可组合的鱼雷作战效能评估仿真系统研究

杨惠珍, 朱远军, 张建春, 郝莉莉, 康凤举



可组合的鱼雷作战效能评估仿真系统研究

杨惠珍, 朱远军, 张建春, 郝莉莉, 康凤举

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

鱼雷作战效能评估仿真系统涉及发射平台、鱼雷武器、目标、对抗器材等复杂实体以及风场、海浪、水声场等复杂环境的建模和仿真问题, 实现不同领域的实体和环境仿真模型的重用与组合是作战效能仿真系统开发面临的挑战。本文探讨了仿真可组合性的概念和基于本体的可组合仿真系统开发技术, 分析了鱼雷作战效能评估仿真系统的体系结构, 研究了鱼雷作战效能仿真本体、本体模型库以及基本本体的仿真系统开发流程, 为解决不同领域、不同粒度仿真模型的可重用和组合问题, 为构建更有效的鱼雷作战效能评估仿真系统进行了理论分析和工程应用探索。

鱼雷作战效能; 仿真可组合性; 仿真系统; 本体

0 引言

武器系统作战效能评估的基本方法主要有4大类: 解析法、仿真法、专家调查法和试验统计法[1]。由于难以获得演习和实战数据, 采用专家调查法和试验统计法研究鱼雷武器作战效能评估问题的困难比较大。另一方面, 由于鱼雷武器系统的复杂性和对作战环境的依赖性, 作战效能与鱼雷武器性能参数之间的函数关系难以建立, 解析法的应用也受到限制。因此, 基于仿真的武器系统作战效能评估方法是鱼雷作战效能评估的重要研究内容之一。

基于仿真的作战效能评估方法, 其一般思路是: 在作战仿真系统中, 建立评估对象所处的战场对抗体系的仿真模型, 赋予攻防双方相应层次的使命任务, 在对抗仿真过程中展现出评估对象完成使命任务的结果, 在综合大量不确定性的基础上, 针对不同的武器系统方案或作战运用方案计算出其作战效能指标[2]。许多文献对鱼雷作战系统[3-5]和水声对抗系统[6-7]的作战效能仿真方法进行了研究, 促进了鱼雷武器系统作战效能仿真建模与评估方法和技术的进步, 但由于鱼雷武器系统的复杂性、不确定性和非线性等特性, 这种基于还原论的方法目前还难以表现复杂环境下鱼雷武器作战效能的整体性特征, 因而很多仿真更像是“作战流程演示系统”。

为了使基于仿真的作战效能评估结果更加有效和可信, 鱼雷作战效能评估仿真系统需要解决两方面的关键技术: 一是建模技术; 二是仿真技术。建模技术的难点是鱼雷武器与战场环境间的交互关系的描述; 仿真技术的难点是鱼雷作战效能评估仿真系统开发所涉及的体系结构和软件开发技术。由于鱼雷作战效能仿真系统的开发涉及多学科、多部门和多层次的交叉与融合, 所采用的建模方法和编程规范不可避免地具有多样性的特点, 从本质上决定了作战效能仿真评估系统结构具有很高的复杂度, 因此, 先进仿真技术的应用是解决系统结构复杂性问题的有效途径。

鱼雷作战效能评估涉及发射平台、鱼雷武器、目标、鱼雷对抗器材等复杂的实体以及风场、海浪、水声场等复杂的环境, 这些实体和环境分属不同的研究领域, 在所属不同领域内积累了大量的仿真组件(包括仿真系统、仿真模型等), 如何通过重用这些组件来提高效能仿真系统开发的效率并快速地构建仿真系统, 是作战效能仿真系统开发面临的挑战。分布式交互仿真(distributed interactive simulation, DIS)和高层体系结构(high level architecture, HLA)等标准的提出和推广应用在一定程度上解决了仿真组件的组合问题, 但由于仿真模型和平台类型越来越丰富, 不同领域、不同层次及不同粒度的模型难以组合的问题仍然十分突出。

本文探讨了仿真可组合性的概念和基于本体的可组合仿真系统开发技术, 分析了鱼雷作战效能仿真系统的体系结构, 研究了鱼雷作战效能仿真本体、本体模型库以及基本本体的仿真系统开发流程, 为解决不同领域、不同粒度的仿真模型的可重用和组合问题, 实现快速构建更有效的鱼雷作战效能评估仿真系统进行了有益的探索。

1 仿真系统的可组合性

1.1 可组合性的概念

仿真的可组合性是指以不同的组合形式选取和装配仿真组件形成仿真系统, 从而满足特定用户需求的一种能力[8-16]。图1给出了组合仿真的概念图。组件仓库中包含不同类型的组件, 如基础网络服务、用户接口、一系列实体模型的实现、不同分辨率的物理模型实现等等。构建仿真系统时, 根据系统的需求选取合适的组件, 然后将所选的仿真组件装配成仿真系统。这种装配能力是可组合性问题的研究重点。不同组件组合成不同的仿真系统, 并且组件可以在多个仿真系统中重用。

图1 组合仿真概念图

鱼雷作战效能评估仿真系统采用可组合技术的好处在于充分利用已有仿真模型资源,通过构建和不断完善仿真组件库, 利用组件匹配和组合技术完成不同类型、不同规模、不同作战规则下的鱼雷作战效能仿真, 提高仿真效率和仿真可信性。

1.2 仿真组件的可组合性

从语法和语义的角度来分析仿真组件的可组合性。用可计算理论将组件定义为可计算函数,仿真则是指这些函数的顺序执行过程在每一个执行步骤中, 组件接收来自外部的输入, 经过状态变换, 得到相应的输出, 然后转入下一个执行步骤, 如图2所示。

图2 仿真组件和执行过程

语法上的可组合性是组合的工程实现, 关心的是组合的具体实现细节, 包括参数传递机制、外部数据访问和时间机制等。如HLA OMT定义了组件的接口及数据交互的标准格式, HLA RTI则构建了结构化数据的接口转换层, 实现数据的交互。基于 CORBA IDL, DIS PDU同样也实现了语法层次的组合。

语义上的可组合性则是在语法组合的基础上讨论仿真系统是否有意义以及模型是否有效的问题, 领域的有效性和一致性假设等建模问题是其核心问题。简而言之, 前者是模型能否被组合的问题, 后者是模型被组合之后是否有意义的问题。

从组合的层次和领域看, 可组合性可以分为水平方向上的和垂直方向上的两类。水平方向的组合可以近似认为是对具有相同分辨率的模型的组合, 通常会涉及到不同领域的模型, 模型的语义和时间域等不尽相同。例如, 作战仿真中包括地形/地理、天气、作战武器等模型的组合。垂直方向的组合是具有不同分辨率的模型的组合。最典型的例子是包括了军、师、旅、团、营、连、班等实体的作战仿真。

1.3 基于本体技术的可组合仿真系统的开发流程

本体是指“共享概念模型的明确的形式化规范说明”。在信息科学中, 本体论方法主要用于解决知识的重用和共享问题, 已广泛应用于知识工程、知识表示、自然语言处理等领域。在建模与仿真(modeling and simulation, M&S)领域, 研究本体论分析方法, 期望解决 M&S 领域面临的应用领域信息描述、系统重用与互操作、仿真可组合等问题。使用本体进行可组合仿真的前提是设计与开发基于本体的组件库, 主要包括以下内容。

1) 建立组件本体。定义组件本体的内容, 包括准确定义组件目标, 详细描述运行需要的输入和输出, 详细描述系统需求、执行成功的约束、前件和后件等信息。

2) 建立包含组件和组件本体的组件资源库。

3) 建立组件库的访问机制。仿真人员能够根据组件的本体描述发现并获得需要的组件。

图3描述了基于本体技术的可组合仿真系统构建过程。

图3 基于本体技术的可组合仿真系统构建流程

仿真需求包括仿真系统的目标、模型假设和约束等功能性需求, 也包括系统运行环境、安全需求、性能需求等非功能性需求。利用概念建模开发工具对仿真模型和仿真过程进行描述, 建立概念模型。通过对概念模型进行解析, 抽取出其中对于搜索仿真模型库所需的必要信息。在仿真组件的搜索阶段, 通过将仿真模型的信息发送给仿真模型本体库搜索算法, 根据搜索结果找到一个可能的候选仿真模型库。在搜索仿真模型库的过程中, 概念模型中所包含的仿真模型的名称、属性等基本信息是搜索与结果集排序的主要条件,而仿真系统需求中所定义的功能性和非功能性需求, 则将作为结果集筛选的条件。概念模型中所定义的交互关系、行为逻辑在本体模型库中是以形式化的方式存储, 它们在搜索过程中也将被作为必要条件对搜索结果进行进一步的精化。在候选组件的基础上, 进行语法和语义两方面的匹配。这些工作需要利用相应的支撑工具来完成。

1.4 本体开发工具

通俗地说, 本体就是用于仿真系统开发的各个阶段的一系列形式化规范(各领域抽象出来的特殊术语集和公理集), 如问题分析的形式化描述、概念模型的形式化描述、数据收集的形式化描述、实体模型的形式化描述等等。通过这些形式化描述, 达到交互、组合、共享及重用等目的。

要求作战仿真系统开发人员掌握复杂的本体语法和语义是不现实的, 必须借助于本体开发工具完成仿真系统设计和开发。常用的本体编辑工具有JOE, KADS22, OILED, OntoEdit, Ontolingua, WebODE, Protégé等。其中, 美国斯坦福大学基于Java语言开发的Protégé2000是免费、开源的本体开发工具, 它提供了本体概念类、关系、属性和实例的构建, 并且屏蔽了具体的本体描述语言, 用户只需在概念层次上进行领域本体模型的创建, 是用户易于使用的工具软件。另外, Protégé还具有图形用户界面(graphical user interface, GUI)可视化和网络本体语言(web onto- logy language, OWL)语言两种开发模式, 并支持中文操作。

2 可组合的鱼雷作战效能评估仿真系统

基于仿真的鱼雷作战效能评估分析包括4个主要环节: 1) 鱼雷作战效能指标体系的建立; 2)鱼雷作战对抗过程的建模与仿真; 3) 鱼雷作战效能指标的获取和分析; 4) 鱼雷作战效能的仿真验证和表现。因此, 鱼雷作战效能评估仿真系统是一个包含复杂算法、模型和大量数据的软件系统, 其设计和开发需借助先进的仿真技术和软件技术。

2.1 鱼雷作战效能评估仿真系统的体系结构

鱼雷作战效能评估仿真系统采用分布式的体系结构, 至少应包含以下几个子系统。

1) 仿真管理子系统

也称想定管理(scenario management, SOM)子系统, 主要完成作战效能指标的选择, 鱼雷、目标、环境等初始态势的设定, 仿真过程的监视等功能。

2) 鱼雷子系统

鱼雷子系统的质量直接关系着作战效能评估结果的可信性和有效性。模型库和作战规则库是鱼雷子系统的两个重要组成部分。模型库包含不同粒度的鱼雷模型（运动学模型、动力学模型、动力系统模型、控制系统模型、自导系统模型、引信系统模型等）, 根据作战效能评估指标的需求, 选取不同粒度的模型进行仿真。作战规则库含有鱼雷作战的各种战术动作, 作战规则不同, 对同一初始条件会得到不同的仿真结果。作战规则与鱼雷自身状态和性能指标、作战环境以及目标反对抗措施等有关。

3) 目标子系统

目标子系统主要完成目标运动(含规避动作)、声学特性以及反鱼雷等对抗功能的仿真。

4) 作战环境子系统

作战环境包括海水盐度、温度等水文环境,海浪、海流, 风等海况和气象环境, 这些环境因素影响鱼雷声纳作用距离、航行深度以及航行姿态等性能指标, 然而目前还难以建立这种影响的准确数学模型, 或者有些数学模型过于复杂难以直接应用在效能评估仿真系统中, 如水文环境对声线影响的仿真。目前, 本系统建立了部分简化的环境模型, 如恒定的风场、水声场和海流等。

5) 效能评估子系统

效能评估子系统根据效能评估指标的需求,从数据库中提取所需的各种参数和仿真数据, 进行效能评估模型的结算, 给出作战效能评估结果。

6) 数据库子系统

数据库子系统完成仿真结果数据的管理, 主要功能包括从其他子系统中获取各种模型数据、关键点数据和仿真结果数据, 实现在线存储、离线查询、统计分析等功能。

2.2 鱼雷作战效能仿真本体库设计

鱼雷作战效能仿真本体指用形式化语言来描述鱼雷作战效能仿真系统, 覆盖鱼雷作战相关实体模型和交互行为, 形成一个可重用的本体知识库, 将该本体作为鱼雷作战效能仿真系统开发需求的基础, 也可以为网络化仿真提供支持和服务。下面用两个例子简要说明本体的定义。

1) 仿真实体的定义

仿真实体主要描述实体具备的属性。例如,定义如下的部分谓词关系。

is_torpedo(x): x 是鱼雷

has_property(x,y): x具有属性y

is_property_of(x,y):y是x的属性

has_subproperty(x,y):x具有子属性y

is_subproperty_of(x,y):y具有子属性x

is_launchedbysurfaceship(x ): 水面舰发射x

is_launchedbysubmarine(x): 潜艇发射x

……

2) 仿真任务本体

仿真任务本体描述了相关的服务和仿真模型, 谓词关系定义如下。

is_model(x): x是一个仿真模型

is_event(e):e是一个仿真任务或者事件

process(x,y):事件x能够处理实体y的属性

……

例如, 一个仿真模型有如下的属性初始化参数(initial parameter), 输入变量(input arguments), 输出变量(output arguments)和状态描述(state description),根据以上的定义可以用如下的形式化方法进行表达:

3) 本体模型库

本体模型是对实现模型的抽象性描述。通过分析鱼雷作战过程, 需建立的鱼雷作战效能仿真模型库主要包括鱼雷模型、自然环境模型、水声对抗模型、武器发控模型和目标模型等, 如表1所示。

表1 仿真实体列表

本体模型库可看作是知识重用的清晰解释和说明。对于鱼雷作战效能评估仿真本体库的开发, 以Protoégé软件作为本体开发环境, 以OWL作为本体描述语言, 基于表１列出的实体, 详细描述鱼雷作战实体定义和概念间的关系, 提供实体活动间的交互关系和基本原理(如图4所示)。

图4 基于OWL本体描述界面图

2.3 可组合的鱼雷作战效能仿真系统的开发

例如, 仿真想定如下所述: 红、蓝方在某一作战海区相遇, 红方为水面舰艇, 蓝方为潜艇。红方低速巡逻, 通过艇上综合声纳对蓝方进行搜索, 当红方发现蓝方目标后, 通过艇上的指控系统做出决策, 红方发射火箭助飞鱼雷攻击蓝方, 蓝方探测到红方来袭鱼雷后作出指控决策, 采取机动规避或施放水声对抗器材进行防御。图5给出了基于本体驱动的可组合的鱼雷作战效能仿真系统开发流程。

图5 可组合的鱼雷作战效能仿真系统工作流程

Fig.5 Working flowchart of composable simulation system for torpedo operational effectiveness

基于Protégé的本体搜索、匹配和组合工作包括:

Step1: 建立鱼雷作战仿真系统所需的本体,本体包含组件的信息, 如接口参数、消息、实体类型、单位、数据类型、交互条件等, 形成本体OWL文件。

Step2: 读取基于XML描述的仿真想定文档,抽取出参与的实体集和任务集。

Step3: 以步骤2中的结果作为模型搜索条件,读取本体OWL文件, 获取本体的类名和实例, 采用基于关键字的查询算法初步筛选出所需的模型集, 存入相应的文件中。

Step4: 读取候选模型集文件中的实体对象,以此为基础获取OWL文件中对象的属性、属性值及相互间的关系, 作为Protégé中推理引擎部件的输入, 通过语法和语义上的匹配组合, 最终形成一组最适合仿真想定场景的模型集, 存入SQL关系数据库中。

最后, 在用户应用软件平台(Visual C++平台上编写)上通过运行与数据库中模型对应的模型组件构建出所需的仿真系统。

图6是鱼雷作战效能评估仿真系统的一个界面截图, 该系统包含了鱼雷、水面舰(发射平台)、潜艇(目标)以及部分水声对抗器材的模型。

图6 火箭助飞鱼雷攻击潜艇效能仿真系统的截图

3 结束语

本文探讨了基于可组合鱼雷作战效能仿真系统开发技术, 分析了鱼雷作战效能仿真系统的体系结构, 研究了鱼雷作战效能仿真本体、本体模型库以及基本本体的仿真系统开发流程, 初步建立了鱼雷作战效能评估仿真系统, 为解决不同领域、不同粒度的仿真模型的可重用和组合问题,实现快速构建更有效的鱼雷作战效能仿真系统进行了有益的工程实践探索。

[1] 汪民乐, 高晓光, 蔡付东. 作战飞机效能分析研究综述[J]. 飞行力学, 2001, 19(4): 1-5.Wang Min-le, Gao Xiao-guang, Cai Fu-dong. Overview of Research on Military Aircraft Combat Effectiveness Analysis[J]. Flight Dynamics, 2001, 19(4): 1-5.

[2] 邓睿. 面向作战效能评估的架构驱动仿真方法及其关键技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2008.

[3] 卜广志, 张宇文. 鱼雷武器系统作战效能的仿真方法研究[J]. 鱼雷技术, 2002, 10(20): 32-35.Bu Guang-zhi, Zhang Yu-wen. A Study of Simulation Method of Operational Effectiveness for Torpedo Wea- pon System[J]. Torpedo Technology, 2002, 10(20): 32- 35.

[4] 吴宇, 康凤举, 魏佳宁, 等. 基于HLA的鱼雷武器作战性能仿真技术研究[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(11): 3135-3142.Wu Yu, Kang Feng-ju, Wei Jia-ning, et al. Torpedo Operational Performance Simulation Based on HLA[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(11): 3135-3142.

[5] 杨惠珍, 李家宽, 康凤举, 等. 基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统及其VV&A研究[J]. 系统仿真学报, 2010, 22(4): 905-907.Yang Hui-zhen, Li Jia-kuan, Kang Feng-ju, et al. Torpedo Performance Simulation System Based on HLA and VV&A Activities[J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(4): 905-907.

[6] 王栋, 郑援, 孙飞龙. 水声对抗器材对抗鱼雷战斗使用效果评估[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(3): 56-60.Wang Dong, Zheng Yuan, Sun Fei-long. Evaluation of Anti-torpedo Operational Effectiveness with Acoustic Countermeasure[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(3): 56-60.

[7] 罗修波, 董晓恒, 胡海燕, 等. 水面舰水声对抗综合仿真环境研究[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(2): 315-317.Luo Xiu-bo, Dong Xiao-heng, Hu Hai-yan, et al. Research on Integration Simulation Environment of Underwater Acoustic Countermeasure System for Warship[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(2): 315-317.

[8] 张童, 刘云生, 查亚兵. 可组合仿真系统的概念框架研究[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(8) : 1710-1712,1748.Zhang Tong, Liu Yun-sheng, Zha Ya-bing. Research of Concept Framework for Composable Simulation System[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(8): 1710-1712, 1748.

[9] 周东祥, 仲辉, 邓睿, 等. 复杂系统仿真的可组合问题研究综述[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(8): 1819 -1923, 1840. Zhou Dong-xiang, Zhong Hui, Deng Rui, et al. Survey of Simulation Composability of Complex Systems[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(8): 1819-1923, 1840.

[10] 由延军, 康凤举, 张森. 基于组合的水下武器对抗仿真系统开发研究[J]. 计算机测量与控制, 2011, 19(10): 2462-2464, 2471. You Yan-jun, Kang Feng-ju, Zhang Sen. Development of Underwater Weapon Confrontation Simulation System Based on Composability[J]. Computer Measurement & Control, 2011, 19(10): 2462-2464, 2471.

[11] Petty M D. A Composablity Lexicon[C]//Weisel E W. Florida: Spring Simulation Interoperability Workshop, 2003, 03S-SIW-023.

[12] Petty M D. A Formal Basis for a Theory of Semantic Composability[C]// Weisel E W. Florida: Proceedings of the Spring 2003 Simulation Interoperability Workshop, 2003: 416-423.

[13] Petty M D. A Formal Approach to Composability[C]// Weisel E W, Mielke R R. Proceedings of the 2003 Inter- service/Industry Training. Florida: Simulation and Education Conference, 2003: 1763-1772.

[14] Weisel E W, Mielke R R, Petty M D. Validity of Models and Classes of Models in Semantic Composability[C]// Proceedings of the Fall 2003 Simulation Interoperability Workshop, Orlando FL, 2003: 526-536.

[15] Claudia S. On Syntactic Composability and Model Reuse[C]//Yong M T. Thailand: Proceedings of the Inter- national Conference on Modeling and Simulation, 2007: 230-237.

[16] Mathias R. Uhrmacher. Definition and Analysis of Composition Structures for Discrete-event Models[C]// Adelinde M. Washington: Proceedings of the 40thConference on Winter Simulation, 2008: 942-950.

Study on Composable Simulation System for Evaluation of TorpedoOperational Effectiveness

YANG Hui-zhen, ZHU Yuan-jun, ZHANG Jian-chun, HAO Li-li, KANG Feng-ju

(School of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The simulation system for evaluation of torpedo operational effectiveness relates to modeling and simulation of a number of entities and environments. The list of operational entities includes launching platforms, torpedo, target warships, and acoustic countermeasure devices, etc. And the list of environments includes wind, wave, and acoustic field, etc. One of the challenges in developing simulation system for operational effectiveness evaluation is to realize reusability and composability of simulation models of the entities and environments for in different fields. In this paper, the concept of simulation composability and the ontology-based developing technology are discussed. The simulation system architecture of torpedo operational effectiveness evaluation is analyzed. The simulation ontology of torpedo operational effectiveness, ontological model base, and ontology-based development are studied to improve the reusability and composability of the simulation system. This study may benefits the development of the simulation system for operational effectiveness evaluation.

torpedo operational effectiveness; simulation composability; simulation system; ontology

TJ630; TP391.9

A

1673-1948(2013)02-0146-07

2012-11-02;

2012-12-13.

船舶预研基金(11J4.1.1).

杨惠珍(1974-), 女, 博士, 副教授, 研究方向为武器系统仿真, 水下航行器控制与仿真.

(责任编辑: 许 妍)