可組合的魚雷作戰效能評估仿真系統研究

楊惠珍, 朱遠軍, 張建春, 郝莉莉, 康鳳舉

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可組合的魚雷作戰效能評估仿真系統研究

楊惠珍, 朱遠軍, 張建春, 郝莉莉, 康鳳舉

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

魚雷作戰效能評估仿真系統涉及發射平臺、魚雷武器、目標、對抗器材等復雜實體以及風場、海浪、水聲場等復雜環境的建模和仿真問題, 實現不同領域的實體和環境仿真模型的重用與組合是作戰效能仿真系統開發面臨的挑戰。本文探討了仿真可組合性的概念和基于本體的可組合仿真系統開發技術, 分析了魚雷作戰效能評估仿真系統的體系結構, 研究了魚雷作戰效能仿真本體、本體模型庫以及基本本體的仿真系統開發流程, 為解決不同領域、不同粒度仿真模型的可重用和組合問題, 為構建更有效的魚雷作戰效能評估仿真系統進行了理論分析和工程應用探索。

魚雷作戰效能; 仿真可組合性; 仿真系統; 本體

0 引言

武器系統作戰效能評估的基本方法主要有4大類: 解析法、仿真法、專家調查法和試驗統計法[1]。由于難以獲得演習和實戰數據, 采用專家調查法和試驗統計法研究魚雷武器作戰效能評估問題的困難比較大。另一方面, 由于魚雷武器系統的復雜性和對作戰環境的依賴性, 作戰效能與魚雷武器性能參數之間的函數關系難以建立, 解析法的應用也受到限制。因此, 基于仿真的武器系統作戰效能評估方法是魚雷作戰效能評估的重要研究內容之一。

基于仿真的作戰效能評估方法, 其一般思路是: 在作戰仿真系統中, 建立評估對象所處的戰場對抗體系的仿真模型, 賦予攻防雙方相應層次的使命任務, 在對抗仿真過程中展現出評估對象完成使命任務的結果, 在綜合大量不確定性的基礎上, 針對不同的武器系統方案或作戰運用方案計算出其作戰效能指標[2]。許多文獻對魚雷作戰系統[3-5]和水聲對抗系統[6-7]的作戰效能仿真方法進行了研究, 促進了魚雷武器系統作戰效能仿真建模與評估方法和技術的進步, 但由于魚雷武器系統的復雜性、不確定性和非線性等特性, 這種基于還原論的方法目前還難以表現復雜環境下魚雷武器作戰效能的整體性特征, 因而很多仿真更像是“作戰流程演示系統”。

為了使基于仿真的作戰效能評估結果更加有效和可信, 魚雷作戰效能評估仿真系統需要解決兩方面的關鍵技術: 一是建模技術; 二是仿真技術。建模技術的難點是魚雷武器與戰場環境間的交互關系的描述; 仿真技術的難點是魚雷作戰效能評估仿真系統開發所涉及的體系結構和軟件開發技術。由于魚雷作戰效能仿真系統的開發涉及多學科、多部門和多層次的交叉與融合, 所采用的建模方法和編程規范不可避免地具有多樣性的特點, 從本質上決定了作戰效能仿真評估系統結構具有很高的復雜度, 因此, 先進仿真技術的應用是解決系統結構復雜性問題的有效途徑。

魚雷作戰效能評估涉及發射平臺、魚雷武器、目標、魚雷對抗器材等復雜的實體以及風場、海浪、水聲場等復雜的環境, 這些實體和環境分屬不同的研究領域, 在所屬不同領域內積累了大量的仿真組件(包括仿真系統、仿真模型等), 如何通過重用這些組件來提高效能仿真系統開發的效率并快速地構建仿真系統, 是作戰效能仿真系統開發面臨的挑戰。分布式交互仿真(distributed interactive simulation, DIS)和高層體系結構(high level architecture, HLA)等標準的提出和推廣應用在一定程度上解決了仿真組件的組合問題, 但由于仿真模型和平臺類型越來越豐富, 不同領域、不同層次及不同粒度的模型難以組合的問題仍然十分突出。

本文探討了仿真可組合性的概念和基于本體的可組合仿真系統開發技術, 分析了魚雷作戰效能仿真系統的體系結構, 研究了魚雷作戰效能仿真本體、本體模型庫以及基本本體的仿真系統開發流程, 為解決不同領域、不同粒度的仿真模型的可重用和組合問題, 實現快速構建更有效的魚雷作戰效能評估仿真系統進行了有益的探索。

1 仿真系統的可組合性

1.1 可組合性的概念

仿真的可組合性是指以不同的組合形式選取和裝配仿真組件形成仿真系統, 從而滿足特定用戶需求的一種能力[8-16]。圖1給出了組合仿真的概念圖。組件倉庫中包含不同類型的組件, 如基礎網絡服務、用戶接口、一系列實體模型的實現、不同分辨率的物理模型實現等等。構建仿真系統時, 根據系統的需求選取合適的組件, 然后將所選的仿真組件裝配成仿真系統。這種裝配能力是可組合性問題的研究重點。不同組件組合成不同的仿真系統, 并且組件可以在多個仿真系統中重用。

圖1 組合仿真概念圖

魚雷作戰效能評估仿真系統采用可組合技術的好處在于充分利用已有仿真模型資源,通過構建和不斷完善仿真組件庫, 利用組件匹配和組合技術完成不同類型、不同規模、不同作戰規則下的魚雷作戰效能仿真, 提高仿真效率和仿真可信性。

1.2 仿真組件的可組合性

從語法和語義的角度來分析仿真組件的可組合性。用可計算理論將組件定義為可計算函數,仿真則是指這些函數的順序執行過程在每一個執行步驟中, 組件接收來自外部的輸入, 經過狀態變換, 得到相應的輸出, 然后轉入下一個執行步驟, 如圖2所示。

圖2 仿真組件和執行過程

語法上的可組合性是組合的工程實現, 關心的是組合的具體實現細節, 包括參數傳遞機制、外部數據訪問和時間機制等。如HLA OMT定義了組件的接口及數據交互的標準格式, HLA RTI則構建了結構化數據的接口轉換層, 實現數據的交互。基于 CORBA IDL, DIS PDU同樣也實現了語法層次的組合。

語義上的可組合性則是在語法組合的基礎上討論仿真系統是否有意義以及模型是否有效的問題, 領域的有效性和一致性假設等建模問題是其核心問題。簡而言之, 前者是模型能否被組合的問題, 后者是模型被組合之后是否有意義的問題。

從組合的層次和領域看, 可組合性可以分為水平方向上的和垂直方向上的兩類。水平方向的組合可以近似認為是對具有相同分辨率的模型的組合, 通常會涉及到不同領域的模型, 模型的語義和時間域等不盡相同。例如, 作戰仿真中包括地形/地理、天氣、作戰武器等模型的組合。垂直方向的組合是具有不同分辨率的模型的組合。最典型的例子是包括了軍、師、旅、團、營、連、班等實體的作戰仿真。

1.3 基于本體技術的可組合仿真系統的開發流程

本體是指“共享概念模型的明確的形式化規范說明”。在信息科學中, 本體論方法主要用于解決知識的重用和共享問題, 已廣泛應用于知識工程、知識表示、自然語言處理等領域。在建模與仿真(modeling and simulation, M&S)領域, 研究本體論分析方法, 期望解決 M&S 領域面臨的應用領域信息描述、系統重用與互操作、仿真可組合等問題。使用本體進行可組合仿真的前提是設計與開發基于本體的組件庫, 主要包括以下內容。

1) 建立組件本體。定義組件本體的內容, 包括準確定義組件目標, 詳細描述運行需要的輸入和輸出, 詳細描述系統需求、執行成功的約束、前件和后件等信息。

2) 建立包含組件和組件本體的組件資源庫。

3) 建立組件庫的訪問機制。仿真人員能夠根據組件的本體描述發現并獲得需要的組件。

圖3描述了基于本體技術的可組合仿真系統構建過程。

圖3 基于本體技術的可組合仿真系統構建流程

仿真需求包括仿真系統的目標、模型假設和約束等功能性需求, 也包括系統運行環境、安全需求、性能需求等非功能性需求。利用概念建模開發工具對仿真模型和仿真過程進行描述, 建立概念模型。通過對概念模型進行解析, 抽取出其中對于搜索仿真模型庫所需的必要信息。在仿真組件的搜索階段, 通過將仿真模型的信息發送給仿真模型本體庫搜索算法, 根據搜索結果找到一個可能的候選仿真模型庫。在搜索仿真模型庫的過程中, 概念模型中所包含的仿真模型的名稱、屬性等基本信息是搜索與結果集排序的主要條件,而仿真系統需求中所定義的功能性和非功能性需求, 則將作為結果集篩選的條件。概念模型中所定義的交互關系、行為邏輯在本體模型庫中是以形式化的方式存儲, 它們在搜索過程中也將被作為必要條件對搜索結果進行進一步的精化。在候選組件的基礎上, 進行語法和語義兩方面的匹配。這些工作需要利用相應的支撐工具來完成。

1.4 本體開發工具

通俗地說, 本體就是用于仿真系統開發的各個階段的一系列形式化規范(各領域抽象出來的特殊術語集和公理集), 如問題分析的形式化描述、概念模型的形式化描述、數據收集的形式化描述、實體模型的形式化描述等等。通過這些形式化描述, 達到交互、組合、共享及重用等目的。

要求作戰仿真系統開發人員掌握復雜的本體語法和語義是不現實的, 必須借助于本體開發工具完成仿真系統設計和開發。常用的本體編輯工具有JOE, KADS22, OILED, OntoEdit, Ontolingua, WebODE, Protégé等。其中, 美國斯坦福大學基于Java語言開發的Protégé2000是免費、開源的本體開發工具, 它提供了本體概念類、關系、屬性和實例的構建, 并且屏蔽了具體的本體描述語言, 用戶只需在概念層次上進行領域本體模型的創建, 是用戶易于使用的工具軟件。另外, Protégé還具有圖形用戶界面(graphical user interface, GUI)可視化和網絡本體語言(web onto- logy language, OWL)語言兩種開發模式, 并支持中文操作。

2 可組合的魚雷作戰效能評估仿真系統

基于仿真的魚雷作戰效能評估分析包括4個主要環節: 1) 魚雷作戰效能指標體系的建立; 2)魚雷作戰對抗過程的建模與仿真; 3) 魚雷作戰效能指標的獲取和分析; 4) 魚雷作戰效能的仿真驗證和表現。因此, 魚雷作戰效能評估仿真系統是一個包含復雜算法、模型和大量數據的軟件系統, 其設計和開發需借助先進的仿真技術和軟件技術。

2.1 魚雷作戰效能評估仿真系統的體系結構

魚雷作戰效能評估仿真系統采用分布式的體系結構, 至少應包含以下幾個子系統。

1) 仿真管理子系統

也稱想定管理(scenario management, SOM)子系統, 主要完成作戰效能指標的選擇, 魚雷、目標、環境等初始態勢的設定, 仿真過程的監視等功能。

2) 魚雷子系統

魚雷子系統的質量直接關系著作戰效能評估結果的可信性和有效性。模型庫和作戰規則庫是魚雷子系統的兩個重要組成部分。模型庫包含不同粒度的魚雷模型（運動學模型、動力學模型、動力系統模型、控制系統模型、自導系統模型、引信系統模型等）, 根據作戰效能評估指標的需求, 選取不同粒度的模型進行仿真。作戰規則庫含有魚雷作戰的各種戰術動作, 作戰規則不同, 對同一初始條件會得到不同的仿真結果。作戰規則與魚雷自身狀態和性能指標、作戰環境以及目標反對抗措施等有關。

3) 目標子系統

目標子系統主要完成目標運動(含規避動作)、聲學特性以及反魚雷等對抗功能的仿真。

4) 作戰環境子系統

作戰環境包括海水鹽度、溫度等水文環境,海浪、海流, 風等海況和氣象環境, 這些環境因素影響魚雷聲納作用距離、航行深度以及航行姿態等性能指標, 然而目前還難以建立這種影響的準確數學模型, 或者有些數學模型過于復雜難以直接應用在效能評估仿真系統中, 如水文環境對聲線影響的仿真。目前, 本系統建立了部分簡化的環境模型, 如恒定的風場、水聲場和海流等。

5) 效能評估子系統

效能評估子系統根據效能評估指標的需求,從數據庫中提取所需的各種參數和仿真數據, 進行效能評估模型的結算, 給出作戰效能評估結果。

6) 數據庫子系統

數據庫子系統完成仿真結果數據的管理, 主要功能包括從其他子系統中獲取各種模型數據、關鍵點數據和仿真結果數據, 實現在線存儲、離線查詢、統計分析等功能。

2.2 魚雷作戰效能仿真本體庫設計

魚雷作戰效能仿真本體指用形式化語言來描述魚雷作戰效能仿真系統, 覆蓋魚雷作戰相關實體模型和交互行為, 形成一個可重用的本體知識庫, 將該本體作為魚雷作戰效能仿真系統開發需求的基礎, 也可以為網絡化仿真提供支持和服務。下面用兩個例子簡要說明本體的定義。

1) 仿真實體的定義

仿真實體主要描述實體具備的屬性。例如,定義如下的部分謂詞關系。

is_torpedo(x): x 是魚雷

has_property(x,y): x具有屬性y

is_property_of(x,y):y是x的屬性

has_subproperty(x,y):x具有子屬性y

is_subproperty_of(x,y):y具有子屬性x

is_launchedbysurfaceship(x ): 水面艦發射x

is_launchedbysubmarine(x): 潛艇發射x

……

2) 仿真任務本體

仿真任務本體描述了相關的服務和仿真模型, 謂詞關系定義如下。

is_model(x): x是一個仿真模型

is_event(e):e是一個仿真任務或者事件

process(x,y):事件x能夠處理實體y的屬性

……

例如, 一個仿真模型有如下的屬性初始化參數(initial parameter), 輸入變量(input arguments), 輸出變量(output arguments)和狀態描述(state description),根據以上的定義可以用如下的形式化方法進行表達:

3) 本體模型庫

本體模型是對實現模型的抽象性描述。通過分析魚雷作戰過程, 需建立的魚雷作戰效能仿真模型庫主要包括魚雷模型、自然環境模型、水聲對抗模型、武器發控模型和目標模型等, 如表1所示。

表1 仿真實體列表

本體模型庫可看作是知識重用的清晰解釋和說明。對于魚雷作戰效能評估仿真本體庫的開發, 以Protoégé軟件作為本體開發環境, 以OWL作為本體描述語言, 基于表１列出的實體, 詳細描述魚雷作戰實體定義和概念間的關系, 提供實體活動間的交互關系和基本原理(如圖4所示)。

圖4 基于OWL本體描述界面圖

2.3 可組合的魚雷作戰效能仿真系統的開發

例如, 仿真想定如下所述: 紅、藍方在某一作戰海區相遇, 紅方為水面艦艇, 藍方為潛艇。紅方低速巡邏, 通過艇上綜合聲納對藍方進行搜索, 當紅方發現藍方目標后, 通過艇上的指控系統做出決策, 紅方發射火箭助飛魚雷攻擊藍方, 藍方探測到紅方來襲魚雷后作出指控決策, 采取機動規避或施放水聲對抗器材進行防御。圖5給出了基于本體驅動的可組合的魚雷作戰效能仿真系統開發流程。

圖5 可組合的魚雷作戰效能仿真系統工作流程

Fig.5 Working flowchart of composable simulation system for torpedo operational effectiveness

基于Protégé的本體搜索、匹配和組合工作包括:

Step1: 建立魚雷作戰仿真系統所需的本體,本體包含組件的信息, 如接口參數、消息、實體類型、單位、數據類型、交互條件等, 形成本體OWL文件。

Step2: 讀取基于XML描述的仿真想定文檔,抽取出參與的實體集和任務集。

Step3: 以步驟2中的結果作為模型搜索條件,讀取本體OWL文件, 獲取本體的類名和實例, 采用基于關鍵字的查詢算法初步篩選出所需的模型集, 存入相應的文件中。

Step4: 讀取候選模型集文件中的實體對象,以此為基礎獲取OWL文件中對象的屬性、屬性值及相互間的關系, 作為Protégé中推理引擎部件的輸入, 通過語法和語義上的匹配組合, 最終形成一組最適合仿真想定場景的模型集, 存入SQL關系數據庫中。

最后, 在用戶應用軟件平臺(Visual C++平臺上編寫)上通過運行與數據庫中模型對應的模型組件構建出所需的仿真系統。

圖6是魚雷作戰效能評估仿真系統的一個界面截圖, 該系統包含了魚雷、水面艦(發射平臺)、潛艇(目標)以及部分水聲對抗器材的模型。

圖6 火箭助飛魚雷攻擊潛艇效能仿真系統的截圖

3 結束語

本文探討了基于可組合魚雷作戰效能仿真系統開發技術, 分析了魚雷作戰效能仿真系統的體系結構, 研究了魚雷作戰效能仿真本體、本體模型庫以及基本本體的仿真系統開發流程, 初步建立了魚雷作戰效能評估仿真系統, 為解決不同領域、不同粒度的仿真模型的可重用和組合問題,實現快速構建更有效的魚雷作戰效能仿真系統進行了有益的工程實踐探索。

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Study on Composable Simulation System for Evaluation of TorpedoOperational Effectiveness

YANG Hui-zhen, ZHU Yuan-jun, ZHANG Jian-chun, HAO Li-li, KANG Feng-ju

(School of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The simulation system for evaluation of torpedo operational effectiveness relates to modeling and simulation of a number of entities and environments. The list of operational entities includes launching platforms, torpedo, target warships, and acoustic countermeasure devices, etc. And the list of environments includes wind, wave, and acoustic field, etc. One of the challenges in developing simulation system for operational effectiveness evaluation is to realize reusability and composability of simulation models of the entities and environments for in different fields. In this paper, the concept of simulation composability and the ontology-based developing technology are discussed. The simulation system architecture of torpedo operational effectiveness evaluation is analyzed. The simulation ontology of torpedo operational effectiveness, ontological model base, and ontology-based development are studied to improve the reusability and composability of the simulation system. This study may benefits the development of the simulation system for operational effectiveness evaluation.

torpedo operational effectiveness; simulation composability; simulation system; ontology

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2013)02-0146-07

2012-11-02;

2012-12-13.

船舶預研基金(11J4.1.1).

楊惠珍(1974-), 女, 博士, 副教授, 研究方向為武器系統仿真, 水下航行器控制與仿真.

(責任編輯: 許 妍)