海上武器裝備的多分辨率建模方法*

岳明橋 齊嘉興

（中國人民解放軍92493部隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

當(dāng)前，我方面臨的海上威脅范圍廣闊、空間與電磁環(huán)境復(fù)雜，真實(shí)地構(gòu)建海上威脅目標(biāo)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境具有諸多局限性，使得建模仿真技術(shù)已成為研究和解決靶場(chǎng)保障條件建設(shè)的核心手段[1～2]，特別是在靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真領(lǐng)域，不僅需要構(gòu)建具有較高置信度的紅方裝備模型，還亟待構(gòu)建緊貼強(qiáng)敵對(duì)手能力的藍(lán)方裝備模型，以充分發(fā)揮其“試金石”和“磨刀石”作用。

靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真涉及到紅藍(lán)雙方的裝備體系對(duì)抗過程，是典型的聯(lián)合作戰(zhàn)問題，具備復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)，涉及到的仿真要素范圍和層次較廣[3～4]，僅用單一分辨率的建模方法已難以滿足對(duì)裝備體系作戰(zhàn)能力檢驗(yàn)的需要。因此，本文采用多分辨率建模技術(shù)建立海上武器裝備模型，以實(shí)現(xiàn)層次對(duì)海上作戰(zhàn)過程進(jìn)行客觀建模仿真，從而提供對(duì)靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的必要支撐。

2 多分辨率建模概述

多分辨率建模是指在仿真中建立和使用不同分辨率的模型，分辨率可以理解為是指模型的粒度或精細(xì)程度[5～6]。其中涉及到的核心問題是有兩個(gè)[7]，一是如何建立不同分辨率的模型，包括對(duì)分辨率的理解和采用的建模方法，二是如何保證模型的可信度，包括建模方法的有效性和對(duì)模型的校核問題。本文主要討論第一個(gè)方面的問題。

2.1 多分辨率建模的內(nèi)涵特點(diǎn)

目前，被廣泛接受的多分辨率的定義為[8]：“在建?；蚍抡嬷?，模型描述真實(shí)世界的精確度和詳細(xì)程度?！痹摱x中詳細(xì)程度是和精細(xì)程度（分辨率）等價(jià)的概念，而精確度則側(cè)重描述模型和客觀真實(shí)世界的一致程度，一般來說，模型具備越高的精細(xì)程度，其精確度會(huì)更高。因此，建模過程中，首先要考慮的問題是如何對(duì)模型的詳細(xì)程度進(jìn)行描述和度量，以為模型的建立提供頂層框架。由于仿真目的和所需建立模型特征的不同，對(duì)詳細(xì)程度的刻畫在不同系統(tǒng)中并不是完全一致的，但總地來說，詳細(xì)程度可以用兩個(gè)維度方向的概念描述：

1）細(xì)節(jié)層次（Level of detail）。細(xì)節(jié)層次主要用于對(duì)具有一定層次結(jié)構(gòu)的模型體系中的模型分辨率進(jìn)行描述，主要表現(xiàn)為模型體系能夠反映出全集和子集的特征，比如航母編隊(duì)模型和其所屬的艦艇平臺(tái)就是不同細(xì)節(jié)層次的模型。

2）詳細(xì)程度（Degree of detail）。這里的詳細(xì)程度是指模型的細(xì)節(jié)程度，主要通過用于建立模型的元素的數(shù)量體現(xiàn)，比如模型的屬性、行為等特征元素。為了使細(xì)節(jié)層次不同、元素?cái)?shù)量不同的模型之間能夠交互，模型之間應(yīng)該具備共同的特征元素。

2.2 典型多分辨率建模方法

典型的多分辨率建模方法主要有聚合-解聚法、一體化層次多分辨率建模法、視點(diǎn)選擇法等，其含義分別如下[9～12]。

聚合-解聚法（Aggregation-Disaggregation）是指通過觸發(fā)聚合或者解聚，使不同分辨率的模型之間可以進(jìn)行切換，即將低分辨率進(jìn)行解聚形成高分辨率模型，或?qū)⒏叻直媛誓Ｐ瓦M(jìn)行聚合形成低分辨率模型，以保證模型之間可以在相同分辨率上進(jìn)行交互。

一體化層次多分辨率建模方法（Integrated Hierarchical Variable-Resolution Modeling）是一種面向過程的多分辨率建模方法。該方法將所有過程變量構(gòu)建形成一種層次樹，最低分辨率的模型在層次樹的頂端，高分辨率模型作為層次樹的葉節(jié)點(diǎn)，不同層次的變量對(duì)應(yīng)不同層次的過程函數(shù)。

視點(diǎn)選擇法（Selecting Views）是指仿真系統(tǒng)始終以最高分辨率的模型運(yùn)行，如果需要使用低分辨率的模型，必須通過系統(tǒng)辨識(shí)等模型抽象技術(shù)獲得。

其他的多分辨率建模方法主要包括SES/MB方法、MOOSE環(huán)境等。通過對(duì)上述方法的分析，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1）建模方法應(yīng)與仿真系統(tǒng)實(shí)際需求和仿真系統(tǒng)能力相適應(yīng)。比如視點(diǎn)選擇法對(duì)系統(tǒng)資源開銷較大，而且有些仿真問題并不需要所有模型均為細(xì)粒度狀態(tài)。

2）建模方法不僅要能夠幫助實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的意圖，還要客觀地描述真實(shí)世界。比如聚合-解聚法和IHVR分別是面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的建模方法，它們對(duì)真實(shí)世界的描述能力存在差異。

3）所需建立模型的體系結(jié)構(gòu)和不同分辨率模型之間的一致性是選擇建模方法的重要因素。模型的體系結(jié)構(gòu)決定了模型之間的層次結(jié)構(gòu)和交互關(guān)系，聚合-解聚法可以較清晰地對(duì)其進(jìn)行描述，而IHVR中不同的過程變量之間則很難建立交互過程；多分辨模型的一致性維護(hù)和可信度評(píng)估方法是當(dāng)前需研究和解決的熱點(diǎn)問題，無論選擇何種建模方法，均需要對(duì)其有所考慮和研究。

3 建立多分辨率模型的必要性

在聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)中，采用多分辨率建模方法建立海上武器裝備模型的必要性體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 分布式仿真系統(tǒng)資源集成的需要

建立一個(gè)滿足互聯(lián)互通互操作要求的聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，綜合集成相應(yīng)的異地分布式試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，這勢(shì)必涉及到集成使用不同層次系統(tǒng)中分辨率各異的模型的問題。為確保系統(tǒng)內(nèi)外能夠互聯(lián)互通，提升試驗(yàn)效率和提高資源利用率，同時(shí)保證各系統(tǒng)的不同分辨率模型間轉(zhuǎn)換的一致性，需要統(tǒng)籌設(shè)計(jì)聯(lián)合試驗(yàn)系統(tǒng)的模型體系，合理構(gòu)建和使用異構(gòu)系統(tǒng)中不同層次、不同粒度的仿真模型。

3.2 要素全面的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的需要

靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要用于武器裝備體系試驗(yàn)。在裝備體系試驗(yàn)仿真環(huán)境下，需要構(gòu)建多層次的模型以區(qū)分被試裝備和陪試裝備以適應(yīng)仿真系統(tǒng)的不同需求。比如為評(píng)估紅方海上編隊(duì)的防空作戰(zhàn)能力，只需要藍(lán)方的防空艦和反艦導(dǎo)彈運(yùn)行較高精度的運(yùn)動(dòng)仿真模型，而此時(shí)只承擔(dān)前出反潛警戒的潛艇只需要運(yùn)行較低精度的運(yùn)動(dòng)仿真模型。另一方面，仿真模型之間相互交聯(lián)，體現(xiàn)在裝備與裝備之間、裝備與環(huán)境之間的多元協(xié)同關(guān)系上，進(jìn)而構(gòu)成節(jié)點(diǎn)多、規(guī)模大、狀態(tài)多維的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，需要仿真系統(tǒng)建立模型之間的層次關(guān)系。

3.3 復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)建模仿真的需要

武器裝備體系試驗(yàn)仿真過程是典型的復(fù)雜系統(tǒng)仿真問題，其基本特征是仿真元素?cái)?shù)目多，彼此耦合，具有高度的組織性[13～14]。從系統(tǒng)工程理論的角度出發(fā)，仿真模型不僅要支持系統(tǒng)的完整性，還要能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)協(xié)同性，顯然這是單一分辨率的模型難以實(shí)現(xiàn)的。此外，仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是能夠“模擬”真實(shí)世界，需要多分辨率模型對(duì)試驗(yàn)任務(wù)中多屬性事件和多功能要素進(jìn)行模擬，以便對(duì)海上作戰(zhàn)的復(fù)雜性進(jìn)行客觀的仿真。

4 海上武器裝備多分辨模型設(shè)計(jì)

4.1 裝備模型體系構(gòu)建

在靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真中，紅方裝備模型主要作為被試裝備和陪試裝備，而藍(lán)方裝備模型承擔(dān)構(gòu)建模擬紅方威脅目標(biāo)的作用?？偟膩碚f，模型的應(yīng)用具體包括兩方面：一是用于試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與推演，可從宏觀角度通過低分辨率模型實(shí)現(xiàn)；二是用于試驗(yàn)仿真分析與評(píng)估，可從微觀角度通過高分辨率模型實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)試驗(yàn)仿真分析與評(píng)估的需求，對(duì)于紅藍(lán)雙方而言，裝備模型都應(yīng)能夠支持仿真系統(tǒng)對(duì)對(duì)空方面作戰(zhàn)、對(duì)海方面作戰(zhàn)以及對(duì)水下方面作戰(zhàn)的復(fù)盤評(píng)估，以及武器裝備、預(yù)警探測(cè)、通信、電子戰(zhàn)等方面的專題復(fù)盤評(píng)估。因此，海上武器裝備模型體系大體上可分為作戰(zhàn)平臺(tái)模型和功能裝備模型，作戰(zhàn)平臺(tái)模型具體包括水面平臺(tái)模型、空中平臺(tái)模型和水下平臺(tái)模型，功能裝備模型可分為攻防武器裝備模型、預(yù)警探測(cè)裝備模型、通信裝備模型和電子戰(zhàn)裝備模型等，如圖1所示。

圖1 海上武器裝備模型體系

4.2 多分辨率模型設(shè)計(jì)

針對(duì)海上武器裝備模型的特點(diǎn)和系統(tǒng)仿真需求，聚合-解聚方法是一種常用也較為有效方法，因此本文選取這一方法建立多分辨率模型。根據(jù)多分辨模型的內(nèi)涵特征及仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際，海上武器裝備的多分辨模型應(yīng)能夠描述兩方面內(nèi)容，即細(xì)節(jié)層次和詳細(xì)程度。

1）細(xì)節(jié)層次的描述

上述構(gòu)建的海上武器裝備體系可以很好地體現(xiàn)模型的層次方向。以“作戰(zhàn)平臺(tái)模型”為例，各方向的任意平臺(tái)模型通過向上聚合可以形成“編隊(duì)模型”，而“編隊(duì)模型”通過向下解聚可以分解為編隊(duì)中的平臺(tái)模型[9]，比如“航母編隊(duì)模型”和“航母模型”、“驅(qū)逐艦?zāi)Ｐ汀薄ⅰ昂藵撏Ｐ汀?、“艦載機(jī)模型”的關(guān)系就屬于兩個(gè)細(xì)節(jié)層次的多分辨率模型。不同層次模型的轉(zhuǎn)換過程上實(shí)質(zhì)上是高分辨率模型和低分辨率模型之間借助具體的算法，通過屬性信息之間的映射實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)也符合聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的實(shí)際需要，例如，仿真過程中，只考慮編隊(duì)運(yùn)動(dòng)信息時(shí)，使用低分辨率的“編隊(duì)模型”即可滿足需求。

2）詳細(xì)程度的描述

對(duì)于任何層次的模型來說，“屬性”是刻畫模型特征的最基本量，可以用來體現(xiàn)模型的詳細(xì)程度。由于實(shí)際裝備之間既具有相同的屬性特征，比如位置、速度等，也具有不同的屬性特征，這主要由裝備的能力特點(diǎn)決定，比如，同屬于潛艇模型，但不同潛艇型號(hào)之間的性能參數(shù)存在差異，這也體現(xiàn)了構(gòu)建專用模型的必要性。因此，為了全面描述裝備模型的屬性特征，本文將“屬性”分為兩類，一是模型普遍具有的屬性，即“通用屬性”，二是在“通用屬性”的基礎(chǔ)上模型專用的屬性，即“參數(shù)化屬性”。

根據(jù)上述分析，可以構(gòu)建海上武器裝備的多分辨率模型空間，如圖2所示。

圖2 海上武器裝備多分辨率模型空間

4.3 聚合-解聚過程分析

根據(jù)上述分析，海上武器裝備多分辨率模型的聚合-解聚過程包括兩個(gè)維度：X-Z空間的聚合解聚和X-Y-Z空間的聚合解聚。Z軸方向描述了多分辨率模型的細(xì)節(jié)層次，X-Y平面描述了多分辨率模型的詳細(xì)程度。

1）X-Z空間的聚合解聚

在聯(lián)合試驗(yàn)仿真過程中，涉及到的通用屬性有實(shí)體數(shù)量、狀態(tài)、位置速度等。以“編隊(duì)模型”的聚合解聚為例，聚合-解聚過程主要指編隊(duì)模型和平臺(tái)模型之間屬性信息的聚合解聚。需指出的是，在X-Z空間下，平臺(tái)模型（水面平臺(tái)、水下平臺(tái)和空中平臺(tái)）的聚合與解聚由模型通用屬性實(shí)現(xiàn)。具體過程如圖3所示。

圖3 X-Z空間聚合解聚過程示例

2）X-Y-Z空間的聚合解聚

針對(duì)在同一個(gè)裝備類別下可能具有多種不同的裝備型號(hào)的裝備建模問題，為了實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一仿真平臺(tái)上的模型可以持續(xù)改進(jìn)升級(jí)，同時(shí)新開發(fā)的模型也可以快速集成，可以采用“模塊化、重用組合”的思想，構(gòu)建基于元模型的模型庫[15]。元模型庫主要為裝備模型的建模提供元模型元素以及元素之間關(guān)系的描述。

此模型構(gòu)建過程聚焦在Y軸參數(shù)化屬性方向上，并與X軸和Y軸方向共同形成完整的高分辨率模型空間?；具^程如下：1）根據(jù)裝備類別特點(diǎn)選取元模型元素進(jìn)行組合形成裝備類別模型；2）針對(duì)該裝備類別下某個(gè)裝備型號(hào)特點(diǎn)，可在原有元模型庫的基礎(chǔ)上補(bǔ)充擴(kuò)展模型內(nèi)容生成裝備型號(hào)模型；3）通過給定數(shù)據(jù)對(duì)建立好的模型進(jìn)行實(shí)例化，最終生成基于元模型的參數(shù)化模型對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定裝備專用模型的高分辨率建模。利用元模型構(gòu)建裝備參數(shù)化模型過程如圖4所示。

圖4 X-Y-Z空間聚合解聚過程

從裝備類別層到裝備模型層的過程是對(duì)裝備類別模型擴(kuò)展細(xì)化的過程，是對(duì)元模型庫中不具備元素的補(bǔ)充。特別是藍(lán)方裝備模型的構(gòu)建問題，還需要進(jìn)一步對(duì)技術(shù)參數(shù)、工作機(jī)理進(jìn)行深入分析和研究，通過基于不完備數(shù)據(jù)的裝備模型建模方法，構(gòu)建相應(yīng)的裝備型號(hào)模型。以美軍SM-6導(dǎo)彈為例，針對(duì)導(dǎo)彈工程級(jí)/交戰(zhàn)級(jí)的仿真過程，應(yīng)該在元模型元素的基礎(chǔ)上分別對(duì)導(dǎo)彈的氣動(dòng)參數(shù)、彈體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模，構(gòu)建導(dǎo)彈從接收目指到打擊目標(biāo)的完整工作流程，從而形成與實(shí)裝接近、滿足仿真粒度需求的理論模型。

5 結(jié)語

本文以采用多分辨率建模技術(shù)建立基于靶場(chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的海上武器裝備模型為目的，對(duì)多分辨率建模的概念方法進(jìn)行了分析闡述，重點(diǎn)通過設(shè)計(jì)裝備多分辨率模型空間和其聚合-解聚過程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上裝備模型的多分辨率建模。該方法能夠?yàn)榘袌?chǎng)聯(lián)合試驗(yàn)仿真系統(tǒng)提供支持，但后續(xù)還需對(duì)模型的一致性維護(hù)、可信度評(píng)估等開展研究，并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)建設(shè)不同優(yōu)化完善設(shè)思路和方法。