情報驅動的平行仿真實體動態生成方法

周 芳, 楚 威, 丁 冉

(中國電子科技集團公司第二十八研究所信息系統工程重點實驗室, 江蘇 南京 210007)

0 引 言

戰爭節奏的加快和未來高新技術武器的打擊速度,對戰場指揮員的指揮決策能力提出了全新的挑戰,如何輔助戰場指揮員及時掌控戰場態勢、預測敵方可能采取的行動、建議在某種態勢下實施哪些作戰方案、推測已方武器的反擊效果等,實現對戰場態勢的主動掌控。平行仿真技術的提出為解決上述問題提供了一種新的途徑,美國國防部高級研究計劃局提出的“Deep Green Plan”[1-3]、美國空軍研究實驗室研制的基于動態數據驅動應用系統的實時決策支持系統[4-7],目的是通過構建與戰場客觀環境同步運行的平行仿真系統,通過預先存儲的歷史數據和實時注入的情報數據來推演與預測未來可能的戰場態勢,輔助戰場指揮員提前做出預案。因此,構建與真實戰場環境同步運行的平行仿真系統至關重要,其逼真度直接影響著未來時刻戰場態勢仿真推演的可信度。

平行仿真與現有的分布式仿真、并行仿真等相比,具有如下特點[8-11]:①仿真模型在仿真運行過程中動態加載,通過情報數據與仿真模型庫中模型進行匹配,進行模型實例化,并通過模型的動態組合以生成平行仿真系統;②仿真模型動態演化。依據實時情報數據,仿真模型的參數與模型輸出可動態修正與調整,具有自適應演化特性,仿真模型粒度不斷精細。因此,仿真模型的動態匹配和模型動態組合是構建和運行平行仿真系統的基礎和關鍵。

在仿真模型的動態組合研究方面,國內外仿真學者普遍采用的方法涵蓋組件化建模方法[12-15]、面向服務模型組合方法[16-18],上述方法側重于解決實體模型的異構問題,包括模型采用的技術體制和設計方法不同、實體模型的粒度不同(平臺級模型、聚合級模型等)、模型設計開發時缺少統一標準規范等問題。文獻[14]提出面向服務的作戰仿真模型組合建模方法,通過模塊化開發方法對模型服務進行組合,解決模型匹配差異性和模型組合有效性等難題。實體組件化建模的設計方法,采用“方案-單元-實體-組件”方式的實體管理機制,規范仿真實體模型開發。上述方法中,仿真模型的組合是在仿真運行前通過一致性加載模型組件描述文件和組件執行體完成,在仿真運行過程中不發生改變。而在平行仿真過程中,隨著戰場實時情報數據的不斷注入,平行仿真系統不斷匹配出新的實體組件,需要將不同仿真時刻匹配出的組件進行組裝與拼接。上述方法的難點體現為:平行仿真運行過程中如何動態更新實體模型組件間的信息交互關系、如何將后續匹配的實體模型組件進行組合、如何確保模型組件間信息交互關系的一致性等。

針對上述問題,本文提出了情報驅動的平行仿真實體動態生成方法,一方面,依據注入的戰場實時情報數據,提出行為規則匹配的平行仿真實體模型匹配方法,解決戰場情報數據不完備條件下實體模型難以精準匹配的難題。另一方面,針對仿真運行過程中平行仿真實體模型動態組合問題,從組件化建模的角度,提出基于仿真中間件的模型組件動態組合方法,建立模型組件間信息分發關系表,由仿真中間件動態更新模型組件間信息交互關系,并完成模型組件描述信息和組件執行體的動態加載,實現平行仿真實體的快速生成。

1 面向指揮決策支持的平行仿真概念

面向指揮決策的平行仿真是指采用建模與仿真推演技術,接收實裝指揮信息系統實時情報/態勢數據,動態構建與修正平行仿真實體,生成與客觀戰場環境平行運行的人工戰場環境(即平行仿真系統),將平行仿真系統超實時仿真與預測結果反饋到實際系統中,為指揮員提供未來可能態勢,輔助指揮員進行超前決策。通過平行仿真系統的超實時仿真運行,對敵方目標可能的作戰行動和意圖做出預測,仿真推演未來時刻可能的戰場態勢并反饋至實裝系統,輔助指揮員快速“透視”和預測未來戰場態勢,動態生成或臨機調整預定作戰行動方案。圖1為面向指揮決策的平行仿真系統概念。從作戰過程的角度來看,面向指揮決策支持的平行仿真系統包括兩個環:態勢推演環、作戰方案推演環?！皯B勢推演環”指從接受戰場情報數據開始,依托平行仿真推演引擎進行戰場態勢超實時仿真推演,將態勢仿真推演結果反饋至實裝系統中?！白鲬鸱桨竿蒲莪h”指針對指揮員臨時生成或調整的作戰行動方案,進行方案仿真推演,將方案推演結果反饋至指揮員。

圖1 面向指揮決策的平行仿真概念Fig.1 Parallel simulation concepts for command decision support

2 基于元數據的平行仿真實體模型描述

2.1 平行仿真實體模型

借鑒組件化建模思想,從平行仿真實體功能劃分角度,遵循平行仿真實體的結構屬性、功能屬性和任務屬性劃分原則,建立了一套平行仿真實體的組件化模型,將模型劃分為物理組件、行為組件與裁決評估組件等3類,各類組件的功能如表1所示。

2.2 平行仿真實體模型描述模板

借鑒基于基本對象模型(basic object model, BOM)的模型描述模板,結合實體組件化建模的特點,建立了基于元數據的平行仿真實體仿真模型描述模板,從模型識別屬性、模型功能屬性、模型實體屬性、模型交互屬性、組件化子模型配置5方面,提取平行仿真實體模型的元數據,建立模型描述模板。

(1) 模型識別屬性

模型識別屬性元數據是對平行仿真實體模型的類型、名稱、標識、模型關鍵詞、模型版本等屬性進行描述,提供實體仿真模型的基礎描述信息,作為仿真模型與實時情報數據間快速匹配的依據。

(2) 模型功能屬性

模型功能屬性是對平行仿真實體模型的基本功能、能力特性、使用范圍等進行描述,向模型使用人員提供模型功能的基本描述信息,用于仿真模型匹配的依據。

(3) 模型實體屬性

模型實體屬性是對平行仿真實體模型的配置參數類型、參數取值等信息進行描述,具體涵蓋模型實體標識、物理特征、行為能力、工作參數等屬性,具體內涵如下：

①模型實體標識:描述戰場實體的類型、名稱、型號等固有特征的識別信息,作為實體身份的唯一標識信息等;

②模型實體物理特征:描述戰場實體的物體尺度、易毀屬性、部署位置等固有特征;

③模型實體行為能力:指戰場實體的行動模式、行動時間、行動路線等規劃信息;

④模型實體工作參數:指戰場實體模型的計算、推演、運算所需的配置參數。

表1 平行仿真實體模型組件

(4) 模型交互屬性

交互屬性元數據是指對平行仿真實體模型的調用參數、信息交互關系、輸入/輸出接口等模型交互信息進行描述,以實現平行仿真系統運行過程中實體仿真模型間信息互通與互操作。從實體仿真模型的接口調用和信息交互兩方面進行描述。

(5) 組件化子模型配置

組件化子模型配置是對組成戰場實體的附加子模型數量、子模型類型、名稱、標識、子模型參數類型、取值范圍等屬性進行設置,通過靈活配置實體的組件化子模型,實現實體仿真模型的動態組合,提高仿真模型動態生成的靈活性和效率。

3 情報驅動的平行仿真實體動態生成

平行仿真系統中仿真實體的生成與現有分布式/并行仿真系統中仿真實體生成不同之處在于:一是平行仿真實體是在仿真運行過程中動態生成,與仿真時間相關;二是平行仿真實體是依據注入的實時情報數據,并與仿真模型匹配后動態生成,而現有仿真實體生成是在仿真初始時刻啟動運行,與戰場情報數據無關;三是仿真運行過程中隨著情報數據不斷積累,由不同時刻匹配的仿真模型動態組合后構成完整的平行仿真實體。

針對上述特點,提出了情報驅動的平行仿真實體動態生成方法,如圖2所示,具體可分為3個環節:戰場情報特征提取、仿真模型匹配、仿真模型動態組合。其中,戰場情報特征提取負責接收實時注入的戰場空情、海情、電抗等情報數據,提取實時情報的特征數據,作為仿真模型匹配的依據;仿真模型匹配環境將根據提取的特征數據,與仿真模型進行動態匹配;仿真模型動態組合環節完成不同仿真時刻匹配的仿真模型關聯與動態組裝,動態生成平行仿真實體。

圖2 情報驅動的平行仿真實體動態生成方法Fig.2 Dynamic generation method for parallel simulation entity based on intelligence driven

3.1 基于行為規則的平行仿真實體模型動態匹配

平行仿真實體模型與情報數據匹配存在以下難點:由于戰場情報不完備、不確定性,導致情報特征與仿真模型描述信息難以精確匹配,可能匹配多個仿真模型,甚至無法匹配,如依據空情中目標類型、國別、位置、速度、航向等數據,只能匹配出空中平臺仿真模型,但難以判定具體哪種類別、型號的仿真模型。針對戰場情報不完備的難點,提出基于行為規則的仿真模型匹配方法,其過程包括環節:一是依據戰場情報數據中情報類型、目標實體類別、目標大小等基礎特征信息,與仿真模型庫中模型描述信息進行遍歷匹配,匹配出粗粒度的平行仿真實體模型。二是在戰場情報數據處理的基礎上,通過戰場實體目標的行為狀態、行動模式、實體能力等行為規則,與平行仿真實體模型描述信息進行匹配,實現平行仿真實體模型的精細化。具體算法如圖3所示。

圖3 基于行為規則的平行仿真實體模型匹配方法Fig.3 Matching method of parallel simulation entity model based on behavior rules

(1) 模型類別匹配

模型類別匹配采用模型類別匹配映射表方法進行匹配,通過匹配映射表判斷當前戰場情報數據中目標實體屬于哪類仿真模型。匹配過程為:根據平行仿真實體模型組成體系,建立戰場情報數據與平行仿真實體模型分類體系的映射關系;在匹配過程中,依據實時的戰場情報中實體類型標識碼/名稱,通過查詢映射關系表,獲取當前平行仿真實體仿真模型類型。

(2) 行為規則匹配

行為規則匹配是指通過對提取的戰場情報數據進行處理后，與仿真模型庫中目標實體行為規則描述信息進行匹配,實現平行仿真實體模型的精細化。行為規則匹配包括戰場實體目標的行為狀態匹配、行動模式、實體能力等規則。

其中,行為狀態匹配是指根據實時情報中目標實體的物理大小、航跡、航向、速度與速度變化率、高度與高度變化率等特征參數,與仿真模型庫中模型實體屬性參數信息(如大中小型目標、速度與速度變化率范圍、高度及高度變化率范圍等)進行綜合匹配,判斷目標實體運行狀態數據是否在模型實體屬性參數范圍內,以此匹配目標實體模型的具體類別與型號,如判斷當前空中目標為轟炸機、殲擊機、電子偵察機、空中巡航彈道等,從而實現平行仿真實體模型的進一步精細化。

行動模式匹配是指根據戰場實體目標的行動模式,如空中平臺的目標搜索雷達的開關機狀態、平臺巡邏、爬高或者俯沖等行動模式,與平行仿真實體模型描述信息匹配,該類匹配采用相似度計算方法。

假定平行仿真模型對目標實體的行動模式做出了規范化定義,不需要進行規范化處理。行動模式相似度采用編輯距離來衡量,編輯距離為1表示完全匹配,直接細化平行仿真實體模型類別。對于指定的2個字符串M1和M2,編輯距離是指將M1轉換到M2所需基本字符編輯操作(插入、刪除和替換)的最少次數。

設兩字符串編輯距離為Distance(m,n),M1與M2字符長度分別為m、n,一次基本字符編輯操作的代價為1,則行動模式匹配相似度表達式為

式中,sim(M1,M2)為行動模式匹配相似度。

3.2 基于仿真中間件的平行仿真實體模型動態組合

與現有仿真模型組合不同之處表現為:平行仿真實體模型組合是在仿真運行過程中動態完成,根據實時注入的情報數據,將不同仿真時刻動態匹配出的模型組件與預先匹配的模型組件進行動態組合。以預警機實體為例,作戰初始階段由于機載探測雷達處于無線靜默狀態,此時預警機模型僅為空中平臺組件;隨著作戰時間推移,通過電子偵察手段探測到預警機上掛載的雷達開機工作后,實時情報處理系統更新關聯后的空中平臺與雷達情報信息。此時,將匹配的雷達組件與空中平臺組件進行動態拼接,動態組合成預警機實體模型。而現有仿真實體模型的組合是在仿真運行前一致性裝配組件描述文件和加載組件執行體,組件之間通過共享數據的方式實現信息傳遞,仿真實體模型之間通過消息驅動和實現機制完成信息交互。上述特點帶來以下難題:如何將不同仿真時刻匹配的組件進行動態關聯與組合、如何動態建立與更新組件間信息交互關系等。

針對上述問題,采用仿真中間件實現平行仿真實體模型動態組合,其核心思想為:改變現有組件之間直接進行信息交互的模式,轉變為由仿真中間件完成模型組件間信息交互,實現仿真數據在模型組件之間的透明傳輸。平行仿真實體模型動態組合劃分為兩階段:信息交互關系設置、組件執行體裝配階段。具體如圖4所示。

3.2.1 仿真中間件

仿真中間件是指提供仿真模型組件動態匹配與加載調度、模型組件管理、模型組件交互管理、時間管理、仿真運行控制管理等功能,完成仿真模型組件間信息交互的運行支撐平臺。

圖4 基于仿真中間件的平行仿真實體模型動態組合Fig.4 Dynamic composition of parallel simulation entity model based on simulation middleware

其中,模型組件管理部分包括模型靜態管理和動態管理模塊,靜態管理模塊主要建立構建模型組件、對模型的識別信息和描述信息進行統一管理,包括模型的類別、標識、功能、模型實體屬性等,提供對模型的增加、刪除、修改和查詢等功能;動態管理模塊提供模型運行過程中模型屬性的賦值和方法的調用。

模型組件交互管理模塊提供模型組件之間信息交互關系的建立、更新、刪除、維護等管理功能。

3.2.2 平行仿真實體模型組件描述

平行仿真實體模型組件由屬性、方法與接口組成,屬性體現組件配置信息和能力特性,包括組件類型、名稱、標識ID、仿真開始運行時間、結束時間等。方法反映組件的具體業務功能或業務操作。接口用于組件與仿真中間件的交互,具體包括動態加載接口、初始化接口、仿真時間推進接口、組件狀態輸入與輸出接口、事件輸入與輸出接口。①動態加載接口用于仿真中間件對模型組件可執行代碼進行加載與控制,將可執行代碼加載至仿真運行環境中;②初始化接口用于對加載的組件參數進行賦值;③仿真時間推進接口用仿真中間件控制組件仿真時間的推進;④組件狀態輸入與輸出接口:用于向仿真中間件公布自身狀態信息和需訂閱的狀態信息;⑤事件輸入與輸出接口:用戶向仿真中間件發布和接收事件。

在模型組件規范化描述的基礎上,通過構建信息交互關系映射表,依據實時融合處理后情報數據(如預警雷達與空中平臺進行關聯,對應同一的空中目標),仿真中間件將動態修正信息交互關系映射表,動態組合不同時刻匹配的模型組件。

定義1信息交互關系表——實體模型組件間信息交互關系,涵蓋組件信息分發和訂閱關系,確保模型組件信息交互的一致性,如圖5所示。

假設實體模型A共有n個組件,標記為a1,a2,…,an,實體模型B有m個組件,標記為b1,b2,…,bm,模型組件間信息交互關系包括組件與組件之間、組件與實體模型間交互關系,不失一般性,采用信息交互映射函數rel(ai,aj)表示模型組件間的信息交互關系,表示為

圖5 平行仿真實體模型組件間信息交互Fig.5 Information interaction between parallel simulation entity model component

則平行仿真實體模型間的信息交互關系可表示為

式中,Map(A)表示實體模型A內組件間信息交互關系矩陣;Map(A,B)表示實體模型A與實體模型B之間信息交互關系矩陣。

3.2.3 信息交互關系的設置

信息交互關系的設置將依據實時情報數據中目標標識號以及目標之間的通信關系(這是由于電子偵察、技術偵察等手段,可探測戰場目標之間是否通信),由仿真中間件完成。具體過程為:由仿真中間件中模型組件交互管理模塊判斷當前目標匹配的模型組件是否已加載,若首次加載,則根據目標標識號與目標通信關系,實時更新信息交互關系表中映射關系。以預警機實體模型為例,初始時刻匹配出空中目標(A1)模型,隨著情報積累,在t1時刻探測出空中目標A2與A1之間有通信,根據A1與A2間通信關系,仿真中間件動態更新信息交互關系表,完成模型組件間的信息交互。

3.2.4 組件執行體裝配

平行仿真實體模型組件執行體以“DLL/Com”形式存在,是與特定的編程語言、平臺相關的模型。采用黑盒組合方法,依據模型組件執行體所在的存儲路徑,通過仿真中間件將組件執行體加載到平行仿真系統中。在模型組件運行過程中,模型組件之間的信息交互將通過仿真中間件中模型組件交互管理模塊完成,模型組件之間不直接進行數據交互,即模型組件輸出的數據先發送至仿真中間件,由仿真中間件將信息轉發至目標組件。

4 仿真實驗結果

以某熱點區域聯合防空作戰為案例,設計不同規模和想定任務的試驗想定,根據情報驅動的平行仿真實體動態生成方法,統計不同想定下的平行仿真實體模型的匹配時間、匹配成功率和仿真實體生成時間。

根據區域聯合防空作戰的使用任務,假定某時刻藍方空中目標從不同方位突然轉向,飛向紅方某防空基地與機場等重要目標,實施重點目標打擊任務。為此,在想定中,分別設計了N批(N=5,10,50,100,150,200)不同波次的藍方空中作戰力量,涵蓋實施空中偵察預警任務、掩護任務、突擊任務與電子干擾任務等的作戰飛機。

針對上述試驗想定,重復進行多組試驗,統計不同規模的藍方目標條件下仿真實體模型匹配時間和平均匹配時間,如圖6所示。

圖6 不同目標規模下平行仿真實體模型匹配時間Fig.6 Matching time of parallel simulation entity model under different target scale

在戰場情報數據不完備條件下,分別采用本文方法與基于關鍵字的模型匹配方法進行驗證。假定實時情報數據中僅給出目標類型、標識、位置、速度、航向、大小等標識信息,從模型匹配時間和模型匹配成功率兩方面進行綜合比較,如圖7和圖8所示。

圖7 平行仿真實體模型匹配時間對比曲線Fig.7 Comparison curves about matching time of parallel simulation entity model

根據圖7和圖8可知,與基于關鍵字匹配方法相比,隨著藍方目標數量的增加,本文方法在匹配成功率上明顯優于基于關鍵字的匹配成功率,但匹配時間要稍長于后者,這是因為本文方法在關鍵詞匹配的基礎上增加了實體的運行狀態與行為模式的匹配,大幅度提高了匹配成功率,同時也增加了匹配時間。

圖8 平行仿真實體模型匹配成功率對比曲線Fig.8 Comparison curves about matching success rate of parallel simulation entity model

為有效驗證平行仿真實體模型動態生成效率,假定在某時刻t2藍方作戰飛機中掛載的雷達設備、電臺開機,紅方通過雷達對抗偵察和通信對抗偵察等手段,獲取藍方作戰飛機掛載的雷達、電臺設備的類型、型號、工作參數等情報數據,匯聚至情報處理系統中進行融合處理,并發送至平行仿真系統中。此時,平行仿真系統同步動態匹配出雷達模型組件與電臺模型組件,由仿真中間件完成雷達/電臺組件的動態組合,同時更新組件間信息交互關系。從模型動態組合效率的角度,設計不同規模的藍方空中目標,分別統計模型組件信息交互關系動態更新時間、組件執行體本地加載時間、組件參數賦值時間,作為模型組件動態組合時間,如圖9所示。

圖9 平行仿真實體模型組件動態組合時間Fig.9 Dynamic composition time of parallel simulation entity model component

5 結束語

利用平行仿真系統實現對未來戰場態勢仿真推演與預測,核心是靈活、動態且快速生成平行仿真實體。實時注入的戰場情報數據是實現平行仿真實體模型動態匹配與實體動態生成的核心依據,本文采用基于實體行為規則的匹配方法解決了戰場情報信息不完備情況下平行仿真實體模型精準匹配難的問題;進一步采用仿真中間件解決模型組件的靈活組合問題。在作戰應用實例中,與現有關鍵字匹配方法相比,本文方法能夠大幅提升平行仿真實體模型匹配的準確率,從而確保平行仿真系統的可信度。

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