一种基于FLAMES框架的工程保障模型体系设计

彭　彰, 魏　丽, 杨慧杰



一种基于FLAMES框架的工程保障模型体系设计

彭彰, 魏丽, 杨慧杰

1引言

计算机技术的飞速发展推动着新军事变革。为节约成本,目前世界主要军事强国均开展了作战仿真系统的研究,以先进的计算机和网络技术开展在作战指挥、日常训练、战术操作、装备保障等方面的模拟推演,评估指挥策略、训练水平、装备部署、保障措施的有效性。在工程兵保障作战中,通过伪装、欺骗、机动和反机动等手段将敌人置于孤立,最终瘫痪、瓦解,缩短己方的、延长敌人的OODA(观察-调整-决策-行动)循环,能够进一步保障部队夺取战斗的主动权。

工程兵担负工程保障任务,由工兵、舟桥、建筑、伪装、野战给水工程、工程维护等专业部(分)队组成。主要装备包括渡河桥梁器材(如轻型门桥、重型舟桥、坦克架桥车等)、工程机械(如挖壕机、推土机、平路机等)、地雷爆破器材(如火箭布雷车、机械布雷车、火箭爆破器、扫雷犁等)、伪装示假器材(如伪装网、伪装涂料、伪装烟幕、角反射器、假目标等)。

工程兵作业对象和方法繁多,如表1所示:

表1　工程兵作业分类

可以看出,工程兵专业分工越来越细,器材种类众多,且一般受本级作战指挥部门与上级对口业务部门的双重指挥(图1)。工程兵指挥需要在作战指挥给定的开始和结束时间内、利用现有的资源、按照紧急程度指挥调度各分队,完成工程保障任务。在部队执行任务过程中,确定保障部队的配备规模和指挥策略都具有相当难度。因此,工程保障难以用一种仿真模型实现,是一个相对较大的模型体系。

图1　工程兵部队指挥与保障关系Fig.1　 The command and support relations of engineers corps

在工程保障仿真领域,文[1～3]分别在效能评估方法、作业环境成员仿真模型、数据记录成员仿真模型设计等方面进行了描述,但是尚未有系统的模型体系描述。

本文在对多种类工程保障任务进行分析之后,以FLAMES仿真框架为基础,建立了工程保障中的典型兵力——道桥分队、筑城分队、地爆分队、舟桥分队的工程装备模型、作业对象模型和任务处理模型,模拟了各分队指挥和执行任务过程,提炼了基于该框架的工程保障模型体系设计方法。该方法充分利用了FLAMES仿真框架的开放、快捷、可定制的特点,完善了已有装备模型体系,在联合作战指挥信息系统仿真中体现了工程保障因素,完善了作战指挥体系。推广后,可适用于各类工程兵保障仿真。

2FLAMES仿真框架简介

FLAMES[4]是美国Ternion公司开发的用于全方位行为仿真开发和使用的、开放结构的仿真框架,支持武器平台、战术、战役三层仿真开发,支持C/S、HLA分布式仿真,提供装备模型、认知模型、消息模型和环境模型开发框架。其装备模型划分为传感器系统、通信装备、干扰装备、数据处理器、武器系统、平台、弹药、辅助系统八大类;认知模型包括过程模型和消息处理模型两大类;环境模型分为特征、效果、大气和空域四类。

仿真引擎是基于组件的结构,各类模型都为面向对象的多层次结构,用户可以使用其代码生成器,生成模型框架,加入自己独特的算法。模型加入、修改、移植和共用都非常方便。

其四个主要应用FORGE、FIRE、FLASH、FLARE提供了想定制作、推演计算、推演过程回放和数据分析功能。其关系如图2所示。

图2　FLAMES组成Fig.2　The composition of FLAMES

FORGE用来创建和编辑想定;FIRE是引擎核心,管理平台运动、传感器探测、电子干扰、通讯、武器发射、人的行为和决策等模型的仿真运行过程;FIRE的“超实时”模式以最快的速度进进行仿真,仿真结束后输出数据进行分析,“实时”模式可实现人在回路仿真;FLASH读取FIRE的运行结果文件对仿真进行回放;FLARE可将FIRE的运行结果记录数据以关系数据库的形式进行查询和浏览。

3典型的工程保障模型体系

我们参考了文[5]中模型的构建和分类,对道桥分队、筑城分队、地爆分队、舟桥分队的任务处理和装备调度过程进行分析,整个模型体系组成如图3所示,其中与工程保障紧密相关的3类仿真模型是:

(1) 作业对象模型;

(2) 工程装备模型;

(3) 任务处理模型。

它们分别属于FLAMES中的平台类、武器类、认知类模型。传感器类、通信装备类、机动平台类、通用认知类和毁伤评估类模型与作战模型共用。

图3　典型的工程保障模型体系Fig.3　A typical system engineering support model

3.1实体模型设计

实体模型(Unit)用于构建作战实体单元,功能由附加在其上的各类模型实现,加载不同的装备模型可以构建不同的作战实体单元。装备模型仿真物理装备的行为,使用这些设备与环境和其他单元进行交互;认知模型仿真人的行为和决策过程。

工程兵分队Unit需要处理上级和同级作战指挥交给的工程任务,在认知模型中增加了任务处理模型。一个典型的工程兵Unit实体组成和对外交互关系如图4所示。

3.2作业对象模型

作业对象模型属于平台模型类,包括雷区、壕沟、桥梁等。它们作为地理要素特征,被外部其它作战实体查询以影响环境要素特征,或主动毁伤周边作战实体,影响红蓝双方作战单元的机动性。

桥梁Unit和壕沟Unit是固定位置的实体,指定参数创建后只需将其部署(LOCATE)在想定的地理环境中即可。工程装备模型创建雷区Unit后,需要启动雷区Unit的毁伤功能。

以雷区为例,首先在FLAMES中使用代码生成器,创建一个名称为“PT17”的雷区平台。然后运行新编译的FORGE,在雷区Unit定义中加载(EMPLOY)名称为“PT17”的雷区平台,并指定雷区标识、地理范围、雷种、敌我识别属性、埋雷深度、雷距等属性,生成一个雷区Unit。如图5所示。

在布雷车模型对雷区Unit执行了参数为“START_RUN”的FEquipmentControl控制命令后,雷区Unit的执行函数处理该命令并调用“Explode”函数对周边其它Unit进行识别,将确定要毁伤的Unit信息发送给毁伤模型处理。

图4　工程兵分队Unit组成和对外交互关系Fig.4　The consisting of engineers corps Units and external relationships

图5　定义雷区平台和雷区实体Fig.5　The definition of minefields platform and Units

其毁伤过程如下:

(1) 获取雷区作用范围内的周边Unit;

(2) 排除EMPLOY炸药、雷区、壕沟、飞机、桥梁、机场等平台的Unit;

(3) 排除EMPLOY扫雷探雷车等武器装备的Unit;

(4) 排除生成雷区自己的布雷车Unit;

(5) 对剩余的Unit,判断是否是聚合级武器;

(6) 如果是聚合级武器Unit,排除武器已经毁弃的Unit,获取武器位置是在雷区范围内的Unit,排除是否在雷区已爆范围内的Unit,将该实体信息发给毁伤模型处理,标记雷区已爆范围;

(7) 如果是单一Unit,获取在雷区范围内的Unit,排除是否在雷区已爆范围内的Unit,将该Unit信息发给毁伤模型处理,标记雷区已爆范围;

(8) 毁伤模型对Unit进行处理。

3.3工程装备模型

工程装备模型属于武器系统类模型,它们受工程兵分队Unit的认知模型调度(FEquipmentControl),可以创建(FUnitCreate、FUnitLaunch)、修改(FEntityAlter)、损毁(FUnitDestroy)作业对象模型构建成的Unit,执行任务过程中及时向认知模型报告根据任务情况。

拥有不同装备配比的工程分队其作业能力与装备性能、人的操作熟练程度、作业对象相关紧密,有的分队集群作业能力体现在单装备作业能力之和,有的体现在集群作业属性。如1台扫雷车对某型雷区的作业能力是400平米/小时,则拥有3台扫雷车的地爆分队其扫雷能力是1200平米/小时;又如某地爆分队10分钟内完成对某类桥的爆破则是集群作业属性。因此,在定义最小粒度的施工单元数据结构时,应兼而考虑,适时用之。

一个典型的探雷扫雷装备定义如图6所示,其加载了PT10坦克车平台模型、CGQ6光学传感器模型、6个WQ14探扫雷装备模型、CGBL的通用认知模型、TX1和TX2通信模型,并定义了敌我属性、编队信息、指挥机构、地理位置属性。

图6　定义探雷扫雷装备Fig.6　The definition of minefields job equipment

工程装备布雷作业相关代码如下:

3.4任务处理模型

任务处理模型是典型的认知模型,完成消息传递和多种任务处理。处理过程主要是工程兵分队根据上级(旅团级)的下达工程保障任务,掌握装备实力和状态,分析环境要素特征,对自身工程装备进行调度。该任务模型能够对各类工程保障任务统一处理,可以部署在道桥分队、筑城分队、地爆分队、舟桥分队Unit模型中。

任务处理模型与周边模型信息关系如图7所示:

图7　任务处理模型外部关系Fig.7　The external relations of tasking model

处理过程如下:

(1) 明确受领的工程保障任务,获取命令中具体参数,根据任务类型分别处理;

(2) 获取分队装备数量和性能等实力数据,计算工程量和任务完成时间,合理分配工程装备;

(3) 控制工程装备机动到达作业开始地点,途中接收平台遇阻、毁伤等状态;

(4) 正常可完成任务时,控制工程装备作业按照任务参数创建、修改、损毁雷区、壕沟、桥梁等环境要素特征;

(5) 报告任务完成情况和作业对象情况。

工程保障作业计算知识要点参考了文献[6],典型的布雷和探雷认知模型如图8和图9所示:

图8　典型的布雷任务处理模型Fig.8　A typical processing model of lay mine task

4仿真开发和试验过程

我们在一种模拟训练系统中使用了该模型体系编成了红蓝双方机械化步兵旅,它包含作战部队和工程兵分队;其中工程兵分队兵力编成如下:

(1) 道桥分队,含2套冲击桥装备;

(2) 筑城分队,含3台挖掘机;

(3) 地爆分队,4个地爆连,含3台布雷车、6部探扫雷车、1支爆破小分队;

(4) 舟桥分队,含1套舟桥装备.

另外想定中已存在雷区3个、壕沟2个、桥梁4个。模型运行界面如图10所示,系统接口关系如图11所示。

4.1认知模型开发过程[4]

(1) 创建工程文件保存目录;

(2) 拷贝工程文件;

(3) 为认知模型和过程方法选择名字;

(4) 生成认知模型代码;

(5) 初始化模型;

(6) 捆绑模型方法;

(7) 建立过程方法;

(8) 编译和链接;

(9) 定义原型;

(10) 定义想定并执行。

图9　典型的探雷任务处理模型Fig.9　A typical processing model of detect mine task

4.2认知模型应用试验

以工程兵分队任务处理模型CEgnr为例,其工程主要包含如表2所示文件。

可以看出,在该仿真框架下,通过不断完善对工程兵分队的任务处理方法,与仿真想定和仿真目的紧密结合,使之与现实处理规则逐步相近,能够取得良好的效果。

5结束语

本文使用FLAMES仿真框架建立了工程保障模型体系,仿真试验结果表明:该模型体系设计能够系统地在多兵种联合作战仿真研究中体现工程兵部队的作用,能够支撑一系列工程保障因素参加的陆地作战仿真试验。进一步经过复杂的想定验证后,能够应用在工程兵资源配置、调度策略评估等试验中。同时可为工程兵指挥自动化系统的标准化、系列化、模块化提供参考,对科学分析“装备保障防卫”兵力的需求、达到联合战役兵力资源的合理配置具有重要意义。

图10　模型运行界面Fig.10　Model Running Interface

图11　系统接口关系示意图Fig.11　The diagram of relationships between internal modules

表2　工程兵分队任务处理模型文件

参考文献:

[1]王贵中.工程装备作战效能评估方法研究[C].中国系统工程学会决策科学专业委员会第六届学术年会论文集.安徽芜湖,2005年10月15-16,215-221.

WANG Guizhong.Method reasearch for the operational efficiency evaluation of the engineer equipment[C].Proceedings of the Sixth Annual Conference of China Systems Engineering Society of Professional Committee Decision Sciences,Wuhu,AnHui,Oct.15-16,2005:215-221.

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YANG Jumei,DU Feng,YAO Ligang.A simulation model for the federate of engineering work environment based on HLA[C].Proceedings of the Sixth Annual Conference of China Systems Engineering Society of Professional Committee Decision Sciences,Wuhu,AnHui,Oct.15-16,2005:222-229.

[3]李淑娟,王贵中,姚李刚.基于HLA的工程保障仿真系统中的数据记录成员设计[C].中国系统工程学会决策科学专业委员会第六届学术年会论文集.安徽芜湖,2005年10月15-16:240-245.

LI Shujuan,WANG Guizhong,YAO Ligang.The design of data recorder of the engineer simulation system based on HLA[C].Proceedings of the Sixth Annual Conference of China Systems Engineering Society of Professional Committee Decision Sciences,Wuhu,AnHui,Oct.15-16,2005:240-245.

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[5]徐华,钟文,刘仁.基于FLAMES的地空导弹营射击指挥认知模型研究[J].战术导弹技术,2010(6):97～99.

XU Hua,ZHONG Wen,LIU Ren.Research on SAM battalion fire command cognitive model based on FLAMES[J].Tactical Missile Technology,2010,(6):97～99.

[6]周先华,李宏伟,余勤.工程保障作业计算原型系统知识处理要点分析[J].军事运筹与系统工程,2002,(3),2-5.

ZHOU Xianhua,LI Hongwei,YU Qin.The points of knowledge processing on engineering support job computing prototype system[J].Military Ooerations Research and Systems Engineering,2002,(3),2-5.

彭彰男(1979-),山东高密人,高级工程师,研究方向为电子信息系统仿真、系统总体设计。

魏丽女(1978-),河北黄骅人,高级工程师,研究方向为信息系统总体设计。

(中国电子科学研究院,北京100041)

摘要：对联合作战中的工程保障进行需求分析,以FLAMES仿真框架为基础,建立了以工程兵部队保障中的典型兵力——道桥分队、筑城分队、地爆分队、舟桥分队为主的工程保障模型体系,能够在多兵种联合作战仿真研究中体现工程兵部队的作用,能够在工程兵资源配置、调度策略评估等试验中进行应用,同时也为工程兵指挥自动化系统的系列化、组合化、参数化提供参考。

关键词：FLAMES; 工程保障; 建模与仿真

FLAMES Framework Based Simulation Model Systems Designfor Engineering SupportPENGZhang,WEIli,YANGHuijie

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

Abstract：Analysis of engineering support requirements for the Joint operation is presented.Based on the FLAMES simulation framework,We build the mission support simulation model for the main armed forces,such as the Road-bridge branch,the City-build branch,the Explosive branch,the Boat-bridge branch.The series of models can reflect the influence factors on the simulation research of the Joint operation of multi-arm,can be applied in the rational conFig.uration and command rules experiments of engineer resources,and give advice to the serialization,combination and parameterization of Engineer troops C2 system.

Key words：FLAMES; engineering support; model and simulation

中图分类号：TP 391

文献标识码：A