作战仿真中一体化建模问题研究

2013-12-15张永亮高志年

军事运筹与系统工程 2013年1期

张永亮高志年

(1.解放军理工大学指挥信息系统学院，江苏南京210007;2.南京陆军指挥学院，江苏南京210045)

1 引言

我军早期采用面向过程方法开发的一系列战役、战术级的作战模拟训练系统，在信息时代作战需求不断变化时出现了诸多问题:一是仿真模型与相应领域绑定，无法进行异构系统间的移植，基本是同态不同构的模型体系。在军事需求变化时需要重新开发设计，大大降低了模型开发效率。二是军事人员与技术人员在系统开发过程中由于知识背景的差异产生认知上的“鸿沟”，亟待寻求一种二者都易于接受的建模语言和建模方法，实现问题描述与技术实现的一致性动态表达。三是缺乏一套有效的模型库构建机制，无法实现对大量模型的高效集成与管理。加之我军仿真模型工程建设之初，缺乏模型的顶层设计和统一的规范标准，使得目前我军建模效率较低，诸多仿真模型重用性差，而且无法成体系地对其实施集成与维护，难以有效应用于作战分析、方案推演等实验项目。为作战仿真实验提供科学合理、可重用、易集成的作战仿真模型资源，是我军当前开展作战仿真实验必须解决的现实问题，也是未来我军军事仿真模型工程建设的基本任务之一。

2 作战仿真中一体化建模方法的提出及其发展

20世纪90年代末，为解决军事建模过程不规范和大量军事仿真模型更新维护难、重用性不强，以及体系组织、集成管理困难等问题，在全军重大项目的研讨会和学术会议上，符合我军实际的“一体化建模”方法［1］随之被提出，旨在通过规范军事仿真建模过程，实现建模过程主要环节的规范化、标准化，以达成在统一工具环境引导下的军事描述与技术表达的一致性。尔后，军内院校的军事运筹和作战指挥学科的硕士、博士研究生对一体化建模思想的基本内涵、建模原理与方法，以及一体化建模工具设计等问题进行了深入研究和不懈的探索［1-7］。与此同时，军内诸多作战模拟领域的专家们基于一体化建模思想，从军事概念建模入手，在作战仿真模型工程建设方面进行了一系列的实践与探索。近年来，基于推进模型标准化的现实考虑，军内多位领域专家又先后展开了“军事概念模型通用规范设计与应用”“联合作战指挥训练陆军战役战术模型体系”“联合作战实验陆军作战模型系统”“陆军部队作战方案论证仿真推演控制系统”“‘联合XX’军事概念模型一体化建模及标准化模板研究”等一系列课题的研究工作，部分研究成果已成功应用于“联合作战仿真推演实验评估系统”，有力促进了我军联合作战实验的建设发展。一体化建模思想经过十余年理论研究与实践探索，已向前迈出了坚实的一步，初步形成了具有我军建模特色的一体化建模理论体系，其理论框架如图1所示。需要指出的是，目前一体化建模理论用于指导工程实践应用还有相当的差距，主要体现在:一体化建模基础理论中的建模规范、建模过程还未达成共识;主要建模环节的转换技术还有待攻克，即如何建立模型与代码之间的映射机制，实现军事概念模型与仿真模型的有机衔接和相互转换。

图1 作战仿真中一体化建模理论框架

3 作战仿真模型一体化建模方法的内涵

在不断探索与实践中，研究人员和工程技术人员对军事仿真中一体化建模方法的内涵已基本达成共识，即是在规范化的建模方法指导下，通过一体化建模通用开发平台，将军事问题描述(需求分析与概念建模)、数学逻辑建模和软件实现有机联系为一体，进行军事问题描述与技术实现相互联动式模型开发，从而实现在统一工具环境引导下的军事描述与技术表达的一致性，达成多数情况下军事描述的改变同步引发仿真描述一致性改变的目标，并为模型校验提供更好的解决思路［1-5］。作战模型一体化建模过程的模型设计是依据一体化建模思想，对作战模拟模型进行从概念建模到数学逻辑模型，再到程序组件模型，逐步逼近、反复迭代的模型设计过程。这种模型设计过程可以有效减少建模过程中语义与语法上的歧义，提高建模效率，为最终实现军事建模自动化或半自动化打下基础。

一体化建模的本质是军事人员和技术人员利用一体化建模平台和预定义的模型协议接口进行有机合作、共同建模的过程。该过程明确了建模各个阶段的内容以及相互之间的转化方法，并且提供了一系列的转化工具。总体上讲，一体化建模包括两个方面的核心内容:

(1)通过模型与程序代码之间的映射，实现概念模型、数学逻辑模型向程序仿真模型的正向转换，实质是通过语言的映射而把模型转换为代码的过程，即仿真模型的正向工程(forward engineering)，从而将各建模过程有机地联为一体，实现军事概念模型与程序模型之间的自动转化，为因需求变化而带来的模型修改和维护提供便利。

(2)通过模型反向映射机制实现程序代码向可视化概念模型图的转换，实质是通过特定的映射而把代码转换为模型的过程，即仿真模型的逆向工程(reverse engineering)，实现仿真开发中不同形态模型的迭代式开发。它一方面有助于模型开发人员和军事人员相互协作，在迭代增量式的模型开发中快速发现和定位模型开发过程中的问题;另一方面，可以有效提高模型的正确性和可靠性，并为模型校验和确认提供有效手段。

4 作战仿真模型一体化建模方法

4.1 一体化建模的关键实现环节

一体化建模的技术目标是将军事问题描述、数学逻辑模型转化、模型程序软件实现三个关键性建模步骤，在统一的软件工具支持下，实现自动或半自动连贯转换。其最突出的特点是军事人员对军事问题描述的变更，可通过系统自动或半自动地直接反映到最终的仿真描述上，大幅度提高系统应用的灵活性、针对性和适应性，提高系统与军事人员结合的紧密度和建模效率。实现这一目标有六个关键环节:

(1)在面向对象建模思想指导下按照属性、行为和关系三个层次和控制规则、元动作、支持数据三者分离的行为模型描述要求，建立军事概念模型格式化和形式化表述方法。

(2)依据规范化的概念建模要求，设计、开发军事概念建模软件支撑环境。

(3)在军事概念建模基础上，构建数学逻辑模型建模软件支撑环境。

(4)基于军事概念模型、数学逻辑模型建模软件支撑环境，构建军事概念模型与数学逻辑模型自动或半自动转换软件，实现军事概念模型向数学逻辑模型的自动或半自动转换。

(5)研制数学逻辑模型自动或半自动转换为程序模型的软件工具，将数学逻辑模型转化为程序组件。

(6)构建基于组件的程序模型集成开发环境，运用模型控制管理框架实现对各模型组件的自动或半自动集成，最终形成可供使用的作战模拟系统。

总体看，实现一体化建模的六个关键是“建立一个方法，构建五个工具”。通过这种一体化建模方法的实现，在军事建模方法上有所突破，以提高军事仿真模型的开发效率和模型资源的可重用性，同时用工程实践促进军事模型建设的标准化。基于作战仿真实体模型组件的作战模拟系统开发过程，如图2所示。

图2 基于作战实体仿真模型组件的作战模拟系统开发过程

4.2 一体化建模技术实现的总体构想

从专业角度看，实现一体化建模主要的困难集中在两个方面:一是军事问题的描述和形式化表达，也就是回答军事上要描述什么、用什么形式描述的问题;二是如何选择一种恰当的集成建模方法，实现由军事概念表述向逻辑数学模型、程序模型自动或半自动转化。建模仿真过程中军事问题描述、逻辑数学模型转化、模型程序软件实现是三个关键性建模步骤，基本思路是总体设计、两端入手、分布推进。可分为三步实施:第一步，完成两项工作，一是完成军事概念模型“三分离”(元动作、控制规则和支持数据)方法的研究，在此基础上完成军事概念模型一体化建模软件平台的研究;二是梳理并确认作战模拟模型集成的方法，构建程序模型集成建模软件平台，以人工方法衔接军事概念模型、逻辑数学模型和模型组件，并在人工控制下尝试运用集成建模工具实现程序模型原型。第二步，研制逻辑数学模型建模软件平台，研制军事概念—逻辑数学模型转换工具软件，实现自动或半自动军事概念模型向逻辑模型转换，人工实现逻辑数学模型向程序模型组件转换。第三步，研制逻辑数学模型—程序组件转换软件工具，实现自动或半自动逻辑数学模型向程序模型组件的转换，从而实现从军事问题描述到逻辑模型，再到程序模型的全过程自动或半自动转换，完成一体化建模通用软件平台的研制。

综上所述，一体化建模通用软件平台主要包括军事概念模型建模软件平台、逻辑数学模型建模软件平台、程序建模集成软件平台、军事概念—逻辑数学模型转换工具软件、逻辑数学模型—程序组件转换工具软件共五个部分，其应用逻辑如图3所示。

图3 一体化建模通用软件平台应用逻辑图

4.3 作战仿真中一体化建模基本过程

运用一体化建模方法构建作战实体仿真模型的过程如图4所示，主要包括五个步骤。

4.3.1 实体模型的需求分析

模型的需求分析是开展建模工作的首要环节。从需求分析的内容上看，建模之前需抽象出特定任务空间中的相关作战实体，明确实体模型的任务定位、应用背景、研究范围，分析实体的职能及组织结构，规定模型描述的约束条件，确定与实体相关的属性、方法等。

4.3.2 模型的军事问题描述

作战实体一体化建模中的军事问题描述，是指运用格式化或形式化的表达方式实现对现实使命空间军事问题的一致性、规范化表达，其结果表现为作战实体的军事概念模型，即美军的CMMS。

4.3.3 数学逻辑建模和数据结构设计

在实体概念建模的基础上，还需完成对实体属性和行为的数学逻辑建模。其主要工作包括，分析模型系统的输入、输出数据特点并设计作战实体属性数据和行为模型的数据结构;完成对作战实体静态属性的定量化描述，并确定合理的作战实体行为数学或逻辑算法。需要强调的是，为了实现实体模型间一致性转换，需要按照规范化的模型设计要求，构建数学逻辑模型及其数据结构。

4.3.4 不同形态模型间转换

相关建模人员在对模型一致性理解的基础上，借助一体化建模通用软件平台的支持，实现模型间的自动或半自动化转换，最终完成实体概念模型和数学逻辑模型向模型组件转换。

4.3.5 模型校验与迭代式开发

模型可信性检验的需求，使得相关建模人员须在标准化建模指导思想下，开展模型校核、验证与确认(VV＆A)工作。作战仿真模型应用需求的动态改变，要求必须对模型进行迭代式检验，以适时更新标准化的模型资源库，合理反映实际应用需求。