组件化的指控仿真系统多分辨率建模研究*

孔晨妍，于丽蓉

(1.信息系统工程重点实验室，江苏 南京 210007； 2.中国电子科技集团公司 第二十八研究所，江苏 南京 210007)

组件化的指控仿真系统多分辨率建模研究*

孔晨妍1，于丽蓉2

(1.信息系统工程重点实验室，江苏 南京 210007； 2.中国电子科技集团公司 第二十八研究所，江苏 南京 210007)

分析了指挥控制系统在仿真层次和仿真模型2种模式的多分辨率建模特点，提出自顶而下分解构建指挥控制仿真模型体系的方法，实现了基于组件化技术的多分辨率模型框架。仿真试验表明，这种构建方法可以满足仿真系统灵活、快速构建，实现多分辨率灵活转换的需求。

多分辨率建模；模型框架；组件化技术；指挥控制系统；联合作战；仿真层次

0 引言

模型分辨率是指模型在仿真中描述现实世界的精确度和详细程度，亦称粒度。多分辨率建模(multi- resolution modeling，MRM)是针对同一系统或过程的不同层次建立不同粒度的模型，且保持这些模型所描述的系统或过程特性的一致性，系统运行过程中根据某种机制选择一种合适的分辨率模型来满足系统需求。

目前多分辨率建模除了在理论[1-3]、关键技术[4-7]方面的研究，在计算机生成航空兵力、空军作战仿真、海军作战仿真、坦克编队作战领域等应用领域也出现了相关研究。文献[8]从系统实现的角度，归纳分析了战争模拟多分辨率联合仿真设计中面临的技术难题，重点研究了多分辨率联合仿真中的关键技术。文献[9]提出了完整的多分辨率通信系统建模方法，实现了对作战仿真中通信网络、链路终端、通信节点、消息类型、通信方案的建模。文献[10]针对C4ISR模型中的传感器模型的多分辨率建模，从传感器性能和传感器报告2个方面实现了传感器模型的低、中、高分辨率建模。目前还未有专门针对指挥控制系统的多分辨率建模研究，本文以联合作战中的指挥控制系统(简称指控系统)为研究对象，从仿真层次和仿真模型2个层面探讨了指控仿真系统不同分辨率的建模，并设计实现了基于组件化技术的多分辨率模型框架。

1 多分辨率建模需求

联合作战是一个复杂的战场对抗体系，涉及不同军兵种类，陆、海、空、导弹、信息战等，不同层次，包括战略层、战役层、战术层。涉及到多级指控系统，通过各级指控系统之间的指令、信息的交互，完成作战铰链工作。这种多层次的作战行动在纵向、横向上的加强，客观上要求仿真模型与之相适应[11]。由于仿真试验过程中，需求会不断地变化，视角尺度也会发生变化，单一分辨率的模型很难满足体系对抗试验的功能需要。必须使用多分辨率、在不同层次上用不同分辨率对该层次所关心的问题进行描述能够将整个指控系统的现实状况进行客观仿真。通过动态改变分辨率可以提高模型或模拟的自适应性，有效解决模拟复杂性、模拟对象的层次性、考虑问题的视角性、资源有限性等问题。

2 仿真层次的多分辨率建模

在联合作战武器装备体系对抗试验中，有预警侦察类模型、武器平台类模型、指挥控制类模型、光电对抗类模型等等，站在宏观的视角看，联合作战指控系统是一个整体，关注指控系统在整个体系对抗中的作用以及与其他系统的关联关系，用于对指控系统的宏观分析决策。改变视角，放大比例，联合作战指控系统分解为战略级指控系统、各方向的战略战役级指控系统、各军种的战役级指控系统以及战术级指控系统等多层次的指控系统，如图1所示。

建模时整体的指控系统以及各层次指控系统建模在模型功能的剪裁、建模重点和模型粒度都不同。

联合作战指控系统的整体模型关注指控系统对外的交互关系，内部的处理流程相对简化，模型的粒度也相对较粗。

分解后的模型关注每层指控系统的使命任务、指挥职责、指挥控制对象以及它们之间的组织关系、根据作战任务临时组建的应用关系、交互信息流等。其中，战略层模型主要关注“作战决心”，模型建模重点在于战略态势处理，实时掌握各军兵种、部队力量作战部署、训练、保障及能力动态等；战役层模型主要关注“作战筹划”，根据上级指挥部下达的作战任务，制定各军种作战计划，对所属任务部队进行一体化、专业化指挥控制，建模重点在于作战筹划以及作战指令上报下发的流程模拟；战术层模型关注“作战行动”，建模重点是面向作战任务的兵力行动控制功能和武器平台控制功能的模拟。

图1 仿真层次的多分辨率结构Fig.1 Multi- resolution structure for simulation level

各层级模型关注的重点模型采用高分辨率的模型，其余的可以采用较粗的模型，在各层的评估指标和评估模型上也各有重点[12]。

3 仿真模型的多分辨率建模

除了在不同仿真层次根据关注点选择合适的模型分辨率，单层次的指控系统依据不同建模任务和试验目的也存在多分辨率建模的选择。从分辨率的低到高将指挥控制系统多分辨率结构划分为信息仿真、功能仿真和原型仿真3个层次，如图2所示。

信息仿真的分辨率最低，主要模拟指挥控制系统的输入输出特性，不关注系统模型的处理。主要由态势处理、指挥决策的低分辨率模型组成，态势处理主要模拟实际系统的情报输出，指挥决策根据想定将预先准备好的作战方案和计划发送给相应的指挥对象，不涉及相关的计算模型。这类仿真主要用于支持C4ISR系统开发、集成试验，作为应用系统软件联调、内外场的联试工具，功能和实现都比较简单[13]。

功能仿真的分辨率比信息仿真高。除了模拟输入输出特性外，还模拟主要的功能和信息流程，包含态势处理、作战筹划、指挥决策和效能评估，要素齐全，采用的算法比较简单。态势处理模型除了模拟输入输出，也有情报处理的算法；作战筹划是基于条件的判断决策算法；指挥决策模型模拟兵力分配，作战方案的生成下达等；效能评估模型主要是功能指标的评估及算法。这类仿真主要用于C4ISR系统的总体论证和仿真设计分析，辅助开发一些反映指控决策行为及结果的时间和效率指标方面的算法。

原型仿真，高分辨率最高。以实际的指挥控制系统为主，用于研究和分析战略、战役和战术级指挥控制系统的人机交互特性和规则，以及作战训练。原型仿真在过程上与功能仿真一致，在各阶段模型更细化，更逼真，并且考虑了指挥容量、时延、精度等性能指标。

系统分辨率由低到高的变化过程实际上是系统功能分解、流程细化和模型逼真度提高的过程，这个变化过程同样对应于各阶段模型，以态势处理阶段模型为例。

低分辨率的态势处理模型主要模拟实际系统的情报输出能力和情报输出特性，如图3所示。主要模拟态势感知和情报输出特性，态势感知的探测能力模型模拟目标探测，情报报出特性模型模拟报出密度、情报协议、发送给相应的外部系统或模型等属性。

图2 指挥控制系统多分辨率结构Fig.2 Multi- resolution architecture of command and control system

中分辨率的态势处理模型增加了情报处理仿真模型，包含雷达情报处理的相关算法，对融合产生的目标状态、属性身份进行判断，根据目标信息推理敌方的意图和目的，量化判断敌方对我方的危害程度，如图4所示，在模型的信息处理流程上更加细化。

高分辨率的态势处理模型在中分辨模型的基础上，更详细地模拟实际系统的主要功能和性能指标，如图5所示。在态势感知仿真模型中除了探测能力还考虑了环境的仿真、干扰仿真模型等。在情报处理中除了雷达情报处理，增加多源情报的处理，除了基本的目标估计，还考虑战场态势估计，估计目标行为在上下文中的意义，对融合系统性能和效能进行估计，实现对融合处理的优化控制等等，模型功能和流程上更细化。

图3 态势处理低分辨率模型Fig.3 Low- resolution model of situation processing

图4 态势处理中分辨率模型Fig.4 Middle- resolution model of situation processing

图5 态势处理高分辨率模型Fig.5 High- resolution model of situation processing

4 基于组件的多分辨率设计

我们从仿真层次和仿真模型分析了指控系统的多分辨率建模问题。实现这2种模式的多分辨率仿真，要解决多方面的技术问题，其中最重要的就是模型设计和多分辨率模型框架。

4.1 模型设计

从仿真模型设计看，模块化、组件化是模型可重用、可组合的基础。系统多分辨率建模有2类模型，一种是原子模型，一种是复合模型。原子模型是构成系统的基本模型，实现了系统中不可分割的最小功能，复合模型可以由原子模型或复合模型连接组成而成。复合模型和复合模型组合构成更大的复合模型，最终构成系统，这个过程实际上就是模型的聚合过程。

模型体系设计正好相反，是个自顶而下的模型解聚过程。指控系统不同于武器装备系统，它是将作战各装备、各环节铰链在一起的信息处理过程。不同任务、不同级别、不同军种的指控系统，尽管任务、规模不同，功能配置不同，在功能流程划分上基本相同的，因此模型解聚的设计过程适用所有仿真层次、所有任务的指控系统仿真建模，如图6所示。将指控仿真模型体系分解成态势处理、作战筹划、指挥决策和效能评估4个基本业务过程的复合模型。过程复合模型根据流程或功能进一步细分为子流程复合模型或功能复合模型，子流程/功能复合模型进一步细分，分解成功能更小的复合模型或原子模型。

自顶而下的模型解聚实际上是系统的功能分解和流程细化过程，根据前面的分析，模型分辨率也在这一变化中由低变高。还有一类分辨率变化，通过模型的逼真度变化产生。作战筹划的知识表示模型，粒度最粗的是以想定的形式预先拟制好，随着逼真度提高，采用基于条件判断的决策表表示法按照条件触发判断。逼真度更高的基于Agent的智能体表示，基于语义推理的语义网络表示法等[14]，知识规则还可以基于现有的进行自学习，推理出新规则，这类模型的处理方法和计算模型也更复杂。

这些不同分辨率的模型采用统一的形式化规范描述，以层次化、模块化的形式建立模型库，支持模型的分解和组合，支持各类指控系统建模。

4.2 基于组件的多分辨率模型框架

本文利用组件化技术，设计并实现了多分辨率模型框架，将模型体系中的多分辨率模型组装起来，建立不同分辨率对象之间的关系，支持不同的分辨率模型运行模式，支持不同分辨率的模型切换等功能。多分辨率模型框架主要提供以下功能[15]：

(1) 提供模型组件实现的接口规范；

(2) 实现模型组件的公共服务功能，如仿真控制命令的接收，模型组件的仿真运行状态，仿真时钟的同步等等；

(3) 负责调度和管理各模型组件模型；

图6 指控仿真系统模型体系Fig.6 Model system of the command and control simulation system

(4) 负责模型组件内部的信息分发和交互。

基于组件的多分辨率模型框架是整个系统软件的一个骨架，它通过“配置”的方法，将各个模型组件设计成“配置项”，这些配置项的信息保存在框架的组件参数配置文件中，组件参数配置文件中配置了2类信息：模型组件基本信息，包含模型组件的名称、描述信息，存储位置等；模型组件接口信息，包含模型组件的对外接口数据类型，模型组件数据的接收和发送目的等。多分辨率模型框架在启动时读取参数配置文件中的模型组件信息，在试验运行过程中，根据配置的模型组件接口信息，调用相对应的模型组件。如图7所示，组件1的输出是组件2的输入，组件3的输出是组件4的输入。对于同一功能的组件，可以设计不同描述程度的接口，实现不同分辨率模型的调用。

图7 多分辨率模型组件接口交互Fig.7 Interaction of Multi- resolution components

通过这种方式能够灵活重组构建目标指挥控制系统，满足战略到战术不同级别、不同军兵种的联合作战任务，并支持不同系统间的联合、互操作的能力。当仿真层次发生改变时，模型分辨率不能满足试验需求时，系统模型结构不用变化，替换相关的模型组件，修改模型组件接口配置，重新配置模型交互关系就可以快速实现。

5 仿真验证

在上述研究的基础上，本文遵循框架的模型组件接口规范，以空海一体联合作战为背景，在已有的模型基础上进行封装，根据试验需求开发了相关的模型组件，分别构建了显示、网络通信、指挥决策、情报处理等类型的“低”、“中”2种分辨率的仿真组件库。图 8为组件配置工具，功能是从组件库中选择不同功能、不同分辨率的模型组件，通过配置他们之间的交互关系和交互信息，设置仿真系统的属性、运行参数等信息，生成组件参数配置文件。多分辨率模型框架读取参数配置文件，动态生成联合作战仿真中的战略、战役和战术级指控系统。

图8 组件配置工具界面Fig.8 Interface of components configuration tool

本文构建了仿真试验运行支撑环境，提供了仿真控制、想定编辑、剧情产生、光电对抗、通信对抗模拟器等仿真要素，用于验证多分辨率指控模型在不同模拟级别指控仿真系统的系统需求、信息流程、功能性能指标等关键技术。针对多分辨率应用进行了2类试验：

(1) 输入参数触发的仿真模型多分辨率应用

在构建某指控系统时，利用组件配置工具配置了高分辨率和低分辨率2种粒度的情报处理模型。当仿真系统收到输入参数，框架会查询该输入参数的处理模型，并调用相应模型的输入函数。如果收到的为简单属性的输入参数，框架则会调用低分辨率处理模型；如果收到的为复杂属性的输入参数，框架则调用高分辨率处理模型。

(2) 想定触发的仿真层次多分辨率应用

在试验想定中设置战役级指挥所被击毁，则由战术级指挥所越级指挥，如图 9所示。战术指挥所在进行越级指挥后，要完成两级指挥所的指挥作战任务，既要完成对武器平台的作战任务下达，又要接收战略级指挥所的作战任务，对下级指挥所进行任务分配等功能，实现了指挥控制仿真系统的跨层次多分辨率建模。

图9 仿真层次多分辨率应用界面Fig.9 Application Interface of simulation level multi- resolution

6 结束语

本文基于多分辨率建模的思想，分析了指控系统在仿真层次和仿真模型的建模特点，构建了多分辨率的指挥控制仿真组件库，开发了多分辨率模型框架，实现了2种分辨率转换的仿真试验。试验表明，这种构建方法可以满足联合作战的仿真快速构建需求，很好地解决体系对抗仿真所面临的多分辨率建模问题。结合该成果，还有许多方面值得进一步研究和探索，比如模型聚合解聚带来的一致性问题，多分辨率模型运行时的视图一致性问题等等。

[1] 刘宝宏，黄柯棣.多分辨率建模的研究现状与发展[J].系统仿真学报，2004，16(6)：1150-1154. LIU Bao- hong，HUANG Ke- di.Multi- Resolution Modeling：Present Status and Trends[J].Journal of System Simulation，2004，16(6)：1150-1154.

[2] NATRAJAN A.Consistency Maintenance in Concurrent Representations[D].Virginia，USA：University of Virginia，2000.

[3] 刘宝宏.多分辨率建模的理论与关键技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2003. LIU Bao- hong.Research on the Theory and Key Techniques of Multi- Resolution Modeling(MRM)[D].Changsha：National University of Defense Technology，2003.

[4] 齐桢超，马良荔，孙煜飞.Web仿真中的多分辨率建模研究[J].舰船电子工程，2014，34(4)：95-110. QI Zhen- chao，MA Liang- li，SUN Yu- fei.Research on Multi- Resolution Modeling in Web- Based Simulation[J].Ship Electronic Engineering，2014，34(4)：95-110.

[5] 周忠旺，柳少军.基于EBI框架的战争模拟多分辨率概念建模[J].计算机仿真，2014，31(9)：1-9. ZHOU Zhong- wang，LIU Shao- jun.Multi- Resolution Conceptual Modeling in War Game Based on EBI Framework[J].Computer Simulation，2014，31(9)：1-9.

[6] 李益龙，喻涛.基于规则的对海作战指挥控制应用[J].指挥信息系统与技术，2011，2(5)：47-50. LI Yi- long，YU Tao.Rule- Based Command and Control in Sea Battles[J].Command Information System and Technology，2011，2(5)：47-50.

[7] 刘剑，肖明彦，章阳.面向服务的舰艇编队反潜作战任务多分辨率建模研究[J].舰船科学技术，2014，36(8)：142-148. LIU Jian，XIAO Ming- yan，ZHANG Yang.Service Oriented Research of Multi- Scale Modeling of Fleet ASW Behavior[J].Ship Science and Technology，2014，36(8)：142-148.

[8] 周忠旺，柳少军.战争模拟多分辨率联合仿真关键技术研究[J].军事运筹与系统工程，2014，28(2)：70-76. ZHOU Zhong- wang，LIU Shao- jun.The Key Technology of Multi- Resolution Conceptual Modeling in War Game[J].Military Operations Research and Systems Engineering，2014，28(2)：70-76.

[9] 李涛，柳林，周少平.面向作战仿真的多分辨率通信系统建模技术[J].电光与控制，2014，21(8)：10-32. LI Tao，LIU Lin，ZHOU Shao- ping.Modeling Technologies of Military Simulation Oriented Multi- Resolution Communication System[J].Electronics Optics & Control，2014，21(8)：10-32.

[10] 李元锋，刘建平，石成英.作战仿真传感器模型多分辨率建模方法[J].系统仿真学报，2014，26(10)：2220-2227. LI Yuan- feng，LIU Jian- ping，SHI Cheng- ying.Method of Multi- Resolution Sensor Model in Warfare Modeling and Simulation[J].Journal of System Simulation，2014，26(10)：2220-2227.

[11] 杨峰.面向效能评估的平台级体系对抗仿真跨层级建模方法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2003. YANG Feng.Study on Inter- Hierarchy Modeling Approach in Weapon- Platform Level System- of- Systems Combat Simulation for Operational Effectiveness Evaluation[D].Changsha：National University of Defense Technology，2003.

[12] 孔晨妍，陈伟.联合作战指控系统效能评估仿真研究[J].计算机与数字工程，2015，43(2)：243-247. KONG Chen- yan，CHEN Wei.Effectiveness Evaluation of Command and Control System in Joint Operations[J].Computer & Digital Engineering，2015，43(2)：243-247.

[13] 毛少杰，居真奇，李玉萍，等.C4ISR系统仿真试验技术[M].北京：军事科学出版社，2011：364. MAO Shao- jie，JU Zhen- qi，LI Yu- ping，et al.Simulation Test Technology of C4ISR System[M].Beijing：Military Science Press，2011：364.

[14] 杨瑞平，张兆锋.指挥控制系统仿真[M].北京：国防工业出版社，2013：122. YANG Rui- ping，ZHANG Zhao- feng.Simulation of Command and Control System[M].Beijing：National Defense Industry Press，2013：122.

[15] 孔晨妍，邢利菊.联合作战指挥控制仿真多分辨率建模框架[J].指挥信息系统与技术,2013,4(3)：16-19. KONG Chen- yan，XING Li- ju.Multi- Resolution Modeling Framework for Command and Control Simulation in Joint Operations[J].Command and Information System and Technology,2013,4(3)：16-19.

Multi- Resolution Modeling of Command and Control Simulation System Based on Components

KONG Chen- yan1，YU Li- rong2

(1.Science and Technology on Information System Engineering Key Laboratory，Jiangsu Nanjing 210007，China； 2.The 28th Research Institute of China Electronic Science & Technology Group Inc，Jiangsu Nanjing 210007，China)

The multi- resolution modeling characteristics of the command and control system in two modes, the simulation level mode and simulation model mode, are analyzed. The top- down decomposition method of command and control model system is proposed. A multi- resolution model framework based on components technology is built. The simulation experiments show that this method can build simulation system flexibly and quickly, and meet the needs of flexible resolution conversion.

multi- resolution modeling； model framework； components technology； command and control system； joint operations； simulation level

2016-08-15；

2016-12-12 作者简介：孔晨妍(1982-)，女，江苏南京人。高工，硕士，主要研究方向为仿真建模技术。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.031

E917；TP391.9

A

1009- 086X(2017)- 04- 0205- 08

通信地址：210007 南京市1406信箱69分箱 E- mail：124005990@qq.com