美國與北約建模仿真標(biāo)準(zhǔn)體系綜述

楊國強(qiáng),張 昱

(軍事科學(xué)院戰(zhàn)爭研究院,北京 100091)

1 引言

建模仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,是對建模和仿真相關(guān)項目、過程、實(shí)踐和方法建立的統(tǒng)一工程和技術(shù)要求的文檔。建模仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范能夠有效提高建模仿真資源的可重用性,減少仿真系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù)和使用開銷,增加建模仿真過程和系統(tǒng)的可靠性和可用性。

美國與北約非常重視建模仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。美國的建模仿真標(biāo)準(zhǔn)制定組織包括:美國國防部建模與仿真協(xié)調(diào)辦公室(DoD Modeling and Simulation Office,DMSO)、仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)化組織(Simulation Interoperability Standards Organization,SISO)。北約的建模仿真標(biāo)準(zhǔn)制定組織包括:北約標(biāo)準(zhǔn)化辦公室(NATO Standardization Office,NSO)、北約建模與仿真組織(NATO Modelling and Simulation Group,NMSG)等。此外還有一些國際性的標(biāo)準(zhǔn)化組織也發(fā)布了一些建模仿真相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),這些組織包括:電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standardization Organization,ISO)等。

美國與北約在多年實(shí)踐中總結(jié)提出了一系列建模仿真相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),按照應(yīng)用背景,可以分為以下四種類型:

1)技術(shù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),用于從高層視圖指導(dǎo)建模仿真工程的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模仿真系統(tǒng)的開發(fā)以及建模仿真過程的組織實(shí)施等。

2)想定與模型標(biāo)準(zhǔn),用于對建模過程、模型邏輯、想定內(nèi)容等進(jìn)行規(guī)范化描述,目的是提高想定和模型的可重用性。

3)仿真互操作標(biāo)準(zhǔn),為分布式仿真系統(tǒng)定義其技術(shù)架構(gòu)、交互協(xié)議、功能接口等,從而提高分布式仿真系統(tǒng)各子系統(tǒng)間的互操作性。

4)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),建模仿真相關(guān)數(shù)據(jù)的生成接口、存儲格式和元數(shù)據(jù)規(guī)范等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),目的是提高建模仿真數(shù)據(jù)資源的可重用性。

下面對每種類型中得到較廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行介紹。

2 美國與北約建模仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2.1 技術(shù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 HLA Federation Development and Execution Process(FEDEP)

FEDEP[1,2]是IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)(即High Level Architecture, HLA)的一部分,該標(biāo)準(zhǔn)從一個高層視圖定義如何基于用戶需求開發(fā)和運(yùn)行HLA聯(lián)邦,用于指導(dǎo)基于HLA的分布式仿真過程的實(shí)施。其前身是美國國防部建模仿真辦公室(DMSO)于1999年提出的High Level Architecture Federation Development and Execution Process (FEDEP) Model,2003年由IEEE委托SISO制定并發(fā)布成為IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

2.1.2 Recommended Practice for Distributed Simulation Engineering and Execution Process(DSEEP)

DSEEP[3]用于從高層視角指導(dǎo)分布式仿真系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和實(shí)施,其將分布式仿真過程分為七個步驟:定義仿真目標(biāo)、進(jìn)行概念分析、設(shè)計仿真環(huán)境、開發(fā)仿真環(huán)境、集成與測試仿真環(huán)境、仿真運(yùn)行、分析與評估,并對每個步驟的實(shí)施過程進(jìn)行了規(guī)范描述。DSEEP是FEDEP的擴(kuò)展,FEDEP適用于基于HLA的分布式仿真,而DSEEP則適用于所有分布式仿真應(yīng)用場景[4]。2011年DSEEP由IEEE委托SISO制定,并被作為IEEE 1730標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。2012年SISO又提出了該標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(Distributed Simulation Engineering and Execution Process (DSEEP) Multi-Architecture Overlay, DMAO),用于指導(dǎo)包含異構(gòu)體系架構(gòu)的分布式仿真活動。

2.1.3 Verification, Validation &Accreditation (VV&A) Recommended Practices Guide (VV&A RPG)

VV&A RPG[5]是美國國防部發(fā)布的一個用于仿真模型和系統(tǒng)校驗(yàn)的指南,描述了仿真模型和系統(tǒng)校驗(yàn)的相關(guān)概念、基本理論、主要步驟、參與者的主要角色和職責(zé)、相關(guān)工具和技術(shù)等,對于仿真模型和系統(tǒng)校驗(yàn)的計劃、開展和總結(jié)均具有指導(dǎo)作用,在美軍得到了廣泛應(yīng)用。

2.1.4 Generic Methodology for Verification and Validation and Acceptance of Models, Simulations and Data (GM-VV)

GM-VV[6]是SISIO發(fā)布的一個用于仿真模型、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)的規(guī)范,基于VV&A RPG以及HLA和DIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于校驗(yàn)的部分,共包括三卷,第一卷包括VV&A的基本理論和架構(gòu),第二卷描述了如何將第一卷中的理論應(yīng)用于實(shí)際的校驗(yàn)過程,第三卷是相關(guān)概念的參考手冊。

2.1.5 Modelling and Simulation as a Service (MSaaS)

MSaaS[7]是北約NMSG組織發(fā)布的“建模仿真即服務(wù)”相關(guān)概念和規(guī)范,將云計算中的“as-a-Service”概念引入建模仿真領(lǐng)域,按用戶需求動態(tài)組合構(gòu)建仿真環(huán)境,并在云端動態(tài)部署和運(yùn)行。MSaaS規(guī)范共分四卷:技術(shù)參考架構(gòu),發(fā)現(xiàn)服務(wù)與元數(shù)據(jù),實(shí)施過程,實(shí)驗(yàn)報告。

2.2 想定與建模標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 Base Object Model (BOM)

BOM[8,9]是SISO制定的一個用于增加仿真模型和系統(tǒng)的互操作性和可重用性的組件框架,定義了BOM模板用來規(guī)范化表達(dá)概念模型和數(shù)據(jù)交換模型以及二者之間的關(guān)系。與其它通用建模語言(如UML)相比,BOM是針對仿真建模領(lǐng)域建立的規(guī)范,因此更具體更有針對性。BOM是對HLA的對象模型模板(OMT)的擴(kuò)展,被SISO作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2006年。

2.2.2 Real-time Platform Reference Federation Object Model (RPRFOM)

RPRFOM[10,11]是SISO制定的適用于實(shí)時、平臺級仿真的對象模型規(guī)范,是一個面向?qū)崟r仿真的HLA聯(lián)邦對象模型(Federation Object Model, FOM),主要用于將基于DIS協(xié)議的實(shí)時仿真系統(tǒng)和平臺作為聯(lián)邦接入HLA分布式仿真。RPRFOM1.0版本基于DIS標(biāo)準(zhǔn)IEEE1278.1,被SISO作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于1999年,其2.0版本基于HLA標(biāo)準(zhǔn)IEEE1516發(fā)布于2015年。

2.2.3 NETN Federation Agreement and FOM Reference Document (FAFD)

FAFD[12]是NMSG制定的適用于北約教育訓(xùn)練網(wǎng)(NATO Education and Training Network, NETN)的HLA聯(lián)邦對象模型(FOM),定義了一系列的聯(lián)邦對象模型、相關(guān)描述信息和使用方法,是北約盟國的基于HLA的分布式仿真聯(lián)邦間的信息交換和仿真交互標(biāo)準(zhǔn),在北約的維京演習(xí)中得到了應(yīng)用。FAFD1.0版本被NMSG作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2013年9月。

2.2.4 Systems Modelling Language (SysML)

SysML[13]是OMG制定的領(lǐng)域相關(guān)系統(tǒng)工程建模語言,是UML規(guī)范的一個擴(kuò)展,為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、行為模型、需求模型和參數(shù)模型定義了完整的語義描述規(guī)范。SysML借鑒UML對軟件工程的描述和支持,將其應(yīng)用領(lǐng)域從軟件工程擴(kuò)展到硬件、信息等其它系統(tǒng)工程領(lǐng)域,可以支持系統(tǒng)和體系的設(shè)計、分析、驗(yàn)證等,在建模仿真領(lǐng)域可以用于概念模型的建模。其1.0版本由OMG發(fā)布于2006年3月,目前最新版本是于2019年12月發(fā)布的1.6版。

2.2.5 Military Scenario Definition Language (MSDL)

MSDL[14]是SISO制定的軍事想定定義語言,基于XML語法定義了軍事想定的通用格式,從而可以在不同的想定編輯工具、仿真系統(tǒng)、指控系統(tǒng)間共享軍事想定數(shù)據(jù),另外也能夠提高軍事想定數(shù)據(jù)的可重用性。其來源于美國的OneSAF系統(tǒng)開發(fā)時定義的想定格式,2008年10月,SISO在此基礎(chǔ)上提出了MSDL標(biāo)準(zhǔn)。MSDL標(biāo)準(zhǔn)是一個不斷演變的標(biāo)準(zhǔn),最初僅適用于陸戰(zhàn)想定,后來逐漸擴(kuò)展至聯(lián)合作戰(zhàn)層面,當(dāng)前最新版本發(fā)布于2015年5月。

2.2.6 Simulation Reference Markup Language (SRML)

SRML[15]是SISO制定的仿真模型與仿真過程描述語言,基于XML語法定義了仿真模型與仿真過程的基本屬性和存儲格式,為仿真模型的開發(fā)和共享提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換格式,為仿真模型的運(yùn)行制定了標(biāo)準(zhǔn)的仿真引擎接口。SRML是一個比較新的標(biāo)準(zhǔn),其1.0版本由SISO發(fā)布于2017年4月,包含了兩部分:語言規(guī)范和引擎規(guī)范。

2.2.7 Space Reference Federation Object Model (SpaceFOM)

SpaceFOM[16]是SISO制定的用于太空領(lǐng)域仿真系統(tǒng)間互聯(lián)的HLA聯(lián)邦對象模型(FOM),定義了符合HLA規(guī)范的太空域通用數(shù)據(jù)類型、建模方法、仿真過程控制等標(biāo)準(zhǔn),其1.0版本由SISO發(fā)布于2019年10月。

2.3 仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 Standard Series for Distributed Interactive Simulation (DIS)

DIS[17]是一個交互分布仿真協(xié)議,定義了一個層次化結(jié)構(gòu),將現(xiàn)有的不同用途、不同技術(shù)水平以及不同生產(chǎn)商提供的仿真設(shè)備集成一體,將分散于不同地域的相對獨(dú)立的各類仿真器互聯(lián)起來,通過仿真實(shí)體間的實(shí)時數(shù)據(jù)交換來營造一個大范圍的虛擬環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)基于LVC(Live實(shí)際,Virtual虛擬,Constructive構(gòu)造)的訓(xùn)練。DIS起源于八十年代美軍用于坦克訓(xùn)練的SIMNET計劃,在此基礎(chǔ)上,IEEE于1993年將DIS協(xié)議發(fā)布為IEEE 1278系列標(biāo)準(zhǔn)。目前SISO正在制定C-DIS[18]標(biāo)準(zhǔn),通過壓縮DIS數(shù)據(jù)包來減少協(xié)議帶寬占用率。

2.3.2 High Level Architecture (HLA)

HLA[19]是DMSO制定的仿真互操作規(guī)范,基于面向?qū)ο蟮姆椒?設(shè)計、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)不同層次和粒度的對象模型,來獲得仿真組件和仿真系統(tǒng)高層次上的互操作性和可重用性。其包括了三個主要部分:(1)對象模型模板(OMT),是對仿真中的對象、對象屬性和對象間信息交互的格式和內(nèi)容進(jìn)行定義的標(biāo)準(zhǔn)化描述;(2)框架和規(guī)則:描述仿真和聯(lián)邦成員的職責(zé),以確保聯(lián)邦內(nèi)仿真的正確交互;(3)聯(lián)邦成員訪問接口規(guī)范(RTI),定義了仿真過程中的交互接口。1996年8月DMSO公布了HLA定義與規(guī)范,2000年9月由IEEE發(fā)布為IEEE 1516系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 Test and Training Enabling Architecture (TENA)

TENA[20]是美軍在多種體系結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上提出的一種以滿足試驗(yàn)和訓(xùn)練領(lǐng)域特殊需求的體系結(jié)構(gòu),它以高層體系結(jié)構(gòu)HLA為基礎(chǔ),并進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展,以快速、高效益的方式實(shí)現(xiàn)用于試驗(yàn)和訓(xùn)練的靶場、設(shè)施和仿真系統(tǒng)之間的互操作,促進(jìn)各種資源的重用和可組合。TENA是美國國防部基礎(chǔ)計劃FI2010(Foundation Initiative 2010)的成果,最初發(fā)布于2002年,目前還在不斷演進(jìn)。

2.3.4 Standard Interface for Multiple Platform Link Evaluation (SIMPLE)

SIMPLE[21]是北約提出了一個用于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈交互性測試的接口標(biāo)準(zhǔn),基于DIS協(xié)議,通過模擬Link16協(xié)議將一系列的仿真器、仿真系統(tǒng)等連接起來。SIMPLE是北約指揮控制咨詢委員會(NATO Consultation, Command and Control Board, NC3B)制定的標(biāo)準(zhǔn),其應(yīng)用范圍并不局限于建模仿真領(lǐng)域,其最新版本被NSO作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2010年6月。另外,SISO也在2006年發(fā)布了基于DIS和HLA的Link16仿真標(biāo)準(zhǔn)[22]。

2.3.5 Coalition Battle Management Language (C-BML)

C-BML[23]是SISO制定的一個指控與態(tài)勢數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),基于XML語法定義了在指控系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)以及指控與仿真系統(tǒng)之間傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)以及態(tài)勢數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式,目的是增加指控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)之間的互操作性。2014年3月SISO發(fā)布了C-BML 1.0版本。

2.3.6 Command and Control-Simulation Interoperation (C2SIM)

C2SIM[24]是SISO制定的一個指控系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和機(jī)器自主控制系統(tǒng)(Robotic and Autonomous Systems, RAS)之間進(jìn)行指控信息交互的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),定義了指令和報告數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式、數(shù)據(jù)交互流程等。C2SIM是在C-BML和MSDL標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的,2018年4月SISO發(fā)布了C2SIM的1.0版本草案,2020年3月1.0版正式發(fā)布,未來將取代C-BML和MSDL標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.7 WebLVC

WebLVC[25]是SISO制定的Web應(yīng)用與LVC(Live-Virtual-Constructive)分布式仿真進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范,使得基于瀏覽器的Web應(yīng)用能夠通過WebLVC服務(wù)器,作為一個分布式仿真聯(lián)邦加入基于HLA、DIS或TENA的分布式仿真。2020年1月SISO發(fā)布了WebLVC的0.8版本草案。

2.3.8 Gateway Description Language (GDL)

GDL[26]是SISO制定的網(wǎng)關(guān)描述語言,基于XML語法定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)功能描述語言,從而能夠?qū)⒕W(wǎng)關(guān)的用戶需求自動轉(zhuǎn)化為支持這些需求的網(wǎng)關(guān)軟件。GDL來源于美國國防部LVC架構(gòu)路線圖(Live-Virtual-Constructive Architecture Roadmap, LVCAR)項目,為滿足分布式仿真中對異構(gòu)仿真系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)的需求,2018年12月SISO發(fā)布了GDL的1.0版本。

2.4 數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.1 Modeling and Simulation (M&S) Community of Interest (COI) Discovery Metadata Specification (MSC-DMS)

MSC-DMS是美國國防部發(fā)布的建模仿真資源元數(shù)據(jù)規(guī)范,定義了描述各類可重用仿真資源的元數(shù)據(jù)項,從而使得仿真資源能夠基于元數(shù)據(jù)被檢索和重用。MSC-DMS基于美國國防部元數(shù)據(jù)檢索規(guī)范(DoD Discovery Metadata Specification, DDMS),針對建模仿真領(lǐng)域的需求定義了仿真資源的檢索元數(shù)據(jù),最初版本發(fā)布于2007年9月,最新版本是2012年發(fā)布的1.5版本。

2.4.2 Reference for Enumerations for Simulation Interopera-bility(RESI)

RESI[27]是SISO制定的仿真互操作數(shù)據(jù)字典參考列表,列出了所有在分布式仿真中使用的各種枚舉類型數(shù)據(jù)的分類和定義,例如:傳感器枚舉類型包括光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、電磁傳感器等,其目的是提高分布式仿真互操作的數(shù)據(jù)一致性。RESI的最初版本發(fā)布于2005年3月,最新版本發(fā)布于2020年5月。

2.4.3 Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification (SEDRIS)

SEDRIS[28]是ISO發(fā)布的一系列環(huán)境數(shù)據(jù)描述與交換相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),主要包括四個部分:Data Representation Model (DRM),定義了環(huán)境數(shù)據(jù)描述模型;Environmental Data Coding Specification (EDCS),定義了環(huán)境數(shù)據(jù)編碼規(guī)范,包括實(shí)體分類和屬性;Spatial Reference Model (SRM),定義了坐標(biāo)、方位和距離的規(guī)范表達(dá)和轉(zhuǎn)換方法;SEDRIS Transmittal Format (STF),定義了環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸格式。SEDRIS在2006年被ISO發(fā)布為ISO/IEC 18023系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.4 Common Image Generator Interface (CIGI)

CIGI[29]是SISO發(fā)布的圖形顯示系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),定義了圖形顯示系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)間的交互接口、交互流程和數(shù)據(jù)規(guī)范,其目的是提高態(tài)勢系統(tǒng)、分析系統(tǒng)等圖形顯示系統(tǒng)的可重用性。CIGI來源于波音公司于1999年開始的整合一系列圖形顯示系統(tǒng)的工作,2001年波音公司發(fā)布了CIGI 1.0版本,之后經(jīng)過不斷改進(jìn),2014年CIGI 4.0版本被SISO作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。

3 總結(jié)

美國和北約非常重視建模仿真的標(biāo)準(zhǔn)制定,多年來通過應(yīng)用總結(jié)提出了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,并在實(shí)踐中不斷發(fā)展完善。美國和北約的建模仿真領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍廣泛,許多標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛的應(yīng)用,對建模仿真應(yīng)用和發(fā)展起到了積極的作用。

相比較而言,我國在建模仿真標(biāo)準(zhǔn)制定方面與美國有不小的差距,美國在建模仿真標(biāo)準(zhǔn)制定和應(yīng)用方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和成果值得我國參考和借鑒。