多分辨率模型轉(zhuǎn)換的觸發(fā)機(jī)制

朱敏潔，周深根

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

陸軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)在模擬大規(guī)模作戰(zhàn)行動時(shí)涉及仿真實(shí)體數(shù)量非常多，以一個(gè)機(jī)步師對一個(gè)機(jī)步團(tuán)的作戰(zhàn)仿真為例，如果仿真實(shí)體粒度為單個(gè)戰(zhàn)斗車輛，則該實(shí)例在運(yùn)行時(shí)涉及仿真實(shí)體數(shù)量將超過3000個(gè)，對仿真系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺的性能提出了很高的要求。而實(shí)際上，使用仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析的軍事人員并不關(guān)注所有戰(zhàn)斗車輛的行動與狀態(tài)，從這個(gè)角度講，不受關(guān)注的仿真實(shí)體占用的資源和受關(guān)注的仿真實(shí)體相同造成了仿真系統(tǒng)資源的浪費(fèi)［1］。因此陸軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)既需要占用較多資源的細(xì)粒度模型(如單個(gè)戰(zhàn)斗車輛戰(zhàn)斗模型)，也需要占用少量資源的粗粒度模型(如連/營/團(tuán)戰(zhàn)斗模型)，即需要多分辨率的模型同時(shí)運(yùn)行。同時(shí)由于軍事人員關(guān)注的仿真對象具有不確定性和多變性，因此仿真系統(tǒng)應(yīng)提供在仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)多分辨率模型之間進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的功能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

多分辨率作戰(zhàn)模型已經(jīng)在很多的仿真系統(tǒng)中被使用，通過互聯(lián)網(wǎng)仿真互操作協(xié)議連接低分辨率模型和高分辨率模型，并且實(shí)施解聚和聚合操作。如第一個(gè)使用多分辨率作戰(zhàn)模型的是Integrated Eagle/BDS-D系統(tǒng)，聚合級別模型和仿真訓(xùn)練計(jì)算機(jī)生成兵力通過SIMNET、DIS相互連接。項(xiàng)目的目標(biāo)是整合單元級別模型和實(shí)體級別模型作為原理級的演示和證明。許多多分辨率建模的基本架構(gòu)及分辨率轉(zhuǎn)換操作都在這個(gè)系統(tǒng)中首先使用。同時(shí)，Integrated Eagle/BDS-D獨(dú)立發(fā)展為EagleⅡ。它提供了解聚和聚合操作，并在接口模塊中實(shí)施多分辨率操作。而CLCGF把Eagle模型和ModSAF連接在一起，形成了當(dāng)時(shí)最重要的 SAF系統(tǒng)［1-2］。模型包括許多特殊的功能和組件，被認(rèn)為是實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的第一個(gè)多分辨率作戰(zhàn)模型。Integrated Eagle/ModSAF系統(tǒng)加入了偽解聚能力，生成了大量的實(shí)體，呈現(xiàn)了一個(gè)戰(zhàn)區(qū)級別的場景，并供給指揮人員培訓(xùn)。

國內(nèi)多所科研院校在多分辨率仿真建模方面投入了大量的研究和實(shí)踐。例如在裝甲兵工程學(xué)院開發(fā)的陸軍機(jī)步師對抗作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中就采用了多分辨率模型技術(shù)。該系統(tǒng)的仿真規(guī)模是紅方一個(gè)師對敵方一個(gè)旅，仿真運(yùn)行時(shí)間達(dá)到超實(shí)時(shí)，是真實(shí)作戰(zhàn)時(shí)間的3倍。仿真系統(tǒng)中有連級分辨率的炮兵連、坦克連和裝步連模型，實(shí)體級分辨率的坦克模型、步戰(zhàn)車模型、步兵班模型、防空高炮車和導(dǎo)彈車模型等，并實(shí)現(xiàn)了不同級別分辨率模型間的火力和毀傷的交互。采用的分辨率轉(zhuǎn)換機(jī)制是固定的作戰(zhàn)行動觸發(fā)。例如坦克連在機(jī)動時(shí)采用聚合級模型，在被打擊或展開射擊時(shí)自動解聚為實(shí)體級模型，當(dāng)打擊結(jié)束時(shí)再聚合為聚合級模型［3］。這種建模方法大大減少同一時(shí)間仿真系統(tǒng)中的單個(gè)仿真實(shí)體數(shù)據(jù)，運(yùn)算時(shí)間也大為提高。

通過仿真系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)軍事人員對仿真實(shí)體關(guān)注度的需求很靈活，通過梳理這些需求，本文提出了5種多分辨率模型轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)機(jī)。

2 多分辨率模型轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)機(jī)

觸發(fā)時(shí)機(jī)是指仿真控制程序自動進(jìn)行兩種分辨率模型轉(zhuǎn)換操作的時(shí)機(jī)或條件。

1)時(shí)間觸發(fā)

時(shí)間觸發(fā)，也稱作戰(zhàn)階段(時(shí)節(jié))觸發(fā)，是指在仿真前由軍事人員預(yù)先設(shè)定解聚和聚合的時(shí)間(作戰(zhàn)階段/時(shí)節(jié))，仿真運(yùn)行開始后當(dāng)仿真時(shí)間或仿真的作戰(zhàn)階段進(jìn)入到該時(shí)間段，仿真控制系統(tǒng)自動進(jìn)行聚合或解聚的轉(zhuǎn)換操作。這種觸發(fā)方式在作戰(zhàn)有明確作戰(zhàn)時(shí)節(jié)劃分時(shí)比較適合，如進(jìn)攻作戰(zhàn)一般分為開進(jìn)、展開、火力準(zhǔn)備、沖擊突破、鞏固突破口等作戰(zhàn)階段，軍事人員通常情況下更關(guān)注激烈交戰(zhàn)的環(huán)節(jié)，因此可以指定在集結(jié)、開進(jìn)階段使用低分辨率模型，在展開、沖擊、鞏固突破口等作戰(zhàn)激烈的時(shí)節(jié)使用高分辨率模型。

2)地域觸發(fā)

地域觸發(fā)是指在仿真前預(yù)先設(shè)定解聚或聚合的地域，仿真運(yùn)行開始后當(dāng)仿真實(shí)體進(jìn)入該地域即自動進(jìn)行聚合或解聚操作。這種觸發(fā)方式在作戰(zhàn)有明確交戰(zhàn)地域時(shí)比較適合，如城市攻堅(jiān)戰(zhàn)、陣地進(jìn)攻/防御戰(zhàn)、制高點(diǎn)的爭奪戰(zhàn)中可以預(yù)先估計(jì)出交戰(zhàn)雙方主要交戰(zhàn)地域，并劃定該區(qū)域使用高分辨率模型，如圖1所示。

3)距離觸發(fā)

距離觸發(fā)是指預(yù)先設(shè)定解聚距離值和聚合距離值，仿真運(yùn)行過程中當(dāng)仿真實(shí)體與另一個(gè)可能發(fā)生交互的仿真實(shí)體之間的距離小于解聚距離時(shí)自動進(jìn)行解聚操作，當(dāng)距離大于聚合距離值時(shí)自動進(jìn)行聚合操作。這種觸發(fā)方法在沒有明確交戰(zhàn)時(shí)間和交戰(zhàn)地域時(shí)使用較多，例如遭遇戰(zhàn)。如圖2所示。

4)交互行動觸發(fā)

交互行動觸發(fā)是指在仿真實(shí)體之間發(fā)生交互行為(如偵察行為、射擊行為、保障行為)時(shí)，自動進(jìn)行解聚，用高分辨率模型進(jìn)行仿真;在沒有交互行為或交互結(jié)束時(shí)，進(jìn)行聚合，采用低分辨率模型進(jìn)行仿真。這種觸發(fā)方式在仿真規(guī)模較大、交戰(zhàn)地域廣泛、作戰(zhàn)行為復(fù)雜、非線性作戰(zhàn)的情況下比較適合。

圖1 地域觸發(fā)示意圖

圖2 距離觸發(fā)示意圖

5)人工觸發(fā)

人工觸發(fā)是指在以上觸發(fā)時(shí)機(jī)都不能完全滿足軍事人員需要時(shí)，由軍事人員(或仿真系統(tǒng)操作者)進(jìn)行人工干預(yù)，利用仿真管理器或監(jiān)視器臨時(shí)指定某些仿真實(shí)體進(jìn)行聚合或解聚操作。這種方式靈活性強(qiáng)，但是要求操作人員對模型結(jié)構(gòu)較熟悉，因此建議只在必要時(shí)小范圍地使用。

3 觸發(fā)可能產(chǎn)生的問題及解決方法

1)觸發(fā)沖突

上述的觸發(fā)方法，除了人工觸發(fā)方式外，其它方法均是由仿真系統(tǒng)自動判斷觸發(fā)條件而后自動進(jìn)行多分辨模型轉(zhuǎn)換，因此仿真實(shí)體可能同時(shí)滿足兩種或兩種以上聚合解聚的觸發(fā)條件。如果這兩種觸發(fā)產(chǎn)生的是不同的轉(zhuǎn)換，如一種觸發(fā)是由高分辨率模型聚合為低分辨率模型，而另一種則是由低分辨率模型解聚為高分辨率模型，這就發(fā)生了觸發(fā)沖突。解決觸發(fā)沖突的方法有以下兩個(gè)。

·從觸發(fā)原因的重要性入手，即從產(chǎn)生觸發(fā)的原因中選擇重要的進(jìn)行觸發(fā)，而忽略其它觸發(fā)方式。我們可以認(rèn)為“人工干預(yù)”觸發(fā)方式最直接反映了仿真運(yùn)行時(shí)軍事人員(或數(shù)據(jù)分析人員)的關(guān)注需求，可以將這種方式的優(yōu)先級定為最高;“交互行動”觸發(fā)方式是實(shí)時(shí)仿真過程中不可預(yù)測的，可以反映出仿真實(shí)體將進(jìn)行可能引起軍事人員(或數(shù)據(jù)分析人員)關(guān)注的行為，所以其具有的優(yōu)先級低于人為干預(yù)，而高于其它觸發(fā)方式;“距離”在作戰(zhàn)中意味著可偵察，或可打擊，或可保障，它是發(fā)生交互的先決條件也是引發(fā)交互的條件，因此優(yōu)先級高于“時(shí)間”觸發(fā)及“地域”觸發(fā)?！皶r(shí)間”觸發(fā)與“地域”觸發(fā)相比較，仿真實(shí)體間基于作戰(zhàn)階段發(fā)生交互的可能性要相對高于基于地域發(fā)生交互的可能性［4］。因此，當(dāng)一個(gè)仿真實(shí)體同時(shí)滿足兩個(gè)或兩個(gè)以上觸發(fā)時(shí)機(jī)時(shí)，觸發(fā)的優(yōu)先級順序是:人為干預(yù)觸發(fā)、交互行動觸發(fā)、距離觸發(fā)、時(shí)間觸發(fā)、地域觸發(fā)。當(dāng)然，這種順序不是一定之規(guī)，可以根據(jù)實(shí)際的要求規(guī)定觸發(fā)優(yōu)先級的排序。

·當(dāng)同一仿真實(shí)體解聚轉(zhuǎn)換與聚合轉(zhuǎn)換發(fā)生沖突時(shí)，強(qiáng)制采用解聚轉(zhuǎn)換，而舍棄聚合轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)椤敖饩坜D(zhuǎn)換”意味著仿真實(shí)體正在或即將進(jìn)入交互狀態(tài)，這是軍事人員關(guān)注的事件;而“聚合轉(zhuǎn)換”意味著仿真實(shí)體的交互可能性降低，或是軍事人員不關(guān)注的對象。為保證被關(guān)注的仿真實(shí)體能夠使用高分辨率模型，可以在出現(xiàn)觸發(fā)沖突時(shí)，強(qiáng)制選擇“解聚轉(zhuǎn)換”。

2)頻繁解聚聚合

在多分辨率作戰(zhàn)仿真模型仿真過程中，如果由“地域觸發(fā)”、“距離觸發(fā)”引起聚合和解聚時(shí)，有可能會出現(xiàn)下面的情況:仿真實(shí)體在指定地域的邊界上機(jī)動，或在指定距離的周邊來回機(jī)動，這樣容易造成仿真實(shí)體時(shí)而滿足解聚條件，時(shí)而滿足聚合條件，產(chǎn)生頻繁解聚聚合問題，使聚合解聚的任務(wù)工作量加大，占用系統(tǒng)的資源。

解決該問題的思路是控制聚合解聚的頻率，可以采用以下手段。

·設(shè)置地域或距離的緩沖區(qū)

在規(guī)定的解聚區(qū)域周圍在設(shè)置緩沖區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，所有的單元不進(jìn)行任何的解聚聚合操作。即當(dāng)聚合單元由聚合區(qū)域進(jìn)入緩沖區(qū)域時(shí)不解聚，進(jìn)入解聚區(qū)域時(shí)才解聚，當(dāng)它解聚后因作戰(zhàn)需要在解聚區(qū)域和緩沖區(qū)域內(nèi)機(jī)動時(shí)不進(jìn)行聚合操作，只有進(jìn)入聚合區(qū)域時(shí)才進(jìn)行聚合操作。設(shè)置緩沖區(qū)后，可以減少聚合解聚的頻率。需要注意的是，緩沖區(qū)域不宜過小或過大，過小則起不到減少分辨率轉(zhuǎn)換頻率的作用，過大則使仿真實(shí)體對指定區(qū)域不敏感。緩沖區(qū)設(shè)置如圖3所示。類似地，“距離觸發(fā)”也可以設(shè)置距離緩沖區(qū)，這里就不再贅述。

·設(shè)置單元級實(shí)體中心點(diǎn)

在進(jìn)行單元級模型仿真過程中，被仿真的單元級實(shí)體(如某營)在真實(shí)戰(zhàn)場上需要占有一定面積的空間，如前方有先頭分隊(duì)，后方有預(yù)備隊(duì)。如果按照該實(shí)體在地理上所覆蓋的幾何體邊緣與聚合解聚的指定地域或指定距離進(jìn)行判斷，可能出現(xiàn)頻繁聚合解聚的情況。這種情況下，可以先確定這個(gè)單元級模型的仿真中心的位置，只有這個(gè)中心點(diǎn)進(jìn)入規(guī)定的解聚區(qū)域時(shí)，才進(jìn)行解聚，只有一部分進(jìn)入解聚區(qū)域時(shí)，整個(gè)單元級模型不發(fā)生解聚過程。

例如，聚合的單元在多分辨率仿真中是一個(gè)整體，可以把這個(gè)整體看成一個(gè)規(guī)則或者不規(guī)則的幾何體，那么就可以確定這個(gè)幾何體的中心位置，在多分辨率作戰(zhàn)仿真模擬過程中，不管這個(gè)單元哪個(gè)部分在規(guī)定的聚合或者解聚區(qū)域內(nèi)，只要這個(gè)中心點(diǎn)沒有進(jìn)入到規(guī)定的聚合或者解聚區(qū)域內(nèi)，這個(gè)單元就不會發(fā)生任何的聚合或者解聚變化。

圖3 聚合解聚緩沖區(qū)示意圖

3)連鎖性解聚

在作戰(zhàn)仿真過程中，當(dāng)各個(gè)解聚操作創(chuàng)建新的實(shí)體時(shí)，與這些新的實(shí)體有交互關(guān)系的仿真實(shí)體由于滿足了“交互觸發(fā)”，也紛紛解聚，而這些解聚又將誘發(fā)新一輪的解聚，解聚像“多米諾骨牌效應(yīng)”一樣在仿真系統(tǒng)中擴(kuò)散開，這個(gè)現(xiàn)象就是連鎖性解聚。連鎖性解聚使聚合的單元級模型不停地解聚，導(dǎo)致解聚后的實(shí)體數(shù)量增多，最終可能導(dǎo)致全部解聚或解聚過載。

解決方法的原則就是控制解聚的觸發(fā)層次。可以將最初滿足解聚要求的解聚轉(zhuǎn)換稱為“一級轉(zhuǎn)換”，由它引發(fā)的解聚轉(zhuǎn)換稱為“二級轉(zhuǎn)換”，由“二級轉(zhuǎn)換”產(chǎn)生實(shí)體觸發(fā)的解聚轉(zhuǎn)換成為“三極轉(zhuǎn)換”，以此類推。仿真系統(tǒng)可以規(guī)定一個(gè)最深觸發(fā)解聚轉(zhuǎn)換的級別，超過這個(gè)級別的解聚轉(zhuǎn)換將不再進(jìn)行，即切斷了解聚鏈條。切斷解聚操作可能引起不同分辨率的模型需要進(jìn)行交互，這類問題需要專題解決，在此不再說明。

4 觸發(fā)的實(shí)現(xiàn)方法

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中多分辨率模型轉(zhuǎn)換觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的基本思想是:通過模型管理器對不同分辨率模型進(jìn)行封裝，統(tǒng)一不同分辨率模型的運(yùn)行，解決多分辨率模型聚合解聚的平滑過渡和聚合解聚引起的模型一致性問題。

模型管理器負(fù)責(zé)觸發(fā)模型的聚合和解聚。作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中觸發(fā)解聚的過程是:

當(dāng)拋光液中FAOA的體積分?jǐn)?shù)增至5 mL/L時(shí)，CMP后的晶圓缺陷最少(約為896個(gè))。繼續(xù)增大拋光液中FAOA的體積分?jǐn)?shù)，缺陷數(shù)量反而略升。這是因?yàn)楫?dāng)溶液中的表面活性劑濃度達(dá)到一定之后，其對硅溶膠及銅表面的包裹覆蓋能力達(dá)到極限。過多的表面活性劑將令拋光液產(chǎn)生大量泡沫，泡沫表面的硅溶膠容易產(chǎn)生結(jié)晶，這些硅溶膠結(jié)晶也會刮傷晶圓表面。

1)模型系統(tǒng)在低分辨率狀態(tài)下運(yùn)行，系統(tǒng)中某一作戰(zhàn)實(shí)體需要調(diào)用本實(shí)體或另一實(shí)體高分辨率模型時(shí)，向模型管理器發(fā)出解聚請求;

2)模型管理器接收、解讀解聚請求，并自動匹配，確定何種分辨率的模型滿足要求;

3)模型管理器獲取所請求的高分辨率模型所需要的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建高分辨率模型實(shí)例;

4)高分辨率模型實(shí)例運(yùn)行;

5)模型管理器銷毀相應(yīng)低分辨率模型實(shí)例。

觸發(fā)聚合的過程是:

2)模型管理器接收、解讀聚合請求，并自動匹配，確定何種分辨率的模型滿足要求;

3)模型管理器獲取所請求的低分辨率模型所需要的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建低分辨率模型實(shí)例;

4)低分辨率模型實(shí)例運(yùn)行;

5)模型管理器銷毀相應(yīng)高分辨率模型實(shí)例。

由此可見，多分辨率模型組件聚合解聚的過程，也就是模型管理器的工作過程。模型管理器對不同分辨率模型的封裝和控制管理，使模型的聚合解聚只需要通過外部數(shù)據(jù)請求來觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同分辨率組件模型之間運(yùn)行的平滑過渡。

5 結(jié)束語

多分辨率模型能夠提高中大規(guī)模的陸軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)運(yùn)行速度，并滿足軍事人員從全局與局部兩方面分析作戰(zhàn)問題的需求［5］。本文提出了5種多分辨率模型轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)機(jī)，能夠基本滿足軍事人員對仿真實(shí)體關(guān)注度的變化。針對觸發(fā)可能引發(fā)的問題以及觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，本文提出了具體解決方法，為編程實(shí)現(xiàn)多分辨率模型轉(zhuǎn)換奠定了基礎(chǔ)。

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