美军主要推演和仿真系统模型体系与建模机制研究

常非

(1.军事科学院 联合作战研究实验中心，北京100091;2.中国人民解放军71573 部队，山东 莱阳265200)

1 引言

作战推演与仿真系统是美军研究作战问题的重要工具，在军事训练演习、作战分析研究、武器装备采办等领域被广泛应用。模型是作战推演与仿真系统运转的重要基础资源，本文通过分析美军典型的作战推演与仿真系统(EADSIM，JWARS，JTLS和FLAMES)的模型体系与建模机制，研究美军模型建设的主要思路，为我军作战模拟的建设与发展提供参考。

2 模型及主要建模技术概念

2.1 模型的基本概念与内涵

被研究的实际系统或未来的假想系统叫作原型，而原型的等效替身则称之为模型。

模型是对原型的有意义的抽象。所谓“有意义”，是指对原型的重要属性和行为进行抽象，排除或屏蔽其中次要的、不关注的内容;抽取出其中“有意义”的公共特征和典型内容，并用符合一定规范的方式进行描述和实现。原型以具有一定结构和功能的独立单元或实体而存在，对于复杂的原型系统，单个或数个模型无法完成对其属性和行为的描述和实现，通常需要建立一系列模型来共同表现，每个模型描述原型的一个部分或一个方面(facet)，这一系列模型彼此关联，形成一个模型体系，成为对原型的写照。

2.2 主要建模技术

针对复杂军事系统，国内外已开发出多种建模方法与技术。主要有面向对象建模方法与技术、基于Agent/MAS 建模方法与技术、马尔科夫建模方法与技术、特征建模方法等。

面向对象技术是20 世纪80 年代以来软件工程的重要成果，已广泛应用到各个领域。面向对象建模方法与技术的核心是对象和类，支持三种基本活动——识别对象种类、描述对象种类之间的关系、通过描述每个类的功能定义对象行为，从而为面向对象建模奠定了理论与方法基础。面向对象是围绕着对象、类、消息、继承性、多态性、封装性和动态编联等为中心展开的。

Agent 是一个能够与外界自主交互并拥有一定知识和推理能力，能够独立完成一定任务的具有社会性的智能实体。在军事系统等复杂系统的建模与仿真中，可以由多个Agent 按照一定规则结合成局部细节模型，并利用Agent 间的局部连接准则构造出复杂系统的整体模型，最后借助计算机系统实现模型运行，进行仿真实验研究。在基于Agent的建模与仿真(ABMS)中，一般是在基于Agent 的模型形式化框架下，采用形式化规范方法利用Z 语言来构造Agent 模型。MAS 是多个Agent 构成的自适应柔性动态系统与典型分布式计算机系统，通常有完全集中式、完全分布式和混合式三种组织结构模式，可满足多种建模需求，有效地解决大规模复杂系统建模问题。

马尔科夫建模方法与技术，是建立在马尔科夫过程理论基础上的一类针对动态过程的建模方法与技术。针对复杂动态系统，有传统的马尔科夫建模方法和模糊马尔科夫建模方法。其核心是:复杂动态随机系统可在平稳和遍历假定下，近似地被看成马尔科夫过程，用可控微分方程来描述，并进而描述为一个自回归过程，得到一阶或二阶简化的可控马尔科夫过程，对此过程进行量化处理后，则转化为可控马尔科夫链。可控马尔科夫链可用随机转移概率矩阵序列P(Uk)来描述。建模中，模型结构(即马尔科夫模型结构)、参数和算法是至关重要的，它们主要取决于先验知识，实验数据和对模型精度的要求。马尔科夫模型是非参数模型，该模型由试验数据直接辨识得到。因此，其最大特点就是从系统试验数据中建立随机近似模型。

特征建模方法是20 世纪80 年代由我国科学家吴宏鑫等提出的一套方法，结合对象动力学特征、环境特征和控制性能要求进行建模，而不仅以对象精确的动力学分析来建模，已应用于我国航天工程。其核心是抓住控制量与要求输出变量之间的特征关系，由特征变量与特征参数组成特征模型，特征模型可以由对象物理机理直接建模，也可通过原动力学方程与控制性能要求推导出特征模型［1］。

3 扩展的防空仿真系统

扩展的防空仿真系统(Extended Air Defense Simulation，EADSIM)是美军作战仿真系统的典型代表，可描述空战、导弹战、空间战等多种战争，用于作战方案分析与规划、军事训练与演习、武器装备论证与评估等领域。海湾战争期间美军曾在制定“沙漠盾牌”“沙漠风暴”等作战计划和拟制作战方案中使用该系统，并取得了满意的效果。

3.1 EADSIM 建模体系

在模型体系方面，EADSIM 拥有空中、导弹、空间作战中所涉及的各种参演角色的实体模型和作战模型。其中实体模型包括:陆、海、空、空间系统等可实施进攻、侦察和防御行动的模型，具体涉及固定翼和旋转翼飞机、弹道导弹和巡航导弹、卫星等空间侦察和通信平台、执行攻防任务的地面平台，以及C4ISR 模型等。作战模型包括空中机动规避、最佳投弹和地空火力防护等地对空作战模型，以及空对空导弹超视距交战模型等［2］。

EADSIM 的模型体系架构如图1 所示。其中，EADSIM 按照交战中打击武器与目标之间的空间关系，为作战武器建立了各种武器系统的4 类通用交战模型，分别是空对地、地对空、地对地、空对空交战模型。

(1)空对地交战模型包括自由落体航弹、反辐射导弹、弹头及其他空对地导弹，交战过程既可按照预先制定好的计划执行，也可动态执行临机任务。需注意的是，空对地交战模型也支持使用受控平台增加巡航导弹、无人机等某些特定类型武器系统交战过程的仿真度。

(2)空对空交战模型包括半主动和“发射后不管”空对空导弹交战模型，前者需要维持飞机对目标的跟踪，后者由于不要求飞机对已发射的导弹进行跟踪，因此决定了飞机可连续对不同的目标进行交战。

(3)地对空交战模型描述防空导弹、高炮系统对飞机和战术导弹的作战过程。

(4)地对地交战模型包括弹道导弹和巡航导弹模型。地对空和地对地交战中，对目标的毁伤程度均由目标毁伤概率计算得出［3］。

3.2 EADSIM 主要特点

EADSIM 最初是专门针对防空问题进行研究的仿真系统，因此其建模思路和建模框架带有显著的防空作战研究的特征，所建立的模型也都是针对防空作战的武器装备和行动特征来进行组织和设计。其模型体系的顶层按照任务/功能领域模型、物理模型、行为模型3 类进行划分，其中任务/功能领域模型中有大量模型专门针对防空作战而开发，如航迹处理模型、导弹突击模型、进攻性空中行动模型等，这些模型专业性强、仿真精度高，置信度高。在武器模型类里，EADSIM 按照各种防空武器系统的使用，建立了4 类通用的防空交战模型，可覆盖防空作战问题研究的需要，但针对联合作战问题研究，在陆战模型、海战模型、通用指挥与控制模型、电子战模型等方面还不具备相应的技术。

EADSIM 在防空领域的建设中已有较好的基础，可以非常方便地进行扩展或改造，但如果扩展到其他领域，在建模及其相关规则、数据方面还有大量工作要做。不过，该系统的建模思路和方法是面向对象建模与结构化建模相结合，可借鉴使用。

4 联合作战仿真系统

联合作战仿真系统(Joint Warfare System，JWARS)是战役级的“端到端”的仿真推演系统，可描述作战部队从装载到作战全过程的军事行动，为美国国防部长办公室、联合参谋部、后勤部、司令部等美军机构提供联合作战仿真，可用于研究、试验作战计划、兵力评估、系统采办、概念与条令开发等［4，5］。

4.1 JWARS 模型体系

在JWARS 中，以战场空间实体(Battle Space Entity，BSE)作为模型来描述作战部队和战场环境，如图2 所示。作战部队的实体粒度，陆军到营、空军到飞行编队、海军到舰(船)、情报侦察与感知到单个平台。战场环境的实体包括港口、机场、指挥部(所)等。战场空间实体包括静态属性与动态属性。静态属性涉及作战分队的规定编成力量、导弹的火力范围等与时间变量无关的实体特性。动态属性涉及部队战斗力、位置等随时间变化而变化的特性。一次仿真推演，实际上就是所有战场空间实体按照想定、概率、随机事件和规则彼此关联、影响而发生属性变化的过程。各个战场空间实体之间的交互通过执行不同的算法而实现［6，7］。

4.2 JWARS 主要特点

JWARS 的建模思路本质上是结构化建模，在模型的具体抽象和设计上以及软件编程上部分使用了面向对象技术。这是由于该系统的开发使用的是Smalltalk，而Smalltalk 是20 世纪70 年代面向对象技术早期萌芽阶段出现并盛行的产品，无论是在对象分析与建模方法、技术还是软件工程能力方面都存在明显的不足。JWARS 将战场空间中的对象按照使用性质和工作机制，全部建模为“实体”，对行为等动态逻辑的建模也都分别归属到各个实体中;实体之间的交互均通过各种算法实现。这种模型体系设计，本质上继承了传统的结构化分析与建模方法将数据与对数据的操作相分离的做法，将实体与对实体和实体之间的关联互动相分离。按照这种建模思路所建立的模型体系，原有基础比较封闭稳定，但扩展性和灵活性不足，牵一发而动全身。一旦对某个实体模型进行修改，由此发生的联动性修改很多，涉及对实体模型的操作进行修改，以及对实体之间的关系与互操作进行修改。也正是因为如此，JWARS 在开发应用过程中，软件开发公司与军事领域专业的用户使用绑定得过于紧密，导致了开发效率不够高，系统几乎始终处于开发状态。

5 联合战区级模拟系统

由美国战备司令部、美国陆军构想分局等部门联合资助、始建于1983 年的联合战区级模拟系统(Joint Theater Level Simulation，JTLS)是一款模拟合同、联合、联盟，空、陆、海、非政府组织环境的多边交互作战推演系统，主要用作训练辅助工具。已在美国及其军事同盟中得到广泛应用和不断完善，在美日“尖刀”、美泰“金色眼镜蛇”，以及台湾“汉光”等系列军事演习中都有运用。JTLS 除了模拟常规的空、陆、海、两栖、特种作战行动外，同时还可以模拟有限的核化作战、低强度冲突、先期冲突作战，以及人道主义援助和灾难救助行动。

5.1 JTLS 模型体系

JTLS 的模型主要是模拟作战实体与作战过程的仿真模型，具体分为指挥控制、地面作战、空中作战、海上作战、信息作战和后勤保障等六大类，如图3 所示。与模型相关的数据按照作战单元粒度、武器系统种类与参数、目标属性等分类存储于关系数据库中［8］。

5.2 JTLS 主要特点

JTLS 针对其设计初衷和主要服务于演习训练的应用需求，其模型框架的建立聚焦于作战中的军事目标和作战行动。在该框架下，所有模型围绕作战行动所涉及的各种作战实体而建立，根据行动的粒度不同，模型具有多种分辨率。模型的架构和建模思路自上而下遵循面向对象分析与建模的思想，但在模型的抽象与组织上，以不同领域的作战行动为线索进行分类与组织;为实现模型的多分辨率，在实现上将不同分辨率模型的属性抽象为二维关系数据并进行存储，通过关系代数进行同一种模型在不同分辨率之间的切换与计算，确保在工程实现上的稳定可靠和新增分辨率的快捷实现;在针对相同性质和场景的想定进行推演时，如果关注的问题粒度发生变化，可以很快增加新的模型分辨率并与原有分辨率共存互通。

围绕作战行动而建立的模型，一方面聚焦了系统模拟“交战”这一根本与核心功能，逻辑上非常清晰地将与要表现的作战行动无关的实体屏蔽在系统之外;但另一方面，当作战场景和行动发生具体变化时，模型的移植和改造工作量非常大，往往需要新增大量模型或对原有模型进行大规模改造。

6 柔性分析建模与演习系统

柔性分析建模与演习系统(Flexible Anaysis Modeling and Exercise System，FLAMES)是一款基于商业化开放体系的仿真框架，可以为不同类型的系统提供行为建模和实体建模，以基类集合的方式为系统运行所需的模型提供了继承的基础［9］。

6.1 FLAMES 模型体系

FLAMES 的模型体系如图4 所示，其中，装备模型主要模拟仿真单元中各类装备的功能特性，使之可以与环境和其他仿真单元进行交互。认知模型主要模拟人的决策过程，使仿真单元能够存储、处理来自其他仿真单元的消息并做出决策，可控制加载到仿真单元上的装备模型。所有的装备模型都通过扩展装备模型的平台、天线、通讯装备、传感器、武器系统、电子战、弹药、子系统模型八个子类而得到［10］。

(1)平台模型的对象实例为抽象的作战实体赋予外部特征和行为属性，使平台具有特定的物理意义，对应军事概念上的某类平台。不同类型的平台具有不同的平台模型，但抽象的平台类描述了各类平台的公共属性与操作。平台类具有固定翼飞机、旋转翼飞机、坦克、车辆、巡航导弹、卫星、水面舰艇、潜艇等子类。

(2)通信装备模型，用于模拟从一个作战实体对象向另一个作战实体对象传送消息的过程，可模拟的过程包括检测通信链路、发送消息、接收消息、处理消息等。实体对象可直接使用合适的通信装备模型对象来模拟通信装备与通信活动。

(3)传感器模型，用于模拟一个实体对象对其他实体对象的发现检测过程。该模型不直接检测实体对象而是检测实体对象上加载的装备对象。根据传感器的类型不同，传感器所能检测的装备类型也有所不同。传感器类具有地面雷达、舰载雷达、机载雷达、几何雷达、激光传感器、雷达预警接收机、声呐等子类。

(4)数据处理器模型，用于模拟处理传感器检测到其他实体时所产生的数据，还用于处理来自于其他实体的消息。通常直接由传感器模型使用，也可由实体模型使用。

(5)干扰装备模型，用于模拟电子战中通过产生电磁能量来干扰其他实体之间的发送/接收信号的装备机器干扰行为。实体对象或其他具有模拟电磁能量接收行为的装备模型也可直接使用干扰装备对象。

(6)子系统模型，用于被其他装备模型所使用，但具有一定的独立性，可独立完成子装备的固有功能，如雷达或通信干扰设备中所需的天线子系统模型。子系统模型只能被具有子系统的特定实体对象所使用，而不能被实体对象直接使用。

(7)弹药模型，用于模拟在仿真过程中由某个实体对象动态创建的炮弹或导弹飞行并破坏另一个实体的过程。弹药在发射后成为一个独立的对象，即弹药实体，由武器系统实体所控制使用，需继承平台属性、武器系统的部分属性并对其进行扩展。弹药类模型的子类有:空空半主动制导导弹、地空半主动制导导弹、空地半主动制导导弹、空空反辐射导弹、空地反辐射导弹、地空反辐射导弹、红外制导导弹、战术弹道导弹、战略弹道导弹、航空炸弹、干扰弹、火箭弹、鱼雷等。

(8)武器系统模型，用于模拟对弹药的管理、控制与发射，通常平台实体使用武器系统实体，武器系统实体使用弹药实体。

FLAMES 的建模思路是:系统中任何活动的参与者是一个单元，缺省状态下是一个“空壳框架”，不能完成任何作战任务。作战行动通过加载于其上的装备模型和行为模型来定义和操作。

6.2 FLAMES 主要特点

FLAMES 模型体系的构建，在本质上完全使用了面向对象建模方法与技术，对模型尤其是武器装备模型提供了逐层抽象和继承的机制;但在模型的组织管理上借鉴了结构化建模的思路，使得模型的属性、方法、服务和关联都在底层进行封装，而在模型的表现与调用上，体现为经过封装的具有一定军事意义的实体。这样的建模框架为模型开发者提供了足够的扩展空间，可以根据具体需求在任何一层进行扩展，并且通过组件化模型的关联规则和组装算法，在已有模型的基础上得到新的复合模型。不过，复合模型的开发和使用，其技术难度和工程性能优化的要求均显著高于基础模型。FLAMES模型体系的突出特点是提供了行为建模机制和认知建模机制，具有灵活的扩展能力。

7 结论

通过对美军典型的推演与仿真系统的模型体系与建模机制进行分析，可以看出，美军主要推演和仿真系统采用的建模思路主要有两种。一是面向对象的建模思路，如EADSIM，采用这种建模思路构建的模型将作战实体功能与数据进行综合抽象，与人类认知较为接近，模型之间以模块的形式进行重用。另一种是组件化的建模思路，如FLAMES，采用这种建模思路的系统中，将作战实体按照其本身固有的功能或任务属性进行拆解后封装为若干组件，并通过组件的聚合来描述作战实体。可见，组件化建模思想的系统相比面向对象建模思想的系统具有更加灵活的模型体系结构，通过组件的扩展与组装，易于实现更大程度的资源重用。

从现有文献资料来看，这些典型系统的模型体系中，拥有的模型或建模基础主要针对空战和电子战、通信等与高科技装备相关的实体及其活动，对陆战相关武器装备和行动的建模则普遍不足，这在很大程度上和陆战实体与行动受环境影响多样、陆战行动变化丰富、与人的互动复杂等特性有关。

［1］ 吴宏鑫，胡军，解永春. 基于特征模型的智能自适应控制［M］.北京:中国科学技术出版社，2009.

［2］ 金伟新.大型仿真系统［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［3］ Teledyne Brown Engineering，Inc. EADSIM Executive Summary［EB/OL］. (2014 -09 -04)［2015 -04 -01］. http://www.eadsim.com/EADSIMExecSum.pdf.

［4］ 邓红艳，邓桂龙，赵倩，等. 作战仿真理论与实践［M］. 北京:国防工业出版社，2013.

［5］ 唐忠，薛永奎，刘丽.美军作战仿真系统综述［J］.航天电子对抗，2014，30(4):47 -50，54.

［6］ WARHOLA，PAUL J. An analysis of alternative methods to conduct high-resolution activities in a variable resolution simulation［R］. Naval Postgraduate School，1997.

［7］ DANIEL T MAXWELL. An Overview of the Joint Warfare System(JWARS)［R］. MITRE Corporation，2000.

［8］ ANDY BOWERS，DAVID L PROCHNOW. Multi - Resolution Modeling in the JTLS - JCATS Federation［R］. The MITRE Corporation，2003.

［9］ 陈欣，蓝国兴，何焱，等.美军建模仿真对象模型体系框架研究［M］.北京:军事科学出版社，2008.

［10］ Ternion Corporation. FLAMES Modeling ＆ Simulation software by Ternion［EB/OL］. (2015 -01 -01)［2015 -04 -01］.http://www.ternion.com.