多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái)①

楊兆瑞, 于 翔, 王 堅(jiān), 魯金直, 蘭小平, 姚春波

1(電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 成都 611731)

2(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所, 成都 610036)

3(北京中科蜂巢科技有限公司, 北京 100088)

4(兵器工業(yè)信息中心, 北京 100094)

5(深圳市慧宇系統(tǒng)有限公司, 深圳 154100)

隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)信息化與智能化演進(jìn), 作戰(zhàn)體系需要通信、機(jī)械、自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同工作[1], 如何設(shè)計(jì)出高效能的作戰(zhàn)體系成為各國(guó)研究的熱點(diǎn). 美國(guó)最先于1996年發(fā)布了信息通訊指揮系統(tǒng)(Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance, C4ISR)[2]支持作戰(zhàn)體系開(kāi)發(fā), 隨后在此框架基礎(chǔ)上于2003年頒布了美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(Department of Defense Architectural Framework, DoDAF)[3]指導(dǎo)美軍作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì). 基于DoDAF的思想, 英國(guó)于2005年頒布英國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(Ministry of Defence Architecture Framework, MoDAF)[4]支持英軍作戰(zhàn)體系開(kāi)發(fā), 北約于2007年發(fā)布北約結(jié)構(gòu)框架(NATO Architectural Framework, NAF)[5]支持作戰(zhàn)體系開(kāi)發(fā).

然而, 目前作戰(zhàn)體系的設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在一些挑戰(zhàn), 比如:

(1)體系建模工具之間異構(gòu)數(shù)據(jù)難以共享. 作戰(zhàn)體系設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)不同領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng), 需要用到多種建模工具, 而這些工具建模語(yǔ)言不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致、模型組件庫(kù)不兼容, 這使得不同建模工具之間的異構(gòu)數(shù)據(jù)難以共享.

(2)體系建模工具與仿真工具聯(lián)動(dòng)困難. 目前大多數(shù)建模工具只支持建模, 缺乏與之配套的仿真工具. 對(duì)于體系模型的仿真往往需要移植到其他平臺(tái)中實(shí)現(xiàn),導(dǎo)致體系建模與仿真聯(lián)合工作難度大.

為解決上述問(wèn)題, 本文提出一種多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái), 該平臺(tái)采用多架構(gòu)建模語(yǔ)言(Kombination of ARchitecture Model specificAtion, KARMA)[6]支持元元模型、元模型與體系模型的形式化表達(dá)以及體系模型的仿真, 實(shí)現(xiàn)元模型設(shè)計(jì)、體系模型設(shè)計(jì)以及體系模型仿真一體化設(shè)計(jì)能力.

1 相關(guān)工作

近年來(lái), 人們對(duì)體系設(shè)計(jì)展開(kāi)了廣泛的研究. 體系設(shè)計(jì)相關(guān)研究工作主要分為兩大塊內(nèi)容: 體系建模和模型仿真.

1.1 體系建模

20世紀(jì)90年代后期, 體系研究的重要性初步得到認(rèn)可, 體系工程研究開(kāi)始起步[7]. 2009年國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(INternational Council On Systems Engineering,INCOSE)[8]提出了基于模型的體系工程(Model-Based System of Systems Engineering, MBSoSE)概念后,MBSoSE成為了體系工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). MBSoSE使用圖形化的模型支持體系或其系統(tǒng)中要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)[9], 不斷迭代這些活動(dòng)完成整個(gè)體系的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā). MBSoSE主要由建模語(yǔ)言、建模方法和建模工具組成.

MBSoSE的建模語(yǔ)言有很多種, 對(duì)象管理組織(Object Management Group, OMG)和國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)INCOSE于2006年提出了統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Systems Modeling Language, SysML)[10]支持體系設(shè)計(jì)中系統(tǒng)建模, 隨后又開(kāi)發(fā)了支持DoDAF與MoDAF的統(tǒng)一建模標(biāo)準(zhǔn)(Unified Platform for Defense Modeling, UPDM)[11],此外還有針對(duì)特定領(lǐng)域模型描述的領(lǐng)域建模語(yǔ)言(Domain Specific Modeling Language, DSML)[12].

MBSoSE的建模方法有很多種, Lutz等人提出了基于agent的體系建模方法[13]； 美國(guó)國(guó)防部提出了基于能力規(guī)劃(Capability-Based Planning, CBP)的體系建模方法[14], 以能力分析為核心對(duì)體系進(jìn)行建模設(shè)計(jì)； 美軍開(kāi)發(fā)了聯(lián)合能力集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(Joint Capabilities Integration and Development System, JCIDS)[15]支持體系建模分析.

1.2 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證旨在突破體系模型的仿真驗(yàn)證技術(shù), 支持體系設(shè)計(jì)的概念仿真驗(yàn)證. 對(duì)于這方面的研究工作,Clarke等人提出了Promela[16]設(shè)計(jì)約束語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行約束, 同時(shí)搭配SPIN[17]驗(yàn)證工具對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證； 瑞典的Uppsala大學(xué)與丹麥的Aalborg大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款自動(dòng)驗(yàn)證工具UPPAALL[18], 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證； Cimatti等人開(kāi)發(fā)了一款名為NuSMV[19]的模型驗(yàn)證工具, 實(shí)現(xiàn)模型符號(hào)驗(yàn)證.

盡管有許多的建模語(yǔ)言與建模方法, 但多數(shù)建模工具不能支持所有的建模語(yǔ)言和建模方法的實(shí)現(xiàn), 導(dǎo)致體系建模工具之間異構(gòu)數(shù)據(jù)難以共享. 同時(shí)多數(shù)模型仿真驗(yàn)證方法只支持特定的驗(yàn)證工具, 導(dǎo)致體系建模工具與仿真工具聯(lián)動(dòng)困難.

2 多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái)

本文提出多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái), 設(shè)計(jì)概念圖如圖1所示, 該平臺(tái)具體流程如下: 首先基于GOPPRR (Graph, Object, Point, Property, Relationship,Role)元元模型[20], 采用GOPPRR建模方法建立特定建模語(yǔ)言的元模型庫(kù)； 其次基于元模型庫(kù), 按照特定體系設(shè)計(jì)框架進(jìn)行體系建模； 最后針對(duì)建立的體系模型,通過(guò)混合有限狀態(tài)機(jī)仿真技術(shù)對(duì)體系行為進(jìn)行仿真.整個(gè)平臺(tái)采用KARMA多架構(gòu)建模語(yǔ)言實(shí)現(xiàn), 從而支持元元模型、元模型與體系模型的形式化表達(dá)與體系模型仿真的無(wú)縫銜接.

圖1 多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái)

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)涵蓋元模型層與體系模型層. 基于M0-M3建模層級(jí)[21], 采用GOPPRR建模方法[20]建立元模型與體系模型. 如圖2該建模層級(jí)將模型分為4個(gè)層次, 分別是M3 (元元模型)、M2 (元模型)、M1 (體系模型)和M0 (真實(shí)視角), 其中M3與M2層為平臺(tái)中元模型層, M1與M0層為體系模型層. M3層包括圖、對(duì)象、點(diǎn)、屬性、關(guān)系和角色6種元元模型[17], 首先,通過(guò)元元模型建立M2層的不同建模語(yǔ)言的元模型庫(kù)；其次, 基于建立的元模型庫(kù), 通過(guò)實(shí)例化元模型建立M1層中描述體系視角的模型； 最后, 通過(guò)M1層中的模型來(lái)表達(dá)M0層中真實(shí)體系的不同視角.

圖2 M0-M3建模層級(jí)

2.1.1 M3元元模型層

M3層為元元模型層, 代表最高抽象程度的模型,是對(duì)元模型的抽象表達(dá). 6種元元模型分別是圖、對(duì)象、屬性、點(diǎn)、角色和關(guān)系, 其含義如下:

(1)對(duì)象(object): 可以單獨(dú)存在的模型. 即可以獨(dú)立于角色和關(guān)系而存在, 也能與其他對(duì)象進(jìn)行連接.

(2)屬性(property): 不能單獨(dú)存在,只能附屬在其他元元模型上表達(dá)對(duì)應(yīng)參數(shù)或特征值.

(3)關(guān)系(relationship): 用于表達(dá)兩個(gè)對(duì)象之間的連接關(guān)系, 通過(guò)角色和對(duì)象進(jìn)行連接.

(4)點(diǎn)(port): 附屬在對(duì)象上的模型, 用于表示對(duì)象上能夠與關(guān)系連接的接口.

(5)角色(role): 存在于連接對(duì)象的關(guān)系兩端的模型, 用來(lái)表示對(duì)象或?qū)ο蟮狞c(diǎn)之間連接.

(6)圖(graph): 圖由以上5種元元模型組成, 用于描述體系視角的模型.

通過(guò)6種元元模型的組合, 開(kāi)發(fā)M2層特定建模語(yǔ)言的元模型.

2.1.2 M2元模型層

M2層為元模型層, 元模型由6種元元模型組合而成, 用于描述特定建模語(yǔ)言, 元模型設(shè)計(jì)流程如下:

(1)定義屬性元模型, 用于描述其他元模型的參數(shù)或特征值, 支持其他元模型的引用.

(2)定義點(diǎn)元模型, 為其添加屬性元模型, 并定義其方向, 包括輸入、輸出和無(wú)向3種, 支持附屬在對(duì)象元模型上, 描述對(duì)象上用于連接關(guān)系的接口.

(3)定義對(duì)象元模型, 添加對(duì)象名稱, 并對(duì)不同對(duì)象元模型添加特有的屬性元模型, 同時(shí)包含接口的對(duì)象需要添加點(diǎn)元模型.

(4)定義關(guān)系元模型, 添加關(guān)系名稱, 并對(duì)不同關(guān)系元模型添加其特有的屬性元模型, 支持連接兩個(gè)對(duì)象, 描述對(duì)象之間的交互關(guān)系.

(5)定義角色元模型, 添加角色名稱, 并對(duì)不同角色元模型添加其特有的屬性元模型, 支持對(duì)象與關(guān)系的連接, 描述對(duì)象的連接方式.

(6)定義圖元模型, 首先, 添加其含有的對(duì)象元模型、關(guān)系元模型與角色元模型； 其次, 定義關(guān)系與角色的連接； 最后, 定義對(duì)象或?qū)ο笊系狞c(diǎn)與角色的連接關(guān)系.

本文以DoDAF八個(gè)視角對(duì)應(yīng)的UPDM (Unified Platform for Defense Modeling)標(biāo)準(zhǔn)下的元模型為例,基于GOPPRR元元模型相互組合, 建立UPDM標(biāo)準(zhǔn)的元模型庫(kù), 如對(duì)象元模型“作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)”、屬性元模型“作戰(zhàn)名稱”、點(diǎn)元模型“資源出口”和關(guān)系元模型“資源交互”等.

2.1.3 M1體系模型層

M1層為體系模型層, 基于特定建模語(yǔ)言的元模型庫(kù), 按照特定體系設(shè)計(jì)框架, 通過(guò)實(shí)例化6類元模型建立描述體系的模型.

以DoDAF框架下的作戰(zhàn)視圖為例, 作戰(zhàn)視圖所包含的模型圖及描述如表1所示. 基于UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù), 首先實(shí)例化對(duì)象元模型、屬性元模型、點(diǎn)元模型、關(guān)系元模型與角色元模型, 其次通過(guò)這5類元模型的組合實(shí)例化出描述體系的圖模型, 例如圖模型“OV-2作戰(zhàn)資源流描述”. 圖模型需要根據(jù)DoDAF框架的作戰(zhàn)視圖建模順序進(jìn)行建立, 作戰(zhàn)視圖建模順序如圖3所示.

圖3 作戰(zhàn)視圖建模順序

表1 作戰(zhàn)視圖模型圖描述

2.1.4 M0真實(shí)視角層

M0層為真實(shí)的體系視角, 基于M1層建立的體系模型, 建立描述真實(shí)體系的不同視角, 如基于M1層建立的OV-1、OV-2、OV-3、OV-4、OV-5b、OV-6a、OV-6b及OV-6c共8張模型圖, 組成DoDAF框架的視角“作戰(zhàn)視圖”, 支持作戰(zhàn)任務(wù)使命、環(huán)境及資源交互的描述. 此外還包括“能力視圖”“服務(wù)視圖”“全景視圖”“標(biāo)準(zhǔn)視圖”“數(shù)信視圖”“系統(tǒng)視圖”及“項(xiàng)目視圖”共8個(gè)視角, 支持從不同角度描述真實(shí)體系.

2.2 模型驗(yàn)證

基于混合有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)仿真技術(shù), 對(duì)描述體系動(dòng)態(tài)行為的模型進(jìn)行仿真, 根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)體系行為中的各對(duì)象參數(shù)與變量進(jìn)行分析, 驗(yàn)證其變化是否滿足設(shè)計(jì)需求, 同時(shí)支持根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行方案權(quán)衡.狀態(tài)仿真技術(shù)的原理圖如圖4所示.

圖4 狀態(tài)仿真原理圖

如圖4所示, 狀態(tài)仿真技術(shù)基于KARMA語(yǔ)言, 實(shí)現(xiàn)體系行為模型的形式化表達(dá). 體系行為模型包含圖屬性、狀態(tài)屬性、狀態(tài)變遷屬性以及對(duì)象屬性4種模型屬性, 其含義如下:

(1)圖屬性: 該屬性描述狀態(tài)機(jī)圖中需要用到的初始變量與參數(shù), 如任務(wù)場(chǎng)景中的“飛機(jī)狀態(tài)”初始值為“靜止”及“雷達(dá)開(kāi)啟狀態(tài)”初始值為“關(guān)閉”等, 支持描述場(chǎng)景中的各種初始變量與參數(shù).

(2)狀態(tài)屬性: 該屬性描述狀態(tài)機(jī)圖中每個(gè)狀態(tài)的屬性, 包括狀態(tài)名稱, 以及該狀態(tài)下的環(huán)境參數(shù), 如飛機(jī)的“加速”狀態(tài)下的環(huán)境風(fēng)速參數(shù)等, 支持描述體系行為中包含的狀態(tài).

(3)狀態(tài)變遷屬性: 該屬性描述狀態(tài)機(jī)圖中各個(gè)狀態(tài)之間的變遷屬性, 包括狀態(tài)之間變遷的條件, 如兩個(gè)對(duì)象之間的距離小于100時(shí)跳轉(zhuǎn)至下一個(gè)狀態(tài)等, 以及變遷時(shí)的執(zhí)行動(dòng)作, 如飛機(jī)跳轉(zhuǎn)至“探測(cè)”狀態(tài)時(shí)將飛機(jī)的探測(cè)雷達(dá)狀態(tài)置為“開(kāi)啟”等, 支持描述體系行為中對(duì)象的狀態(tài)跳轉(zhuǎn).

(4)對(duì)象屬性: 該屬性描述狀態(tài)機(jī)圖中的對(duì)象的屬性, 包括對(duì)象在整個(gè)行為中的參數(shù), 如飛機(jī)的長(zhǎng)、寬、高等, 以及參數(shù)變化的數(shù)學(xué)公式, 如飛機(jī)的速度公式與耗油公式等, 支持針對(duì)體系行為中對(duì)象的各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析.

首先, 通過(guò)多架構(gòu)建模語(yǔ)言定義4種模型屬性； 其次, 基于4種模型屬性合成語(yǔ)言仿真片段； 最后, 將語(yǔ)言仿真片段導(dǎo)入混合狀態(tài)機(jī)求解器中求解得出仿真結(jié)果, 實(shí)現(xiàn)針對(duì)描述體系動(dòng)態(tài)行為的模型進(jìn)行仿真.

3 案例分析

本文案例以空地協(xié)同防御體系中的人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景為例, 使用多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行體系設(shè)計(jì), 驗(yàn)證該平臺(tái)支持體系設(shè)計(jì)的有效性.

3.1 案例場(chǎng)景描述

空地協(xié)同防御體系中的人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景的作戰(zhàn)任務(wù)概念圖如圖5所示. 敵軍入侵我方領(lǐng)地被我方雷達(dá)檢測(cè)信號(hào)捕獲后, 我方雷達(dá)控制中心指揮戰(zhàn)機(jī)出擊,尋找敵機(jī)并驅(qū)逐敵機(jī). 隨后, 戰(zhàn)機(jī)尋找敵方戰(zhàn)車并追蹤敵方戰(zhàn)車. 敵方戰(zhàn)車撤離后, 雷達(dá)控制中心指揮戰(zhàn)機(jī)前往指定區(qū)域收集地面圖像信息. 最后, 戰(zhàn)機(jī)前往指定區(qū)域肅清, 保證區(qū)域內(nèi)無(wú)敵軍后返回基地.

針對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì), 存在戰(zhàn)機(jī)的任務(wù)所需時(shí)間、耗油量及飛行高度等需求指標(biāo), 設(shè)計(jì)中需要滿足這些指標(biāo), 如表2所示. 本文給出假想的敵方偵察機(jī)以及我方幾架備選戰(zhàn)機(jī)的性能指標(biāo), 如表3所示.

表2 任務(wù)需求指標(biāo)

表3 戰(zhàn)機(jī)性能指標(biāo)

3.2 案例實(shí)現(xiàn)

首先, 基于GOPPRR元元模型建立UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù)； 其次, 基于UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù), 按照DoDAF框架建立場(chǎng)景的作戰(zhàn)視圖模型； 最后, 基于作戰(zhàn)視圖模型, 通過(guò)混合有限狀態(tài)機(jī)仿真技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)中的戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行仿真, 并根據(jù)仿真結(jié)果與任務(wù)指標(biāo)進(jìn)行出擊戰(zhàn)機(jī)方案權(quán)衡.

3.2.1 UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型建立

基于GOPPRR元元模型建立DoDAF八個(gè)視角對(duì)應(yīng)的UPDM標(biāo)準(zhǔn)下的元模型庫(kù), 建立的元模型庫(kù)包含DoDAF的8個(gè)視角共52張圖所對(duì)應(yīng)的所有UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型(由于UPDM元模型庫(kù)數(shù)量過(guò)多, 本文只列出DoDAF中的OV-2對(duì)應(yīng)元模型庫(kù)供參考), 本文提出的平臺(tái)以MagicDraw[22]工具中元素為參考進(jìn)行元模型設(shè)計(jì), 建立的OV-2元模型如表4所示.

表4 多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái) OV-2元模型(MagicDraw OV-2元素)列表對(duì)比

3.2.2 UPDM體系建模

基于UPDM標(biāo)準(zhǔn)下的作戰(zhàn)視圖元模型庫(kù), 根據(jù)2.1.3節(jié)介紹的作戰(zhàn)視圖的建模順序建立體系模型, 建立人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景作戰(zhàn)視圖模型如圖6所示.

圖6 作戰(zhàn)視圖模型

(1)首先建立作戰(zhàn)概念部分. 建立OV-1分析人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景任務(wù)的高層作戰(zhàn)概念圖及功能需求, 描述作戰(zhàn)任務(wù)的概念流程.

(2)隨后建立組織、指揮關(guān)系部分. 建立OV-4描述作戰(zhàn)任務(wù)中我方的參與組織結(jié)構(gòu)關(guān)系來(lái)明確作戰(zhàn)中的指揮層級(jí)關(guān)系.

(3)明確了作戰(zhàn)概念、功能需求和組織結(jié)構(gòu)后建立作戰(zhàn)流程部分. 首先建立OV-5b, 以活動(dòng)圖的方式建立出整個(gè)防御場(chǎng)景作戰(zhàn)流程以及每個(gè)作戰(zhàn)活動(dòng)所需要的觸發(fā)條件； 其次建立OV-6a, 給出場(chǎng)景中的我方各要素的性能邊界, 以此作為選擇作戰(zhàn)方案的指標(biāo)； 最后建立OV-6b和OV-6c, OV-6b以狀態(tài)機(jī)圖的方式描述出各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化, 描述出作戰(zhàn)順序, 以及作戰(zhàn)之間的轉(zhuǎn)換、OV-6c以序列圖的方式, 強(qiáng)調(diào)了各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互事件和時(shí)間順序.

(4)最后建立作戰(zhàn)活動(dòng)間的資源和信息交互關(guān)系.分別建立OV-2和OV-3. OV-2描述了人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景作戰(zhàn)活動(dòng)之間的信息交換和依賴關(guān)系, 反映了作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息需求, 形成信息流動(dòng)網(wǎng)絡(luò). OV-3具體描述了每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間交互所產(chǎn)生的資源和信息, 反映作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間的連通性.

基于圖6中建立的體系模型進(jìn)行仿真并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)我方戰(zhàn)機(jī)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估實(shí)現(xiàn)出擊戰(zhàn)機(jī)方案權(quán)衡.

3.2.3 狀態(tài)仿真

本文案例任務(wù)中出擊戰(zhàn)機(jī)有3架戰(zhàn)機(jī)備選, 存在戰(zhàn)機(jī)的任務(wù)執(zhí)行正確性、任務(wù)所需時(shí)間和耗油量這3個(gè)任務(wù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析, 選出最佳出擊戰(zhàn)機(jī). 本文使用狀態(tài)仿真技術(shù)對(duì)建立的體系模型中的狀態(tài)機(jī)圖“OV-6b作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型”進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真. 首先根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證作戰(zhàn)任務(wù)中戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程是否符合預(yù)期設(shè)計(jì), 其次根據(jù)仿真結(jié)果的戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)間和耗油量?jī)蓚€(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)比分析選出最佳出擊戰(zhàn)機(jī), 狀態(tài)仿真設(shè)計(jì)順序圖如圖7所示.

圖7 OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型及狀態(tài)仿真設(shè)計(jì)順序

首先, 定義狀態(tài)機(jī)圖中戰(zhàn)機(jī)對(duì)象的屬性, 如戰(zhàn)機(jī)的加速度公式、初始速度與最大推力等參數(shù)及變化公式；其次, 定義狀態(tài)機(jī)圖的圖屬性值, 如雷達(dá)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、我方戰(zhàn)機(jī)加速狀態(tài)與敵機(jī)加速狀態(tài)等場(chǎng)景中的初始變量與參數(shù)； 隨后, 定義每個(gè)狀態(tài)具有的屬性值, 如狀態(tài)名稱； 最后, 定義每個(gè)關(guān)系的狀態(tài)變遷屬性, 如敵機(jī)距離雷達(dá)1000 km時(shí)轉(zhuǎn)移到下個(gè)狀態(tài)且執(zhí)行我方戰(zhàn)機(jī)加速狀態(tài)開(kāi)啟等轉(zhuǎn)換條件和執(zhí)行動(dòng)作.

根據(jù)上述設(shè)計(jì)完成狀態(tài)仿真圖如圖8所示.

如圖8(a), 為更清晰的看出作戰(zhàn)過(guò)程, 本次仿真時(shí)只選取了3個(gè)對(duì)象與我方領(lǐng)地的距離參數(shù)顯示在圖中,其余的均不顯示. 圖中橙色線為我方戰(zhàn)機(jī)與領(lǐng)地的距離隨時(shí)間的變化曲線、綠色線為敵方戰(zhàn)車與領(lǐng)地的距離隨時(shí)間的變化曲線、紅色線為敵方戰(zhàn)機(jī)與領(lǐng)地的距離隨時(shí)間的變化曲線. 首先3張圖曲線顯示我方戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換均滿足設(shè)計(jì)的作戰(zhàn)任務(wù)流程, 其次可以看出3架戰(zhàn)機(jī)完成任務(wù)的時(shí)間分別是47.5 min、51.8 min和50.1 min, 均滿足約束“任務(wù)完成時(shí)間小于52 min”.

如圖8(b), 本次仿真僅顯示戰(zhàn)機(jī)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的耗油量的隨時(shí)間的變化曲線, 其中紅色線為備選戰(zhàn)機(jī)一的耗油量隨時(shí)間的變化曲線、黃色線為備選戰(zhàn)機(jī)二的耗油量隨時(shí)間的變化曲線、綠色線備選戰(zhàn)機(jī)三的耗油量隨時(shí)間的變化曲線. 3架戰(zhàn)機(jī)完成任務(wù)的耗油量分別是2451 kg, 2875 kg和1141 kg, 均滿足約束“耗油量小于3000 kg”. 數(shù)據(jù)表格如表5所示. 根據(jù)表5結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析, 首先3架戰(zhàn)機(jī)的3個(gè)指標(biāo)都滿足約束,均可以選擇； 其次任務(wù)完成時(shí)間最短的為備選戰(zhàn)機(jī)1,耗油量最少的是備選戰(zhàn)機(jī)3, 但是備選戰(zhàn)機(jī)3在任務(wù)完成時(shí)間只比備選戰(zhàn)機(jī)1少2.6 min的情況下, 耗油量幾乎是備選戰(zhàn)機(jī)1的一半, 因此案例中選擇備選戰(zhàn)機(jī)3作為出擊戰(zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)方案權(quán)衡.

圖8 備選戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)仿真結(jié)果

4 總結(jié)

本文提出一種多架構(gòu)體系建模與仿真聯(lián)合平臺(tái),該平臺(tái)采用KARMA語(yǔ)言支持元模型設(shè)計(jì)、體系建模以及體系模型的仿真, 實(shí)現(xiàn)元模型設(shè)計(jì)、體系模型設(shè)計(jì)以及體系模型仿真一體化設(shè)計(jì)能力. 首先, 基于GOPPRR元元模型, 實(shí)現(xiàn)用于設(shè)計(jì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型庫(kù)建立； 其次, 基于UPDM標(biāo)準(zhǔn)元模型, 按照DoDAF框架, 實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的作戰(zhàn)視圖模型建立； 最后, 基于建立的體系模型, 通過(guò)狀態(tài)仿真技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)中戰(zhàn)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的仿真, 并通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)出擊戰(zhàn)機(jī)方案的進(jìn)行權(quán)衡選擇. 為了驗(yàn)證該平臺(tái)的有效性, 本文以人機(jī)協(xié)同防御場(chǎng)景為例, 采用該平臺(tái)進(jìn)行體系設(shè)計(jì). 案例證明了該平臺(tái)支持體系設(shè)計(jì)的有效性, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)案例場(chǎng)景的建模、仿真一體化設(shè)計(jì)以及模型數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的整合分析, 解決了目前體系設(shè)計(jì)方法中存在的不足, 完成體系設(shè)計(jì)方法的改進(jìn).