軍用建模與仿真標準技術研究

李 革,段 紅

(國防科技大學 系統工程學院,湖南 長沙 410073)

0 引言

軍用仿真技術是武器裝備發展、研制、試驗、定型、鑒定、作戰效能評估、作戰訓練、后勤支援,以及武器裝備采辦等不可缺少的重要支撐技術,對于促進軍事理論和軍事實踐的進步、推動軍事技術和武器裝備的革命、保證軍事斗爭和作戰行動的勝利,能起到提高效能、節省經費、降低風險、保證質量和縮短研制周期的顯著作用,是服務于武器裝備全壽命、全系統和管理全方位的極其重要的關鍵支撐技術。仿真技術及系統是用信息化推動國防現代化跨越式發展的重要手段。

從軍用建模與仿真標準發展歷程來看,可以將軍用建模與仿真標準劃分為3個階段。第一階段為開發時期,為了集體訓練目的開發了分布式交互仿真(DIS)標準,其標志性成果是DIS標準;第二階段為成熟期,指建模與仿真標準從技術開發到工程過程開發時期,主要是采用高層體系結構(HLA)開發大型集體訓練應用的階段,標志性事件是美國國防部建模與仿真主計劃的發布,標志性成果是HLA標準;第三階段為非訓練階段,指軍用建模與仿真標準從支持訓練到支持作戰和采辦等作戰仿真領域。目前,軍用建模與仿真標準化活動已經進入了第三階段[1]。

本文首先介紹國外軍用建模與仿真標準體系研究情況;然后分別從仿真體系結構標準、數據標準、VV&A(校核、驗證與確認)標準、仿真互操作標準、仿真術語標準等方面介紹軍用建模與仿真標準成果,重點描述了我國軍用建模與仿真標準體系現狀,提出了我國軍用建模與仿真標準體系框架;最后對軍用建模與仿真標準的發展進行了展望。

1 國外軍用建模與仿真標準體系

標準體系是指一定范圍內的標準按其內在聯系形成的科學的有機整體。國內外都非常重視軍用仿真標準體系的研究、建立和推廣應用。以美國、北大西洋公約組織(北約)、澳大利亞為代表的世界主要軍事強國和組織已建立了較為完整的仿真技術標準體系。

1.1 美國

美國國防部的軍用建模與仿真計劃是在1994年1月4日頒布的5000.9號條令“國防部建模與仿真管理”基礎上建立的,認為標準化是有效開展大系統建模與仿真活動的關鍵,目的是組織和集中美國國防部的建模與仿真能力用于解決建模與仿真中的共同問題,促進建模與仿真的可重用性與互操作性,從而提高效率。為建立美軍建模與仿真標準體系,該計劃提出了以下6項目標[2]：

1)提供一個建模與仿真用的公用技術框架。包括建立一個通用高層次仿真體系結構HLA、開發使命空間概念模型、制定數據標準等子目標。

2)提供自然環境及時、權威的表達。包括對陸地、海洋、大氣、太空的權威性表達。

3)提供系統的權威性表達。系統包括平臺、武器、傳感器、設備、生命保障系統、C4I(指揮、控制、通訊、計算機)系統以及后勤支持系統。

4)提供個人和群體人類行為的權威性表達。

5)提供一種建模與仿真基礎設施,以滿足研制人員和最終用戶的需求。

6)共享建模與仿真的利益。

1.2 北約

北約有2個負責標準化工作的機構：一是北約標準化委員會,即北約標準化的領導決策機構;另一個是北約標準化局,即對北約標準化委員會負責的執行機構,具體負責開展標準化工作,由相關成員國派專業人員組成,負責標準的制定、協調等具體工作。北約當前標準化工作的重點是聯合軍事行動標準,核心目標是實現互操作性。

北約于1998年8月發布了北約建模與仿真計劃[3],2009年12月發布了北約建模與仿真標準輪廓圖[1],對北約建模與仿真標準進行了描述,主要包括如下類型標準：校核與驗證標準、仿真系統工程標準、建模與仿真想定標準、建模標準、建模與仿真的互操作標準、數據標準和可視化標準。

2018年2月北約將北約建模與仿真標準體系更新到D 版,主要包括以下標準：建模與仿真方法、體系結構和過程標準、概念建模與想定標準、建模與仿真互操作標準、信息交換數據模型標準、軟件工程標準、綜合自然環境標準、仿真分析與評估標準以及其他標準。

北約建模與仿真標準體系最主要的不足包括：缺乏支撐人員行為建模方面的標準;缺乏真實仿真(Live)方面的標準。此外,數據標準是其標準化工作中的一個薄弱環節,北約建模與仿真團隊正試圖解決這些問題。

1.3 澳大利亞

澳大利亞國防部于2005年發布了《國防仿真標準指南》[4],其分類比較全面,共包括各類標準91項。其中,將仿真標準劃分為以下5類：

1)描述標準

主要包括數據標準和可信度標準。數據標準包括環境數據標準、實體描述標準、元數據標準和可視化屬性標準。可信度標準包括仿真可信度標準和數據可信度標準。

2)分布式仿真標準

主要包括仿真協議標準、仿真體系結構標準、仿真通信標準、數據交換標準、分布式學習標準。

3)置信度建立標準

主要包括VV&A 標準和管理認證標準。

4)仿真工程標準

主要包括軟件開發標準、仿真硬件標準、可視化數據庫標準和系統工程標準。

5)仿真管理標準

主要包括數據管理標準、配置管理標準、可靠性管理標準、安全性管理標準和風險管理標準。

2 軍用建模與仿真標準研究成果

2.1 仿真體系結構標準

為了處理復雜大系統的建模與仿真,仿真系統的體系結構從集中式、封閉式向分布式、開放式、交互式發展。發展目標是構成可互操作性、可移植性、可伸縮性及強交互性的分布對等協同的仿真體系結構。

美國于20世紀末先后公布了DIS和HLA 系列標準。2000年以來,又陸續對DIS和HLA 系列標準進行了更新：DIS標準方面推出了第7版本的DIS標準IEEE 1278.1：2010,增加了對定向能武器、信息作戰等方面的支持;HLA 標準方面推出了IEEE 1516：2010,增加了對容錯、模塊化FOMs、Web服務、XML、鏈接兼容性等方面的支持。2011年1月頒布了分布式仿真工程與執行過程標準IEEE 1730,將DIS、HLA、試驗和訓練使能體系結構(TENA)分布式仿真相關的工程與執行過程進行了統一。美海軍研究生院于2002年提出可擴展建模與仿真框架XMSF,以擴展HLA 支持基于Web的仿真。

在試驗與鑒定領域,美軍建立了TENA,以擴展的C4ISR 體系結構框架為基礎,建立符合需求的邏輯靶場,旨在提高試驗與鑒定領域的互操作性、可重用性和可組合性。2012 年10 月TENA 中間件6.03版本發布,其中的標準對象模型包括時間、坐標系、時空位置信息、平臺、彈藥、GPS、雷達、遙測設備、天氣等。

為了滿足實時分布式仿真系統的要求,對象管理組織(OMG)于2004年12月發布了針對于開發實時仿真系統的數據分發服務(DDS),并且在2015年發布了新版本的規范,主要適用于對數據傳輸性能要求高的領域。DDS 可以實現分布式系統仿真環境中各個仿真節點之間高效、高速的數據交互,具有簡單高效、傳輸時的服務質量(QoS)可控,響應速度快等優點,適用于分布式實時仿真系統互聯。美國于2012年提出了層次化仿真體系結構(LSA),其目標是通過DDS將DIS,HLA,TENA 等分布式仿真體系結構統一。

2.2 數據標準

數據的標準化具有非常重要的作用,模型與仿真的有效性、適用性和可信度是建立在標準的、經認證的權威數據基礎上的,數據標準有助于提高和促進國防部門之間的信息交換。

美軍逐步建立了多種數據標準,比較重要的有“綜合環境數據表示與接口規范”(SEDRIS)。SEDRIS核心組件包括環境數據表示模型、環境數據編碼規范、空間參考模型、接口規范和傳輸格式等。2005年和2006年國際標準化組織(ISO)和國際電子技術委員會(IEC)批準了8 項SEDRIS 標準,分別為ISO/IEC 18023-1：2006(第一部分：功能規范)、ISO/IEC 18023-2：2006(第二部分：傳輸格式)、ISO/IEC 18023-3：2006(第三部分：文件格式綁定編 碼)、ISO/IEC 18024：2006(第 四 部 分：C 語言)、ISO/IEC 18025：2005(環境數據編碼標準)、ISO/IEC 18026：2006(空間 參 考 模 型)、ISO/IEC 18041-4：2005(第四部分：環境數據編碼標準語言綁定C語言)和ISO/IEC 18042-4：2006(第四部分：空間參考模型語言綁定C 語言)。SEDRIS目前已被美國國防部聯合技術體系結構采用,也被北約建模與仿真計劃引用,美國陸軍仿真、訓練與設備項目執行辦公室已經書面規定所有環境數據必須以SEDRIS格式交付。

2.3 VV&A標準

美國國防部于2006年公布了《軍用建模與仿真VV&A 建議實施指南》,2007年底頒布了HLA 的VV&A 標 準(IEEE 1516.4：2007)。為 統 一VV&A 的文檔,美國國防部建模與仿真指導委員會設立“國防部VV&A 標準化文檔”項目。2008年發布了建模與仿真VV&A 標準MIL-STD-3022,建立了建模與仿真中VV&A 過程的4個核心產品的文檔模板,包括確認計劃、校核驗證計劃、校核驗證報告和確認報告。

2.4 仿真互操作標準

建模仿真與C4ISR 互操作方面,美軍規定M&S和C4ISR 系統必須遵循DoDAF,該框架有助于各種規模的系統之間實現互操作性;在公共數據交換模型方面,開發了“指控信息交換數據模型(C2IEDM)”,并被NATO 的多國互操作性計劃成員采用;在公共描述語言方面,美軍先后提出了作戰管理語言(BML),XBML,CBML,以實現作戰計劃與命令的標準化與自動化,從而在指控系統和仿真系統之間通用。在基礎支撐技術方面,美軍重點對包括XML,WEB SERVICE 在內的工業標準進行了研究和應用,作為C4ISR 和M&S系統實現信息交換的技術基礎。

仿真互操作標準化組織(SISO)在仿真標準化過程中發揮了重要的作用：除了維護IEEE 1278和IEEE 1516系列標準外,還負責發布和維護許多軍用M&S標準、規范和指南,如實時平臺參考聯邦對象模型標準(SISO-STD-001.1：1999)、Link16仿真標準(SISO-STD-002：2006)、基礎對象模型(BOM)模板規范(SISO-STD-003：2006)、軍事想定定義語言MSDL 參考指南(SISO-REF-015：2006)、C4I仿真互操作指南(SISO-REF-004：2000)、仿真逼真度實施指南(SISO-REF-002：1999)、HLA 接口規范的兼容動態鏈接的HLA API標準、分布式匯報控制結構標準(SISO-STD-015：2016)、網關描述語言標準(SISO-STD-014.1：2018)、網關過濾語言標準(SISO-STD-014.2：2018)等[5],這些標準和規范在促進國防部領域內的仿真應用的互操作方面發揮了重要的作用。

2.5 仿真術語標準

軍用仿真術語是軍用仿真領域的基礎性最強的標準,通過術語可以準確構建軍用仿真領域的知識體系,反映軍用仿真技術最新的發展成果,為軍用仿真領域的知識檢索和傳播、技術傳遞、科技交流提供重要的工具。

國外仿真術語標準化方面,IEEE 于1989年制定了IEEE Std610.3—1989IEEE Standard Glossary of Modeling and Simulation Terminology標準。該標準包含175個詞條,涵蓋范圍主要包括一般建模與仿真概念、建模與仿真類型、建模與仿真變量、博弈論、排隊論。該標準為20多年前的標準,包含術語不足200條,且覆蓋范圍較窄,其中博弈論、排隊論方面的術語不是軍用仿真技術的核心術語。美國國防部于2011年發布了建模與仿真術語DOD Modeling and Simulation Glossary。

2009年,我國發布了GJB 6935—2009《軍用仿真術語》[6],分為軍用仿真基本術語、軍用仿真建模技術術語、軍用仿真系統及其開發技術術語、軍用仿真應用術語4類,共包括421條術語,目前正在對此國軍標進行修訂;2012年中國仿真學會根據加拿大Oren教授整理的建模與仿真詞匯出版了《漢英-英漢建模與仿真術語集》,列出了9 345個建模與仿真詞條,并在此基礎上于2018年出版了《軍用建模與仿真技術詞典》。

3 我國軍用建模與仿真標準體系

我國原總裝備部于2009年8月開始了《軍用標準體系表》的編制工作,在充分吸收1995年版《軍用標準體系表》的精華和軍用標準化工作的最新成果基礎上,于2011年1月正式頒布體系表。其中,建模仿真技術標準屬于共性技術標準,包括仿真系統標準、仿真數據標準、仿真模型標準和仿真試驗方法標準4類。訓練仿真的標準未放到建模仿真技術標準之下,而是歸并到了訓練信息系統標準中。

我國軍用建模與仿真標準體系先后形成了2個版本,隨著軍隊編制體制的變化,軍用標準體系的修訂勢在必行,因而軍用建模與仿真標準體系也得相應補充和完善,為此提出了軍用建模與仿真標準體系框架。

3.1 軍用建模與仿真標準體系現狀

2007年9月,軍用建模與仿真標準化技術委員會成立,12月組織專家和委員制定了《軍用仿真體系表》框架,2008年3月梳理和匯總了各單位提出的需求后修改完善了體系框架,最終在體系表征求意見稿的基礎上,正式形成了《軍用建模與仿真標準體系表》。軍用建模與仿真標準體系分為基礎標準和應用標準兩大類,其中基礎標準又分為術語標準、體系結構標準、模型標準、數據標準和仿真工程標準,應用標準分為作戰實驗標準、訓練模擬標準和裝備仿真標準[7]。

2015年,軍用建模與仿真標準化技術委員進一步完善了2008年版《軍用建模與仿真標準體系表》,提出了軍用建模與仿真標準體系框架參考模型,形成了新版的《軍用建模與仿真標準體系表》。新版軍用建模與仿真標準體系由共性技術、作戰實驗、訓練模擬和裝備仿真這4部分組成,其中,共性技術標準又分為術語標準、體系結構標準、模型標準、數據標準和仿真工程標準。作戰實驗和訓練模擬標準基本上是按照作戰仿真層次來劃分,除了通用標準外,還包括戰略、聯合戰役、軍種戰役、合同戰術、兵種戰術、分隊戰術、單兵/單武器平臺等層次的建模與仿真標準。裝備仿真標準包括通用標準以及陸、海、空、天、電領域的裝備仿真標準[8]。

3.2 軍用建模與仿真標準體系框架后續建議

仿真預先研究項目從“十五”開始一直持續支持裝備建模與仿真標準的研究,國防科技大學作為牽頭單位,先后有10多家單位參加,在軍用仿真標準體系、軍用仿真數據標準、仿真系統體系結構標準等方面取得了一系列成果[9],目前已形成國際標準2項,國家軍用標準19項,行業標準21項,企業標準65項。

結合軍用建模與仿真標準化技術委員會提出的《軍用建模與仿真標準體系表》,以及美軍建模與仿真主計劃,基于軍用建模與仿真標準體系的研究成果[10-11],本文提出了軍用仿真標準體系,如圖1 所示。軍用仿真標準體系分為仿真理論方法標準、仿真實體建模標準、仿真數據標準、環境仿真標準、仿真系統工程標準和仿真基礎設施標準共6大類、22小類。

圖1 軍用仿真標準體系框架Fig.1 Structure of military simulation standard system

仿真理論方法標準類中,軍用仿真知識體系標準包括建模與仿真術語標準、軍用仿真分類標準、仿真符號表示標準、軍用仿真知識體系標準等;軍用仿真技術體系標準包括軍用仿真技術體系結構標準、軍用仿真技術成熟度標準等;通用建模與仿真標準包括通用建模方法、通用仿真方法等。

仿真實體建模標準類中,仿真實體建模通用標準包括模型體系結構標準、模型描述標準、模型開發標準、模型管理與服務標準等;概念模型標準包括仿真概念模型標準、軍事概念模型標準等;數學仿真模型標準包括連續系統數學仿真模型標準、離散事件系統數學仿真模型標準、連續/離散混合系統數學仿真模型標準等;物理模型標準包括動態物理模型標準和靜態物理模型標準等。

仿真數據標準類中,仿真數據體系結構標準包括仿真數據分類方法標準、仿真數據層次結構標準、公共元數據元素詞典等;元數據標準包括仿真元數據通用要求、元數據字典、元數據質量標準等;應用數據標準包括實體數據標準、戰場環境數據標準、想定數據標準等;數據管理與服務標準包括數據VV&C標準、數據描述標準、數據采集標準、數據處理標準、數據安全標準、數據集成標準等。

環境仿真標準類中,自然環境仿真標準包括地理環境仿真標準、大氣環境仿真標準、海洋環境仿真標準、太空環境仿真標準等;人為環境仿真標準包括射頻環境仿真標準、紅外環境仿真標準、聲學環境仿真標準、通信環境仿真標準、其他裝備使用環境仿真標準。

仿真系統工程標準類中,仿真系統體系結構標準包括分布式仿真體系結構標準、并行仿真體系結構標準、硬件在回路仿真體系結構標準、人在回路仿真體系結構標準、云仿真體系結構標準等;裝備仿真系統工程標準包括裝備仿真通用標準、陸上裝備仿真標準、海上裝備仿真標準、空中裝備仿真標準、空間裝備仿真標準、電磁裝備仿真標準、其他裝備仿真標準;訓練仿真系統工程標準包括訓練模擬系統通用標準、戰略訓練模擬系統標準、聯合戰役訓練模擬系統標準、軍種戰役訓練模擬系統標準、合同戰術訓練模擬系統標準、兵種戰術訓練模擬系統標準、分隊戰術訓練模擬系統標準、實兵對抗訓練模擬系統標準等;作戰實驗系統工程標準包括作戰實驗系統通用標準、戰略仿真實驗系統標準、聯合戰役仿真實驗系統標準、軍種戰役仿真實驗系統標準、合同戰術仿真實驗系統標準、兵種戰術仿真實驗系統標準、分隊戰術仿真實驗系統標準、單兵/單裝備仿真實驗系統標準等。

仿真基礎設施標準類中,仿真共享資源標準包括仿真共享數據標準、仿真共享模型標準、仿真共享知識庫標準、仿真共享工具標準、仿真共享系統標準、仿真共享算法標準等;仿真設備與系統標準包括真實仿真標準、虛擬仿真標準、構造仿真標準、仿真設備標準等;通信基礎設施標準包括通信支撐工具標準、裝備試驗網絡標準、聯合訓練網絡標準、聯合實驗網絡標準等;建模與仿真管理標準包括仿真共享資源管理標準、仿真管理政策方法、仿真管理機構標準等。

4 結束語

隨著信息技術的快速發展,軍用建模與仿真標準經歷了集體訓練仿真標準階段、工程過程開發仿真標準階段、軍用仿真全領域仿真標準階段等3個發展階段,目前發展到支持訓練、作戰、裝備建設等軍用仿真全領域。我軍軍用建模與仿真標準體系建設取得了較大成績,但仍然需要進一步發展和完善。如從需求牽引來看,隨著我國新的試驗鑒定體系的建立,相應的試驗鑒定仿真標準體系建設提上了議事日程;從技術推動來看,大數據、云計算、人工智能、物聯網、數字孿生等信息技術的最新進展也必將吸收到軍用建模與仿真標準體系之中。相信隨著新版軍用標準體系的制定,軍用建模與仿真標準體系將進一步發展來滿足軍用仿真技術的需求。