面向艦艇作戰(zhàn)軟件研制的仿真模型體系建設?

（海軍大連艦艇學院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所 大連 116018）

1 引言

作戰(zhàn)模型是軍用軟件系統(tǒng)做出作戰(zhàn)決策、指揮作戰(zhàn)行動的核心技術手段，是綜合運用所屬指揮對象遂行作戰(zhàn)任務的形式化描述，是作戰(zhàn)指揮決策和武器控制的經(jīng)驗總結(jié)［1］。如果說作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)是作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的大腦，那么作戰(zhàn)模型則是作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)的靈魂。

仿真模型是仿真系統(tǒng)的核心，它抽象描述了人們所關注的復雜的現(xiàn)實系統(tǒng)或人工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)屬性和動態(tài)行為特征［2］，作戰(zhàn)仿真模型［3～5］描述的是作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、靜態(tài)屬性和動態(tài)行為特征。

從應用場景的可替代性來看，如果仿真系統(tǒng)設計得當，作戰(zhàn)模型應該可直接應用于面向海上及指揮控制研究的仿真系統(tǒng)，因此作戰(zhàn)模型可以是作戰(zhàn)仿真模型的子集。另一方面，作戰(zhàn)模型屬于一類知識密集型產(chǎn)品，存在功能難以展示和有效性難以確認的問題［6］，作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)作為作戰(zhàn)模型的功能展示和驗證的有效工具，對提高作戰(zhàn)模型的質(zhì)量水平具有重要意義。

2 作戰(zhàn)模型與作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族特征

2.1 作戰(zhàn)模型的領域概念及分類方法

模型作為真實世界中的物體或過程的相關信息進行形式化的結(jié)果，可根據(jù)領域背景、研究對象、建模過程等多種角度對模型進行分類。如根據(jù)領域劃分，應用于軍事領域的模型，可統(tǒng)稱為作戰(zhàn)模型；根據(jù)研究對象不同，模型可分為實體模型和過程模型。具體到特定實體和過程，可予以進一步細分，如針對海上作戰(zhàn)，實體模型有水面艦艇模型、潛艇模型和航空兵模型［7］等，過程模型通常則有算法模型［8］（研究對象為問題求解的過程）、決策分析模型［8］（研究對象是某一個決策過程）、業(yè)務邏輯模型［9］（研究對象為特定組織的指揮信息關系、實施方法或操作規(guī)程）和效能評估模型［10］（研究對象為效能評估的規(guī)程）等。根據(jù)建模過程階段不同，模型具有不同的形態(tài)，對作戰(zhàn)模型而言，根據(jù)其研制過程各階段的工件特點，可分為軍事概念模型［11］、數(shù)學邏輯模型、軟件工程模型和計算機程序模型。

另外，模型還有其他分類方法，如根據(jù)建模方法的不同，可分為排隊論模型、概率論模型和馬爾科夫模型等；根據(jù)模型與研究對象的相似程度，可分為白盒模型、黑盒模型和灰盒模型等。

總之，根據(jù)應用領域背景、研究對象、模型描述方法及建模過程階段等不同，不同領域及專業(yè)人員根據(jù)其需要，對模型的概念及分類都有其自己的認識，并無統(tǒng)一的分類標準。在軟件工程領域，Bézivin和Gerbé［12］則將模型定義為以目標驅(qū)動方式創(chuàng)建系統(tǒng)時對系統(tǒng)的抽象，認為模型應能代表要創(chuàng)建的系統(tǒng)。

面向艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族研制，我們將作戰(zhàn)模型定位為作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)的原理性制品，其形成的作戰(zhàn)模型體系應可以代表作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族。

2.2 艦艇作戰(zhàn)軟件的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)

圖1 艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)示意圖

指揮控制系統(tǒng)實質(zhì)上是一類用于信息和資源的動態(tài)管理和分配的人機系統(tǒng)的統(tǒng)稱［13］，艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品涵蓋聯(lián)合機動編隊、戰(zhàn)術群和單艦等指揮層級；各指揮層級內(nèi)部，因為所需管理的信息和資源不同，對應著不同的型號；相同型號的艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品，由于研制時間的不同，又產(chǎn)生了不同的版本，因此，特定型號艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品可從指揮層級、應用環(huán)境及版本三個維度來標識。這些艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品綜合在一起，可統(tǒng)稱為艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族。

艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)，從功能分布來看，同一指揮層級不同型號的艦艇作戰(zhàn)軟件功能之間存在交疊，如對水面艦艇單艦作戰(zhàn)軟件而言，驅(qū)護艦和導彈艇都有威脅判斷、對海導彈攻擊等功能；不同的指揮層級所對應的艦艇作戰(zhàn)軟件，由于指揮層級分工靈活，以及作戰(zhàn)使用需求都源于海上兵力運用方法，不同指揮層級的艦艇作戰(zhàn)軟件功能之間也存在交疊。從產(chǎn)品的演化過程來看，在海軍戰(zhàn)法、武器裝備和指揮控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)保持相對平穩(wěn)發(fā)展的階段內(nèi)，艦艇作戰(zhàn)軟件的下一代產(chǎn)品通常是以前一代產(chǎn)品為基礎進行優(yōu)化和改進，因此各艦艇作戰(zhàn)軟件的產(chǎn)品功能存在交叉和重疊。

作戰(zhàn)模型是艦艇作戰(zhàn)軟件研制過程中的核心工件，其是作戰(zhàn)指揮流程、決策和武器控制領域知識的形式化描述，是對作戰(zhàn)要素、過程及規(guī)律的簡化反映和抽象描述，對艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族而言，作戰(zhàn)模型是相對穩(wěn)定的一類領域知識，其復用對提高艦艇作戰(zhàn)軟件的研制質(zhì)量和效率具有重要意義。

2.3 作戰(zhàn)模型在艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族中的復用需求

作戰(zhàn)模型的研發(fā)活動主要是針對軍事領域需要解決的業(yè)務問題進行建模和驗證，作戰(zhàn)模型在艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的復用活動，主要發(fā)生在如下幾個維度。

1）應用維度:指揮層級

這個維度主要是指艦艇作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)按照所物化的作戰(zhàn)指揮業(yè)務邏輯和所服務的對象不同，形成了與海上方向指揮層次相對應的體系，包含單艦作戰(zhàn)軟件、戰(zhàn)術編隊作戰(zhàn)軟件和聯(lián)合機動編隊作戰(zhàn)軟件等系統(tǒng)，特定作戰(zhàn)模型可能跨層級復用于不同的軟件系統(tǒng)。

2）系統(tǒng)維度:應用環(huán)境

艦艇作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)的功能、行為和性能受到裝備系統(tǒng)的約束。在海上作戰(zhàn)環(huán)境下，艦艇作為搭載作戰(zhàn)軟件的平臺，可能獨立使用，也可能與其他艦艇組成編隊聯(lián)合使用，形成復雜的分散系統(tǒng)，共同構(gòu)成艦艇作戰(zhàn)軟件的應用環(huán)境，特定作戰(zhàn)模型可能同時應用于不同艦艇上的軟件系統(tǒng)。

3）時間維度:版本演化

作為指揮信息系統(tǒng)的有機組成部分，艦艇作戰(zhàn)軟件的生命周期要短于艦艇平臺的生命周期，因此特定型號艦艇作戰(zhàn)軟件在時間維度上會有不同版本。在特定艦艇作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)改版過程中，部分作戰(zhàn)模型會得以沿用。

4）功能維度:功能類別

艦艇作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)按照其所提供的作戰(zhàn)指揮決策支持功能類別，分為威脅判斷、艦艇機動、對空防御、對海攻擊和對潛搜索等功能部件，不同的功能部件可能會使用到相同的作戰(zhàn)模型，比如艦艇機動和對海攻擊這兩個功能部件就同時使用到“最短時間到達指定位置”這個解算模型。

5）工程化維度:建模階段

作戰(zhàn)模型的工程化過程中，會形成軍事概念模型、數(shù)學邏輯模型、工程模型和計算機程序模型（原型構(gòu)件）等工作產(chǎn)品等在上述四個維度的復用過程中，可能復用的并非是最終的原型構(gòu)件，而僅僅是對數(shù)學邏輯模型的復用。例如在上述四個維度的復用過程中，在決策支持功能需求相同但軟件運行平臺不同的情況下，復用的就只是數(shù)學邏輯模型，需要以數(shù)學模型為基礎，針對不同的軟件運行平臺做相應的工程化建模，形成與運行平臺相匹配的軟件工程模型。

3 作戰(zhàn)模型研制與模型驅(qū)動仿真系統(tǒng)研制

3.1 作戰(zhàn)模型研制的通用性要求

作戰(zhàn)模型是體系作戰(zhàn)能力的生成要素之一，從能打仗、打勝仗的角度出發(fā)，作戰(zhàn)模型需要滿足如下通用要求。

1）權(quán)威性要求

作戰(zhàn)模型最終將支撐作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)為各級各類指揮員提供輔助決策支持，會直接或間接地影響到海上戰(zhàn)斗的結(jié)果，因此要求作戰(zhàn)模型具備權(quán)威性。

2）一致性要求

在處理同一個問題時，不同層次的作戰(zhàn)軟件所給出的輔助決策結(jié)果在整體上應保持一致。不同層次的作戰(zhàn)軟件，在同一態(tài)勢情況下，考慮要素會不盡相同，使得輸出結(jié)果不一致，此時不同層次的作戰(zhàn)軟件應具備協(xié)調(diào)機制，使得指揮員能得到整體上一致的決策結(jié)果。如在特定態(tài)勢下，有關水面艦艇該如何轉(zhuǎn)向的問題，指控級作戰(zhàn)軟件和火控級作戰(zhàn)軟件可能會給出不一致的結(jié)果，或者防空和反潛相關作戰(zhàn)軟件也會給出不一致的結(jié)果，此時就需要有相關的協(xié)調(diào)機制，保證整體上決策結(jié)果的一致性。

3）體系性要求

作戰(zhàn)模型的研究范圍非常廣泛，而我們的研究經(jīng)費和力量都是有限的，當單個作戰(zhàn)模型的研究是整個模型體系研究需求的一部分時，才可最大化研究資源的利用率。而且當單個作戰(zhàn)模型隸屬于整個模型體系時，會有利于模型的集中管控。

4）規(guī)范性要求

從有利于作戰(zhàn)模型的評審驗證、模型研究人員復用已有模型、模型使用方正確選用、在模型發(fā)布之后的維護升級等方面出發(fā)，要求作戰(zhàn)模型具備形式上的規(guī)范性。

5）可驗證要求

作戰(zhàn)模型是否可用，需要通過相應的檢驗、驗證。這就要求作戰(zhàn)模型的研究人員，同時提供相應的驗證方法及工具，以便于模型的驗證、管理及使用。

6）適應性要求

適應性要求體現(xiàn)在對新的海上作戰(zhàn)理論方法的適應性、指揮員在使用模型過程中所提意見建議及新的決策理論與方法的適應性。事易時移，作戰(zhàn)模型也需反映新情況，適時而變。

3.2 成體系研制作戰(zhàn)模型的要求

1）作戰(zhàn)模型需要有組織地進行研究。作戰(zhàn)模型是針對海上作戰(zhàn)的客觀現(xiàn)實，綜合運用決策理論與方法、運籌學等知識，形成特定場景下的輔助決策能力。海戰(zhàn)的復雜性，決定了反應海戰(zhàn)理論方法的作戰(zhàn)模型的復雜性。由于海戰(zhàn)沒有一定之規(guī)，且作戰(zhàn)模型的使用時機多樣，模型研究容易出現(xiàn)仁者見仁智者見智的情況，當作戰(zhàn)模型實例化為作戰(zhàn)軟件時，可能會出現(xiàn)針對同一個問題提供的輔助決策結(jié)果存在巨大差異。

2）作戰(zhàn)模型需要基于整體規(guī)劃的條件下有組織地進行研究。作戰(zhàn)模型的整體規(guī)劃是生成體系作戰(zhàn)能力的要求，從體系作戰(zhàn)的觀點看，各級各類作戰(zhàn)軟件系統(tǒng)中的作戰(zhàn)模型都是體系作戰(zhàn)能力的生成要素，體系作戰(zhàn)能力生成過程則表現(xiàn)為諸要素的互動過程。這就要求對作戰(zhàn)模型研究的整體規(guī)劃，否則各研究單位只見樹木不見森林，最終會影響到體系作戰(zhàn)能力的生成。

3.3 模型驅(qū)動的軟件研制過程

模型驅(qū)動架構(gòu)（Model Driven Architecture，MDA）將軟件系統(tǒng)模型分為三個大類［14～15］，分別是CIM（Computation Independent Model，計算無關模型）、PIM（Platform Independent Model，平臺無關模型）和 PSM（Platform Specific Model，平臺相關模型）。其中CIM是從計算無關的角度來觀察一個系統(tǒng)得到的視圖，它不包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體細節(jié)，僅考慮系統(tǒng)要解決的業(yè)務問題。CIM又被稱為領域模型，在建模過程中使用的詞匯來自問題領域?qū)＜宜煜さ男g語，CIM中并不包含軟件建模和實現(xiàn)技術相關的知識。PIM描述了系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)，但是并不包含與具體實現(xiàn)技術相關的細節(jié)。PSM描述了系統(tǒng)的實現(xiàn)技術以及所有實現(xiàn)的細節(jié)，可以被轉(zhuǎn)換為具體的代碼［5］。

基于模型驅(qū)動的軟件開發(fā)過程，可以看作是建立模型和模型轉(zhuǎn)換的過程，并且模型轉(zhuǎn)換在這個過程中起到了主要作用。

圖2MDA開發(fā)過程

與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)過程類似，基于模型驅(qū)動的軟件開發(fā)過程也可以分為需求分析、設計、實現(xiàn)、測試和發(fā)布等階段，并且每個階段都是一個迭代的過程。圖2展示了基于MDA的軟件開發(fā)流程。從圖中可以看到，需求階段輸出的是計算無關模型CIM。一個CIM是從計算無關視角對系統(tǒng)進行描述的一個視圖。在高層設計階段，通過模型轉(zhuǎn)換將CIM生成PIM。在低層設計階段，通過模型轉(zhuǎn)換再將PIM生成PSM。最后通過代碼轉(zhuǎn)換將PSM生成基于特定平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)代碼，經(jīng)迭代測試后就可以發(fā)布系統(tǒng)了。

3.4 基于仿真引擎的作戰(zhàn)模型研制過程

圖3 基于仿真引擎的作戰(zhàn)模型研制過程示意圖

作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)作為一類軟件系統(tǒng)，也可應用模型驅(qū)動的軟件研制過程來研制。面向支撐艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的需求，可基于特定仿真引擎來研制海戰(zhàn)場作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，通過系統(tǒng)研制來牽引仿真模型體系建設，同時仿真模型體系建設的部分成果可直接應用于作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的研制。在這一指導思想下，基于仿真引擎的作戰(zhàn)模型研制過程如圖3所示。

從此過程可以看出，基于仿真引擎的作戰(zhàn)模型研制過程和傳統(tǒng)作戰(zhàn)模型的研制過程并無本質(zhì)區(qū)別，這一過程可視為模型驅(qū)動的軟件研制過程模型在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研制中的應用。

4 作戰(zhàn)仿真模型庫在艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族研制過程中的應用

仿真模型庫的建設過程和艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的研制過程是相關但不完全相同的技術過程，這兩個技術過程之間存在著以“模型標準化提煉”和“模型復用”為主要內(nèi)容的信息交換（如圖4所示）過程，當然從最終目標來看，是仿真模型庫應用于艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的研制。

圖4 作戰(zhàn)模型庫與作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族之間信息交換示意圖

具體而言，在艦艇作戰(zhàn)軟件研制過程中，可按照作戰(zhàn)使用需求，在作戰(zhàn)模型庫中查找能夠匹配并復用的作戰(zhàn)模型，將其應用于在研的型號軟件研制任務，這個過程為“模型復用”；另一方面，在研制時有意識帶著復用的思維，也就是充分分析軟件設計和模型補充研制的成果進入作戰(zhàn)模型庫的可行性，盡可能地將其納入到作戰(zhàn)模型庫，這個過程為“模型標準化提煉”。

當然，從保持戰(zhàn)法先進性，提高作戰(zhàn)方法研究的理論水平角度來看，對戰(zhàn)法的研究是獨立于艦艇型號軟件研制持續(xù)不間斷的工作。其工作結(jié)果產(chǎn)生的作戰(zhàn)概念模型、數(shù)學模型和相關算法也會不斷加入到作戰(zhàn)模型庫中，它們作為共享知識供艦艇作戰(zhàn)軟件研制復用。

5 結(jié)語

作戰(zhàn)仿真模型體系建設是作戰(zhàn)實驗建設領域的一項重點工作，是以體系化和規(guī)范化方式開展海戰(zhàn)場仿真模型建設、提高仿真模型權(quán)威性的一項重要舉措。為提高工程建設的效益，結(jié)合本單位多年來在艦艇作戰(zhàn)軟件方面的工程實踐和作戰(zhàn)仿真模型建設的內(nèi)在規(guī)律，我們設計了將仿真模型體系建設融入到艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族研制的建設思路，后續(xù)將結(jié)合艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的研制來開展作戰(zhàn)仿真模型體系的建設工作，力爭在完成好仿真模型標準規(guī)范和研制規(guī)程的制定和仿真模型庫建設等工作基礎上，還能有效支撐艦艇作戰(zhàn)軟件產(chǎn)品族的研制。