柔性可擴展裝備體系對抗仿真建模框架研究*

王俊達，卿杜政

(1.中國航天科工集團有限公司 第二研究院，北京 100854；2.北京仿真中心 航天系統仿真重點試驗室，北京 100854)

0 引言

系統仿真被廣泛應用在裝備研發、論證和評估過程中，隨著不同功能、不同體系結構的仿真系統大量建設，作為仿真系統核心要素的仿真模型也大量積累。同時，隨著仿真能力的提升，單一仿真系統所涉及的模型種類、數量及交互關系越發復雜，仿真系統復雜性劇增。數量龐大、關系復雜的模型有待梳理組織、重復利用。

模型體系是不同類型和層次的仿真模型以及它們之間關系的集合[1]，利用仿真模型體系可以將大量的模型進行有效的整合和利用，充分發掘模型重用性，提升模型開發效率。

柔性是適應性、靈活性、集成性等概念的集合[2]，柔性仿真指建模框架和仿真算法具有廣泛的適應性、擴展性和集成性[3]。運用柔性仿真思想建立的模型能夠根據不同仿真系統需求靈活改變，快速適應仿真需求，提高系統構建效率。

本文在分析現有仿真模型體系框架基礎上，提出一種柔性可擴展裝備仿真模型體系框架，對裝備模型建模框架進行了詳細研究，可應用到裝備體系對抗仿真中，“快、好、省”地支持仿真系統的構建和試驗評估。

1 裝備體系對抗仿真模型體系

現代戰爭形態已經轉變為多兵種、多裝備協同的體系作戰，且向著智能化、無人化、平臺化方向發展[4]，作戰武器必須置于作戰體系與裝備體系中才能有效發揮其效能。由于體系規模巨大，難以組織實兵實裝實驗，對體系的評估只能通過仿真實驗來完成[5]，體系對抗仿真已經成為支撐裝備論證、研制、應用的重要手段。體系對抗仿真中涉及的要素眾多，模型間交互、信息流關系錯綜復雜，裝備武器的建模和系統集成成為構建仿真系統的重要基礎。

國外對仿真模型體系的研究以美國等仿真技術優勢國家為主，從20世紀90年代中期開始了相關的研究，有以下幾方面關注點：

(1) 持續開展建模仿真通用框架研究

加強軍用仿真建模對象模型體系框架標準制定，發布了一系列報告。在標準的單元層對象模型的模型體系基礎上發展了ModSAF，ITEM，EAGLE，WarSIM2000等一系列平臺[6]。此外在一些典型的作戰推演與仿真系統如EADSIM，JWARS，JTLS，FLAMES等平臺[7]中，構建了相應的模型體系，并持續對平臺進行升級開發。

(2) 重視模型資源庫建設

高度重視仿真模型重用和共享，加強仿真模型/資源庫建設，已經建成美軍建模與仿真資源庫，對環境模型/數據進行了標準化、統一的開發。加速實施數字工程，強調武器系統和組件的數字表示，美國國防部發布全面的《數字工程戰略》，使用裝備可信的數據源和模型源作為基礎資源庫，支撐裝備從概念到報廢的所有活動。

(3) 將智能仿真納入模型體系

投入大量資金，鼓勵業界將人工智能納入軍事訓練與裝備仿真中，將智能仿真納入仿真模型體系。美國陸軍“雅典娜”(Athena)訓練系統和新一代計算機生成兵力(OneSAF)仿真系統、DARPA“羅盤”(COMPASS)項目等一系列仿真系統不斷涌現[8]。

國內對模型體系的研究較美軍起步晚，對仿真模型體系研究主要集中在針對具體作戰任務環境背景下的模型體系設計，如陸上作戰[9-10]、海上作戰[11-13]、兩棲作戰[14]、運載火箭[15]、空間攻防[16]等領域。對模型體系框架設計方法，一般只給出體系組成結構，對具體模型組成、交互關系和接口等不明確，體系框架適應性、擴展性不強。

當前裝備體系對抗仿真應用研究中迫切需要能支撐仿真系統快速構建的模型體系，將柔性仿真概念引入仿真模型體系構建中，讓仿真系統模型構建過程更加靈活、增強模型適應性。

2 柔性可擴展仿真模型體系

柔性模型體系要求模型體系能夠適應仿真環境變化，支撐靈活、快速構建仿真系統。要求模型接口可以根據需求靈活、快速變化和調整，并且保證模型在仿真系統中上下文協調。可擴展指的是新建模型能夠作為一種構件插入已有的模型框架中去，構件可替換性強，支持通過直接添加構件的方式擴展模型功能。

如圖1所示，結合體系仿真要素需求，按照模型對象及模型用途，盡可能遵循實際軍事活動，將柔性可擴展仿真模型體系模型分為6類：

(1) 裝備模型

用于模擬物理裝備實體，模擬綜合性作戰裝備，能夠獨立遂行作戰任務，具備探測、決策、通信、打擊等作戰功能，典型裝備模型如飛機、坦克、艦船、衛星等。

(2) 指控模型

指控模型用于對作戰過程中各級指揮所的決策、控制活動及作戰規則的抽象描述。可用于對指揮控制中心、指揮所等指揮控制機構仿真。

(3) 網絡模型

網絡模型用于描述通信中信息存儲、傳輸與處理過程，用于對真實世界信息傳遞網絡建模仿真，裝備模型之間的通信交互需要通過網絡模型傳遞。

(4) 環境模型

環境模型用于反映作戰中戰場環境對裝備作戰效能的影響，包括氣象、大氣、海洋、地理、空間等自然環境和電磁、光電等人造干擾環境。

(5) 評估模型

評估模型用于完成體系性能/效能評估任務，反映影響評估目標的系統可用性、可信性和能力的關鍵要素及要素關聯關系的模型，主要關注評估指標體系構建、評估方法描述、評估數據獲取等內容。

(6) 支撐類模型

為仿真系統中數學計算、態勢計算等提供算法和數學工具的模型，包括數值計算、概率與隨機算法、地球模型、坐標轉換、常用濾波算法等。

圖2給出了模型體系中各類模型之間關系和體系框架。

圖2 模型體系框架Fig.2 Modeling framework

3 裝備模型建模框架

裝備模型是裝備體系對抗仿真中的最基本最主要模型種類，本文主要針對裝備模型建模框架作詳細說明。

為了增強模型重用性，適應模型柔性組裝、功能可擴展的需求，構建了一種由裝備模型集成框架和裝備模型組件組合形成仿真模型的建模框架，如圖3所示。采用面向組件的仿真模型開發思想，將裝備模型按照實際物理功能特性劃分為裝備模型組件，并按照建模框架約束構建可擴展模型組件。

圖3 裝備模型建模框架Fig.3 Warfare equipment modeling framework

模型集成框架是溝通仿真模型和仿真平臺的橋梁，將仿真模型與仿真平臺分離，為組件模型組合裝配提供平臺。集成框架加載特定裝備組件，獲得相應組件的能力，形成獨立的作戰裝備模型單元。

3.1 裝備模型組件

在戰術、戰役級裝備體系對抗仿真中，作為獨立作戰平臺的裝備平臺一般具有運動、探測、控制決策、通信、打擊、保障等功能，針對裝備模型仿真的功能需求，可將組成裝備模型的模型組件分為6類：

(1) 運動組件

運動組件用于對裝備實體的運動與動力學特性進行仿真，是構成裝備模型最基礎的模型組件之一。運動組件用于仿真計算裝備的運動狀態、質量燃料消耗、裝備乘載能力等。運動組件決定了裝備運動能力和運行環境，包括航空、航天、陸地、海洋(水面、水下)以及固定設施等的運動模型。

(2) 傳感器組件

用于對裝備模型所攜帶的物理傳感器建模仿真，模擬一個裝備對另一個裝備的探測過程，感知裝備實體的狀態信息，支持裝備模型的決策和任務執行。

(3) 指揮控制組件

指揮控制組件完成裝備模型內部邏輯控制、認知行為模擬、負責裝備作戰自動化流程的仿真、具有接受上級指令與響應、接收和處理通信消息、信息融合處理、生成控制指令、態勢計算等功能，是裝備模型的核心。

(4) 通信設備組件

通信設備組件用于對具備通信能力的裝備實體所搭載的通信設備進行建模仿真，可用于模擬真實的通信設備的發送、接收和處理通信消息等功能。

(5) 武器總控管理組件

武器總控管理組件用于對裝備模型的發射架、發射車等彈藥武器管理和應用過程的仿真。武器彈藥模型作為對抗仿真中的特殊裝備模型，在被創建到成為仿真實例前，接受武器總控管理組件的管理。該組件功能包括：彈藥管理、狀態上報、武器彈藥激活、加電、參數裝訂、發射流程模擬；響應發射指令向仿真引擎平臺創建、注冊彈藥模型實例；與發射后的彈藥通信、控制運行；生成、發送對目標的毀傷數據。

(6) 保障支援組件

對后勤保障條件建模，關注裝備的消耗品，如油料、彈藥等消耗補給過程，使得裝備模型具備接受補給或維修服務功能。

3.2 裝備模型集成框架

裝備模型集成框架連接模型組件和仿真平臺，組件模型與集成框架組合才能形成可用于仿真的裝備模型單元。模型集成框架連接各組件模型，記錄模型組合關系，管理組件模型。集成框架主要功能包括：

(1) 實例管理

記錄參與組合的模型組件信息，維護模型組件實例列表、參數列表，設置模型組件實例的調用順序、周期，管理模型組件實例的激活、創建與銷毀。

(2) 接口數據管理

仿真運行時，集成框架為裝備所屬的每一個模型組件實例劃分數據區，用于存放輸出接口數據、通信消息、毀傷數據、環境數據等運行數據，集成框架協調板塊內數據共享、分發與數據記錄等。

(3) 裝備狀態監控

根據收到的毀傷數據，綜合裝備模型的抗毀傷和修復能力參數，評估模型整體和各個組件的受損情況，決定裝備和組件模型實例在仿真運行平臺中的刪除與否。

(4) 管理裝備基本信息

存放裝備對象唯一的名稱標識，裝備屬性等信息；設定裝備平臺的被感知參數，如視覺、紅外、各波段雷達檢測的目標特性等。

(5) 想定參數分發

在仿真中，作為仿真實體單元，框架讀取和存放想定參數，仿真運行時將參數分發到對應組件。

4 模型交互

仿真運行中，各類實體模型不斷進行信息交互，模型體系需要說明各類模型之間交互關系、交互內容、交互條件和方式。

4.1 基于數據白板的模型交互

為保障構建裝備模型時組件模型柔性適配、快速的添加需求，設計了一種基于數據白板的交互模式。

在集成框架中，劃分裝備數據區塊，用于存放實體模型仿真過程狀態信息數據，具體的內容包括組件輸出接口數據、外部毀傷數據、通信消息暫存區、探測感知信息、環境數據等。仿真平臺對所有實體模型數據塊進行管理，形成仿真數據白板，如圖4所示。對抗仿真中，交戰雙方的仿真實體通過仿真平臺獲取白板上目標實體的數據信息，進行數據交互。

圖4 基于數據白板的模型實體交互Fig.4 Illustration of data interact based on white board

4.2 裝備模型組件交互

裝備模型內部裝備模型組件基于共享數據塊的方式完成接口數據交換，信息交互發生在集成框架之間。

為實現裝備模型組件的柔性添加，裝備組件模型建模過程中遵循統一接口框架約束，對模型的輸入/輸出接口類型、數據結構等全面準確的描述。當集成框架添加功能模型組件時，根據模型接口描述的數據類型，在仿真運行中，框架為組件實例接口創建數據存儲區(component port，CP)。仿真模型運行過程中，根據仿真計算輸出數據存放到實例對應的輸出塊中，如圖5所示。同一裝備模型內部，組件實例共享數據板內數據，并且規定僅有對應的組件實例具有對其CP塊的數據寫入權限，模型組件輸入端可以讀取或復制其他組件輸出的數據塊內數據。組件模型獲取輸入數據時，通過模型組件功能類型、實例名稱標識、輸出端口標識、數據結構來區分CP數據。

模型組件間進行數據交互時，依據模型組件間關系，按照固定信息流傳送數據，在組裝時完成，通過接口數據結構描述，直接匹配推送。固定信息流向以外的接口，則根據組件類型、實例名稱、輸出端口等字段篩選匹配到對應的數據塊，集成框架將數據封裝成輸入端口數據形式發送到輸入接口。圖6是一種裝備模型內部模型組件之間接口數據傳遞和信息流向示意圖。

4.3 模型實體交互

仿真實體之間交互主要分為通信和非通信交互2類。裝備模型之間通信交互包括相同作戰方的裝備與友鄰、作戰模型之間請示報告、通報指示指令、通報協商等通信信息。非通信信息交互主要包括3類：裝備模型與環境模型間交互；彈藥武器對戰場裝備的毀傷、電子干擾等對抗信息；裝備探測感知敵方情報信息、戰場態勢等探測交互。

(1) 通信交互

模型間通信交互需要通過通信網絡和消息模型傳遞。通信交互時，信源組件向框架發送通信請求，請求內容包括信源組件實例標識、要發送的消息數據、發送消息的通信組件等；模型框架將通信數據封裝成通信消息，遍歷查找該實體所包含的通信設備組件，若無通信設備，則無法發送；對每個通信設備，查看與其匹配的網絡模型，通信網絡模型遍歷鏈接到該網絡的所有其他通信設備，查看是否有到目標實體的設備終端；網絡模型檢查網絡通斷、時延等信息，模擬網絡模型處理和計算過程，滿足要求將消息發送到目標實體通信設備；目標實體通過通信設備完成消息接收，存放到集成框架消息數據區，待其他組件接受處理。

圖7展示了裝備模型間利用通信網絡模型進行通信交互過程，其中為了提升效率保留了通信設備間直接通信交互方式，如圖中①所示。

(2) 探測交互

在仿真中，裝備模型需要探測感知其他實體信息用于決策。探測交互主要發生在裝備模型的傳感器組件和被探測實體的框架之間。探測過程中，傳感器組件首先根據條件遍歷仿真數據白板，獲取滿足探測范圍或其他條件的所有實體標識列表。根據目標實體標識找到目標實體數據板塊，傳感器組件根據其功能特性、探測數據需求獲取相應數據塊內的目標狀態數據。之后傳感器處理數據，生成探測結果和探測事件，發送到裝備模型數據板的對應數據塊。

圖7 通信交互示意圖Fig.7 Illustration of communication interaction

圖8展示了一種裝備間探測交互模式，裝備A裝載有兩型傳感器Sensor_A_1和Sensor_A_2，對B裝備進行探測。圖中①②表示了傳感器獲取目標數據，③④表示了探測數據被指揮控制和武器總控管理組件的輸入應用與仿真計算，⑤表示了在傳感器探測過程中讀取環境數據，模擬傳感器所受到的環境效應的影響。

(3) 毀傷交互

毀傷交互是裝備模型之間的相互作用，既包括直接摧毀實體的硬殺傷，也包括對裝備的干擾、屏蔽、失效或失能的軟殺傷。武器毀傷包括對其他裝備實體、環境實體等造成的毀傷，如圖9中①～③所示。

武器總控管理組件通過發送毀傷數據來對目標實體產生作用。武器總控管理組件模型接收目標狀態信息，根據殺傷判斷條件，產生毀傷類型、爆炸點、殺傷半徑、殺傷概率等毀傷數據。裝備框架將毀傷數據發往目標實體框架中，若毀傷效果是對環境的作用，則直接發往對應的環境模型。毀傷效果不直接對裝備組件產生作用，而是通過模型框架管理組件實體的毀傷情況。被毀傷實體接收到毀傷信息后，模型框架根據毀傷數據評估毀傷效果，根據評估結果監控和管理組件實例，控制組件實例的修復或銷毀刪除。

(4) 環境交互

柔性仿真模型體系將環境模型納入模型體系，構建環境模型與實體模型交互機制。環境對裝備應用的影響主要表現在對裝備的運動、傳感、通信等組件運行有顯著影響。

圖10展示了環境模型與裝備模型交互過程，環境模型依托于環境資源數據庫提供環境服務，如圖中①所示。裝備模型與環境模型之間交互分為固定推送和請求推送2種方式。固定推送指仿真模型訂閱環境模型提供的數據服務，環境模型按照一定的周期向環境數據塊發送、更新環境數據，如運動、傳感組件需要地形、大氣等自然環境數據，如圖10中②所示。請求推送指仿真實體在仿真運行過程中，模型組件向環境模型提出服務請求，環境模型依據請求內容計算并推送環境服務，如圖10中③所示，典型過程如傳感器計算地形通視條件。

圖8 探測交互Fig.8 Illustration of detect interaction

圖9 毀傷交互Fig.9 Damage interaction

圖10 環境交互Fig.10 Interaction between model entity and environment

5 基于模型體系框架的建模仿真

基于柔性可擴展模型體系框架的模型開發應用流程包括模型組件開發、模型組件與集成框架組合及仿真系統集成等過程，能夠“快、好、省”地支持仿真系統的構建。

模型開發應用流程如圖11所示,在可擴展模型組件開發中，首先根據模型需求，開發擴展模型組件。在模型組合工具中，輸入組件模型的參數，構建參數模型組件，將組件模型與集成框架進行組合，形成仿真裝備模型。裝備模型經校核后存入模型數據庫，待仿真應用系統應用時，添加到想定中。

基于柔性可擴展模型體系框架的建模仿真，對建模過程和模型形式進行了規范和約束，支持模型組件按標準開發，增強模型適用性。“集成框架+模型組件”組合集成形成裝備模型的建模形式增強模型功能的擴展性和模型重用性，提高仿真模型開發效率。

6 結束語

構建裝備模型體系框架，有利于將模型與仿真平臺分離、將組建模型組合成為整體。本文提出一種柔性可擴展裝備仿真模型體系，給出了裝備模型建模框架。為保障構建裝備模型時組件模型柔性適配、快速靈活添加，給出了一種基于數據白板的數據交互模式。針對該框架設計提出了一種基于共享數據板塊的組件交互方式，設計了基于該建模框架的模型內、外部交互流程。裝備模型體系框架對體系對抗仿真裝備模型建模過程具有指導意義，可應用到裝備體系對抗仿真系統建設中，后續工作中將繼續完善模型描述，對體系框架的調用調度方法進行研究。