基于過程模型的指控系統建模方法研究*

門星火 周含冰 薛芳俠 劉 波

（電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室 洛陽 471003）

1 引言

由于裝備體系的復雜性，單純依靠真實仿真、虛擬仿真或構造仿真難以滿足裝備體系效能分析評估的需要。實際應用時，通常需要構建分布式LVC聯合仿真環境，集成各種真實、虛擬和構造的仿真資源，進行虛實結合、實時、分布式的仿真測試。指揮控制（C2）系統作為整個裝備體系的“中樞”和作戰要素的“黏合劑”，是連接仿真系統中其它模型的橋梁和紐帶，控制著整個體系的運轉，對它的模擬是構建體系仿真環境的關鍵環節，如何建立真實、可信的指揮控制模型已成為當前裝備體系仿真系統設計的重要任務。

國外針對 C2建模問題開展了很多研究[1～4]，如美國國防部（DoD）的指揮控制研究計劃（CCRP）項目，北大西洋公約組織（NATO）提出一套適應信息化時代一般作戰過程的SAS-050指揮控制概念模型，David S.Alberts博士在和Richard E.Hayes博士研究分析了C2方法和概念模型，約翰霍普金斯大學的Paul D.North等提出用路徑分析模型對指揮控制工作流進行評估，國外也在C2仿真基礎平臺、M&S與C4ISR系統的互操作性、仿真系統對C4ISR系統的支持等領域內進行了大量工作，存在一些較為成熟的產品。國內也針對一些具體應用開展了相關技術研究[3，5～9]，如曹曉東針對模型執行序列提出了一種層次性的結構化指控系統規則模型，劉秀羅基于CGF行為建模方法提出一種指揮控制建?？蚣蹸2MF等?？傮w來說，國內指控系統建模與仿真技術與國外相比尚比較薄弱，缺乏平臺化、規范化的仿真技術與產品。

對于指揮控制建模，其主要內容通常包括指揮控制概念模型、指揮控制仿真模型，以及指揮控制模型在仿真中的應用等方面。本文針對裝備體系仿真測試需求，基于指揮控制過程，以信息處理流程為主線建立了指揮控制仿真模型，并對情報融合、威脅評估、目標分配等模型主要功能模塊的建模方法進行了探索。

2 指揮控制過程模型

指揮控制是一個過程，這個過程由指揮控制系統支持運轉。大量學者研究并提出了一些經典的指揮控制模型，這些模型從廣義的角度對指揮控制的業務過程進行了描述，比較經典的模型如Lawson模型、OODA模型、HEAT模型等[11～12]。分析研究這些模型，對于抽象指揮控制系統功能，進行指揮控制系統仿真建模十分必要。

OODA（Observe-Orient-Decide-Act）模型是由美國空軍上校John R.Boyd于1987年提出的一個非常經典的作指揮控制模型，該模型以指揮控制為核心描述了“觀測-判斷-決定-行動”的作戰過程環路，如圖1所示。OODA模型最初是為了幫助飛行員在戰術級的空戰中做出決策，后來被用作描述一般情況下的指揮控制過程。

圖1 OODA模型

2006年美軍根據網絡中心戰的思想，在OODA模型的基礎上提出了網絡中心戰指揮控制概念模型，即對以網絡為中心的指揮控制過程進行概念建模。網絡中心戰的C2部分（NCW-C2），是網絡中心戰的核心，連接著傳感器系統和武器系統。其主要作用包括提供指揮作業平臺、提高信息綜合處理能力及提供智能決策能力等，其目標是在復雜環境中能夠獲取信息優勢并將之進一步轉化為知識優勢及決策優勢，從而更有效地實施作戰指揮，將己方部隊的作戰潛力最大限度地轉換為現實戰斗力[2，13]。網絡中心戰指揮控制概念模型的總體流圖如圖2所示[1]。

圖2 網絡中心戰指揮控制概念模型流圖

3 指揮控制仿真模型框架

在裝備體系仿真測試中，仿真模型主要用于構建被研究對象的仿真測試和評估的環境，即用于環境仿真。在構建體系仿真環境時，通常需要模擬紅藍雙方的指揮控制系統，將各自的傳感器、火力單元等與指揮所有機結合起來，形成紅藍作戰體系進行仿真測試。

指揮控制作為一個過程，是整個裝備體系中信息處理的重要節點和環節，需要處理各類信息，同時，指揮控制離不開人的參與，由于人的行為的復雜性，在建模時采用了人在環中的建模方式，以信息為主線進行指揮控制系統的建模。人在環中的指揮控制仿真模型通過提供人可操作的模型交互環境來模擬人機結合的指揮決策過程和行為。基于指揮控制一般特點，給出一通用的指揮控制仿真模型基本組成如圖3所示[10]。其中，仿真態勢生成模塊主要通過接收模擬的戰場環境ISR情報信息并進行綜合處理，生成指揮控制系統當前的戰場綜合態勢信息；決策支持工具主要輔助指揮員開展指揮控制；作戰計劃生成與下達，是在戰場綜合態勢的基礎上，輔助指揮員制定作戰計劃并下發，實施作戰指揮。

圖3 人在環中的指揮控制仿真模型基本組成

4 模型關鍵模塊設計

在宏觀上，不同種類的指揮控制仿真模型功能上是相近的，具有類似的結構。針對某特定指揮控制系統進行建模時，模型涉及到的具體功能、算法會有所不同，可進行針對性建模。如在某防空指揮控制系統仿真模型中，仿真態勢生成重點對情報融合建模，決策支持工具模塊重點對威脅評估建模，作戰計劃生成與下達模塊重點對目標分配建模等，以下分別給出建模思路。

4.1 情報融合

情報融合，是信息的綜合與處理過程。由于傳感器感知信息的精度不同，感知信息的維數不同，感知信息的測度不同，為充分利用各種傳感器所感知的情報信息，獲取目標的更精確、更完全的信息，同時消除數據重疊或冗余，需要進行情報融合。防空指揮控制系統最重要的一類情報是雷達情報，在指揮控制仿真模型中，情報融合主要包括了目標航跡關聯和屬性融合。

航跡關聯是防空指揮控制系統仿真模型對運動目標處理的基礎和關鍵。在仿真過程中，同一批目標可能同時被多個傳感器發現，從而形成不同的航跡。情報融合的基本任務之一，就是對所有航跡與綜合航跡進行相關處理，處理方法為判斷在本地航跡數據中是否已經存在該測量數據，如果存在，就找出該測量航跡在本地航跡數據中的存放位置，以便將后續處理的結果在此位置上進行更新，如果沒有就創建一個新的航跡，并加入到本地航跡數據中去，處理流程如圖4所示。

圖4 航跡關聯處理流程

情報屬性融合，目的是將各傳感器報告的情報屬性進行協調統一，提高目標屬性的可信性。防空情報屬性融合處理的重點是對雷達情報屬性進行融合，處理流程如下：在進行航跡關聯處理后，如果多個傳感器報告的目標屬性一致，則無需進行綜合航跡的屬性更新；如果多個傳感器報告的目標屬性不一致，則采信等級最高傳感器報告的目標屬性值，如果傳感器等級相同，則采信相對目標距離最近的那個傳感器報告的目標屬性值，對綜合航跡進行屬性更新。

4.2 威脅評估

威脅評估主要通過對目標信息進行實時處理，判明來襲目標的活動企圖、主攻方向，形成正確的戰場態勢感知，并根據威脅大小程度對目標進行編批、排序，威脅評估處理的流程如圖5所示。

圖5 威脅評估處理流程圖

在進行目標威脅判斷時主要考慮了如下因素：上級指定目標、保衛目標重要程度、目標類型、目標距離、到達關鍵區域邊界時間、目標高度、目標航路捷徑等。根據威脅判斷考慮因素，可按表1的規則對目標的威脅進行排序。在一級排序中，威脅自身安全的目標威脅度最大，上級指定的目標威脅度其次，最后考慮保衛目標的重要程度。根據一級排序后的威脅目標，再根據目標類型、臨近時間、航路捷徑依次進行三級排序。

表1 目標威脅評估排序規則表

4.3 目標分配

目標分配是根據威脅判斷所提供的結果，為不同的防空作戰單元劃分攔截任務，以期取得更好的作戰效果。當敵空襲兵器多批次、多架次、多目標來襲時，應及時進行目標分配。對空中目標進行分配，主要是如何選擇合適的作戰單元對威脅目標進行交戰，目標分配的處理流程如圖6所示。

圖6 目標分配處理流程

目標分配處理流程主要包括如下四步：

1）進行可交戰性判斷，所選的作戰單元對所指定的目標應具備交戰條件。

2）對于給定的目標類型，根據分配規則對作戰單元進行優先級排序，并選擇最佳可用的作戰單元。目前，目標分配算法考慮的分配規則主要包括：最早/最晚摧毀時間、最早/最晚開火時間、最大殺傷概率、武器種類、武器庫存量（攜彈量）等。

3）進行武器的有效殺傷點計算。根據目標當前相對于殺傷區的位置情況，計算武器反應時間與目標到達有效殺傷點的發射時間，如果武器反應時間在允許時間范圍內，該武器就會被選中。當目標分配中有多個作戰單元可供使用時，需進行交戰任務的沖突消解。

4）目標分配還應受作戰單元交戰區域的限制。待分配的目標必須位于該作戰單元的交戰區域或者責任區域，不在該作戰單元的交戰區域或者責任區域的目標不能進行分配。

5 指揮控制仿真模型應用實例

設計的防空指揮控制仿真模型在一體化建模仿真測試環境（C4MSE）下實現，基于C4MSE構建的仿真測試環境如圖7所示。在某裝備體系仿真測試中，利用開發的防空指控模型構建了紅方防空體系。仿真以多個來襲飛機和導彈為防空作戰背景，紅方指控系統模型對接收到的雷達探測情報進行融合處理，對空中目標進行威脅評估后進行火力分配，指揮所屬作戰單元對藍方空中兵力進行攔截?？紤]到目標分配總體最佳和不同作戰單元的攔截能力，設計了如下仿真實例：藍方有4個（T1，T2，T3，T4）不同類型的來襲目標，紅方有3個（G1，G2，G3）不同類型的地面作戰單元部署在保衛目標周圍，通過仿真對所建模型的情報融合，威脅評估和目標分配等功能進行了驗證。來襲目標情況和目標分配結果見表2。

圖7 仿真環境組成結構示意圖

表2 來襲目標設計與相應的目標分配結果

6 結語

體系仿真是度量信息化戰爭條件下武器裝備體系效能的有效途徑，指揮控制系統建模是其中需要突破的關鍵技術。本文在分析理解指揮控制過程模型的基礎上，建立了某防空指揮控制仿真模型，詳述了情報融合、威脅評估、目標分配等模型主要功能的建模思路，所建模型在體系仿真測試環境中進行了驗證，仿真結果表明該模型能夠在一定程度上反映指揮控制系統在裝備體系中起的作用，滿足體系仿真測試的需要。指控系統建模與仿真對于全域多維的大規模聯合仿真應用意義重大，考慮到指揮控制建模的復雜性，下一步還有很多內容需要更為深入的研究和探索。