基于OPM与ABMS的体系架构驱动仿真方法

黄其旺,朱一凡,李 群,杨 峰

(国防科技大学信息系统与管理学院,湖南 长沙 410073)

基于OPM与ABMS的体系架构驱动仿真方法

黄其旺,朱一凡,李 群,杨 峰

(国防科技大学信息系统与管理学院,湖南 长沙 410073)

建模与仿真在武器装备体系研制的全过程中都发挥着非常重要的作用,但是对于如何从体系架构中提取仿真所需的数据从而驱动构造仿真系统运行的研究还比较少,无法发挥架构驱动仿真的优势。采用OPM(Object-Process Methodology)对武器装备体系架构进行描述,通过一定的方法从体系架构中提取ABMS(Agent Based Modeling and Simulation)仿真所需的数据,从而支持仿真的运行,继而实现利用ABMS分析武器装备体系架构并对武器装备体系的能力进行评估。

建模仿真; 对象过程方法论; 基于Agent的仿真; 架构; 映射方法

朱一凡(1963-),男,博士,教授,博士生导师。

李 群(1971-),男,博士,教授,博士生导师。

杨 峰(1975-),男,博士,教授,博士生导师。

随着科学技术的迅猛发展,战争形态发生了巨大跳变,从传统的机械化战争转化为信息化战争。一系列新型的作战理念成为研究的热点,如联合作战、空海一体战、空天一体战和基于信息系统的体系作战等。与之相适应的是武器装备信息化程度不断提高,装备之间通过信息网络联系更加紧密[1]。进入21世纪,系统科学和军事装备学的研究对象逐步转化为武器装备体系。如何在联合作战环境下评估武器装备体系的能力是一个亟需解决的问题。但是,与传统的系统相比，体系具有更大的复杂性以及涌现行为和演化等系统所不具有的特性。传统的系统工程方法在处理大型复杂系统时存在很大的局限性,针对这些问题，体系工程得以提出。

为了满足体系工程的需求,有人提出了如图1所示的架构驱动的体系仿真过程[2]。架构驱动的仿真过程既是一个自顶向下的设计和开发过程,又是一个自底向上的评估和确认过程,总的来说是一个循环迭代逐步优化的过程。

图1 架构驱动的体系仿真过程

目前,最常用方法是采用DoDAF视图产品对体系架构进行描述,DoDAF体系结构框架的主要视图包括全景视图、作战视图、系统视图和技术标准视图等[3]。但是DoDAF的视图种类繁多,开发起来比较复杂,本文采用OPM(Object-Process Methodology,对象过程方法论)对武器装备体系架构进行描述,OPM拥有统一的对象和过程视图,采用逐层展开细化的方式对体系进行描述,更符合系统工程的研究思路[4]。本文采用基于Agent的建模与仿真方法,该方法对于体系行为建模具有以下优势。首先,Agent的自治性可以很好地模拟体系的组成部分可以独立运行并且具有一定的自主决策能力这一特性；其次,Agent的适应性有利于模拟体系及其组成部分的演化特性；最后,基于Agent的仿真可以通过对底层实体模型简单的行为进行建模,由下向上,从底层向高层表现体系复杂的、无法预测的涌现行为。

1 OPM方法论

OPM(Object-Process Methodology,对象过程方法论)[5]是由Dori于2002年全面提出的一种整体系统范式,由包含对象、过程及不同类型的关系连接的符号集及相应的模型规范组成。OPM将静态结构与动态过程的描述统一到一个视图中,将过程从对象中分离和解耦出来,强调对象和过程的对偶和互补。

OPM(Object Process Methodology) 是一个用以对系统进行设计和开发的整体方法,它将面向对象范式和面向过程范式集成于同一个参考框架,将结构和行为这两个系统的主要方面在同一个OPM 视图中表达。通过结构链接表示组成系统实体间的静态联系,通过过程链接描述一个系统如何通过过程变换对象、通过对象使能过程、通过对象事件触发启动过程等来描述系统的行为。因而OPM不仅提供了架构建模的基本元素,而且其语义也具有可执行的特点,使得构建的架构模型可以进行可执行分析。 本文将尝试利用OPM构建武器装备体系的架构模型,通过OPM架构元模型与本人所在实验室开发的武器装备效能仿真系统(SEAS)的仿真元模型的映射及架构模型和SEAS集成机制的设计,实现基于OPM的架构驱动武器装备体系能力评估,支持体系环境下的武器装备体系效能仿真。

2 基于Agent的建模与仿真

传统的作战仿真工具主要表示作战中系统在物理域的变化规律。随着网络中心战理论的发展和不断应用,传统的作战仿真工具难以适应作战体系结构网络化、变结构、自组织、自同步等特性,不能有效刻画和描述网络中心战中的信息域和认知域。网络中心战的复杂性常常表现为复杂自适应系统的涌现性,为此基于Agent的建模与仿真方法(Agent Based Modeling and Simulation,ABMS)被广泛应用到军事领域研究复杂装备体系。ABMS利用许多相互之间具有复杂交互关系的独立Agent对体系进行描述和抽象,强调体系中底层实体的自治性和实体之间的交互性。

SEAS仿真软件是基于Agent建模的典型代表,SEAS是一个基于实体的,以时间步长推进的,面向随机多使命层模型的,用于评价C4ISR使用性的仿真系统。SEAS中的每个Agent以并行执行线程运行并遵循已编码的认知域中的命令控制。随每个时间步长的推进,针对每个Agent,进行传感器探测、通信队列处理、Agent内部每个武器系统的火力打击次数、机动等进行解算,然后根据Agent计算结果进行Agent资源计算、状态变化计算、毁伤计算和移动计算。自适应行为能力允许SEAS可以真实地模拟包括陆、海、空、天等各类武器装备体系中的C4ISR的作战效果。SEAS面向网络中心战条件下的体系对抗,将作战实体抽象为Agent对象,从作战兵力、作战单元、作战平台、探测设备、武器系统、通信设备、实体自主决策行为以及影响作战实体的环境等方面对网络中心战条件下的作战实体进行抽象。SEAS主要有三个核心实体:Agent实体、装备实体(Device)和环境实体(Environment),三者的关系如图2所示。SEAS仿真模型框架强调作战模型的主体化、可重用性、实体关系的动态性以及模型行为的过程性,使得系统具有一个动态的模型体系框架作为运行支撑基础,并具备模型可组合能力,自动在交战条件下进行交战模拟计算,以保证模型体系可以响应多种形式的想定部署和任务分配能力。

图2 SEAS的实体结构

3 体系架构设计与描述

基于OPM体系架构设计与描述方法充分吸取了现有各种架构设计与描述方法的优点,拥有严格的建模规范和多种图形元素,在多个领域得到了具体的应用。本文针对具体的需求对OPM方法进行相应的扩展和细化,用以设计与描述武器装备体系架构。

图3 SEAS元模型

根据前面对SEAS仿真软件的分析,我们首先利用OPM建立SEAS的元模型,如图3所示。后续的武器装备体系架构的设计和描述都是基于SEAS元模型来开发的,以便于下一步的转化工作。元模型描述了SEAS仿真框架中Agent的层级关系,即作战方、作战兵力、作战单元、作战平台以及设备之间的相互关系。同时元模型表明了SEAS中Agent与作战使命和作战任务之间的关系。更进一步,元模型通过对Agent和作战任务添加属性等方式,使得OPM能够对作战单元、作战平台和设备的通用属性进行描述以及对作战任务发生的地理环境和相关信息进行表示。

4 体系架构到SEAS仿真模型的映射

根据前面对SEAS结构的分析,SEAS所需的仿真数据可以分为通用属性、通信属性和实体命令三个部分。

4.1 通用属性的映射

SEAS需要被建模单元的一些通用属性,例如机动速度、机动高度、重要度、人员数量以及目标信息存储时间等。OPM体系架构中实体的通用属性利用如图4所示的方式进行描述,最终存储为XML格式的文档,通过一定的转换工具就可以映射到SEAS的仿真想定中。

图4 通用属性示例

4.2 通信属性的映射

SEAS中的实体利用通信设备进行通信交互,因此通过查找是否具有相同的通信设备可以判断实体之间是否能够进行通信。这里的通信设备具有最大通信距离、通信延迟、可靠性和通信信道等属性。

图5 通信设备描述示例

4.3 命令的映射

SEAS中的命令是通过TPL(Tactic Programming Language)语言来描述的。SEAS的仿真策略采用进程交互法,其中的基本执行单元是进程,每个进程表示一个实体的生命周期,需要处理实体全生命周期中发生的所有事件。因此,SEAS中实体只需要关注自己的行为过程,而不用在命令语句中考虑与其他实体的交互。在OPM中通过层层展开,可以看到每个实体在作战过程中执行了哪里的任务,如图6所示。通过提取任务的地理位置以及发生时间等信息可以获得每个实体在进程中发生的所有事件。

图6 Agent执行任务描述示例

4.4 具体实现

本文提出的体系架构驱动仿真方法,基于OPM描述体系架构模型,然后将架构资源要素自动或者半自动方式转换到仿真应用的对象中,驱动仿真运行,实现对装备体系的作战效能和能力评估。由于OPM建立的体系架构模型和SEAS的仿真想定都可以存储成XML格式,因此只要实现两种不同形式XML文档之间的转换就可以实现从体系架构中提取仿真所需的数据。目前,翻译和转换XML文档的方法主要两种[6]。一种是通过C++或者Java等传统的程序语言,利用程序语言与相应的XML解析器配合工作,可以对XML文档进行读入和处理操作,然后输出想要的结果文档。而这里的XML解析器也主要有两种,分别是基于树的模型和基于事件的模型。基于树的解析器的典型代表是SAX(Simple API for XML),基于事件的解析器有DOM(Document Object Model)。XML的另外一种转换方法是利用标准的语言和模型转换引擎,其中应用最广泛的基于XML的模型转换语言是XSLT和STX[7]。其中XSLT的执行效率要比STX高。因此本文拟采用扩展样式表转换语言(XSLT,Extensible Stylesheet Language Transformations)来实现两种不同形式XML文档之间的转换,从而实现OPM体系架构驱动ABMS体系仿真的运行。利用XSLT进行数据转换的基本流程如图7所示。

图7 XML数据转换流程

基于OPM描述的体系架构和基于ABMS的仿真模型都可以直接保存为XML格式的文件,基于上面关于通用属性、通信属性以及命令映射的分析建立相应的XSLT样式表即架构数据和仿真数据的映射关系,实现架构数据模型到仿真数据模型的转换。

5 结束语

虽然开发体系的架构与对体系进行建模有着共同的目标,都是为了获得更好的体系能力,但是在很大程度上这两项工作是相互独立的由不同的人完成的。本文的研究表示体系架构能够为基于Agent的仿真提供必要的数据,并且提出了OPM描述的体系架构向SEAS仿真模型转换的具体方法。该方法的提出具有以下作用。首先,打通了架构设计与仿真实现之间的通道,提高了模型的可理解性,可以有效地减少由于体系架构到仿真模型转换导致的建模失误。其次,可以提高模型的重用层次,体系模型从设计、开发一直到修改、维护都是基于同样的体系架构进行展开。最后,模型开发效率得到显著提高,实现体系架构到仿真模型的转换后,在完成体系架构的开发之后,可通过自动化或者半自动化的模型转换实现OPM体系架构到SEAS想定的转换,大大提高了模型开发的效率。下一步研究应该关注如何利用OPM更好地来设计与描述武器装备体系的架构，为仿真提供更多的有用信息，更加快捷和准确地实现体系架构到基于Agent的仿真模型的转换。

[1] Joint Systems and Analysis Group of TTCP.Guide to Capability Based Planning[R],TR-JSA-TP3-2-2004 Washington: U.S.D.o.Defense 2004.

[2] G.Raghav and S.Gopalswamy,Architecture Driven Development for Cyber-Physical Systems[J].SAE International Journal of Aerospace,2010,30(1):95-100.

[3] Levis A H,Wagenhals L W.C4ISR Architectures: I.Developing a Process for C4ISR Architecture Design[J].Systems Engineering,2000,3(4):225-247.

[4] Soderborg,Nathan R.,Representing Systems through object-process Methodology and axiomatic design[J].Massachusetts Institute of Technology,2002.

[5] Dov Dori,EFCrawley.Object-Process Methodology: A Holistic Systems Paradigm[M].New York:Springer Bercin Heideberg,2002.

[6] D De Schrjjver,W De Neve,Dvan Deuresen,J De Cock and VDW Rik.On an Evaluation of Transformation Languages in a Fully XML-driven Framework for Video Content Adaptation[J].International Conference on innovative Computing,2006:213-216.

[7] KWVMS,ASDRMR.Message Transformation Designer for Messaging System Vsing Streaming Transformation for XMLSTX7[J].International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering,2016,5(5):900-902.

A Method of SoS Architecture Driven Simulation Approach Based on OPM and ABMS

HUANG Qi-wang,ZHU Yi-fan,LI Qun,YANG Feng

(School of Information System and Management,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Modeling and Simulation is important at all stages of weapon equipment system-of-systems development.However,little work has been put into taking data from the architectures and exercising them in a constructive combat simulation environment.This paper details a method for finding architecturally feasible alternatives to weapon equipment system-of-systems capability problems in early phase acquisition using Object-Process Methodology (OPM) and Agent Based Modeling and Simulation (ABMS).The method is a preliminary study on OPM based architecture development and executable model in constructive combat simulation to weapon equipment system-of-systems capability assessment.

modeling and simulation; OPM; ABMS; architecture; mapping method

E242

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.018

1673-3819(2017)05-0085-04

2017-07-29

2017-08-23

黄其旺(1987-),男,湖南浏阳人,博士研究生,研究方向为装备体系论证与仿真评估。