防空指揮控制系統(tǒng)模擬平臺框架設計

孫學鋒，李成新

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防空指揮控制系統(tǒng)模擬平臺框架設計

孫學鋒1，李成新2

（1. 海軍航空工程學院，山東煙臺264000；2. 解放軍91004部隊，遼寧大連 116031）

針對防空設計的指揮控制系統(tǒng)，將任務、實體和模型關聯(lián)起來，采用一定的驅動機制，通過作戰(zhàn)模型的計算來模擬實際的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)效果，采用面向服務思想建立核心服務、擴展服務，統(tǒng)一服務接口，從而使核心框架可以按照統(tǒng)一的方式來管理各種服務。核心服務用于控制作戰(zhàn)模型的運行過程，擴展服務包含作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)實體、作戰(zhàn)模型的管理服務等。

防空 指揮控制 模擬平臺框架 模型驅動

0 引言

現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭表明，信息條件下的空襲與反空襲作戰(zhàn)是基于C4ISR系統(tǒng)的體系對抗作戰(zhàn)，防空指控系統(tǒng)作為國家防空體系的重要組成部分，對國土防空能力形成具有直接影響。本文設計了基于服務的防空指揮控制模擬平臺框架，按照“在滿足核心功能的基礎上，具有高度可擴展性”的原則進行構建，描述了模型組件、驅動機制、任務建模等方法，設計了對空觀察的算法及模型，有效解決防空指揮訓練難題，實現(xiàn)防空指揮手段的信息化需求。

1 模擬平臺框架結構及服務

1.1 模擬平臺框架結構

模擬平臺框架[1]主要分為兩個服務層：核心服務層和擴展服務層。

核心服務層包含了模擬框架運行所必需的核心服務，主要用于控制作戰(zhàn)模型的運行過程，包括提供統(tǒng)一的時間服務，驅動模型運行的調度服務，管理各種事件的事件服務和用于記錄信息的日志服務。

擴展服務層主要由作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)實體、作戰(zhàn)模型管理服務以及其它相關服務組成，其主要目標是使作戰(zhàn)實體根據(jù)作戰(zhàn)任務驅動作戰(zhàn)模型進行運算，并為作戰(zhàn)模型的計算提供最基本的數(shù)據(jù)標準（如裝備性能、武器指數(shù)等）、計算服務（如地理信息、地形分析、電磁環(huán)境、氣候水文、兵要地志信息等）和數(shù)據(jù)通信服務。

模擬平臺部署在系統(tǒng)的應用服務器上，與服務器總線相連，是在面向組件基礎之上對系統(tǒng)的進一步解耦和封裝。模擬平臺核心架構支持將一個大型項目的業(yè)務轉換為一組相互鏈接的服務或可重復的業(yè)務任務，其它軟件系統(tǒng)或是模塊可在需要時訪問和使用這些服務提供的功能。模擬平臺框架結構如圖1所示。

圖1 模擬平臺框架結構圖

1.2 模擬服務及其接口形式

模擬平臺通過服務總線實現(xiàn)了應用程序間交互的松耦合，它將應用程序的不同功能單元即服務，通過在服務間定義良好的接口[2]和契約聯(lián)系起來。接口定義采用中立的方式，獨立于實現(xiàn)服務的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，使得這些服務可以使用統(tǒng)一和標準的方式進行通信。面向服務的架構使得服務的請求者和提供者之間實現(xiàn)了高度解耦，其優(yōu)勢在于：一是增強了其適應變化的靈活性；二是當某個服務的內部結構和實現(xiàn)逐漸發(fā)生改變時，不影響其他服務。

采用面向服務思想所建立的模擬平臺框架中核心服務、擴展服務及服務與作戰(zhàn)模型之間的關系和接口如圖2所示。所有的服務都具有統(tǒng)一的服務接口（IService），從而使得核心框架可以按照統(tǒng)一的方式來管理各種服務；各種不同的服務在繼承統(tǒng)一服務接口的基礎上，具有各自形式的接口，上層用戶可按照需求查詢和使用所有核心服務和擴展服務；核心服務和擴展服務都通過模擬器接口（ISimulator）進行管理；作戰(zhàn)模型通過模擬器接口（ISimulator）來查詢和使用服務。

無論是核心服務還是擴展服務，它們都有自身基本的接口類型，比如核心服務中的事件服務，其基本接口主要有：

AddEvent：在事件服務中增加一個事件類型，并指定名稱和標識。RemoveEvent：從事件服務中刪除一個事件類型。Subscribe：訂購一個事件類型，當發(fā)生該事件類型時，事件服務調用相應的事件處理接口（Event Handler）。Unsubscribe：解除對一個事件類型的訂購。Emit：觸發(fā)一個特定的事件類型，給出觸發(fā)者和事件參數(shù)，并調用所有訂購該事件的模型和服務的處理接口。

再比如擴展服務中的實體管理服務，主要用于實現(xiàn)作戰(zhàn)實體的創(chuàng)建、維護、存儲和恢復等。作戰(zhàn)實體管理服務的總體結構如圖3所示，其基本接口主要有：

AddEntity：增加一個作戰(zhàn)實體到實體管理服務中。RemoveEntity：從實體管理服務中刪除一個作戰(zhàn)實體。GetEntity：獲取一個作戰(zhàn)實體。

圖2 模擬服務及其接口形式

2 模型組件、驅動機制及任務建模

2.1 模型組件

信息化條件下，作戰(zhàn)空間不斷拓展，作戰(zhàn)任務日趨復雜，許多新的作戰(zhàn)思想和戰(zhàn)術手段不斷涌現(xiàn)，軍事需求和技術領域都在不斷的進步和發(fā)展，這就使作戰(zhàn)仿真模型的建設具有長期性、反復性和發(fā)展性。因此，把作戰(zhàn)行動過程進行適當抽象，以組件形式來構建作戰(zhàn)模型[3]可有效地縮短模擬系統(tǒng)的建設周期，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的適應性。

防空指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)行動模型即采用組件的方式進行構建，每個作戰(zhàn)行動模型具有統(tǒng)一的接口形式，能夠通過模擬核心服務查詢和獲取各種服務及其所需的其它作戰(zhàn)模型。統(tǒng)一的接口形式可以在不影響模擬系統(tǒng)整體框架的前提下，實現(xiàn)作戰(zhàn)行動模型的無縫替換和更新。

圖3 作戰(zhàn)實體管理服務總體結構圖

2.2 模型驅動機制

模擬服務驅動作戰(zhàn)模型[3]運行，進而模擬實際的作戰(zhàn)過程需要解決三個關鍵問題：一是如何處理作戰(zhàn)任務，二是如何模擬作戰(zhàn)行動，三是如何處理后繼事件。因此，模擬服務驅動作戰(zhàn)模型運行的過程主要分為三個部分，一是事件管理部分，即以事件的方式接收和管理各種作戰(zhàn)計劃、命令以及行動模型產生的各種反饋信息；二是任務管理部分，即以作戰(zhàn)實體為載體，對各種事件進行響應，并負責協(xié)調控制作戰(zhàn)實體的行為；三是行動模擬部分，即根據(jù)作戰(zhàn)任務驅動行動模型執(zhí)行。其中，任務管理部分是核心，它既是將作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)命令和作戰(zhàn)行動模型關聯(lián)起來的橋梁，也是對行動模擬過程中產生的事件進行處理，并產生新任務的樞紐，是驅動模型運行的核心。

在基于任務的模型驅動過程中，武器平臺形成的作戰(zhàn)方案和指揮員下達的各種作戰(zhàn)命令，以及行動模型模擬過程中產生的反饋信息都以事件的方式注冊在事件服務中。在模擬的過程中，一旦制訂了作戰(zhàn)方案、下達了作戰(zhàn)命令，或是模擬過程中產生了警報車和指揮車的行動信息，那么事件服務即觸發(fā)相應的事件。

“響應器”是指在系統(tǒng)中注冊的，表明自身對某一類事件感興趣的事件處理器，每類響應器處理一類事件，并在作戰(zhàn)實體行動規(guī)則庫的作用下，根據(jù)事件的內容產生作戰(zhàn)實體下一步的作戰(zhàn)任務，進而驅動作戰(zhàn)模型運行。不同類型的作戰(zhàn)實體都具有相應的“響應器”，并注冊在事件服務中，當某類事件產生時，事件服務即查詢并調用該類事件的“響應器”。

任務管理所產生的各種任務，最終以調度事件的方式加入到調度服務中，并指定相應作戰(zhàn)行動模型開始運行的時間，間隔步長，以及運行時的基本參數(shù)。調度服務按照調度事件的需求，定時調用對應的作戰(zhàn)模型，驅動模型運行。模型驅動機制原理如圖4所示。

圖4 模型驅動機制原理圖

2.3 任務建模

作戰(zhàn)任務是作戰(zhàn)力量在作戰(zhàn)中需要達到的目標和承擔的責任，通常由指揮員根據(jù)我情、敵情、上級意圖以及戰(zhàn)場地形、氣候等因素，在充分估計各種影響的基礎上，以作戰(zhàn)命令的方式向作戰(zhàn)實體下達，具有非形式化、復雜化的特點，不能直接為計算機所理解和使用。因此，在模擬過程中需要針對作戰(zhàn)任務進行建模[4]，即對作戰(zhàn)任務進行結構化和參數(shù)化。

結構化就是對作戰(zhàn)任務逐步分解，并將其以某種方式進行排列和組織的過程。結構化的任務具有原子性、有限性、獨立性和可描述性，即該作戰(zhàn)任務不可再分解，由一個獨立的作戰(zhàn)實體承擔，執(zhí)行后可達到一定的作戰(zhàn)目的，并且該任務可通過固定的、結構化的格式予以描述，這樣的任務稱為基本作戰(zhàn)任務。

結構化的作戰(zhàn)任務還需要進一步參數(shù)化，即將作戰(zhàn)任務所需的信息提取出來，并將其表達為計算機可識別的參數(shù)，這些參數(shù)數(shù)值是可變的，表達了不同作戰(zhàn)任務的類別，易于被計算機所識別和使用。

作戰(zhàn)任務的結構化和參數(shù)化，使得作戰(zhàn)任務被分解為一系列的原子任務，這些原子任務對應著不同的作戰(zhàn)行動模型，在模擬過程中由調度服務根據(jù)需要調用相應的作戰(zhàn)行動模型。

3 算法及模型設計

防空指揮控制系統(tǒng)涉及到多種任務模型的建立，算法支撐和邏輯流程設計，這里給出對空觀察哨的部分數(shù)學模型和流程。

3.1 數(shù)學模型[5,6]

1）觀察哨到目標的距離

假設當前時刻某點目標水平坐標（由航跡模型給出）為(,)；觀察哨所在位置水平坐標為(z,z)，則當前時刻觀察哨到該點的水平距離為：

2）目標到觀察哨的飛行時間

假設目標直接飛過觀察哨頂空，則：

式中，max是觀察哨最大觀測距離，可查閱手冊獲??；是氣象對指揮鏡觀測距離的影響系數(shù)，可查閱手冊獲?。籱是目標飛行速度（假設為勻速）。

3）當前時刻發(fā)現(xiàn)目標概率

4）發(fā)現(xiàn)目標情況

3.2 邏輯流程

對空觀察哨觀察是觀察哨利用光學器材或目視方法，對空中目標進行搜索、識別和通報的行動。其觀察流程如圖5所示。

4 結論

依托本系統(tǒng)可完成防空演練內容設置、計劃和想定設置，演練進程控制和演練導調控制，實現(xiàn)對防空戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢的模擬，支持多級防空指揮機構帶防空分隊實兵的模擬演練，支持完成情報獲取、預測、分析、判斷、決策、組織計劃、協(xié)調、通信和指揮控制等防空指揮模擬訓練評估。實踐證明，系統(tǒng)的應用對新時期多級一體化防空指控系統(tǒng)發(fā)展產生了積極的推動作用，軍事和經濟效益顯著。

圖5 對空觀察哨觀察流程圖

[1] 王曄, 孫紅, 王燕．一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮訓練系統(tǒng)通用模型框架研究[J]．系統(tǒng)仿真學報, 2006, 18 (z2): 354-357．

[2] 陳振顧, 王戟, 董威等．面向服務軟件體系結構的接口模型[J]．軟件學報, 2006, 17(6): 1459-1463．

[3] 倪忠仁等．地面防空作戰(zhàn)模擬[M]．北京: 解放軍出版社, 2001．

[4] 楊世幸, 陽東升, 張維明等．作戰(zhàn)使命分解與任務建模方法[J]．火力與指揮控制, 2009, 34(8): 24-29．

[5] 婁壽春等．地空導彈射擊指揮控制模型[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 2009．

[6] 寇新洲, 楊兆民, 高曉峰, 吳傳芝．高炮系統(tǒng)打擊效能評估[J]．艦船電子工程, 2011, 31(2): 27-30.

Simulation Platform Framework of Air Defense Command and Control System

Sun Xuefeng1, Li Chengxin2

（1. Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264000, Shandong, China; 2. Unit 91004 of PLA, Dalian 116031, Liaoning, China）

TP391.9

A

1003-4862（2017）04-0001-04

2016-09-09

孫學鋒（1963-），男，博士，教授，碩士生導師。研究方向：陸戰(zhàn)岸防裝備保障。

E-mail: dllnlcx@163.com