聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模方法

92493 部隊 許雪梅

武器裝備實戰(zhàn)化考核必須在貼近真實戰(zhàn)場的聯(lián)合試驗環(huán)境中進行。為解決聯(lián)合試驗環(huán)境構(gòu)建需要跨軍兵種跨靶場試驗系統(tǒng)綜合集成、試驗資源互操作與重用組合的問題，提出聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模方法。以小型化、繼承性和少量化原則為遵循，提出建模方法步驟為分析裝備實體協(xié)議信息，對實體和實體間特征進行一致性處理和分類，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化對象模型，最后優(yōu)化處理；給出TDL 和UML 語言描述對象模型示例。工程實踐表明，利用該方法實現(xiàn)了靶場跨區(qū)分布式試驗資源的互操作，為武器裝備試驗鑒定提供了復(fù)雜對抗環(huán)境，對于相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定參考價值。

武器裝備作戰(zhàn)效能、適用性以及完成特定作戰(zhàn)任務(wù)能力的考核是目前靶場武器裝備試驗鑒定的主要項目。這些考核只有在貼近實戰(zhàn)的試驗環(huán)境下進行才更加真實，而以檢驗武器裝備性能為主的傳統(tǒng)靶場試驗環(huán)境相對理想，難以適應(yīng)以信息為中心、以聯(lián)合作戰(zhàn)為特征的裝備試驗需求，存在以單武器系統(tǒng)為主要試驗對象、試驗系統(tǒng)自成體系互操作性差、威脅目標(biāo)模擬手段有限、仿真試驗置信度偏低、實裝試驗充分性不足等問題，難以滿足武器裝備邊界性能考核、作戰(zhàn)效能以及體系貢獻度評估等需求[1,2]。因此實現(xiàn)各類分布式靶場虛實資源的綜合集成，實現(xiàn)異構(gòu)試驗系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互操作和資源的重用組合，構(gòu)建對抗強度高、電磁環(huán)境復(fù)雜、貼近真實戰(zhàn)場的聯(lián)合試驗環(huán)境[3,4]，是目前靶場努力的方向。這其中最關(guān)鍵的技術(shù)是實現(xiàn)各類LVC[5,7]（L—實裝、V—半實物模擬器、C—數(shù)學(xué)仿真）資源間的互操作、重用和可組合，其核心就是建立對象模型，因為對象模型是聯(lián)合試驗環(huán)境中各種資源交互信息的高度抽象表示，為各種試驗資源進行信息交互提供“公共語言”，實現(xiàn)試驗系統(tǒng)內(nèi)部或試驗系統(tǒng)之間語義層面的互操作，也就是說對象模型是實現(xiàn)試驗資源互操作和重用的基礎(chǔ)[8-10]。為此，如何建立聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型、如何建立標(biāo)準(zhǔn)化的對象模型成為關(guān)鍵問題。

1 聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模原則

聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模過程就是采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ庋b靶場運行過程中需要傳輸和交換的所有信息，描述與靶場資源相關(guān)的對象定義、繼承和關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過聚合各種標(biāo)準(zhǔn)“積木”對象，采用“自底向上”的方法逐步建立標(biāo)準(zhǔn)對象模型。從聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模過程和實際使用角度，可以將對象模型分為3 類：（1）用戶定義對象模型，即符合元模型建模要求，由用戶為滿足某種特定需求而自定義的、不具有通用性的對象模型；（2）準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)對象模型，即符合元模型建模要求，按照邏輯靶場應(yīng)用定義，具有一定通用性、未經(jīng)管理機構(gòu)最終確認的對象模型；（3）標(biāo)準(zhǔn)對象模型，即符合元模型建模要求，按照邏輯靶場應(yīng)用定義，具有一定通用性、被廣泛接受、被管理機構(gòu)確定為標(biāo)準(zhǔn)的對象模型。

從上述分類可見，對象模型建模是一個循序漸進、不斷迭代發(fā)展的過程，不可能一蹴而就，為避免走彎路，建議遵循以下原則：

（1）小型化原則，即對象模型的建立首先應(yīng)是著眼于大多數(shù)對象模型所依賴的微小、可重用的對象，而不是著眼于大規(guī)模信息建模問題。也就是說首先建立幾乎所有靶場資源都可以共用的小型對象模型，大型對象模型則通過“積木式”組合的方式構(gòu)建。比如，“時間”“位置”“方向”“速度”等小型對象模型先進行建模和標(biāo)準(zhǔn)化，TSPI（T—時間、S—空間、P—位置、I—信息）對象模型（屬于中型對象模型）就可以直接由這些標(biāo)準(zhǔn)化的小型對象模型組合而成，而平臺、武器、傳感器等大型對象模型則由TSPI 和其他對象模型組合而成。

（2）繼承性原則，即通過繼承通用化、共性對象模型的方式，直接具備了擬構(gòu)建對象模型的基本屬性和行為，再通過增加自身特有的屬性和行為，形成新的對象模型。比如，基礎(chǔ)平臺對象模型的屬性和行為是艦船、飛機等平臺共有的，則艦船、飛機平臺的對象模型在繼承基礎(chǔ)平臺對象模型的基礎(chǔ)上，增加艦船本身特有的類型、主要參數(shù)、船型系數(shù)、動力裝置、可操縱性能等屬性和行為，構(gòu)成艦船平臺對象模型，同樣增加飛機本身特有的類型、起飛與降落、爬升與下降、航行范圍、姿態(tài)與受力等屬性和行為，構(gòu)成飛機平臺對象模型。

（3）少量化原則，即標(biāo)準(zhǔn)對象模型越少越好，最終目標(biāo)是實現(xiàn)以有限的標(biāo)準(zhǔn)化對象模型表征無限的試驗裝備資源交互信息。比如靶場的雷達裝備包括光測、遙測、連續(xù)波脈沖等，體制各異，種類型號繁多，但所有雷達對應(yīng)的對象模型只能抽象出一個，這就要求對所有雷達的信息交互接口協(xié)議進行研究，從中抽離雷達共性屬性和行為，形成能夠表征靶場所有類型雷達的對象模型。

2 聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模方法

聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型建模的基本方法是首先分析各類試驗裝備實體的協(xié)議信息，對實體和實體間特征進行一致性處理和分類，再進行小型對象模型或基礎(chǔ)對象模型構(gòu)建，最后構(gòu)建與實體相對應(yīng)的對象模型并進行優(yōu)化處理。

2.1 實體接口協(xié)議分析

由于聯(lián)合試驗環(huán)境對象模型分為SDO（狀態(tài)分布對象，是包含狀態(tài)和方法的分布式對象，支持面向狀態(tài)的發(fā)布/訂閱和遠程方法調(diào)用，適用于分布式實時通信與交互）、消息和數(shù)據(jù)流3種，因此首先應(yīng)對各類試驗裝備實體的交互協(xié)議進行分析，確定交互協(xié)議描述的內(nèi)容是實體的狀態(tài)信息、交互的事件信息還是數(shù)據(jù)流信息，這3 類信息分別對應(yīng)SDO、消息和數(shù)據(jù)流，其中實體的狀態(tài)信息和交互的事件信息都是針對實體的，統(tǒng)稱為實體信息類。

2.2 實體特征一致性處理

對于實體信息類協(xié)議，重點分析其中所描述實體的特征以及特征的數(shù)據(jù)類型。由于實體信息協(xié)議數(shù)量很多，且由不同人員設(shè)計，對于同種類型實體如雷達，若型號不同則很可能實體協(xié)議不同，這樣就可能存在同種類型實體的實體特征不一致、特征名稱不一致、特征類型不一致等問題。因此需要首先進行實體特征的一致性處理，以保證實體信息表達的完整性和準(zhǔn)確性。

對于實體特征不一致的情況，將同類實體協(xié)議中的實體特征取并集作為該類實體的特征，以保證實體特征的完整性。即其中Pij=(xi1,xi2……xi m),m≥ 0，Ei表示實體，(xi1,xi2……xin)表示實體Ei包含的n個特征，Pij表示協(xié)議j中描述的Ei實體所包含的特征，s表示實體協(xié)議數(shù)量。

對于實體特征類型不一致的情況，使用唯一的特征名稱對應(yīng)一個特征，特征名稱不同但實際含義相同的確定為同一特征，不重復(fù)記錄特征。

對于實體特征類型不一致的情況，如協(xié)議中對同一特征對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型可能存在差異，同樣是實體位置特征，某些協(xié)議為4 個字節(jié)，而在其他協(xié)議中為8 個字節(jié)，這時取實體特征最大字節(jié)數(shù)作為該特征的數(shù)據(jù)類型，以此涵蓋全部協(xié)議對實體特征數(shù)據(jù)類型的要求。

2.3 實體間的特征一致性處理

對于不同類型的實體，表征相同特征也可能存在不一致情況，例如飛機平臺的高度特征名稱為高度，而地形環(huán)境的高度特征名稱為高程，又如雷達的經(jīng)度特征數(shù)據(jù)類型為4 個字節(jié)，導(dǎo)彈的經(jīng)度特征數(shù)據(jù)類型為8 個字節(jié)等。此時需要進行一致性處理使得實體之間具有相同特征的名稱和數(shù)據(jù)類型保持一致，這樣做的好處是實現(xiàn)小型對象模型構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化，進而實現(xiàn)組合而成的大型對象模型標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4 實體特征分類

在對實體特征進行一致性處理后，對實體特征進一步分析，按照目錄結(jié)構(gòu)進行歸類，即將實體特征分為若干個大類別，每個大類別再分為若干個子類別，如將時空位置（TSPI）作為大類，再劃分出位置、速度、加速度等子類。每個子類可再劃分為子類，例如位置類可進一步劃分出地心坐標(biāo)位置類和大地坐標(biāo)位置類等，將實體特征劃分到大類或各個層次的子類中，從而形成類別的樹型結(jié)構(gòu)，實體特征全部劃分到樹型結(jié)構(gòu)的葉子節(jié)點，清晰表達出實體特征的層次結(jié)構(gòu)，如圖1 所示為2 層分類的樹型結(jié)構(gòu)。各實體具有相同特征的類或子類的名稱統(tǒng)一命名，從而保證不同實體中具有相同特征的分類名稱一致性。分類的目的是為構(gòu)建小型對象模型或基礎(chǔ)對象模型奠定基礎(chǔ)。將大多數(shù)實體特征按照所屬類別劃分到不同的子類中，少量不能夠劃分到子類中的特征則體現(xiàn)了實體本身的特殊性質(zhì)，獨立存在。

圖1 實體特征樹型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of tree structure of entity characteristics

2.5 基礎(chǔ)對象模型構(gòu)建

基礎(chǔ)對象模型是對實體子類信息的抽象，每一個實體子類建立一個基礎(chǔ)對象模型，以每個子類英文小寫命名對象模型名稱，對象模型的屬性定義原則如下：

（1）若該子類只包含葉子節(jié)點，對象模型屬性為子類的實體特征集合，實體特征名稱英文小寫作為屬性名稱，以實體特征的類型作為對象模型屬性類型。此對象模型為小型對象模型，如上述的位置對象模型就是標(biāo)準(zhǔn)化的小型對象模型。

（2）除上述情況外，對象模型屬性由兩部分組成，一部分為與其直接相連的子類，以子類英文小寫作為屬性名稱，以子類英文首字母大寫作為屬性類型；另一部分為與其直接相連的葉子節(jié)點，即其包含的特征，以實體特征名稱英文小寫作為屬性名稱，以實體特征的類型作為對象模型屬性類型。此對象模型為由小型對象模型組合而成的中型對象模型，如上述的TSPI 對象模型就是由時間、位置、速度、加速度、方向、角速度、角加速度這些小型對象模型組合而成的中型對象模型。

2.6 大型對象模型構(gòu)建

大型對象模型是對某一類實體整體的抽象，利用上述已構(gòu)建的小型對象模型或中型對象模型，通過組合的方式構(gòu)建大型對象模型。具體方法是將某一類多個實體按照特征進行分類，具有相同特征或相同子類的進行合并，如圖2 所示，實體1 和實體2 共用了子類2 和特征5。

圖2 多個實體共用實體特征示意圖Fig.2 Diagram of multiple entities share entity characteristics

采用組合方式，以實體類別英文小寫的名稱作為大型對象模型名稱，將所有實體直接連接的節(jié)點作為對象模型的屬性，與實體直接相連的葉子節(jié)點的實體特征名稱英文小寫作為屬性名稱，以實體特征的數(shù)據(jù)類型作為對象模型屬性類型，以子類英文小寫的名稱作為屬性名稱，以子類名英文首字母大寫作為屬性類型。如基礎(chǔ)平臺對象模型就是由TSPI 以及平臺環(huán)境、敵我關(guān)系、平臺受損狀態(tài)、DR 算法等中型對象模型組合而成的大型對象模型。

2.7 對象模型優(yōu)化

由于試驗裝備類型多交互協(xié)議多，在對象模型使用過程中可能會出現(xiàn)構(gòu)建的對象模型不一定能完全覆蓋裝備屬性的情況，需要不斷充實完善，并經(jīng)過跨靶場跨軍種多次使用最終由專門管理機構(gòu)確認形成標(biāo)準(zhǔn)對象模型，供全軍聯(lián)合試驗任務(wù)調(diào)用。

3 對象模型建模示例與應(yīng)用

3.1 雷達對象模型建模示例

對象模型可用UML（統(tǒng)一建模語言）、XML（可擴展標(biāo)記語言）、TDL（實驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)TENA[11]定義語言）等語言描述。對象模型建模過程是對象模型文檔化的過程，利用各種元模型元素將抽象化的對象模型可視化。以雷達對象模型為例加以說明。目前靶場雷達按用途分有警戒雷達、導(dǎo)航雷達、測高雷達、測速雷達、火控雷達、氣象雷達等，按信號形式分有脈沖雷達、連續(xù)波雷達、頻率捷變雷達等，種類多數(shù)量大，且研制廠家各異，存在同類型雷達接口協(xié)議不同、實體特征不同、特征類型不一致等情況。通過對靶場各型雷達接口協(xié)議分析，經(jīng)過一致性處理和分類，抽象出各型雷達通用的互操作特征屬性，如圖3 所示。再按照上述建模方法對各特征屬性命名，按照先對類型、功能、狀態(tài)、目標(biāo)、發(fā)射、接收等子類建立基礎(chǔ)對象模型，再通過聚合、繼承建立雷達實體對象模型，如圖4 所示。

圖3 雷達互操作特征屬性示意圖Fig.3 Diagram of radar interoperable feature attributes

圖4 雷達對象模型Fig.4 Radar object model

3.2 雷達對象模型應(yīng)用示例

在聯(lián)合試驗環(huán)境中，有些武器裝備的邊界條件在外場實裝環(huán)境下難以考核，需要在LVC 資源集成構(gòu)建任務(wù)環(huán)境下進行試驗。例如多目標(biāo)攔截項目，由模擬導(dǎo)彈類目標(biāo)的外場輻射式電子靶標(biāo)模擬多方向流導(dǎo)彈目標(biāo)，由內(nèi)場數(shù)字導(dǎo)彈實施攔截，這時各型雷達需要與指揮控制中心、半實物模擬器和內(nèi)場仿真模型進行實時互操作，按照傳統(tǒng)方法需要各型雷達協(xié)議逐一與交互裝備對接并進行接口改造，周期長效率較低，而采用各型雷達都通用的標(biāo)準(zhǔn)對象模型作為互操作的公共語言，就可極大提高資源重用效率。如圖5 所示，各型雷達探測電子靶標(biāo)信息，并將信息送至指控中心，由指控中心處理融合，向內(nèi)場導(dǎo)彈模型發(fā)送攔截指令，從而完成信息的實時交互。該過程中雷達對象模型和彈藥模型起到了公共通信語言的重要作用。

圖5 對象模型應(yīng)用示例Fig.5 Example of object model application

4 結(jié)論

利用上述對象模型建模原則和方法，建立了應(yīng)用于試驗訓(xùn)練領(lǐng)域的具有海軍特色的標(biāo)準(zhǔn)對象模型集，涵蓋平臺、武器、交戰(zhàn)、裝備、環(huán)境、應(yīng)用管理等類別，已成功應(yīng)用于靶場跨四個地理區(qū)域的試驗資源集成，不僅實現(xiàn)了外場實裝間的互操作，還實現(xiàn)了內(nèi)場仿真與外場實裝間的互操作，為武器裝備實戰(zhàn)化考核構(gòu)設(shè)了貼近實戰(zhàn)的復(fù)雜對抗環(huán)境，較好解決了以往試驗環(huán)境較理想以及武器裝備邊界條件難以考核的問題。

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