海上作战方案推演系统仿真模型体系研究*

孙光明　王大志

(1.海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所　大连　116018)(2.91550部队第220所　大连　116026)

SUN Guangming1　WANG Dazhi2

(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian　116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian　116026)



海上作战方案推演系统仿真模型体系研究*

孙光明1王大志2

(1.海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所大连116018)(2.91550部队第220所大连116026)

分析了海上作战仿真模型的分类。给出了构建海上作战仿真模型体系的分阶段建模方法。提出了基于构件思想的海上作战仿真模型体系建设思路，并给出了模型库的设计与实现方法。

海上作战仿真; 模型体系; 分阶段建模; 参数化建模

SUN Guangming1WANG Dazhi2

(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian116026)

Class NumberTP391

1　引言

随着海军装备信息化建设工作的不断发展和作战指挥决策系统在部队日常训练中的深入使用，部队对作战指挥决策系统提出了新的要求，不仅要求系统辅助其解决“干什么”和“怎么干”的问题，还要解决“这样干，行不行”的问题。要求建立一套面向海上作战战役和战术层面的作战方案仿真推演系统[1]，使得编队作战方案拟制完成后，可立即进行推演和评估，进而辅助检验作战方案的可行性。

现代高技术条件下的海战，是敌我双方海上多种作战平台在海、陆、空、天、电五维一体的空间展开的攻防体系对抗，具有参战力量多元，战场空间多维，作战手段多样，战场态势多变等特点。海上作战过程中涉及的兵力类型、武器装备类型数量繁多，彼此间交互关系复杂，这些都给对海上作战仿真带来了很大难度。同时，由于海上作战时效性强，推演准备和运行时间短等约束条件，推演过程中不可能依靠人工方式指挥每个仿真实体进行具体的行动，只能利用具有人工智能的CGF兵力实体来模拟战场各级指挥员的决策和指挥过程。因此建立何种范围、何种粒度的海上作战模型体系是海上作战仿真推演的最基本问题。

2　海上作战仿真和模型分类

2.1海上作战仿真

海上作战仿真是对海战场环境、敌我双方海上作战平台、武备系统以及指挥决策过程和交战对抗过程的仿真模拟。作战平台包括可移动平台(水面舰艇、潜艇、固定翼飞机、直升机等)，和固定平台(机场、海军基地、雷达站、水声站、岸炮、岸导等)。每种作战平台还可根据其类型和型号逐层向下细分。武备系统是指作战平台以外一切与作战过程直接相关的设备和武器的总称，包括硬杀伤武器(导弹、鱼雷、火炮等)、软杀伤武器(有源和无源电子战设备等)、通信系统、侦察探测系统和指挥控制系统等。作战过程是作战平台和武备系统在双方指挥系统统一指挥下的作战使用过程，由搜索跟踪、情报处理、指挥决策、攻击、防御等部分组成。海上作战仿真主要是对作战过程的仿真，包括传感器探测过程的仿真、情报处理过程的仿真、指挥决策过程的仿真、攻击过程的仿真、防御过程的仿真等[2]。

实现探测过程仿真需建立各种探测设备的仿真模型，如各种声纳模型，包括舰壳声纳、拖曳线列阵声纳、吊放声纳、鱼雷报警声纳、通信声纳等的仿真模型；各种雷达模型，包括警戒雷达、火控雷达、导航雷达等的仿真模型。探测设备可以配备在不同的作战平台上，如水面舰艇、潜艇、直升机等作战平台。探测设备能感知敌方信息，如敌方作战平台、武器等信息以及海战场的自然环境信息。

探测设备模型仿真运行得到的各类目标和环境信息集中到情报处理仿真模型中进行处理，建立各种目标的运动航迹和运动要素，然后对目标的威胁程度进行判断，为辅助指挥员决策提供帮助。

指挥决策过程仿真需建立舰艇作战辅助决策模型，即战术模型，包括搜索决策模型、攻击决策模型和防御决策模型等。决策模型根据战场态势信息进行决策，生成决策方案，向各作战平台和武器系统模型下达作战任务指令。

实现攻击决策和防御决策过程的仿真需建立攻击和防御的作战过程模型以及实现攻击和防御的平台模型、武器系统模型以及软硬武器毁伤模型。

作战过程模型由一系列的作战行动组成；平台模型包括各种水面舰艇、潜艇、飞机平台的模型；武器系统模型包括硬武器模型和软武器模型，硬武器模型包括各类型和型号的鱼雷、导弹、深弹、火炮等武器模型，软武器模型包括电子对抗、水声对抗模型等。

2.2海上作战仿真模型的分类

海上作战仿真涉及模型众多，模型间关系复杂，对其进行合理的梳理和组织是构建海上作战仿真系统的基础。根据模型的用途，海上作战仿真模型可分为以下五大类，每一类模型还可继续向下分解，如图1所示。

作战实体模型和作战模型是海上作战仿真模型体系的核心。作战实体模型由实体的属性模型和功能模型组成。实体属性模型描述实体的特征，如平台实体的物理尺寸等。实体功能模型，是实体所具备的物理能力(功能)的数学表示，如平台机动能力模型、系统通信能力模型、传感器探测能力模型、武器毁伤能力模型等。

图1　海上作战仿真模型分类

作战模型包括指挥决策模型、作战交互模型和实体运动模型。在海上作战仿真推演中，各类作战实体可接受各种作战指挥命令，执行相应的战术动作，如机动、探测、发射等。在人在回路中的推演中，这些命令可由人来下达。否则，由相应的指挥决策模型下达。指挥决策模型感知战场态势的变化，并模拟人的决策过程，生成决策命令，并下达给仿真实体执行。作战交互模型，针对作战实体间的相互作用进行数学建模，并仿真其作用效果，如雷达、声呐搜索探测，平台间通信、武器毁伤等。实体运动模型，是某一类实体在真实环境下运动状态和规律的数学表示，如导弹发射后不同阶段运动规律的数学模型。

作战实体模型和作战模型组成了舰艇作战仿真的主体模型，主体模型主导了海上作战仿真过程的进行，同时为视景模型和评估模型提供显示和评估数据。

3　构建海上作战仿真模型体系需要解决的问题

构建满足海上作战仿真推演系统的模型体系，需要解决以下两个问题：

1) 如何选择和统一建模方法问题。由于海上作战具有涉及专业领域繁多，不同领域的专业跨度大的特点。对于跨领域、多部门的联合建模，必须统一建模方法。只有这样才能确保建模的粒度和精确度保持一致，进而使最终的模型体系能够协调一致的工作。

2) 仿真模型的重用性问题。海上作战仿真涉及的装备类型型号繁多。以雷达装备为例，包含了警戒雷达、火控雷达、导航雷达等多种类型，而每种类型的雷达还分为不同的型号，不同类型型号雷达的性能不同。如果针对每一型装备，均分别建立仿真模型，最终将导致整个模型体系异常庞大，同时也不利于工程化的实施。因此，必须对海上作战的模型进行合理的归类和抽象，最终形成通用的模型体系，提升模型的重用性。

4　海上作战仿真模型体系构建

4.1分阶段建模方法

对于复杂系统建模，直接从被仿真系统抽象出可以运行的仿真模型非常困难，比较好的解决方案是分阶段建模方法[2]。分阶段建模方法将建模过程分为四个阶段：概念模型开发阶段、逻辑模型开发阶段、数学模型开发阶段、软件模型开发阶段，如图2所示。

概念模型开发由领域专家完成。概念模型是对真实世界的首次抽象，实现对真实世界的准确和规范的描述。概念模型提供特定领域的概念定义，描述概念之间的关系，描述领域中发生的活动以及该领域的主要理论和基本原理等。

图2　分阶段建模过程四个阶段

逻辑模型开发由技术人员配合领域专家完成。逻辑模型以仿真实现为目的，对概念模型中的领域知识进行归类和进一步抽象。概念模型面向问题域，采用自然语言进行面向过程的描述，逻辑模型面向实现域，采用形式化方法进行面向对象的描述。如采用UML建模语言描述逻辑模型，可用类图和对象图描述仿真实体，用活动图和顺序图描述仿真实体的活动，用协作图描述仿真实体之间的交互。

数学模型开发由领域专家和技术人员共同完成。数学模型描述逻辑模型中的算法。如描述实体运动的运动模型，描述探测设备工作的探测模型(声纳模型等)，描述实体之间的碰撞模型和毁伤模型等，这些模型一般都在合适的数据模型基础之上，形成标准的算法，同时规定模型使用的约束条件，设计相对通用和标准的模型接口，说明模型可以完成的功能。

软件模型开发阶段由软件技术人员完成。软件模型是仿真系统的软件设计方案，主要包括软件系统的体系结构设计以及体系结构中的组件的设计等。

4.2基于构件思想的海上作战仿真模型体系构建

就国内其它行业成功实施案例分析来看，为了在当下的环境下更好地生存与发展，充分地利用了信息化和移动化的技术手段，并引入了先进的JIT（准时至）的管理理念，对铁路企业审批业务环节上进行了改革性的创新和应用，让审批业务由线下操作成功的转型到线上操作，不仅大大提高了工作的效率，同时也节约了大量的时间成本和资源的消耗，取得很好的应用效果。具体效果体现在以下几个方面：

在软件领域，一种比较有效的提高软件重用性的方法就是软件构件技术。软件构件技术是面向对象技术的进一步发展。一般认为，软件构件是指语义完整、语法正确、可提供明确功能和具有可复用价值软件单元。从程序角度理解，可以把构件看作是有一定功能、能够独立工作且能同其他构件装配起来协一调工作的程序体。软件构件所具备的封装性、接口明确性、可装配性和可扩充性等特点极大地提高了软件构件的可重用性。

可以将软件构件的设计思想应用于海上作战仿真模型体系的构建，以提高仿真模型的重用性[3]。其具体实施可归纳为三方面工作：

1) 在对仿真模型体系进行系统性梳理的基础上，自顶向下逐层细分，直至得到最小分辨率的模型。这些最小分辨率的模型需具备通用性、可重用性。它们是仿真模型库的基础，更复杂的模型是基础模型通过聚合或组合的方式得到。

2) 针对同一类模型，利用参数化建模的思想，分析其逻辑模型和数学模型中表征模型特征和算法特征的特征属性集合，形成模型属性参数表。进而，通过设置属性参数表为不同参数值，利用同一模型，仿真不同型号的武器装备或仿真过程。

3) 通过装配组合和聚合原子级模型，形成更高层次的仿真模型。

4.2.1仿真模型库的设计与实现

通过对海上作战仿真模型体系的分析和梳理，可按功能域归纳出以下类结构，如图3所示。该类结构基本了涵盖海上作战仿真的各个方面。

图3　仿真模型类结构图1

以上八个子类还可分别继续向下派生。以仿真实体类CSimEntity为例，如图4所示，派生出陆基固定作战平台类CLandUnit和可移动作战平台类CPlatform。以陆基固定作战平台为基类，派生的子类包括：雷达站类CRadarStation、导弹发射阵地类CMissilePosition、军港类CHarbor、水声站类CSonarStation和机场类CAirport等。以可移动作战平台类为基类，派生的子类包括：水面舰艇类CWarship、潜艇类CSubmarine、固定翼飞机类CWarcraft、旋翼飞机类CHelicopter等。

每个子类还可根据需要继续向下派生，直至最小粒度，不可再分为止。仿真模型中表征模型的模型属性被定义为类的属性，模型算法被定义为类的方法。其中，具有共性的属性和方法被封装在基类中，个性的属性和方法被封装在子类中。同时，还可以通过重载的方法，在子类中替换父类的方法。基于构件思想的仿真模型库由全部父类和子类共同组成。在上述模型类体系中，可依据是否能完整表述一类平台、武备、行为等，将其划分为两部分。一部分对外不可见，另一部分对外可见。可见的部分可在仿真推演中生成具体的仿真对象。

图4　仿真模型类结构图2

通过对模型按功能域进行抽象、划分和逐级分解，可有效避免相同或类似功能模块的重复设计和开发，增强了模型的重用性。同时具备很强的扩展性，还可根据需要派生出新的子类，扩展已有的模型库。此外，由于所有模型类都是通过派生得到的，也有利于定义规范统一的模型接口，进而使模型之间的互联和交互得以顺利进行。

4.2.2模型实例参数的编辑、装配与模型实例库的生成

通过上述方法所构建的仿真模型库中的每个模型均是一个通用的模型，每一个模型均仿真了一类具有共同特征和行为的仿真对象，如：导弹、雷达、水面舰艇平台等。在仿真特定型号装备、平台时，需按照模型属性参数表设计一组与目标性能相符合的参数值。一个模型和一组对应的参数值构成了一个模型实例。另外，对于复杂的仿真对象，可通过聚合多个模型实例得到。例如：A舰艇平台实例，B舰艇运动模型实例，C指挥决策模型实例，D雷达实例，E舰空导弹实例，F反舰导弹实例等共同聚合生成X型水面舰艇兵力实例。所有仿真模型实例共同组成了仿真实例库。

在进行海上作战仿真推演时，首先根据想定中涉及的兵力类型型号，在模型实例库中检索相应的模型实例。之后再根据模型实例参数，生成相应的仿真实体。

5　结语

目前，文中提到的海上作战仿真模型库和模型实例库已初步建设完成，并在与其配套建设的海上作战方案推演系统中得到了应用。已进行多次海上联合机动编队层次的作战方案推演，取得了很好的效果。下一步，将进一步丰富和扩充模型库和模型实例库，将海上作战方案推演扩展到更大规模和范围。

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Simulation Model Architecture of Marine War Situation Deducing System*

The model classification of navy campaign simulation is analyzed. A multi-phase modeling method for navy campaign simulation model architecture is provided. A modeling method based on software component ideas is raised, and the detailed method for designing and developing is provided.

navy campaign simulation, model architecture, multi-phase modeling, parametric modeling

2016年2月8日,

2016年3月29日

孙光明,男,硕士,助理研究员,研究方向:作战软件工程,作战仿真。王大志,男,硕士,高级工程师,研究方向:作战仿真。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.004