美軍主要推演和仿真系統模型體系與建模機制研究

常非

(1.軍事科學院 聯合作戰研究實驗中心，北京100091;2.中國人民解放軍71573 部隊，山東 萊陽265200)

1 引言

作戰推演與仿真系統是美軍研究作戰問題的重要工具，在軍事訓練演習、作戰分析研究、武器裝備采辦等領域被廣泛應用。模型是作戰推演與仿真系統運轉的重要基礎資源，本文通過分析美軍典型的作戰推演與仿真系統(EADSIM，JWARS，JTLS和FLAMES)的模型體系與建模機制，研究美軍模型建設的主要思路，為我軍作戰模擬的建設與發展提供參考。

2 模型及主要建模技術概念

2.1 模型的基本概念與內涵

被研究的實際系統或未來的假想系統叫作原型，而原型的等效替身則稱之為模型。

模型是對原型的有意義的抽象。所謂“有意義”，是指對原型的重要屬性和行為進行抽象，排除或屏蔽其中次要的、不關注的內容;抽取出其中“有意義”的公共特征和典型內容，并用符合一定規范的方式進行描述和實現。原型以具有一定結構和功能的獨立單元或實體而存在，對于復雜的原型系統，單個或數個模型無法完成對其屬性和行為的描述和實現，通常需要建立一系列模型來共同表現，每個模型描述原型的一個部分或一個方面(facet)，這一系列模型彼此關聯，形成一個模型體系，成為對原型的寫照。

2.2 主要建模技術

針對復雜軍事系統，國內外已開發出多種建模方法與技術。主要有面向對象建模方法與技術、基于Agent/MAS 建模方法與技術、馬爾科夫建模方法與技術、特征建模方法等。

面向對象技術是20 世紀80 年代以來軟件工程的重要成果，已廣泛應用到各個領域。面向對象建模方法與技術的核心是對象和類，支持三種基本活動——識別對象種類、描述對象種類之間的關系、通過描述每個類的功能定義對象行為，從而為面向對象建模奠定了理論與方法基礎。面向對象是圍繞著對象、類、消息、繼承性、多態性、封裝性和動態編聯等為中心展開的。

Agent 是一個能夠與外界自主交互并擁有一定知識和推理能力，能夠獨立完成一定任務的具有社會性的智能實體。在軍事系統等復雜系統的建模與仿真中，可以由多個Agent 按照一定規則結合成局部細節模型，并利用Agent 間的局部連接準則構造出復雜系統的整體模型，最后借助計算機系統實現模型運行，進行仿真實驗研究。在基于Agent的建模與仿真(ABMS)中，一般是在基于Agent 的模型形式化框架下，采用形式化規范方法利用Z 語言來構造Agent 模型。MAS 是多個Agent 構成的自適應柔性動態系統與典型分布式計算機系統，通常有完全集中式、完全分布式和混合式三種組織結構模式，可滿足多種建模需求，有效地解決大規模復雜系統建模問題。

馬爾科夫建模方法與技術，是建立在馬爾科夫過程理論基礎上的一類針對動態過程的建模方法與技術。針對復雜動態系統，有傳統的馬爾科夫建模方法和模糊馬爾科夫建模方法。其核心是:復雜動態隨機系統可在平穩和遍歷假定下，近似地被看成馬爾科夫過程，用可控微分方程來描述，并進而描述為一個自回歸過程，得到一階或二階簡化的可控馬爾科夫過程，對此過程進行量化處理后，則轉化為可控馬爾科夫鏈。可控馬爾科夫鏈可用隨機轉移概率矩陣序列P(Uk)來描述。建模中，模型結構(即馬爾科夫模型結構)、參數和算法是至關重要的，它們主要取決于先驗知識，實驗數據和對模型精度的要求。馬爾科夫模型是非參數模型，該模型由試驗數據直接辨識得到。因此，其最大特點就是從系統試驗數據中建立隨機近似模型。

特征建模方法是20 世紀80 年代由我國科學家吳宏鑫等提出的一套方法，結合對象動力學特征、環境特征和控制性能要求進行建模，而不僅以對象精確的動力學分析來建模，已應用于我國航天工程。其核心是抓住控制量與要求輸出變量之間的特征關系，由特征變量與特征參數組成特征模型，特征模型可以由對象物理機理直接建模，也可通過原動力學方程與控制性能要求推導出特征模型［1］。

3 擴展的防空仿真系統

擴展的防空仿真系統(Extended Air Defense Simulation，EADSIM)是美軍作戰仿真系統的典型代表，可描述空戰、導彈戰、空間戰等多種戰爭，用于作戰方案分析與規劃、軍事訓練與演習、武器裝備論證與評估等領域。海灣戰爭期間美軍曾在制定“沙漠盾牌”“沙漠風暴”等作戰計劃和擬制作戰方案中使用該系統，并取得了滿意的效果。

3.1 EADSIM 建模體系

在模型體系方面，EADSIM 擁有空中、導彈、空間作戰中所涉及的各種參演角色的實體模型和作戰模型。其中實體模型包括:陸、海、空、空間系統等可實施進攻、偵察和防御行動的模型，具體涉及固定翼和旋轉翼飛機、彈道導彈和巡航導彈、衛星等空間偵察和通信平臺、執行攻防任務的地面平臺，以及C4ISR 模型等。作戰模型包括空中機動規避、最佳投彈和地空火力防護等地對空作戰模型，以及空對空導彈超視距交戰模型等［2］。

EADSIM 的模型體系架構如圖1 所示。其中，EADSIM 按照交戰中打擊武器與目標之間的空間關系，為作戰武器建立了各種武器系統的4 類通用交戰模型，分別是空對地、地對空、地對地、空對空交戰模型。

(1)空對地交戰模型包括自由落體航彈、反輻射導彈、彈頭及其他空對地導彈，交戰過程既可按照預先制定好的計劃執行，也可動態執行臨機任務。需注意的是，空對地交戰模型也支持使用受控平臺增加巡航導彈、無人機等某些特定類型武器系統交戰過程的仿真度。

(2)空對空交戰模型包括半主動和“發射后不管”空對空導彈交戰模型，前者需要維持飛機對目標的跟蹤，后者由于不要求飛機對已發射的導彈進行跟蹤，因此決定了飛機可連續對不同的目標進行交戰。

(3)地對空交戰模型描述防空導彈、高炮系統對飛機和戰術導彈的作戰過程。

(4)地對地交戰模型包括彈道導彈和巡航導彈模型。地對空和地對地交戰中，對目標的毀傷程度均由目標毀傷概率計算得出［3］。

3.2 EADSIM 主要特點

EADSIM 最初是專門針對防空問題進行研究的仿真系統，因此其建模思路和建模框架帶有顯著的防空作戰研究的特征，所建立的模型也都是針對防空作戰的武器裝備和行動特征來進行組織和設計。其模型體系的頂層按照任務/功能領域模型、物理模型、行為模型3 類進行劃分，其中任務/功能領域模型中有大量模型專門針對防空作戰而開發，如航跡處理模型、導彈突擊模型、進攻性空中行動模型等，這些模型專業性強、仿真精度高，置信度高。在武器模型類里，EADSIM 按照各種防空武器系統的使用，建立了4 類通用的防空交戰模型，可覆蓋防空作戰問題研究的需要，但針對聯合作戰問題研究，在陸戰模型、海戰模型、通用指揮與控制模型、電子戰模型等方面還不具備相應的技術。

EADSIM 在防空領域的建設中已有較好的基礎，可以非常方便地進行擴展或改造，但如果擴展到其他領域，在建模及其相關規則、數據方面還有大量工作要做。不過，該系統的建模思路和方法是面向對象建模與結構化建模相結合，可借鑒使用。

4 聯合作戰仿真系統

聯合作戰仿真系統(Joint Warfare System，JWARS)是戰役級的“端到端”的仿真推演系統，可描述作戰部隊從裝載到作戰全過程的軍事行動，為美國國防部長辦公室、聯合參謀部、后勤部、司令部等美軍機構提供聯合作戰仿真，可用于研究、試驗作戰計劃、兵力評估、系統采辦、概念與條令開發等［4，5］。

4.1 JWARS 模型體系

在JWARS 中，以戰場空間實體(Battle Space Entity，BSE)作為模型來描述作戰部隊和戰場環境，如圖2 所示。作戰部隊的實體粒度，陸軍到營、空軍到飛行編隊、海軍到艦(船)、情報偵察與感知到單個平臺。戰場環境的實體包括港口、機場、指揮部(所)等。戰場空間實體包括靜態屬性與動態屬性。靜態屬性涉及作戰分隊的規定編成力量、導彈的火力范圍等與時間變量無關的實體特性。動態屬性涉及部隊戰斗力、位置等隨時間變化而變化的特性。一次仿真推演，實際上就是所有戰場空間實體按照想定、概率、隨機事件和規則彼此關聯、影響而發生屬性變化的過程。各個戰場空間實體之間的交互通過執行不同的算法而實現［6，7］。

4.2 JWARS 主要特點

JWARS 的建模思路本質上是結構化建模，在模型的具體抽象和設計上以及軟件編程上部分使用了面向對象技術。這是由于該系統的開發使用的是Smalltalk，而Smalltalk 是20 世紀70 年代面向對象技術早期萌芽階段出現并盛行的產品，無論是在對象分析與建模方法、技術還是軟件工程能力方面都存在明顯的不足。JWARS 將戰場空間中的對象按照使用性質和工作機制，全部建模為“實體”，對行為等動態邏輯的建模也都分別歸屬到各個實體中;實體之間的交互均通過各種算法實現。這種模型體系設計，本質上繼承了傳統的結構化分析與建模方法將數據與對數據的操作相分離的做法，將實體與對實體和實體之間的關聯互動相分離。按照這種建模思路所建立的模型體系，原有基礎比較封閉穩定，但擴展性和靈活性不足，牽一發而動全身。一旦對某個實體模型進行修改，由此發生的聯動性修改很多，涉及對實體模型的操作進行修改，以及對實體之間的關系與互操作進行修改。也正是因為如此，JWARS 在開發應用過程中，軟件開發公司與軍事領域專業的用戶使用綁定得過于緊密，導致了開發效率不夠高，系統幾乎始終處于開發狀態。

5 聯合戰區級模擬系統

由美國戰備司令部、美國陸軍構想分局等部門聯合資助、始建于1983 年的聯合戰區級模擬系統(Joint Theater Level Simulation，JTLS)是一款模擬合同、聯合、聯盟，空、陸、海、非政府組織環境的多邊交互作戰推演系統，主要用作訓練輔助工具。已在美國及其軍事同盟中得到廣泛應用和不斷完善，在美日“尖刀”、美泰“金色眼鏡蛇”，以及臺灣“漢光”等系列軍事演習中都有運用。JTLS 除了模擬常規的空、陸、海、兩棲、特種作戰行動外，同時還可以模擬有限的核化作戰、低強度沖突、先期沖突作戰，以及人道主義援助和災難救助行動。

5.1 JTLS 模型體系

JTLS 的模型主要是模擬作戰實體與作戰過程的仿真模型，具體分為指揮控制、地面作戰、空中作戰、海上作戰、信息作戰和后勤保障等六大類，如圖3 所示。與模型相關的數據按照作戰單元粒度、武器系統種類與參數、目標屬性等分類存儲于關系數據庫中［8］。

5.2 JTLS 主要特點

JTLS 針對其設計初衷和主要服務于演習訓練的應用需求，其模型框架的建立聚焦于作戰中的軍事目標和作戰行動。在該框架下，所有模型圍繞作戰行動所涉及的各種作戰實體而建立，根據行動的粒度不同，模型具有多種分辨率。模型的架構和建模思路自上而下遵循面向對象分析與建模的思想，但在模型的抽象與組織上，以不同領域的作戰行動為線索進行分類與組織;為實現模型的多分辨率，在實現上將不同分辨率模型的屬性抽象為二維關系數據并進行存儲，通過關系代數進行同一種模型在不同分辨率之間的切換與計算，確保在工程實現上的穩定可靠和新增分辨率的快捷實現;在針對相同性質和場景的想定進行推演時，如果關注的問題粒度發生變化，可以很快增加新的模型分辨率并與原有分辨率共存互通。

圍繞作戰行動而建立的模型，一方面聚焦了系統模擬“交戰”這一根本與核心功能，邏輯上非常清晰地將與要表現的作戰行動無關的實體屏蔽在系統之外;但另一方面，當作戰場景和行動發生具體變化時，模型的移植和改造工作量非常大，往往需要新增大量模型或對原有模型進行大規模改造。

6 柔性分析建模與演習系統

柔性分析建模與演習系統(Flexible Anaysis Modeling and Exercise System，FLAMES)是一款基于商業化開放體系的仿真框架，可以為不同類型的系統提供行為建模和實體建模，以基類集合的方式為系統運行所需的模型提供了繼承的基礎［9］。

6.1 FLAMES 模型體系

FLAMES 的模型體系如圖4 所示，其中，裝備模型主要模擬仿真單元中各類裝備的功能特性，使之可以與環境和其他仿真單元進行交互。認知模型主要模擬人的決策過程，使仿真單元能夠存儲、處理來自其他仿真單元的消息并做出決策，可控制加載到仿真單元上的裝備模型。所有的裝備模型都通過擴展裝備模型的平臺、天線、通訊裝備、傳感器、武器系統、電子戰、彈藥、子系統模型八個子類而得到［10］。

(1)平臺模型的對象實例為抽象的作戰實體賦予外部特征和行為屬性，使平臺具有特定的物理意義，對應軍事概念上的某類平臺。不同類型的平臺具有不同的平臺模型，但抽象的平臺類描述了各類平臺的公共屬性與操作。平臺類具有固定翼飛機、旋轉翼飛機、坦克、車輛、巡航導彈、衛星、水面艦艇、潛艇等子類。

(2)通信裝備模型，用于模擬從一個作戰實體對象向另一個作戰實體對象傳送消息的過程，可模擬的過程包括檢測通信鏈路、發送消息、接收消息、處理消息等。實體對象可直接使用合適的通信裝備模型對象來模擬通信裝備與通信活動。

(3)傳感器模型，用于模擬一個實體對象對其他實體對象的發現檢測過程。該模型不直接檢測實體對象而是檢測實體對象上加載的裝備對象。根據傳感器的類型不同，傳感器所能檢測的裝備類型也有所不同。傳感器類具有地面雷達、艦載雷達、機載雷達、幾何雷達、激光傳感器、雷達預警接收機、聲吶等子類。

(4)數據處理器模型，用于模擬處理傳感器檢測到其他實體時所產生的數據，還用于處理來自于其他實體的消息。通常直接由傳感器模型使用，也可由實體模型使用。

(5)干擾裝備模型，用于模擬電子戰中通過產生電磁能量來干擾其他實體之間的發送/接收信號的裝備機器干擾行為。實體對象或其他具有模擬電磁能量接收行為的裝備模型也可直接使用干擾裝備對象。

(6)子系統模型，用于被其他裝備模型所使用，但具有一定的獨立性，可獨立完成子裝備的固有功能，如雷達或通信干擾設備中所需的天線子系統模型。子系統模型只能被具有子系統的特定實體對象所使用，而不能被實體對象直接使用。

(7)彈藥模型，用于模擬在仿真過程中由某個實體對象動態創建的炮彈或導彈飛行并破壞另一個實體的過程。彈藥在發射后成為一個獨立的對象，即彈藥實體，由武器系統實體所控制使用，需繼承平臺屬性、武器系統的部分屬性并對其進行擴展。彈藥類模型的子類有:空空半主動制導導彈、地空半主動制導導彈、空地半主動制導導彈、空空反輻射導彈、空地反輻射導彈、地空反輻射導彈、紅外制導導彈、戰術彈道導彈、戰略彈道導彈、航空炸彈、干擾彈、火箭彈、魚雷等。

(8)武器系統模型，用于模擬對彈藥的管理、控制與發射，通常平臺實體使用武器系統實體，武器系統實體使用彈藥實體。

FLAMES 的建模思路是:系統中任何活動的參與者是一個單元，缺省狀態下是一個“空殼框架”，不能完成任何作戰任務。作戰行動通過加載于其上的裝備模型和行為模型來定義和操作。

6.2 FLAMES 主要特點

FLAMES 模型體系的構建，在本質上完全使用了面向對象建模方法與技術，對模型尤其是武器裝備模型提供了逐層抽象和繼承的機制;但在模型的組織管理上借鑒了結構化建模的思路，使得模型的屬性、方法、服務和關聯都在底層進行封裝，而在模型的表現與調用上，體現為經過封裝的具有一定軍事意義的實體。這樣的建模框架為模型開發者提供了足夠的擴展空間，可以根據具體需求在任何一層進行擴展，并且通過組件化模型的關聯規則和組裝算法，在已有模型的基礎上得到新的復合模型。不過，復合模型的開發和使用，其技術難度和工程性能優化的要求均顯著高于基礎模型。FLAMES模型體系的突出特點是提供了行為建模機制和認知建模機制，具有靈活的擴展能力。

7 結論

通過對美軍典型的推演與仿真系統的模型體系與建模機制進行分析，可以看出，美軍主要推演和仿真系統采用的建模思路主要有兩種。一是面向對象的建模思路，如EADSIM，采用這種建模思路構建的模型將作戰實體功能與數據進行綜合抽象，與人類認知較為接近，模型之間以模塊的形式進行重用。另一種是組件化的建模思路，如FLAMES，采用這種建模思路的系統中，將作戰實體按照其本身固有的功能或任務屬性進行拆解后封裝為若干組件，并通過組件的聚合來描述作戰實體。可見，組件化建模思想的系統相比面向對象建模思想的系統具有更加靈活的模型體系結構，通過組件的擴展與組裝，易于實現更大程度的資源重用。

從現有文獻資料來看，這些典型系統的模型體系中，擁有的模型或建模基礎主要針對空戰和電子戰、通信等與高科技裝備相關的實體及其活動，對陸戰相關武器裝備和行動的建模則普遍不足，這在很大程度上和陸戰實體與行動受環境影響多樣、陸戰行動變化豐富、與人的互動復雜等特性有關。

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［2］ 金偉新.大型仿真系統［M］.北京:電子工業出版社，2004.

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［4］ 鄧紅艷，鄧桂龍，趙倩，等. 作戰仿真理論與實踐［M］. 北京:國防工業出版社，2013.

［5］ 唐忠，薛永奎，劉麗.美軍作戰仿真系統綜述［J］.航天電子對抗，2014，30(4):47 -50，54.

［6］ WARHOLA，PAUL J. An analysis of alternative methods to conduct high-resolution activities in a variable resolution simulation［R］. Naval Postgraduate School，1997.

［7］ DANIEL T MAXWELL. An Overview of the Joint Warfare System(JWARS)［R］. MITRE Corporation，2000.

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［9］ 陳欣，藍國興，何焱，等.美軍建模仿真對象模型體系框架研究［M］.北京:軍事科學出版社，2008.

［10］ Ternion Corporation. FLAMES Modeling ＆ Simulation software by Ternion［EB/OL］. (2015 -01 -01)［2015 -04 -01］.http://www.ternion.com.