作戰仿真中一體化建模問題研究

張永亮 高志年

(1.解放軍理工大學 指揮信息系統學院，江蘇 南京210007;2.南京陸軍指揮學院，江蘇 南京210045)

1 引言

我軍早期采用面向過程方法開發的一系列戰役、戰術級的作戰模擬訓練系統，在信息時代作戰需求不斷變化時出現了諸多問題:一是仿真模型與相應領域綁定，無法進行異構系統間的移植，基本是同態不同構的模型體系。在軍事需求變化時需要重新開發設計，大大降低了模型開發效率。二是軍事人員與技術人員在系統開發過程中由于知識背景的差異產生認知上的“鴻溝”，亟待尋求一種二者都易于接受的建模語言和建模方法，實現問題描述與技術實現的一致性動態表達。三是缺乏一套有效的模型庫構建機制，無法實現對大量模型的高效集成與管理。加之我軍仿真模型工程建設之初，缺乏模型的頂層設計和統一的規范標準，使得目前我軍建模效率較低，諸多仿真模型重用性差，而且無法成體系地對其實施集成與維護，難以有效應用于作戰分析、方案推演等實驗項目。為作戰仿真實驗提供科學合理、可重用、易集成的作戰仿真模型資源，是我軍當前開展作戰仿真實驗必須解決的現實問題，也是未來我軍軍事仿真模型工程建設的基本任務之一。

2 作戰仿真中一體化建模方法的提出及其發展

20世紀90年代末，為解決軍事建模過程不規范和大量軍事仿真模型更新維護難、重用性不強，以及體系組織、集成管理困難等問題，在全軍重大項目的研討會和學術會議上，符合我軍實際的“一體化建模”方法［1］隨之被提出，旨在通過規范軍事仿真建模過程，實現建模過程主要環節的規范化、標準化，以達成在統一工具環境引導下的軍事描述與技術表達的一致性。爾后，軍內院校的軍事運籌和作戰指揮學科的碩士、博士研究生對一體化建模思想的基本內涵、建模原理與方法，以及一體化建模工具設計等問題進行了深入研究和不懈的探索［1-7］。與此同時，軍內諸多作戰模擬領域的專家們基于一體化建模思想，從軍事概念建模入手，在作戰仿真模型工程建設方面進行了一系列的實踐與探索。近年來，基于推進模型標準化的現實考慮，軍內多位領域專家又先后展開了“軍事概念模型通用規范設計與應用”“聯合作戰指揮訓練陸軍戰役戰術模型體系”“聯合作戰實驗陸軍作戰模型系統”“陸軍部隊作戰方案論證仿真推演控制系統”“‘聯合XX’軍事概念模型一體化建模及標準化模板研究”等一系列課題的研究工作，部分研究成果已成功應用于“聯合作戰仿真推演實驗評估系統”，有力促進了我軍聯合作戰實驗的建設發展。一體化建模思想經過十余年理論研究與實踐探索，已向前邁出了堅實的一步，初步形成了具有我軍建模特色的一體化建模理論體系，其理論框架如圖1所示。需要指出的是，目前一體化建模理論用于指導工程實踐應用還有相當的差距，主要體現在:一體化建模基礎理論中的建模規范、建模過程還未達成共識;主要建模環節的轉換技術還有待攻克，即如何建立模型與代碼之間的映射機制，實現軍事概念模型與仿真模型的有機銜接和相互轉換。

圖1 作戰仿真中一體化建模理論框架

3 作戰仿真模型一體化建模方法的內涵

在不斷探索與實踐中，研究人員和工程技術人員對軍事仿真中一體化建模方法的內涵已基本達成共識，即是在規范化的建模方法指導下，通過一體化建模通用開發平臺，將軍事問題描述(需求分析與概念建模)、數學邏輯建模和軟件實現有機聯系為一體，進行軍事問題描述與技術實現相互聯動式模型開發，從而實現在統一工具環境引導下的軍事描述與技術表達的一致性，達成多數情況下軍事描述的改變同步引發仿真描述一致性改變的目標，并為模型校驗提供更好的解決思路［1-5］。作戰模型一體化建模過程的模型設計是依據一體化建模思想，對作戰模擬模型進行從概念建模到數學邏輯模型，再到程序組件模型，逐步逼近、反復迭代的模型設計過程。這種模型設計過程可以有效減少建模過程中語義與語法上的歧義，提高建模效率，為最終實現軍事建模自動化或半自動化打下基礎。

一體化建模的本質是軍事人員和技術人員利用一體化建模平臺和預定義的模型協議接口進行有機合作、共同建模的過程。該過程明確了建模各個階段的內容以及相互之間的轉化方法，并且提供了一系列的轉化工具。總體上講，一體化建模包括兩個方面的核心內容:

(1)通過模型與程序代碼之間的映射，實現概念模型、數學邏輯模型向程序仿真模型的正向轉換，實質是通過語言的映射而把模型轉換為代碼的過程，即仿真模型的正向工程(forward engineering)，從而將各建模過程有機地聯為一體，實現軍事概念模型與程序模型之間的自動轉化，為因需求變化而帶來的模型修改和維護提供便利。

(2)通過模型反向映射機制實現程序代碼向可視化概念模型圖的轉換，實質是通過特定的映射而把代碼轉換為模型的過程，即仿真模型的逆向工程(reverse engineering)，實現仿真開發中不同形態模型的迭代式開發。它一方面有助于模型開發人員和軍事人員相互協作，在迭代增量式的模型開發中快速發現和定位模型開發過程中的問題;另一方面，可以有效提高模型的正確性和可靠性，并為模型校驗和確認提供有效手段。

4 作戰仿真模型一體化建模方法

4.1 一體化建模的關鍵實現環節

一體化建模的技術目標是將軍事問題描述、數學邏輯模型轉化、模型程序軟件實現三個關鍵性建模步驟，在統一的軟件工具支持下，實現自動或半自動連貫轉換。其最突出的特點是軍事人員對軍事問題描述的變更，可通過系統自動或半自動地直接反映到最終的仿真描述上，大幅度提高系統應用的靈活性、針對性和適應性，提高系統與軍事人員結合的緊密度和建模效率。實現這一目標有六個關鍵環節:

(1)在面向對象建模思想指導下按照屬性、行為和關系三個層次和控制規則、元動作、支持數據三者分離的行為模型描述要求，建立軍事概念模型格式化和形式化表述方法。

(2)依據規范化的概念建模要求，設計、開發軍事概念建模軟件支撐環境。

(3)在軍事概念建模基礎上，構建數學邏輯模型建模軟件支撐環境。

(4)基于軍事概念模型、數學邏輯模型建模軟件支撐環境，構建軍事概念模型與數學邏輯模型自動或半自動轉換軟件，實現軍事概念模型向數學邏輯模型的自動或半自動轉換。

(5)研制數學邏輯模型自動或半自動轉換為程序模型的軟件工具，將數學邏輯模型轉化為程序組件。

(6)構建基于組件的程序模型集成開發環境，運用模型控制管理框架實現對各模型組件的自動或半自動集成，最終形成可供使用的作戰模擬系統。

總體看，實現一體化建模的六個關鍵是“建立一個方法，構建五個工具”。通過這種一體化建模方法的實現，在軍事建模方法上有所突破，以提高軍事仿真模型的開發效率和模型資源的可重用性，同時用工程實踐促進軍事模型建設的標準化。基于作戰仿真實體模型組件的作戰模擬系統開發過程，如圖2所示。

圖2 基于作戰實體仿真模型組件的作戰模擬系統開發過程

4.2 一體化建模技術實現的總體構想

從專業角度看，實現一體化建模主要的困難集中在兩個方面:一是軍事問題的描述和形式化表達，也就是回答軍事上要描述什么、用什么形式描述的問題;二是如何選擇一種恰當的集成建模方法，實現由軍事概念表述向邏輯數學模型、程序模型自動或半自動轉化。建模仿真過程中軍事問題描述、邏輯數學模型轉化、模型程序軟件實現是三個關鍵性建模步驟，基本思路是總體設計、兩端入手、分布推進。可分為三步實施:第一步，完成兩項工作，一是完成軍事概念模型“三分離”(元動作、控制規則和支持數據)方法的研究，在此基礎上完成軍事概念模型一體化建模軟件平臺的研究;二是梳理并確認作戰模擬模型集成的方法，構建程序模型集成建模軟件平臺，以人工方法銜接軍事概念模型、邏輯數學模型和模型組件，并在人工控制下嘗試運用集成建模工具實現程序模型原型。第二步，研制邏輯數學模型建模軟件平臺，研制軍事概念—邏輯數學模型轉換工具軟件，實現自動或半自動軍事概念模型向邏輯模型轉換，人工實現邏輯數學模型向程序模型組件轉換。第三步，研制邏輯數學模型—程序組件轉換軟件工具，實現自動或半自動邏輯數學模型向程序模型組件的轉換，從而實現從軍事問題描述到邏輯模型，再到程序模型的全過程自動或半自動轉換，完成一體化建模通用軟件平臺的研制。

綜上所述，一體化建模通用軟件平臺主要包括軍事概念模型建模軟件平臺、邏輯數學模型建模軟件平臺、程序建模集成軟件平臺、軍事概念—邏輯數學模型轉換工具軟件、邏輯數學模型—程序組件轉換工具軟件共五個部分，其應用邏輯如圖3所示。

圖3 一體化建模通用軟件平臺應用邏輯圖

4.3 作戰仿真中一體化建模基本過程

運用一體化建模方法構建作戰實體仿真模型的過程如圖4所示，主要包括五個步驟。

4.3.1 實體模型的需求分析

模型的需求分析是開展建模工作的首要環節。從需求分析的內容上看，建模之前需抽象出特定任務空間中的相關作戰實體，明確實體模型的任務定位、應用背景、研究范圍，分析實體的職能及組織結構，規定模型描述的約束條件，確定與實體相關的屬性、方法等。

4.3.2 模型的軍事問題描述

作戰實體一體化建模中的軍事問題描述，是指運用格式化或形式化的表達方式實現對現實使命空間軍事問題的一致性、規范化表達，其結果表現為作戰實體的軍事概念模型，即美軍的CMMS。

4.3.3 數學邏輯建模和數據結構設計

在實體概念建模的基礎上，還需完成對實體屬性和行為的數學邏輯建模。其主要工作包括，分析模型系統的輸入、輸出數據特點并設計作戰實體屬性數據和行為模型的數據結構;完成對作戰實體靜態屬性的定量化描述，并確定合理的作戰實體行為數學或邏輯算法。需要強調的是，為了實現實體模型間一致性轉換，需要按照規范化的模型設計要求，構建數學邏輯模型及其數據結構。

4.3.4 不同形態模型間轉換

相關建模人員在對模型一致性理解的基礎上，借助一體化建模通用軟件平臺的支持，實現模型間的自動或半自動化轉換，最終完成實體概念模型和數學邏輯模型向模型組件轉換。

4.3.5 模型校驗與迭代式開發

模型可信性檢驗的需求，使得相關建模人員須在標準化建模指導思想下，開展模型校核、驗證與確認(VV＆A)工作。作戰仿真模型應用需求的動態改變，要求必須對模型進行迭代式檢驗，以適時更新標準化的模型資源庫，合理反映實際應用需求。

圖4 作戰仿真實體一體化建模過程

1 蘇劍飛.作戰指揮仿真系統軍事模型一體化建模及仿真實現［D］.南京:南京陸軍指揮學院，1999.

2 王萌.一體化建模方法研究［D］.南京:南京陸軍指揮學院，2007.

3 孫鵬.陸軍作戰行動一體化建模中軍事概念建模研究［D］.南京:南京陸軍指揮學院，2009.

4 孫鵬，高志年，蘇劍飛.面向規則的一體化建模支持系統研究［J］.軍事運籌與系統工程，2009，23(2):25-29.

5 張永亮.陸軍作戰仿真指揮實體一體化建模問題研究［D］.南京:南京陸軍指揮學院，2011.

6 謝衛平.一體化作戰仿真建模方法的研究與實現［D］.長沙:國防科學技術大學，2002.

7 羅旭輝.信息對抗一體化仿真模型體系研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2004.

8 徐學文，王壽云.現代作戰模擬［M］.北京:科學出版社，2002.

9 李波，郝靖.軍事仿真一體化建模研究［J］.科技創新導報，2008，(10):206，209.