一種基于FLAMES框架的工程保障模型體系設(shè)計(jì)

彭　彰, 魏　麗, 楊慧杰

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一種基于FLAMES框架的工程保障模型體系設(shè)計(jì)

彭彰, 魏麗, 楊慧杰

1引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)著新軍事變革。為節(jié)約成本,目前世界主要軍事強(qiáng)國(guó)均開展了作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的研究,以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展在作戰(zhàn)指揮、日常訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)操作、裝備保障等方面的模擬推演,評(píng)估指揮策略、訓(xùn)練水平、裝備部署、保障措施的有效性。在工程兵保障作戰(zhàn)中,通過(guò)偽裝、欺騙、機(jī)動(dòng)和反機(jī)動(dòng)等手段將敵人置于孤立,最終癱瘓、瓦解,縮短己方的、延長(zhǎng)敵人的OODA(觀察-調(diào)整-決策-行動(dòng))循環(huán),能夠進(jìn)一步保障部隊(duì)奪取戰(zhàn)斗的主動(dòng)權(quán)。

工程兵擔(dān)負(fù)工程保障任務(wù),由工兵、舟橋、建筑、偽裝、野戰(zhàn)給水工程、工程維護(hù)等專業(yè)部(分)隊(duì)組成。主要裝備包括渡河橋梁器材(如輕型門橋、重型舟橋、坦克架橋車等)、工程機(jī)械(如挖壕機(jī)、推土機(jī)、平路機(jī)等)、地雷爆破器材(如火箭布雷車、機(jī)械布雷車、火箭爆破器、掃雷犁等)、偽裝示假器材(如偽裝網(wǎng)、偽裝涂料、偽裝煙幕、角反射器、假目標(biāo)等)。

工程兵作業(yè)對(duì)象和方法繁多,如表1所示:

表1　工程兵作業(yè)分類

可以看出,工程兵專業(yè)分工越來(lái)越細(xì),器材種類眾多,且一般受本級(jí)作戰(zhàn)指揮部門與上級(jí)對(duì)口業(yè)務(wù)部門的雙重指揮(圖1)。工程兵指揮需要在作戰(zhàn)指揮給定的開始和結(jié)束時(shí)間內(nèi)、利用現(xiàn)有的資源、按照緊急程度指揮調(diào)度各分隊(duì),完成工程保障任務(wù)。在部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,確定保障部隊(duì)的配備規(guī)模和指揮策略都具有相當(dāng)難度。因此,工程保障難以用一種仿真模型實(shí)現(xiàn),是一個(gè)相對(duì)較大的模型體系。

圖1　工程兵部隊(duì)指揮與保障關(guān)系Fig.1　 The command and support relations of engineers corps

在工程保障仿真領(lǐng)域,文[1～3]分別在效能評(píng)估方法、作業(yè)環(huán)境成員仿真模型、數(shù)據(jù)記錄成員仿真模型設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了描述,但是尚未有系統(tǒng)的模型體系描述。

本文在對(duì)多種類工程保障任務(wù)進(jìn)行分析之后,以FLAMES仿真框架為基礎(chǔ),建立了工程保障中的典型兵力——道橋分隊(duì)、筑城分隊(duì)、地爆分隊(duì)、舟橋分隊(duì)的工程裝備模型、作業(yè)對(duì)象模型和任務(wù)處理模型,模擬了各分隊(duì)指揮和執(zhí)行任務(wù)過(guò)程,提煉了基于該框架的工程保障模型體系設(shè)計(jì)方法。該方法充分利用了FLAMES仿真框架的開放、快捷、可定制的特點(diǎn),完善了已有裝備模型體系,在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)仿真中體現(xiàn)了工程保障因素,完善了作戰(zhàn)指揮體系。推廣后,可適用于各類工程兵保障仿真。

2FLAMES仿真框架簡(jiǎn)介

FLAMES[4]是美國(guó)Ternion公司開發(fā)的用于全方位行為仿真開發(fā)和使用的、開放結(jié)構(gòu)的仿真框架,支持武器平臺(tái)、戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役三層仿真開發(fā),支持C/S、HLA分布式仿真,提供裝備模型、認(rèn)知模型、消息模型和環(huán)境模型開發(fā)框架。其裝備模型劃分為傳感器系統(tǒng)、通信裝備、干擾裝備、數(shù)據(jù)處理器、武器系統(tǒng)、平臺(tái)、彈藥、輔助系統(tǒng)八大類;認(rèn)知模型包括過(guò)程模型和消息處理模型兩大類;環(huán)境模型分為特征、效果、大氣和空域四類。

仿真引擎是基于組件的結(jié)構(gòu),各類模型都為面向?qū)ο蟮亩鄬哟谓Y(jié)構(gòu),用戶可以使用其代碼生成器,生成模型框架,加入自己獨(dú)特的算法。模型加入、修改、移植和共用都非常方便。

其四個(gè)主要應(yīng)用FORGE、FIRE、FLASH、FLARE提供了想定制作、推演計(jì)算、推演過(guò)程回放和數(shù)據(jù)分析功能。其關(guān)系如圖2所示。

圖2　FLAMES組成Fig.2　The composition of FLAMES

FORGE用來(lái)創(chuàng)建和編輯想定;FIRE是引擎核心,管理平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、傳感器探測(cè)、電子干擾、通訊、武器發(fā)射、人的行為和決策等模型的仿真運(yùn)行過(guò)程;FIRE的“超實(shí)時(shí)”模式以最快的速度進(jìn)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)束后輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,“實(shí)時(shí)”模式可實(shí)現(xiàn)人在回路仿真;FLASH讀取FIRE的運(yùn)行結(jié)果文件對(duì)仿真進(jìn)行回放;FLARE可將FIRE的運(yùn)行結(jié)果記錄數(shù)據(jù)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的形式進(jìn)行查詢和瀏覽。

3典型的工程保障模型體系

我們參考了文[5]中模型的構(gòu)建和分類,對(duì)道橋分隊(duì)、筑城分隊(duì)、地爆分隊(duì)、舟橋分隊(duì)的任務(wù)處理和裝備調(diào)度過(guò)程進(jìn)行分析,整個(gè)模型體系組成如圖3所示,其中與工程保障緊密相關(guān)的3類仿真模型是:

(1) 作業(yè)對(duì)象模型;

(2) 工程裝備模型;

(3) 任務(wù)處理模型。

它們分別屬于FLAMES中的平臺(tái)類、武器類、認(rèn)知類模型。傳感器類、通信裝備類、機(jī)動(dòng)平臺(tái)類、通用認(rèn)知類和毀傷評(píng)估類模型與作戰(zhàn)模型共用。

圖3　典型的工程保障模型體系Fig.3　A typical system engineering support model

3.1實(shí)體模型設(shè)計(jì)

實(shí)體模型(Unit)用于構(gòu)建作戰(zhàn)實(shí)體單元,功能由附加在其上的各類模型實(shí)現(xiàn),加載不同的裝備模型可以構(gòu)建不同的作戰(zhàn)實(shí)體單元。裝備模型仿真物理裝備的行為,使用這些設(shè)備與環(huán)境和其他單元進(jìn)行交互;認(rèn)知模型仿真人的行為和決策過(guò)程。

工程兵分隊(duì)Unit需要處理上級(jí)和同級(jí)作戰(zhàn)指揮交給的工程任務(wù),在認(rèn)知模型中增加了任務(wù)處理模型。一個(gè)典型的工程兵Unit實(shí)體組成和對(duì)外交互關(guān)系如圖4所示。

3.2作業(yè)對(duì)象模型

作業(yè)對(duì)象模型屬于平臺(tái)模型類,包括雷區(qū)、壕溝、橋梁等。它們作為地理要素特征,被外部其它作戰(zhàn)實(shí)體查詢以影響環(huán)境要素特征,或主動(dòng)毀傷周邊作戰(zhàn)實(shí)體,影響紅藍(lán)雙方作戰(zhàn)單元的機(jī)動(dòng)性。

橋梁Unit和壕溝Unit是固定位置的實(shí)體,指定參數(shù)創(chuàng)建后只需將其部署(LOCATE)在想定的地理環(huán)境中即可。工程裝備模型創(chuàng)建雷區(qū)Unit后,需要啟動(dòng)雷區(qū)Unit的毀傷功能。

以雷區(qū)為例,首先在FLAMES中使用代碼生成器,創(chuàng)建一個(gè)名稱為“PT17”的雷區(qū)平臺(tái)。然后運(yùn)行新編譯的FORGE,在雷區(qū)Unit定義中加載(EMPLOY)名稱為“PT17”的雷區(qū)平臺(tái),并指定雷區(qū)標(biāo)識(shí)、地理范圍、雷種、敵我識(shí)別屬性、埋雷深度、雷距等屬性,生成一個(gè)雷區(qū)Unit。如圖5所示。

在布雷車模型對(duì)雷區(qū)Unit執(zhí)行了參數(shù)為“START_RUN”的FEquipmentControl控制命令后,雷區(qū)Unit的執(zhí)行函數(shù)處理該命令并調(diào)用“Explode”函數(shù)對(duì)周邊其它Unit進(jìn)行識(shí)別,將確定要?dú)腢nit信息發(fā)送給毀傷模型處理。

圖4　工程兵分隊(duì)Unit組成和對(duì)外交互關(guān)系Fig.4　The consisting of engineers corps Units and external relationships

圖5　定義雷區(qū)平臺(tái)和雷區(qū)實(shí)體Fig.5　The definition of minefields platform and Units

其毀傷過(guò)程如下:

(1) 獲取雷區(qū)作用范圍內(nèi)的周邊Unit;

(2) 排除EMPLOY炸藥、雷區(qū)、壕溝、飛機(jī)、橋梁、機(jī)場(chǎng)等平臺(tái)的Unit;

(3) 排除EMPLOY掃雷探雷車等武器裝備的Unit;

(4) 排除生成雷區(qū)自己的布雷車Unit;

(5) 對(duì)剩余的Unit,判斷是否是聚合級(jí)武器;

(6) 如果是聚合級(jí)武器Unit,排除武器已經(jīng)毀棄的Unit,獲取武器位置是在雷區(qū)范圍內(nèi)的Unit,排除是否在雷區(qū)已爆范圍內(nèi)的Unit,將該實(shí)體信息發(fā)給毀傷模型處理,標(biāo)記雷區(qū)已爆范圍;

(7) 如果是單一Unit,獲取在雷區(qū)范圍內(nèi)的Unit,排除是否在雷區(qū)已爆范圍內(nèi)的Unit,將該Unit信息發(fā)給毀傷模型處理,標(biāo)記雷區(qū)已爆范圍;

(8) 毀傷模型對(duì)Unit進(jìn)行處理。

3.3工程裝備模型

工程裝備模型屬于武器系統(tǒng)類模型,它們受工程兵分隊(duì)Unit的認(rèn)知模型調(diào)度(FEquipmentControl),可以創(chuàng)建(FUnitCreate、FUnitLaunch)、修改(FEntityAlter)、損毀(FUnitDestroy)作業(yè)對(duì)象模型構(gòu)建成的Unit,執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中及時(shí)向認(rèn)知模型報(bào)告根據(jù)任務(wù)情況。

擁有不同裝備配比的工程分隊(duì)其作業(yè)能力與裝備性能、人的操作熟練程度、作業(yè)對(duì)象相關(guān)緊密,有的分隊(duì)集群作業(yè)能力體現(xiàn)在單裝備作業(yè)能力之和,有的體現(xiàn)在集群作業(yè)屬性。如1臺(tái)掃雷車對(duì)某型雷區(qū)的作業(yè)能力是400平米/小時(shí),則擁有3臺(tái)掃雷車的地爆分隊(duì)其掃雷能力是1200平米/小時(shí);又如某地爆分隊(duì)10分鐘內(nèi)完成對(duì)某類橋的爆破則是集群作業(yè)屬性。因此,在定義最小粒度的施工單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)兼而考慮,適時(shí)用之。

一個(gè)典型的探雷掃雷裝備定義如圖6所示,其加載了PT10坦克車平臺(tái)模型、CGQ6光學(xué)傳感器模型、6個(gè)WQ14探掃雷裝備模型、CGBL的通用認(rèn)知模型、TX1和TX2通信模型,并定義了敵我屬性、編隊(duì)信息、指揮機(jī)構(gòu)、地理位置屬性。

圖6　定義探雷掃雷裝備Fig.6　The definition of minefields job equipment

工程裝備布雷作業(yè)相關(guān)代碼如下:

3.4任務(wù)處理模型

任務(wù)處理模型是典型的認(rèn)知模型,完成消息傳遞和多種任務(wù)處理。處理過(guò)程主要是工程兵分隊(duì)根據(jù)上級(jí)(旅團(tuán)級(jí))的下達(dá)工程保障任務(wù),掌握裝備實(shí)力和狀態(tài),分析環(huán)境要素特征,對(duì)自身工程裝備進(jìn)行調(diào)度。該任務(wù)模型能夠?qū)Ω黝惞こ瘫Ｕ先蝿?wù)統(tǒng)一處理,可以部署在道橋分隊(duì)、筑城分隊(duì)、地爆分隊(duì)、舟橋分隊(duì)Unit模型中。

任務(wù)處理模型與周邊模型信息關(guān)系如圖7所示:

圖7　任務(wù)處理模型外部關(guān)系Fig.7　The external relations of tasking model

處理過(guò)程如下:

(1) 明確受領(lǐng)的工程保障任務(wù),獲取命令中具體參數(shù),根據(jù)任務(wù)類型分別處理;

(2) 獲取分隊(duì)裝備數(shù)量和性能等實(shí)力數(shù)據(jù),計(jì)算工程量和任務(wù)完成時(shí)間,合理分配工程裝備;

(3) 控制工程裝備機(jī)動(dòng)到達(dá)作業(yè)開始地點(diǎn),途中接收平臺(tái)遇阻、毀傷等狀態(tài);

(4) 正常可完成任務(wù)時(shí),控制工程裝備作業(yè)按照任務(wù)參數(shù)創(chuàng)建、修改、損毀雷區(qū)、壕溝、橋梁等環(huán)境要素特征;

(5) 報(bào)告任務(wù)完成情況和作業(yè)對(duì)象情況。

工程保障作業(yè)計(jì)算知識(shí)要點(diǎn)參考了文獻(xiàn)[6],典型的布雷和探雷認(rèn)知模型如圖8和圖9所示:

圖8　典型的布雷任務(wù)處理模型Fig.8　A typical processing model of lay mine task

4仿真開發(fā)和試驗(yàn)過(guò)程

我們?cè)谝环N模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中使用了該模型體系編成了紅藍(lán)雙方機(jī)械化步兵旅,它包含作戰(zhàn)部隊(duì)和工程兵分隊(duì);其中工程兵分隊(duì)兵力編成如下:

(1) 道橋分隊(duì),含2套沖擊橋裝備;

(2) 筑城分隊(duì),含3臺(tái)挖掘機(jī);

(3) 地爆分隊(duì),4個(gè)地爆連,含3臺(tái)布雷車、6部探掃雷車、1支爆破小分隊(duì);

(4) 舟橋分隊(duì),含1套舟橋裝備.

另外想定中已存在雷區(qū)3個(gè)、壕溝2個(gè)、橋梁4個(gè)。模型運(yùn)行界面如圖10所示,系統(tǒng)接口關(guān)系如圖11所示。

4.1認(rèn)知模型開發(fā)過(guò)程[4]

(1) 創(chuàng)建工程文件保存目錄;

(2) 拷貝工程文件;

(3) 為認(rèn)知模型和過(guò)程方法選擇名字;

(4) 生成認(rèn)知模型代碼;

(5) 初始化模型;

(6) 捆綁模型方法;

(7) 建立過(guò)程方法;

(8) 編譯和鏈接;

(9) 定義原型;

(10) 定義想定并執(zhí)行。

圖9　典型的探雷任務(wù)處理模型Fig.9　A typical processing model of detect mine task

4.2認(rèn)知模型應(yīng)用試驗(yàn)

以工程兵分隊(duì)任務(wù)處理模型CEgnr為例,其工程主要包含如表2所示文件。

可以看出,在該仿真框架下,通過(guò)不斷完善對(duì)工程兵分隊(duì)的任務(wù)處理方法,與仿真想定和仿真目的緊密結(jié)合,使之與現(xiàn)實(shí)處理規(guī)則逐步相近,能夠取得良好的效果。

5結(jié)束語(yǔ)

本文使用FLAMES仿真框架建立了工程保障模型體系,仿真試驗(yàn)結(jié)果表明:該模型體系設(shè)計(jì)能夠系統(tǒng)地在多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)仿真研究中體現(xiàn)工程兵部隊(duì)的作用,能夠支撐一系列工程保障因素參加的陸地作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)。進(jìn)一步經(jīng)過(guò)復(fù)雜的想定驗(yàn)證后,能夠應(yīng)用在工程兵資源配置、調(diào)度策略評(píng)估等試驗(yàn)中。同時(shí)可為工程兵指揮自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化提供參考,對(duì)科學(xué)分析“裝備保障防衛(wèi)”兵力的需求、達(dá)到聯(lián)合戰(zhàn)役兵力資源的合理配置具有重要意義。

圖10　模型運(yùn)行界面Fig.10　Model Running Interface

圖11　系統(tǒng)接口關(guān)系示意圖Fig.11　The diagram of relationships between internal modules

表2　工程兵分隊(duì)任務(wù)處理模型文件

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彭彰男(1979-),山東高密人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)仿真、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

魏麗女(1978-),河北黃驊人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

(中國(guó)電子科學(xué)研究院,北京100041)

摘要：對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)中的工程保障進(jìn)行需求分析,以FLAMES仿真框架為基礎(chǔ),建立了以工程兵部隊(duì)保障中的典型兵力——道橋分隊(duì)、筑城分隊(duì)、地爆分隊(duì)、舟橋分隊(duì)為主的工程保障模型體系,能夠在多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)仿真研究中體現(xiàn)工程兵部隊(duì)的作用,能夠在工程兵資源配置、調(diào)度策略評(píng)估等試驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用,同時(shí)也為工程兵指揮自動(dòng)化系統(tǒng)的系列化、組合化、參數(shù)化提供參考。

關(guān)鍵詞：FLAMES; 工程保障; 建模與仿真

FLAMES Framework Based Simulation Model Systems Designfor Engineering SupportPENGZhang,WEIli,YANGHuijie

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

Abstract：Analysis of engineering support requirements for the Joint operation is presented.Based on the FLAMES simulation framework,We build the mission support simulation model for the main armed forces,such as the Road-bridge branch,the City-build branch,the Explosive branch,the Boat-bridge branch.The series of models can reflect the influence factors on the simulation research of the Joint operation of multi-arm,can be applied in the rational conFig.uration and command rules experiments of engineer resources,and give advice to the serialization,combination and parameterization of Engineer troops C2 system.

Key words：FLAMES; engineering support; model and simulation

中圖分類號(hào)：TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A