陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系設計研究*

杜國紅,李路遙,吳從暉

(南京陸軍指揮學院作戰(zhàn)實驗中心，江蘇南京　210045)

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陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系設計研究*

杜國紅,李路遙,吳從暉

(南京陸軍指揮學院作戰(zhàn)實驗中心，江蘇南京210045)

摘要:針對當前陸軍合成營作戰(zhàn)仿真模型缺乏整體設計、模型重用性差以及集成效率低的現(xiàn)狀,從頂層設計入手,提出基于組件化建模方法的模型體系架構。該模型體系以組件為中心,以平臺組件、裝備組件、行為組件、輔助組件為重點,聚焦功能組件建模,可為構建良構的陸軍合成營作戰(zhàn)仿真模型,規(guī)范模型設計、開發(fā)、集成和運行,提高模型資源重用性,避免低水平重復建設提供先進的應用框架和技術支持。

關鍵詞:陸軍合成營;組件化建模;模型體系;組件模型

隨著新軍事變革的發(fā)展和遂行多樣化軍事任務的迫切需求,陸軍部隊已逐步向規(guī)模精干、能力合成的方向發(fā)展。陸軍部隊編制正從師、團、營體制向旅、營體制進行改革調整。編制體制的變革必然帶來作戰(zhàn)樣式的發(fā)展變化。陸軍合成營因兼具實時戰(zhàn)場感知、動態(tài)指揮控制、靈活機動突擊、精確火力打擊以及立體綜合保障等多種作戰(zhàn)能力,已逐步成為陸軍遂行作戰(zhàn)任務的基本作戰(zhàn)單元。當前,亟需有效的研究方法和手段對陸軍合成營新型作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)效能以及裝備編配進行檢驗和論證。建模仿真方法通過構建各類作戰(zhàn)機理模型,可以有效支撐陸軍合成營作戰(zhàn)概念創(chuàng)新和作戰(zhàn)能力生成。陸軍合成營作戰(zhàn)仿真與單武器平臺作戰(zhàn)仿真和師旅級部隊作戰(zhàn)仿真的顯著區(qū)別體現(xiàn)在建模粒度和模型精度方面的平衡,既要能夠支持對單武器平臺的戰(zhàn)技性能以及戰(zhàn)術運用進行精細描述,又要支持對連、排、班、組等聚合級作戰(zhàn)單元以及其作戰(zhàn)指揮和遂行的作戰(zhàn)行動進行建模。目前,關于建模方法和單一兵種分隊作戰(zhàn)仿真的研究已取得比較多的成果,如文獻[1]提出陸軍分隊作戰(zhàn)仿真模型結構描述規(guī)范,文獻[2]對基于BOM的仿真模型組件結構進行了研究，文獻[3]設計了基于一體化建模方法的作戰(zhàn)仿真實體，文獻[4]對坦克分隊作戰(zhàn)仿真模型構建開展了研究。而針對陸軍合成營級別的作戰(zhàn)仿真模型體系研究成果則比較匱乏,尤其是缺乏能夠有效指導工程實踐的理論成果。已有研究成果在應用上多側重于單一兵種分隊作戰(zhàn)仿真,而對多兵種力量協(xié)同作戰(zhàn)仿真的支持不足。在模型設計上,對模型體系、實體建模、決策建模以及環(huán)境建模等方面欠缺整體設計和規(guī)范指導。在建模方法上,多采用面向過程或面向對象的建模方法,在處理因素繁多、結構關系復雜等情況時存在一定限制。綜上所述,現(xiàn)有建模方法和模型體系已無法滿足對新型作戰(zhàn)力量和新的作戰(zhàn)樣式進行仿真的迫切需求,亟需采用新的建模方法來指導陸軍合成營作戰(zhàn)仿真模型體系的設計和開發(fā)。

1陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系

1.1組件化建模方法

傳統(tǒng)的面向過程和面向對象的建模方法,在模型互操作和重用方面存在欠缺?；诮M件的建模方法,則從全新視角,以組件為中心進行建模。其核心思想是將研究的對象作為一個容器,按照對象本身固有功能或能力進行拆解,采用分而治之的方法封裝為組件,由一系列組件的聚集來描述對象。組件化建模的關鍵是對研究對象進行分解,依據(jù)仿真目的按照某種原則將每個具有個性特征的對象分解成若干個具有獨立功能的子模塊,即組件。通過對具有相同特征的組件進行統(tǒng)一描述,可以最大程度地實現(xiàn)組件重用,從而達到模型重用的目的。采用組件組合來構建對象的方法可以極好地適用于各類仿真應用,從而成為目前作戰(zhàn)仿真領域一種最為有效的建模方法。

1.2組件化模型體系

圖1　陸軍合成營作戰(zhàn)仿真要素組成圖

構建陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系的前提是對合成營作戰(zhàn)仿真要素進行梳理分析。陸軍合成營作戰(zhàn)仿真涉及的仿真要素十分繁雜,既要描述合成營的作戰(zhàn)力量構成,如指揮控制、地面突擊、火力壓制、空中支援、工程保障、通信保障、后裝保障等兵力以及相應的作戰(zhàn)裝備和保障裝備,又要描述合成營遂行的戰(zhàn)斗樣式、作戰(zhàn)流程和營、連、排、班、組等多個層級的指揮、控制、協(xié)同,還要對戰(zhàn)場自然環(huán)境和人工環(huán)境進行描述,如戰(zhàn)場地理環(huán)境、戰(zhàn)場氣象環(huán)境、工事障礙、電磁環(huán)境、核生化環(huán)境和集結區(qū)域、疏開地區(qū)、展開地區(qū)、沖擊出發(fā)陣地、奪占區(qū)域、警戒區(qū)域、火力殲擊區(qū)、沾染區(qū)、洗消區(qū)等作戰(zhàn)區(qū)域以及警戒陣地、基本陣地、預備陣地、臨時陣地等陣地配系。另外,還要對抽象的組織邏輯和結構邏輯進行描述,如作戰(zhàn)編成編組、通信網(wǎng)系、編隊隊形等。其組成要素如圖1所示。在上述合成營作戰(zhàn)仿真要素分析的基礎上,采用組件化建模方法,對仿真要素的組織結構、功能邏輯、行為特征按照結構屬性、功能屬性和任務屬性相結合的原則進行邏輯拆分和再組織。陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件模型包括平臺組件、裝備組件、行為組件、輔助組件四類,其體系結構如圖2所示。

圖2　陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系圖

其中,平臺組件主要對合成營作戰(zhàn)力量構成要素和戰(zhàn)場工程要素進行描述,具體包括單兵單裝平臺組件、工事障礙平臺組件和作戰(zhàn)單元平臺組件等類型。其中,作戰(zhàn)單元平臺組件主要描述由單兵或單裝平臺組合而成的具有典型級別特征或軍事意義的一類要素,如連、排、班、組、左右翼攻擊分隊、二梯隊等。裝備組件主要對武器裝備某一方面的能力或性能進行描述,如機動組件描述徒步、輪式、履帶、旋轉翼、固定翼等機動方式的機動能力、傳感器組件描述光學探測、紅外探測、雷達探測等探測方式的探測能力、武器發(fā)射裝置組件描述各類槍、炮、導彈發(fā)射器等的裝備性能等。行為組件主要對戰(zhàn)術行為動作邏輯、使命行動任務邏輯、指揮控制協(xié)同邏輯以及戰(zhàn)術規(guī)則進行描述。輔助組件主要對作戰(zhàn)編成編組、通信網(wǎng)系、作戰(zhàn)區(qū)域、陣地配系等進行描述。

2平臺組件模型

平臺組件是陸軍合成營作戰(zhàn)仿真實體的基本載體,用于約束仿真實體的物理組成結構,規(guī)定仿真實體具備的物理元素和行為特征,模擬仿真實體的戰(zhàn)術動作邏輯和基本工作流程。平臺組件模型是裝備組件模型和行為組件模型的承載容器,可控制和協(xié)同其它組件模型工作,實現(xiàn)對仿真實體能力的仿真。按照陸軍合成營作戰(zhàn)仿真對仿真實體分辨率的要求,將平臺組件模型建模粒度依據(jù)兵力性質約束為單人、單裝、組、班、排以及連等幾個層次,具體分類如圖3所示。其中,單兵平臺組件主要對單兵功能屬性和單兵戰(zhàn)術動作邏輯進行描述,用于對合成營作戰(zhàn)人員的建模。其描述的功能屬性包括單位性質、身高、體重、軍銜、職務、技能水平、心理素質、人員士氣、疲勞程度、姿態(tài)等,單兵戰(zhàn)術動作邏輯主要是描述運動、觀察、射擊、隱蔽等動作的邏輯流程。單裝平臺組件主要對單件武器裝備的功能屬性和單車戰(zhàn)術邏輯進行描述,用于對合成營配備以及加強的武器裝備進行建模。工事障礙平臺組件主要對戰(zhàn)場工事、障礙設施的功能屬性和基本工作流程進行描述。其中,掩體平臺組件主要對單兵掩體、雙人掩體、碉堡、車輛掩體等進行建模。工事障礙平臺基本工作流程主要是對進入工事或障礙的實體進行防護、保障或毀傷運算。作戰(zhàn)單元平臺組件主要描述由多個單兵單裝共同協(xié)作完成某項任務的一類仿真實體,如狙擊組、重機組、反坦克導彈組、步兵班、坦克排、炮兵連等。作戰(zhàn)單元平臺組件功能主要是對內部組成平臺進行組織管理和協(xié)調控制,可以理解為對單兵平臺和單裝平臺進行指揮控制的載體。

圖3　平臺組件模型分類圖

3裝備組件模型

圖4　裝備組件模型分類圖

裝備組件是陸軍合成營作戰(zhàn)仿真實體物理組成元素的反映,主要對武器裝備某方面的能力或性能進行描述。按照陸軍合成營配備的武器裝備所具有的機動、探測、火力打擊、通信、干擾、防護等能力,將裝備組件細分為機動組件、傳感器組件、武器發(fā)射裝置組件、通信設備組件、干擾設備組件、防護組件、彈藥組件和特征組件等八大類,具體分類如圖4所示。其中,機動組件主要描述徒步、輪式、履帶、旋轉翼、固定翼以及導彈機動等六種方式的運動能力。其中,徒步、輪式、履帶機動重點對越野機動能力、道路機動能力、爬坡能力、涉水能力、越壕能力、油耗等進行描述;旋轉翼和固定翼機動則主要描述升限、巡航高度、巡航速度、最大爬升角度、油耗、最大過載等進行描述;導彈機動則主要描述最大過載、距離門限、發(fā)射速度、俯仰角度等。傳感器組件主要是對目視、觀瞄鏡、活動目標雷達、紅外儀等探測設備進行描述,實現(xiàn)對光學、雷達、紅外等探測方式探測能力的建模,重點描述探測距離、視場、天候影響、地形影響以及目標特征識別能力等。武器發(fā)射裝置組件主要對槍、炮、火箭發(fā)射筒等發(fā)射器進行描述,重點對各種發(fā)射器的武器性能如射速、彈夾容量、有效射程、直瞄打擊性能、間瞄打擊性能等進行描述,從而實現(xiàn)對武器系統(tǒng)打擊性能的仿真。通信設備組件主要對通信電臺、通信中繼等設備的性能進行描述,主要描述帶寬、延遲、跳頻頻率等性能參數(shù)。干擾設備組件主要對雷達干擾、紅外干擾、GPS干擾等干擾方式進行描述,主要描述干擾距離、干擾范圍、干擾頻率等性能參數(shù)。防護組件主要對單兵防護、裝甲防護以及工事防護進行描述。其中,單兵防護主要描述單兵防護設備對頭部、胸部、上肢以及下肢的防護能力;裝甲防護主要描述以裝甲為主要防護設備的一類武器裝備如坦克、裝甲車、直升機等的防護能力,包括前部、后部、頂部、側部、底部等部位的防護性能;工事防護主要對碉堡、掩體、坑道等工程設施的防護性能進行描述。彈藥組件主要對各類彈藥的毀傷性能進行描述,以彈藥殺傷的作用機理區(qū)分為動能和化學能兩種彈藥類型。彈藥性能的描述與武器發(fā)射裝置的性能密切相關,針對不同的武器發(fā)射裝置,動能彈主要描述其在不同射程上彈丸的落點動能?；瘜W能彈則主要描述在其殺傷范圍內對不同類型目標的毀傷程度。特征組件主要描述武器裝備的目標特征如光學特征、紅外特征以及雷達特征等。其中,光學特征主要描述可見距離、可識別率、偽裝程度、隱蔽程度等;紅外特征主要描述信號強度、信號頻率等;雷達特征主要描述雷達截面積、波動類型等。

4行為組件模型

行為組件是陸軍合成營作戰(zhàn)仿真實體行為特征的反映,主要實現(xiàn)對實體行動控制、行為決策、指揮協(xié)同以及作戰(zhàn)規(guī)則的描述。行為組件是組件化模型體系的核心,是仿真實體自主決策和智能行為的驅動源。其中,行動控制主要對執(zhí)行的作戰(zhàn)行動、作戰(zhàn)任務的環(huán)節(jié)、流程、邏輯進行描述,以反映不同作戰(zhàn)行動的基本特征,如地面突擊力量執(zhí)行進攻任務需明確攻擊路線、進入疏開展開區(qū)、占領沖擊出發(fā)陣地、通過障礙、進入火力殲擊區(qū)以及突入一線陣地等各個環(huán)節(jié)的行動次序和邏輯。行為決策主要是對各個行動環(huán)節(jié)中依據(jù)當前態(tài)勢做出的決策的描述,如遇到障礙的決策、遭到炮襲的決策、突入一線陣地后的行動決策等。指揮協(xié)同是對依據(jù)當前決策分配、調度、控制所屬兵力遂行任務的描述,如指派工兵掃雷任務、指揮二梯隊加入戰(zhàn)斗、召喚炮兵陸航火力支援等。作戰(zhàn)規(guī)則是對共性的、通用的決策依據(jù)和內容的抽象,如目標選擇規(guī)則、武器使用規(guī)則、交戰(zhàn)規(guī)則等。行為組件具體分類如圖5所示。

圖5　行為組件模型分類圖

其中,行動任務組件主要包括行軍、攻擊、撤離、防御、對地攻擊等任務組件,負責對行動的邏輯進行描述,主要搭載在兵力平臺上,以實現(xiàn)對實體執(zhí)行各類作戰(zhàn)任務的仿真。指揮任務組件包括組、班、排、連、營五個層級的指揮協(xié)同任務組件。指揮任務采用“條件-決策-行動控制”的邏輯進行設計,當滿足一定決策條件時,觸發(fā)決策,依據(jù)決策控制和調度所屬兵力的行動,從而實現(xiàn)對指揮實體指揮、控制、協(xié)同等職能的仿真。作戰(zhàn)規(guī)則組件包括目標選擇、遇襲處理、武器使用、全局交火、氣象影響、地形影響等規(guī)則組件。其中,目標選擇規(guī)則主要對選取目標進行優(yōu)先打擊的次序進行界定;遇襲處理規(guī)則主要對遇到襲擊時采取的行動進行界定,如人員臥倒、車輛釋放煙霧、后撤或規(guī)避運動等。武器使用規(guī)則主要對使用何種武器、彈藥來打擊目標進行界定,如步槍手使用步槍和普通槍彈打擊人員類目標,使用步槍和槍榴彈打擊輕型裝甲目標等。全局交火規(guī)則主要對某一方全局的交火原則進行整體控制,如自由射擊、控制射擊、自衛(wèi)射擊、禁止射擊等,以實現(xiàn)對某種作戰(zhàn)樣式或戰(zhàn)法的仿真,如伏擊戰(zhàn),則設置全局交火規(guī)則為控制射擊。氣象影響和地形影響規(guī)則主要對氣象條件和地形要素對作戰(zhàn)行動如機動、探測、交戰(zhàn)等的影響進行描述,如各種天氣對不同機動方式的影響、對不同探測手段的影響等。

5輔助組件模型

圖6　輔助組件模型分類圖

輔助組件是陸軍合成營作戰(zhàn)仿真組件化模型體系中不可或缺的重要組成部分,主要對作戰(zhàn)仿真涉及的組織、結構、陣地區(qū)域、環(huán)境以及裁決進行描述。其中,組織主要明確作戰(zhàn)仿真實體之間的層級關系以及編組樣式;結構主要對通信組網(wǎng)結構以及編隊隊形結構進行描述;陣地區(qū)域主要對作戰(zhàn)仿真涉及的具有軍事意義的地區(qū)或地點進行描述;環(huán)境主要對作戰(zhàn)區(qū)域內的地理環(huán)境和氣象環(huán)境進行描述;裁決是指對發(fā)生對抗的雙方的實力消長進行評判。輔助組件具體分類如圖6所示。其中,作戰(zhàn)編成編組組件主要對作戰(zhàn)仿真實體的編配、層級以及指揮關系進行描述。通信網(wǎng)系組件主要對通信網(wǎng)的組網(wǎng)模式、通信節(jié)點、通信鏈路等進行描述。編隊組件主要對實體編隊隊形樣式進行描述,如一字縱隊、一字橫隊、前后三角、左右梯次、楔形等隊形。作戰(zhàn)區(qū)域組件和陣地配系組件主要對陸軍合成營作戰(zhàn)涉及的具有重要軍事作用的地區(qū)、地點進行描述。環(huán)境組件主要描述作戰(zhàn)區(qū)域的地理環(huán)境和氣象環(huán)境。其中,地理環(huán)境組件主要描述地形、地物、地貌等要素;氣象環(huán)境組件主要描述氣象和天候要素。裁決毀傷組件主要對直瞄、間瞄、精確以及雷場等造成的毀傷進行裁決評判。其中,直瞄毀傷裁決組件主要對以直瞄射擊方式造成的毀傷進行描述,如以槍、坦克炮等武器進行對抗造成的毀傷。間瞄毀傷裁決組件主要對以各類壓制火炮以及槍榴彈、榴彈發(fā)射器等武器進行對抗造成的毀傷進行描述。精確毀傷裁決組件主要對以各類導彈、末敏彈等武器進行對抗造成的毀傷進行描述。雷場毀傷裁決組件主要對各類反步兵、反坦克、反步坦混合雷場對進入其中的單位造成的毀傷進行描述。

6結束語

針對陸軍合成營作戰(zhàn)仿真涉及要素多、組織關系復雜的特點,從仿真實體要素分析入手,提出了基于組件化建模方法的模型體系架構。該模型體系以組件為中心,采用整體由部分組合而成的視角,通過對仿真要素共性特征的抽象,聚焦功能組件建模,而后通過組合各類組件的方式來描述作戰(zhàn)仿真實體,極大地降低了模型設計開發(fā)的復雜度。組件化模型體系架構可以為陸軍合成營作戰(zhàn)仿真模型的設計、開發(fā)、集成和運行提供先進的技術框架,有利于開發(fā)良構的仿真模型,提高仿真模型開發(fā)和集成效率。

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Research on Component-based Model Architecture of Army Synthetic Battalion Combat Simulation

DU Guo-hong, LI Lu-yao, WU Cong-hui

(Operation Research Center, Nanjing Army Command College, Nanjing 210045, China)

Abstract:To improve the situation of lack of systematic design, poor reusability and low-efficiency development of army synthetic battalion combat simulation model, component-based model architecture was brought forward. Component-centered and mainly research platform component, equipment component, behavior component, auxiliary component and focus on functional component modeling, the architecture will provide advanced application framework and technique support to build excellent army synthetic battalion combat simulation model architecture, standardize the design, development, integration, operation of model as well as improve reusability of model resource to avoid low-level duplication.

Key words:army synthetic battalion; component-based modeling; model architecture; component model

中圖分類號:E917

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.020

作者簡介：杜國紅(1982-),男,河南周口人,碩士,講師,研究方向為作戰(zhàn)仿真。李路遙(1973-),男,教授。吳從暉(1975-),女,碩士,副教授。

*基金項目：2015國家社科基金軍事學項目資助(15GJ004-136)

收稿日期：2015-12-24

文章編號：1673-3819(2016)02-0096-06

修回日期： 2016-01-12