基于數(shù)據(jù)耕耘的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)框架設(shè)計*

代海峰，畢義明，韓慧華，劉文博

（火箭軍工程大學(xué)，西安710025）

0 引言

戰(zhàn)爭系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，體系對抗的理念在域內(nèi)得到廣泛的認同。過去那種依托簡單的蘭徹斯特方程建立起來的量化對抗模型，已經(jīng)無法描述現(xiàn)代戰(zhàn)爭所表現(xiàn)出來的不確定性、復(fù)雜性以及涌現(xiàn)性?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，人們開展先期輔助決策主要依托計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建起來的各種各樣的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)，但是，現(xiàn)有的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)平臺，大多依據(jù)相對獨立化的軍事概念模型（Military Conceptual Model）、數(shù)學(xué)模型（Mathematical Model）和實體模型（Entity Model）來開發(fā)［1］，這實際上是從根源上避開了體系對抗這一特性。雖然它們都發(fā)揮了計算機仿真的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，也具有一定的實際參考價值，但卻無法從根本上最高程度地擬合現(xiàn)代戰(zhàn)爭規(guī)律，因而其實際運用價值是有限的。為了改善這種困境，本文引入數(shù)據(jù)耕耘理論，從架構(gòu)設(shè)計層面來探索研究一種作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)開發(fā)的可行之法。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

數(shù)據(jù)耕耘理論最早是在美國“阿爾伯特計劃”（Project Albert）中提出來的，其基本思想是“循環(huán)中的循環(huán)”，基于系統(tǒng)中不確定的因果關(guān)系，為不同研究視角的用戶打開洞察系統(tǒng)的特定窗口，根據(jù)用戶給出的視角邊界（“種植”），創(chuàng)建多個想定，并進行“數(shù)據(jù)在環(huán)”的循環(huán)仿真（“培養(yǎng)”），直到提供給用戶一個滿意度全景視角（“收獲”）?；舅枷肴鐖D1［2-3］所示。

圖1 數(shù)據(jù)耕耘思想圖

基于數(shù)據(jù)耕耘的這種數(shù)據(jù)在環(huán)，多層循環(huán)的思想，結(jié)合作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)對體系對抗的需求，給出如圖2所示的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)設(shè)計框架。

圖2 基于數(shù)據(jù)耕耘的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)框架

從框架圖中可看出，系統(tǒng)框架共分為數(shù)據(jù)管理模塊（Data Management Module）、想定創(chuàng)建模塊（Scenario Create Module）、仿真執(zhí)行模塊（Simulation Execution Module）、因素分析模塊（Factor Analysis Module）和模型管理及系統(tǒng)維護模塊5個部分。

2 系統(tǒng)各模塊詳述

2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊（Data Management Module）是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)模塊。應(yīng)具備以下幾種功能：

1）交戰(zhàn)雙方實體數(shù)據(jù)管理。包括各種裝備（例如飛機、導(dǎo)彈）、設(shè)施（例如機場、作戰(zhàn)陣地）的基本參數(shù)，實行分塊化的存儲機制，用戶通過交互界面，可以將數(shù)據(jù)修改到底層數(shù)據(jù)庫或中間數(shù)據(jù)文件。

2）戰(zhàn)場數(shù)據(jù)管理。包括交戰(zhàn)區(qū)地域特點，環(huán)境參數(shù)，交通及人文概況。

3）結(jié)果數(shù)據(jù)管理。主要實現(xiàn)仿真評估結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲、查詢功能。

4）數(shù)據(jù)管理維護。一方面，具備錯誤數(shù)據(jù)的自動檢測和原始數(shù)據(jù)的恢復(fù)，具有較強的容錯性，另一方面根據(jù)戰(zhàn)場獲得可靠的新信息，能實時更新到對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)在環(huán)仿真，數(shù)據(jù)管理模塊還應(yīng)該留有數(shù)據(jù)動態(tài)查找和調(diào)用接口，并具備一定的數(shù)據(jù)預(yù)處理能力［4］，例如當運行模塊同時向數(shù)據(jù)庫接口請求兩個實體數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)管理模塊應(yīng)能比對兩個數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)外推模型（Extrapolation Model），初步計算出它們的位置對比信息、可能的交互時機和地域等等。如下頁圖3所示。

2.2 想定創(chuàng)建模塊

想定創(chuàng)建模塊（Scenario Create Module）的作用在于提供多樣化的作戰(zhàn)仿真“舞臺”，好比兩方運動員的比賽場地，比賽規(guī)則和賽程，是作戰(zhàn)仿真的方向引導(dǎo)模塊。想定創(chuàng)建模塊包含總體態(tài)勢想定和作戰(zhàn)想定兩個子模塊。

態(tài)勢想定不僅要描述初始態(tài)勢，即作戰(zhàn)區(qū)紅藍雙方的力量部署概況，更重要的是反應(yīng)實時態(tài)勢變化，包括雙方兵力的消長，環(huán)境的變更和外來的介入因素等等，它不僅支持簡單的態(tài)勢標繪和戰(zhàn)場呈現(xiàn)，還能根據(jù)想定創(chuàng)建的邊界和仿真運行的回饋信息，實時更新態(tài)勢，為下一輪的想定循環(huán)創(chuàng)建提供一個輸入“節(jié)點”。

圖3 數(shù)據(jù)請求預(yù)處理

作戰(zhàn)想定主要根據(jù)態(tài)勢想定，創(chuàng)建出雙方一個交戰(zhàn)過程的各個階段的可能組合情況。這里強調(diào)的是想定空間的廣泛性和組合的充分性，用戶無需給出想定的每個過程細節(jié)，而是給出想定邊界條件及每個條件的變化步長，系統(tǒng)自動根據(jù)這些設(shè)定，形成每個條件的取值空間，并依據(jù)一定的篩查條件（Screening Condition）和 組 合 規(guī) 則（Combination Rules），向用戶提供一個充分組合之后的想定集合。而后用戶還可以根據(jù)交戰(zhàn)的實際需求，手動地對想定集合中的元素進行添加、修改或者刪除。

總的來看，態(tài)勢想定是作戰(zhàn)想定創(chuàng)建的基礎(chǔ)，每次作戰(zhàn)想定環(huán)的執(zhí)行結(jié)果又成為態(tài)勢更新的觸發(fā)信號，形成一種想定創(chuàng)建的循環(huán)機制，這一點能較好地反映現(xiàn)代戰(zhàn)場態(tài)勢實時變化的特性。態(tài)勢想定能跟蹤仿真時間軸的跳動，向共享“黑板”（Blackboard）發(fā)布信息，供指揮員和“仿真操盤手”（Simulation Operator）［5］參考。作戰(zhàn)想定則能夠序列化出一個xml文件隊列［6］，這個隊列根據(jù)仿真執(zhí)行環(huán)發(fā)出想定請求，查找隊列成員，并反序列化出下一次仿真循環(huán)將要執(zhí)行的想定概況，如圖4所示。

2.3 仿真執(zhí)行模塊

仿真執(zhí)行模塊（Simulation Execution Module）是系統(tǒng)的運行模塊，也是擬合戰(zhàn)爭規(guī)律最重要的模塊，主要功能包括回合制的實體交互，多分辨率的模型提煉和轉(zhuǎn)化接口設(shè)計，分布式的“仿真操盤手”（Simulation Operator）協(xié)同，同一時間軸的循環(huán)脈沖控制，以及仿真數(shù)據(jù)的綜合分析、層級指標的聚合與解聚，評估結(jié)果的分發(fā)和存儲等等［7-9］。其運作機制如圖5所示。

圖4 雙層“想定創(chuàng)建環(huán)”

其中，回合制的交互模擬的是交戰(zhàn)武器或單位的能力消長過程，多分辨率模型轉(zhuǎn)化模擬的是不同級別的用戶視角，仿真操盤手協(xié)同模擬的是多平臺交戰(zhàn)過程，實體交互時間脈沖模擬的是作戰(zhàn)中下達的作戰(zhàn)指令，數(shù)據(jù)綜合及評估結(jié)果的生成模擬是數(shù)據(jù)耕耘后的“收獲”，也即戰(zhàn)報。

圖5 仿真執(zhí)行模塊運作機制

2.4 因素分析模塊

因素分析模塊（Factor Analysis Module）的意義在于分析某個或某幾個因素對結(jié)果值的影響規(guī)律、影響程度和利害權(quán)重，用戶決策提供參考。

因素分析模塊是以分層的思想來設(shè)計的，包括單因素分析和多因素分析。在實體交互層，由于大部分的實體交互模型是依托明確的數(shù)學(xué)子模型來搭建的，所以其各因子的影響規(guī)律相對明朗，適合進行單因素分析。單因素分析立足于各種現(xiàn)有的解算模型，先分解模型中的價值因子，以控制變量的方法，逐一開展分析，具體步驟為：選定待分析對象，選擇影響對象的因素，設(shè)置對象的取值上下限和仿真步長，調(diào)用模型解算，繪制影響曲線圖，實現(xiàn)的界面如圖6所示。

而在體系對抗層，多個影響因子之間相互影響，影響規(guī)律也是不確定的，針對這種影響的不確定性，引入探索性仿真的思想，開展多因素分析，基本步驟有：選取多個因素，設(shè)置每個因素的水平數(shù)，調(diào)用模型解算，數(shù)據(jù)處理與繪圖，依次選擇某一個、兩個、多個因子屏蔽，重復(fù)以上步驟。其流程圖如圖7所示。

圖6 單因素分析界面

需要說明的是，在屏蔽因素逐漸增多的情況下，多個因素求取組合數(shù)的計算公式如下：

圖7 多因素分析流程圖

其中，n代表因素個數(shù)，m代表所有的因素組合數(shù)；例如某次多因素分析選取的因素個數(shù)為5個，則其組合數(shù)為：

所以組合數(shù)為26，因素個數(shù)為5時，其可進行多因素分析的組合可能情況為26種。

2.5 模型管理及系統(tǒng)維護管理模塊

模型管理模塊主要進行軍事概念模型（Military Conceptual Model）、實體模型（Entity Model）、數(shù)學(xué)模型（Mathematical Model）和交戰(zhàn)回合模型（Combat Round Model）的管理。其主要描述形式包括兩方面，一是文件形式（.doc*.txt*.png），其功能僅限于模型信息的描述；一是程序塊、插件庫、封裝功能件形式（.cs*.dll），這里不僅提供模型信息的查看，還具備簡單的編譯和調(diào)試功能，是一個可修改模型（主要是數(shù)學(xué)模型）的窗口。

系統(tǒng)維護管理模塊主要實現(xiàn)多機通信建立、用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)使用幫助、環(huán)境異常檢測等功能。

3 結(jié)論

本文首先分析了現(xiàn)今作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)存在的不足，通過引入數(shù)據(jù)耕耘理論，提出一種基于該理論的作戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)框架設(shè)計，在設(shè)計中，充分擬合現(xiàn)代戰(zhàn)爭體系對抗的特性，形成一種數(shù)據(jù)在環(huán)（“數(shù)據(jù)耕耘環(huán)”），多想定生成（“想定創(chuàng)建環(huán)”），回合式對抗仿真（“仿真執(zhí)行環(huán)”），多分辨率模型提煉（“模型轉(zhuǎn)化接口”）和多視角因素分析（“組合探索性分析”）的系統(tǒng)總體框架。為了便于作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的有效管理，精細化設(shè)計了數(shù)據(jù)庫的存儲和調(diào)用機制；為了實現(xiàn)作戰(zhàn)過程的多想定創(chuàng)建，設(shè)計了態(tài)勢想定循環(huán)之下的多作戰(zhàn)想定生成方法；充分考慮交戰(zhàn)區(qū)級、分隊交戰(zhàn)級和交互平臺級等不同層級的仿真需求，設(shè)置了模型轉(zhuǎn)化接口；為了幫助用戶探明仿真中特定問題呈現(xiàn)出的規(guī)律，設(shè)計了因素分析模塊，并將其分為了實體交互層的單因素分析和體系對抗層的多因素分析，最后為了系統(tǒng)的維護和管理方便，設(shè)計了相應(yīng)的功能模塊。

下一步的研究工作應(yīng)該著力于各模塊的技術(shù)實現(xiàn)，包括對現(xiàn)有系統(tǒng)中一些成熟模塊的繼承和引用，以及開發(fā)更加符合體系對抗特性的新模塊。同時，注重開發(fā)與之對應(yīng)的實兵推演系統(tǒng)［10］，使之既有數(shù)據(jù)和模型的支撐能力，又具備動態(tài)推演和直觀顯示的能力。