海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)仿真模型體系研究*

孫光明　王大志

(1.海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所　大連　116018)(2.91550部隊(duì)第220所　大連　116026)

SUN Guangming1　WANG Dazhi2

(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian　116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian　116026)

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海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)仿真模型體系研究*

孫光明1王大志2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所大連116018)(2.91550部隊(duì)第220所大連116026)

分析了海上作戰(zhàn)仿真模型的分類。給出了構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真模型體系的分階段建模方法。提出了基于構(gòu)件思想的海上作戰(zhàn)仿真模型體系建設(shè)思路，并給出了模型庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

海上作戰(zhàn)仿真; 模型體系; 分階段建模; 參數(shù)化建模

SUN Guangming1WANG Dazhi2

(1.Operation Software and Simulation Research Institute, Dalian Naval Academy, Dalian116018) (2.220 Institute, No.91550 Troops of PLA, Dalian116026)

Class NumberTP391

1　引言

隨著海軍裝備信息化建設(shè)工作的不斷發(fā)展和作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)在部隊(duì)日常訓(xùn)練中的深入使用，部隊(duì)對(duì)作戰(zhàn)指揮決策系統(tǒng)提出了新的要求，不僅要求系統(tǒng)輔助其解決“干什么”和“怎么干”的問(wèn)題，還要解決“這樣干，行不行”的問(wèn)題。要求建立一套面向海上作戰(zhàn)戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)層面的作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)[1]，使得編隊(duì)作戰(zhàn)方案擬制完成后，可立即進(jìn)行推演和評(píng)估，進(jìn)而輔助檢驗(yàn)作戰(zhàn)方案的可行性。

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的海戰(zhàn)，是敵我雙方海上多種作戰(zhàn)平臺(tái)在海、陸、空、天、電五維一體的空間展開(kāi)的攻防體系對(duì)抗，具有參戰(zhàn)力量多元，戰(zhàn)場(chǎng)空間多維，作戰(zhàn)手段多樣，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)多變等特點(diǎn)。海上作戰(zhàn)過(guò)程中涉及的兵力類型、武器裝備類型數(shù)量繁多，彼此間交互關(guān)系復(fù)雜，這些都給對(duì)海上作戰(zhàn)仿真帶來(lái)了很大難度。同時(shí)，由于海上作戰(zhàn)時(shí)效性強(qiáng)，推演準(zhǔn)備和運(yùn)行時(shí)間短等約束條件，推演過(guò)程中不可能依靠人工方式指揮每個(gè)仿真實(shí)體進(jìn)行具體的行動(dòng)，只能利用具有人工智能的CGF兵力實(shí)體來(lái)模擬戰(zhàn)場(chǎng)各級(jí)指揮員的決策和指揮過(guò)程。因此建立何種范圍、何種粒度的海上作戰(zhàn)模型體系是海上作戰(zhàn)仿真推演的最基本問(wèn)題。

2　海上作戰(zhàn)仿真和模型分類

2.1海上作戰(zhàn)仿真

海上作戰(zhàn)仿真是對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、敵我雙方海上作戰(zhàn)平臺(tái)、武備系統(tǒng)以及指揮決策過(guò)程和交戰(zhàn)對(duì)抗過(guò)程的仿真模擬。作戰(zhàn)平臺(tái)包括可移動(dòng)平臺(tái)(水面艦艇、潛艇、固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等)，和固定平臺(tái)(機(jī)場(chǎng)、海軍基地、雷達(dá)站、水聲站、岸炮、岸導(dǎo)等)。每種作戰(zhàn)平臺(tái)還可根據(jù)其類型和型號(hào)逐層向下細(xì)分。武備系統(tǒng)是指作戰(zhàn)平臺(tái)以外一切與作戰(zhàn)過(guò)程直接相關(guān)的設(shè)備和武器的總稱，包括硬殺傷武器(導(dǎo)彈、魚雷、火炮等)、軟殺傷武器(有源和無(wú)源電子戰(zhàn)設(shè)備等)、通信系統(tǒng)、偵察探測(cè)系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)等。作戰(zhàn)過(guò)程是作戰(zhàn)平臺(tái)和武備系統(tǒng)在雙方指揮系統(tǒng)統(tǒng)一指揮下的作戰(zhàn)使用過(guò)程，由搜索跟蹤、情報(bào)處理、指揮決策、攻擊、防御等部分組成。海上作戰(zhàn)仿真主要是對(duì)作戰(zhàn)過(guò)程的仿真，包括傳感器探測(cè)過(guò)程的仿真、情報(bào)處理過(guò)程的仿真、指揮決策過(guò)程的仿真、攻擊過(guò)程的仿真、防御過(guò)程的仿真等[2]。

實(shí)現(xiàn)探測(cè)過(guò)程仿真需建立各種探測(cè)設(shè)備的仿真模型，如各種聲納模型，包括艦殼聲納、拖曳線列陣聲納、吊放聲納、魚雷報(bào)警聲納、通信聲納等的仿真模型；各種雷達(dá)模型，包括警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等的仿真模型。探測(cè)設(shè)備可以配備在不同的作戰(zhàn)平臺(tái)上，如水面艦艇、潛艇、直升機(jī)等作戰(zhàn)平臺(tái)。探測(cè)設(shè)備能感知敵方信息，如敵方作戰(zhàn)平臺(tái)、武器等信息以及海戰(zhàn)場(chǎng)的自然環(huán)境信息。

探測(cè)設(shè)備模型仿真運(yùn)行得到的各類目標(biāo)和環(huán)境信息集中到情報(bào)處理仿真模型中進(jìn)行處理，建立各種目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)航跡和運(yùn)動(dòng)要素，然后對(duì)目標(biāo)的威脅程度進(jìn)行判斷，為輔助指揮員決策提供幫助。

指揮決策過(guò)程仿真需建立艦艇作戰(zhàn)輔助決策模型，即戰(zhàn)術(shù)模型，包括搜索決策模型、攻擊決策模型和防御決策模型等。決策模型根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行決策，生成決策方案，向各作戰(zhàn)平臺(tái)和武器系統(tǒng)模型下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)指令。

實(shí)現(xiàn)攻擊決策和防御決策過(guò)程的仿真需建立攻擊和防御的作戰(zhàn)過(guò)程模型以及實(shí)現(xiàn)攻擊和防御的平臺(tái)模型、武器系統(tǒng)模型以及軟硬武器毀傷模型。

作戰(zhàn)過(guò)程模型由一系列的作戰(zhàn)行動(dòng)組成；平臺(tái)模型包括各種水面艦艇、潛艇、飛機(jī)平臺(tái)的模型；武器系統(tǒng)模型包括硬武器模型和軟武器模型，硬武器模型包括各類型和型號(hào)的魚雷、導(dǎo)彈、深彈、火炮等武器模型，軟武器模型包括電子對(duì)抗、水聲對(duì)抗模型等。

2.2海上作戰(zhàn)仿真模型的分類

海上作戰(zhàn)仿真涉及模型眾多，模型間關(guān)系復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行合理的梳理和組織是構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)模型的用途，海上作戰(zhàn)仿真模型可分為以下五大類，每一類模型還可繼續(xù)向下分解，如圖1所示。

作戰(zhàn)實(shí)體模型和作戰(zhàn)模型是海上作戰(zhàn)仿真模型體系的核心。作戰(zhàn)實(shí)體模型由實(shí)體的屬性模型和功能模型組成。實(shí)體屬性模型描述實(shí)體的特征，如平臺(tái)實(shí)體的物理尺寸等。實(shí)體功能模型，是實(shí)體所具備的物理能力(功能)的數(shù)學(xué)表示，如平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力模型、系統(tǒng)通信能力模型、傳感器探測(cè)能力模型、武器毀傷能力模型等。

圖1　海上作戰(zhàn)仿真模型分類

作戰(zhàn)模型包括指揮決策模型、作戰(zhàn)交互模型和實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型。在海上作戰(zhàn)仿真推演中，各類作戰(zhàn)實(shí)體可接受各種作戰(zhàn)指揮命令，執(zhí)行相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，如機(jī)動(dòng)、探測(cè)、發(fā)射等。在人在回路中的推演中，這些命令可由人來(lái)下達(dá)。否則，由相應(yīng)的指揮決策模型下達(dá)。指揮決策模型感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化，并模擬人的決策過(guò)程，生成決策命令，并下達(dá)給仿真實(shí)體執(zhí)行。作戰(zhàn)交互模型，針對(duì)作戰(zhàn)實(shí)體間的相互作用進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并仿真其作用效果，如雷達(dá)、聲吶搜索探測(cè)，平臺(tái)間通信、武器毀傷等。實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型，是某一類實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律的數(shù)學(xué)表示，如導(dǎo)彈發(fā)射后不同階段運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

作戰(zhàn)實(shí)體模型和作戰(zhàn)模型組成了艦艇作戰(zhàn)仿真的主體模型，主體模型主導(dǎo)了海上作戰(zhàn)仿真過(guò)程的進(jìn)行，同時(shí)為視景模型和評(píng)估模型提供顯示和評(píng)估數(shù)據(jù)。

3　構(gòu)建海上作戰(zhàn)仿真模型體系需要解決的問(wèn)題

構(gòu)建滿足海上作戰(zhàn)仿真推演系統(tǒng)的模型體系，需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

1) 如何選擇和統(tǒng)一建模方法問(wèn)題。由于海上作戰(zhàn)具有涉及專業(yè)領(lǐng)域繁多，不同領(lǐng)域的專業(yè)跨度大的特點(diǎn)。對(duì)于跨領(lǐng)域、多部門的聯(lián)合建模，必須統(tǒng)一建模方法。只有這樣才能確保建模的粒度和精確度保持一致，進(jìn)而使最終的模型體系能夠協(xié)調(diào)一致的工作。

2) 仿真模型的重用性問(wèn)題。海上作戰(zhàn)仿真涉及的裝備類型型號(hào)繁多。以雷達(dá)裝備為例，包含了警戒雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)等多種類型，而每種類型的雷達(dá)還分為不同的型號(hào)，不同類型型號(hào)雷達(dá)的性能不同。如果針對(duì)每一型裝備，均分別建立仿真模型，最終將導(dǎo)致整個(gè)模型體系異常龐大，同時(shí)也不利于工程化的實(shí)施。因此，必須對(duì)海上作戰(zhàn)的模型進(jìn)行合理的歸類和抽象，最終形成通用的模型體系，提升模型的重用性。

4　海上作戰(zhàn)仿真模型體系構(gòu)建

4.1分階段建模方法

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)建模，直接從被仿真系統(tǒng)抽象出可以運(yùn)行的仿真模型非常困難，比較好的解決方案是分階段建模方法[2]。分階段建模方法將建模過(guò)程分為四個(gè)階段：概念模型開(kāi)發(fā)階段、邏輯模型開(kāi)發(fā)階段、數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)階段、軟件模型開(kāi)發(fā)階段，如圖2所示。

概念模型開(kāi)發(fā)由領(lǐng)域?qū)＜彝瓿伞８拍钅Ｐ褪菍?duì)真實(shí)世界的首次抽象，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的準(zhǔn)確和規(guī)范的描述。概念模型提供特定領(lǐng)域的概念定義，描述概念之間的關(guān)系，描述領(lǐng)域中發(fā)生的活動(dòng)以及該領(lǐng)域的主要理論和基本原理等。

圖2　分階段建模過(guò)程四個(gè)階段

邏輯模型開(kāi)發(fā)由技術(shù)人員配合領(lǐng)域?qū)＜彝瓿伞＿壿嬆Ｐ鸵苑抡鎸?shí)現(xiàn)為目的，對(duì)概念模型中的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行歸類和進(jìn)一步抽象。概念模型面向問(wèn)題域，采用自然語(yǔ)言進(jìn)行面向過(guò)程的描述，邏輯模型面向?qū)崿F(xiàn)域，采用形式化方法進(jìn)行面向?qū)ο蟮拿枋觥Ｈ绮捎肬ML建模語(yǔ)言描述邏輯模型，可用類圖和對(duì)象圖描述仿真實(shí)體，用活動(dòng)圖和順序圖描述仿真實(shí)體的活動(dòng)，用協(xié)作圖描述仿真實(shí)體之間的交互。

數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)由領(lǐng)域?qū)＜液图夹g(shù)人員共同完成。數(shù)學(xué)模型描述邏輯模型中的算法。如描述實(shí)體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，描述探測(cè)設(shè)備工作的探測(cè)模型(聲納模型等)，描述實(shí)體之間的碰撞模型和毀傷模型等，這些模型一般都在合適的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)之上，形成標(biāo)準(zhǔn)的算法，同時(shí)規(guī)定模型使用的約束條件，設(shè)計(jì)相對(duì)通用和標(biāo)準(zhǔn)的模型接口，說(shuō)明模型可以完成的功能。

軟件模型開(kāi)發(fā)階段由軟件技術(shù)人員完成。軟件模型是仿真系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，主要包括軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及體系結(jié)構(gòu)中的組件的設(shè)計(jì)等。

4.2基于構(gòu)件思想的海上作戰(zhàn)仿真模型體系構(gòu)建

就國(guó)內(nèi)其它行業(yè)成功實(shí)施案例分析來(lái)看，為了在當(dāng)下的環(huán)境下更好地生存與發(fā)展，充分地利用了信息化和移動(dòng)化的技術(shù)手段，并引入了先進(jìn)的JIT（準(zhǔn)時(shí)至）的管理理念，對(duì)鐵路企業(yè)審批業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)上進(jìn)行了改革性的創(chuàng)新和應(yīng)用，讓審批業(yè)務(wù)由線下操作成功的轉(zhuǎn)型到線上操作，不僅大大提高了工作的效率，同時(shí)也節(jié)約了大量的時(shí)間成本和資源的消耗，取得很好的應(yīng)用效果。具體效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

在軟件領(lǐng)域，一種比較有效的提高軟件重用性的方法就是軟件構(gòu)件技術(shù)。軟件構(gòu)件技術(shù)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。一般認(rèn)為，軟件構(gòu)件是指語(yǔ)義完整、語(yǔ)法正確、可提供明確功能和具有可復(fù)用價(jià)值軟件單元。從程序角度理解，可以把構(gòu)件看作是有一定功能、能夠獨(dú)立工作且能同其他構(gòu)件裝配起來(lái)協(xié)一調(diào)工作的程序體。軟件構(gòu)件所具備的封裝性、接口明確性、可裝配性和可擴(kuò)充性等特點(diǎn)極大地提高了軟件構(gòu)件的可重用性。

可以將軟件構(gòu)件的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于海上作戰(zhàn)仿真模型體系的構(gòu)建，以提高仿真模型的重用性[3]。其具體實(shí)施可歸納為三方面工作：

1) 在對(duì)仿真模型體系進(jìn)行系統(tǒng)性梳理的基礎(chǔ)上，自頂向下逐層細(xì)分，直至得到最小分辨率的模型。這些最小分辨率的模型需具備通用性、可重用性。它們是仿真模型庫(kù)的基礎(chǔ)，更復(fù)雜的模型是基礎(chǔ)模型通過(guò)聚合或組合的方式得到。

2) 針對(duì)同一類模型，利用參數(shù)化建模的思想，分析其邏輯模型和數(shù)學(xué)模型中表征模型特征和算法特征的特征屬性集合，形成模型屬性參數(shù)表。進(jìn)而，通過(guò)設(shè)置屬性參數(shù)表為不同參數(shù)值，利用同一模型，仿真不同型號(hào)的武器裝備或仿真過(guò)程。

3) 通過(guò)裝配組合和聚合原子級(jí)模型，形成更高層次的仿真模型。

4.2.1仿真模型庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)海上作戰(zhàn)仿真模型體系的分析和梳理，可按功能域歸納出以下類結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該類結(jié)構(gòu)基本了涵蓋海上作戰(zhàn)仿真的各個(gè)方面。

圖3　仿真模型類結(jié)構(gòu)圖1

以上八個(gè)子類還可分別繼續(xù)向下派生。以仿真實(shí)體類CSimEntity為例，如圖4所示，派生出陸基固定作戰(zhàn)平臺(tái)類CLandUnit和可移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)類CPlatform。以陸基固定作戰(zhàn)平臺(tái)為基類，派生的子類包括：雷達(dá)站類CRadarStation、導(dǎo)彈發(fā)射陣地類CMissilePosition、軍港類CHarbor、水聲站類CSonarStation和機(jī)場(chǎng)類CAirport等。以可移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)類為基類，派生的子類包括：水面艦艇類CWarship、潛艇類CSubmarine、固定翼飛機(jī)類CWarcraft、旋翼飛機(jī)類CHelicopter等。

每個(gè)子類還可根據(jù)需要繼續(xù)向下派生，直至最小粒度，不可再分為止。仿真模型中表征模型的模型屬性被定義為類的屬性，模型算法被定義為類的方法。其中，具有共性的屬性和方法被封裝在基類中，個(gè)性的屬性和方法被封裝在子類中。同時(shí)，還可以通過(guò)重載的方法，在子類中替換父類的方法。基于構(gòu)件思想的仿真模型庫(kù)由全部父類和子類共同組成。在上述模型類體系中，可依據(jù)是否能完整表述一類平臺(tái)、武備、行為等，將其劃分為兩部分。一部分對(duì)外不可見(jiàn)，另一部分對(duì)外可見(jiàn)。可見(jiàn)的部分可在仿真推演中生成具體的仿真對(duì)象。

圖4　仿真模型類結(jié)構(gòu)圖2

通過(guò)對(duì)模型按功能域進(jìn)行抽象、劃分和逐級(jí)分解，可有效避免相同或類似功能模塊的重復(fù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，增強(qiáng)了模型的重用性。同時(shí)具備很強(qiáng)的擴(kuò)展性，還可根據(jù)需要派生出新的子類，擴(kuò)展已有的模型庫(kù)。此外，由于所有模型類都是通過(guò)派生得到的，也有利于定義規(guī)范統(tǒng)一的模型接口，進(jìn)而使模型之間的互聯(lián)和交互得以順利進(jìn)行。

4.2.2模型實(shí)例參數(shù)的編輯、裝配與模型實(shí)例庫(kù)的生成

通過(guò)上述方法所構(gòu)建的仿真模型庫(kù)中的每個(gè)模型均是一個(gè)通用的模型，每一個(gè)模型均仿真了一類具有共同特征和行為的仿真對(duì)象，如：導(dǎo)彈、雷達(dá)、水面艦艇平臺(tái)等。在仿真特定型號(hào)裝備、平臺(tái)時(shí)，需按照模型屬性參數(shù)表設(shè)計(jì)一組與目標(biāo)性能相符合的參數(shù)值。一個(gè)模型和一組對(duì)應(yīng)的參數(shù)值構(gòu)成了一個(gè)模型實(shí)例。另外，對(duì)于復(fù)雜的仿真對(duì)象，可通過(guò)聚合多個(gè)模型實(shí)例得到。例如：A艦艇平臺(tái)實(shí)例，B艦艇運(yùn)動(dòng)模型實(shí)例，C指揮決策模型實(shí)例，D雷達(dá)實(shí)例，E艦空導(dǎo)彈實(shí)例，F(xiàn)反艦導(dǎo)彈實(shí)例等共同聚合生成X型水面艦艇兵力實(shí)例。所有仿真模型實(shí)例共同組成了仿真實(shí)例庫(kù)。

在進(jìn)行海上作戰(zhàn)仿真推演時(shí)，首先根據(jù)想定中涉及的兵力類型型號(hào)，在模型實(shí)例庫(kù)中檢索相應(yīng)的模型實(shí)例。之后再根據(jù)模型實(shí)例參數(shù)，生成相應(yīng)的仿真實(shí)體。

5　結(jié)語(yǔ)

目前，文中提到的海上作戰(zhàn)仿真模型庫(kù)和模型實(shí)例庫(kù)已初步建設(shè)完成，并在與其配套建設(shè)的海上作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。已進(jìn)行多次海上聯(lián)合機(jī)動(dòng)編隊(duì)層次的作戰(zhàn)方案推演，取得了很好的效果。下一步，將進(jìn)一步豐富和擴(kuò)充模型庫(kù)和模型實(shí)例庫(kù)，將海上作戰(zhàn)方案推演擴(kuò)展到更大規(guī)模和范圍。

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Simulation Model Architecture of Marine War Situation Deducing System*

The model classification of navy campaign simulation is analyzed. A multi-phase modeling method for navy campaign simulation model architecture is provided. A modeling method based on software component ideas is raised, and the detailed method for designing and developing is provided.

navy campaign simulation, model architecture, multi-phase modeling, parametric modeling

2016年2月8日,

2016年3月29日

孫光明,男,碩士,助理研究員,研究方向:作戰(zhàn)軟件工程,作戰(zhàn)仿真。王大志,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:作戰(zhàn)仿真。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.004