军事仿真想定生成问题研究

李 晨, 柏彦奇, 史宪铭

(陆军工程大学石家庄校区， 河北 石家庄 050003)

军事仿真想定生成问题研究

李 晨, 柏彦奇, 史宪铭

(陆军工程大学石家庄校区， 河北 石家庄 050003)

研究仿真想定生成问题旨在规范军事仿真的初始状态和提高军事想定作业信息化水平。在总结仿真想定的相关定义和分类基础上,主要从内容抽取和表达两个方面,对仿真想定生成问题的研究现状进行了归纳与分析,最后结合我军未来的军事行动需求和仿真技术发展对下一步的研究方向提出了几点建议。

军事想定; 仿真想定; 概念建模; 表达语言

在任何军事活动的仿真运行之初都需要为其提供一系列的初始数据,这些数据构成了一个包含活动的时空域、参加的实体、活动的计划方案以及其他规则约束的集合,这个集合就是仿真想定。是否能够既便捷又准确地生成仿真所需的想定内容,关系到整个仿真活动的成败。近年来,国内外都在试图寻找一种既便捷又科学的仿真想定生成的技术和方法。随着我军新编制体制的正式施行,全域立体的军事行动对仿真想定提出了新的需求,有必要对以往仿真想定生成的方法和技术加以总结,为进一步深入研究提供理论借鉴。

1 仿真想定的相关概念

1.1 军事想定的概念

军事想定在我军的《军语》中有这样的定义:“敌我双方基本态势、作战企图和作战发展情况的设想,是根据训练课题、目的、敌我编制与作战特点结合实际地形而拟制的,组织和诱导战役、战术演习和作战的基本文书。”[1]

美军将军事想定(Military Scenario)定义为“对一个或数个实际的或假想的事件进行的一种描述。这种描述往往是对该时间及其相关问题行分析的组成部分,而这种分析又是建立在战斗模型的基础之上。”日军没有专门的“军事想定”一词,但常用“想定”一词在军事领域上来表达“现存某种条件和状态的未来假设”,日本陆上自卫队和美军的常规联合演习 “山樱(Yama Sakura)军演”系列就是基于计算机平台,利用想定作业与假想敌进行的虚拟对抗。

关于军事想定的定义描述世界各国虽不尽相同,但可以总结出其共同特点均是围绕军事行动或领域问题展开的一种设想描述。

1.2 军事想定的分类

在以往的研究中,军事想定通常可按级别和需求进行分类。

按级别可分为战略想定、战役想定和战术想定。战略想定主要用于国家层面,研究国防战略、战争计划、国家武装力量规划等方面。战役想定主要适用于各军种以不同的作战样式在一定区域内进行军事行动。战术想定主要关注指挥员如何对战斗群组、武器平台的具体行为和行为准则实现最优化而进行决策。

按需求可分为推演想定、训练想定、实验想定、评估想定等。推演想定通常面对某一军事行动方案的过程推演;训练想定通常面对指挥员的模拟训练,需要随时生成不同的想定科目,为红蓝双方指挥员对抗创造条件。实验、评估想定则面向学术研究实验与武器装备论证等活动[2]。

值得注意的是,随着我军新编制新体制的正式运行,一些新的作战编组和战术战法也有所变化,军事行动更加突出“联合”,对应的军事想定也产生了新的分类,如:陆上作战想定、空中作战想定、海上作战想定、特种作战想定、防空反导想定、信息作战想定、综合保障想定、战略打击想定、反恐维稳想定等。

1.3 军事仿真想定的内涵

美国国防部建模与仿真办公室给出的“军事仿真想定”定义为:对演习和仿真的描述,它是描述作战单元和作战平台及其相应的位置、活动区域以及要完成的使命等信息的数据库的基本组成部分,还包括为实现仿真目标而设置的一系列约束条件和重要事件发生的时间序列[3]。彭鹏菲等[4]在《军事系统建模与仿真》一书中对军事仿真想定定义如下:仿真想定是在军事想定的基础上,经过二次开发,提供仿真执行所需要的相关初始数据和作战行动过程的脚本。

由此可见,仿真想定意义在于将军事人员的现实需求和技术人员的仿真实现进行有机结合,使军事人员无需进行复杂的计算机语言学习就能够进行规范、便捷的想定训练和作业。同时,又能使仿真人员无需花费过多的时间去掌握专业的军事知识就可以在仿真系统的开发之初得到一系列符合军事规则的初始数据和约束条件,从而提高其仿真效率,确保仿真的正确性、合理性和科学性。

2 仿真想定的生成问题研究现状

关于仿真想定的生成研究可以分为两个内容：一是想定内容的抽取问题，二是想定内容的表达问题。

2.1 仿真想定内容的抽取研究现状

概念模型,是对我们所认知真实世界的抽象和简化。对想定内容抽取的研究,实质就是概念建模的研究。现阶段对仿真想定的概念建模方法归纳为以下两种思路。

一是依靠军事经验进行建模。这些研究大多把重心放在了模型的描述方法上,对于研究目标的内容、结构、要素等方面通常是利用以往的认知和经验来抽取,如文献[5]把想定内容抽取为仿真背景、约束条件、作战过程以及作战实体的编成、位置、行动、行动规则、武器装备数据、作战环境数据等;文献[6]把想定内容分成背景、基本假设、初始位置、兵力使用原则、作战任务、攻击方式、作战区域、兵力规模和部署、基本的指挥和交战过程、战场地理环境和电磁环境等信息。虽然这些研究也借鉴了相关的作战方案、法律法规、条令条例来规范语义,但不同的研究者有不同的研究需求和不同的背景知识,就导致抽取的结果存在较大的差异性,有时就同一题目的想定模型却不尽相同。这不仅不利于后续的想定生成工具开发,也会使得在后续的军事仿真中仿真结果的多样化、不规范化。

二是利用系统的思维进行建模。关于这一点,发现近年来的许多文献[7-9]都沿用了美军在1995年建模与仿真主计划中提出的EATI方法,EATI是从面向实体的系统分析出发，把军事系统分为实体、动作、任务、交互四个要素,即系统实体通过任务而产生若干动作,而动作作用于其他实体进行交互。EATI建模思想以美军特定的军事理论和军事实际为基础发展而来,具有其一定的科学性和合理性。美军著名的使命空间概念模型(CMMS)就是基于EATI分析法而构建而成。

针对EATI分析法,文献[10-11]提出了两点不足:一是其忽略了在一个大系统内部的实体与实体之间存在的关联,这种稳定的关联就构成了系统的结构,在研究军事问题中,各层级的指挥关系、各作战实体的部署调配都与系统结构息息相关,不可忽略；二是缺乏对目标系统整体的空间、时间、状态等环境范围的界定,无法很好地描述清楚到底哪些是与目标系统相关,而哪些又是不需要考虑的。并在其《联邦式作战仿真》一书中提出了基于系统“六元”理论的作战仿真建模方法[10]。

刘占伟在文献[12-13]中运用系统六元抽象理论,对典型的传统作战想定进行了分析研究,按照不重、不漏的原则,梳理、归纳出了作战想定内容应包含的完整信息,并对作战系统的范畴、要素、结构、状态、运行和功能分别进行抽象,建立了较完善的想定概念模型,对实现作战仿真想定的规范化描述具有重要借鉴意义。但其没有对后续的仿真想定数据模型和实现方法作进一步的探索。

由此可见,内容抽取通常是从仿真想定的本质与内涵出发,内容抽取的不确定性、不统一性不仅制约着有关军事想定的技术开发和应用,也会导致军事仿真模型的多样化和不规范等问题,从而降低军事仿真模型的重用性和仿真效率。其区别如表1所示。

表1 仿真想定与军事想定的区别

所以,在概念建模时既要充分考虑仿真想定区别于军事想定的特点,又要以科学的系统思维出发来对建模过程进行约束,才能确保模型的科学性和合理性。以下给出仿真想定与军事想定的具体区别,以供借鉴。

2.2 仿真想定内容的表达研究现状

想定的内容表达是指在概念模型的基础上,采用特定语义和表示法将仿真想定的要素全面、清楚地描述出来。国内外关于此部分的研究较多,大体可归纳为原始文本表示法和模式化表示法。

2.2.1 原始文本表示法

通过查阅过往文献得知,在一些独立的小型仿真系统设计与开发中,会直接采用军用文书语言来表达仿真想定内容,如:“xx日xx时xx分,自行火炮营对xx阵地(东经x°,北纬y°)实施火力覆盖”。这种用原始文本或语言的表达方法虽然具有生成简单,表达简洁等优点,但专业性较强,不同人员依据自己的知识可能会对其表达内容产生不同的理解,需要军事人员、领域专家和技术人员一定的协调和讨论才能达成共识,对于封闭式的小型仿真研究具有一定的适用性。

随着军事仿真系统的复杂化和集成化,这种表达方法显然会耗费巨大的人力和时间,存在较大的局限性。

2.2.2 模式化表达法

本文总结国内外较为成熟的仿真想定研究,发现为了使表达内容更加规范、有序,均采用了使内容要素格式化、形式化和文档化这样一种模式(如图1),但其具体的操作过程差异性较大,形成的产品特点和优势不尽相同,也都存在着一些不足。

图1 模式化内容表达流程

1)基于军事想定定义语言(Military Scenario Definition Language)的表达模式

MSDL是美军应用最广的仿真想定内容表达模式,是美军为了使仿真想定的描述更加规范化及提高仿真效率而专门开发的基于XML军事想定定义语言。具有以下特点:

①MSDL规定了军事想定向仿真想定转化的格式化、形式化方法。MSDL是一套完整的仿真想定表达法,有其规范的语义和表示法,在最新修订的2015版MSDL标准[14]中将仿真想定内容表达规范为:在这9大根目录内容下,作业人员可根据具体的需求在每一类后逐层向下展开,进行后续的描述和开发。如表2所示。

②MSDL具有良好的独立性和拓展性。MSDL把军事想定本体内容划分为核心数据、公共数据、定制数据三个部分,规定了其主要描述的内容是核心和公共部分,定制数据要依赖于具体仿真下系统的需求进行开发。这就避免了仿真想定与仿真系统的耦合度过高,从而降低仿真想定本身的重用性。一些研究者在MSDL体系结构和描述技术的基础之上进行了拓展和创新,如:文献[15]对MSDL的结构和内容进行了扩展,设计了一个新的模型框架包括计划、执行者、阶段、COA事件、任务,可是在实现仿真开始时实体执行预先任务的动作;文献[16-17]将MSDL和联合作战管理语言相结合C-BML,以提高仿真想定的可重用性和作战领域仿真实体的互操作性;文献[18]提出了联合行动环境仿真中,不应只局限于对军事行动的仿真,并基于MSDL面对政治、经济、社会、基础设施和信息等维度进行了建模,拓展了MSDL的模块,提高了语言的适用性。

表2 MSDL的根目录规范

在研究的过程中发现MSDL也存在着一些的局限性:①由于MSDL在开发过程中与美军的条令条例、作战手册和战术战法等高度耦合,其开发与应用在很大的程度上只针对美军,与我军想定的实际情况差异较大,导致其表达方法不能够很好地适用;②MSDL的根目录划分还不够系统,九大类别之间没有体现出很好的联系与补充,对想定分辨率、实体状态的表达也不够完善,一些二级分类还可以整合、优化;③MSDL在表达过程中并没有提供具体的顺序和步骤,实际操作难度较高。

2)基于通用建模语言和通用数据格式的表达模式。

由于我军现阶段还没有公开、通用的仿真想定定义语言,研究者通常选择一些通用的建模语言和数据格式来表达我军仿真想定的内容。常用的建模语言有UML、SysML语言等,常用的数据表达格式有CSV、XML、JSON等,如:张磊[19]等用UML描述了海军作战想定的静态层次结构和各实体信息,并以合同进攻敌海上编队为方案描述了实体的动态过程。刘兵雁[20]等用SysML对作战想定的作战意图、资源与环境、组织关系、作战事件等内容做了可视化表达,归纳了表达方法和表达规则。李文振在文献[21]中对基于Agent的战场仿真模型进行了设计,并运用UML对空军作战仿真想定的实体、行为、任务、交互进行了描述与建模,并采用XML数据库对想定文书进行了储存。

利用这些现有工具来表达的优势在于[22-24]:

①现有的计算机语言工具经过了不断的改进和实例验证,能够使仿真想定的内容表达具有一定的完整性和合理性;

②利用现有工具进行想定的内容表达可以在一定程度上提高作业的便捷性和规范性;

③现有的建模工具一般都具有良好的软件开发适应性,能够方便后续的生成工具的开发。

但是,这种表达模式也存在着一些不足:①由于表达工具和研究者水平上存在的差异,就同一内容而言无法做到表达完全一致;②通用工具不是面向仿真想定而开发,诸多想定类型的不同特点,现有工具很难做到表达的面面俱到,验证工作也需要耗费大量的精力和资源;③这些建模工具和数据语言本身也存在着不足,如XML适用性广,但解析难度高,JSON的体积小、传输快,但描述性较差。

2.3 仿真想定生成工具研究现状

有关仿真想定生成的具体软件和工具,国外公司已经开发出了一些功能性较强的产品,用于作战分析和虚拟训练、装备仿真等领域。比较有代表性的有:STAGE、VR-Forces、vsTasker等。 这些工具各有优势和不足。

1)STAGE是加拿大Presagis开发的军事想定环境生成工具,其为用户提供的想定编辑器 (Scenario Manager)能够生成一个实时的、可交互的动态战术环境。不仅如此,STAGE还提供了一个图形化的数据结构编辑器和库集来使用户扩展其核心产品。用户可以在其核心数据的基础上添加并定义新的参数或种类,并把编写的仿真模型或经典的代码集成进 STAGE当中。

Stage开发距今时间较长,也在行业内运用的较多,但面临如今更多的插件和扩展需求,其稳定性大不如前。另外STAGE只提供层次较低的实体创建功能,对于想定脚本和行为逻辑的支持较差[25]。

2)VR-Forces是新加坡MAK公司开发的一套分布式计算机兵力生成(CGF)软件和工具包。主要用来进行兵力推演,支持在预载地形图上生成2D和3D的各类实体图像,本身带有非常多的预定义实体和基础性任务规划,图形化的操作界面便于用户生成战术级的想定计划。同时,VR-Forces提供给了开发者一整套的C++编程接口以便进一步的功能扩展。

缺点在于其模型和设计大多都是面向美国和欧盟国家,对我军的应用限制较多,软件操作性和再开发的难度和费用较高[26]。

3)vsTASKER是Virtual Sim公司开发的一款专门用于仿真想定开发的软件平台,具有自动代码生成功能,用户可将图形化的想定设计自动转化为C++语言,操作简单,开发错误率低。另外,vsTASKER本身提供了动态的图表,能够连接任何的模型来对数据的显示分析和批处理,属于一个完全开放性的软件,支持用户的各类型扩展。

vsTASKER相比以上两种工具的缺点在于:可提供的实体模型较少,只有基础的组件和行为,用户需要根据需求自行开发高分辨率和高逼真度仿真模型,这也就大大增加了用户在开发仿真想定时的工作量[27]。

3 结束语

综上所述,提出今后我军仿真想定生成研究的几点建议。

1)在需求上,要着眼我军未来的联合军事行动样式,扩大基于传统作战想定的研究范围,重新对仿真想定的内容要素进行优化和整合。如:在开发陆上作战想定时,要涵盖陆军兵种、海军陆战队、空降兵、联勤保障部队等全要素实体,实现仿真想定的联合和通用。

2)在内容上,不仅加强和我军新条令条例体系的结合,让想定的各类语义有法可依,有据可循,消除不同人员理解上的歧义性。还要运用科学系统分析法对军事想定本体的内容要素进行抽取,确保内容的一致性、完整性和有效性。

3)在形式上,要进一步对我军想定定义语言的研究,加强可视化、人工智能、虚拟现实等先进技术与想定内容表达的结合,提高实体和环境表达的精细度和逼真度。利用网络化技术实现仿真想定资源的共享,缩短开发时间,加快我军想定资源库的建设。

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Overview on Military Simulation Scenario Generation

LI Chen, BAI Yan-qi, SHI Xian-ming

(Army Engineering Univerity, Shijiazhuang 05003, China)

The research of simulation scenario generation is aimed to standardize the initial states of military simulation and improve the information level of military scenario operations. Sum up several definitions and classifications related to military simulation scenario, and induct the current states and progress on simulation scenario generation from two aspects of content extraction and content of extraction. As concluded, some development trends of simulation scenario were proposed.

military scenario; simulation scenario; conceptual modeling; expression languages

1673-3819(2017)06-0077-05

TJ630.3+4；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.017

2017-09-27

2017-10-13

李 晨(1990-),男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为装备信息化。柏彦奇(1961-)，男，博士，教授。史宪铭(1973-)，男，副教授。