作戰(zhàn)仿真中組合式實體模型的資產管理組件設計

張柯 孫昊 閆飛 譚雄 段偉

作戰(zhàn)仿真是不同技術背景下研究戰(zhàn)爭問題,分析和評估作戰(zhàn)方案的重要手段[1?3].近年來,人們建立了多個作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)以模擬不同作戰(zhàn)層次(戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術)和不同作戰(zhàn)域(陸、海、空)的作戰(zhàn)過程,以支持作戰(zhàn)訓練、作戰(zhàn)問題研究和作戰(zhàn)計劃輔助決策.例如:基于HLA技術體制的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真訓練系統(tǒng)[4]、海上區(qū)域作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)[5]和潛艇作戰(zhàn)仿真訓練系統(tǒng)[6]、空軍戰(zhàn)役作戰(zhàn)模擬訓練系統(tǒng)[7]、空間作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)[8]和電子對抗作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)[9]、后勤保障中醫(yī)療后送模擬系統(tǒng)[10]、武器裝備體系對抗建模與仿真[11?12],以及作戰(zhàn)指揮控制建模與仿真分析系統(tǒng)[13]等.各種樣式的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)為研究不同作戰(zhàn)域的軍事問題提供了很好的支撐.然而,由于技術標準、模型規(guī)范、模型粒度的不同,作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)之間難于互聯(lián)互通,且升級改造與維護難度大.作戰(zhàn)仿真模型難于重用,且存在重復開發(fā)等問題.

采用組合式建模、模型與數(shù)據分離等方法可以實現(xiàn)作戰(zhàn)仿真模型的靈活組裝與搭配,提高作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的可擴展性與可重用性.2002年美國海軍研究生院、喬治梅森大學以及SAIC公司等組織提出了可擴展建模與仿真框架(XMSF)[14].XMSF基于XML標記語言,采用Web技術作為共享的通信平臺和通用的傳輸框架,促進建模與仿真應用在更大范圍的互操作和重用[15].2006年仿真互操作標準化組織(Simulation Inter-operability Standard Organization,SISO)提出了基于組件建模的基本對象模型(Basic Object Model,BOM)規(guī)范[16?17].BOM是一種促進仿真模型互操作、重用性和可組合性的實現(xiàn)機制,鼓勵靈活、快速、有效地開發(fā)和管理模型.該機制已經得到了很好的應用,例如:基于BOM組件規(guī)范的仿真建模與運行環(huán)境[18]、基于BOM組件的并行計算仿真引擎[19]等.同時,其他的組合式建模方法也得到了研究和應用,例如:基于面向服務架構軟件組件技術來支撐仿真模型的組合與重用,提高仿真效率與靈活性[20]、基于原子/復合組件開放的系統(tǒng)設計方法開發(fā)分布式機載電子對抗仿真系統(tǒng)[21]等.

組合式建模方法將作戰(zhàn)實體拆分為不同的功能部件或模塊.例如:戰(zhàn)斗機實體可劃分為飛機平臺、機載雷達、機載通信設備、機載武器系統(tǒng)、航空彈藥、航空燃油、飛行員等.為實現(xiàn)作戰(zhàn)實體模型的可重用性,將作戰(zhàn)實體的功能模塊以不同組件的形式實現(xiàn),例如:指控組件、運動組件、感知組件、通信組件、任務組件等,再通過不同組件的靈活搭配與組裝來形成一定功能的作戰(zhàn)實體仿真模型.同時,模型與數(shù)據分離方法將作戰(zhàn)實體模型的屬性數(shù)據和行為參數(shù)從模型中剝離出來,設計統(tǒng)一的數(shù)據結構和數(shù)據接口,通過配置不同數(shù)據即可形成不同功能的模型,從而增強模型的可重用性.例如:感知組件實現(xiàn)了戰(zhàn)場偵察、情報收集、態(tài)勢融合,以及情況匯報等業(yè)務模型,同時設計了傳感器數(shù)據結構.為感知組件配置不同類型或型號的傳感器數(shù)據,例如:機載雷達、聲吶浮標、紅外探測儀等,即可形成不同功能的感知組件.

由于模型粒度不同,戰(zhàn)場空間實體的抽象層次不同.有的作戰(zhàn)實體被抽象為實體模型,具有一定的作戰(zhàn)行為能力描述;而有的實體僅僅抽象為仿真數(shù)據.例如:戰(zhàn)術級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中飛機作為一個作戰(zhàn)實體來描述,而組合飛機的其他裝備,包括:機載雷達、無線電臺、彈藥、航空燃油等不作為實體描述,僅描述為屬性數(shù)據.戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中飛機可能作為空軍部隊或者飛行編隊的裝備,抽象為屬性數(shù)據,而不作為作戰(zhàn)實體描述.

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中如何有效組織和描述不具有行為能力的屬性數(shù)據是一個重要的問題.作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中通常將不具有行為模型的實體描述為屬性變量.該方法難于實現(xiàn)模型與數(shù)據的完全分離,以及模型的可重用性.本文在作戰(zhàn)實體建模過程中采用“資產”的概念來描述不具有行為模型的實體,即將作戰(zhàn)實體所擁有的雷達、武器系統(tǒng)、彈藥等裝備,以及油料、水、電等資源作為實體的資產,并為每一種資產設計數(shù)據結構.同時,為組合式作戰(zhàn)實體模型設計資產管理組件,實現(xiàn)資產的查詢、存儲、消耗等功能操作.

1 作戰(zhàn)仿真中資產的定義與作用

資產是戰(zhàn)場空間實體所持有的、占據的、存儲的、裝載的和使用的資源,用于支持和約束作戰(zhàn)實體執(zhí)行相應軍事行為的能力.戰(zhàn)場空間中所有的資源,只要被作戰(zhàn)實體所持有、占據、存儲、裝載和使用,即可稱之為作戰(zhàn)實體的資產.沒有被作戰(zhàn)實體所持有、占據、存儲、裝載和使用的資源就不能稱為資產,例如:公路作為環(huán)境資源,是公共資源,不被任何作戰(zhàn)實體所擁有,所以不是資產.如果將作戰(zhàn)實體當作其他實體所持有、占據、存儲、裝載和使用的資源,那么該作戰(zhàn)實體也可稱之為其他實體的資產.需要明確的是,資產在仿真過程中的存在形態(tài)是資源屬性數(shù)據集.作戰(zhàn)實體是戰(zhàn)場空間中具有特定軍事行為能力的對象,且其軍事行為需要在仿真模型中描述.

作戰(zhàn)仿真中根據模型的粒度和研究問題來確定需要描述作戰(zhàn)實體中的哪些資產.但是所有作戰(zhàn)實體均擁有自己的資產,例如:飛機實體擁有飛機平臺、機載雷達、航空彈藥、航空燃油、飛行員等資產;艦艇實體擁有艦船平臺、艦載雷達、艦炮、彈藥、航海燃油、給養(yǎng)等資產;倉庫實體擁有各種后勤保障的資產,包括:油料、給養(yǎng)、彈藥、汽車等資產.根據資產的用途可以對資產進行多級分類,例如:將資產初步分為:裝備、物資、設施、人員等,其中設施可以再分為營房、陣地、工事、設障等.

作戰(zhàn)仿真中資產的作用主要體現(xiàn)為以下3個方面:

1.1 資產體現(xiàn)和約束作戰(zhàn)實體的軍事行為能力

資產作為作戰(zhàn)實體所持有的、可支配的資源,體現(xiàn)了實體能夠執(zhí)行的作戰(zhàn)行動.例如:為飛機配置不同的彈藥資產,那么飛機就具有不同的打擊能力.機場擁有不同型號的飛機資產,包括:戰(zhàn)斗機、偵察機、轟炸機等,那么機場就可以執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務等.資產體現(xiàn)作戰(zhàn)實體軍事行為能力的同時,約束了作戰(zhàn)實體的作戰(zhàn)行動.例如:飛機實體擁有的彈藥數(shù)量的缺乏限制了其打擊能力,航空燃油數(shù)量的缺乏限制了其航行范圍.地面部隊擁有的汽車數(shù)量限制了其機動能力,給養(yǎng)數(shù)量限制了其持續(xù)作戰(zhàn)時間.

1.2 資產有助于后勤保障模型的建立

戰(zhàn)術級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中通常忽略資源對作戰(zhàn)過程的影響,從而不考慮后勤保障模型.但是,戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中由于作戰(zhàn)時間跨度大、資源消耗數(shù)量大,需要建立后勤保障模型.后勤補給、后勤運輸?shù)饶Ｐ椭袑⑸婕按罅康牟煌愋偷馁Y產描述.例如:倉庫實體需要描述和管理各種類型的補給資源,同時具有資源的接收、存儲、分配、查詢等功能.因此,以資產的概念來描述作戰(zhàn)實體所擁有的資源,并對各種資產進行有效的組織和管理,將有助于后勤保障模型的建立.

1.3 資產有助于作戰(zhàn)實體的毀傷裁決和裝備維修模型的描述

作戰(zhàn)實體的交戰(zhàn)過程通過裁決算法來裁定實體的毀傷程度.而作戰(zhàn)實體的毀傷程度可通過其資產數(shù)量的變化來體現(xiàn).其次,作戰(zhàn)仿真模型和裁決算法的粒度不同,那么作戰(zhàn)實體的毀傷描述也不同.例如:戰(zhàn)役級作戰(zhàn)仿真中空空交戰(zhàn)過程,紅藍雙方飛行編隊進行對抗,飛行編隊實體的毀傷通過減少飛機資產數(shù)量來描述.而戰(zhàn)術級空空交戰(zhàn)仿真中飛機作為實體描述,其毀傷通過減少飛機實體的傳感器、通信設備、武器系統(tǒng)、飛機平臺等資產數(shù)量來描述.同樣地,作戰(zhàn)實體的維修也可以通過增加或者替換其資產來描述.

2 資產管理組件設計

2.1 結構設計

基于組件化建模思想,組合式作戰(zhàn)實體模型將實體的功能劃分為不同模塊,實現(xiàn)為動態(tài)庫組件,例如:指控組件、感知組件、運動組件、任務組件等.然后,靈活搭配功能組件,并通過實體模型集成框架組裝功能組件形成完整的作戰(zhàn)實體仿真模型.資產管理組件作為組合式作戰(zhàn)實體模型框架的重要組成部分,集中管理作戰(zhàn)實體所擁有的資產,實現(xiàn)資產的查詢、存儲、消耗、預留等功能.

為了實現(xiàn)作戰(zhàn)實體模型的通用性,資產管理組件需要能夠在不同的作戰(zhàn)實體模型中可重用.然而,不同類型的作戰(zhàn)實體所擁有的資產類型和數(shù)量是有差異的.因此,在資產管理組件的設計中需要實現(xiàn)資產管理模型與資產數(shù)據的分離.另外,不同的作戰(zhàn)實體可能擁有相同的資產.如果相同的資產數(shù)據重復性地保存于不同作戰(zhàn)實體的資產管理組件中,那么將消耗計算機內存資源,尤其在大規(guī)模實體數(shù)量的作戰(zhàn)仿真中.因此,在資產管理組件設計中需要實現(xiàn)僅描述和存儲一份資產數(shù)據.

資產管理組件的結構設計描述如圖1所示.每一個作戰(zhàn)實體(TSEntity)均掛載有一個資產賬戶(TSAssetAccount),即通過屬性變量的方式掛載到作戰(zhàn)實體模型.資產賬戶中有各種狀態(tài)的資產數(shù)組變量,用于存儲不同存在狀態(tài)的資產.資產類(TSBaseAsset)描述中記錄了資產定義類(TSAbstractAssetSpec)的索引編碼,通過該編碼可以在資產模型庫(TSModelRepository)中查找到資產定義.資產模型庫類實現(xiàn)了資產數(shù)據的唯一存儲,并提供資產數(shù)據訪問接口.資產定義類描述了資產屬性數(shù)據結構.資產管理組件結構中各類的功能具體描述如下.

2.1.1 資產賬戶(TSAssetAccount)

根據現(xiàn)實中資產記錄方法,采用資產賬戶來記錄和管理各種類型和數(shù)量的資產.資產賬戶作為資產管理組件的功能實現(xiàn)的主體部分,是作戰(zhàn)實體訪問資產管理組件的主要接口對象,并實現(xiàn)了資產的分類、查詢、存儲、增加、減少、修改等操作功能.資產賬戶作為作戰(zhàn)實體的屬性變量,形成1對1的關聯(lián)關系,并通過數(shù)組變量存儲多種狀態(tài)的資產,對資產進行“增刪查改”等基本操作.

2.1.2 資產類(TSBaseAsset)

資產數(shù)據可分為兩種類型,即資產的索引數(shù)據和定義數(shù)據.資產的索引數(shù)據包括:資產的編號、類型、名稱、數(shù)量、狀態(tài)等.資產的定義數(shù)據是描述資產的屬性、型號等數(shù)據,在仿真過程中不會發(fā)生變化,可作為靜態(tài)數(shù)據來描述.為了實現(xiàn)資產數(shù)據的可重用,將資產索引數(shù)據與資產定義數(shù)據相互分離.資產類描述資產索引數(shù)據,包括:索引編號、類型、數(shù)量等.資產定義類描述資產的定義數(shù)據.資產類通過索引編號可以從資產模型庫中查找資產定義類.

資產類(TSBaseAsset)作為資產基類,根據資產的不同狀態(tài)可以派生出不同狀態(tài)資產類.不同狀態(tài)資產類用于區(qū)分同一個作戰(zhàn)實體的資產管理組件中存在的相同類型資產.

2.1.3 資產定義類(TSAbstractAssetSpec)

資產定義類描述資產定義數(shù)據,主要包括資產的識別信息、性能參數(shù)等型號數(shù)據,例如:飛機平臺資產的形狀、重量、最大航速、起飛油耗等.TSAbstractAssetSpec是資產定義基類,根據資產分類結構可以派生出一系列各種類型的資產定義類,例如:裝備資產(TSAssetEquipment)、物資資產(TSAssetMaterial)、設施資產(TSAssetFacility)、人員資產(TSAssetForce)等.資產定義類的抽象層次可以通過模型粒度來確定,例如:將所有類型的飛機,包括:戰(zhàn)斗機、轟炸機、直升機等,統(tǒng)一描述為飛機資產.如果往下細分的話,可分為固定翼飛機資產和旋轉翼飛機資產.資產定義的分類描述可細化到具有相同屬性數(shù)據結構的同一類資產,例如:將所有型號的戰(zhàn)斗機歸為一類資產定義,然后通過資產定義類的屬性數(shù)據來區(qū)分不同型號的戰(zhàn)斗機.

2.1.4 資產模型庫類(TSModelRepository)

資產模型庫類實現(xiàn)資產定義的屬性數(shù)據的統(tǒng)一存儲與管理,并提供資產數(shù)據訪問接口.作戰(zhàn)仿真中存在多個作戰(zhàn)實體,而每一個實體均掛載了資產管理組件.不同實體的資產管理器可能存儲相同的資產數(shù)據,從而增大計算機的內存開銷.為了減少仿真運行中計算機的內存開銷,資產類中設計了資產索引編號,通過該編號可以從資產模型庫類中找到資產定義數(shù)據.資產模型庫類實現(xiàn)資產數(shù)據的唯一存儲,減少仿真推演過程中多份資產數(shù)據對內存消耗.

2.2 接口設計

資產管理組件作為組合式作戰(zhàn)實體模型的功能組件,通過實體模型集成框架集成到作戰(zhàn)實體仿真模型中.資產管理組件向實體模型集成框架和實體模型的其他功能組件提供了對外接口,以調用資產的查詢、增加、刪除等功能.資產管理組件的主要接口描述如表1所示,主要包括:擁有資產管理組件的實體設置與查詢接口、資產賬戶中資產設置與獲取接口、指定狀態(tài)或類型資產的獲取與刪除接口、指定狀態(tài)或類型資產數(shù)量的查詢接口、增加資產接口等.

表1 資產管理組件接口

3 資產應用流程

在組合式作戰(zhàn)實體建模與仿真應用中資產作為實體所有持有的、占據的、支配的資源的抽象描述,需要建立合理的模型.作戰(zhàn)實體模型在搭配和組合各項功能組件時需要選擇資產管理組件,同時配置相應的資產數(shù)據.在仿真運行過程中作戰(zhàn)實體模型首先初始化資產管理組件,并加載各項資產數(shù)據,通過資產管理組件接口對資產數(shù)據進行操作.資產在建模與仿真過程中的應用流程描述如圖2所示.

3.1 資產定義模型設計

在組合式作戰(zhàn)實體建模過程中資產定義模型同樣采用組件方式來實現(xiàn).因此,首先創(chuàng)建資產模型組件,然后在該組件中設計資產定義類(TSAbstractAssetSpec).資產定義類繼承已有的資產定義基類,并設計資產的屬性數(shù)據結構.最后,資產定義模型設計以組件形式輸出.

3.2 資產型號化

資產型號化即針對資產定義類的屬性數(shù)據結構,為每一項屬性賦予數(shù)據值,形成型號化的資產.例如:對雷達資產定義進行型號化時,為其資產定義類的名稱、型號、探測范圍、發(fā)現(xiàn)概率等屬性賦予數(shù)據值之后,即可形成指定型號的雷達資產.資產型號化過程,首先需要選擇資產定義模型,即資產定義模型設計過程中輸出的資產模型組件.然后,編輯資產的屬性數(shù)據,并保存型號化后的資產定義組件.

3.3 資產配給實體

作戰(zhàn)實體模型選擇和組合各項型號化后的功能組件時,同樣需要為實體配置型號化資產.首先,選擇組合后的作戰(zhàn)實體模型;然后,為其選擇型號化資產,并編輯該類型資產的數(shù)量.

3.4 資產數(shù)據操作

資產數(shù)據操作即仿真運行過程中作戰(zhàn)實體對資產的使用,主要包括:設置資產、查詢資產、獲取資產、增加資產、刪除資產等.在仿真運行開始時作戰(zhàn)實體模型首先加載資產管理組件,然后對資產進行各項操作,在仿真運行結束時卸載資產管理組件.

4 結論

本文采用“資產”的概念對作戰(zhàn)仿真中實體的資源進行描述,并設計資產管理組件對實體的各項資產進行管理.在資產管理組件和資產定義模型設計過程中考慮模型的可重用性,同時避免資產數(shù)據對內存資源的消耗.

使用資產描述作戰(zhàn)實體的資源,以及資產管理組件對各種資產數(shù)據的管理,具有以下幾個方面的優(yōu)點:首先,通過資產可以體現(xiàn)和約束作戰(zhàn)實體的軍事行為能力,解決以往作戰(zhàn)仿真過程中不考慮資源對實體作戰(zhàn)行為約束的問題,更好地模擬作戰(zhàn)過程.其次,改進以往采用作戰(zhàn)實體模型的屬性變量來描述資源的方法.建立資產模型便于模擬資源類型和數(shù)量的動態(tài)規(guī)劃、動態(tài)掛載,以及資產的消耗和補給規(guī)劃.再次,建立資產模型和資產管理組件有助于后勤保障模型、裝備維修模型和毀傷裁決算法的設計.

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