面向體系化設計與運用的虛擬開放場景構建

劉虎，劉思良，田永亮,*，黃欣，趙沁平

1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191 2. 北京航空航天大學 虛擬現實技術與系統國家重點實驗室，北京 100191 3. 北京航空航天大學 計算機學院，北京 100191

近年來，基于模型的系統工程(Model-Based System Engineering, MBSE)[1-4]、數字工程[5-6]、需求工程[7-9]等理論和方法在飛行器研制中不斷得到應用和發展，而體系(System of Systems, SoS)和體系工程[10-11]的概念和作用在這一進程中也得到越來越多的重視。Liu等[12]將應用體系工程的理念和方法，在飛行器研發中開展的相關設計工作，稱為飛行器“體系化設計”，并認為這一概念能為飛行器設計人員帶來更全面的視角和新的設計模式。在體系化設計中，面向運用[13]、在設計中充分考慮到各種運用場景至關重要，這也需要飛行器的使用方(往往也是需求方)深度介入到設計階段。另一方面，使用方自身同樣需要面向體系，開展裝備的論證、力量編成、人員訓練、指揮規劃等工作，以體系化的運用實現裝備效能及整體能力的最大化。由此可見，體系化設計與運用是飛行器的設計方與使用方面臨的共同挑戰。如何為設計方與使用方提供一個清晰化的、易理解的體系所在場景的“共同語境”，使得雙方能夠盡可能基于一致的場景開展設計與運用，已經成為進行飛行器體系化設計與運用的一個迫切需求。

在對場景進行描述的方式上，最為傳統的是 基于文字、圖片、視頻(包括實景視頻和動畫視頻等)等多媒體形式，但這些形式通常比較抽象和固化，難以勝任復雜場景的描述。隨著體系得到廣泛的重視和應用，基于體系架構的方式進行場景也越來愈多，而其中最為典型的是由美國國防部提出的DoDAF體系結構框架。DoDAF通過對體系建立多個視圖，對體系進行分析與描述，可用于支持仿真場景的構建[14-16]，高悅等[17]提出任務元模型，基于DoDAF框架實現作戰任務模型的快速組合和復用。但是在使用中，存在欠直觀、難量化的問題。一方面，DoDAF主要依靠OV-1等視圖進行作戰概念表達，靜態的視圖對場景中的動態交互關系難以全面體現，另一方面，需要將DoDAF描述、分析的結果轉化移植到體系仿真軟件中，才能進行量化評估，一定程度上都影響了設計方與使用方對方法的理解與運用。此外，SysML、UML等系統建模語言[18-20]也在體系的描述中得到了應用，但對缺乏相應計算機語言背景的設計方及使用方用戶而言，仍然具有較高的門檻。

另一種被廣泛應用的場景描述方式是基于各類仿真系統。事實上，在應用多學科優化[21-23]、多準則決策[24]、層次分析法[25]、等效傳遞函數[26]等進行飛行器的設計優化與效能評估時，也會涉及到判斷飛行器對運用上的可行性[27-30]，但這些方法多以數學描述為主，在對體系所在場景的體現通常上較為抽象。

隨著仿真系統的發展，其在飛行器的使用效能評估[31-33]、人員訓練[34]、方案分析[35]等領域的應用越來越多，而基于這些系統描述和構建場景就是進行各種應用的前提。Biltgen[36]基于FLAMES系統提出了基于能力的體系評估方法，并且構建了中東地區的作戰場景；洛克希德馬丁公司提出的戰斗機交戰管理器概念，通過構建戰斗機與無人機智能體模型，模擬協同空戰場景[37-38]。以測試和培訓支持體系結構為代表的系統，基于實時、虛擬和構造技術(Live Virtual and Constructive, LVC)構造了分布式測試和訓練場景[39]；被多國采用作為兵棋推演平臺的指揮：現代海空行動(Command: Modern Air/Naval Operations, CMANO),可提供完整的戰術和戰役級場景模擬[40]；國產仿真軟件XsimStudio構建了仿真運行引擎和建模框架，支持用戶進行模型的研發工作，提供了組件開發、模型裝配、態勢顯示、分析評估等一系列工具[41-42]。隨著計算機圖形技術的發展與普及，北約采用的虛擬戰場空間(Virtual Battlespace, VBS)以虛擬現實技術為基礎構建了虛擬的戰場環境，允許參與者分析空域和開發場景，然后分析場景的結果[43]，基于Unity、Unreal等可視化引擎的可視化場景，增強了對人在環仿真的支持[44-49]，Sun等[34]構建了基于虛擬現實的直升機應急救援訓練場景。盡管這些仿真系統能夠具備比較強的場景的構建與表現力，但由于各系統往往是基于特定的使用需求進行開發，缺乏比較統一的場景構建理論與方法支持，在使用上也是相對封閉，不利于場景的擴充與共享。相比而言，近年開始興起的“元宇宙”概念，雖然尚未具備公認的定義，在飛行器設計與運用等專業領域的應用也有待探索，但“元宇宙”的高度可視化和強調用戶生成內容(User Generated Content，UGC)等特性是非常具有借鑒價值的[50-51]。

針對場景描述的需求和已有手段的現狀，本文提出了虛擬開放場景(Virtual Open Scenario, VOS)的概念和主要特征，進而提出了場景要素的多維映射體(Multi-Dimensional Mapping, MDM)等概念及VOS構建流程。針對流程中的主要環節，提出了對MDM進行裁剪的雙層評估矩陣、從MDM實例到組件的開放式封裝等方法，并且探討了一種支持VOS組合及交互的支持系統架構，以靈活構建可體現不同關注側重的虛擬開放場景族。

1 場景的典型應用需求

在飛行器的設計研制中，場景的應用是極其廣泛的。例如，起落架的結構設計需要考慮飛機降落的場景以確定其載荷，適航取證時需要考慮高空機翼結冰等時所在的運行場景，但這類主要針對飛行器的部件與系統性能的場景并非本文的關注范圍。

在面向體系進行飛行器的設計與運用時，場景主要針對飛行器的平臺及所處的體系，其典型應用需求可以從應用環節、關注要素、視角層級等方面進行分析。在應用環節方面，典型的包括早期基于使用模式的需求識別與指標論證，設計中的方案任務效能及體系貢獻度評估、交付使用后的人員訓練、任務規劃與指揮決策等。

在關注要素方面，對于構成場景的顯性的“人(人員)、機(裝備)、環(環境)”及隱性的規則(人員與裝備運行應遵循的規章等)、策略(人員與裝備運用的具體方式)等要素，不同相關方的關注程度和關注的焦點是有差別。例如，對于飛行器設計方而言，自身設計的飛行器是關注的焦點和“主角”，而體系中的其他裝備發揮的是“配角”的作用；設計人員在場景中關注的是能夠實現能力的飛行器參數數值或范圍。對使用方而言，特定的飛行器需要服從于體系和任務的整體要求，因此關注的是飛行器的能力驗證或飛行器的運用方式探索，關注飛行器能力對體系的作用或影響。

在視角層級方面，不同的應用也存在區別。例如，一線設計人員與使用方的飛行員等通常會更注重場景中的飛行器、人員自身狀態，以及所處的局部環境；而設計方的高層決策人員與使用方的指揮人員等，會更加注重場景的全局，需要對場景中的任務和體系整體考慮，而對于局部區域所需要的信息量相對會少。

基于上述分析可以看出，雖然“場景”一詞被飛行器的設計方與使用方都廣泛提及，但對于某一個場景，無論是已發生的真實場景或新構想的場景概念，在不同的場景應用需求中的表現是存在區別的——可以將這一特點稱為場景的多面性。因此，本文提出的基于VOS的場景描述，既要提供一種具有通用性的場景抽象與建模方法，又需要高效地構建出反映某一場景多面性的系列具象化場景，即虛擬開放場景族。

2 虛擬開放場景的定義與構成

2.1 虛擬開放場景的特征

場景(Scenario)的定義并沒有權威的界定。場景的定義最初是指戲劇中的場面，以靜態圖像為主要特征，而隨著場景這一詞語越來越多的用于對系統、體系等復雜的對象進行描述，場景也有了更豐富的內涵。Carroll[52]將場景定義為包含參與者、目標和情節的故事。Go和Carroll[53]認為場景包含參與者、參與者的背景信息及其環境假設、參與者的目標、行動和順序。Ulbrich等[54]將場景定義為描述環境的快照，包含背景元素動態元素、參與者與觀察者的自我描述，以及實體之間的相互關系。Jafer等[55]提出航空場景定義語言(Aviation Scenario Defining Language, ASDL)，用于定義飛行器出發、航行、著陸等場景。

基于對場景應用需求的分析，結合場景的通常概念，本文將虛擬開放場景(Virtual Open Scenario, VOS)定義為：圍繞飛行器及其所屬體系，以針對場景各要素建立的可擴展性模型為基礎，以根據場景應用需求形成的實例化組件為單元，構成能反映不同用戶關注和應用側重，可開放式組合構建與交互的虛擬空間。

通過上述定義，可以體現出與其他的場景描述形式(圖1)相比，VOS應具備如下的4項主要特征：

1) 虛擬可視性

虛擬開放場景是在計算機環境下構建的虛擬空間，場景中的要素都是虛擬的、數字化的，并且以數據的形式進行交互；虛擬開放場景內的裝備、人員、環境等要素都具有對應的可視化形體表征，能夠將場景所描述的體系以可視化乃至虛擬現實(Virtual Reality，VR)、增強現實(Augmented Reality，AR)等方式進行呈現。

VOS的最終表現形態，不是高度數據化的抽象表達，而應該是高度可視化的虛擬空間，并能通過系列的VOS形成更大規模的“虛擬世界”。

需要說明的是，VOS并不是場景的數字孿生。VOS的作用是作為飛行器設計方與使用方的橋梁，對真實場景或構想場景的概念進行描述，并不要求VOS中的要素與真實場景中的某一要素建立實時的數據關聯。

2) 動態交互性

相比于使用文字圖片等對場景不同時刻的狀態進行描述，或使用以DoDAF中OV-1視圖描述場景的多個狀態，虛擬開放場景對場景的描述是動態的、時間上連續的，可體現飛行器在場景中的任務以及與其他要素間的動態關系。

虛擬開放場景應具有便捷的人機交互能力，能夠支持設計方和使用方的用戶方便地對場景進行編輯和調整，能夠支持進一步的人在環的仿真應用。

3) 匯聚多面性

VOS的組成基礎是場景要素的模型，但這些模型并不是某一種建模方法，如智能體Agent、離散事件、系統動力學、工程計算公式等，也不是某一種統一的顆粒度。VOS的場景要素模型更應類似一種具有范式結構的模型容器，能夠將要素各屬性通過不同的建模方法建立的、不同顆粒度模型有序地匯聚起來，最終形成一個可不斷積累的模型空間。

在面向飛行器的體系化設計與運用時，場景中的主體是飛行器及其所屬的體系，而場景概念在不同的應用需求中的表現是存在區別的，而某一VOS反映的就是對應于某一需求的一面或多面。要實現這一點，依靠的則是依據應用需求，對模型容器或空間中各種模型進行裁剪和實例化，最終構成有側重、非均衡化的VOS。

4) 開放擴展性

開放式組合構建與交互突出的是VOS開放性的最直接體現，既能類似“拼裝積木”的形式，靈活快速地搭建和調整出所需的場景，還能支持基礎模型、實例化組件作為用戶生成內容(UGC)的方便接入。雖然組件化拼裝的形式相對于定制化的場景動畫或仿真，在精度和表現力等方面難免會有損失，但這種靈活性和UGC帶來的擴展能力，對于構建和描述復雜的場景會更有價值。

擴展性的另一含義，在與VOS首要解決的是對場景的描述而非服務于某一特定的仿真系統，但是由于VOS中已經具備了相應的模型，對于面向體系的飛行器指標論證、效能評估、人員訓練、運用決策等具體的仿真應用，也將具有良好的支持能力。

2.2 場景要素的多維映射體概念

正如在VOS的匯聚多面性特征中提到的，場景要素模型更應類似一種具有范式結構的模型容器。為此，在本文的研究中，提出了多維映射體(Multi-Dimensional Mapping, MDM)概念。對場景中任一元素，將其屬性分為形體性(shape)屬性維、內向性(internal)屬性維和外向性(external)屬性維3個維度，即該元素的屬性可以形成如圖2所示的SIE(Shape Internal External)立方結構。

形體性屬性維是映射體的可視化模型，包括整體及局部的各種可視化形象(也可以無形)屬性集。內向性屬性維是映射體自身為主的特性或能力，如動力學特性、探測能力等的各種屬性集。外向性屬性維是映射體與外部關聯為主的特性或能力，如機場保障條件、作業區域要求等的各種屬性集。

對于每個元素而言，根據場景下不同的想定或是不同的場景，在一個屬性維上可能具有不同的顆粒度，因此3個維度上可以形成圖3所示的平行坐標結構。在構建具體場景的時候，需從元素的不同屬性中，選取適合當前場景的顆粒度，將不同的元素、不同的顆粒度進行組合，確定為該虛擬開放場景下的多顆粒度元素集合。

3 虛擬開放場景構建流程與主要環節

3.1 虛擬開放場景的構建流程

虛擬開放場景的構建流程如圖4所示，其中的主要流程包括：

1) 分解：將真實的或者構想的場景概念進行分解，分析場景中所需要包含的各個要素，以實現VOS對場景的完整描述。需要注意的是，規則與策略雖然并不顯性出現，但它們為飛行器、人員等要素提供約束或驅動，同樣應該分解識別。

2) 映射：將場景中各要素按照SIE立體結構進行映射，構建多維映射體MDM。MDM的各屬性集合，來自多顆粒度屬性模型的匯聚。一個MDM既可以來源于前面具體場景要素的映射，也可以從已有的MDM空間中進行選擇復用。MDM空間是曾經完成過的各類場景要素的多維多顆粒度模型的匯總集合，每個場景要素映射出的模型都可以歸檔到MDM空間以便復用。

3) 裁剪：通過對場景應用需求層面及實現層面的分析，對某一場景要求的MDM模型進行裁剪，形成適應需求且可實現的MDM實例。在3.2節中，將具體給出用于MDM裁剪的雙層評估矩陣法。

4) 封裝：通過盡可能標準化和開放化的封裝模式，將MDM實例封裝為對應的實例化組件，形成虛擬開放場景中的單元。已有的MDM空間中進行選擇復用。與MDM類似，已經建立的組件，可以歸檔到組件。當MDM可以從組件空間中匹配到對應的組件時，就可以直接復用。

5) 組合：將各種組件以“拼裝積木”的方式進行組合，形成如圖5所示的虛擬開放場景。圖4中用了VOSi的形式，是體現基于一套初始的場景概念，可以構建形成反映不同用戶關注和應用側重的虛擬開放場景族。

3.2 MDM裁剪的雙層評估矩陣法

MDM為場景中某一元素的描述，提供了一種統一的綜合方式，能夠將不同維度的屬性集中的不同顆粒度的屬性，更加規范地進行整合。從單獨的某一元素的某一屬性的某一顆粒度模型，不斷聚合形成MDM，再到各種MDM的不斷豐富，形成一個可以不斷擴充的MDM數據空間，為高效地構建和組合虛擬開放場景奠定基礎。

正如在1.1節的場景應用需求分析中提到的，在設計方與使用方單獨應用或共同探討某一場景時，一定是帶著相應的應用需求的，從而就會對這一場景中的各種元素進行有不同側重的區別對待，使得各個MDM呈現非均衡的特點。因此，在構建某一虛擬開放場景應用時，需要針對MDM數據空間涉及到的各個MDM，對其各個維度的屬性及不同顆粒度的模型進行裁剪——首先判斷當前的場景中是否需要某一屬性，進而對需要的屬性，判斷應選擇何種顆粒度的模型。

選擇合適顆粒度的模型是一直就存在的問題，傳統上有2種比較典型的處理方式：一種是定性為主的討論和決策，一種是直接服務于特性仿真應用的詳細評估(考慮模型的校核、驗證與確認等方面)。在本文的研究中，借鑒了在產品設計中廣泛應用的質量功能展開質量屋(Quality Function Deployment，QFD)的思路，即通過對主要因素的賦權與分級別打分，用一種簡便易用的方式，實現決策的量化參考。依據這一思路，本文中提出了MDM匹配的雙層評估矩陣法。

第1層是需求層對場景中各種屬性進行量化評價，確定各種屬性的相對重要程度。可以設定一個閾值，將低于該閾值的屬性排除出針對這一場景的構建。

在如圖6所示的評估矩陣中，按照S、I、E這3個維度，分別進行評估，其中Si、Ii、Ei分別為形體維、內向維、外向維的不同屬性，對屬性進行評估的指標權重系數用k表示，將各評估指標按照1～3級進行評價，3個維度的評估結果分別用RSi、RIi、REi表示，i為序號。對于復雜場景，可將評估的級別拓展至5級或更多層級，層級越多，對場景的需求評估越精細，但是評估的復雜度也隨之增加。

在評估指標方面，可以從焦點關聯度、體系重要度、場景應用關聯度等方面進行評估，用戶也可根據對場景的需求，增刪評估指標。各維度下屬性的評價結果，由各指標下的打分乘以系數得到，系數的正負體現了對應指標對場景需求的重要性，系數的大小體現重要程度。

第2層是在場景的實現層面對某一屬性的各種顆粒度(粒度)的模型進行量化評價。對于越大的評價結果，可以認為其在建模的顆粒度上較為精細，消耗的資源更大，在滿足場景需求的前提下，可選擇評價結果小的顆粒度，用于場景的構建。

在圖7所示的評估矩陣中，對SIE中的一個屬性維度的不同顆粒度進行評估，同樣可以采用3級到多級的評估級別，不同評估指標的權重系數用hi表示，評估結果用Ri表示。

在評估指標方面，可以從精細度需求、數據準備難度、接口復雜度、資源消耗度等方面進行評估，場景的構建者可根據建模實踐對評估指標進行增刪。評價結果由各指標下的打分乘以系數得到，系數的正負體現了對應指標對顆粒度的影響，系數的大小體現影響程度。

3.3 MDM實例開放性和交互性封裝

在對MDM實例SIE屬性集進行對應封裝的基礎上，進一步對MDM實例附加開放性和交互性封裝，所有封裝均基于統一和標準化的原則，其中開放性封裝主要是對屬性集可組合特性的擴展封裝，包括身份特征封裝、關系特征封裝和能力特征封裝3個環節。交互性封裝是基于數據驅動的交互模型，該模型與交互類型和方式無關，以數據化的交互指令方式驅動，交互結果僅作用于MDM屬性集，具體包括交互指令建模、指令解析建模和交互執行建模3個環節。

如圖8所示，通過標準化的開放性和交互性封裝，MDM實例將轉化為可用于構建VOS的標準化組件，能支持VOS的開放式組合構建，以及操作驅動、指令驅動、規則驅動、數據驅動等多種應用交互方式，同時基于標準化的封裝方法，即可基于MDM實例封裝VOS組件，符合標準的VOS組件都支持組合共用。

4 VOS支持系統框架

基于虛擬開放場景的定義與構成，按照其特點和建模實踐，提出如圖9所示的支持框架，以實現虛擬開放場景對體系化設計與運用仿真的支持，從而將VOS應用于需求識別、設計優化、規劃推演、協同訓練等設計與運用環節之中。

1) 開放式基礎架構

開放式基礎架構是場景中組件相互關聯的基礎，包含了上文中開放式的模型構建、交互構建，同時也起到對各模型的分布式支持、元素之間異步消息通訊等作用。

2) 組件層

組建層包含組建制作工具與組件庫，組件制作工具是將MDM應用模型制作成為場景中能夠使用的相應組件的工具。組件庫能夠提供對組件進行結構化儲存與分類管理。

3) 場景層

場景層包含場景編輯工具與場景庫。場景編輯工具的主要作用是按照任務或想定的需求，對組件在可視化條件下進行組合，使之成為場景，并對場景中各個組件對象的參數進行設置、對組件對象間的相互關系進行設置，并預覽場景和動態交互。場景庫能夠提供對場景的結構化儲存和分類管理。

4) 應用驗證平臺

應用驗證平臺提供了場景的發布與運行支持，場景運行中可支持多種交互方式，并能夠支持全局的指揮視角推演、執行的第一人稱視角訓練等多種應用模式。

5 虛擬開放場景論證案例

本節以典型直升機海上搜救任務為例，采用“分解-映射-裁剪-封裝-組合”的虛擬開放場景構建流程與方法，構建起直升機海上搜救任務虛擬開放場景，并搭建如圖10所示的搜救飛行器任務仿真原型系統，用以驗證直升機單機、多機在海洋環境下對落水人員、航空器、艦船的搜尋模式、救助方式，檢驗運用策略的合理性，并探索可能的設計改進。

5.1 場景元素分解

針對飛行器海上搜救任務場景進行分解，按照裝備、人員、環境、規則、策略5類對場景要素進行梳理，形成如圖11所示的場景元素分解。

海上搜救場景中的裝備要素主要是執行海上搜救任務的各類飛行器及其機載設備，還有救助船。本案例中研究的飛行器以直升機為主，包括了3個不同的型號。當然，任務場景中的飛行器既可以是在役的型號裝備，也可以是在研或者預研的型號裝備，根據虛擬開放場景的應用目的而有所不同。

人員主要分為2類：機組人員和遇險人員。環境主要考慮天氣、風場、流場等與海上搜救任務有關的環境因素。規則主要考慮裝備的使用規則、人員的操作規則和任務執行的規范要求等方面，如直升機的任務剖面、人員操作安全規范、救援流程等。策略則是具體任務的知識載體，如單機搜救、多機協同搜救、船機協同搜救等。

5.2 MDM構建

MDM的構建的核心是基于SIE屬性進行建模，而SIE屬性模型需要結合場景需求和具體場景要素構建。對典型的直升機海上搜救場景要素MDM進行分析，由于場景各要素的屬性集比較多，限于篇幅，下面僅以直升機A、海洋環境2個較為有代表性的場景要素為例，對其屬性集和顆粒度進行梳理，形成的MDM分析如表1、表2所示,Gi表示屬性的顆粒度。

5.3 MDM裁剪

根據3.2節中的需求層評估矩陣，對各個場景要素3個維度屬性的場景需求進行裁剪。這里以直升機A和海洋環境為例，對其形體維、內向維以及外向維進行評估。評估結果如圖12、圖13所示。

確定需要構建的屬性后，對屬性的具體顆粒度進行確定。以直升機動力學屬性為例，按照擬真程度的順序，確定其不同的顆粒度，并采用實現層評估矩陣進行評估。評估結果如圖14所示。可以看出，直升機的六自由度模型在顆粒度上要比三自由度模型更精細，所需要的資源消耗也更大，因此在選擇時需要權衡場景需求和顆粒度選擇。對于全局視角下的場景而言，可選用三自由度的模型，對具體駕駛過程的場景而言，可選用最為復雜的動力學模型。

5.4 實例化組件封裝

基于裁剪后的MDM實例，借助支持系統組件制作工具，制作面向多機海上搜救體系全局視角和局部視角的2套不同顆粒度的VOS組件集，涵蓋救援直升機、機組人員、遇險船只、落水人員、地理環境等場景元素，其中局部視角需求的部分VOS組件效果示意如圖15所示。

5.5 VOS構建

基于VOS組件集，借助支持系統場景編輯工具，實現從全局視角(圖16)和局部視角(圖17)描述搜救直升機所在場景，為設計方和使用方的研討提供直觀的“共同語境”，進而通過仿真為設計決策提供量化的依據。

6 結 語

飛行器的體系化設計與運用對設計方和使用方帶來的挑戰是多方位的，本文圍繞“場景”這一非常基本但又缺乏統一界定的概念開展研究，提出了虛擬開放場景、多維映射體等概念，給出了以“分解-映射-裁剪-封裝-組合”為主要環節的構建流程及雙層評估矩陣等相關方法，探討了一種支持系統的框架，力圖提供一套從概念、方法到手段的相對完整、可操作、可量化的虛擬開放場景研究架構。

相比于難交互的多媒體和偏抽象的體系框架視圖等場景描述方式，虛擬開放場景為場景的描述提供了一種新的思路和形式，尤其是避免基于某一種特定而封閉的仿真系統定義場景的不足。正如名稱中的“開放”所表達，應當是通過用戶生成內容的模式，建立不斷豐富的場景要素多維映射體空間及組件空間，進而根據需求靈活、高效地構建起虛擬開放場景族，供飛行器的設計方和使用方共享，最終形成基于場景的構建與應用生態，為進一步通過仿真支持指標論證、效能評估、人員訓練、運用決策環節等提供場景基礎。