面向聯合的海戰仿真模型優化設計研究

劉 劍，田立業，章 陽

(海軍潛艇學院， 山東 青島 266199)

面向聯合的海戰仿真系統的構建應滿足大規模和多粒度的多(力量)兵力對抗仿真，戰術檢驗和作戰效能評估等功能需求，但受作戰仿真模型規模、結構層次和模型相互耦合作用等因素的影響，海戰仿真系統構建面臨結構復雜、集成困難、維護代價高昂等問題，迫切需要對仿真模型實施優化設計，實現仿真模型動態選取、定制與組合，以適應不同作戰想定環境下仿真模型資源可重用和動態可重配置的需求。

一些研究提出了采用組件化建模技術[1-3]，元模型仿真建模技術[4]，但大規模復雜仿真系統中將組件化建模技術與仿真模型優化設計相結合仍然是一個亟待解決的難點問題。本文以聯合海戰仿真模型的優化設計為核心，提出面向聯合海戰仿真的服務架構，構建聯合海戰仿真模型體系，實現仿真模型資源的優化管理與可重配置。

1 面向聯合的海戰仿真模型優化設計需求

作戰仿真模型是對戰場環境、物理裝備和兵力行動本質屬性的抽象與描述，是作戰仿真功能實現與系統優化的關鍵與核心[5]。以往仿真訓練系統的模型設計以優先滿足本系統功能為目標，由于系統在設計上的“先天”封閉性，導致所構建的仿真模型相對封閉，雖然有部分可重用的模型設計，但是可重用和優化的范圍還限于相似或相近的系統，難于解耦。

此外，在聯合分布式仿真實驗條件下的仿真系統構建需要對各兵種作戰業務仿真模型綜合集成，但原有系統仿真模型仿真粒度、仿真功能和性能指標不一致，導致具備優勢的業務仿真模型無法直接重用，需要通過定制信息接口轉換以及時空協同重構等方式達成物理結構和仿真功能上的統一協同。雖然實現了結構上的系統聯合，但是難以實現深入的業務邏輯模型的重用和組合，難于升級維護，達不到高效整合的仿真實驗要求。因此，面向聯合的海戰作戰仿真模型資源優化設計，對于新型大型分布式仿真訓練系統的研制以及仿真模型統一規范的研究都具有重要的作用和價值。

2 海戰仿真模型優化設計

2.1 仿真模型層次優化設計

聯合海戰仿真從仿真對象的主要特點和影響作戰效能的因素角度出發，可分為內部因素和外部因素[6]。內部因素包括兵力裝備的性能、作戰人員素質、作戰任務，外部因素包括作戰的環境(海洋、大氣、電磁、信息環境等)和作戰對象。因此要保證模型體系的完備性必須在建模時考慮到影響聯合海戰的各主要因素，由此建立聯合海戰仿真模型體系。其所包括的各類模型按照其作用和地位可劃分為基礎類模型，武器及裝備類模型及應用類模型，如圖1所示。

圖1 聯合海戰仿真模型體系結構框圖

模型體系以先分層后模塊劃分。分層的基本依據是根據模型之間的調用關系，如應用類模型中的兵力平臺模型調用組成平臺的各種武器裝備類模型，而武器裝備類模型又調用描述其工作過程的基礎模型；模型模塊化分的依據是在滿足一定的仿真精度前提下保證模塊間的低耦合。對模型進行層次劃分有效地降低了系統分析和建模的復雜度，將模型分解成適當粒度的模型保證了模型針對特定研究問題的精度，也有利于模型實現和擴充。各層模型功能如下：

1) 基礎類模型提供上層模型所需的基礎計算模型，如傳感器探測以及武器仿真過程的公共基礎模型，基礎類模型可為上層的模型調用。

2) 武器及裝備類模型建立了構成艦艇、潛艇、飛機等兵力平臺的各種裝備模型以及搭載的各型武器模型，建模的依據是裝備及武器的性能，例如傳感器的性能指標，操縱運動規律等。

3) 平臺類模型主要構建聯合海戰作戰過程單平臺兵力以及輔助兵力作戰仿真模型，例如對抗條件下的各種反潛或配合兵力模型，其包括平臺作戰任務與平臺兵力決策等模型。

4) 編隊類模型主要用于編隊或編組兵力相關控制決策與任務行為模型，包含了對應不同層級作戰任務的兵力指揮模型以及合成編隊相關作戰任務模型。

聯合海戰仿真模型的模塊化與層次化設計化使得仿真應用層可以針對特定仿真任務靈活組織調用，進一步通過仿真想定腳本配置武器及裝備類模型、基礎類模型以及基礎數據，從而生成聯合海戰仿真所需的各種基本要素，驅動有關模型運行來實施聯合海戰仿真模擬。

2.2 仿真模型粒度一致性設計

聯合海戰仿真應實現仿真模型多分辨率建模的一致性。多分辨率建模通常關注于聚合級實體的作戰仿真建模，以解決復雜仿真系統的規模和結構性問題。聯合海戰仿真條件下，對所屬作戰兵力、裝備、環境的多分辨率建模必須要根據作戰仿真任務的需求進行合理的劃分和設計[7-8]。

聯合海戰仿真下多分辨率仿真建模通常應滿足戰術和戰役兩個層級仿真的需求。為保持模型粒度一致性，戰術層次仿真需以高分辨率建模以仿真實現作戰過程細節，例如作戰平臺的信息處理與武器的彈道邏輯過程；戰役層次仿真通常以低仿真分辨率運行以提高系統仿真運行效率，但這不意味著戰役層次仿真總是應該運行于低分辨率上，而是應該根據仿真任務需要可選擇地運行，例如對作戰方案的評估和優選適合采用低分辨率以提高仿真效率，但對于探求作戰關鍵指標因素影響則應采用高分辨率仿真，即使是對于聯合仿真實驗層面，更接近于真實作戰環境的精細化建模在仿真逼真度和可信度上，顯然優于對建模對象的簡化和抽象，也更能揭示作戰規律。因此聯合海戰仿真模型粒度一致性設計，應根據仿真任務需求對海戰仿真實施優化的多分辨率建模。

1) 作戰環境建模的多重表示。海戰環境包含了海洋環境、空戰場環境，對環境的仿真建模粒度將影響到裝備性能的仿真，進而影響到兵力平臺作戰性能和作戰任務的仿真。多分辨率條件下，環境建模隨模型粒度與建模方法的不同很難以聚合解聚的方式建模，更適合采用多重表示法建模，例如對于水下潛艇戰和反潛戰，海洋水聲環境的仿真采用簡振波模型進行信號級仿真，但是其運算復雜，運算量大[9-10]；采用能量方程結合工程擬合的方法，運算量小，速度快[11]，因此可以根據不同作戰任務的仿真精度要求，采用合適的模型表示以適應仿真粒度要求。

2) 裝備仿真建模的多重表示。裝備仿真將裝備與環境以及人機的交互進行抽象，對裝備作戰操控流程、信息處理流程以及與外界進行信息和能量交換過程等進行仿真實現，輸出的結果可以是裝備輸出的物理過程時序信息或者裝備與外部環境交互過程信息。聯合海戰仿真裝備仿真重點在于實現人在回路中裝備與環境交互的物理過程仿真以及根據仿真任務需要的虛擬裝備仿真，例如聲吶、雷達、魚雷和導彈等各類裝備仿真。

與之相應，裝備仿真模型粒度在聯合海戰仿真中應體現為兩種粒度。戰術層粒度的裝備仿真，采用與環境建模相一致的粒度，仿真實現傳感器探測、武器全彈道流程等物理交互過程；戰役層面的裝備仿真以裝備性能指標為參考，仿真實現裝備在作戰中的過程與結果信息，包括傳感器探測信息、指揮系統的決策信息、以及武器對目標的毀傷效果信息等，無需仿真實現裝備對環境、目標相交互的全程細節。

3) 平臺兵力作戰任務的仿真粒度協調。聯合海戰仿真下需要對各兵力平臺多種作戰任務行為進行仿真實現。兵力平臺層作戰行為仿真模型應考慮戰術和戰役層次仿真推演的需要。戰術層面的兵力作戰任務行為仿真側重對兵力某種任務下的全程動作行為與信息交互實時仿真；戰役層面的兵力作戰任務行為仿真著眼兵力任務行為中的任務完成度、完成時間、分布區域、資源消耗、發現概率、命中概率、毀傷程度與毀傷數量等指標實施仿真計算，通過數學解析、線下統計等方法，快速高效地對戰役層兵力平臺的作戰任務行為進行仿真實現。

例如，對潛艇或艦艇使用魚雷對目標實施射擊時，可以通過數學解析的方法給出對目標的毀傷概率，在此基礎上對單兵力實施攻擊任務仿真實現，輸出滿足戰役層仿真需要的相應要素信息而無需細粒度的仿真時間資源消耗。

4) 編隊作戰任務的聚合與解聚。編隊作戰任務仿真采用聚合-解聚的方法，通過對單兵力任務行為仿真聚合，仿真實現編隊層級復雜作戰任務行為，這樣的方法顯然符合軍事人員思維方式。以編隊反潛作戰任務行為仿真為例，從兵力最底層不可再分的任務行為出發，如機動、武器發射、傳感器探測等任務行為，聚合成更高一層的兵力階段性任務行為，如魚雷攻擊、導彈攻擊等，并在此基礎上將兵力層級的任務行為聚合成編隊層級的作戰任務行為，如編隊對海攻擊、編隊對空防御等。與之相對應，任務解聚就是根據從編隊層級的作戰任務出發，將其分解成更為底層，粒度更細的兵力層級的任務行為。

戰術層粒度的編隊作戰任務行為仿真側重于編隊指揮決策的仿真建模，如兵力的任務分配、作戰區域協同、作戰時間協同以及干預協調等。在編隊指揮基礎上，各仿真兵力按序實施所分配的任務并接受上級指揮改變作戰任務行為，通過任務行為的組織和協同完成既定的作戰目標。

戰役層粒度的編隊作戰任務行為仿真通過對平臺兵力作戰任務分解以及基本能力指標計算，實現相對粗粒度的戰役層編隊作戰任務行為仿真。通常編隊層作戰任務行為仿真應根據系統仿真精度，兼顧仿真粒度和運行效率，響應系統不同仿真分辨率需求。

2.3 仿真模型的模態設計

聯合海戰仿真模型在設計時需遵循面向服務的組件規范，根據組件功能及特點不同有以下兩種類型組件模態實現方式：

1) 有狀態會話組件(Stateful Bean)。該類組件可區分用戶身份，并在生命周期內保持與用戶會話信息，如艦艇編隊層任務行為仿真模型，能在一段時間內保存仿真過程數據。

2) 無狀態會話組件(Stateless Bean)。該類組件不區分用戶身份，也不保持與用戶的會話信息，如運動要素解算和射擊諸元解算等基礎模型。

兩類組件在仿真服務器端的創建和管理上有明顯不同，有狀態會話組件遵循一對一服務模式，即組件容器會為每個訪問該類組件的用戶生成一個獨享的組件實例，而無狀態會話組件遵循一對多(或多對多)模式，仿真引擎可以對無狀態會話組件實施按需分配和靈活回收機制，以減少系統資源消耗，而有狀態會話組件則需要對其分配和維持相應數據空間，以保存歷史數據并保證實施所需的業務邏輯計算。

聯合海戰仿真模型中對各類仿真模型模態應進行正確設計以提高仿真系統的效率和運行穩定性。一般來說，在仿真生命周期中需要保持數據和狀態的兵力、武器裝備等模型采用有狀態會話組件實現，而一般用于通用計算、公共服務的模型采用無狀態會話組件實現，這樣仿真引擎可根據客戶數量和資源情況決定生成無狀態會話組件實例的數量，從而在資源利用率和服務效率上取得平衡。

3 面向聯合的海戰仿真模型接口與模型組合設計

3.1 聯合海戰仿真模型接口設計

聯合海戰仿真系統作戰仿真模型以軟件組件形式實現可重用和可重構。仿真模型組件都具有清晰的接口并可對外提供服務，服務的對象可以是客戶端程序，也可以是服務端的其他組件。

聯合海戰仿真模型組件接口設計應采用統一標準，明確輸入和輸出，便于不同層級組件以及仿真應用調用。在設計時，軍事概念設計人員和工程實現人員相配合，根據仿真模型層次規范相應設計組件接口，如圖2所示。

圖2 模型組件接口設計示意圖

在聯合海戰仿真模型層次中，基礎與裝備模型的接口固定，例如不同類型的魚雷和導彈武器，雖然其戰術技術性能不一樣，彈道邏輯不一樣，但是武器對外提供的接口是一致的，這樣便于外部仿真服務調用。兵力和編隊層模型組件由于需要實現相對復雜的不同層次作戰任務行為，兼具不同分辨率的仿真需求，在接口設計時隨組件仿真粒度采用對應特定接口。

3.2 仿真模型組合與可重用

由于聯合海戰仿真模型設計采用了分層和模塊劃分，相鄰兩層之間模型構成了組合關系，可以通過模型組合達到模型的可重用，組合分為靜態組合動態組合兩種。

模型靜態組合以兵力基本性能參數配置的形式實現，例如兵力平臺級模型由武器裝備級的聲納、雷達、動力、操縱及武器系統等模型組成，通過依賴注入引用其他模型組件(聲納、雷達、運動等)，實現模型組件的組合，在這種組合條件下不同模型的性能通過基本性能數據的異同來表現。

模型動態組合適用于難以通過基礎數據來表達模型性能差異的場合，其以不同模型組件的動態嵌入方式實現。例如不同型號的魚雷武器，由于武器彈道邏輯和自導檢測邏輯存在較大差異，其彈道仿真模型需要仿真實現不同階段的分段彈道模型，可在仿真運行中通過讀取彈道邏輯配置文件采用組件的動態組合方式實現。由于聯合海戰仿真對象行為過程復雜，采用類似OSGI協同仿真框架的方法雖然為組件的動態配置提供了便利[12]，但是其實現復雜較難在服務端實現組件模型的組合和重構，因此可行的方法是根據仿真服務器接口，采用仿真想定預先設定的模型配置文件，實施動態模型組件組合。

模型可重用體現在同一模型組件可以為其他調用者(模型組件或者應用程序)以二進制代碼等級動態重用。通過組件化模型設計，仿真所需的各種作戰平臺模型可以通過細粒度的模型組件組合而成，而重用不僅體現在模型代碼二進制代碼的重用，還體現在潛艇、艦艇等作戰平臺模型可重用相同的聲納、雷達等裝備模型，如圖3所示。

圖3 仿真模型組件組合及重用示意圖

圖3中仿真應用層兩個用戶分別啟動了3個仿真任務，通過對仿真模型服務層的調用在服務器端動態生成了各自的仿真上下文環境(simulation context)，每個上下文包括了所仿真兵力有關的各種模型實例。3個仿真上下文中兵力由不同的武器裝備模型組合而成的，且重用了兵力及其相關武器裝備模型組件并生成了不同的模型組件實例，即使在同一仿真上下文中同一武器裝備模型也可能被不同的兵力所重用，以及對武器裝備模型動態配置。

4 仿真系統架構與應用比較

4.1 仿真系統架構

聯合海戰仿真系統架構采用面向服務的系統架構(圖4)。其組成如下：

圖4 聯合海戰仿真系統架構典型軟硬件配置示意圖

1) 面向服務仿真硬件架構。由于面向服務的仿真架構采用的技術體制具有很好的底層兼容性，仿真體系框架中計算機硬件可以根據需要靈活配置選擇臺式計算機、高性能服務器乃至集群并行計算系統。此外不同異構系統可以通過網絡集成在一個統一仿真實驗環境中，有利于系統的擴展升級和資源的利用，具體包括：

分布式計算節點：采用通用商業計算機、便攜計算機或高性能服務器。計算節點安裝仿真服務平臺軟件(包括模型服務軟件、公共服務軟件及應用服務器軟件)主要解決多用戶同時開展仿真實驗的容量問題。在全系統網絡協同控制下，通過仿真公共服務支撐將計算節點連接成分布式松散耦合的仿真訓練系統，通過將某一仿真任務內按照仿真任務性質分布到各異構或同構節點上，在同一仿真模型基礎服務下提高仿真運行速度并實現仿真資源的靈活配置和資源的有效利用。

仿真計算中心：采用高性能集群并行計算系統，主要安裝仿真服務平臺軟件作為聯合海戰仿真高性能計算資源，提供仿真計算服務。通常針對較規模大、模型復雜的仿真研究課題，不僅每次計算量大，而且需要根據不同的參數及概率分布進行閉環重復計算，以對仿真結果數據進行統計分析。采用高性能集群并行計算系統可以有效提高作戰問題研究的時效性。

數據中心：采用高性能數據庫服務器，配置磁盤陣列，安裝數據庫系統軟件，主要為仿真實驗統一提供仿真模型運行所需的基礎數據以及仿真過程生成各種數據的存儲服務，通過頂層的數據接口通用設計，利用聯合海戰仿真服務下的大數據開展所需的數據挖掘和人工智能與機器學習。

2) 面向服務仿真軟件架構。仿真軟件包括仿真服務軟件與仿真應用軟件。其中仿真服務軟件主要包括仿真模型服務軟件、仿真公共服務軟件等。仿真模型服務軟件、仿真公共服務軟件部署在仿真計算資源計算機上，其中仿真公共服務軟件為上層仿真服務模型組件提供基礎服務，包括仿真任務管理、實體管理、時間管理、交互管理等服務。

仿真應用軟件是系統中的基于虛擬仿真兵力和虛擬裝備的推演或實驗類軟件，它們采用客戶端生成的虛擬仿真兵力和裝備的前端顯示操作控制界面，調用服務器端仿真計算服務，實現人在回路中的仿真或基于特定任務規劃的閉環仿真實驗。

4.2 仿真模式與仿真推進

面向服務的海戰仿真環境支持閉環及開環兩類仿真運行模式。其中閉環仿真是指人或硬件不參與實驗的仿真模式，適合于作戰方案評估及優化，作戰效能評估，作戰能力分析等需要反復進行多次仿真計算的概率統計分析等研究課題。由于面向服務仿真環境中仿真服務資源被看成一個邏輯上統一的整體，因此通過仿真任務合理分配，采用分布計算與集群計算的形式都能通過并行計算的途徑很好地發揮閉環仿真高效運行的優勢。

開環仿真是指人或硬件參與實驗的仿真模式，這種模式下由于外部真實世界的人或硬件參與，使得仿真世界中的模型實體需要處理外部交互信息。開環仿真適合于方案設計、裝備操控訓練等人或硬件參與的仿真。這種模式下人和實際裝備可以通過接口實現虛實仿真，從而豐富了仿真應用模式，拓展了仿真應用范圍。

仿真時間推進采用兩種方式，包括實時仿真和超實時仿真。在聯合海戰仿真多分辨率的仿真需求下，仿真推進不論對于實時或者超實時仿真，仿真步長都需要根據具體仿真任務進行合理設置，考慮聯合海戰仿真多分辨率的要求，當仿真從戰役層的低分辨率轉換到戰術層面的高分辨率，以及仿真實驗時為了提升高分辨率仿真的運行效率，需要采用一種仿真時間+仿真事件相結合的推進方法。

聯合海戰仿真中事件分為申請事件和固定事件，申請事件由各個仿真訓練節點根據作戰態勢向事件管理組件發出，例如兵力的探測發現、滿足攻擊條件下的武器發射等，這些可通過數學解析提前預測或控制決策預先決策的方法，以提高仿真運行效率；固定事件由仿真事件組件定周期采用固定算法或模式匹配對固定事件實時檢測，例如物體的碰撞、武器航程耗盡、武器的命中毀傷判斷等。所有事件在仿真事件組件中處理，提交的仿真事件信息包括事件類型、事件預計發生期望時間。仿真時間管理組件根據模型計算邏輯確定各計算節點下一周期的仿真推進時間點和仿真步長，以同步事件的形式發送至各兵力仿真節點，各兵力仿真節點收到同步事件后，運行內部事務邏輯，通過底層仿真服務支持，將仿真時間協同推進到同步事件規定時間。

4.3 優化設計比較分析

面向聯合的海戰仿真以服務為核心，通過仿真模型的組件化、層次化、多分辨率和模態的優化設計以及在此基礎上仿真服務架構的構建，相對以分布式橋接方式所實現的未經優化的多系統互聯仿真，在模型資源可重用性以及系統功能和性能上具有明顯優勢，對主要指標進行分析如表1所示。

表1 面向聯合海戰仿真模型指標的優化設計

面向聯合的海戰仿真環境下各系統通過互聯實現一體化仿真，優化設計后的系統仿真模型實現了模型規模類別的“縱向”集約集成，這相比優化前“橫向上”的集成(存在多種相似或相近同類模型)，模型數量、維持仿真平均在線實例數量和系統通信負荷得以有效減少；通過優化接口設計，各類作戰業務邏輯模型可以有效組合和重用，例如水下武器彈道模型，通過運動、搜索、跟蹤、再搜索等基礎彈道模型的組件化設計以及彈道邏輯模型的參數配置，仿真實現不同型號武器的彈道過程；由于優化設計后仿真模型粒度與仿真業務邏輯保持一致，可以對面向聯合的海戰仿真模型實施統一的升級和維護，且無需再設計仿真沖突消解，能支持分布式同構系統和異構系統的仿真訓練和仿真實驗，實現深入的作戰業務邏輯仿真模型的重用和組合，系統功能性能得到了有效提升。

5 結論

通過對面向聯合的海戰仿真模型進行合理的層次、粒度、模態與接口的優化設計，構建了面向服務的聯合海戰仿真服務架構，實現了聯合海戰仿真實驗系統作戰仿真模型的組合與重用，改善和提高了系統仿真性能。論文仿真模型優化設計與系統架構設計方法可為大型分布式聯合海戰仿真系統提供底層的仿真模型資源優化和集成，對面向聯合的新型海戰仿真系統研制與現有基于異構、同構系統的改造和升級具有積極意義和重要作用。