海上武器裝備的多分辨率建模方法*

岳明橋 齊嘉興

（中國人民解放軍92493部隊 葫蘆島 125000）

1 引言

當前，我方面臨的海上威脅范圍廣闊、空間與電磁環境復雜，真實地構建海上威脅目標和戰場環境具有諸多局限性，使得建模仿真技術已成為研究和解決靶場保障條件建設的核心手段[1～2]，特別是在靶場聯合試驗仿真領域，不僅需要構建具有較高置信度的紅方裝備模型，還亟待構建緊貼強敵對手能力的藍方裝備模型，以充分發揮其“試金石”和“磨刀石”作用。

靶場聯合試驗仿真涉及到紅藍雙方的裝備體系對抗過程，是典型的聯合作戰問題，具備復雜作戰系統仿真的特點，涉及到的仿真要素范圍和層次較廣[3～4]，僅用單一分辨率的建模方法已難以滿足對裝備體系作戰能力檢驗的需要。因此，本文采用多分辨率建模技術建立海上武器裝備模型，以實現層次對海上作戰過程進行客觀建模仿真，從而提供對靶場聯合試驗仿真系統的必要支撐。

2 多分辨率建模概述

多分辨率建模是指在仿真中建立和使用不同分辨率的模型，分辨率可以理解為是指模型的粒度或精細程度[5～6]。其中涉及到的核心問題是有兩個[7]，一是如何建立不同分辨率的模型，包括對分辨率的理解和采用的建模方法，二是如何保證模型的可信度，包括建模方法的有效性和對模型的校核問題。本文主要討論第一個方面的問題。

2.1 多分辨率建模的內涵特點

目前，被廣泛接受的多分辨率的定義為[8]：“在建模或仿真中，模型描述真實世界的精確度和詳細程度。”該定義中詳細程度是和精細程度（分辨率）等價的概念，而精確度則側重描述模型和客觀真實世界的一致程度，一般來說，模型具備越高的精細程度，其精確度會更高。因此，建模過程中，首先要考慮的問題是如何對模型的詳細程度進行描述和度量，以為模型的建立提供頂層框架。由于仿真目的和所需建立模型特征的不同，對詳細程度的刻畫在不同系統中并不是完全一致的，但總地來說，詳細程度可以用兩個維度方向的概念描述：

1）細節層次（Level of detail）。細節層次主要用于對具有一定層次結構的模型體系中的模型分辨率進行描述，主要表現為模型體系能夠反映出全集和子集的特征，比如航母編隊模型和其所屬的艦艇平臺就是不同細節層次的模型。

2）詳細程度（Degree of detail）。這里的詳細程度是指模型的細節程度，主要通過用于建立模型的元素的數量體現，比如模型的屬性、行為等特征元素。為了使細節層次不同、元素數量不同的模型之間能夠交互，模型之間應該具備共同的特征元素。

2.2 典型多分辨率建模方法

典型的多分辨率建模方法主要有聚合-解聚法、一體化層次多分辨率建模法、視點選擇法等，其含義分別如下[9～12]。

聚合-解聚法（Aggregation-Disaggregation）是指通過觸發聚合或者解聚，使不同分辨率的模型之間可以進行切換，即將低分辨率進行解聚形成高分辨率模型，或將高分辨率模型進行聚合形成低分辨率模型，以保證模型之間可以在相同分辨率上進行交互。

一體化層次多分辨率建模方法（Integrated Hierarchical Variable-Resolution Modeling）是一種面向過程的多分辨率建模方法。該方法將所有過程變量構建形成一種層次樹，最低分辨率的模型在層次樹的頂端，高分辨率模型作為層次樹的葉節點，不同層次的變量對應不同層次的過程函數。

視點選擇法（Selecting Views）是指仿真系統始終以最高分辨率的模型運行，如果需要使用低分辨率的模型，必須通過系統辨識等模型抽象技術獲得。

其他的多分辨率建模方法主要包括SES/MB方法、MOOSE環境等。通過對上述方法的分析，有以下幾點認識：

1）建模方法應與仿真系統實際需求和仿真系統能力相適應。比如視點選擇法對系統資源開銷較大，而且有些仿真問題并不需要所有模型均為細粒度狀態。

2）建模方法不僅要能夠幫助實現開發者的意圖，還要客觀地描述真實世界。比如聚合-解聚法和IHVR分別是面向對象和面向過程的建模方法，它們對真實世界的描述能力存在差異。

3）所需建立模型的體系結構和不同分辨率模型之間的一致性是選擇建模方法的重要因素。模型的體系結構決定了模型之間的層次結構和交互關系，聚合-解聚法可以較清晰地對其進行描述，而IHVR中不同的過程變量之間則很難建立交互過程；多分辨模型的一致性維護和可信度評估方法是當前需研究和解決的熱點問題，無論選擇何種建模方法，均需要對其有所考慮和研究。

3 建立多分辨率模型的必要性

在聯合試驗仿真系統中，采用多分辨率建模方法建立海上武器裝備模型的必要性體現在以下幾方面。

3.1 分布式仿真系統資源集成的需要

建立一個滿足互聯互通互操作要求的聯合試驗仿真系統，需要根據設計要求，綜合集成相應的異地分布式試驗仿真系統，這勢必涉及到集成使用不同層次系統中分辨率各異的模型的問題。為確保系統內外能夠互聯互通，提升試驗效率和提高資源利用率，同時保證各系統的不同分辨率模型間轉換的一致性，需要統籌設計聯合試驗系統的模型體系，合理構建和使用異構系統中不同層次、不同粒度的仿真模型。

3.2 要素全面的試驗模型構建的需要

靶場聯合試驗仿真系統主要用于武器裝備體系試驗。在裝備體系試驗仿真環境下，需要構建多層次的模型以區分被試裝備和陪試裝備以適應仿真系統的不同需求。比如為評估紅方海上編隊的防空作戰能力，只需要藍方的防空艦和反艦導彈運行較高精度的運動仿真模型，而此時只承擔前出反潛警戒的潛艇只需要運行較低精度的運動仿真模型。另一方面，仿真模型之間相互交聯，體現在裝備與裝備之間、裝備與環境之間的多元協同關系上，進而構成節點多、規模大、狀態多維的網絡體系結構，需要仿真系統建立模型之間的層次關系。

3.3 復雜作戰系統建模仿真的需要

武器裝備體系試驗仿真過程是典型的復雜系統仿真問題，其基本特征是仿真元素數目多，彼此耦合，具有高度的組織性[13～14]。從系統工程理論的角度出發，仿真模型不僅要支持系統的完整性，還要能夠滿足系統內部的關聯協同性，顯然這是單一分辨率的模型難以實現的。此外，仿真系統的關鍵問題是能夠“模擬”真實世界，需要多分辨率模型對試驗任務中多屬性事件和多功能要素進行模擬，以便對海上作戰的復雜性進行客觀的仿真。

4 海上武器裝備多分辨模型設計

4.1 裝備模型體系構建

在靶場聯合試驗仿真中，紅方裝備模型主要作為被試裝備和陪試裝備，而藍方裝備模型承擔構建模擬紅方威脅目標的作用。總的來說，模型的應用具體包括兩方面：一是用于試驗方案設計與推演，可從宏觀角度通過低分辨率模型實現；二是用于試驗仿真分析與評估，可從微觀角度通過高分辨率模型實現。

針對試驗仿真分析與評估的需求，對于紅藍雙方而言，裝備模型都應能夠支持仿真系統對對空方面作戰、對海方面作戰以及對水下方面作戰的復盤評估，以及武器裝備、預警探測、通信、電子戰等方面的專題復盤評估。因此，海上武器裝備模型體系大體上可分為作戰平臺模型和功能裝備模型，作戰平臺模型具體包括水面平臺模型、空中平臺模型和水下平臺模型，功能裝備模型可分為攻防武器裝備模型、預警探測裝備模型、通信裝備模型和電子戰裝備模型等，如圖1所示。

圖1 海上武器裝備模型體系

4.2 多分辨率模型設計

針對海上武器裝備模型的特點和系統仿真需求，聚合-解聚方法是一種常用也較為有效方法，因此本文選取這一方法建立多分辨率模型。根據多分辨模型的內涵特征及仿真系統設計實際，海上武器裝備的多分辨模型應能夠描述兩方面內容，即細節層次和詳細程度。

1）細節層次的描述

上述構建的海上武器裝備體系可以很好地體現模型的層次方向。以“作戰平臺模型”為例，各方向的任意平臺模型通過向上聚合可以形成“編隊模型”，而“編隊模型”通過向下解聚可以分解為編隊中的平臺模型[9]，比如“航母編隊模型”和“航母模型”、“驅逐艦模型”、“核潛艇模型”、“艦載機模型”的關系就屬于兩個細節層次的多分辨率模型。不同層次模型的轉換過程上實質上是高分辨率模型和低分辨率模型之間借助具體的算法，通過屬性信息之間的映射實現。這種設計也符合聯合試驗仿真系統的實際需要，例如，仿真過程中，只考慮編隊運動信息時，使用低分辨率的“編隊模型”即可滿足需求。

2）詳細程度的描述

對于任何層次的模型來說，“屬性”是刻畫模型特征的最基本量，可以用來體現模型的詳細程度。由于實際裝備之間既具有相同的屬性特征，比如位置、速度等，也具有不同的屬性特征，這主要由裝備的能力特點決定，比如，同屬于潛艇模型，但不同潛艇型號之間的性能參數存在差異，這也體現了構建專用模型的必要性。因此，為了全面描述裝備模型的屬性特征，本文將“屬性”分為兩類，一是模型普遍具有的屬性，即“通用屬性”，二是在“通用屬性”的基礎上模型專用的屬性，即“參數化屬性”。

根據上述分析，可以構建海上武器裝備的多分辨率模型空間，如圖2所示。

圖2 海上武器裝備多分辨率模型空間

4.3 聚合-解聚過程分析

根據上述分析，海上武器裝備多分辨率模型的聚合-解聚過程包括兩個維度：X-Z空間的聚合解聚和X-Y-Z空間的聚合解聚。Z軸方向描述了多分辨率模型的細節層次，X-Y平面描述了多分辨率模型的詳細程度。

1）X-Z空間的聚合解聚

在聯合試驗仿真過程中，涉及到的通用屬性有實體數量、狀態、位置速度等。以“編隊模型”的聚合解聚為例，聚合-解聚過程主要指編隊模型和平臺模型之間屬性信息的聚合解聚。需指出的是，在X-Z空間下，平臺模型（水面平臺、水下平臺和空中平臺）的聚合與解聚由模型通用屬性實現。具體過程如圖3所示。

圖3 X-Z空間聚合解聚過程示例

2）X-Y-Z空間的聚合解聚

針對在同一個裝備類別下可能具有多種不同的裝備型號的裝備建模問題，為了實現在統一仿真平臺上的模型可以持續改進升級，同時新開發的模型也可以快速集成，可以采用“模塊化、重用組合”的思想，構建基于元模型的模型庫[15]。元模型庫主要為裝備模型的建模提供元模型元素以及元素之間關系的描述。

此模型構建過程聚焦在Y軸參數化屬性方向上，并與X軸和Y軸方向共同形成完整的高分辨率模型空間。基本過程如下：1）根據裝備類別特點選取元模型元素進行組合形成裝備類別模型；2）針對該裝備類別下某個裝備型號特點，可在原有元模型庫的基礎上補充擴展模型內容生成裝備型號模型；3）通過給定數據對建立好的模型進行實例化，最終生成基于元模型的參數化模型對象，以實現對特定裝備專用模型的高分辨率建模。利用元模型構建裝備參數化模型過程如圖4所示。

圖4 X-Y-Z空間聚合解聚過程

從裝備類別層到裝備模型層的過程是對裝備類別模型擴展細化的過程，是對元模型庫中不具備元素的補充。特別是藍方裝備模型的構建問題，還需要進一步對技術參數、工作機理進行深入分析和研究，通過基于不完備數據的裝備模型建模方法，構建相應的裝備型號模型。以美軍SM-6導彈為例，針對導彈工程級/交戰級的仿真過程，應該在元模型元素的基礎上分別對導彈的氣動參數、彈體運動學、動力學和制導控制系統進行分析和建模，構建導彈從接收目指到打擊目標的完整工作流程，從而形成與實裝接近、滿足仿真粒度需求的理論模型。

5 結語

本文以采用多分辨率建模技術建立基于靶場聯合試驗仿真系統的海上武器裝備模型為目的，對多分辨率建模的概念方法進行了分析闡述，重點通過設計裝備多分辨率模型空間和其聚合-解聚過程，實現了對海上裝備模型的多分辨率建模。該方法能夠為靶場聯合試驗仿真系統提供支持，但后續還需對模型的一致性維護、可信度評估等開展研究，并結合實際系統建設不同優化完善設思路和方法。