作戰(zhàn)仿真實體模型組件化構(gòu)建方法設(shè)計

侯國超

(解放軍91336部隊,河北 秦皇島 066000)

0 引 言

作戰(zhàn)仿真實體是開展作戰(zhàn)仿真實驗、推演、訓(xùn)練等工作必不可缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，是對作戰(zhàn)仿真要素及其組織關(guān)系的高度抽象，對其進(jìn)行建模的質(zhì)量與科學(xué)管理已成為當(dāng)前作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前作戰(zhàn)仿真實體模型的構(gòu)建已經(jīng)覆蓋了各個軍兵種專業(yè)的諸多領(lǐng)域，由于各單位采用的建模手段和技術(shù)體制千差萬別，導(dǎo)致在進(jìn)行作戰(zhàn)仿真具體應(yīng)用時實用性不強(qiáng)，往往是不同的應(yīng)用開發(fā)不同的模型，資源浪費嚴(yán)重[1]?？紤]軍事仿真的現(xiàn)實需求，本文摒棄華而不實、高大前沿的理論方法，一切從用戶體驗和需求出發(fā)[2]，提出一種組件化建模方法。

組件化的工作方式信奉獨立、完整、自由組合[3]，目標(biāo)就是盡可能把設(shè)計與開發(fā)中的元素獨立化，使它具備完整的局部功能，通過自由組合來構(gòu)成整個產(chǎn)品，從而滿足不同模型粒度的需求，使其在支持不同規(guī)模的仿真應(yīng)用的同時，能夠兼具較高的可信度[4]。

1 模型總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，這些軍事行為需要通過作戰(zhàn)實體仿真模型實現(xiàn)。基于作戰(zhàn)實體的各項能力，采用組件化建模思想，將作戰(zhàn)實體具有的運(yùn)動能力、感知能力、通信能力、干擾能力、行為能力、數(shù)據(jù)處理能力、資產(chǎn)管理能力等設(shè)計為功能組件，通過組件的合理裝配得到作戰(zhàn)實體的仿真模型[5]，如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)實體仿真模型框架

實體模型是作戰(zhàn)實體的集成平臺(就像計算機(jī)的主板)，提供其他組件的集成交互接口以及作戰(zhàn)實體與外界的交互接口。

行為組件實現(xiàn)作戰(zhàn)實體的指揮決策能力(實現(xiàn)指揮決策過程)及作戰(zhàn)行動能力(實現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行過程)。行為組件需要處理來自于本作戰(zhàn)實體所帶傳感器的感知報告、來自于通信網(wǎng)絡(luò)的由上/下/平級發(fā)送的命令/報告/請求消息、來自于事件管理器的“非感知事實”態(tài)勢事件(比如想定初始化、被摧毀、機(jī)動到制定地點等)。在這些情況的處理過程中可以調(diào)度其它任務(wù)組件并與之進(jìn)行交互。行為組件分為任務(wù)能力組件和行為樹組件。

任務(wù)能力組件是對作戰(zhàn)實體某種特定行動或決策實施過程的描述，主要實現(xiàn)相關(guān)活動的執(zhí)行邏輯、流程及異常的處理，如空域巡邏、對地突擊、防空指揮、海軍搜潛反潛任務(wù)能力以及其它各類指揮、作戰(zhàn)任務(wù)能力。開發(fā)任務(wù)能力組件前，模型設(shè)計人員需事先明確某特定作戰(zhàn)實體能夠執(zhí)行的特定行動和決策任務(wù)類型。若多個作戰(zhàn)實體(如不同類型飛機(jī)或水面艦艇等)均具備某種類似的指揮決策或作戰(zhàn)行動能力(如機(jī)動、巡邏等)，可以將這種能力抽象設(shè)計成任務(wù)能力組件，通過為作戰(zhàn)實體配置/移除任務(wù)組件而不是將某些能力固化在模型內(nèi)部，能更靈活地賦予或限制實體的能力。

任務(wù)能力組件適合于規(guī)則非常確定且流程復(fù)雜的行為建模，如空域巡邏、對地突擊等，而對于規(guī)則多變、流程短小的行為模型，則可以通過行為樹模型來實現(xiàn)。行為樹組件本身提供了一套完備的行為建模體系，它由一系列原子節(jié)點和子行為樹組合而成，行為樹編輯工具提供了各節(jié)點的可視化編輯，包括節(jié)點的調(diào)用流程及數(shù)據(jù)流向的可視化編輯，模型開發(fā)人員只需描述清楚原子節(jié)點的輸入和輸出參數(shù)以及任務(wù)的執(zhí)行邏輯、流程及異常的處理，再由模型使用人員根據(jù)實際任務(wù)需要，組合出特定的行為樹，再裝配到實體中即可使用，因此行為樹節(jié)點越豐富，涵蓋的任務(wù)越廣，可復(fù)用程度也越高。

機(jī)動組件模擬作戰(zhàn)實體的空間移動能力。開發(fā)機(jī)動組件時，模型設(shè)計人員需事先明確某特定作戰(zhàn)實體的戰(zhàn)場空間(如地面、空中、空間、水面、水下等)，實體運(yùn)動的特性、精細(xì)程度、環(huán)境因素等，選擇合適的運(yùn)動外推算法，完成相應(yīng)機(jī)動組件的開發(fā)[6]。實體建模人員只需根據(jù)實際情況讓作戰(zhàn)實體掛載所使用的機(jī)動組件并提供必要的驅(qū)動數(shù)據(jù)，作戰(zhàn)實體及其所屬組件可以在任何需要運(yùn)動需求時通過實體向機(jī)動組件發(fā)送機(jī)動控制指令，機(jī)動組件根據(jù)該需求來完成作戰(zhàn)實體在空間上的移動，同時也會主動將運(yùn)動過程中的一些情況(比如路徑點變化)通過事件通知作戰(zhàn)實體，并將最新的位置狀態(tài)信息(如速度、位置、姿態(tài)等)更新至所屬的作戰(zhàn)實體；作戰(zhàn)實體及其所屬組件也可以在任何有運(yùn)動信息需求的地方調(diào)用實體的查詢接口來獲取關(guān)注的信息(如速度、位置等)[7]。

傳感器組件模擬作戰(zhàn)實體的探測能力，是對雷達(dá)、可見光、紅外、聲納、人體感知器官等類型探測設(shè)備的功能模擬。傳感器組件的發(fā)現(xiàn)/丟失目標(biāo)事件是其本身經(jīng)過周期性探測獲得的，進(jìn)而將發(fā)現(xiàn)目標(biāo)上報實體模型，由實體模型負(fù)責(zé)對目標(biāo)進(jìn)行下一步處理。開發(fā)傳感器組件時，模型設(shè)計人員需事先明確要開發(fā)的傳感器類型及相應(yīng)的探測算法等，完成開發(fā)實現(xiàn)，建模人員需根據(jù)實際情況讓作戰(zhàn)實體掛載所使用的傳感器組件并提供必要的驅(qū)動數(shù)據(jù)，同時處理傳感器發(fā)送的探測報告。

通信設(shè)備組件是實體間完成通信的重要設(shè)備組件，模擬了作戰(zhàn)實體的通信能力，是對有線、無線(微波、超短波、短波、高速電臺等)通信設(shè)備等功能模擬。當(dāng)作戰(zhàn)實體需要向其它實體發(fā)送消息時，在指定消息類型、消息內(nèi)容及消息接收者后直接調(diào)用實體模型的消息發(fā)送接口；當(dāng)其它作戰(zhàn)實體向自己發(fā)送消息時，目標(biāo)實體模型將通過通信設(shè)備的入網(wǎng)情況，模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲后將消息送至本實體的消息處理接口，建模人員需要在各消息處理接口中添加處理邏輯。通信設(shè)備組件讓實體擁有收發(fā)消息的能力，但實體間的通信效果(聯(lián)通性和延遲)不取決于通信設(shè)備組件本身，而取決于網(wǎng)絡(luò)仿真模型。

干擾設(shè)備組件模擬作戰(zhàn)實體的電子干擾能力，主要針對傳感器、通信設(shè)備、GPS等干擾功能模擬。干擾設(shè)備組件周期性地向指定方向發(fā)送輻射數(shù)據(jù)，通過底層提供的輻射源注冊機(jī)制，將干擾設(shè)備注冊成為輻射源。目標(biāo)電子設(shè)備通過搜索周圍的輻射源，調(diào)用干擾處理算法計算輻射數(shù)據(jù)對自己的干擾效果。因此，開發(fā)干擾設(shè)備組件時，模型設(shè)計人員確定輻射數(shù)據(jù)的構(gòu)成，并將自身注冊為輻射源，被輻射電子設(shè)備給出對自身輻射計算的效果算法，完成該模型及相關(guān)模型被干擾計算的開發(fā)實現(xiàn)，建模人員需根據(jù)實際情況讓作戰(zhàn)實體掛載所使用的干擾設(shè)備組件并提供必要的驅(qū)動數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理組件模擬作戰(zhàn)實體的情報數(shù)據(jù)處理能力，主要針對傳感器探測、下級上報的情報信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。數(shù)據(jù)處理組件管理未處理情報數(shù)據(jù)表和已處理情報數(shù)據(jù)表，通過周期性檢查所在實體接收到的和所在實體搭載的傳感器探測產(chǎn)生的情報數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)融合算法處理情報，生成或更新已有情報數(shù)據(jù)。開發(fā)數(shù)據(jù)處理組件時，模型開發(fā)人員需要在模型設(shè)計工具提供的建?？蚣艿幕A(chǔ)上，添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合算法，或者繼承修改其他算法接口(如更新情報、情報編批等接口)，即可完成數(shù)據(jù)處理組件的開發(fā)，底層建?？蚣芤淹瓿蓴?shù)據(jù)處理交互實現(xiàn)。

資產(chǎn)管理器管理作戰(zhàn)實體所擁有的資產(chǎn)(如裝備、物質(zhì)、設(shè)施、人員等)，實現(xiàn)資產(chǎn)的查詢、存儲、消耗和預(yù)留等管理功能。戰(zhàn)場空間中所有被作戰(zhàn)實體持有、占據(jù)、存儲、裝載和使用的資源，被稱之為作戰(zhàn)實體的資產(chǎn)，如作戰(zhàn)飛機(jī)裝載的彈藥和油料。資產(chǎn)在仿真過程中的存在形態(tài)僅是資源的屬性數(shù)據(jù)集。資產(chǎn)作為作戰(zhàn)實體所持有和使用的資源，體現(xiàn)和約束了作戰(zhàn)實體的軍事行為能力。作戰(zhàn)實體建模時可通過資產(chǎn)管理器配置不同類型、數(shù)量的資產(chǎn)，以體現(xiàn)作戰(zhàn)實體本身所應(yīng)具備的打擊、探測、運(yùn)輸、通信等各種行為能力。

2 模型運(yùn)行機(jī)制

2.1 模型與引擎之間的接口調(diào)用關(guān)系

作戰(zhàn)實體模型是在底層仿真運(yùn)行支撐平臺的調(diào)度和服務(wù)支持下運(yùn)行的，如圖2所示。圖2左邊是仿真引擎的調(diào)度邏輯，中間是實體模型框架核心接口，右邊是組件模型。

圖2 模型與仿真引擎的調(diào)用關(guān)系圖

仿真開始后，仿真引擎首先加載動態(tài)庫并對其進(jìn)行初始化。實體模型的加載及初始化接口在響應(yīng)仿真引擎的這項調(diào)度時，除了完成指控關(guān)系綁定、自身屬性設(shè)置、初始任務(wù)設(shè)置、初始戰(zhàn)場態(tài)勢等作戰(zhàn)實體層面初始化工作外[8]，還會要求所屬的其他組件也作相應(yīng)的初始化工作，并向仿真引擎的事件管理器提交初始化事件。

然后，啟動仿真循環(huán)，不斷對事件列表中的頭事件進(jìn)行處理并在處理完成后刪除這個頭事件，直到事件列表為空。在這個過程中，實體模型通過不斷提交事件完成相關(guān)功能模塊的處理，同時調(diào)度所屬的其他組件模型執(zhí)行相應(yīng)接口。例如，通過機(jī)動組件的機(jī)動解算完成實體位置、姿態(tài)信息的更新，通過傳感器組件探測產(chǎn)生原始情報觸發(fā)實體模型的探測報告處理模塊，實體間收發(fā)信息則需要通過通信設(shè)備及所屬網(wǎng)絡(luò)模型完成消息的傳遞，此外，還有模型運(yùn)行過程中產(chǎn)生的態(tài)勢及周期性事件等。仿真循環(huán)結(jié)束后，注銷卸載模型動態(tài)庫，同時通知實體模型進(jìn)行仿真結(jié)束處理，除了完成內(nèi)存清理、實體注銷等作戰(zhàn)實體層面的清理工作外，還會要求其他組件也作相應(yīng)的清理工作。

2.2 模型運(yùn)行流程設(shè)計

模型的運(yùn)行流程如圖3所示，描述了從仿真開始到結(jié)束整個過程中，模型參與的各個階段。

圖3 模型運(yùn)行流程圖

仿真運(yùn)行開始后，首先完成引擎的初始化，主要包括創(chuàng)建并初始化仿真框架、初始化各個管理器(如時間管理器、對象管理器、戰(zhàn)場管理器、服務(wù)管理器等)，然后加載模型動態(tài)庫，加載模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加載運(yùn)行的想定，并根據(jù)想定中包含的實體數(shù)結(jié)合所在計算機(jī)的CPU性能，為各實體均勻分配運(yùn)行簇，對應(yīng)具體的事件管理器，然后啟動時間管理器，調(diào)度模型的初始化接口，完成初始事件的提交，接著進(jìn)入事件隊列的處理循環(huán)，期間引擎會處理模型發(fā)出的交互、根據(jù)用戶設(shè)置采集模型數(shù)據(jù)(初始數(shù)據(jù)、運(yùn)行期數(shù)據(jù)等)，直到仿真結(jié)束時間，執(zhí)行仿真結(jié)束處理，包括引擎各個模塊的清理工作、模型的卸載以及內(nèi)存資源的回收等，最后整個仿真運(yùn)行結(jié)束[9]。

3 模型交互方式設(shè)計

作戰(zhàn)實體在仿真運(yùn)行過程當(dāng)中，不可避免地需要同其他實體進(jìn)行交互，組件化建模必須要解決組裝之后模型內(nèi)部各組件間的交互問題，如圖4所示。XSIM建?？蚣軐⒛Ｐ烷g的交互方式分為3種，分別是消息、控制指令和態(tài)勢，分別設(shè)計了各自的定義標(biāo)準(zhǔn)及接口實現(xiàn)，符合框架高內(nèi)聚松耦合的特性，各個組件模型之間、實體與實體之間的所有交互均可通過這3種方式完成[10]。

圖4 模型間的交互方法

3.1 “消息”機(jī)制

消息是實體之間真實通信的方式，可仿真戰(zhàn)術(shù)指令的收發(fā)、情報數(shù)據(jù)的共享等。真實的戰(zhàn)場環(huán)境中，消息一定要通過實體的通信設(shè)備發(fā)出，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)最終到達(dá)接收端的通信設(shè)備，因此本文設(shè)計方法建?？蚣苤薪o出了這一流程的完整實現(xiàn)，并給出了圖形化的編輯界面，供用戶在編輯想定時添加通信設(shè)備組件和網(wǎng)絡(luò)組件，組織網(wǎng)系結(jié)構(gòu)。實體間消息收發(fā)過程如圖5所示。

圖5 實體間消息收發(fā)過程

3.2 “控制指令”機(jī)制

組件化模型仿真的過程中，除了實體模型本身和行為組件可仿真作戰(zhàn)人員的邏輯分析、規(guī)劃部署等能力外，不可或缺地需要多種功能裝備組件的配合。裝備組件何時工作、以怎樣的方式工作、如何相互配合工作等問題就需要“控制指令”來解決，在合適的時機(jī)分別向各個裝備組件發(fā)出控制指令，就可達(dá)到協(xié)調(diào)多個組件共同實現(xiàn)某種作戰(zhàn)能力的目的。所以，控制指令實現(xiàn)的是同一實體內(nèi)部對裝備組件的操作，如滿足條件打開火控雷達(dá)，這時的實現(xiàn)就是向火控雷達(dá)組件發(fā)送一條類型為“開機(jī)”的控制指令。

一般在實體模型或行為模型中實現(xiàn)對裝備組件的控制，但只有獲取到控制權(quán)限才可以向其發(fā)送控制指令，控制行為完成后，再釋放掉控制權(quán)。所以，對裝備的控制過程一般分為獲取控制權(quán)、發(fā)送控制指令及釋放掉控制權(quán)這3個步驟。這種控制權(quán)競爭模式在多個行為并行執(zhí)行時是十分必要的，如圖6所示。

圖6 實體內(nèi)部控制指令產(chǎn)生及處理

3.3 “態(tài)勢”機(jī)制

態(tài)勢指戰(zhàn)場環(huán)境中的狀態(tài)及形式，主要用于記錄在仿真過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵事件，如實體加入仿真、實體消亡、武器發(fā)射等。從仿真元素類繼承的所有對象均可產(chǎn)生態(tài)勢，而具體哪些事件可以作為態(tài)勢記錄下來，完全由模型開發(fā)者的應(yīng)用需求決定。例如某個設(shè)備開機(jī)時，態(tài)勢顯示工具需要顯示其開始狀態(tài)，就要通過記錄的態(tài)勢“設(shè)備開機(jī)”使繪制工具感知；又例如某實體死亡時，友方或?qū)Ψ叫枰鶕?jù)這一事實做出反應(yīng)，該實體就需要記錄“實體死亡”態(tài)勢。

記錄的態(tài)勢可用于界面繪制工作、后期對態(tài)勢的統(tǒng)計及分析工作，也可以作為基于真實事件感知模式的一種模型交互仿真。這種感知能力基于作戰(zhàn)人員的分析和處理需求，所以實體模型類及行為組件模型中包含感知處理態(tài)勢能力的接口。圖7為態(tài)勢記錄與感知處理過程。

圖7 態(tài)勢記錄與感知處理過程

4 組件化建模方法的應(yīng)用實現(xiàn)

圖8、圖9為通過本文作戰(zhàn)仿真實體模型組件化構(gòu)建方法的實現(xiàn)案件，模型結(jié)構(gòu)簡潔明了，符合實裝裝配邏輯。簡單表現(xiàn)了由幾個模型組件自由組合便可形成一個實體模型的過程，仿真系統(tǒng)可以調(diào)用實體模型開始一次仿真推演，整個仿真過程中模型內(nèi)部和模型之間自由解算、分工合作、信息交互，完成作戰(zhàn)兵力仿真模擬動作，充分證明了該方法的實用性。

圖8 通過界面添加飛機(jī)實體模型

圖9 通過界面裝配飛機(jī)模型組件

5 結(jié)束語

本文提出的建模方法從作戰(zhàn)仿真實踐出發(fā)，模型體系健全，能夠覆蓋全部作戰(zhàn)實體和裝備，具有很強(qiáng)的操作性和實用性，真正解決了當(dāng)前的仿真模型體系構(gòu)建的難點問題，可以直接面向用戶[11]。