合研究所，山東煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍61618部隊(duì)，北京 102102）

面向聯(lián)合作戰(zhàn)的仿真系統(tǒng)已成為指揮訓(xùn)練和作戰(zhàn)想定驗(yàn)證的重要手段。由于這類(lèi)仿真系統(tǒng)中的作戰(zhàn)仿真模型數(shù)量多、交互關(guān)系復(fù)雜，仿真模型的可信性測(cè)試非常困難。針對(duì)上述難點(diǎn)，本文提出基于任務(wù)分解的作戰(zhàn)仿真模型測(cè)試方法，使模型的測(cè)試工作能聚焦任務(wù)需求，從而針對(duì)性更強(qiáng)、工作效率更高。給出了層次化的模型測(cè)試框架，并用實(shí)例說(shuō)明了該方法的有效性。

作戰(zhàn)仿真模型；任務(wù)分解；可信性測(cè)試

1 引 言

仿真技術(shù)已在國(guó)防領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，面向聯(lián)合作戰(zhàn)的仿真系統(tǒng)現(xiàn)已成為指揮訓(xùn)練或者作戰(zhàn)想定驗(yàn)證的重要手段。面向聯(lián)合作戰(zhàn)的仿真一般可以進(jìn)行多方作戰(zhàn)集團(tuán)的模擬，并包含大量的武器裝備以及作戰(zhàn)實(shí)體模型。目前較成熟的該類(lèi)系統(tǒng)有美軍的擴(kuò)展防空系統(tǒng)（Extended Air Defense Simulation，EADSIM），戰(zhàn)區(qū)級(jí)聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（Joint Theater Level Simulation，JTLS）［1～2］，聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（JointWarfare System，JWARS），聯(lián)合仿真系統(tǒng)（Joint Simulation System，JSIMS）［3］等。

模型是仿真系統(tǒng)的主要部分，模型的可信性很大程度決定仿真系統(tǒng)的可信性。對(duì)源代碼不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，也難以對(duì)模型的動(dòng)態(tài)特性和模型之間的復(fù)雜交互關(guān)系進(jìn)行有效驗(yàn)證；同時(shí)，用戶(hù)技術(shù)方面的限制也是一個(gè)重要原因。因此，基于黑盒測(cè)試的軟件測(cè)試方法［4］，即通過(guò)仿真運(yùn)行對(duì)模型輸出結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷是通常情況下的一種主要選擇。

復(fù)雜仿真系統(tǒng)的模型體系一般由若干層次的眾多模型組成，每個(gè)模型又包括幾個(gè)底層模塊和若干特性參數(shù)［5］，對(duì)整個(gè)模型體系的可信性測(cè)試工作是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。測(cè)試從哪個(gè)層級(jí)的哪個(gè)模型開(kāi)始？對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，先測(cè)試模型的哪個(gè)參數(shù)和特性？這些問(wèn)題都是在系統(tǒng)功能檢查、測(cè)試驗(yàn)收過(guò)程中必然遇到的問(wèn)題。為了在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)模型的主要特性進(jìn)行有效的測(cè)試，本文提出基于任務(wù)分解的仿真模型測(cè)試方法及流程。該方法以仿真系統(tǒng)要完成的仿真任務(wù)為牽引，對(duì)任務(wù)相關(guān)的模型及其特性，通過(guò)任務(wù)分解的方法進(jìn)行分層次的測(cè)試，即簡(jiǎn)化了測(cè)試，又可以有效保證仿真系統(tǒng)完成某類(lèi)仿真任務(wù)的可信性，因而，非常適合于研制過(guò)程中的快速檢查和系統(tǒng)的驗(yàn)收測(cè)試等工作。

2 作戰(zhàn)仿真模型特點(diǎn)

面向聯(lián)合作戰(zhàn)的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（下面簡(jiǎn)稱(chēng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)）在仿真建模過(guò)程中，一般將功能建模問(wèn)題從實(shí)體、行為和交互［6］三個(gè)方面考慮。

（1）實(shí)體是指仿真系統(tǒng)所建立的作戰(zhàn)單位的類(lèi)型、組成以及其具有的屬性特征。

作戰(zhàn)單位的概念比較廣泛，可以是某個(gè)武器裝備，如某個(gè)導(dǎo)彈模型；可以是某個(gè)裝備體系，如一個(gè)航母模型；也可以是整支部隊(duì)，如一個(gè)航母戰(zhàn)斗群。實(shí)體的屬性包括靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性，靜態(tài)屬性是指模型在仿真運(yùn)行過(guò)程中固定不變的參數(shù)，如模型的標(biāo)志屬性和編成屬性等，動(dòng)態(tài)屬性是指隨著仿真進(jìn)程而不斷變化的實(shí)體屬性，如模型的狀態(tài)和裝配關(guān)系等［7］。

（2）行為是指仿真運(yùn)行過(guò)程中，模型對(duì)實(shí)體間交互以及仿真環(huán)境的變化所表現(xiàn)實(shí)體動(dòng)態(tài)屬性的狀態(tài)遷移，如艦艇模型發(fā)射防空導(dǎo)彈。

（3）交互是指仿真模型之間，也是實(shí)體行為之間的交互聯(lián)系和相互作用。

實(shí)體是仿真模型行為和交互的基礎(chǔ)，行為是對(duì)實(shí)體屬性變化的體現(xiàn)，而交互是實(shí)體行為的結(jié)果，也是實(shí)體行為產(chǎn)生的動(dòng)力。由于仿真模型的許多指標(biāo)是動(dòng)態(tài)的、且與戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境、電磁環(huán)境和目標(biāo)環(huán)境有關(guān)，因此僅使用靜態(tài)檢查難以完成模型驗(yàn)證，必須通過(guò)觀察在仿真運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)體、行為和交互的特性來(lái)完成測(cè)試工作。再考慮到作戰(zhàn)仿真的復(fù)雜性以及時(shí)間節(jié)點(diǎn)和成本方面等因素，實(shí)際工作中，很難對(duì)所有模型及其全部屬性、行為和交互進(jìn)行全面、完整的測(cè)試。概括的說(shuō)，仿真模型測(cè)試的難點(diǎn)主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

（1）仿真模型數(shù)量大，每個(gè)模型所能完成的任務(wù)不同，具有的屬性就不同；

（2）不同的仿真模型具有多種不同的行為，導(dǎo)致仿真系統(tǒng)中模型的交互數(shù)量巨大；

（3）作戰(zhàn)行動(dòng)的隨機(jī)性決定仿真模型行為具有不確定性，導(dǎo)致仿真系統(tǒng)模型交互的不確定性；

（4）模型交互的映射關(guān)系復(fù)雜，一種行為對(duì)不同的實(shí)體可能引起多種不同的交互結(jié)果。

為克服上述測(cè)試難點(diǎn)，本文以滿(mǎn)足特定仿真任務(wù)的要求為出發(fā)點(diǎn)，提出基于任務(wù)分解的作戰(zhàn)仿真模型分層拓展測(cè)試方法。以任務(wù)為導(dǎo)向，通過(guò)作戰(zhàn)任務(wù)的性質(zhì)不同，將任務(wù)分解為子任務(wù)；相應(yīng)地，對(duì)模型進(jìn)行分解，建立模型的層次體系；對(duì)于每個(gè)子任務(wù)，找出完成該任務(wù)的模型。這樣，將仿真系統(tǒng)大量的模型屬性以及繁雜的模型行為及其交互進(jìn)行有效劃分，使測(cè)試工作更加具有條理性和針對(duì)性。該方法適合于對(duì)某個(gè)仿真任務(wù)中仿真模型的可信性測(cè)試，與實(shí)際仿真工作中的需求相吻合。在需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試的場(chǎng)合，只要對(duì)系統(tǒng)能夠完成的任務(wù)列表逐一進(jìn)行測(cè)試即可。

3 基于任務(wù)分解的測(cè)試方法

3.1 測(cè)試方法介紹

由于模型體系龐大，復(fù)雜作戰(zhàn)仿真一般將實(shí)體模型進(jìn)行分層建模［8～9］。模型測(cè)試一般也按照實(shí)體模型的層次性進(jìn)行自底向上或自頂向下的分層測(cè)試。文［9］提出基于體系－實(shí)體－行為（SEB）的模型分層描述方法，文［10］提出依次按質(zhì)量功能、問(wèn)題類(lèi)型、和物理本質(zhì)將系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng)、基準(zhǔn)模型和單元模型的模型確認(rèn)方法，但是前者對(duì)實(shí)體的復(fù)雜層次沒(méi)有很好的表述，不能很好的支撐模型的測(cè)試工作，而后者分層原則過(guò)于復(fù)雜，方法難以充分理解，使用不夠方便。

本文對(duì)作戰(zhàn)仿真模型進(jìn)行基于任務(wù)分解的仿真模型測(cè)試。基本思想是以任務(wù)作為測(cè)試的導(dǎo)向，確定需要測(cè)試的模型使命，并將該使命空間分成多個(gè)不同的任務(wù)組成的任務(wù)空間［11］；通過(guò)使命任務(wù)選擇需要測(cè)試的模型，并按照任務(wù)的層次性將模型進(jìn)行相應(yīng)的分解，在仿真模型執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

具體方法是綜合運(yùn)用“按類(lèi)型、依主體、逐層級(jí)”細(xì)化的原則［12］，以某待測(cè)的使命任務(wù)為起點(diǎn)，將其向下細(xì)化為作戰(zhàn)子任務(wù)，直到戰(zhàn)斗動(dòng)作性任務(wù)，形成樹(shù)狀的任務(wù)空間。按任務(wù)類(lèi)型選擇測(cè)試模型體系，并按照任務(wù)層次將模型體系與任務(wù)的分解過(guò)程對(duì)應(yīng)進(jìn)行，將模型體系自頂向下的分解成系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層、組件層?；谌蝿?wù)的模型分解結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于任務(wù)的模型分解結(jié)構(gòu)Fig.1 M odel Decomposition structure based on task

對(duì)分解后的模型體系，從動(dòng)作性任務(wù)開(kāi)始，自底向上對(duì)仿真模型進(jìn)行漸增式的滾動(dòng)拓展測(cè)試。首先對(duì)各組件層的任務(wù)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試通過(guò)，則選擇子系統(tǒng)層模型的各項(xiàng)任務(wù)逐個(gè)加入測(cè)試工作中，這樣對(duì)測(cè)試任務(wù)進(jìn)行滾動(dòng)拓展，直到所有子系統(tǒng)層任務(wù)全部測(cè)試完畢，則對(duì)系統(tǒng)層模型任務(wù)，即系統(tǒng)的使命任務(wù)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)各層模型測(cè)試方法如圖2所示。

基于對(duì)模型測(cè)試方法的總體把握，有必要形成適合特定層級(jí)作戰(zhàn)仿真模型執(zhí)行特定任務(wù)的具體測(cè)試框架，為測(cè)試工作提供指導(dǎo)，以避免測(cè)試工作的盲目。首先需要明確的是，測(cè)試的最終目標(biāo)是驗(yàn)證仿真模型執(zhí)行特定任務(wù)模擬的可信性情況。所以本文介紹的測(cè)試方法的基本思想是根據(jù)某類(lèi)模型設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的執(zhí)行任務(wù)能力設(shè)計(jì)任務(wù)框架，以任務(wù)確定測(cè)試模型實(shí)例，以任務(wù)和模型實(shí)例的綜合約束設(shè)計(jì)測(cè)試用例。

圖2 模型測(cè)試方法Fig.2 M odel testmethod

在對(duì)任務(wù)和模型進(jìn)行層次分解的基礎(chǔ)上，首先確定待測(cè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的待測(cè)層模型，并確定執(zhí)行任務(wù)的模型實(shí)例，基于對(duì)任務(wù)和執(zhí)行任務(wù)的模型實(shí)例的分析，確定任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的輸入項(xiàng)和任務(wù)執(zhí)行的約束條件，并通過(guò)約束條件確定理論的輸出項(xiàng)，通過(guò)仿真運(yùn)行統(tǒng)計(jì)觀察的實(shí)際輸出項(xiàng)，最后根據(jù)具體情況利用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真模型測(cè)試框架如圖3所示。

下面列出測(cè)試框架需要的主要要素，并進(jìn)行相應(yīng)解釋?zhuān)?/p>

圖3 仿真模型測(cè)試框架Fig.3 Test framework ofmodels

Task是待測(cè)任務(wù)集，每個(gè)任務(wù)為T(mén)aski；Type是待測(cè)模型類(lèi)型集，執(zhí)行Taski的模型類(lèi)型為T(mén)ypej；Mset是Typej的模型實(shí)例Modeltypej的集合；Inset是輸入事件集，ModelTypej執(zhí)行Taski的輸入；Cons是ModelTypej執(zhí)行Taski時(shí)，產(chǎn)生輸出的約束條件Consn；Outset是約束條件Consn下的理論輸出集；Obset是實(shí)際觀測(cè)輸出項(xiàng)集合；fCheck是理論輸出項(xiàng)與實(shí)際觀測(cè)輸出項(xiàng)的對(duì)比校核方法集。

3.2 測(cè)試實(shí)例設(shè)計(jì)

以海軍航母戰(zhàn)斗群的防御任務(wù)為例，測(cè)試工作的流程為：

（1）確定海軍作戰(zhàn)模型測(cè)試的使命任務(wù)為防御任務(wù)。

（2）確定測(cè)試目標(biāo)模型體系為海軍航母戰(zhàn)斗群，并建立測(cè)試用的模型實(shí)例。

（3）分解任務(wù)模型，選擇測(cè)試任務(wù)為海軍航母戰(zhàn)斗群的防空任務(wù)。

（4）將仿真模型與任務(wù)模型對(duì)應(yīng)進(jìn)行層次分解，具體如圖4。

（5）自底向上確定每一層測(cè)試的任務(wù)及相關(guān)的仿真模型，并確定輸入和輸出事件序列。例如圖4中底層的基本測(cè)試任務(wù)中，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)對(duì)應(yīng)相關(guān)傳感器的測(cè)試，然后確定傳感器測(cè)試的相關(guān)事件序列。

（6）設(shè)計(jì)測(cè)試用例，并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析模型的可信性。

利用用戶(hù)熟悉的軍事領(lǐng)域知識(shí)，橫向上從兵種角度對(duì)模型分類(lèi)，縱向上基于模型應(yīng)履行的作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)模型進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)模型自頂向下的分層表示，該方法更加適合非仿真和測(cè)試專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的用戶(hù)，使模型的分解工作更加方便入手。同時(shí)從用戶(hù)的角度，直接從需求的模型功能入手對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，使測(cè)試工作更加直接高效。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意，本文介紹的模型測(cè)試方法是針對(duì)特定級(jí)別的仿真，故對(duì)各層次模型測(cè)試時(shí)，有其自己的側(cè)重點(diǎn)：

動(dòng)作性任務(wù)的測(cè)試，重點(diǎn)是對(duì)組件層各實(shí)體模型對(duì)應(yīng)的能力參數(shù)的測(cè)試。

次級(jí)子任務(wù)測(cè)試中，測(cè)試的重點(diǎn)是模型的機(jī)動(dòng)力以及上述組件層模型的裝配問(wèn)題。機(jī)動(dòng)力重點(diǎn)是模型在不同環(huán)境因素下的運(yùn)行速度；而裝配問(wèn)題重點(diǎn)是組件層模型在實(shí)體裝備中協(xié)同工作的能力，以及其在戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中各組件的產(chǎn)生與消亡問(wèn)題。

圖4 仿真模型與任務(wù)模型對(duì)應(yīng)層次分解Fig.4 Decom position of themodel corresponding to the task decom position

子任務(wù)層和系統(tǒng)層模型測(cè)試的則是模型協(xié)同運(yùn)行執(zhí)行任務(wù)的能力，重點(diǎn)是交互。交互測(cè)試內(nèi)容包括本方實(shí)體間的信息交互和敵對(duì)雙方之間的對(duì)抗性交互，其中對(duì)抗性交互分兩類(lèi)，一是以武器系統(tǒng)為代表的火力硬毀傷，二是以干擾器為代表的非火力軟毀傷，測(cè)試工作也許從不同的角度考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)面向聯(lián)合作戰(zhàn)的作戰(zhàn)仿真模型特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了該類(lèi)仿真模型可信性測(cè)試的重點(diǎn)、難點(diǎn)，提出基于任務(wù)分解的仿真模型測(cè)試方法，為這類(lèi)模型的測(cè)試工作提供了一種實(shí)用的思路和方法。在后續(xù)的工作中，將對(duì)特定模型可測(cè)的參數(shù)類(lèi)型分類(lèi)以及不同類(lèi)型參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法和處理方法進(jìn)行相關(guān)研究，以期進(jìn)一步完善對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)仿真模型的測(cè)試方法。

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李 震 男（1990－），山東乳山人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)測(cè)試。

姜本清 男（1965－），山東海陽(yáng)人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真。

Warfare Simulation Model Test Based on Task Decomposition

LIZhen1，JIANG Benqing1，YAO Ping2

（1.Institution of Information Fusion，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China；2.No.91440 Troop of PLA，Beijing 102102，China）

The warfare simulation system has become an important tool for commander training and operation plan verification.Because of the large number ofmodels and the complexity of the interactions between models in such systems，the credibility test ofmodels is very difficult.A method based on task decomposition is proposed as an attempt to overcome the difficulties.The proposed test method can ensure focusing on special task requirements，so it is targeting and more efficient.A detailed description of themodel test frame and an example are given.

warfare simulation model；task decomposition；credibility test

TP 391.9

A