基于概念模型的仿真模型调度决策法*

孙永侃,李雪飞,熊正祥

(海军大连舰艇学院,辽宁 大连 116018)

0 引言

随着新装备的不断研发,作战手段的不断变化,使得舰艇作战仿真问题错综复杂。采用仿真模型对作战环境、作战实体、作战过程、指挥决策等问题进行描述,可有效地将复杂问题简单化,从而有助于构建舰艇作战仿真系统。但对作战过程、状态、效果的仿真并非是仿真模型的简单排列组合,而应依据一定的作战条例、战术战法规则以及逻辑关系来对仿真模型进行调度决策。

概念模型[1-3]是对真实世界(或想象的真实世界)的第一次抽象。军事知识专家和仿真技术人员针对具体的舰艇作战问题建立的概念模型,能够合理科学地描述作战过程、状态、效果。依据特定的概念模型,充分发掘其隐含的信息,并遵循一定的规则,可快捷地制定出仿真模型的调度策略。因此,本文建立在文献[4]中对舰艇作战仿真模型分类的基础上,提出了基于概念模型的仿真模型调度决策法。

1 模型调度序列

舰艇作战仿真过程可理解为：在仿真时钟控制下,不断地调用模型库中特定的模型,并随着仿真步长的增进将模型产生的结果综合起来,从而得到仿真结果。因此,可作如下界定：

模型的调度决策,在舰艇作战仿真中,依据一定调度规则、调度方法来决定何时调用何种模型的仿真决策问题。

本文主要从宏观上研究整个舰艇作战仿真系统对多个模型的调度策略问题。每个模型在整个系统中所起到的作用、产生的效果和影响都不尽相同,tn仿真时刻调用的模型产生的结果往往是tn+1时刻调用何种模型的先决条件。不合时宜地调用模型进行仿真将使仿真结果大大失真。

模型的调度序列,在舰艇作战的整个或局部仿真过程中,按照时间先后,调度仿真模型而产生的模型队列。定义为

式中：Mtn为tn仿真时刻开始调用运行的模型。

针对具体的作战样式和作战过程,其仿真实现可由单条或多条模型调度序列组成;模型的调度序列也可分解为若干个子序列。模型的调度序列中允许模型串联、并联以及重复调用等现象。

在舰艇作战仿真控制中引入模型序列,对舰艇常用作战过程、决策过程中的模型进行封装,对作战仿真可重用性的实现有重要意义。

2 依据概念模型调度决策法

利用UML中的活动图和序列图等动态行为视图建立的概念模型,可以清晰直观地将舰艇作战过程中实体对象之间的协作关系、交互关系以及传送消息时间顺序等信息表达出来。

活动(activity)是做某件事情的状态,它可以是现实世界中的一项工作,或者是执行某个软件的例行程序。活动图(activity diagram)是系统的一种行为试图,它描述参与行为的对象类的活动的顺序,包括依赖于条件的行为和并发行为[5]。序列图(sequence diagram,又称顺序图或时序图)是一种交互图,它描述了系统中各个对象之间传递消息的时间次序,用来表示用例的行为顺序,从而为对象类图中概况对象类的行为、划分对象类的职责提供依据。序列图能清晰地描述某一用例过程中各个对象参与协作的情况[6-8]。活动图强调对象之间活动的流程,序列图则侧重于对象间的交互和时间次序,二者建立的行为概念模型均能为模型调度序列的解算提供依据。

2.1 利用活动图制定模型调度序列

作战活动图是基于UML建模语言建立的对作战行动的军事概念描述,能够反映用例和对象行为中的各个活动之间通常具有的时间顺序和逻辑关系。如图1所示,由作战活动图而得出模型调度序列,该图主要描述红方水面舰艇编队应对蓝方空中来袭导弹做出的防空决策活动。当得到蓝方来袭目标以后,预警设备迅速将处理好的目标信息发送至编队指挥舰,由指挥舰决策系统进行防空决策;干扰抗击阶段是在编队指挥舰做出决策之后,向编队水面舰艇发送抗击命令,由水面舰艇(驱逐舰、导弹护卫舰)等执行命令的过程。图中模型调度序列中的虚线表示仿真时钟的推进。

2.2 利用序列图制定模型调度策略

水面舰艇应对水中鱼雷攻击是舰艇作战决策中的重要部分,以此为例,当仿真开始后,首先调用水面舰艇及潜艇实体模型,在大型仿真系统中,为直观显示,往往还要在战场仿真屏幕上显示水面舰艇及潜艇的三维图像,以及整个过程的图像化形象化描述,然后由参与者对水面舰艇、潜艇模型进行初始化(可以采用页表形式手工输入或下拉表单时选择等形式),利用公共基础类中的实体空间运动模型推算出在仿真时钟推进 Δ t时间步长之后舰、潜艇的经纬度等信息。潜艇开启声呐(潜)探测设备(调用声呐实体模型),声呐(潜)将舰、潜运动诸元进行融合,解算相对运动数据,判断舰艇是否在探测范围之内以及是否在潜艇攻击范围之内(调用声呐探测模型)。当潜艇发现舰艇,并且舰艇处在潜艇攻击范围之内(即舰、潜艇在鱼雷命中舰艇时间内,舰、潜艇相对距离小于鱼雷攻击半径)时,发射鱼雷(调用鱼雷实体模型)。为增强仿真效果的形象性,可通过调度态势显示类模型在仿真屏幕上实时、动态地显示。鱼雷被发射后,对舰艇进行跟踪,并解算鱼雷航向(调用鱼雷跟踪模型)。舰艇发现威胁后,通过声呐(舰)设备对鱼雷及潜艇进行探测,在时序图中,舰艇、潜艇及鱼雷的运动诸元等信息(低分辨率)以消息的形式传递给舰载声呐(调用声呐探测模型),声呐返回探测信息验证结果,并进行态势评估(调用态势评估模型),威胁判断,舰艇根据相对运动信息,向鱼雷投放声诱饵进行干扰(调用干扰模型),并进行舰艇规避机动(调用舰艇机动模型),鱼雷攻击声诱饵,舰船机动成功,进一步防御潜艇攻击。该作战过程可以通过建立概念模型来描述,具体如图2所示。

图1 舰艇编队防空中导弹来袭作战模型调度序列示意图Fig.1 Model scheduling list of simulating for defending missiles by naval ships

图2是由水面舰艇应对潜艇发射的鱼雷攻击序列图得到仿真模型调度序列的示意图。图中左边虚线框中是建立的上述作战过程的概念模型,以序列图的形式进行表述。

由概念模型可以确定仿真过程中关键节点(激活的初始端、消息发出的初始端等),在关键节点处就要调用相应的仿真模型。然后按照流程将所有模型进行排列,从而得到模型调度序列。综上,依据概念模型调度决策方法可总结为：

(1)实体(活动)的激活一般是模型调用的开始;

图2 舰艇应对潜艇发射的鱼雷攻击仿真模型调度序列示意图Fig.2 Model scheduling list of simulating for defending fish torpedo by naval ships

(2)实体信息的传递和交互表现为相关模型数据的调用(引用);

(3)实体的激活反映为实体类模型的调用,实体活动(动作)的激活反映为作战指挥类、效能评估类、公共基础类模型的调用,实体信息的交互映射为信息传递模型的调用。

3 示例分析

3.1 问题陈述

问题陈述：对空防御是水面舰艇最重要的防御,尤其是随着反舰导弹性能及装备平台的不断发展,使得对导弹的防御已成为水面舰艇对空防御的重中之重[9-10]。根据现代海战和水面舰艇的特点,对空防御行动主要包括信息获取、火力抗击、电子干扰、机动规避等几个方面。

假设敌情为：蓝方空军X型战斗机4架组成一个编队,每机携带X型导弹2枚,采取“低—高—低”的偷袭战术,即以150 m的高度低空出航,时速500 km/h,在到达预定就位点时(距攻击目标约140 km),飞机爬高至1 200 m左右的高度并使用机载雷达搜索,发现海上编队后下降高度并提速,降至700 m左右高度时保持平飞。当蓝方进入红方探测范围,红方开始目标识别、锁定目标,攻击距离约100 km,4 s钟内将导弹发射完毕后低空返航,即不再攻击。攻击过程中,空军“强网”系统负责指挥引导。我情：我编队中的X型驱逐舰单舰抗击敌一个方向8枚导弹攻击。编队中其他舰因无区域防空作战能力,无法实施支援。

3.2 概念建模

基于上述战术假定情节,采用UML序列图建立水面舰艇防空作战概念模型,并在模型基础上进一步增加对象的行动信息,如驱逐舰的目标识别、防空警报等,如图3所示。图中描述了相关作战实体的活动顺序以及信息的传递、交互等信息。

图3 水面舰艇防空作战概念模型Fig.3 Concept model of naval ships'air defense action

3.3 制定模型调度策略

依据概念模型调度决策法制定模型调度序列如图4所示。

从图4中可看出,该战术情节下,水面舰艇防空作战模型调度序列可分解为2个子序列,存在以下关系式：

图4 水面舰艇防空作战模型调度序列图Fig.4 Model scheduling list map of naval ships'air defense action

图4中所对应的标号内容如表1所示。

表1 水面舰艇防空作战模型调度策略对应表Table 1 Model scheduling strategy table of naval ships'air defense action

3.4 分析总结

通过以上示例可归纳出如下结论：

(2)共同组成ModelList总的各个子序列之间是非独立的关系,相互之间存在信息的交互以及模型的交集。

(3)实际仿真中可采用仿真时钟控制模型运行及交互,即根据具体的作战想定,在固定的仿真时刻,依据ModelList总中模型的次序调用相关的模型。

(4)依据模型调度序列进行模型调度,即数据流按照模型调度的策略进行交互传输。信息数据通过运行模型进行传输,主要包括以下2种情况：

1)在模型的序列中,前一模型(Mt-1)的输出结果往往是后一模型(Mt)的输入条件,但也存在为了达成仿真需求,穿插调用其他模型的情况,如 μi(i=1,2,3,…,n);

2)某一模型调度子序列中正在运行的模型(Mt)也会调用另一模型子序列中模型(M′t)的运算数据。

(5)信息数据按照(4)中2种情况在模型之间进行流通时,必然产生2种现象：数据信息的丢失、失真与模型调度的中断、无序。模型调度序列越长,数据丢失、失真与调度中断、无序的现象就越明显。往往会由于单个模型的“误差”或“不可靠”而导致最终仿真结果的大相径庭,即存在所谓的“蝴蝶效应”(或“熵”)。因此,模型调度策略中数据的连通性和稳定性问题就显得尤为突出。解决这一问题的途径有：按照结论(1),将 ModelList总n尽可能多地分解,以减少调度序列的长度,方便查错和纠错;尽量提高模型的可靠性,完善模型的VV＆A过程等。

4 结束语

建立在对舰艇作战仿真模型合理分类的基础上,依据调度策略调用合适的仿真模型进行仿真模拟,能够进一步提高仿真系统的可重用性和可扩展性。但由于战术战法、条令规则、作战流程、逻辑顺序的制约,以及调用何种模型的不确定,从而影响模型的调度决策以及仿真效果。本文提出并分析了基于概念模型的模型调度决策法,对制定舰艇作战仿真模型的调度策略具有一定的可行性和实用价值。

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