作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件體系框架研究?

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)是研究作戰(zhàn)問題的一種重要手段，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)專業(yè)性強(qiáng)，尤其當(dāng)實(shí)驗(yàn)因素及其水平較多時(shí)，人工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，更改想定參數(shù)，任務(wù)量大，易出錯(cuò)。而基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論與方法，運(yùn)用軟件工程的思想，建立作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)批量更改仿真想定參數(shù)，自動生成作戰(zhàn)仿真樣本空間，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

當(dāng)前關(guān)于作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的研究，多從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容［1］、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程［2］、實(shí)驗(yàn)因子設(shè)計(jì)［3］等方面開展研究。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建方面，蔣興沛、吳義忠等針對多學(xué)科交叉綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化決策過程，設(shè)計(jì)并開發(fā)了多學(xué)科流程集成與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為復(fù)雜工程系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)提供了支撐［4］。甘泉、劉曼西等利用AJAX和PHP技術(shù)建立在線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可通過直觀的文字和圖形顯示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程［5］。司保華、張明智、余永陽等為滿足信息化條件下武器裝備體系概念演示驗(yàn)證仿真的需要，基于UML設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［6］。上述研究極少涉及到大樣本仿真時(shí)大批量仿真想定生成問題。

論文在研究作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)概念基礎(chǔ)上，針對作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的問題，提出了構(gòu)建作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件來解決的思路，給出了軟件功能需求，并從總體框架、模塊要求、接口要求、狀態(tài)流程、界面設(shè)計(jì)等方面建立了作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件體系框架，為作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2 作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件功能需求

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要需具備以下功能：

1）實(shí)驗(yàn)方案管理功能

主要包括新建實(shí)驗(yàn)方案、編輯實(shí)驗(yàn)方案等功能。（1）新建實(shí)驗(yàn)方案，在沒有實(shí)驗(yàn)方案或現(xiàn)存實(shí)驗(yàn)方案都不合適，需新建實(shí)驗(yàn)方案時(shí)新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。（2）編輯實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)對已存在方案進(jìn)行編輯修改，實(shí)際上是一次再設(shè)計(jì)的過程。（3）保存實(shí)驗(yàn)方案，對新建或修改實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行保存。（4）另存實(shí)驗(yàn)方案，對新建或已有實(shí)驗(yàn)方案方案進(jìn)行另存。

2）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)規(guī)劃功能

主要包括實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選取、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)自定義等功能。（1）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選取，從已存在的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)中選取實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。（2）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)自定義，如果所需實(shí)驗(yàn)指標(biāo)不存在，則進(jìn)行自定義添加。

3）實(shí)驗(yàn)因素規(guī)劃功能

通過獲取仿真實(shí)體模型中各種屬性參數(shù)并通過樹狀結(jié)構(gòu)按仿真模型體系結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員可快速便捷在樹狀結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)因素的選取與設(shè)置。主要包括仿真實(shí)體屬性體系構(gòu)建、添加實(shí)驗(yàn)因素、刪除實(shí)驗(yàn)因素、實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)置等功能。（1）仿真實(shí)體屬性體系構(gòu)建，根據(jù)仿真實(shí)體型號生成樹狀對象實(shí)體屬性體系（實(shí)體物理屬性、實(shí)體行為屬性、戰(zhàn)場環(huán)境屬性等）。（2）添加實(shí)驗(yàn)因素，將從樹狀結(jié)構(gòu)中選擇的仿真實(shí)體或戰(zhàn)場環(huán)境屬性添加到實(shí)驗(yàn)因素列表中。（3）刪除實(shí)驗(yàn)因素，將實(shí)驗(yàn)因素列表中的選中的實(shí)驗(yàn)因素刪除。（4）實(shí)驗(yàn)因素水平規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員根據(jù)裝備技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)因素水平規(guī)劃。（5）實(shí)驗(yàn)因素取值范圍規(guī)劃，通過設(shè)定實(shí)驗(yàn)因素最小值及最大值規(guī)劃實(shí)驗(yàn)因素取值范圍。（6）實(shí)驗(yàn)因素取值方法規(guī)劃，對實(shí)驗(yàn)因素水平提供兩種取值方式，一種是均勻取值，一種是隨機(jī)取值。均勻取值可在最小值與最大值之間實(shí)現(xiàn)根據(jù)所需實(shí)驗(yàn)因素水平數(shù)目生成一個(gè)符合等差數(shù)列規(guī)律的實(shí)驗(yàn)因素值列表。隨機(jī)取值可對實(shí)驗(yàn)因素水平在最小值與最大值之間按設(shè)定的分布進(jìn)行隨機(jī)取值。（7）實(shí)驗(yàn)因素隨機(jī)分布選擇，該功能提供了多種概率分布供選擇，對每種分布允許用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修改系數(shù)，從而生成的樣本更符合用戶的實(shí)際需求?？蛇x擇的分布包括：均勻分布、正態(tài)分布等常見分布。

4）樣本空間規(guī)劃功能

根據(jù)所選擇的實(shí)驗(yàn)方法（析因設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)等）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選取與設(shè)置，生成樣本空間。（1）析因設(shè)計(jì)，運(yùn)用析因設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選取與設(shè)置，生成樣本空間。（2）正交設(shè)計(jì)，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選取與設(shè)置，生成樣本空間。

析因設(shè)計(jì)是把各因子的各水平進(jìn)行完全的組合，并且在每種組合下至少做兩次獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)。析因設(shè)計(jì)可以分析各因子和因子之間的各級交互作用的效應(yīng)大小，當(dāng)考慮因子數(shù)較少，且因子水平數(shù)較少時(shí)，是一種理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

正交設(shè)計(jì)是一種多因子、多水平、高效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。正交設(shè)計(jì)是使用一套規(guī)格化的正交表，來研究與處理多因子、多水平的實(shí)驗(yàn)，并用普通的統(tǒng)計(jì)分析方法來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)方法。正交表是合理安排實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的主要工具。

5）仿真參數(shù)規(guī)劃功能

該模塊根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求規(guī)劃實(shí)驗(yàn)參數(shù)，生成實(shí)驗(yàn)方案，該方案包含樣本空間及系統(tǒng)運(yùn)行每一組樣本的相關(guān)設(shè)置。

3 作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件體系框架

3.1 總體框架

作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件的模塊組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括5個(gè)模塊：實(shí)驗(yàn)方案管理模塊、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)規(guī)劃模塊、實(shí)驗(yàn)因素規(guī)劃模塊、樣本空間規(guī)劃模塊、仿真參數(shù)規(guī)劃模塊。

3.2 模塊要求

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)計(jì)仿真基本想定，依據(jù)基本想定所包含的信息與相應(yīng)的模型描述信息，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選取、設(shè)置，實(shí)驗(yàn)因素選取、設(shè)置，并根據(jù)選定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法規(guī)劃樣本空間，規(guī)劃仿真參數(shù)，生成仿真實(shí)驗(yàn)方案。其內(nèi)部邏輯如下圖所示。

作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊要求如下：

1）實(shí)驗(yàn)方案管理模塊，能夠新建實(shí)驗(yàn)方案、編輯實(shí)驗(yàn)方案、刪除實(shí)驗(yàn)方案。

2）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)規(guī)劃模塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，為仿真實(shí)驗(yàn)評估與分析提供依據(jù)。

3）實(shí)驗(yàn)因素規(guī)劃模塊，能夠從想定文件中解析出仿真實(shí)體物理屬性、實(shí)體任務(wù)屬性、環(huán)境屬性等參數(shù)提供給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)人員選取，在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)因素水平規(guī)劃。

4）樣本空間規(guī)劃模塊，能夠通過選取不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（析因設(shè)計(jì)，正交設(shè)計(jì)等）生成不同的樣本空間。

5）仿真參數(shù)規(guī)劃模塊，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求規(guī)劃實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3.3 接口要求

1）各模塊之間的接口要求

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部模塊是以緊耦合的形式來進(jìn)行，具體見下圖。

表1 作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件內(nèi)部接口匯總表

2）與外部系統(tǒng)之間的接口要求

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)是以弱耦合的形式來進(jìn)行交互，與其他系統(tǒng)接口主要以XML格式的外部數(shù)據(jù)文件形式給定，通過建立規(guī)范的可解析的實(shí)驗(yàn)方案格式來實(shí)現(xiàn)。

（1）與實(shí)驗(yàn)分析與評估系統(tǒng)接口

實(shí)驗(yàn)分析與評估系統(tǒng)需讀取實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成的實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)明確給出實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)因素，實(shí)驗(yàn)分析與評估系統(tǒng)可在啟動實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)讀取并解析。

（2）與仿真想定生成系統(tǒng)接口

仿真想定生成系統(tǒng)提供規(guī)范的實(shí)體屬性集（XML格式），由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)解析執(zhí)行。

（3）與仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)接口

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成規(guī)范的可解析的實(shí)驗(yàn)方案文件提交仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)執(zhí)行。

表2 作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件外部接口匯總表

3.4 狀態(tài)流程

3.5 界面設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面如圖7所示，分為六個(gè)區(qū)域：菜單欄、工具欄、對象實(shí)體屬性窗口、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)規(guī)劃視圖、實(shí)驗(yàn)因素規(guī)劃視圖、樣本空間視圖。

工具欄提供設(shè)計(jì)時(shí)所需要的一些工具快捷操作，便于用戶操作，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊工具按鈕，即可執(zhí)行相應(yīng)操作。工具欄如下圖所示。

4 結(jié)語

作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以解決批量更改仿真想定參數(shù)，自動生成作戰(zhàn)仿真樣本空間的問題，是實(shí)現(xiàn)大樣本作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)重要的技術(shù)基礎(chǔ)。論文基于軟件功能需求，從總體框架、模塊要求、接口要求、狀態(tài)流程、界面設(shè)計(jì)等方面建立了作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件體系框架，為下一步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。下一步需要根據(jù)系統(tǒng)體系框架進(jìn)行軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)。