美国与北约建模仿真标准体系综述

杨国强,张 昱

(军事科学院战争研究院,北京 100091)

1 引言

建模仿真标准规范,是对建模和仿真相关项目、过程、实践和方法建立的统一工程和技术要求的文档。建模仿真标准规范能够有效提高建模仿真资源的可重用性,减少仿真系统的建设、维护和使用开销,增加建模仿真过程和系统的可靠性和可用性。

美国与北约非常重视建模仿真标准规范的制定。美国的建模仿真标准制定组织包括:美国国防部建模与仿真协调办公室(DoD Modeling and Simulation Office,DMSO)、仿真互操作标准化组织(Simulation Interoperability Standards Organization,SISO)。北约的建模仿真标准制定组织包括:北约标准化办公室(NATO Standardization Office,NSO)、北约建模与仿真组织(NATO Modelling and Simulation Group,NMSG)等。此外还有一些国际性的标准化组织也发布了一些建模仿真相关标准,这些组织包括:电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)、国际标准化组织(International Standardization Organization,ISO)等。

美国与北约在多年实践中总结提出了一系列建模仿真相关标准,按照应用背景,可以分为以下四种类型:

1)技术架构标准,用于从高层视图指导建模仿真工程的体系结构设计、建模仿真系统的开发以及建模仿真过程的组织实施等。

2)想定与模型标准,用于对建模过程、模型逻辑、想定内容等进行规范化描述,目的是提高想定和模型的可重用性。

3)仿真互操作标准,为分布式仿真系统定义其技术架构、交互协议、功能接口等,从而提高分布式仿真系统各子系统间的互操作性。

4)数据标准,建模仿真相关数据的生成接口、存储格式和元数据规范等相关标准,目的是提高建模仿真数据资源的可重用性。

下面对每种类型中得到较广泛应用的标准规范进行介绍。

2 美国与北约建模仿真标准规范

2.1 技术架构标准

2.1.1 HLA Federation Development and Execution Process(FEDEP)

FEDEP[1,2]是IEEE 1516标准(即High Level Architecture, HLA)的一部分,该标准从一个高层视图定义如何基于用户需求开发和运行HLA联邦,用于指导基于HLA的分布式仿真过程的实施。其前身是美国国防部建模仿真办公室(DMSO)于1999年提出的High Level Architecture Federation Development and Execution Process (FEDEP) Model,2003年由IEEE委托SISO制定并发布成为IEEE 1516标准的一部分。

2.1.2 Recommended Practice for Distributed Simulation Engineering and Execution Process(DSEEP)

DSEEP[3]用于从高层视角指导分布式仿真系统和实验的开发和实施,其将分布式仿真过程分为七个步骤:定义仿真目标、进行概念分析、设计仿真环境、开发仿真环境、集成与测试仿真环境、仿真运行、分析与评估,并对每个步骤的实施过程进行了规范描述。DSEEP是FEDEP的扩展,FEDEP适用于基于HLA的分布式仿真,而DSEEP则适用于所有分布式仿真应用场景[4]。2011年DSEEP由IEEE委托SISO制定,并被作为IEEE 1730标准发布。2012年SISO又提出了该标准的扩展标准(Distributed Simulation Engineering and Execution Process (DSEEP) Multi-Architecture Overlay, DMAO),用于指导包含异构体系架构的分布式仿真活动。

2.1.3 Verification, Validation &Accreditation (VV&A) Recommended Practices Guide (VV&A RPG)

VV&A RPG[5]是美国国防部发布的一个用于仿真模型和系统校验的指南,描述了仿真模型和系统校验的相关概念、基本理论、主要步骤、参与者的主要角色和职责、相关工具和技术等,对于仿真模型和系统校验的计划、开展和总结均具有指导作用,在美军得到了广泛应用。

2.1.4 Generic Methodology for Verification and Validation and Acceptance of Models, Simulations and Data (GM-VV)

GM-VV[6]是SISIO发布的一个用于仿真模型、系统和数据校验的规范,基于VV&A RPG以及HLA和DIS标准规范中关于校验的部分,共包括三卷,第一卷包括VV&A的基本理论和架构,第二卷描述了如何将第一卷中的理论应用于实际的校验过程,第三卷是相关概念的参考手册。

2.1.5 Modelling and Simulation as a Service (MSaaS)

MSaaS[7]是北约NMSG组织发布的“建模仿真即服务”相关概念和规范,将云计算中的“as-a-Service”概念引入建模仿真领域,按用户需求动态组合构建仿真环境,并在云端动态部署和运行。MSaaS规范共分四卷:技术参考架构,发现服务与元数据,实施过程,实验报告。

2.2 想定与建模标准

2.2.1 Base Object Model (BOM)

BOM[8,9]是SISO制定的一个用于增加仿真模型和系统的互操作性和可重用性的组件框架,定义了BOM模板用来规范化表达概念模型和数据交换模型以及二者之间的关系。与其它通用建模语言(如UML)相比,BOM是针对仿真建模领域建立的规范,因此更具体更有针对性。BOM是对HLA的对象模型模板(OMT)的扩展,被SISO作为标准发布于2006年。

2.2.2 Real-time Platform Reference Federation Object Model (RPRFOM)

RPRFOM[10,11]是SISO制定的适用于实时、平台级仿真的对象模型规范,是一个面向实时仿真的HLA联邦对象模型(Federation Object Model, FOM),主要用于将基于DIS协议的实时仿真系统和平台作为联邦接入HLA分布式仿真。RPRFOM1.0版本基于DIS标准IEEE1278.1,被SISO作为标准发布于1999年,其2.0版本基于HLA标准IEEE1516发布于2015年。

2.2.3 NETN Federation Agreement and FOM Reference Document (FAFD)

FAFD[12]是NMSG制定的适用于北约教育训练网(NATO Education and Training Network, NETN)的HLA联邦对象模型(FOM),定义了一系列的联邦对象模型、相关描述信息和使用方法,是北约盟国的基于HLA的分布式仿真联邦间的信息交换和仿真交互标准,在北约的维京演习中得到了应用。FAFD1.0版本被NMSG作为标准发布于2013年9月。

2.2.4 Systems Modelling Language (SysML)

SysML[13]是OMG制定的领域相关系统工程建模语言,是UML规范的一个扩展,为系统的结构模型、行为模型、需求模型和参数模型定义了完整的语义描述规范。SysML借鉴UML对软件工程的描述和支持,将其应用领域从软件工程扩展到硬件、信息等其它系统工程领域,可以支持系统和体系的设计、分析、验证等,在建模仿真领域可以用于概念模型的建模。其1.0版本由OMG发布于2006年3月,目前最新版本是于2019年12月发布的1.6版。

2.2.5 Military Scenario Definition Language (MSDL)

MSDL[14]是SISO制定的军事想定定义语言,基于XML语法定义了军事想定的通用格式,从而可以在不同的想定编辑工具、仿真系统、指控系统间共享军事想定数据,另外也能够提高军事想定数据的可重用性。其来源于美国的OneSAF系统开发时定义的想定格式,2008年10月,SISO在此基础上提出了MSDL标准。MSDL标准是一个不断演变的标准,最初仅适用于陆战想定,后来逐渐扩展至联合作战层面,当前最新版本发布于2015年5月。

2.2.6 Simulation Reference Markup Language (SRML)

SRML[15]是SISO制定的仿真模型与仿真过程描述语言,基于XML语法定义了仿真模型与仿真过程的基本属性和存储格式,为仿真模型的开发和共享提供了一种标准的数据交换格式,为仿真模型的运行制定了标准的仿真引擎接口。SRML是一个比较新的标准,其1.0版本由SISO发布于2017年4月,包含了两部分:语言规范和引擎规范。

2.2.7 Space Reference Federation Object Model (SpaceFOM)

SpaceFOM[16]是SISO制定的用于太空领域仿真系统间互联的HLA联邦对象模型(FOM),定义了符合HLA规范的太空域通用数据类型、建模方法、仿真过程控制等标准,其1.0版本由SISO发布于2019年10月。

2.3 仿真互操作标准

2.3.1 Standard Series for Distributed Interactive Simulation (DIS)

DIS[17]是一个交互分布仿真协议,定义了一个层次化结构,将现有的不同用途、不同技术水平以及不同生产商提供的仿真设备集成一体,将分散于不同地域的相对独立的各类仿真器互联起来,通过仿真实体间的实时数据交换来营造一个大范围的虚拟环境,以实现基于LVC(Live实际,Virtual虚拟,Constructive构造)的训练。DIS起源于八十年代美军用于坦克训练的SIMNET计划,在此基础上,IEEE于1993年将DIS协议发布为IEEE 1278系列标准。目前SISO正在制定C-DIS[18]标准,通过压缩DIS数据包来减少协议带宽占用率。

2.3.2 High Level Architecture (HLA)

HLA[19]是DMSO制定的仿真互操作规范,基于面向对象的方法,设计、开发和实现仿真系统不同层次和粒度的对象模型,来获得仿真组件和仿真系统高层次上的互操作性和可重用性。其包括了三个主要部分:(1)对象模型模板(OMT),是对仿真中的对象、对象属性和对象间信息交互的格式和内容进行定义的标准化描述;(2)框架和规则:描述仿真和联邦成员的职责,以确保联邦内仿真的正确交互;(3)联邦成员访问接口规范(RTI),定义了仿真过程中的交互接口。1996年8月DMSO公布了HLA定义与规范,2000年9月由IEEE发布为IEEE 1516系列标准。

2.3.3 Test and Training Enabling Architecture (TENA)

TENA[20]是美军在多种体系结构的研究基础上提出的一种以满足试验和训练领域特殊需求的体系结构,它以高层体系结构HLA为基础,并进行了相应的扩展,以快速、高效益的方式实现用于试验和训练的靶场、设施和仿真系统之间的互操作,促进各种资源的重用和可组合。TENA是美国国防部基础计划FI2010(Foundation Initiative 2010)的成果,最初发布于2002年,目前还在不断演进。

2.3.4 Standard Interface for Multiple Platform Link Evaluation (SIMPLE)

SIMPLE[21]是北约提出了一个用于战术数据链交互性测试的接口标准,基于DIS协议,通过模拟Link16协议将一系列的仿真器、仿真系统等连接起来。SIMPLE是北约指挥控制咨询委员会(NATO Consultation, Command and Control Board, NC3B)制定的标准,其应用范围并不局限于建模仿真领域,其最新版本被NSO作为标准发布于2010年6月。另外,SISO也在2006年发布了基于DIS和HLA的Link16仿真标准[22]。

2.3.5 Coalition Battle Management Language (C-BML)

C-BML[23]是SISO制定的一个指控与态势数据标准,基于XML语法定义了在指控系统、仿真系统以及指控与仿真系统之间传输的指令数据以及态势数据的内容和格式,目的是增加指控系统和仿真系统之间的互操作性。2014年3月SISO发布了C-BML 1.0版本。

2.3.6 Command and Control-Simulation Interoperation (C2SIM)

C2SIM[24]是SISO制定的一个指控系统、仿真系统和机器自主控制系统(Robotic and Autonomous Systems, RAS)之间进行指控信息交互的数据标准,定义了指令和报告数据的内容和格式、数据交互流程等。C2SIM是在C-BML和MSDL标准的基础上制定的,2018年4月SISO发布了C2SIM的1.0版本草案,2020年3月1.0版正式发布,未来将取代C-BML和MSDL标准。

2.3.7 WebLVC

WebLVC[25]是SISO制定的Web应用与LVC(Live-Virtual-Constructive)分布式仿真进行交互的数据标准和接口规范,使得基于浏览器的Web应用能够通过WebLVC服务器,作为一个分布式仿真联邦加入基于HLA、DIS或TENA的分布式仿真。2020年1月SISO发布了WebLVC的0.8版本草案。

2.3.8 Gateway Description Language (GDL)

GDL[26]是SISO制定的网关描述语言,基于XML语法定义了一种标准的网关功能描述语言,从而能够将网关的用户需求自动转化为支持这些需求的网关软件。GDL来源于美国国防部LVC架构路线图(Live-Virtual-Constructive Architecture Roadmap, LVCAR)项目,为满足分布式仿真中对异构仿真系统通过网关进行互联的需求,2018年12月SISO发布了GDL的1.0版本。

2.4 数据相关标准

2.4.1 Modeling and Simulation (M&S) Community of Interest (COI) Discovery Metadata Specification (MSC-DMS)

MSC-DMS是美国国防部发布的建模仿真资源元数据规范,定义了描述各类可重用仿真资源的元数据项,从而使得仿真资源能够基于元数据被检索和重用。MSC-DMS基于美国国防部元数据检索规范(DoD Discovery Metadata Specification, DDMS),针对建模仿真领域的需求定义了仿真资源的检索元数据,最初版本发布于2007年9月,最新版本是2012年发布的1.5版本。

2.4.2 Reference for Enumerations for Simulation Interopera-bility(RESI)

RESI[27]是SISO制定的仿真互操作数据字典参考列表,列出了所有在分布式仿真中使用的各种枚举类型数据的分类和定义,例如:传感器枚举类型包括光学传感器、声学传感器、电磁传感器等,其目的是提高分布式仿真互操作的数据一致性。RESI的最初版本发布于2005年3月,最新版本发布于2020年5月。

2.4.3 Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification (SEDRIS)

SEDRIS[28]是ISO发布的一系列环境数据描述与交换相关标准,主要包括四个部分:Data Representation Model (DRM),定义了环境数据描述模型;Environmental Data Coding Specification (EDCS),定义了环境数据编码规范,包括实体分类和属性;Spatial Reference Model (SRM),定义了坐标、方位和距离的规范表达和转换方法;SEDRIS Transmittal Format (STF),定义了环境数据传输格式。SEDRIS在2006年被ISO发布为ISO/IEC 18023系列标准。

2.4.4 Common Image Generator Interface (CIGI)

CIGI[29]是SISO发布的图形显示系统与仿真系统之间的协议标准,定义了图形显示系统与仿真系统间的交互接口、交互流程和数据规范,其目的是提高态势系统、分析系统等图形显示系统的可重用性。CIGI来源于波音公司于1999年开始的整合一系列图形显示系统的工作,2001年波音公司发布了CIGI 1.0版本,之后经过不断改进,2014年CIGI 4.0版本被SISO作为标准发布。

3 总结

美国和北约非常重视建模仿真的标准制定,多年来通过应用总结提出了一系列相关标准规范,并在实践中不断发展完善。美国和北约的建模仿真领域标准覆盖范围广泛,许多标准得到了广泛的应用,对建模仿真应用和发展起到了积极的作用。

相比较而言,我国在建模仿真标准制定方面与美国有不小的差距,美国在建模仿真标准制定和应用方面的先进经验和成果值得我国参考和借鉴。