陆军作战仿真模型组件化设计

杜国红，李路遥

（南京陆军指挥学院作战实验中心，南京 210045）

陆军作战仿真模型组件化设计

杜国红，李路遥

（南京陆军指挥学院作战实验中心，南京 210045）

陆军作战仿真是一个复杂的系统工程，仿真所涉及的模型种类繁多、类别不一。针对当前陆军作战仿真模型开发不规范、通用性与可重用性差、开发和集成效率低的现状，在对陆军作战仿真模型构成要素进行分析和归纳的基础上，提出仿真模型组件化设计的建模方法、采用“方案－单元－实体－组件”方式的模型管理机制以及采用事件驱动、事件订购和分发方式的模型交互机制。

陆军作战，仿真模型，组件化建模，功能组件

引言

军事模型的建立质量与科学管理成为当前作战仿真领域研究的核心课题之一。传统的陆军作战仿真模型多采用“自底向上”的方式进行设计，在应用上存在如下两点不足：一是缺乏规范化的建模方法指导，导致陆军各兵种模型“烟囱林立”。二是建立的模型与实际应用高度耦合，严重受限于某一具体问题，缺乏通用性和可重用性。针对上述情况，本文将组件化建模方法（Component-based Modeling，组件化建模）引入到陆军作战仿真模型的设计中，可为陆军作战仿真模型的设计、开发、集成和运行提供一个先进的技术框架，有利于开发良构的仿真模型，增强仿真模型的互操作性和可重用性，提高仿真模型开发和集成效率。

1 仿真模型的研究现状

近年来，分布交互仿真的技术体系已从平台级分布式交互仿真、聚合级仿真协议发展到高层体系结构，从单一的结构仿真、真实仿真和虚拟仿真发展成为集多种仿真为一体的综合仿真系统，形成了系列比较完整的理论、方法、标准与协议。

美军通过在模型的建立、表达及管理方面制定标准化的规范来指导模型的设计和开发。最具代表性的是美陆军建模与仿真办公室（Army Model Simulation Office，AMSO）主计划，该计划是美国防部建模与仿真办公室（Defence Model Simulation Office，DMSO）主计划的一部分。计划详细说明了陆军建模与仿真的视图、目标和标准开发过程。针对计划提出的6大目标，陆军制定了支持这些目标的模型标准，如表1所示。

依据上表制定的标准，美军设计开发了系列仿真系统，最具代表性的系统包括：

（1)模块化半自动兵力系统（ModSAF）：该系统用于支持带实兵的高分辨率训练仿真，采用面向对象的建模方法，对实体的仿真是通过继承的方式予以设计和实现的。

（2)陆军作战仿真系统（WARSIM2000）：该系统是一个面向对象的多方分布式的仿真系统，支持从营到战区级的作战行动仿真，采用面向对象的建模方法，对实体的仿真是通过继承和组合的方法予以设计和实现的。

（3)联合作战仿真系统（JWARS）：面向21世纪的战区级作战仿真系统，采用基于组件的建模方法，对实体的仿真是通过功能组合的方式予以设计和实现的。

我陆军作战仿真经过二十几年的发展，建立起了大量的武器平台级和聚合级仿真模型。但由于这些模型在设计开发时是针对具体的兵种需求各自开发的，未采用统一的建模标准，模型“烟囱林立”的现象比较严重。随着仿真技术的发展和军事仿真的现实需要，对采用统一建模标准和支持变分辨率的仿真模型的需求将越来越迫切，亟需采用新的建模方法来指导模型的设计和开发。

2 模型组件化设计

2.1 组件化建模方法

传统模型设计多采用面向对象的建模方法，其基本出发点是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题，并以对象为中心综合功能抽象和数据抽象。其优点是比较接近人类认知，易于理解和实现，存在的不足是容易出现类爆炸以及分类易混淆的情况。基于组件的建模方法，则采用全新的视角，以组件为中心进行建模。其核心思想是将研究的对象作为一个容器，按照对象本身固有功能进行拆解，采用分而治之的方法封装为组件，由一系列组件的聚集来描述对象。容器本身作为组件的载体无实质内容，可理解为一个空壳。组件之间通过数据共享和控制指令实现通信，对象容器与容器之间通过消息实现交互。如图1所示。

图1 组件化建模实体结构图

采用基于组件的建模方法，按照仿真实体实际功能特性，通过组合各类功能组件，实现仿真实体的灵活描述。如图2所示，坦克是由平台组件、机动组件、传感器组件、武器系统组件、通信组件、防护组件、资源组件等组装而成；导弹则由平台组件、机动组件、武器系统组件等组装而成。

图2 实体组件组装示意图

2.2 模型组件结构设计

对模型构成要素及其关系进行梳理分类是进行模型组件化设计的前提。概括起来，陆军作战仿真模型要素包括作战环境、武器装备等物理域要素和作战人员认知域要素，模型差异主要体现在各兵种武器装备类型、性能、描述粒度以及具体的作战规则等层面。因此，在进行模型设计时，通过抽象模型共性要素，构建通用的模型体系，将模型结构与具体内容进行分离，从而实现模型的通用化、标准化设计。模型体系如图3所示。

图3 陆军作战仿真模型体系图

结合上述模型体系，在进行模型组件设计时，需要着重考虑以下军事应用需求：一是模型组件架构必须具有较强的通用性和可扩充性。二是支持对不同级别兵力要素、不同类型武器装备的变分辨率建模。三是能够涵盖陆军作战、后勤、政工等兵种专业领域模型。四是支持与全军其他军种仿真系统的互联、互通、互操作。陆军作战仿真模型组件结构如图4所示。

图4 模型组件结构图

其中，物理组件主要侧重于描述仿真实体的物理结构功能，包括平台组件、机动组件、传感器组件、武器系统组件、通信组件、干扰组件、目标特征组件、防护组件、资源组件等。行为组件主要侧重于描述仿真实体的行为逻辑功能，包括指控组件、任务组件、计划组件、逻辑规则组件等。辅助组件主要提供附加功能或判断逻辑的描述，包括信息组件、触发器组件、条件组件、动作组件等。管理器组件按照功能类型提供管理和维护功能，包括任务管理组件、计划管理组件、资源管理组件、武器系统管理组件、组织管理组件、通信管理组件等。

3 模型管理设计

模型的有序组织和管理是保证模型运行效率和稳定性的关键，模型管理包括模型静态管理和模型动态管理两个方面。模型静态管理是对模型组件参数化以及实体装配的配置方案进行的管理。采用基于组件的建模方法开发系列功能组件之后，需要依据具体装备或兵力要素进行功能组件参数配置，而后将参数化的功能组件装配，形成仿真实体的配置方案。组件参数化以及实体装配的配置方案采用XML文件的方式予以设计，通过分层的文件管理方法和资源路径配置的方式进行管理，模型静态管理是模型动态管理的前提和基础。模型动态管理是指对模型运行时组织调度方式的管理，采用“方案－单元－实体－组件”的管理策略予以设计，如图5所示。

图5 模型动态管理图

其中，方案管理是模型动态管理的核心，采用方案的形式对具体的作战方案进行组织，便于在数据逻辑上保持一致。在方案管理初始化期间，单元管理、组织管理、通信管理以及数据处理管理向方案管理注册，提供全局服务功能。单元管理是对作战编成编组进行的管理，采用单元的形式对处于编成编组同一层级结构中的实体进行组织。单元支持单元嵌套，用于支持单元加入或脱离编组单元。实体管理是对执行作战行动的实体进行管理，任务管理、计划管理、武器系统管理以及资源管理向实体管理提供注册，提供对任务、计划、武器系统以及资源的有序管理。单元与单元、单元与实体、实体与实体之间的交互通过消息分发管理提供支持。实体同样支持实体嵌套，用于支持实体搭载或卸载、停靠或脱离等军事应用。组件管理是对各类功能组件进行管理，包括组件类型管理、组件注册、组件创建等具体功能。

4 模型交互设计

模型交互是指仿真实体之间的信息交互方式和调度方式。仿真实体之间的信息交互主要用于描述实体之间指挥、通信、射击、召唤、上报等信息交互，采用事件驱动的方式进行设计，事件对应具体的交互类型，事件处理对应针对该交互的逻辑处理规则。定义两种事件类型，一是立即事件，对应立即执行的交互信息。二是未来事件，对应后续执行的交互信息。信息调度方式是指对交互信息的创建、注册、触发和运行管理方法，采用工厂的方式描述事件和事件处理的创建机制，事件“订购－发布”模式描述事件注册、分发处理机制，采用事件队列的方式对事件进行运行管理。模型交互方式如图6所示。

图6 模型交互策略图

如图6所示，事件与事件处理具有一对一的映射关系，采用工厂模式进行注册和创建。单元和实体均具有响应处理事件的能力，依据实际描述的对象订购响应的事件及事件处理。事件队列负责对系统产生的事件进行排队，满足事件触发条件时发布事件，单位和实体依据自身订购的事件类型进行响应和处理。

5 模型开发与集成

模型的开发与集成是规范陆军各兵种开发流程，构建完整、规范的陆军仿真模型体系的重要步骤。模型的开发与集成包括模型组件开发、模型组件装配、模型组件参数化、模型存储等方面的内容。模型组件开发是依据模型组件体系结构构建陆军各兵种所涉及的仿真要素的系列功能组件，该步是达成仿真目标的基础，同时也是模型组件装配的前提。模型组件装配是依据军事规则将不同的功能组件进行拼装，形成仿真实体要素的功能模板。模型组件参数化是将拼装完成的仿真实体要素进行实例化，完成对同一类型而不同型号的仿真实体的定义。模型存储是将参数化的仿真实体配置信息进行科学的管理和存储，通常采用XML文件的方式对配置信息进行存储，采用分层方式进行文件管理。模型开发与集成的标准模式如图7所示。

图7 模型开发与集成标准模式

6 结束语

组件化建模方法对陆军作战仿真模型的标准化设计具有重大意义。只有建立组件化的模型体系，确立统一的模型设计、模型管理以及模型交互方法，才能为陆军各兵种模型的开发建立起标准化的设计和集成规范，从而在最大范围内规范陆军作战仿真模型的开发，避免低水平重复建设，推动陆军作战仿真领域的资源重用、共享和互操作。

［1］总参谋部.中国人民解放军军语［M］.北京：军事科学出版社，2012.

［2］覃 征，邢剑宽，郑 翔.Software Architecture［M］.杭州：浙江大学出版社，2007.

［3］Sommerville L.程 成，陈 霞，译.软件工程［M］.北京：机械工业出版，2007.

［4］金伟新，肖田元，马亚平，等.联合作战仿真模型体系的设计［J］.计算机仿真，2003，20（8）：4-6.

［5］潘庆华，张宏军，张铁夫.基于MDA和HLA的仿真建模研究［J］.系统仿真学报，2010，22（5）：1169-1172.

［6］王 燕.军用建模与仿真标准化问题研究［J］.军事运筹与系统工程，2011，25（3）：52-56.

［7］夏 准，史慧敏，王秀娟.基于组件技术的空军作战行动仿真模型库研究［C］//体系对抗与军事运筹研究，2011.

［8］余文广，王维平，李 群，等.模型驱动的组件化Agent仿真模型开发方法［J］.系统工程与电子技术，2011，33（8）：1907-1912.

［9］王积鹏.信息化建设的顶层设计方法［J］.中国电子科学研究院学报，2011，6（5）：457-459.

［10］秦媛媛，赵 琳.基于组件化的作战想定系统设计［J］.信息系统工程，2012（3）：129-131.

Research on Component Design of Army Combat Simulation Model

DU Guo-hong，LI Lu-yao
（Center of Operation Research，Nanjing Army Command，Nanjing 210045，China）

Army combat simulation is a very complicated system engineering，which involves many kinds of models.According to the fact of substandard model development，lack of versality and reusability，lower efficiency，based on analysis and induction of army combat simulation model element，component-based modeling method，model management mechanism of using“scheme-unit-entitycomponent”，model interaction mechanism of event-derived，event-subscribed and event-dispatched is brought forward.

army combat，simulation model，component-based modeling，function component

TCP391.9

A

1002-0640（2014）11-0149-04

2013-09-19

2013-11-22

杜国红（1982- ），男，河南周口人，硕士，讲师，研究方向：系统工程、作战仿真。