作战仿真实验设计软件体系框架研究∗

（海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

作战仿真实验是研究作战问题的一种重要手段，其实验设计专业性强，尤其当实验因素及其水平较多时，人工进行实验设计，更改想定参数，任务量大，易出错。而基于实验设计理论与方法，运用软件工程的思想，建立作战仿真实验设计软件可实现批量更改仿真想定参数，自动生成作战仿真样本空间，能够在较短的时间内完成作战仿真实验设计。

当前关于作战仿真实验设计方面的研究，多从实验设计内容［1］、实验设计流程［2］、实验因子设计［3］等方面开展研究。在实验设计系统构建方面，蒋兴沛、吴义忠等针对多学科交叉综合设计优化决策过程，设计并开发了多学科流程集成与实验设计系统，为复杂工程系统方案设计和仿真试验提供了支撑［4］。甘泉、刘曼西等利用AJAX和PHP技术建立在线实验设计系统，可通过直观的文字和图形显示整个实验过程［5］。司保华、张明智、余永阳等为满足信息化条件下武器装备体系概念演示验证仿真的需要，基于UML设计并实现了仿真实验系统［6］。上述研究极少涉及到大样本仿真时大批量仿真想定生成问题。

论文在研究作战仿真实验设计相关概念基础上，针对作战仿真实验设计存在的问题，提出了构建作战仿真实验设计软件来解决的思路，给出了软件功能需求，并从总体框架、模块要求、接口要求、状态流程、界面设计等方面建立了作战仿真实验设计软件体系框架，为作战仿真实验设计软件实现奠定基础。

2 作战仿真实验设计软件功能需求

实验设计系统主要需具备以下功能：

1）实验方案管理功能

主要包括新建实验方案、编辑实验方案等功能。（1）新建实验方案，在没有实验方案或现存实验方案都不合适，需新建实验方案时新建一个实验方案。（2）编辑实验方案，运用实验设计系统对已存在方案进行编辑修改，实际上是一次再设计的过程。（3）保存实验方案，对新建或修改实验方案进行保存。（4）另存实验方案，对新建或已有实验方案方案进行另存。

2）实验指标规划功能

主要包括实验指标选取、实验指标自定义等功能。（1）实验指标选取，从已存在的实验指标中选取实验指标。（2）实验指标自定义，如果所需实验指标不存在，则进行自定义添加。

3）实验因素规划功能

通过获取仿真实体模型中各种属性参数并通过树状结构按仿真模型体系结构呈现出来。实验设计人员可快速便捷在树状结构中实现实验因素的选取与设置。主要包括仿真实体属性体系构建、添加实验因素、删除实验因素、实验因素水平设置等功能。（1）仿真实体属性体系构建，根据仿真实体型号生成树状对象实体属性体系（实体物理属性、实体行为属性、战场环境属性等）。（2）添加实验因素，将从树状结构中选择的仿真实体或战场环境属性添加到实验因素列表中。（3）删除实验因素，将实验因素列表中的选中的实验因素删除。（4）实验因素水平规划，实验设计人员根据装备技战术性能指标、战术规则以及实验目的，实现实验因素水平规划。（5）实验因素取值范围规划，通过设定实验因素最小值及最大值规划实验因素取值范围。（6）实验因素取值方法规划，对实验因素水平提供两种取值方式，一种是均匀取值，一种是随机取值。均匀取值可在最小值与最大值之间实现根据所需实验因素水平数目生成一个符合等差数列规律的实验因素值列表。随机取值可对实验因素水平在最小值与最大值之间按设定的分布进行随机取值。（7）实验因素随机分布选择，该功能提供了多种概率分布供选择，对每种分布允许用户根据实验数据修改系数，从而生成的样本更符合用户的实际需求。可选择的分布包括：均匀分布、正态分布等常见分布。

4）样本空间规划功能

根据所选择的实验方法（析因设计、正交设计等）实现实验点选取与设置，生成样本空间。（1）析因设计，运用析因设计实现实验点选取与设置，生成样本空间。（2）正交设计，运用正交设计实现实验点选取与设置，生成样本空间。

析因设计是把各因子的各水平进行完全的组合，并且在每种组合下至少做两次独立重复实验。析因设计可以分析各因子和因子之间的各级交互作用的效应大小，当考虑因子数较少，且因子水平数较少时，是一种理想的实验设计方法。

正交设计是一种多因子、多水平、高效、经济的实验方法。正交设计是使用一套规格化的正交表，来研究与处理多因子、多水平的实验，并用普通的统计分析方法来分析实验结果的科学方法。正交表是合理安排实验和数据分析的主要工具。

5）仿真参数规划功能

该模块根据实验要求规划实验参数，生成实验方案，该方案包含样本空间及系统运行每一组样本的相关设置。

3 作战仿真实验设计软件体系框架

3.1 总体框架

作战仿真实验设计软件的模块组成结构如图2所示，主要包括5个模块：实验方案管理模块、实验指标规划模块、实验因素规划模块、样本空间规划模块、仿真参数规划模块。

3.2 模块要求

实验设计系统辅助实验设计人员根据实验目标设计仿真基本想定，依据基本想定所包含的信息与相应的模型描述信息，进行实验指标选取、设置，实验因素选取、设置，并根据选定的实验设计方法规划样本空间，规划仿真参数，生成仿真实验方案。其内部逻辑如下图所示。

作战仿真实验设计系统各模块要求如下：

1）实验方案管理模块，能够新建实验方案、编辑实验方案、删除实验方案。

2）实验指标规划模块，根据实验目的确定实验指标，为仿真实验评估与分析提供依据。

3）实验因素规划模块，能够从想定文件中解析出仿真实体物理属性、实体任务属性、环境属性等参数提供给实验设计人员选取，在此基础上能够实现实验因素水平规划。

4）样本空间规划模块，能够通过选取不同的实验设计方法（析因设计，正交设计等）生成不同的样本空间。

5）仿真参数规划模块，能够根据实验要求规划实验参数。

3.3 接口要求

1）各模块之间的接口要求

实验设计系统内部模块是以紧耦合的形式来进行，具体见下图。

表1 作战仿真实验设计软件内部接口汇总表

2）与外部系统之间的接口要求

实验设计系统与其他系统是以弱耦合的形式来进行交互，与其他系统接口主要以XML格式的外部数据文件形式给定，通过建立规范的可解析的实验方案格式来实现。

（1）与实验分析与评估系统接口

实验分析与评估系统需读取实验指标与实验因素，实验设计系统生成的实验方案应明确给出实验指标与实验因素，实验分析与评估系统可在启动实验仿真运行系统时读取并解析。

（2）与仿真想定生成系统接口

仿真想定生成系统提供规范的实体属性集（XML格式），由实验设计系统解析执行。

（3）与仿真实验运行系统接口

实验设计系统生成规范的可解析的实验方案文件提交仿真实验运行系统执行。

表2 作战仿真实验设计软件外部接口汇总表

3.4 状态流程

3.5 界面设计

实验设计系统主界面如图7所示，分为六个区域：菜单栏、工具栏、对象实体属性窗口、实验指标规划视图、实验因素规划视图、样本空间视图。

工具栏提供设计时所需要的一些工具快捷操作，便于用户操作，用鼠标点击工具按钮，即可执行相应操作。工具栏如下图所示。

4 结语

作战仿真实验设计系统可以解决批量更改仿真想定参数，自动生成作战仿真样本空间的问题，是实现大样本作战仿真实验重要的技术基础。论文基于软件功能需求，从总体框架、模块要求、接口要求、状态流程、界面设计等方面建立了作战仿真实验设计软件体系框架，为下一步系统实现奠定基础。下一步需要根据系统体系框架进行软件详细设计，开发并实现。