海上作戰方案推演系統仿真模型體系研究*

孫光明　王大志

(1.海軍大連艦艇學院作戰軟件與仿真研究所　大連　116018)(2.91550部隊第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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海上作戰方案推演系統仿真模型體系研究*

孫光明1王大志2

(1.海軍大連艦艇學院作戰軟件與仿真研究所大連116018)(2.91550部隊第220所大連116026)

分析了海上作戰仿真模型的分類。給出了構建海上作戰仿真模型體系的分階段建模方法。提出了基于構件思想的海上作戰仿真模型體系建設思路，并給出了模型庫的設計與實現方法。

海上作戰仿真; 模型體系; 分階段建模; 參數化建模

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工作的不斷發展和作戰指揮決策系統在部隊日常訓練中的深入使用，部隊對作戰指揮決策系統提出了新的要求，不僅要求系統輔助其解決“干什么”和“怎么干”的問題，還要解決“這樣干，行不行”的問題。要求建立一套面向海上作戰戰役和戰術層面的作戰方案仿真推演系統[1]，使得編隊作戰方案擬制完成后，可立即進行推演和評估，進而輔助檢驗作戰方案的可行性。

現代高技術條件下的海戰，是敵我雙方海上多種作戰平臺在海、陸、空、天、電五維一體的空間展開的攻防體系對抗，具有參戰力量多元，戰場空間多維，作戰手段多樣，戰場態勢多變等特點。海上作戰過程中涉及的兵力類型、武器裝備類型數量繁多，彼此間交互關系復雜，這些都給對海上作戰仿真帶來了很大難度。同時，由于海上作戰時效性強，推演準備和運行時間短等約束條件，推演過程中不可能依靠人工方式指揮每個仿真實體進行具體的行動，只能利用具有人工智能的CGF兵力實體來模擬戰場各級指揮員的決策和指揮過程。因此建立何種范圍、何種粒度的海上作戰模型體系是海上作戰仿真推演的最基本問題。

2　海上作戰仿真和模型分類

2.1海上作戰仿真

海上作戰仿真是對海戰場環境、敵我雙方海上作戰平臺、武備系統以及指揮決策過程和交戰對抗過程的仿真模擬。作戰平臺包括可移動平臺(水面艦艇、潛艇、固定翼飛機、直升機等)，和固定平臺(機場、海軍基地、雷達站、水聲站、岸炮、岸導等)。每種作戰平臺還可根據其類型和型號逐層向下細分。武備系統是指作戰平臺以外一切與作戰過程直接相關的設備和武器的總稱，包括硬殺傷武器(導彈、魚雷、火炮等)、軟殺傷武器(有源和無源電子戰設備等)、通信系統、偵察探測系統和指揮控制系統等。作戰過程是作戰平臺和武備系統在雙方指揮系統統一指揮下的作戰使用過程，由搜索跟蹤、情報處理、指揮決策、攻擊、防御等部分組成。海上作戰仿真主要是對作戰過程的仿真，包括傳感器探測過程的仿真、情報處理過程的仿真、指揮決策過程的仿真、攻擊過程的仿真、防御過程的仿真等[2]。

實現探測過程仿真需建立各種探測設備的仿真模型，如各種聲納模型，包括艦殼聲納、拖曳線列陣聲納、吊放聲納、魚雷報警聲納、通信聲納等的仿真模型；各種雷達模型，包括警戒雷達、火控雷達、導航雷達等的仿真模型。探測設備可以配備在不同的作戰平臺上，如水面艦艇、潛艇、直升機等作戰平臺。探測設備能感知敵方信息，如敵方作戰平臺、武器等信息以及海戰場的自然環境信息。

探測設備模型仿真運行得到的各類目標和環境信息集中到情報處理仿真模型中進行處理，建立各種目標的運動航跡和運動要素，然后對目標的威脅程度進行判斷，為輔助指揮員決策提供幫助。

指揮決策過程仿真需建立艦艇作戰輔助決策模型，即戰術模型，包括搜索決策模型、攻擊決策模型和防御決策模型等。決策模型根據戰場態勢信息進行決策，生成決策方案，向各作戰平臺和武器系統模型下達作戰任務指令。

實現攻擊決策和防御決策過程的仿真需建立攻擊和防御的作戰過程模型以及實現攻擊和防御的平臺模型、武器系統模型以及軟硬武器毀傷模型。

作戰過程模型由一系列的作戰行動組成；平臺模型包括各種水面艦艇、潛艇、飛機平臺的模型；武器系統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的魚雷、導彈、深彈、火炮等武器模型，軟武器模型包括電子對抗、水聲對抗模型等。

2.2海上作戰仿真模型的分類

海上作戰仿真涉及模型眾多，模型間關系復雜，對其進行合理的梳理和組織是構建海上作戰仿真系統的基礎。根據模型的用途，海上作戰仿真模型可分為以下五大類，每一類模型還可繼續向下分解，如圖1所示。

作戰實體模型和作戰模型是海上作戰仿真模型體系的核心。作戰實體模型由實體的屬性模型和功能模型組成。實體屬性模型描述實體的特征，如平臺實體的物理尺寸等。實體功能模型，是實體所具備的物理能力(功能)的數學表示，如平臺機動能力模型、系統通信能力模型、傳感器探測能力模型、武器毀傷能力模型等。

圖1　海上作戰仿真模型分類

作戰模型包括指揮決策模型、作戰交互模型和實體運動模型。在海上作戰仿真推演中，各類作戰實體可接受各種作戰指揮命令，執行相應的戰術動作，如機動、探測、發射等。在人在回路中的推演中，這些命令可由人來下達。否則，由相應的指揮決策模型下達。指揮決策模型感知戰場態勢的變化，并模擬人的決策過程，生成決策命令，并下達給仿真實體執行。作戰交互模型，針對作戰實體間的相互作用進行數學建模，并仿真其作用效果，如雷達、聲吶搜索探測，平臺間通信、武器毀傷等。實體運動模型，是某一類實體在真實環境下運動狀態和規律的數學表示，如導彈發射后不同階段運動規律的數學模型。

作戰實體模型和作戰模型組成了艦艇作戰仿真的主體模型，主體模型主導了海上作戰仿真過程的進行，同時為視景模型和評估模型提供顯示和評估數據。

3　構建海上作戰仿真模型體系需要解決的問題

構建滿足海上作戰仿真推演系統的模型體系，需要解決以下兩個問題：

1) 如何選擇和統一建模方法問題。由于海上作戰具有涉及專業領域繁多，不同領域的專業跨度大的特點。對于跨領域、多部門的聯合建模，必須統一建模方法。只有這樣才能確保建模的粒度和精確度保持一致，進而使最終的模型體系能夠協調一致的工作。

2) 仿真模型的重用性問題。海上作戰仿真涉及的裝備類型型號繁多。以雷達裝備為例，包含了警戒雷達、火控雷達、導航雷達等多種類型，而每種類型的雷達還分為不同的型號，不同類型型號雷達的性能不同。如果針對每一型裝備，均分別建立仿真模型，最終將導致整個模型體系異常龐大，同時也不利于工程化的實施。因此，必須對海上作戰的模型進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　海上作戰仿真模型體系構建

4.1分階段建模方法

對于復雜系統建模，直接從被仿真系統抽象出可以運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程分為四個階段：概念模型開發階段、邏輯模型開發階段、數學模型開發階段、軟件模型開發階段，如圖2所示。

概念模型開發由領域專家完成。概念模型是對真實世界的首次抽象，實現對真實世界的準確和規范的描述。概念模型提供特定領域的概念定義，描述概念之間的關系，描述領域中發生的活動以及該領域的主要理論和基本原理等。

圖2　分階段建模過程四個階段

邏輯模型開發由技術人員配合領域專家完成。邏輯模型以仿真實現為目的，對概念模型中的領域知識進行歸類和進一步抽象。概念模型面向問題域，采用自然語言進行面向過程的描述，邏輯模型面向實現域，采用形式化方法進行面向對象的描述。如采用UML建模語言描述邏輯模型，可用類圖和對象圖描述仿真實體，用活動圖和順序圖描述仿真實體的活動，用協作圖描述仿真實體之間的交互。

數學模型開發由領域專家和技術人員共同完成。數學模型描述邏輯模型中的算法。如描述實體運動的運動模型，描述探測設備工作的探測模型(聲納模型等)，描述實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據模型基礎之上，形成標準的算法，同時規定模型使用的約束條件，設計相對通用和標準的模型接口，說明模型可以完成的功能。

軟件模型開發階段由軟件技術人員完成。軟件模型是仿真系統的軟件設計方案，主要包括軟件系統的體系結構設計以及體系結構中的組件的設計等。

4.2基于構件思想的海上作戰仿真模型體系構建

就國內其它行業成功實施案例分析來看，為了在當下的環境下更好地生存與發展，充分地利用了信息化和移動化的技術手段，并引入了先進的JIT（準時至）的管理理念，對鐵路企業審批業務環節上進行了改革性的創新和應用，讓審批業務由線下操作成功的轉型到線上操作，不僅大大提高了工作的效率，同時也節約了大量的時間成本和資源的消耗，取得很好的應用效果。具體效果體現在以下幾個方面：

在軟件領域，一種比較有效的提高軟件重用性的方法就是軟件構件技術。軟件構件技術是面向對象技術的進一步發展。一般認為，軟件構件是指語義完整、語法正確、可提供明確功能和具有可復用價值軟件單元。從程序角度理解，可以把構件看作是有一定功能、能夠獨立工作且能同其他構件裝配起來協一調工作的程序體。軟件構件所具備的封裝性、接口明確性、可裝配性和可擴充性等特點極大地提高了軟件構件的可重用性。

可以將軟件構件的設計思想應用于海上作戰仿真模型體系的構建，以提高仿真模型的重用性[3]。其具體實施可歸納為三方面工作：

1) 在對仿真模型體系進行系統性梳理的基礎上，自頂向下逐層細分，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。它們是仿真模型庫的基礎，更復雜的模型是基礎模型通過聚合或組合的方式得到。

2) 針對同一類模型，利用參數化建模的思想，分析其邏輯模型和數學模型中表征模型特征和算法特征的特征屬性集合，形成模型屬性參數表。進而，通過設置屬性參數表為不同參數值，利用同一模型，仿真不同型號的武器裝備或仿真過程。

3) 通過裝配組合和聚合原子級模型，形成更高層次的仿真模型。

4.2.1仿真模型庫的設計與實現

通過對海上作戰仿真模型體系的分析和梳理，可按功能域歸納出以下類結構，如圖3所示。該類結構基本了涵蓋海上作戰仿真的各個方面。

圖3　仿真模型類結構圖1

以上八個子類還可分別繼續向下派生。以仿真實體類CSimEntity為例，如圖4所示，派生出陸基固定作戰平臺類CLandUnit和可移動作戰平臺類CPlatform。以陸基固定作戰平臺為基類，派生的子類包括：雷達站類CRadarStation、導彈發射陣地類CMissilePosition、軍港類CHarbor、水聲站類CSonarStation和機場類CAirport等。以可移動作戰平臺類為基類，派生的子類包括：水面艦艇類CWarship、潛艇類CSubmarine、固定翼飛機類CWarcraft、旋翼飛機類CHelicopter等。

每個子類還可根據需要繼續向下派生，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，個性的屬性和方法被封裝在子類中。同時，還可以通過重載的方法，在子類中替換父類的方法。基于構件思想的仿真模型庫由全部父類和子類共同組成。在上述模型類體系中，可依據是否能完整表述一類平臺、武備、行為等，將其劃分為兩部分。一部分對外不可見，另一部分對外可見。可見的部分可在仿真推演中生成具體的仿真對象。

圖4　仿真模型類結構圖2

通過對模型按功能域進行抽象、劃分和逐級分解，可有效避免相同或類似功能模塊的重復設計和開發，增強了模型的重用性。同時具備很強的擴展性，還可根據需要派生出新的子類，擴展已有的模型庫。此外，由于所有模型類都是通過派生得到的，也有利于定義規范統一的模型接口，進而使模型之間的互聯和交互得以順利進行。

4.2.2模型實例參數的編輯、裝配與模型實例庫的生成

通過上述方法所構建的仿真模型庫中的每個模型均是一個通用的模型，每一個模型均仿真了一類具有共同特征和行為的仿真對象，如：導彈、雷達、水面艦艇平臺等。在仿真特定型號裝備、平臺時，需按照模型屬性參數表設計一組與目標性能相符合的參數值。一個模型和一組對應的參數值構成了一個模型實例。另外，對于復雜的仿真對象，可通過聚合多個模型實例得到。例如：A艦艇平臺實例，B艦艇運動模型實例，C指揮決策模型實例，D雷達實例，E艦空導彈實例，F反艦導彈實例等共同聚合生成X型水面艦艇兵力實例。所有仿真模型實例共同組成了仿真實例庫。

在進行海上作戰仿真推演時，首先根據想定中涉及的兵力類型型號，在模型實例庫中檢索相應的模型實例。之后再根據模型實例參數，生成相應的仿真實體。

5　結語

目前，文中提到的海上作戰仿真模型庫和模型實例庫已初步建設完成，并在與其配套建設的海上作戰方案推演系統中得到了應用。已進行多次海上聯合機動編隊層次的作戰方案推演，取得了很好的效果。下一步，將進一步豐富和擴充模型庫和模型實例庫，將海上作戰方案推演擴展到更大規模和范圍。

[1] 孫光明，等.面向海上聯合作戰的態勢推演系統[J].海軍大連艦艇學院學報，2013(3)：21-23.

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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:作戰軟件工程,作戰仿真。王大志,男,碩士,高級工程師,研究方向:作戰仿真。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.004