基于实体的指挥控制过程仿真建模*

高 飞 ,高阜乡 ,王 钰 ,杨 威

(1.解放军理工大学指挥自动化学院,江苏 南京 210007; 2.解放军63999部队,北京 100094;3.中国电子设备系统工程公司研究所,北京 100141; 4.北方电子设备研究所,北京 100083)

指挥控制系统(指控系统)是指由人员及装备组成的各级各类指挥所系统,在C4ISR系统中承担着信息接收与处理、辅助决策、指挥控制等功能,是作战指挥过程的核心。近年来,许多文献和理论通过研究指挥控制过程,对指控系统进行仿真,利用计算机仿真技术在虚拟环境中考察所设计指控系统的运行效果,并以此作为评估、优化指控的依据。基于仿真的方法具有风险低、效率高、成本低、可重复实验、便于定量分析等特点,已成为分析评估指控系统效能的有力手段[1-2]。

赵晔等人提出面向体系建模的EBI方法,并在此基础上着重介绍了基于实体类的指控实体建模方法,基于规则集的指控行为建模方法以及基于信息关联网的指控交互建模方法,为该领域研究提供了一种可能的途径[3]。刘秀罗提出基于行为基的 Agent建模方法和指挥控制建模的一般框架C2MF并应用到实际的仿真系统中[4]。杜嘉薇等人依据武器装备体系对抗仿真的特点,对指控系统模型的构建提出了体系-实体-行为-交互的 SEBI组合建模方法,给出了各个层次建模的描述视图[5]。朱敏洁等人提出基于工作流的指控实体工作流程建模方法,着重对人不在环仿真的各个要素的建模重点和建模方法给出了说明[6]。约翰霍普金斯大学的Paul D.North等人提出用路径分析模型对指挥控制工作流进行评估[7]。文献[8]和文献[9]分析了国内外指挥控制建模现状并指出了其发展趋势。可以看出,现有研究主要针对指控系统结构和功能仿真,缺少对指挥控制过程中的信息交互及信息流的建模,同时对指控实体行为描述能力不够。

本文针对态势共享、作战指挥和战场生存三方面的指控系统效能评估,采用基于实体的指挥控制过程仿真建模方法,分析指控系统功能,提出指控实体模型框架并从信息获取模型、信息融合模型、信息共享模型、自身任务规划模型、作战筹划模型、部队掌控模型、任务执行模型和信息输出模型等八个方面进行了指控实体模型构建。

1 指控实体模型框架

指控实体是在分析指挥控制过程的基础上对指控系统的抽象。面向指控系统效能评估,对指控实体仿真的三个方面任务规划、指挥控制和作战协同进行分析,对设计人员关心的指控系统能力和与效能密切相关的指控系统行为进行研究,重点关注指挥控制过程及指控系统与上下级指控系统及作战实体的信息交互流程,如图1所示,构建了指控实体模型框架。

图1 指控实体模型框架

2 指控实体模型设计

2.1 信息获取模型

信息获取模型用于描述指控实体从所属通信单元和传感器单元获取信息的过程。获取的信息类型包括态势信息、订阅信息、指令信息、报告信息和效应信息等。

• 态势信息:当前战场上敌我双方目标的位置及其状态信息;

• 订阅信息:其它实体向指控实体订阅某类态势信息时使用的信息;

• 指令信息:上级指控实体发来的命令信息;

• 报告信息:下属部队或实体在执行命令过程中遇到需要协同的事件以及其它需要报告的情况时使用的信息;

• 效应信息:指控实体通过自身传感器采集到的环境信息、交战效果信息以及自身各项能力参数等,效应信息直接进入状态库转换为指控系统内部使用的状态信息。

通信网络是指系统控仿真必须考虑的一个因素,但由于通信网络的复杂性,这里对通信网络进行了简化,将通信网络仿真结果作为系统输入,模拟了延时、丢包等网络事件,实现了指挥控制流程中通信过程的仿真。效应信息为指控实体自身感知得到,其余四类信息一般由其它实体通过通信网络传送得到。

2.2 信息融合模型

信息融合模型用于描述指控系统对不同来源信息进行综合融合的过程。这里的信息主要指下级部队发送的情报信息,这些情报信息由指挥所进行综合后再向上级指挥所上报。通常按照情报的性质和重要性不同可以将其分为以下几点。

• 重点关注地域情报信息:想定或规则规定的重点关注地域内的目标信息,一般可取我方各级指挥所、通信枢纽、机场、港口或其它重要目标周围一定范围,这些地域容易受到敌方攻击而且相对其它目标这类目标被敌方摧毁后对我方影响较为严重,应该受到重点关注。这些区域发现的敌方目标应该立即进行信息融合和应对处理,并采取高优先级向上级指挥所报告。

• 重要目标情报信息:想定或规则规定的重要目标信息,一般取敌方指挥所、通信枢纽、机场、港口等重要目标。通常这些敌方目标被摧毁后对敌方影响较大,可使我方迅速占据信息优势,取得战场主动权,所以当发现这些目标后,应当立即进行信息融合和应对处理,并按照相应优先级向上级指挥所报告。

• 紧急空情信息:一般指发现的敌方空中目标信息。敌方空中目标对我方危害较大,应当立即进行信息融合和应对处理,并按照最高优先级向上级指挥所报告。

• 普通情报信息:其余普通目标信息,可按照普通信息融合流程进行融合并按照普通优先级进行上报。

为了实现对指控任务执行过程的仿真,并对指控任务完成时间进行计算,本文采用了工作流的方法对指控任务进行模拟。一般的,指控任务可以分为多个步骤执行,其中每个步骤内有多个任务可以并行完成。如一个指挥所由多辆指挥车组成,每辆指挥车上配有若干指挥席位,可以在指挥所构建时将指控子任务分解到不同的指挥车上。当指控任务开始后由不同的指挥车模拟任务执行。通常每个指控子任务有其对应的基准完成时间,具体数值可以由细粒度仿真提供,这些时间在仿真过程中可以用来模拟子任务的完成。所以,可以通过下述方法模拟一个指控任务的执行过程:

1)将指控任务分解为必须串行执行的指控步骤;

2)将每个指控步骤切割为可以并行执行的指控子任务;

3)当一个步骤内所有并行的指控子任务执行完毕后可以推进到下一个步骤,所有步骤执行完毕后整个指控任务完成;

4)整个过程所花费的时间即为指控任务完成时间。

信息融合任务通常分为专题态势生成和综合态势生成两个步骤。第一步专题态势生成由火力协调专题、信息作战专题、作战保障专题、情报信息专题、通信管理专题、机要保障专题等六个部分组成,这六部分可以并行交由不同的指挥席位进行处理。图2描述的是信息融合任务执行过程。需要指出的是,这里子任务的划分只是对信息融合过程及其流程仿真的示例,具体指控系统的子任务划分需要根据指控系统类型和任务的不同进一步明确。

图2 信息融合任务执行过程

2.3 信息共享模型

信息共享模型用于表征指控系统内部及对外按需共享信息的过程。根据图1所示能力模型,指控系统内部由信息融合模型得到的融合后态势在指控系统内部分别流向信息共享模型、自身任务规划模型和作战筹划模型,指控系统对外的信息共享首先经过信息共享模型处理,最后交由信息输出模型向外部共享。内部信息共享比较直接,这里仅对对外信息共享进行描述。共享的信息主要是各类态势信息,可通过想定中的信息关系设置和仿真过程中通过订阅方式增添信息关系两种方式灵活设置,实现信息的“逐级分发、越级分发、友邻共享”等共享模式,然后交给信息输出模型,最后通过网络实体完成信息共享。

2.1节描述了五类信息,包括态势信息、报告信息、指令信息、订阅信息和效应信息,其中,效应信息仅在指控实体内部使用,其余四类信息在建立仿真想定时进行设定。可以采取映射表,每个实体的每类信息都有一个信息映射,存放该信息的接收方,在需要发送某类信息时就会按照信息映射查找,实现信息的传递。

需要指出的是对于报告信息、指令信息和订阅信息,这里的信息关系映射仅仅提供了信息传递路径,这些信息内部包含了信息的接收方,只是必须按照信息关系映射中的路径进行传递,例如如果

则师指首先将这条指令信息发送给团指,由团指将这条指令信息转发给营指挥所;如果

则师基指不经过团指,直接将这条指令信息发送给营指。

对于各种态势信息,这里的信息设置则代表着将生成的态势直接发送到该接收方。

作战过程中存在下级部队需要某类特定数据而向上级指挥所申请订阅,由上级指挥所批准后可以采用按需分发的信息交互模式,即信息订阅。

2.4 自身任务规划模型

指控实体的自身任务规划模型用于描述其规划自身行动的逻辑。每个仿真时间片,指控实体都会首先对自身所处环境进行威胁评估,然后根据当前任务类型和威胁等级规划下一步行动。图3对这五种状态之间的转换逻辑进行描述。

为了实现指控实体自身任务规划,系统定义了五种实体状态:

• 待命状态:为实体的初始状态,也是其它状态之间进行转换的中间状态;

• 执行任务状态:表示实体正在执行任务;

• 规避状态:当实体遭遇威胁而无法防御时进入规避状态;

• 恢复状态:表示实体当前状态无法完成任务,请求上级维护补给时所处的状态;

• 失能状态:表示实体遭受打击,无法恢复,退出仿真。指控实体每个时刻必然处于五种状态中的一个。

图3 指控实体自身行为转换

2.5 作战筹划模型

作战筹划过程是指控实体依据当前所掌握的态势信息完成决策制定的过程。和信息融合模型一样,决策制定的速度和质量同样是指控系统的重要效能指标,是关注的重点。作战筹划过程采取了模拟工作流程的方法,完成了决策制定,同时计算计划生成时间等效能指标。

作战筹划任务通常分为分支决心建议生成、总体决心建议生成、分支作战计划生成、拟制总体作战计划和生成作战命令五个步骤,其中第1步和第3步可以分解为独立的部分,这些部分可以并行交由不同的指挥席位进行处理。步骤及子任务的仿真过程参见图2的信息融合任务。

2.6 部队掌控模型

部队掌控模型主要用于描述指控系统掌握所属部队情况以及控制所属部队行动的能力。这里主要从两个方面对其进行描述:一是指控实体掌握所属部队位置信息的情况;二是指控实体及时处理下属报告的情况。

己方定位信息更新是所属部队定时上报自身位置信息给指控实体,由指控实体统计能够上报自身位置信息的所属部队数目的过程。己方定位更新是部队掌控能力的重要方面,在每个时间片内,所有实体都要检查是否到了发送自身位置信息周期,如果是,则向上级指挥所发送自身位置信息,否则返回;所有指控实体都要检查是否到了检查定位更新周期,如果是则根据当前已掌握的下属实体数目等信息计算部队掌控相关效能指标,重启定时器,否则判断是否已经更新完毕确定是否要递归检查所有下属部队的定位更新情况。具体过程参见图4。

图4 己方定位信息更新逻辑

衡量指控实体对所属部队掌控能力的另一个重 要方面是指控实体能否对所属部队出现的各类情况进行及时有效地处理,解决所属部队发送的问题报告。报告类型可分为三类:

• 维护报告:在实体的毁伤程度不能完成上级赋予的任务,但通过维护支援可以恢复运行时向上级指挥所发送;

• 接替报告:在实体毁伤程度比较严重,已经无法通过维护恢复自身能力时向上级指挥所发送;

• 不协同报告:在出现了不协同事件时向上级指挥所发送请求处理。

2.7 任务执行模型

任务执行模型用于描述指控实体执行相关任务的过程。指控实体需要执行的任务包括:

• 机动任务:从一个位置移动到另一个位置;

• 定点指挥任务:在驻止状态下实施指挥;

• 移动指挥任务:在机动状态下实施指挥;

• 防护任务:采取防护措施和行动;

• 恢复任务:进行毁伤重组、降级运行与故障恢复;

• 接替任务:接替其它指挥所实施指挥。

其中,定点指挥任务和移动指挥任务仅仅是在驻止或移动状态下开机实施指挥,防护任务和其它实体的防御任务类似,恢复任务是指在指挥所遭到敌方打击,其毁伤程度已经使得指挥所无法继续进行指挥控制时,暂停指挥控制功能,在指挥所内部的指挥车之间对指控任务进行重新分配,进而可以继续执行指挥控制任务,也就是指挥所实施毁伤重组的过程。接替任务是指指挥所甲取代指挥所乙的地位,并代替指挥所乙执行指挥控制的转换过程。

指控实体机动任务区别于一般作战实体主要体现在指挥所一般采用定点指挥的方式,要实现机动首先要将开设好的指挥所撤收,整理队形后开进;到达指定地域后又需要将各指挥车按照一定的方式展开进而实施指挥。指挥所的撤收和展开速度对于尽快掌握战场态势和争取战场主动十分关键,是指控实体重要的效能指标,所以系统对指控实体的机动过程进行了模拟。

在计算模拟出开设时间和撤收时间的基础上,定义了四种状态:待命状态、撤收状态、移动状态和展开状态,用四种状态之间的转换实现指控实体的机动逻辑。驻止状态下,指控实体状态为待命状态;当要进行机动任务时,首先进入撤收状态,开始撤收;撤收完毕(撤收时间结束)之后进入移动状态,开始按照队形前进;当到达目标地域之后进入展开状态,开始指挥所开设;展开完成(展开时间结束)之后回到待命状态,可以重新进行定点指挥。

2.8 信息输出模型

指控实体的信息输出模型用于表征其输出信息的过程。指控实体输出的信息类型与其接收的信息类型相同,见2.1节的信息类型描述。当要发送信息时,将信息添加到实体通信组件的待发送信息队列中,由通信组件将待发送信息发送给网络实体模拟信息发送过程。通信网络仿真不是本文研究重点,这里不再详细论述。

3 结束语

基于信息系统的体系作战对指控系统提出了更高的要求,如何对指挥控制过程及指控系统进行仿真建模并开展指控系统效能评估需要更加深入的研究。本文采用基于实体的仿真建模方法,提出了指挥控制过程的实体仿真建模框架,面向效能评估,以信息流为重点,从信息获取、信息融合、信息共享、自身任务规划、作战筹划、部队掌控、任务执行和信息输出等8个方面对其进行建模,能够有效支撑基于仿真的指控系统效能评估。

[1]童志鹏,刘兴.综合电子信息系统[M].北京:国防工业出版社,2010.

[2]胡晓峰,杨镜宇,司光亚,等.战争复杂系统仿真分析与实验[M].北京:国防大学出版社,2008.

[3]赵晔,张明智,胡晓峰,等.武器装备体系对抗仿真中的C2建模研究[J].计算机仿真,2009,26(2):18-22.

[4]刘秀罗.CGF建模相关技术及其在指挥控制建模中的应用研究[D].长沙:国防科学技术大学博士学位论文,2001.

[5]杜嘉薇,闫了了,余俊,等.基于 SEBI组合建模方法的指控系统模型构建技术研究[J].信息系统工程,2011(1):37-39.

[6]朱敏洁,张伟.作战指挥工作流程的建模与仿真[J].装甲兵工程学院学报,2006,33(12):17-20.

[7]Paul D.North,David P.Glock,William F.Reiske and Steven L.Forsythe.Model Path Analysis as a Basis for Evaluating Command and Control (C2) Workflow[C].14th ICCRTS,2009.

[8]岳秀清,张磊,别晓峰.外军指挥控制建模研究现状及启示[J].军事运筹与系统工程,2009,23(1):70-74.

[9]杨瑞平,郭齐胜.指挥实体建模与仿真研究[J].火力与指挥控制,2008,33(10):63-66.