基于离散事件仿真要素的军事仿真因果追溯方法

金　毅

(江南计算技术研究所,江苏无锡　214083)



基于离散事件仿真要素的军事仿真因果追溯方法

金毅

(江南计算技术研究所,江苏无锡214083)

摘要:基于离散事件系统建模与仿真的军事仿真系统在军事筹划阶段扮演着至关重要的作用。因果追溯与分析是军事仿真中重要的技术,它可以在大量的数据与复杂的交互关系中找出时序上的关联关系,帮助研究人员确定作战行动中的一些关键实体或事件,用于探究战争的发展脉络与蕴含其中的因果关系。首先对作战仿真领域的因果追溯分析做了简要介绍,然后提出了一种基于离散事件仿真要素的因果追溯分析方法,这种方法可以分析军事仿真中的因果关系,并且有很高的通用性和良好的实用性。

关键词:军事仿真;因果追溯;离散事件仿真;因果分析;兵棋

修回日期： 2015-11-24

军事仿真是计算机仿真在军事领域的重要应用。美国高度重视军事仿真的发展,近十多年来,美国一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术,先后研制出了JWARS、JSIMS、JTLS和EADSIM等可以用于推演的仿真系统。随着近年来我国军事指挥领域的思想变革与军事技术的飞速发展,对计算机军事仿真的研究与发展愈发重视。军事仿真之所以在军事领域具有重要的实用价值,一方面是因为其推演规则是对过去战争经验的总结,反映了过去战争的基本规律; 另一方面其推演方式容易发挥推演人员的智慧和经验。因此，军事仿真成为战争分析的重要补充手段[1]。

通过计算机来进行军事仿真能带来以下的几点好处:1)可以训练指挥人员的能力，提高军事素养；2)可以提前发现行动方案中的存在问题与不足,对方案进行修正和优化；3)节约时间,一方面仿真数据准备时间远小于一次实战演习的准备时间,另一方面仿真过程可以按比例加速,在短时间内模拟一段长时间的行动；4)节约成本,一方面减少了实际中油料、武器装备等物资的使用,另一方面推演仿真可以多次反复进行,还可以设置断点；5)降低风险,任何军事行动都会伴随一定的风险,参与人员面临死伤,设备面临损毁,通过计算机仿真来模拟军事行动可以有效地降低风险。

然而随着仿真系统规模的扩大,系统的功能更加完善丰富,研究的问题更加深入和细致,系统的构成更加复杂,这也带来了一个问题:现有系统没有提供对推演对象之间动态的相互影响关系和过程进行分析与展示的支持。这就使得推演人员虽然能看到推演过程和结果,却难以理清战况发展脉络与因果关系,难以抓住推演中决定胜败的关键事件和指令,难以对结果做出清晰的解释。因此对复杂系统中的因果追溯问题研究变得愈加迫切。

1因果追溯概述

1.1可追溯性的概念

追溯性指对于时间上先后发生的特定事物行为间存在的一种可回溯性关系,这种关系表达了后发生行为与先发生行为之间存在某种联系,从后发生行为出发可以推理得到这些前发生行为,即通过某种关系追溯行为发生历史过程的特性[2]。

追溯性是伴随某个过程的,在过程中得到体现,它包含两大要素:追溯对象和追溯关系。追溯对象指的是追溯的起点和终点,例如行为A引发行为B,那么从结果B出发回溯到行为A,A作为原因是追溯终点,B作为结果是追溯起点。追溯关系又可以划分为两类:关联关系和因果关系。关联关系是一种低层次的关系,表示这种追溯建立在行为间的关联关系上,只能说明后行为的发生与前行为有关,前行为是后行为发生的一个可能原因;因果关系是一种高层次的联系,表示这种追溯建立在行为间的因果关系上,说明后行为的发生与前行为有着因果关联,前行为是后行为发生的主要原因。

1.2因果追溯的作用

通过因果追溯分析,用户可以从仿真结果数据获知系统某些行为的原因和结果的来龙去脉,发现仿真过程中对结果起决定性作用的关键事件和事件序列,进而更高层次上发现客观系统存在的内在规律。除此之外,还可以应用于以下几个方面:1)仿真及模型的确认。通过对实体或者事件的回溯跟踪可以校验模型的科学性。2)模型、想定和实验设计的修改和完善。因果追溯的作用是为现象寻找原因,知道了原因就可以通过对方案的修改来避免问题的再次出现。3)模型的扩展和重用。通过追溯原本独立的模型之间在时间顺序上建立起了关联关系甚至是因果关系,这使得模型得以扩展。4)模型的抽象,因果追溯分析可以帮助研究人员更好地理解模型。

1.3因果追溯分析的主要方法

因果关系追溯分析主要有面向因素与面向行为两种方式:1)面向因素方式关注仿真中各种参变量要素之间的因果关系,通常具有严格的数学理论支持,因而结果偏向于数学公式、图表等。2)面向行为方式关注仿真输出的各种行为之间的关系,它按照人的理解方式发现问题。

目前针对因果追溯分析的方法有很多种,在联合战役级别的推演系统中,常使用因果审计跟踪(CATA:Causal Audit Trail Analysis)分析的方法进行因果关系的追溯分析[3]。CATA用于仿真输出的事后处理,其目的是使用输出结果从关键事件发生时刻出发进行反向追踪。这种方式不能追溯到任意层次的细节,并受到有效支持数据的制约。前因追溯表[4]是一种认知可靠性和失误分析方法,这种方法预先考虑到尽可能多的某个问题引发的原因,然后对原因进行归类,继而又根据当前原因寻找上一层的原因,并将原因分类,然后针对该问题的因果分析便转化为了不同种类原因之间的转移,即形成了有限状态自动机。这种方法的局限在于一是不一定能考虑到引发该问题的所有原因,二是在于不适合复杂的问题研究。基于槽约束的方法[5]建立起仿真领域的本体论,然后可以获取因果关系的相关知识:潜在因果逆关系类所建立的约束槽,以及仿真事件类中的约束槽。该方法的局限在于如何获取完整的约束关系,另外一点在于没有考虑比较复杂的逻辑关系。原因和效果图(Cause-and-Effect Diagram)[6]是另外一种可以用于因果分析的方法,它又被称作鱼骨图,最初由日本Kaoru Ishikawa教授提出,用于定性的高层系统分析。

从以上的各种因果关系分析方法中可以看出,各种方法都有很大的局限性,在作战仿真领域各自有适用的范围,而且包含了各种前提与假设,存在一些缺陷。

2基于离散事件仿真要素的因果追溯分析

基于离散事件仿真要素的因果追溯分析方法可以应用于各种离散事件系统与建模的领域。在军事仿真中,它可以挖掘各要素之间在时序上的关联关系,从而帮助研究者理清战争发展脉络,寻找决定战争胜负关键的事件或行为,从而深层次地去理解战争过程。由于这种方法研究分析的对象是离散仿真建模中的基本要素,因此该方法适用于各种基于离散事件仿真的军事仿真系统,所以该方法通用性较强,适用范围较广,并具备较好的实用性。

2.1离散事件仿真中的基本要素

在离散事件系统建模与仿真领域,有几个重要的基础概念:实体(Entity)、事件(Event)、活动(Activity)、状态(State)和行为(Behavior),它们可以如下定义[7]:

1)实体是系统中可单独辨识和刻画的构成要素,是对象的抽象表达。

2)事件是引发系统状态改变的瞬间操作或行为,事件发生的时刻叫做事件点。

3)活动是实体在一段时间内的行动。

4)状态是实体活动特征或性态的划分。

5)行为是实体所具有的动作或操作,可能表现为实体状态随时间的持续变化,也可能表现为其状态随事件的跳跃变化。

在五种基本要素中,实体和事件是最基本的要素。

2.2仿真要素之间抽象关系研究

在军事仿真中,会产生大量的实体和事件,非常杂乱地分布在系统中,仅仅对实体和事件按一定规则分类,如图1所示,并不能帮助研究人员充分挖掘出需要的信息,不能够有深度地去理解作战中的行为。

图1　军事仿真系统中实体与事件分布和简单分类

军事仿真系统是离散的仿真系统,然而无论是事件还是实体,虽然它们都是离散的个体,但它们之间存在着千丝万缕的联系,如果仅仅着眼于一个个事件和一个个实体,这种研究是静止的,孤立的。马克思主义认为,世界是普遍联系的整体,任何事物内部各要素之间以及事物之间都存在着相互制约、相互影响和相互作用的关系。按马克思主义的看法,任何一个事物的联系都包括内外两个向度,也就是内在联系和外部联系[8]。

因此,发现隐藏在大量实体和背后相互之间的联系,有助于研究人员掌握军事仿真中的规律,理清实体与事件间的发展脉络,了解推演的进程,如图2所示。寻找这种联系不仅仅能够完成“扁平化”的分类(每一条线所链接的对象可以看做一类),更挖掘出了时序上的“纵深”(沿着线遍历对象,它们按时间先后前后存在着关联关系),有助于帮我们寻找因果关系。

图2　实体与事件的关联关系分类

从前文中介绍的5个基本的仿真要素出发,首先从抽象的角度来研究它们之间的关系,这种关系并不复杂。如果不关心事件所代表的操作和行为意义时,事件与事件点是同义词,可以抽象成一个瞬时概念。与之相反,活动是一个过程性概念,在时间上会有延续。活动中包含一个或多个事件,如图3所示。

图3　活动与事件关系

一个或多个实体会参与到活动中,并且实体和事件具有关联关系,实体产生的行为可以引发事件,而一个事件可以通过改变实体的状态从而影响实体。行为和状态是实体具有的两个属性,行为是动态属性,状态是静态属性,实体自身的行为可以改变实体自身的状态。另一种改变实体状态的方式是外部事件,两种方式相对比,实体行为主动改变自身状态,是内因,而外部事件被动改变实体状态,是外因,这个外部事件可能是由其它实体的行为所引发的。综上所述,这五种概念的关系如图4所示。其中实体与事件的关联关系是相互的,一方面可以由实体产生行为,行为触发事件的路径来表现实体对事件的作用,另一方面,可以由事件改变实体所具有的状态来表现事件对于实体的影响。

图4仿真基本要素关系

2.3“交互”的定义与作用

实体、事件与活动是系统建模中的基本概念,它们之间不是独立存在,而是存在着紧密的联系。如果使用集合论的方式来表达,在逻辑上活动可以表达为一个三元组Activity={A,B,R},其中A表示实体的集合A={a1,a2,a3…an},n属于正整数,每一个属于实体集A中的实体都会参与到活动Activity中。其中B表示事件的集合B={b1,b2,b3…bn}, n属于正整数,每一个属于事件集B中的事件都会是Activity中发生的事件。R是实体和事件的关系集合R={r1,r2,r3…rn},n属于正整数,其中ri=〈ap·bq〉或ri=〈bq*ap〉,ap∈A,bq∈B即ap是实体集合A中的元素,bq是事件集合B中的元素,ri=〈ap·bq〉表示实体ap引发事件bq,这种关联关系用符号·表示,ri=〈bq*ap〉表示事件bq作用于实体ap,这种关联关系用符号*表示。

通过定义可以发现,实体和事件是不可分割的原子要素,而活动可以看做复杂要素,它包含大量的实体与事件,以及两者之间的关系。活动蕴含了丰富的态势信息和隐含的知识,因此对活动中的关联关系挖掘具有非常重要的意义,但因为富含的信息多而杂乱,所以给前者带来了极大的不便。由于探索活动中各种关系的迫切性和较大的难度,有必要定义一种概念和对应的数据结构来简化这一过程。因此将定义一种称作“交互”的概念,交互是指两个实体在一段时间内所发生的关系或者交互行为,它可以由各自实体对应的事件所关联到。例如实体ap进攻实体aq,两者发生交火,这个交火行为就是实体ap与实体aq的一个交互,它可以分别由实体ap对应的进攻事件bp查询到,也可以由实体aq的遭受攻击事件bq查询到。使用集合论可以如下定义交互:Interaction={ap,aq,〈ap·bp〉,〈bq*aq〉}。从交互的概念和集合定义可以发现,它的构成元素也是活动定义中的基本构成元素,实际上它可以被看做一个活动中的一个片段或一个“子集”,任何活动都可以分解成多个对应的交互。

2.4基于离散仿真要素的因果追溯算法

交互是一架桥梁,建立了实体与实体之间简单的交互关系,在未定义交互之前,通过要素之间关系的研究可以很容易地找到实体与事件之间的联系,而通过活动来找到实体与实体之间的联系十分具有挑战性,使用交互的概念,可以从实体出发找到实体所对应的事件,又可以由事件查找到对应的交互,从交互中可以发现另外一个实体,这便完成了一个基本的追溯过程。由新发现的实体出发,重复上面的过程便可以实现深层次的追溯,找到难以人为发现的关联关系。

基于离散仿真要素的因果追溯算法的思想可以简单归纳如下:

1)确定研究问题及研究主体,即承载问题的实体。

2)由问题主体作为出发点,寻找它所对应的事件集,对一个事件进行判断,如果与所研究的问题无关,则认为它无效,如果该事件与研究的问题相关,它可能是研究问题的重要因素,进行下一步。

3)对2)中保留的事件,根据它的结构和参数对它进行分析,探究问题的原因,如果事件关联到一个交互,则查询交互信息,并进行下一步。

4)依据上一步的交互信息,可以关联到另一个实体,该实体是原因载体,也是另一个新的问题主体。

5)重复步骤2)到4),直到最初的实体搜寻完所有事件。

使用伪代码的表达方式,算法计算过程如图5所示。

图5　算法的伪代码表示

在算法中,首选定义问题Q和与它直接关联的实体Entity0,算法中包含三类节点:Entity-node,Event-node和Interaction-node。其中build()方法用于建立一个新的节点,setFlag()方法可以设置节点是否有效,即它是否有意义并值得进一步分析。setChild()方法用于设置节点的子节点。

使用该算法可以形成一棵树,如图6所示,从上到下,实体关联到事件,事件关联到交互,交互关联到新的实体,形成一种追溯关系。在树的每一层,由左至右同一类型的节点按照时间先后顺序从左向右排列,其中用虚线表示的节点为无效,也就是该节点与所探寻的问题无关,该节点不作为研究问题的一个原因。

图6　算法运行结果示例图

在给出算法的基础框架后,有两个问题值得进一步研究:1)追溯的过程何时停止；2)如何比较多个因素的重要性,即区分主要矛盾和次要矛盾,根本矛盾和非根本矛盾。

针对第一个问题,如果实体、事件与交互的关系很简单,便可以在很少次数的递归中完成追溯,甚至都不需要递归。但如果三种要素的关系很复杂,则追溯的层数会很深,迭代的次数很多,会大量消耗计算与存储资源,所以可以人为地规定一个最高的迭代次数,当运行一次算法达到此迭代次数时将停止迭代,完成追溯。从直观意义上去看,追溯层次的不断深入并不能在很高程度上提高因果追溯的准确度,因为层次越深,它与问题主体之间的关系就越不紧密,在时间上也与问题出现的时刻远离,这就好比研究人类进化史并不一定要追溯到地球上第一个出现的单细胞生物一样。

针对第二个问题,可以由相关领域的知识专家来决定哪些追溯分支在问题原因分析中占有重要地位。另一种方式是使用数据挖掘技术,运用数理统计的知识寻找一般性的规律——针对某一类问题,哪些可能的追溯分支在原因中所承担的重要性更大,可以为每一个原因分支分配一个权值,权值越大,说明它与问题的联系越紧密。

3实验和结果

为了评估这种方法的效果,对依靠某国产化军事仿真系统作为平台,多次行动使用该方法进行了多次实验,在本文中以一个具有代表性的军事问题作为实例,我军红方某机械化步兵营接到上级指令从A地出发机动至B地,却未能在规定时间内到达,要研究该问题发生的原因,该机械步兵营作为初始时的问题主体。首先搜索该单位所经历的事件,发现其在T-1时刻遭受敌军蓝方攻击,由该事件可以追溯到一次战争交互,该交互类型是一次空对地打击,根据该交互找到另一个实体——空中行动任务 蓝方飞机编队。再由该主体遍历它所经历的事件,发现在其蓝方飞机编队抵达预定地点对红方步兵营展开空对地攻击之前,在半途中遭遇到红方地面炮火打击,其因果追溯图如图7所示,虚线图形表示追溯到的无关要素,实线图形是相关要素。

图7　因果追溯实例

沿追溯路径进行分析,结合各项指标与数据可以发现,红方步兵营未能按时到达指定地点的直接原因是在行进中遭遇了蓝方空中火力打击。执行打击任务的蓝方空中编队虽然在行进途中遭到了红方地面防空系统的防御性打击,但效果不明显。经进一步追溯和查询,红方地面防空系统存在两个问题:一是受到了蓝方空中编队强大的电磁干扰,二是装备落后,火力不足,无法对蓝方空中编队展开有效打击。在确定问题的主要原因后,提出合理化建议。方案一是补充地面防空系统力量,增强防空火力。方案二是派出红方空中力量,为地面单位开辟安全的地面走廊,当侦测到敌军空中编队时,红方战斗机编队可以与之展开空中搏斗,将其驱离。

实践证明,该方法可以有效地对军事仿真系统进行因果追溯分析,具有良好的实践效果和广泛的应用范围。

4结束语

因果追溯分析在复杂系统与复杂工程中的作用将愈发重要,对因果追溯分析的研究也会愈加深入。本文所提出的基于离散事件仿真要素的军事仿真因果追溯分析方法可以挖掘各要素之间在时序上的关联关系,从而帮助研究者理清战争发展脉络,寻找决定战争胜负关键的事件或行为,从而深层次地去理解战争过程。该算法的特点之一就是理论贴近于离散仿真的基础模型,与实际应用结合密切,具有较广的使用范围,经试验检测具有很好的实用性能。当然该方法还有进一步研究改进的空间,在以后的研究中会对算法进行优化,提高它的准确性,改进迭代结束标准,并结合数据挖掘领域的知识来为每一个追溯分支赋予权值。

参考文献:

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

[2]石峰，等. 复杂仿真系统的因果追溯性研究[C].’2005系统仿真技术及其应用学术交流会，2005.

[3]Dromerhauser, Richard J. A Methodology for Comprehensive Quantitative Evaluation of a Computer Aided Exercise using the Joint Theater Level Simulation[D].JTLS,1997.

[4]沈祖培, 王遥, 高佳. 人因失误的后果-前因追溯表[J].清华大学学报(自然科学版), 2005(6): 799-802.

[5]石峰,等. 基于槽约束的行为因果关系追溯方法[C].2006中国控制与决策学术年会,2006.

[6]Ishikawa, Kaoru. Introduction to quality contro[M].Productivity Press, 1990.

[7]邓书晶.计算机离散事件仿真的原理[J].计算机与现代化， 2009(6)：74-77

[8]Konstantinov, Fedor Vasilévich. The fundamentals of Marxist-Leninist philosophy[M]. Progress Publishers, 1982.

Casual Tracing Analysis of the Warfare Simulation Based on Elements of Discrete Events Simulation

JIN Yi

(JiangNan Computing Technology Research Institution, Wuxi 214083, China)

Abstract:Warfare simulation system based on discrete events modeling plays a very important role in the military planning stage. The traceability and analysis of causality is a significant strategy in warfare simulation, which could explore the development of the battle and the causality of it, in order to reveal the sequential relationship from large volumes of data and complex interaction relationships and then help the researchers to identify certain key objects and events. This paper would first introduce the causal analysis in the field of warfare simulation, and then propose a particular kind of causal analysis, based on the simulation elements of discrete events. This method, known for its universality and practicability, could analyze the causal relationships in warfare simulation.

Key words:warfare simulation;causal traceability; discrete events simulation; causality analysis; wargame

作者简介：金毅(1990-),男,山东济南人,硕士研究生,研究方向为作战仿真、数据挖掘。

收稿日期：2015-09-24

中图分类号:TP391.9

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.01.018

文章编号：1673-3819(2016)01-0085-05