海上作战体系仿真建模技术

初 阳,季 蓓,窦林涛

(江苏自动化研究所，江苏连云港 222061)

海上作战体系仿真建模技术

初 阳,季 蓓,窦林涛

(江苏自动化研究所，江苏连云港 222061)

针对当前海上作战仿真模型体系不健全、建模方法单一等问题,本文从作战体系仿真对仿真模型的需求入手进行分析,建立了海上作战仿真模型体系,并从多分辨率建模、多视图模型描述、模型全生命周期管理等三个方面对体系对抗条件下的作战体系仿真建模技术进行研究,有效地支持了联合战役战术仿真推演系统的研发。

体系对抗;作战仿真；装备体系论证

目前,由于一体化联合作战理论尚不成熟,联合战役作战下的体系对抗模型,尤其是适用于海上作战体系的模型尤为缺乏,主要体现在:海上作战体系需求与仿真建模需求无法一致转换;面向体系对抗仿真的模型体系构建困难;模型数量、种类繁多,没有形成统一的模型描述、开发标准和管理规范等。本文针对海上作战体系仿真建模所面临的问题,从需求分析、模型体系和建模方法三个方面展开研究[1]。

1 海上作战体系对仿真模型需求分析

1.1 对模型对象的需求

面向海上作战体系的仿真系统对模型的需求包含影响作战过程和结果的各种要素。体系对抗仿真,需要建立对抗双方的平台设施模型、后勤保障模型等军事力量模型,以便模拟各军事力量的作战过程;信息化条件下的作战仿真系统,需要建立能够满足体系对抗的虚拟战场环境,对军事人员战场行为和指挥决策过程进行建模,对影响各装备、平台作战的战场环境进行建模,对各兵力的作战行动过程、任务战术、交战过程等进行建模,以充分体现军队作战的战术条令、条例。

作战仿真模型具有种类多、范围广、多粒性等特征,本文通过技术手段梳理海上作战体系仿真模型需求700多个,如图1所示。

图1 装备体系论证模型需求

1.2 对模型间关系的需求

海上作战模型体系是包含多类模型的一个整体,如何处理好各模型之间的关系是模型体系设计的重点。通常,模型之间的关系是相互影响的、相互铰链的,模型体系设计需要对其进行定性或定量描述,从而形成指导模型设计与实现的一般性方法[2]。

在一个仿真系统内,模型间关系不是越复杂越好,通常在满足模型体系功能的前提下模型间关系越简单越好,本文采用继承关系、组合关系、交互关系、控制关系四种关系来设计面向武器装备论证的仿真模型以及它们之间的关系。

继承关系指采用面向对象建模方法描述的模型之间泛化和特化关系,它是整个武器装备论证模型体系的核心,整个继承关系能够从实现角度对模型进行按层级、类别的分解;组合关系是模型之间的接口连接和行为组合关系,能够最大限度的实现模型重用;交互关系是模型之间相互作用的描述;控制关系描述仿真过程中模型之间的控制与受控关系。

1.3 对建模标准和模型管理的需求

仿真系统及其内部模型不是一成不变的。随着应用以及需求的变化,不可避免要对模型进行修改,包括增加新的模型,删除旧的模型以及修改已有的模型等。由于模型之间存在着复杂关系,模型修改会对模型体系的一致性产生影响,因此,模型体系必须能够支持模型的灵活变更。

系统建模过程会产生各种类型的产品,如概念模型、数学模型、仿真模型、模型的元数据、想定数据、仿真运行配置数据以及模型的VV&A 数据等，这些都属于模型体系设计时应该考虑的问题。

2 武器装备论证仿真模型体系

2.1 模型体系总体框架

海上作战仿真模型体系框架如图2所示[3]。

图2 模型体系的总体框架

资源模型包含平台、设施、武器、装备、部件等,是体系对抗仿真中作战单位及平台的抽象;裁决模型包含探测裁决、交战裁决等,反映了对抗仿真过程中资源与资源的交互关系;通信模型反映了资源与资源之间信息传输关系;调度类模型包含动态实体产生等资源调度的抽象模型。环境模型包含气象环境、海洋环境、地形等,协同在一起对作战样式和作战时机的选择产生影响,也对武器装备性能、平台性能等产生影响;作战计划模型是对作战行动过程的模拟,包含了各种任务模型、计划模型等;战术规则模型是对作战规则的建模,反映兵力行为对战场突发情况的适应能力;作战指挥建模包含群/编队指挥、任务指挥、平台指挥等模型,综合平台当前的战术态势图、作战计划、战术规则等信息做出指挥决策,指挥战场平台做出相应的战术动作,进而推进对抗仿真整体态势的发展。

2.2 模型体系实现的核心

按照海上作战仿真体系模型的需求分析以及模型体系总体框架,海上作战仿真模型体系的实现必须解决四个问题:

1)全面覆盖平台、武器装备、指挥任务等作战仿真类模型;

2)建立模型间关联关系,利于实现大规模兵力仿真交互;

3)便于模型变更;

4)与仿真引擎匹配。

本文基于离散事件引擎,从实现角度建立海上作战仿真模型体系核心层次，如图3所示。

图3 海上作战体系仿真模型核心层次

模型体系核心层次分为评估类模型、实体类模型、抽象类模型、基本模块、子系统类模型、任务类模型和简单模型七大部分,其中实体类模型包含舰艇、飞机、潜艇、卫星等平台类模型;子系统类模型包含武器、传感器、通信、导航等武器装备模型;任务类模型包含了导弹打击任务、飞机出动任务、直升机反潜任务等作战任务模型,能够全面覆盖武器装备论证所需要的模型对象。

模型体系纵向关系是通过模型间的继承关系实现,采用面向对象的思想自上而下的将各个模型关联起来,将各底层模块、基本方法、基本接口等存储在父模型中,通过子模型的继承来实现底层方法的共用,通过访问父类的基本接口,实现各模型间的复杂交互和访问。

模型体系横向关系是通过模型组合关系和隶属关系来实现关联的,比如航母仿真模型可以由舰艇实体模型,武器、传感器、导航、指控等装备模型,运动模块、可损毁部件、飞机起降模块等基本模块组合而成,可实现武器装备模型和基本模块的重用。

3 海上作战体系建模方法

3.1 多分辨率建模

通常,对所研究的对象总是希望建立尽可能精细的模型,但在体系级的兵力对抗仿真中,由于兵力规模、装备层次、资源数量等较为庞大,因此采用全面精细化建模会极大地降低系统效率,浪费资源,甚至难以实现。较好的解决办法是对具体关心的模型进行细粒度刻画,而其他模型则采用低分辨率方式建模,通过建立多分辨率的模型集以及它们之间的关联关系,实现资源优化。

建立多分辨率模型集重点解决的问题是不同分辨率模型之间的一致连贯性问题,即不同分辨率模型进行对抗仿真模拟时,所产生的战场行为和规律在分辨率转换意义上是平滑一致的。

针对面向海上作战体系的体系对抗仿真特点,对探测、通信、武器、信息融合和后勤五类模型进行了多分辨率模型的建立,模型的分辨率选择是在对抗仿真推演之前指定的,这样既满足了武器装备论证的需求,又很好地规避了仿真推演过程中的模型聚合解聚的问题,降低模型复杂度。针对每一类模型均设置三、四级分辨率,如图4所示[4-5]。

图4 多分辨率模型

以传感器为例,低分辨率传感器模型主要是属性级模型,即以体现探测范围、发现概率等属性为主的简单模型;中分辨率模型是数学方程级的,是通过各种探测方程进行数学解算而建立的模型;这两种分辨率模型均具有通用性,高分辨率模型是特定型号级的,是针对特定传感器型号建立专有模型,不具备通用性。

在固化了海上作战体系仿真多分辨率模型种类、各模型的分辨率级数后,针对离散事件引擎建立统一的模型交互接口,就可实现不同分辨率模型的一致连贯性。

3.2 多视图模型体系描述

海上作战仿真模型涉及了作战仿真的较多方面,模型的开发者、使用者会从不同角度对模型进行开发和应用,因此,在建模过程中引入了多视图建模,通过多视图的描述方法来更好地呈现和管理模型。

针对海上作战体系的系统需求,确定武器装备论证的关注点,形成六种视图,即作战层级、应用领域、功能、分辨率、军种、作战样式等六个视图,这六个视图从不同的侧面描述了武器装备体系论证模型的多方面特征,不同视图之间相互补充,按照一定的约束和关联关系集成在一起，如图5所示[6]。

图5 多视图模型体系

作战层级视图从作战指挥层次的角度将模型分为战略级、战役级、战术级和技术级模型,关注体系对抗仿真中兵力及跨军种兵力的规模、数量等;军种视图是根据装备论证的军队建制需求来划分的,分为陆军、海军、空军等;应用领域视图主要体现体系对抗仿真模型的应用方向,分为分析论证、试验测试和军事训练三类模型;作战样式视图是根据作战样式来划分模型的,主要包含:陆战、海战、空战、特种作战、心理战、联合保障等几类模型;功能视图是描述系统功能以及它们之间关系的模型,包含军事装备、兵力行为、环境、评估等几类模型;分辨率视图是从模型建模粒度对模型分类的,主要包含低分辨率、中分辨率和高分辨率三类模型;关系视图包括了继承、组合、交互和隶属四种关系。

3.3 模型全生命周期管理

模型的全生命周期是指模型从开发、确认、入库、管理、使用到退役的全过程。需要通过构建模型全生命周期管理系统来实现对模型的有效管理。管理系统包括3大功能模块、13个子模块。

1)模型开发模块:提供军事概念模型、数学逻辑模型和仿真程序模型的开发工具;提供模型验证工具,确保模型使用的可信度。

2)模型服务模块:提供模型搜索、模型申领和仿真支撑工具。模型搜索能够提供多维度标签供用户基于不同角度查询模型,模型申领是指用户通过保密审查后获得模型动态库,仿真支撑模块能够解析用户需求,维护模型之间的数据交互。

3)模型管理模块:提供用户权限管理、整体导入导出和系统管理工具;提供模型入库、维护和退役的流程审批工具。

这些功能模块能够完全覆盖模型全生命周期过程的管理需求,其对应关系如图6所示。

4 结束语

海上作战体系仿真建模是海上作战体系研究的难点,在体系对抗条件下作战影响因素呈现出非线性、耦合性等复杂特性,对仿真模型体系、建模标准和模型管理都提出了较高的要求,本文借鉴美军军用仿真系统的建模思路,结合我海军作战特点,建立了仿真模型体系框架,并提出了一些体系仿真建模方面的思路,该模型框架已在相关单位战役战术仿真推演系统中得到了应用。

[1] 邱晓刚,黄柯棣. 武器装备体系论证仿真环境的设计[J].系统仿真学报, 2004,16(4):717-719+723.

[2] 张克,高文坤,关世义，等.攻防对抗仿真在武器装备体系论证中的若干问题研究[J].中国科学(E辑),2009(3)：583-589.

[3] 周少平,李群,王维平. 支持武器装备体系论证的探索性分析框架研究[J].系统仿真学报,2007, 19 (9):2066-2079.

[4] 彭勇.作战仿真模型体系分析及模型设计与实现关键技术研究[D].长沙：国防科学技术大学,2011.

[5] 魏继才,崔颢,任庭光，等. 关于武器装备体系论证方法的思考[J].系统工程理论与实践,2011，31(11):2202-2207.

[6] 王建平,黄柯棣.武器装备体系模型构建方法[J].系统仿真学报, 2007，19(5):969-973.

Research on Simulation and Modeling Technologiesfor Warfare System of Systems at Sea

CHU Yang, JI Bei, DOU Lin-tao

(Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222061， China)

Aimming at the problem that current simulation model system is not perfect and the modeling method is single, from the combat system simulation on demand simulation model of analysis, this paper establishes a naval combat simulation model system, and from the viewpoint of the multi-resolution modeling, multi view model description and modelling of whole life cycle management three aspects, research on system simulation modeling technology under the systematic confrontation condition has made, and effectively support for the Joint Tactical Simulation System Research and development.

systematic countermeasure; operational simulation; equipment system demonstration

1673-3819(2017)01-0073-04

2016-11-01

初 阳(1985-),男,山东烟台人,工程师,研究方向为系统仿真。 季 蓓(1982-),女,高级工程师。 窦林涛(1980-),男,高级工程师。

TP391.9；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.016

修回日期： 2016-11-09