柔性可擴展裝備體系對抗仿真建?？蚣苎芯?

王俊達，卿杜政

(1.中國航天科工集團有限公司 第二研究院，北京 100854；2.北京仿真中心 航天系統(tǒng)仿真重點試驗室，北京 100854)

0 引言

系統(tǒng)仿真被廣泛應(yīng)用在裝備研發(fā)、論證和評估過程中，隨著不同功能、不同體系結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)大量建設(shè)，作為仿真系統(tǒng)核心要素的仿真模型也大量積累。同時，隨著仿真能力的提升，單一仿真系統(tǒng)所涉及的模型種類、數(shù)量及交互關(guān)系越發(fā)復(fù)雜，仿真系統(tǒng)復(fù)雜性劇增。數(shù)量龐大、關(guān)系復(fù)雜的模型有待梳理組織、重復(fù)利用。

模型體系是不同類型和層次的仿真模型以及它們之間關(guān)系的集合[1]，利用仿真模型體系可以將大量的模型進行有效的整合和利用，充分發(fā)掘模型重用性，提升模型開發(fā)效率。

柔性是適應(yīng)性、靈活性、集成性等概念的集合[2]，柔性仿真指建?？蚣芎头抡嫠惴ň哂袕V泛的適應(yīng)性、擴展性和集成性[3]。運用柔性仿真思想建立的模型能夠根據(jù)不同仿真系統(tǒng)需求靈活改變，快速適應(yīng)仿真需求，提高系統(tǒng)構(gòu)建效率。

本文在分析現(xiàn)有仿真模型體系框架基礎(chǔ)上，提出一種柔性可擴展裝備仿真模型體系框架，對裝備模型建模框架進行了詳細研究，可應(yīng)用到裝備體系對抗仿真中，“快、好、省”地支持仿真系統(tǒng)的構(gòu)建和試驗評估。

1 裝備體系對抗仿真模型體系

現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啾N、多裝備協(xié)同的體系作戰(zhàn)，且向著智能化、無人化、平臺化方向發(fā)展[4]，作戰(zhàn)武器必須置于作戰(zhàn)體系與裝備體系中才能有效發(fā)揮其效能。由于體系規(guī)模巨大，難以組織實兵實裝實驗，對體系的評估只能通過仿真實驗來完成[5]，體系對抗仿真已經(jīng)成為支撐裝備論證、研制、應(yīng)用的重要手段。體系對抗仿真中涉及的要素眾多，模型間交互、信息流關(guān)系錯綜復(fù)雜，裝備武器的建模和系統(tǒng)集成成為構(gòu)建仿真系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

國外對仿真模型體系的研究以美國等仿真技術(shù)優(yōu)勢國家為主，從20世紀(jì)90年代中期開始了相關(guān)的研究，有以下幾方面關(guān)注點：

(1) 持續(xù)開展建模仿真通用框架研究

加強軍用仿真建模對象模型體系框架標(biāo)準(zhǔn)制定，發(fā)布了一系列報告。在標(biāo)準(zhǔn)的單元層對象模型的模型體系基礎(chǔ)上發(fā)展了ModSAF，ITEM，EAGLE，WarSIM2000等一系列平臺[6]。此外在一些典型的作戰(zhàn)推演與仿真系統(tǒng)如EADSIM，JWARS，JTLS，F(xiàn)LAMES等平臺[7]中，構(gòu)建了相應(yīng)的模型體系，并持續(xù)對平臺進行升級開發(fā)。

(2) 重視模型資源庫建設(shè)

高度重視仿真模型重用和共享，加強仿真模型/資源庫建設(shè)，已經(jīng)建成美軍建模與仿真資源庫，對環(huán)境模型/數(shù)據(jù)進行了標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的開發(fā)。加速實施數(shù)字工程，強調(diào)武器系統(tǒng)和組件的數(shù)字表示，美國國防部發(fā)布全面的《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，使用裝備可信的數(shù)據(jù)源和模型源作為基礎(chǔ)資源庫，支撐裝備從概念到報廢的所有活動。

(3) 將智能仿真納入模型體系

投入大量資金，鼓勵業(yè)界將人工智能納入軍事訓(xùn)練與裝備仿真中，將智能仿真納入仿真模型體系。美國陸軍“雅典娜”(Athena)訓(xùn)練系統(tǒng)和新一代計算機生成兵力(OneSAF)仿真系統(tǒng)、DARPA“羅盤”(COMPASS)項目等一系列仿真系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)[8]。

國內(nèi)對模型體系的研究較美軍起步晚，對仿真模型體系研究主要集中在針對具體作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境背景下的模型體系設(shè)計，如陸上作戰(zhàn)[9-10]、海上作戰(zhàn)[11-13]、兩棲作戰(zhàn)[14]、運載火箭[15]、空間攻防[16]等領(lǐng)域。對模型體系框架設(shè)計方法，一般只給出體系組成結(jié)構(gòu)，對具體模型組成、交互關(guān)系和接口等不明確，體系框架適應(yīng)性、擴展性不強。

當(dāng)前裝備體系對抗仿真應(yīng)用研究中迫切需要能支撐仿真系統(tǒng)快速構(gòu)建的模型體系，將柔性仿真概念引入仿真模型體系構(gòu)建中，讓仿真系統(tǒng)模型構(gòu)建過程更加靈活、增強模型適應(yīng)性。

2 柔性可擴展仿真模型體系

柔性模型體系要求模型體系能夠適應(yīng)仿真環(huán)境變化，支撐靈活、快速構(gòu)建仿真系統(tǒng)。要求模型接口可以根據(jù)需求靈活、快速變化和調(diào)整，并且保證模型在仿真系統(tǒng)中上下文協(xié)調(diào)。可擴展指的是新建模型能夠作為一種構(gòu)件插入已有的模型框架中去，構(gòu)件可替換性強，支持通過直接添加構(gòu)件的方式擴展模型功能。

如圖1所示，結(jié)合體系仿真要素需求，按照模型對象及模型用途，盡可能遵循實際軍事活動，將柔性可擴展仿真模型體系模型分為6類：

(1) 裝備模型

用于模擬物理裝備實體，模擬綜合性作戰(zhàn)裝備，能夠獨立遂行作戰(zhàn)任務(wù)，具備探測、決策、通信、打擊等作戰(zhàn)功能，典型裝備模型如飛機、坦克、艦船、衛(wèi)星等。

(2) 指控模型

指控模型用于對作戰(zhàn)過程中各級指揮所的決策、控制活動及作戰(zhàn)規(guī)則的抽象描述。可用于對指揮控制中心、指揮所等指揮控制機構(gòu)仿真。

(3) 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)模型用于描述通信中信息存儲、傳輸與處理過程，用于對真實世界信息傳遞網(wǎng)絡(luò)建模仿真，裝備模型之間的通信交互需要通過網(wǎng)絡(luò)模型傳遞。

(4) 環(huán)境模型

環(huán)境模型用于反映作戰(zhàn)中戰(zhàn)場環(huán)境對裝備作戰(zhàn)效能的影響，包括氣象、大氣、海洋、地理、空間等自然環(huán)境和電磁、光電等人造干擾環(huán)境。

(5) 評估模型

評估模型用于完成體系性能/效能評估任務(wù)，反映影響評估目標(biāo)的系統(tǒng)可用性、可信性和能力的關(guān)鍵要素及要素關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型，主要關(guān)注評估指標(biāo)體系構(gòu)建、評估方法描述、評估數(shù)據(jù)獲取等內(nèi)容。

(6) 支撐類模型

為仿真系統(tǒng)中數(shù)學(xué)計算、態(tài)勢計算等提供算法和數(shù)學(xué)工具的模型，包括數(shù)值計算、概率與隨機算法、地球模型、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、常用濾波算法等。

圖2給出了模型體系中各類模型之間關(guān)系和體系框架。

圖2 模型體系框架Fig.2 Modeling framework

3 裝備模型建模框架

裝備模型是裝備體系對抗仿真中的最基本最主要模型種類，本文主要針對裝備模型建?？蚣茏髟敿氄f明。

為了增強模型重用性，適應(yīng)模型柔性組裝、功能可擴展的需求，構(gòu)建了一種由裝備模型集成框架和裝備模型組件組合形成仿真模型的建?？蚣埽鐖D3所示。采用面向組件的仿真模型開發(fā)思想，將裝備模型按照實際物理功能特性劃分為裝備模型組件，并按照建模框架約束構(gòu)建可擴展模型組件。

圖3 裝備模型建?？蚣蹻ig.3 Warfare equipment modeling framework

模型集成框架是溝通仿真模型和仿真平臺的橋梁，將仿真模型與仿真平臺分離，為組件模型組合裝配提供平臺。集成框架加載特定裝備組件，獲得相應(yīng)組件的能力，形成獨立的作戰(zhàn)裝備模型單元。

3.1 裝備模型組件

在戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役級裝備體系對抗仿真中，作為獨立作戰(zhàn)平臺的裝備平臺一般具有運動、探測、控制決策、通信、打擊、保障等功能，針對裝備模型仿真的功能需求，可將組成裝備模型的模型組件分為6類：

(1) 運動組件

運動組件用于對裝備實體的運動與動力學(xué)特性進行仿真，是構(gòu)成裝備模型最基礎(chǔ)的模型組件之一。運動組件用于仿真計算裝備的運動狀態(tài)、質(zhì)量燃料消耗、裝備乘載能力等。運動組件決定了裝備運動能力和運行環(huán)境，包括航空、航天、陸地、海洋(水面、水下)以及固定設(shè)施等的運動模型。

(2) 傳感器組件

用于對裝備模型所攜帶的物理傳感器建模仿真，模擬一個裝備對另一個裝備的探測過程，感知裝備實體的狀態(tài)信息，支持裝備模型的決策和任務(wù)執(zhí)行。

(3) 指揮控制組件

指揮控制組件完成裝備模型內(nèi)部邏輯控制、認(rèn)知行為模擬、負責(zé)裝備作戰(zhàn)自動化流程的仿真、具有接受上級指令與響應(yīng)、接收和處理通信消息、信息融合處理、生成控制指令、態(tài)勢計算等功能，是裝備模型的核心。

(4) 通信設(shè)備組件

通信設(shè)備組件用于對具備通信能力的裝備實體所搭載的通信設(shè)備進行建模仿真，可用于模擬真實的通信設(shè)備的發(fā)送、接收和處理通信消息等功能。

(5) 武器總控管理組件

武器總控管理組件用于對裝備模型的發(fā)射架、發(fā)射車等彈藥武器管理和應(yīng)用過程的仿真。武器彈藥模型作為對抗仿真中的特殊裝備模型，在被創(chuàng)建到成為仿真實例前，接受武器總控管理組件的管理。該組件功能包括：彈藥管理、狀態(tài)上報、武器彈藥激活、加電、參數(shù)裝訂、發(fā)射流程模擬；響應(yīng)發(fā)射指令向仿真引擎平臺創(chuàng)建、注冊彈藥模型實例；與發(fā)射后的彈藥通信、控制運行；生成、發(fā)送對目標(biāo)的毀傷數(shù)據(jù)。

(6) 保障支援組件

對后勤保障條件建模，關(guān)注裝備的消耗品，如油料、彈藥等消耗補給過程，使得裝備模型具備接受補給或維修服務(wù)功能。

3.2 裝備模型集成框架

裝備模型集成框架連接模型組件和仿真平臺，組件模型與集成框架組合才能形成可用于仿真的裝備模型單元。模型集成框架連接各組件模型，記錄模型組合關(guān)系，管理組件模型。集成框架主要功能包括：

(1) 實例管理

記錄參與組合的模型組件信息，維護模型組件實例列表、參數(shù)列表，設(shè)置模型組件實例的調(diào)用順序、周期，管理模型組件實例的激活、創(chuàng)建與銷毀。

(2) 接口數(shù)據(jù)管理

仿真運行時，集成框架為裝備所屬的每一個模型組件實例劃分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，用于存放輸出接口數(shù)據(jù)、通信消息、毀傷數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等運行數(shù)據(jù)，集成框架協(xié)調(diào)板塊內(nèi)數(shù)據(jù)共享、分發(fā)與數(shù)據(jù)記錄等。

(3) 裝備狀態(tài)監(jiān)控

根據(jù)收到的毀傷數(shù)據(jù)，綜合裝備模型的抗毀傷和修復(fù)能力參數(shù)，評估模型整體和各個組件的受損情況，決定裝備和組件模型實例在仿真運行平臺中的刪除與否。

(4) 管理裝備基本信息

存放裝備對象唯一的名稱標(biāo)識，裝備屬性等信息；設(shè)定裝備平臺的被感知參數(shù)，如視覺、紅外、各波段雷達檢測的目標(biāo)特性等。

(5) 想定參數(shù)分發(fā)

在仿真中，作為仿真實體單元，框架讀取和存放想定參數(shù)，仿真運行時將參數(shù)分發(fā)到對應(yīng)組件。

4 模型交互

仿真運行中，各類實體模型不斷進行信息交互，模型體系需要說明各類模型之間交互關(guān)系、交互內(nèi)容、交互條件和方式。

4.1 基于數(shù)據(jù)白板的模型交互

為保障構(gòu)建裝備模型時組件模型柔性適配、快速的添加需求，設(shè)計了一種基于數(shù)據(jù)白板的交互模式。

在集成框架中，劃分裝備數(shù)據(jù)區(qū)塊，用于存放實體模型仿真過程狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，具體的內(nèi)容包括組件輸出接口數(shù)據(jù)、外部毀傷數(shù)據(jù)、通信消息暫存區(qū)、探測感知信息、環(huán)境數(shù)據(jù)等。仿真平臺對所有實體模型數(shù)據(jù)塊進行管理，形成仿真數(shù)據(jù)白板，如圖4所示。對抗仿真中，交戰(zhàn)雙方的仿真實體通過仿真平臺獲取白板上目標(biāo)實體的數(shù)據(jù)信息，進行數(shù)據(jù)交互。

圖4 基于數(shù)據(jù)白板的模型實體交互Fig.4 Illustration of data interact based on white board

4.2 裝備模型組件交互

裝備模型內(nèi)部裝備模型組件基于共享數(shù)據(jù)塊的方式完成接口數(shù)據(jù)交換，信息交互發(fā)生在集成框架之間。

為實現(xiàn)裝備模型組件的柔性添加，裝備組件模型建模過程中遵循統(tǒng)一接口框架約束，對模型的輸入/輸出接口類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等全面準(zhǔn)確的描述。當(dāng)集成框架添加功能模型組件時，根據(jù)模型接口描述的數(shù)據(jù)類型，在仿真運行中，框架為組件實例接口創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲區(qū)(component port，CP)。仿真模型運行過程中，根據(jù)仿真計算輸出數(shù)據(jù)存放到實例對應(yīng)的輸出塊中，如圖5所示。同一裝備模型內(nèi)部，組件實例共享數(shù)據(jù)板內(nèi)數(shù)據(jù)，并且規(guī)定僅有對應(yīng)的組件實例具有對其CP塊的數(shù)據(jù)寫入權(quán)限，模型組件輸入端可以讀取或復(fù)制其他組件輸出的數(shù)據(jù)塊內(nèi)數(shù)據(jù)。組件模型獲取輸入數(shù)據(jù)時，通過模型組件功能類型、實例名稱標(biāo)識、輸出端口標(biāo)識、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來區(qū)分CP數(shù)據(jù)。

模型組件間進行數(shù)據(jù)交互時，依據(jù)模型組件間關(guān)系，按照固定信息流傳送數(shù)據(jù)，在組裝時完成，通過接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，直接匹配推送。固定信息流向以外的接口，則根據(jù)組件類型、實例名稱、輸出端口等字段篩選匹配到對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，集成框架將數(shù)據(jù)封裝成輸入端口數(shù)據(jù)形式發(fā)送到輸入接口。圖6是一種裝備模型內(nèi)部模型組件之間接口數(shù)據(jù)傳遞和信息流向示意圖。

4.3 模型實體交互

仿真實體之間交互主要分為通信和非通信交互2類。裝備模型之間通信交互包括相同作戰(zhàn)方的裝備與友鄰、作戰(zhàn)模型之間請示報告、通報指示指令、通報協(xié)商等通信信息。非通信信息交互主要包括3類：裝備模型與環(huán)境模型間交互；彈藥武器對戰(zhàn)場裝備的毀傷、電子干擾等對抗信息；裝備探測感知敵方情報信息、戰(zhàn)場態(tài)勢等探測交互。

(1) 通信交互

模型間通信交互需要通過通信網(wǎng)絡(luò)和消息模型傳遞。通信交互時，信源組件向框架發(fā)送通信請求，請求內(nèi)容包括信源組件實例標(biāo)識、要發(fā)送的消息數(shù)據(jù)、發(fā)送消息的通信組件等；模型框架將通信數(shù)據(jù)封裝成通信消息，遍歷查找該實體所包含的通信設(shè)備組件，若無通信設(shè)備，則無法發(fā)送；對每個通信設(shè)備，查看與其匹配的網(wǎng)絡(luò)模型，通信網(wǎng)絡(luò)模型遍歷鏈接到該網(wǎng)絡(luò)的所有其他通信設(shè)備，查看是否有到目標(biāo)實體的設(shè)備終端；網(wǎng)絡(luò)模型檢查網(wǎng)絡(luò)通斷、時延等信息，模擬網(wǎng)絡(luò)模型處理和計算過程，滿足要求將消息發(fā)送到目標(biāo)實體通信設(shè)備；目標(biāo)實體通過通信設(shè)備完成消息接收，存放到集成框架消息數(shù)據(jù)區(qū)，待其他組件接受處理。

圖7展示了裝備模型間利用通信網(wǎng)絡(luò)模型進行通信交互過程，其中為了提升效率保留了通信設(shè)備間直接通信交互方式，如圖中①所示。

(2) 探測交互

在仿真中，裝備模型需要探測感知其他實體信息用于決策。探測交互主要發(fā)生在裝備模型的傳感器組件和被探測實體的框架之間。探測過程中，傳感器組件首先根據(jù)條件遍歷仿真數(shù)據(jù)白板，獲取滿足探測范圍或其他條件的所有實體標(biāo)識列表。根據(jù)目標(biāo)實體標(biāo)識找到目標(biāo)實體數(shù)據(jù)板塊，傳感器組件根據(jù)其功能特性、探測數(shù)據(jù)需求獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)塊內(nèi)的目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)。之后傳感器處理數(shù)據(jù)，生成探測結(jié)果和探測事件，發(fā)送到裝備模型數(shù)據(jù)板的對應(yīng)數(shù)據(jù)塊。

圖7 通信交互示意圖Fig.7 Illustration of communication interaction

圖8展示了一種裝備間探測交互模式，裝備A裝載有兩型傳感器Sensor_A_1和Sensor_A_2，對B裝備進行探測。圖中①②表示了傳感器獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，③④表示了探測數(shù)據(jù)被指揮控制和武器總控管理組件的輸入應(yīng)用與仿真計算，⑤表示了在傳感器探測過程中讀取環(huán)境數(shù)據(jù)，模擬傳感器所受到的環(huán)境效應(yīng)的影響。

(3) 毀傷交互

毀傷交互是裝備模型之間的相互作用，既包括直接摧毀實體的硬殺傷，也包括對裝備的干擾、屏蔽、失效或失能的軟殺傷。武器毀傷包括對其他裝備實體、環(huán)境實體等造成的毀傷，如圖9中①～③所示。

武器總控管理組件通過發(fā)送毀傷數(shù)據(jù)來對目標(biāo)實體產(chǎn)生作用。武器總控管理組件模型接收目標(biāo)狀態(tài)信息，根據(jù)殺傷判斷條件，產(chǎn)生毀傷類型、爆炸點、殺傷半徑、殺傷概率等毀傷數(shù)據(jù)。裝備框架將毀傷數(shù)據(jù)發(fā)往目標(biāo)實體框架中，若毀傷效果是對環(huán)境的作用，則直接發(fā)往對應(yīng)的環(huán)境模型。毀傷效果不直接對裝備組件產(chǎn)生作用，而是通過模型框架管理組件實體的毀傷情況。被毀傷實體接收到毀傷信息后，模型框架根據(jù)毀傷數(shù)據(jù)評估毀傷效果，根據(jù)評估結(jié)果監(jiān)控和管理組件實例，控制組件實例的修復(fù)或銷毀刪除。

(4) 環(huán)境交互

柔性仿真模型體系將環(huán)境模型納入模型體系，構(gòu)建環(huán)境模型與實體模型交互機制。環(huán)境對裝備應(yīng)用的影響主要表現(xiàn)在對裝備的運動、傳感、通信等組件運行有顯著影響。

圖10展示了環(huán)境模型與裝備模型交互過程，環(huán)境模型依托于環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫提供環(huán)境服務(wù)，如圖中①所示。裝備模型與環(huán)境模型之間交互分為固定推送和請求推送2種方式。固定推送指仿真模型訂閱環(huán)境模型提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，環(huán)境模型按照一定的周期向環(huán)境數(shù)據(jù)塊發(fā)送、更新環(huán)境數(shù)據(jù)，如運動、傳感組件需要地形、大氣等自然環(huán)境數(shù)據(jù)，如圖10中②所示。請求推送指仿真實體在仿真運行過程中，模型組件向環(huán)境模型提出服務(wù)請求，環(huán)境模型依據(jù)請求內(nèi)容計算并推送環(huán)境服務(wù)，如圖10中③所示，典型過程如傳感器計算地形通視條件。

圖8 探測交互Fig.8 Illustration of detect interaction

圖9 毀傷交互Fig.9 Damage interaction

圖10 環(huán)境交互Fig.10 Interaction between model entity and environment

5 基于模型體系框架的建模仿真

基于柔性可擴展模型體系框架的模型開發(fā)應(yīng)用流程包括模型組件開發(fā)、模型組件與集成框架組合及仿真系統(tǒng)集成等過程，能夠“快、好、省”地支持仿真系統(tǒng)的構(gòu)建。

模型開發(fā)應(yīng)用流程如圖11所示,在可擴展模型組件開發(fā)中，首先根據(jù)模型需求，開發(fā)擴展模型組件。在模型組合工具中，輸入組件模型的參數(shù)，構(gòu)建參數(shù)模型組件，將組件模型與集成框架進行組合，形成仿真裝備模型。裝備模型經(jīng)校核后存入模型數(shù)據(jù)庫，待仿真應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用時，添加到想定中。

基于柔性可擴展模型體系框架的建模仿真，對建模過程和模型形式進行了規(guī)范和約束，支持模型組件按標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，增強模型適用性。“集成框架+模型組件”組合集成形成裝備模型的建模形式增強模型功能的擴展性和模型重用性，提高仿真模型開發(fā)效率。

6 結(jié)束語

構(gòu)建裝備模型體系框架，有利于將模型與仿真平臺分離、將組建模型組合成為整體。本文提出一種柔性可擴展裝備仿真模型體系，給出了裝備模型建模框架。為保障構(gòu)建裝備模型時組件模型柔性適配、快速靈活添加，給出了一種基于數(shù)據(jù)白板的數(shù)據(jù)交互模式。針對該框架設(shè)計提出了一種基于共享數(shù)據(jù)板塊的組件交互方式，設(shè)計了基于該建?？蚣艿哪Ｐ蛢?nèi)、外部交互流程。裝備模型體系框架對體系對抗仿真裝備模型建模過程具有指導(dǎo)意義，可應(yīng)用到裝備體系對抗仿真系統(tǒng)建設(shè)中，后續(xù)工作中將繼續(xù)完善模型描述，對體系框架的調(diào)用調(diào)度方法進行研究。