海上作戰體系仿真建模技術

初 陽,季 蓓,竇林濤

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222061)

海上作戰體系仿真建模技術

初 陽,季 蓓,竇林濤

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222061)

針對當前海上作戰仿真模型體系不健全、建模方法單一等問題,本文從作戰體系仿真對仿真模型的需求入手進行分析,建立了海上作戰仿真模型體系,并從多分辨率建模、多視圖模型描述、模型全生命周期管理等三個方面對體系對抗條件下的作戰體系仿真建模技術進行研究,有效地支持了聯合戰役戰術仿真推演系統的研發。

體系對抗;作戰仿真；裝備體系論證

目前,由于一體化聯合作戰理論尚不成熟,聯合戰役作戰下的體系對抗模型,尤其是適用于海上作戰體系的模型尤為缺乏,主要體現在:海上作戰體系需求與仿真建模需求無法一致轉換;面向體系對抗仿真的模型體系構建困難;模型數量、種類繁多,沒有形成統一的模型描述、開發標準和管理規范等。本文針對海上作戰體系仿真建模所面臨的問題,從需求分析、模型體系和建模方法三個方面展開研究[1]。

1 海上作戰體系對仿真模型需求分析

1.1 對模型對象的需求

面向海上作戰體系的仿真系統對模型的需求包含影響作戰過程和結果的各種要素。體系對抗仿真,需要建立對抗雙方的平臺設施模型、后勤保障模型等軍事力量模型,以便模擬各軍事力量的作戰過程;信息化條件下的作戰仿真系統,需要建立能夠滿足體系對抗的虛擬戰場環境,對軍事人員戰場行為和指揮決策過程進行建模,對影響各裝備、平臺作戰的戰場環境進行建模,對各兵力的作戰行動過程、任務戰術、交戰過程等進行建模,以充分體現軍隊作戰的戰術條令、條例。

作戰仿真模型具有種類多、范圍廣、多粒性等特征,本文通過技術手段梳理海上作戰體系仿真模型需求700多個,如圖1所示。

圖1 裝備體系論證模型需求

1.2 對模型間關系的需求

海上作戰模型體系是包含多類模型的一個整體,如何處理好各模型之間的關系是模型體系設計的重點。通常,模型之間的關系是相互影響的、相互鉸鏈的,模型體系設計需要對其進行定性或定量描述,從而形成指導模型設計與實現的一般性方法[2]。

在一個仿真系統內,模型間關系不是越復雜越好,通常在滿足模型體系功能的前提下模型間關系越簡單越好,本文采用繼承關系、組合關系、交互關系、控制關系四種關系來設計面向武器裝備論證的仿真模型以及它們之間的關系。

繼承關系指采用面向對象建模方法描述的模型之間泛化和特化關系,它是整個武器裝備論證模型體系的核心,整個繼承關系能夠從實現角度對模型進行按層級、類別的分解;組合關系是模型之間的接口連接和行為組合關系,能夠最大限度的實現模型重用;交互關系是模型之間相互作用的描述;控制關系描述仿真過程中模型之間的控制與受控關系。

1.3 對建模標準和模型管理的需求

仿真系統及其內部模型不是一成不變的。隨著應用以及需求的變化,不可避免要對模型進行修改,包括增加新的模型,刪除舊的模型以及修改已有的模型等。由于模型之間存在著復雜關系,模型修改會對模型體系的一致性產生影響,因此,模型體系必須能夠支持模型的靈活變更。

系統建模過程會產生各種類型的產品,如概念模型、數學模型、仿真模型、模型的元數據、想定數據、仿真運行配置數據以及模型的VV&A 數據等，這些都屬于模型體系設計時應該考慮的問題。

2 武器裝備論證仿真模型體系

2.1 模型體系總體框架

海上作戰仿真模型體系框架如圖2所示[3]。

圖2 模型體系的總體框架

資源模型包含平臺、設施、武器、裝備、部件等,是體系對抗仿真中作戰單位及平臺的抽象;裁決模型包含探測裁決、交戰裁決等,反映了對抗仿真過程中資源與資源的交互關系;通信模型反映了資源與資源之間信息傳輸關系;調度類模型包含動態實體產生等資源調度的抽象模型。環境模型包含氣象環境、海洋環境、地形等,協同在一起對作戰樣式和作戰時機的選擇產生影響,也對武器裝備性能、平臺性能等產生影響;作戰計劃模型是對作戰行動過程的模擬,包含了各種任務模型、計劃模型等;戰術規則模型是對作戰規則的建模,反映兵力行為對戰場突發情況的適應能力;作戰指揮建模包含群/編隊指揮、任務指揮、平臺指揮等模型,綜合平臺當前的戰術態勢圖、作戰計劃、戰術規則等信息做出指揮決策,指揮戰場平臺做出相應的戰術動作,進而推進對抗仿真整體態勢的發展。

2.2 模型體系實現的核心

按照海上作戰仿真體系模型的需求分析以及模型體系總體框架,海上作戰仿真模型體系的實現必須解決四個問題:

1)全面覆蓋平臺、武器裝備、指揮任務等作戰仿真類模型;

2)建立模型間關聯關系,利于實現大規模兵力仿真交互;

3)便于模型變更;

4)與仿真引擎匹配。

本文基于離散事件引擎,從實現角度建立海上作戰仿真模型體系核心層次，如圖3所示。

圖3 海上作戰體系仿真模型核心層次

模型體系核心層次分為評估類模型、實體類模型、抽象類模型、基本模塊、子系統類模型、任務類模型和簡單模型七大部分,其中實體類模型包含艦艇、飛機、潛艇、衛星等平臺類模型;子系統類模型包含武器、傳感器、通信、導航等武器裝備模型;任務類模型包含了導彈打擊任務、飛機出動任務、直升機反潛任務等作戰任務模型,能夠全面覆蓋武器裝備論證所需要的模型對象。

模型體系縱向關系是通過模型間的繼承關系實現,采用面向對象的思想自上而下的將各個模型關聯起來,將各底層模塊、基本方法、基本接口等存儲在父模型中,通過子模型的繼承來實現底層方法的共用,通過訪問父類的基本接口,實現各模型間的復雜交互和訪問。

模型體系橫向關系是通過模型組合關系和隸屬關系來實現關聯的,比如航母仿真模型可以由艦艇實體模型,武器、傳感器、導航、指控等裝備模型,運動模塊、可損毀部件、飛機起降模塊等基本模塊組合而成,可實現武器裝備模型和基本模塊的重用。

3 海上作戰體系建模方法

3.1 多分辨率建模

通常,對所研究的對象總是希望建立盡可能精細的模型,但在體系級的兵力對抗仿真中,由于兵力規模、裝備層次、資源數量等較為龐大,因此采用全面精細化建模會極大地降低系統效率,浪費資源,甚至難以實現。較好的解決辦法是對具體關心的模型進行細粒度刻畫,而其他模型則采用低分辨率方式建模,通過建立多分辨率的模型集以及它們之間的關聯關系,實現資源優化。

建立多分辨率模型集重點解決的問題是不同分辨率模型之間的一致連貫性問題,即不同分辨率模型進行對抗仿真模擬時,所產生的戰場行為和規律在分辨率轉換意義上是平滑一致的。

針對面向海上作戰體系的體系對抗仿真特點,對探測、通信、武器、信息融合和后勤五類模型進行了多分辨率模型的建立,模型的分辨率選擇是在對抗仿真推演之前指定的,這樣既滿足了武器裝備論證的需求,又很好地規避了仿真推演過程中的模型聚合解聚的問題,降低模型復雜度。針對每一類模型均設置三、四級分辨率,如圖4所示[4-5]。

圖4 多分辨率模型

以傳感器為例,低分辨率傳感器模型主要是屬性級模型,即以體現探測范圍、發現概率等屬性為主的簡單模型;中分辨率模型是數學方程級的,是通過各種探測方程進行數學解算而建立的模型;這兩種分辨率模型均具有通用性,高分辨率模型是特定型號級的,是針對特定傳感器型號建立專有模型,不具備通用性。

在固化了海上作戰體系仿真多分辨率模型種類、各模型的分辨率級數后,針對離散事件引擎建立統一的模型交互接口,就可實現不同分辨率模型的一致連貫性。

3.2 多視圖模型體系描述

海上作戰仿真模型涉及了作戰仿真的較多方面,模型的開發者、使用者會從不同角度對模型進行開發和應用,因此,在建模過程中引入了多視圖建模,通過多視圖的描述方法來更好地呈現和管理模型。

針對海上作戰體系的系統需求,確定武器裝備論證的關注點,形成六種視圖,即作戰層級、應用領域、功能、分辨率、軍種、作戰樣式等六個視圖,這六個視圖從不同的側面描述了武器裝備體系論證模型的多方面特征,不同視圖之間相互補充,按照一定的約束和關聯關系集成在一起，如圖5所示[6]。

圖5 多視圖模型體系

作戰層級視圖從作戰指揮層次的角度將模型分為戰略級、戰役級、戰術級和技術級模型,關注體系對抗仿真中兵力及跨軍種兵力的規模、數量等;軍種視圖是根據裝備論證的軍隊建制需求來劃分的,分為陸軍、海軍、空軍等;應用領域視圖主要體現體系對抗仿真模型的應用方向,分為分析論證、試驗測試和軍事訓練三類模型;作戰樣式視圖是根據作戰樣式來劃分模型的,主要包含:陸戰、海戰、空戰、特種作戰、心理戰、聯合保障等幾類模型;功能視圖是描述系統功能以及它們之間關系的模型,包含軍事裝備、兵力行為、環境、評估等幾類模型;分辨率視圖是從模型建模粒度對模型分類的,主要包含低分辨率、中分辨率和高分辨率三類模型;關系視圖包括了繼承、組合、交互和隸屬四種關系。

3.3 模型全生命周期管理

模型的全生命周期是指模型從開發、確認、入庫、管理、使用到退役的全過程。需要通過構建模型全生命周期管理系統來實現對模型的有效管理。管理系統包括3大功能模塊、13個子模塊。

1)模型開發模塊:提供軍事概念模型、數學邏輯模型和仿真程序模型的開發工具;提供模型驗證工具,確保模型使用的可信度。

2)模型服務模塊:提供模型搜索、模型申領和仿真支撐工具。模型搜索能夠提供多維度標簽供用戶基于不同角度查詢模型,模型申領是指用戶通過保密審查后獲得模型動態庫,仿真支撐模塊能夠解析用戶需求,維護模型之間的數據交互。

3)模型管理模塊:提供用戶權限管理、整體導入導出和系統管理工具;提供模型入庫、維護和退役的流程審批工具。

這些功能模塊能夠完全覆蓋模型全生命周期過程的管理需求,其對應關系如圖6所示。

4 結束語

海上作戰體系仿真建模是海上作戰體系研究的難點,在體系對抗條件下作戰影響因素呈現出非線性、耦合性等復雜特性,對仿真模型體系、建模標準和模型管理都提出了較高的要求,本文借鑒美軍軍用仿真系統的建模思路,結合我海軍作戰特點,建立了仿真模型體系框架,并提出了一些體系仿真建模方面的思路,該模型框架已在相關單位戰役戰術仿真推演系統中得到了應用。

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Research on Simulation and Modeling Technologiesfor Warfare System of Systems at Sea

CHU Yang, JI Bei, DOU Lin-tao

(Jiangsu Automation Research Institute， Lianyungang 222061， China)

Aimming at the problem that current simulation model system is not perfect and the modeling method is single, from the combat system simulation on demand simulation model of analysis, this paper establishes a naval combat simulation model system, and from the viewpoint of the multi-resolution modeling, multi view model description and modelling of whole life cycle management three aspects, research on system simulation modeling technology under the systematic confrontation condition has made, and effectively support for the Joint Tactical Simulation System Research and development.

systematic countermeasure; operational simulation; equipment system demonstration

1673-3819(2017)01-0073-04

2016-11-01

初 陽(1985-),男,山東煙臺人,工程師,研究方向為系統仿真。 季 蓓(1982-),女,高級工程師。 竇林濤(1980-),男,高級工程師。

TP391.9；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.016

修回日期： 2016-11-09