基于多分辨實體的交互一致性控制方法

楊慧杰,谷　雨

(中國電子科學(xué)研究院,北京　100041)

楊慧杰(1984—)，男，山西太原人，工程師，主要研究方向為信息系統(tǒng)建模與仿真、仿真支撐技術(shù)；

E-mail: yhj84@qq.com

谷　雨(1984—)，男，河北高邑人，工程師，主要研究方向為綜合電子信息系統(tǒng)建模與仿真。

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工程與應(yīng)用

基于多分辨實體的交互一致性控制方法

楊慧杰,谷雨

(中國電子科學(xué)研究院,北京100041)

摘要：多分辨建模是解決復(fù)雜系統(tǒng)仿真的重要手段，其關(guān)鍵問題之一是不同分辨率實體之間交互時的一致性控制。本文以多分辨率實體法為基礎(chǔ)，提出了一種交互一致性控制的方法, 從多分辨率實體(Multi-Resolution Entity，MRE)建立、屬性映射、并發(fā)交互控制三個方面來解決一致性控制問題。實際應(yīng)用表明，該方法是可行和有效的。

關(guān)鍵詞：多分辨率建模； 多分辨率實體； 一致性控制

0引言

由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場空間多維立體、參戰(zhàn)力量多元、指揮關(guān)系復(fù)雜，不同軍兵種之間還存在各種協(xié)同與聯(lián)合，對戰(zhàn)爭仿真系統(tǒng)提出了更多更新的挑戰(zhàn)。目前，多分辨率建模技術(shù)被認(rèn)為是解決戰(zhàn)爭系統(tǒng)復(fù)雜性與計算資源有限性之間矛盾的有效途徑。

多分辨率建模是指為同一個現(xiàn)象建立具有不同分辨率的一個模型、一族模型或者是二者的組合來共同描述被模擬對象的特征[1-2]。聚合解聚法[3]是多分辨率建模常用的方法之一，但是該方法在解決模型一致性問題方面存在較大的困難，同時也會帶來鏈?zhǔn)浇饩邸⒕W(wǎng)絡(luò)擁塞等多種問題。

本文基于多分辨率實體法提出了一套交互一致性控制方法，從多分辨率實體的建立、屬性映射、并發(fā)交互控制三個方面來解決多分辨率建模中的一致性維護(hù)問題。

1問題的提出

在戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，對戰(zhàn)爭的仿真是其核心功能。為了降低計算量，提高仿真效率，在滿足應(yīng)用需求的前提下，“坦克連”通常作為一個作戰(zhàn)單元進(jìn)行仿真，即低分辨率的聚合仿真，在這種情況下，聚合實體作為一個整體與其他實體和外部環(huán)境發(fā)生交互。然而，隨著仿真的需要，聚合級的坦克連實體在某些情況下也需要以單車級的高分辨率實體進(jìn)行計算。例如，當(dāng)偵察機(jī)從空中對地面實施偵察時，需要詳細(xì)獲知每一輛坦克的位置和速度、當(dāng)武裝直升機(jī)發(fā)射反坦克導(dǎo)彈時也需要具體瞄準(zhǔn)到一輛坦克而不是整個坦克連，這時，就需要將聚合級的坦克連進(jìn)行解聚獲得其中每一輛坦克的具體位置和速度。

實際情況是，在訓(xùn)練過程中，偵察、打擊等需要進(jìn)行解聚的情形出現(xiàn)的頻率很高，如果采用傳統(tǒng)的完全聚合解聚算法，頻繁的進(jìn)行聚合解聚計算，往往不能達(dá)到降低計算量的目的，反而會給系統(tǒng)帶來更多的額外負(fù)擔(dān)，同時，高分辨率的解聚實體并不需要被實際仿真和控制，而是僅僅具有某些屬性特征即可，如可視性，能夠被其他實體發(fā)現(xiàn)。因此，本文中采用了既可以滿足仿真訓(xùn)練需求，計算量又相對較低的偽解聚算法，其基本思想是實體在聚合的低分辨率環(huán)境中被仿真和控制，并與其他實體發(fā)生交互，在解聚的高分辨率環(huán)境中僅僅被描述而不受控制。

2解決方案

本文所提出的一致性控制方法是基于多分辨率實體的，多分辨率實體法是指對同一仿真對象建立多個分辨率的模型，多個分辨率的模型同時存在[4]。以下以坦克連的建模為例，從多分辨率實體建立、屬性信息的映射和并發(fā)交互控制三個方面描述該解決方案。

2.1多分辨率實體的建立

圖1　坦克連MRE建立示意圖

以坦克連整體作為一個多分辨率實體進(jìn)行設(shè)計?；诮M件化建模思想[5]，坦克連MRE包括一個機(jī)動平臺、一套探測系統(tǒng)、一套通信設(shè)備、一套行為模型和多套武器系統(tǒng)，在野戰(zhàn)機(jī)動或指揮控制過程中作為連級低分辨率實體(Low-Resolution Entity, LRE)被仿真，在作為被探測目標(biāo)、進(jìn)行目標(biāo)分配、射擊過程中，則需將每套武器系統(tǒng)作為單車級的高分辨實體(High-Resolution Entity, HRE)進(jìn)行仿真，由行為模型中的屬性映射函數(shù)保證實現(xiàn)兩個分辨率級別上屬性的一致性。如圖1所示為坦克連MRE的建立示意圖，可以實現(xiàn)在低分辨率和高分辨率兩個級別上分別被感知，MRE在任何情況下都可以提供這兩個級別上的屬性并保持一致性。當(dāng)坦克連需要與高分辨率實體進(jìn)行交互時，則以武器系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，通過將平臺模型、傳感器模型等低分辨率模型的屬性映射到高分辨率的實體上，滿足高分辨率級別的交互需求。當(dāng)需要與低分辨率的實體進(jìn)行交互時，將各武器系統(tǒng)模型和彈藥模型的屬性映射到低分辨率的實體上(即坦克連)，滿足低分辨率的交互需求。

2.2屬性信息映射

在多分辨率實體中，一個分辨率級別中的屬性與另一個分辨率級別中屬性的對應(yīng)關(guān)系即為屬性映射。為了實現(xiàn)高低兩個分辨率級別中屬性的相互對應(yīng)，需要建立一對映射函數(shù)f1和f2。f1將低分辨率實體屬性映射到高分辨率實體，f2則反向進(jìn)行。

在本文的實現(xiàn)中，高低分辨率實體之間的屬性及狀態(tài)包括三類：非映射、直接映射和間接映射。

·非映射的屬性及狀態(tài)占所有屬性和狀態(tài)的很大部分，包括LRE實體名稱、級別、上級實體名稱、傳感器屬性、通信設(shè)備屬性、探測結(jié)果、內(nèi)部坦克隊形、行為屬性、毀傷模型屬性、武器系統(tǒng)屬性；

·直接映射的屬性及狀態(tài)包括坦克平臺特征、速度；

·間接映射的屬性及狀態(tài)包括位置、彈藥、自身毀傷情況、油料。

對于非映射的屬性及狀態(tài)，無需在LRE和HRE之間進(jìn)行映射。毀傷模型的屬性和武器系統(tǒng)屬性描述了坦克武器性能及其對不同目標(biāo)的殺傷能力，其他屬性及狀態(tài)描述了LRE的相關(guān)特征，在模型中不考慮坦克傳感器和通信設(shè)備的損毀，同時坦克連各坦克之間的通信是一直暢通的。

對于直接映射，僅考慮同質(zhì)實體的聚合，因此LRE和HRE的坦克平臺特征和速度是一致的。平臺特征包括平臺的幾何特征、光學(xué)特征、紅外特征、電磁特征和抗打擊特征，用于被感知和被打擊時的計算。

間接映射中的彈藥和自身毀傷情況描述了HRE坦克的屬性和狀態(tài)，則LRE的彈藥數(shù)量和種類為當(dāng)前可戰(zhàn)斗的HRE坦克彈藥之和，LRE的坦克數(shù)量為當(dāng)前可戰(zhàn)斗的HRE坦克數(shù)量之和。

間接映射中的位置映射是最重要的屬性映射，即f1pos和f2pos的設(shè)計。從連級低分辨率實體位置屬性到單車級高分辨率實體位置屬性的映射按照隊形控制算法進(jìn)行[6]，以左梯形隊形為例，如圖2所示。

圖2　左梯形隊形示意圖

第i輛車與基準(zhǔn)車的相對位置Dioffset可以表示為：

(1)

通過坐標(biāo)變換矩陣，將Doffset_i變換到地心第四坐標(biāo)系中的相對位置

(2)

PECRi=PECR0+DECRioffset

(3)

計算位置點PECRi的高程信息，并將其修正為0，保證車輛位于地球表面，之后重新計算新的PECRi，即為第i輛車實際的位置。

而從單車級實體到連級實體的位置屬性映射為取N個單車級實體位置的幾何中心，即

(4)

其中，PM1(t)是在t時刻，連級高分辨率模型M1的位置，PEi(t)是t時刻，單車級高分辨率模型Ei的位置。

2.3并發(fā)交互控制

在本文的實現(xiàn)中，所有的交互都直接發(fā)生在低分辨率實體之間，涉及到高分辨率實體的交互(高低分辨率實體之間、高分辨率實體之間)則通過低分辨率實體間接進(jìn)行。這樣的交互控制規(guī)則保證實體按照時間的先后順序逐條處理交互信息，避免不同分辨率級別上同時進(jìn)行的交互產(chǎn)生相互影響，也就是說，在任何一個時間點，僅僅處理一條交互信息，只有將當(dāng)前信息處理結(jié)束后才處理下一條信息，保證不同級別實體交互時間的一致性和交互內(nèi)容的一致性。

以下從探測過程和射擊過程來說明這類交互過程。

2.3.1探測過程中的交互

不同分辨率實體的探測過程示例見圖3所示。坦克1連(TL1)和坦克2連(TL2)為具有多重分辨率級別的MRE，武裝直升機(jī)Z為只有一個分辨率級別的MRE。

圖3　不同分辨率實體的探測交互示意圖

在同一仿真時間內(nèi)，坦克1連對坦克2連采用聚合視角實現(xiàn)低分辨率感知，武裝直升機(jī)Z對坦克1連采用解聚視角實現(xiàn)對每個單車級坦克的高分辨率感知。由于每個交互被一致地反映在所有分辨率上，所以MRE在時間上是一致的。MRE確定它感知另一MRE的分辨率級別，被感知的MRE能為感知MRE提供一致的觀察視角。

如圖3所示，是坦克1連發(fā)現(xiàn)坦克2連的過程。坦克1連LRE向坦克2連LRE發(fā)送探測交互，坦克2連需要向坦克1連提供實體內(nèi)HRE的信息，因此根據(jù)需要提供的屬性信息類型，調(diào)用基于隊形控制算法的位置映射函數(shù)得到每個HRE的位置信息，調(diào)用其他屬性映射函數(shù)得到其他參數(shù)信息，直接獲取保存在實體中的位置信息，并將這寫信息由坦克2連的LRE發(fā)送到坦克1連的LRE，坦克1連根據(jù)這些信息調(diào)用探測算法得到坦克2連各HRE的探測信息，完成一個完整的探測交互。

2.3.2射擊過程中的交互

為了提高仿真可信度，使仿真結(jié)果更貼近真實的交戰(zhàn)效果，以單車平臺為基礎(chǔ)的概率毀傷算法是較好的選擇之一，因此坦克連實體的射擊也必須以單車為基本分辨率進(jìn)行，但是單車間的交互是通過連級低分辨率實體間接進(jìn)行的。

如圖4所示，坦克1連發(fā)現(xiàn)坦克2連之后，也就得到了目標(biāo)單車級高分辨率實體的具體信息。類似于探測交互過程中坦克2連獲取HRE屬性參數(shù)的過程，坦克1連也通過映射函數(shù)等方式獲取到自身每個HRE的屬性信息，坦克1連的行為模型運行目標(biāo)威脅評估和目標(biāo)分配算法，為自身每個具備攻擊能力的HRE分配一個最佳目標(biāo)并射擊。

圖4　坦克1連射擊坦克2連示意圖

每次射擊交互發(fā)生后，自動啟動毀傷模型，毀傷模型根據(jù)射擊交互雙方高分辨率實體的屬性信息以及必要的環(huán)境信息，調(diào)用毀傷算法，確定目標(biāo)的毀傷程度。

3結(jié)語

本文所提出的交互一致性控制方法，較好的解決了多分辨率建模中存在的問題。首先，由于沒有聚合的過程，不會造成信息的丟失，因此也避免了聚合解聚過程中產(chǎn)生的一致性問題；其次，不同級別、不同分辨率實體交互時，不會產(chǎn)生新的實體，消除了鏈?zhǔn)浇饩蹎栴}，同時也減少了仿真實體數(shù)量，降低了消息傳輸量。在某戰(zhàn)役級作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，裝甲兵、炮兵等主戰(zhàn)兵種的仿真粒度為連，后勤、偵察等保障兵種的仿真力度為單車，基于本文的方法，可以在一臺通用工作站上實現(xiàn)紅藍(lán)雙方兩個師的大規(guī)模仿真，未產(chǎn)生交互不一致的問題，驗證了本文所提方法的可行性和有效性。

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楊慧杰(1984—)，男，山西太原人，工程師，主要研究方向為信息系統(tǒng)建模與仿真、仿真支撐技術(shù)；

E-mail: yhj84@qq.com

谷雨(1984—)，男，河北高邑人，工程師，主要研究方向為綜合電子信息系統(tǒng)建模與仿真。

Research on Interactional Consistency Control Based on Multi-Resolution Entity

YANG Hui-jie, GU Yu

(China Academy of Electronics and Information Technology Beijing 100041)

Abstract:Multi-Resolution Modeling is an important method in simulation of complex system. A key problem is the consistency control in interaction between different resolution entities. This paper proposed an interactional consistency control method based on multi-resolution entity form found of multi-resolution entity, attributes mapping and inactive control three aspects to resolve that problem. Application shows this method is feasible and effective.

Key words:multi-resolution modeling; multi-resolution entity; consistency control;

作者簡介

中圖分類號：TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5692(2016)01-094-04

收稿日期：2016-01-05

修訂日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.018