王步云 孫永侃 孫衛(wèi)東
(海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所 大連 116023)
仿真平臺(tái)是作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心組件,它是與具體仿真應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)關(guān)的公共服務(wù)集合,包括模型框架管理、時(shí)間管理以及事件調(diào)度等服務(wù),為作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)施提供一個(gè)公共運(yùn)行環(huán)境[1]?;诜抡嫫脚_(tái)開(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)可以降低開(kāi)發(fā)難度、提高開(kāi)發(fā)效率、節(jié)省研制周期,使仿真開(kāi)發(fā)人員主要關(guān)注于仿真平臺(tái)的使用和領(lǐng)域業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā),而不再在仿真底層技術(shù)上花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力,是當(dāng)前主流的一種仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)常用的仿真平臺(tái)有十余種,每種平臺(tái)都有各自特點(diǎn),能夠支持裝備論證、戰(zhàn)法研究等各類(lèi)需求。選擇不同的平臺(tái)就確定了系統(tǒng)研制的技術(shù)路線(xiàn),決定了仿真模型、仿真想定等各類(lèi)仿真資源的開(kāi)發(fā)方式,也在一定程度上決定了系統(tǒng)功能和性能。因此遴選合適的仿真平臺(tái)是開(kāi)展作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制的重要前提。
為此本文結(jié)合海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需求,圍繞海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的選擇開(kāi)展研究。
作為設(shè)計(jì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)、提高打贏能力的重要支撐手段[2],作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诤I暇庩?duì)作戰(zhàn)能力生成方面發(fā)揮重要作用。海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)就是要利用仿真推演和評(píng)估兩種手段,從作戰(zhàn)過(guò)程和作戰(zhàn)效果兩個(gè)角度分析海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案,建立涵蓋“方案—想定—推演—評(píng)估”全過(guò)程的作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案評(píng)估、作戰(zhàn)軍事需求論證、戰(zhàn)法創(chuàng)新論證等提供支持。
1)想定編輯與管理:想定是仿真系統(tǒng)的輸入。仿真想定的編輯與管理是作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的基本功能。系統(tǒng)支持作戰(zhàn)方案的導(dǎo)入并在此基礎(chǔ)上編輯仿真想定,能夠?qū)崿F(xiàn)仿真想定的導(dǎo)入、導(dǎo)出等管理。
2)仿真推演功能:在各類(lèi)仿真模型的支持下,依據(jù)仿真想定實(shí)現(xiàn)海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案的推演。具體功能包括:推演運(yùn)行及控制、海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示、仿真數(shù)據(jù)記錄與分析等。系統(tǒng)應(yīng)支持“人不在回路”和“人在回路”兩種方式的推演,豐富推演手段。
3)作戰(zhàn)方案評(píng)估:在建立評(píng)估指標(biāo)、選擇實(shí)驗(yàn)因子的基礎(chǔ)上,對(duì)經(jīng)推演驗(yàn)證后的作戰(zhàn)方案進(jìn)行大樣本仿真,得到海量仿真數(shù)據(jù);最后利用數(shù)據(jù)挖掘手段對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)影響作戰(zhàn)效果重要因素,對(duì)比不同作戰(zhàn)方案之間的優(yōu)劣,實(shí)現(xiàn)海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案的評(píng)估,從而為輔助作戰(zhàn)指揮人員擬制作戰(zhàn)方案、實(shí)現(xiàn)海上編隊(duì)作戰(zhàn)戰(zhàn)法創(chuàng)新提供了有效手段。具體功能包括指標(biāo)體系構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、大樣本仿真運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)分析與評(píng)估等。
依據(jù)海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)需求,仿真平臺(tái)應(yīng)具備如下能力:
1)完備的仿真模型框架
海上編隊(duì)作戰(zhàn)涉及海軍所有兵種,同時(shí)還涉及其他軍種兵力,在作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要圍繞這些參戰(zhàn)兵力、裝備構(gòu)建大量仿真模型,因此要求仿真平臺(tái)提供靈活的仿真模型框架,能夠?qū)ψ鲬?zhàn)裝備、作戰(zhàn)戰(zhàn)法分別建模,支持形式化的作戰(zhàn)規(guī)則描述,提供作戰(zhàn)規(guī)則表述機(jī)制和組織管理工具。
2)靈活的仿真手段
仿真平臺(tái)應(yīng)該具備靈活的仿真手段,以滿(mǎn)足不同的仿真需求。在推進(jìn)方式上,支持時(shí)間步長(zhǎng)推進(jìn)方式和事件步長(zhǎng)推進(jìn)方式;支持大樣本仿真,滿(mǎn)足大樣本、超實(shí)時(shí)仿真對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的需求;支持人在回路仿真和人不在回路仿真;支持仿真過(guò)程的記錄和回放;支持多決策分支推演。
3)大規(guī)模的仿真能力
仿真平臺(tái)必須具備大規(guī)模仿真能力[3]。海上編隊(duì)作戰(zhàn)涉及兵力多。以海上編隊(duì)典型對(duì)海突擊作戰(zhàn)方案的仿真為例,涉及的實(shí)體包括各類(lèi)作戰(zhàn)平臺(tái)、各型導(dǎo)彈,其數(shù)量以千計(jì),因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持的仿真實(shí)體數(shù)量需求應(yīng)不少于1000個(gè)。
4)較高的運(yùn)行效率
海上編隊(duì)作戰(zhàn)涉及要素多,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。要求仿真平臺(tái)能夠支持長(zhǎng)時(shí)間推演;同時(shí)應(yīng)具備較高的運(yùn)行效率,能夠在短時(shí)間內(nèi)完成海上編隊(duì)作戰(zhàn)的全過(guò)程推演。
5)強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)能力
作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)需求不斷變化,仿真平臺(tái)應(yīng)具備較強(qiáng)的二次開(kāi)發(fā)能力,根據(jù)海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)整、優(yōu)化相關(guān)功能,比如通過(guò)二次開(kāi)發(fā)兼容現(xiàn)有實(shí)裝指揮信息系統(tǒng)導(dǎo)出的作戰(zhàn)方案,實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)方案的推演和評(píng)估等。
6)開(kāi)放的數(shù)據(jù)組織方式
提供結(jié)構(gòu)合理、易于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)組織機(jī)制,方便讀取想定、模型等各類(lèi)輸入數(shù)據(jù),為態(tài)勢(shì)顯示和分析評(píng)估提供靈活的輸出數(shù)據(jù);具備良好的開(kāi)放性和靈活性,滿(mǎn)足系統(tǒng)的松耦合性要求,便于其它滿(mǎn)足規(guī)范和格式的其它數(shù)據(jù)接入。
7)支持分布式部署
支持集中式仿真和分布式仿真,滿(mǎn)足聯(lián)合作戰(zhàn)、海上編隊(duì)、單艦、裝備等各種規(guī)模、粒度的海上編隊(duì)作戰(zhàn)仿真需求;支持HLA、DIS 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入,實(shí)現(xiàn)已有仿真系統(tǒng)或模型的接入。
8)友好的人機(jī)交互性
海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)面向的用戶(hù)不僅僅是仿真專(zhuān)業(yè)人員,更是非仿真專(zhuān)業(yè)的軍事指揮人員,因此要求系統(tǒng)具備良好的可操作性和易用性,非仿真專(zhuān)業(yè)人員也能便捷地根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要目的是評(píng)估海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案,輔助指揮員擬制、優(yōu)選作戰(zhàn)方案,因此從導(dǎo)入作戰(zhàn)方案、編輯仿真想定到生成評(píng)估結(jié)論報(bào)告的時(shí)間越短越好,用戶(hù)使用的越便捷越好。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)常用平臺(tái)有FLAMES、VR-Forces 等,每種平臺(tái)都有各自的特點(diǎn),并有廣泛應(yīng)用。
FLAMES(Flexible Analysis and Modeling Effectiveness System)是美國(guó)Ternion公司20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)的仿真軟件[4]。該系統(tǒng)是基于行為仿真的開(kāi)放式仿真框架軟件,用戶(hù)需要以該仿真框架為基礎(chǔ),建立自身的裝備模型、行為模型來(lái)滿(mǎn)足自身需求,開(kāi)發(fā)自己的仿真系統(tǒng),具備較好的靈活性,常用于新概念武器論證、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役仿真、新戰(zhàn)法研究和驗(yàn)證。
VR-Forces 是美國(guó)MAK 公司推出的一套強(qiáng)大而靈活的C++仿真開(kāi)發(fā)工具包[5],它包括簡(jiǎn)單易用的圖形接口、強(qiáng)大的仿真平臺(tái)和一套面向?qū)ο蟮腁PI,能為戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練模擬器、威脅生成系統(tǒng)、行為模型測(cè)試系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)兵力生成系統(tǒng)提供必需的仿真手段。
MAXSim 則是以色列推出的仿真平臺(tái),它采用先進(jìn)的GBB技術(shù)和DMAS系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了巨大實(shí)體數(shù)量(4-100 萬(wàn)個(gè))的實(shí)時(shí)仿真[6],具備精細(xì)的裝備建模、基于狀態(tài)機(jī)的行為建模和強(qiáng)大的系統(tǒng)運(yùn)行管理功能,常用于合同戰(zhàn)術(shù)、分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)層次的仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[7]。
XSim 是一款成熟的仿真應(yīng)用平臺(tái)和專(zhuān)業(yè)的仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)[8],自帶了一系列工具和豐富的專(zhuān)業(yè)模型庫(kù),支持用戶(hù)利用已有資源直接在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究、論證、試驗(yàn)和訓(xùn)練;作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),該平臺(tái)提供了高效的仿真運(yùn)行引擎和完善的建??蚣?,圍繞仿真準(zhǔn)備、運(yùn)行和分析,提供組件開(kāi)發(fā)、模型裝配、想定編輯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、管理控制、想定運(yùn)行、態(tài)勢(shì)顯示、分析評(píng)估等一系列工具。
墨子系統(tǒng)是北京華戍防務(wù)技術(shù)有限公司在Commander 平臺(tái)上研發(fā)的綜合仿真平臺(tái)[9],支持從頂層戰(zhàn)略籌劃到單武器平臺(tái)精細(xì)控制全縱向指揮控制仿真,能夠?qū)崿F(xiàn)武器裝備戰(zhàn)術(shù)使用原則約束下完成多方之間對(duì)抗博弈,常見(jiàn)于兵棋推演系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面。
CISE 為北京仿真中心自主的基于組件先進(jìn)技術(shù)的新一代模塊化建模仿真環(huán)境[10],包含了完整的想定開(kāi)發(fā)工具、仿真平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具等。該平臺(tái)通過(guò)圖形化建模方式,建立仿真系統(tǒng)的信息流模型,實(shí)現(xiàn)模型資源可重用和一體化建模仿真,為仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試提供可視化、便捷、快速和自動(dòng)化的支持。
1)這些平臺(tái)基本包含一整套仿真開(kāi)發(fā)工具或者軟件開(kāi)發(fā)包,包括想定編輯工具、模型建??梢暬ぞ摺⒎抡嫫脚_(tái)、數(shù)據(jù)采集和分析工具等,具備一定的二次開(kāi)發(fā)能力,減小了仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度,能夠較好滿(mǎn)足各類(lèi)作戰(zhàn)仿真的需求。
2)各仿真平臺(tái)自成體系,在各自平臺(tái)的基礎(chǔ)上,形成了從想定到模型到數(shù)據(jù)的一套規(guī)范,平臺(tái)之間想定難以重用、模型難以共享、數(shù)據(jù)難以互通;對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),如果使用不同的仿真平臺(tái),想定、模型、數(shù)據(jù)都需要重新開(kāi)發(fā),增加了重復(fù)性的勞動(dòng),不利于異構(gòu)系統(tǒng)開(kāi)展聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。
MAXSim 是一個(gè)基于多Agent 技術(shù)的、開(kāi)放的仿真平臺(tái),它采用GBB(Generic Black-Board)+DMAS(Distributed Multi-Agent Systems)架構(gòu),具備豐富的開(kāi)發(fā)接口和強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)能力,可廣泛應(yīng)用于諸軍兵種戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)和裝備仿真,是支持戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練與作戰(zhàn)研究、武器裝備論證的仿真應(yīng)用與開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。
MAXSim采用GBB+DMAS架構(gòu),如圖1所示。
圖1 MAXSim體系結(jié)構(gòu)
GBB 主要用于仿真數(shù)據(jù)的傳遞和共享。GBB通過(guò)配置文件創(chuàng)建固定大小的共享內(nèi)存空間,避免了在仿真運(yùn)行過(guò)程中對(duì)內(nèi)存的頻繁申請(qǐng)、釋放等操作,提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率,同時(shí)消除了因內(nèi)存管理可能導(dǎo)致的系統(tǒng)災(zāi)難性后果的可能性。
DMAS 框架則是要求利用多Agent 的思想建立仿真系統(tǒng),Agent 間采用GBB 方式交互;通過(guò)Agent建模,實(shí)現(xiàn)了仿真業(yè)務(wù)和底層引擎的分離,用戶(hù)可以將重點(diǎn)集中于領(lǐng)域仿真模型的開(kāi)發(fā)。這種松耦合的體系架構(gòu)下,數(shù)據(jù)表示和仿真執(zhí)行相對(duì)分離。
在此基礎(chǔ)上,仿真平臺(tái)圍繞仿真準(zhǔn)備、仿真運(yùn)行、仿真分析等提供了模型準(zhǔn)備、想定編輯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、管理控制、想定運(yùn)行、態(tài)勢(shì)顯示、分析評(píng)估等一系列工具,為用戶(hù)仿真開(kāi)發(fā)提供完備的手段。
1)完善的仿真模型體系
MAXSim 引擎模型體系包括裝備模型和行為模型。模型體系如圖2所示。
圖2 仿真模型體系
裝備模型包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、傳感器、通信設(shè)備、電子干擾設(shè)備、武器系統(tǒng)等類(lèi),各類(lèi)還可向下細(xì)分,如平臺(tái)類(lèi)可分為水面艦艇、潛艇、飛機(jī)等。在平臺(tái)提供的模型模板內(nèi)填入相應(yīng)參數(shù)即可完成建模。行為模型又可分為指揮官行為、實(shí)體行為、武器行為[11]。每個(gè)行為模型采用有限狀態(tài)機(jī)形式建模,由狀態(tài)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件組成,每個(gè)狀態(tài)下,定義了一系列的動(dòng)作,平臺(tái)為用戶(hù)提供可視化界面實(shí)現(xiàn)行為模型的編輯。此外MAXSim 平臺(tái)自身集成了水面艦艇、艦載機(jī)等模型近千個(gè),仿真用戶(hù)可直接調(diào)用。
2)靈活的仿真手段
根據(jù)仿真需求,MAXSim 提供靈活的仿真手段供用戶(hù)選擇。支持基于事件和基于時(shí)間的仿真推進(jìn);具備人在回路的仿真推演能力,推演過(guò)程中,用戶(hù)可以控制任意作戰(zhàn)實(shí)體機(jī)動(dòng)路線(xiàn)、傳感器狀態(tài)、武器系統(tǒng)行為等;能夠通過(guò)GBB 瀏覽器查看仿真實(shí)體當(dāng)前狀態(tài)和消息隊(duì)列的當(dāng)前內(nèi)容;具備強(qiáng)大的仿真過(guò)程記錄和回放能力;支持GIS 系統(tǒng)和三維圖形系統(tǒng)的接入,幫助用戶(hù)分析仿真過(guò)程。
3)高效的仿真能力
MAXSim 具備高效的仿真引擎,采用的GBB 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳遞和共享,DMAS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多線(xiàn)程的并行運(yùn)行,充分發(fā)揮多節(jié)點(diǎn)、多CPU、多核的硬件環(huán)境的計(jì)算能力。能夠支持10000 以上獨(dú)立部署的實(shí)體;在運(yùn)行效率上,支持20ms的仿真步長(zhǎng);在大樣本模式下,實(shí)體數(shù)量1000 以上時(shí),可實(shí)現(xiàn)20倍以上的加速比。
4)靈活的二次開(kāi)發(fā)能力
MAXSim 具備強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)能力,開(kāi)發(fā)過(guò)程比較簡(jiǎn)便。用戶(hù)只需要了解GBB 的讀寫(xiě)規(guī)則就可以十分快捷的開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用。平臺(tái)提供AgentBase類(lèi),并提供一系列標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),用戶(hù)可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)自己的Agent 模型;提供GBB 結(jié)構(gòu)的相關(guān)類(lèi),用戶(hù)可以通過(guò)派生子類(lèi)進(jìn)行繼承并重寫(xiě)相關(guān)函數(shù),根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)GBB 中主實(shí)體表、描述符表、消息表等內(nèi)容處理。
5)開(kāi)放的數(shù)據(jù)組織方式
MAXSim 具備較為開(kāi)放的數(shù)據(jù)組織方式。其想定格式是通用XML 文件格式??梢酝ㄟ^(guò)擴(kuò)展XML 文件區(qū)塊或增加附屬文件實(shí)現(xiàn)想定文件的擴(kuò)展。擴(kuò)展之后可以將已有格式化作戰(zhàn)方案導(dǎo)入到想定文件中,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的重用。支持外部應(yīng)用接入和應(yīng)用擴(kuò)展;通過(guò)應(yīng)用配置文件可以同步啟動(dòng)任務(wù)外部框架應(yīng)用。外部框架應(yīng)用可以按照GBB接口規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě),就可以從MAXSim 系統(tǒng)中獲得數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。
6)支持分布式仿真
MAXSim 基于ACE 通信中間件實(shí)現(xiàn)了串行網(wǎng)絡(luò)適配器(Serial Network Adapter:SNA)接口,進(jìn)而支持多節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)同步,確保各節(jié)點(diǎn)仿真時(shí)間同步推進(jìn),實(shí)現(xiàn)MAXSim 的分布部署。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
圖3 MAXSim分布仿真結(jié)構(gòu)
MAXSim 還可以通過(guò)定制通信網(wǎng)關(guān),集成具有DIS、HLA/RTI等接口的其它仿真成員節(jié)點(diǎn)。
7)友好的人機(jī)交互性
MAXSim 具有較好的人機(jī)交互能力,各仿真工具提供可視化的操作界面,具有出色的創(chuàng)建、監(jiān)視和控制想定的能力,人機(jī)交互友好且戰(zhàn)法編輯更為方便快捷。即使是非仿真專(zhuān)業(yè)人員也可通過(guò)編輯參數(shù)配置文本文件即可改變各種機(jī)動(dòng)載體和動(dòng)力學(xué)模型、傳感器特性和損傷模型,通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊和鍵盤(pán)輸入利用創(chuàng)建好的邏輯模型實(shí)現(xiàn)兵力布局、創(chuàng)建行動(dòng)路線(xiàn)、為實(shí)體分派任務(wù)和布置計(jì)劃。結(jié)合較高的仿真效率,有利于用戶(hù)根據(jù)需要隨時(shí)開(kāi)展仿真分析。
通過(guò)上述比較分析,結(jié)果表明,該仿真平臺(tái)在仿真規(guī)模與效率、仿真模型框架、系統(tǒng)易用性等方面均能滿(mǎn)足海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)需求,是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可選的仿真平臺(tái)。
海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是開(kāi)展海上編隊(duì)作戰(zhàn)方案評(píng)估、戰(zhàn)法創(chuàng)新論證的重要手段。當(dāng)前用于作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的仿真平臺(tái)較多,選擇合適的仿真平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)論證的重要內(nèi)容。本文分析了海上編隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)需求及對(duì)仿真平臺(tái)的要求,然后重點(diǎn)比對(duì)分析了MAXSim 仿真平臺(tái)的特性,結(jié)果表明,MAXSim在各個(gè)方面均滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)任務(wù)需求。