作战仿真系统开发平台研究及应用*

黄晓冬，凌绪强，温 玮

（海军航空工程学院，山东 烟台 264001）

作战仿真系统开发平台研究及应用*

黄晓冬，凌绪强，温 玮

（海军航空工程学院，山东 烟台 264001）

作战仿真已成为人们对军事问题进行研究的重要手段。从作战仿真需求出发，研究了作战仿真系统的开发平台的组成、功能和应用模式，给出了面向作战仿真的平台解决方案。平台的核心是作战仿真引擎HYCGF，HYCGF提出了一种可组装的实体模型框架和基于“计划”的实体行为建模方法，基于该框架的实体状态和行为能力完全由装配的状态池和模型组件所决定。最后，介绍了应用该平台开发一个典型作战仿真应用的案例。

作战仿真，开发平台，计算机生成兵力，实体建模

引言

作战仿真［1］已成为人们对军事问题进行研究的重要手段。作战仿真平台是支撑作战仿真应用系统开发的软件工具集，是计算机软件技术和仿真技术与作战应用相结合的产物，对提高作战仿真应用系统的开发效率和质量具有重大的推动作用，因此，一直是国内外仿真领域关注的热点［1-6］。作战仿真平台研究的难点在于：①仿真对象复杂，现实世界中作战领域本身的复杂性和动态性决定了仿真平台的复杂性；②涉及知识面广，既需要计算机软件、人工智能、建模与仿真等诸多共性技术背景，也需要各类作战、指控、武器及设备等诸多专业背景。

在国外，大多数作战仿真平台是在大型作战仿真项目开发基础之上，通过抽取共性的框架并配套相关的工具形成的。如美军通过联合作战实验室的建设，形成JSIMS（联合仿真系统）、JWARS（联合作战仿真系统）和JMASS（联合建模与仿真系统）三大联合系统，沉淀出一系列工具、平台和模型，为后续更大规模更复杂的系统开发提供了有力的支持［2］。

经过产业化的运作和大量案例的验证，目前国外已研发出比较成熟实用的商业化作战仿真平台，其中应用得最为广泛的当属 FLAMES和VR-Forces。FLAMES是一套面向效能评估、支持战术/战役仿真和模拟训练的平台和工具，广泛应用在美国及北约的三军和军工部门；VR-Forces是用于交战级战术仿真系统开发的平台，该平台包括前台界面和后台CGF引擎两部分，前台提供一个可定制的人机交互界面，用于战场态势的显示和实体的控制，后台引擎用于实体模型的集成。VR-Forces支持以组件组装的方式构造实体，灵活性好，可以有效地支持模型复用，但缺点是演化机制少，模型框架过于庞大，二次开发比较困难。

总体上说，国外CGF产品仅仅是提供了这些产品的使用和二次开发，关于产品研发的核心技术，文献介绍很少。国内，北京航空航天大学、国防科技大学等机构在相关项目的支持下，也正在进行这方面的研究［4-6］。

在相关项目和应用背景的支撑下，本文首先从作战仿真建模、仿真实验、分析评估的全生命周期的需求出发，研究了支持作战仿真应用开发的支撑平台的组成、功能和应用模式。考虑到作战仿真引擎是平台的核心，论文重点介绍了作战仿真引擎的实体模型、组装机制以及基于“计划”的行为建模方法。

1 平台组成与应用

作战仿真系统开发平台面临3个方面的任务：一是领域知识的表达，即领域建模；二是系统集成和运行支撑；三是系统运行管理与维护。而这些功能和任务的实现，主要依靠一系列的开发工具的相互协同来完成。文献［7］介绍了通用的仿真平台的协同模式，对作战仿真平台的协同模式具有很好的指导和借鉴作用。

1.1 平台组成

通常，作战仿真系统的开发执行过程可分为如下4个阶段：系统开发、任务开发、仿真实验和系统评估，每个阶段都由相应的相关的工具，如图1所示。从这些软件工具的运行时特性来看，可将它们分为前台工具和支撑工具两类，前台工具一般都有友好的人机交互界面，支撑工具则是对前台工具运行时的支持环境，包括模型库和仿真引擎。

图1 开发平台及其工具组成

后台支撑工具参与的阶段比较多：如模型库作为工具间信息交联的中介，在系统开发、任务开发以及仿真实验过程中均要参与，与之相配合的前台工具是从建模工具到部署工具；而作战仿真引擎是兵力实体模型的集成环境，也在各个阶段均要参与，与之相配合的主要前台工具主要是联试工具和运行管理工具。

1.2 平台的应用过程

对4个阶段进行进一步的细化，更为详细的过程划分为11个步骤，如图2所示（用户可以根据实际系统需要进行剪裁）。其中：步骤1、步骤3、步骤4的由顶层设计与建模工具提供支持；步骤2、步骤5、步骤8由联试工具提供支持；步骤6、步骤7由部署工具提供支持；步骤9～步骤11由运行管理工具提供支持。仿真引擎作为一个运行支撑境，嵌入到仿真应用系统中，模型库则是各个工具之间信息共享的桥梁。

图2 仿真系统开发过程

如图2所示，在系统开发阶段，开发人员首先使用建模工具［8］开发系统模型，然后利用联试工具对系统模型进行推演和验证，确保开发的顶层模型能反映用户的需求；在步骤3中利用系统模型生成组件模型框架，然后步骤4中开发仿真组件并通过步骤5对组件进行测试。经过前5个阶段，系统开发结束，所有的模型经过了初步的验证并提交到模型库中。

步骤6的参与者是军事专家，主要根据待研究的作战问题与任务（如导弹突防、登陆作战）进行想定开发（当然其想定所依赖的模型需要在模型库中已经存在）；步骤7则根据任务情况和仿真软件硬件资源将模型部署到各计算节点上；步骤8根据部署情况对整个系统进行集成测试与验证，确保系统功能正确，性能稳定可靠。经过这3个步骤，仿真系统被搭建起来，具备了进行仿真实验的条件。

步骤9根据仿真的需要进行实验设计，主要考虑仿真的边界条件与敏感参数，为仿真系统的运行提供输入；步骤10对整个系统的运行过程进行监控；步骤11则对仿真结果进行可视化、评估与特征展示。

2 作战仿真引擎研究

作战仿真引擎是模型的集成环境，在运行期负责管理和调度具有一定自主行为能力仿真实体。而在开发阶段，作战仿真引擎则表现为一个软件框架，该框架定义了兵力实体的组装、交互、调度等各种运行机制，通常也称为CGF（Computer Generated Forces）框架。

2.1 实体模型框架

基于EATI（即实体、动作、任务、交互）的建模是对军事或兵力系统进行建模的经典方法。该方法从分析作战过程入手，依次抽象出作战双方的参战实体、实体执行的任务、任务中可分解的动作、以及实体间交互关系（包括可以发生的交互、交互内容、交互条件和交互效果等）。

本文以EATI为指导，通过将实体、动作、任务、交互等要素进行抽象和封装，开发了称为HYCGF的软件框架，该框架提供了兵力实体的组装、交互、调度、任务分解、动作组合、逻辑描述等机制和服务，重点突出了以下几个方面对CGF应用系统的开发：①通过将EATI的概念与具体软件对象相关联，引导应用开发者对问题进行合理的分解，并将分解结果物化为软件对象进行体现；②为上层作战仿真应用提供了简单易用编程接口，简化系统的开发和实现；③通过应用反射技术、重配置技术和组件技术，提供良好的扩展机制、复用机制和演化机制，使应用系统具有良好的适应能力。关于第3个方面的设计，文献［9-10］进行了详细的讨论，本文仅对实体框架进行重点介绍。

实体是CGF框架中的核心概念，它是系统中具有全局唯一标识并具有一定自主行为能力仿真主体。如图3所示，HYCGF定义的实体由标识、状态池（兵力实体的静态属性集）、行为组件（传感器、控制器、执行器）、通信组件几个对象复合装配而成，实体本身仅为一个载体或容器，其表现形式和行为能力完全由装配的状态池和模型组件所决定。另外，实体还可以进一步聚合形成聚合实体（如舰艇编队、航空兵编队等）。

状态池是描述实体状态的属性集（如地理坐标、姿态、毁伤程度等）；状态池可被实体内部的仿真模型访问并修改，并通过底层通信服务进行发布以被其它实体所感知。HYCGF内置的状态池包括了单兵、水面舰艇、车辆、飞机、潜艇、导弹等各种类型。

图3 可组装的实体框架

模型组件是对实体感知、决策、动作等行为进行仿真的功能模块。对于平台实体，大部分模型组件在实现中映射成为平台所装配的装备。HYCGF提供了传感器、控制器、执行器、数据链四类模型组件供应用层扩展，分别实现实体的感知模型、决策模型、物理模型和基于信道的通信模型。

为了支持实体间通信的仿真，HYCGF定义了一种称为Radio的模型组件。一个Radio模拟了一个通信信道，当实体基于Radio进行通信时，数据能否传输，将取决于信道环境和实体状态。另外，HYCGF还定义了“资源”的概念，以用来描述实体行为过程中会产生消耗的物理量如油料、弹药等。

为了支持实体和模型组件的参数化，HYCGF提供一个称为实体参数数据库的描述机制。实体结构参数化使得实体所装配的状态池、模型组件可根据仿真案例的需要进行重配置；而模型组件参数化使得单个的模型组件可用于模拟多个型号的装备，大大提高了模型组件的重用性。

2.2 实体行为建模

HYCGF的实体行为建模主要包括3个方面：行为语言的描述、计划并发控制策略和行为引擎的设计，而这些内容的设计又依赖于“动作”和“计划”等核心概念的定义。所谓动作，是指实体行为不可分解的片段，对应到一个行为脚本的指令（因此，也称为任务语句），而这条指令被执行时，则导致执行组件的一个函数被调用。计划是动作语句的序列，是描述具有自主决策能力实体作战仿真行为的手段，在无控制台指令干预的情况下，实体的行为完全由计划所引导。显然，HYCGF中的计划与EATI中的任务是相对应的。

HYCGF中的计划是通过组织编号与仿真中的某个实体动态绑定。由于实体的组织编号在仿真过程中可动态变化，因而计划的执行主体对应到一个作战角色，而非固定一个特定实体。这种设计带来的好处是为实体赋予作战任务具有更强的灵活性，同时也有利于计划的可复用。

HYCGF的行为描述语言采用脚本语言，能够对计划、任务、条件判断等进行准确的描述。行为引擎用于对CGF实体中的行为进行管理和调度的功能模块，其主要功能，是将行为脚本和决策规则以及用户的操作命令变换成一个结构化的可运行的状态机。

3 应用举例

本文以一个航空反潜战术任务背景的仿真案例来介绍基于本平台的开发过程，其中不考虑实验设计与分析评估，只介绍建模和仿真运行两个阶段。

兵力：红方2艘水面舰，各搭载1架反潜直升机；蓝方1艘水面舰、1艘潜艇。过程：红方水面舰向蓝方海域机动，当距离满足一定条件时，派遣直升机和攻击机；直升机通过吊放声纳和鱼雷反潜，攻击机通过导弹反舰，此间产生对抗。

涉及的实体种类：水面舰、直升机、固定翼飞机、潜艇、鱼雷；涉及的模型种类：平台动力学、平台运动控制、对海决策、对潜决策、导弹武器系统、鱼雷武器系统、吊放声纳系统等。

图4 平台信息流程

以HYCGF为核心的开发平台各个信息流如图4所示。根据图4的描述，案例的第1步是以军事概念模型为基础，在建模工具上开发形式化的系统框架模型，系统框架模型描述了与案例相关的模型组成、实体与模型的组装关系及参数配置、模型间的信息传递关系、以及实体的行为规则。采用本文介绍的平台并基于该案例建立的实体与模型的组装关系如图5所示。

第2步是由系统框架模型生成C++代码框架和组件的MDF文件，同时还生成OPD文件和RTI环境所需的FED文件。

第3步是在C++代码框架基础上，加入应用层代码后编译链接形成可复用的组件。

第4步是利用想定工具自动生成仿真场景文件即SCN文件，该文件中含有战场环境和实体的初态及行为计划等信息。关于SCN文件的格式及内容的描述，参见文献［11］，本例中的一个计划脚本片段如下。

第5步是运用模型部署将FED文件、OPD文件、MDF文件及组件执行体DLL文件合并在一起形成SIM文件，然后把SIM文件与SCN文件一起部署到各个仿真节点，最后在运行管理工具支持下实现系统的运行和管理。

图5 实体模型的组装关系

4 结 论

作战仿真平台是支撑作战仿真应用系统开发的软件工具集。本文通过对作战仿真系统开发平台相关技术的研究，构建了一个完整的作战仿真系统开发平台。应用实践表明，该平台能够有效支持作战仿真系统建模、仿真实验、分析评估的全生命周期等各个环节。特别是通过可视化的建模，有效地实现了军事概念模型向仿真模型的过渡；通过设计合理的实体组装机制，同时应用反射、重配置和组件等现代软件技术，该平台提供了非常良好的扩展机制、复用机制和演化机制，有力地推动了作战仿真应用系统开发效率和开发质量的提高。

［1］黄柯棣.作战仿真技术综述［J］.系统仿真学报，2004，16（9）：1887-1895.

［2］陈 欣.美军建模仿真对象模型体系框架研究［M］.北京：军事科学出版社，2008.

［3］庞国峰.虚拟战场理论研究与工程实践［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［4］马耀飞，龚光红.计算机生成兵力建模仿真支撑框架［J］.北京航空航天大学学报，2008，34（01）：67-70.

［5］尹全军.基于多Agent的计算机生成兵力建模与仿真［D］.长沙：国防科学技术大学，2005.

［6］刘秀罗.CGF建模相关技术及其在指挥控制建模中的应用研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2001.

［7］凌绪强，黄晓冬，李伯虎.一种协同建模与仿真支撑平台及其关键技术研究［J］.系统仿真学报，2013，25（6）：1264-1269.

［8］温 玮，方 伟，黄晓冬.面向领域的仿真设计建模工具SIMDEMO的研究与实现［J］.北京航空航天大学学报，2010，22（8）：3207-3211.

［9］Ling X Q，Huang X D，Li B H，et al.SimFaster：A Modeling and Simulation Platform with Multiple Views for Complex System［J］.COMPEL：The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering，2009，28（6）：1546-1559.

［10］黄晓冬，李伯虎，柴旭东，等.基于反射的分布交互仿真软件框架［J］.北京航空航天大学学报，2007，27（4）：994-999.

［11］黄晓冬，凌绪强，温 玮，等.基于SRML的仿真语言研究及应用［J］.计算机仿真，2013，30（3）：285-289.

Research on Developing Platform for Battle Simulation System

HUANG Xiao-dong，LING Xu-qiang，WEN Wei
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Combat simulation is an important method to study military probrems.According to the requirement of development for the combat simulations，the paper presents a complete solution of platform，which includes the composition，the function and the application pattern.The core of the platform is combat simulation engine named HYCGF.A kind of assembled entity framework and a“plan”based entity behavior modeling method are presented in HYCGF.Based on the framework，the state and capacity to act solely determined by the state pool and model components assembled in the entity.Finally，a case of using the platform to develop a combat simulation application is introduced.

combat simulation，developing platform，CGF，entity modeling

TP391.9

A

1002-0640（2014）09-108-04

2013-08-05

2013-09-07

总装预研基金资助项目（140A04020213JB14046）

黄晓冬（1975- ）男，重庆人，副教授，博士后。研究方向：计算机软件，复杂系统建模与仿真。