基于动态数据的海战仿真系统实体数据框架

2015-04-23孙永侃张萍萍

指挥控制与仿真 2015年6期

柏羽，孙永侃，张萍萍

(海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018)

海战场实体的范围很广，广义上定义为海战仿真系统中能单独辨识的一切主体和客体，可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系［1］。本文将实体界定为海战场中客观存在、可触、可知且有形的作战装备实体，如一艘舰艇、一枚导弹等，不考虑海战场环境等设施实体。显然，实体是海上军事活动的主体，对实体进行仿真是海战仿真系统建设中的重要环节。为提高实体仿真效率，我们有必要对实体数据进行有效管理［2］。目前，海战仿真系统实体的数据建设工作始终具有一定难度，主要体现在两个方面［3］:一是数据量庞大，部分实体数据更新速度快，对仿真瞬时影响大;二是功能、层次不同的海战仿真系统，建模方式存在差异，对实体的描述各有侧重。

这就需要我们建立一个准确、一致、可扩展、可重用的海战仿真系统实体数据框架，有效管理各类实体数据。一个高可用性的数据框架将有效提高建模效率，降低开销，提高数据的重用性［4］。目前对实体数据建设工作的研究成果已有很多，但针对海上作战实体的研究相对较少，且对实体动态数据管理方面的重视不够。本文通过设计一个面向海战仿真系统的实体数据框架，为各类海战仿真系统提供实体数据支持，进而为各系统间实体数据的互通互联提供基础。

1 海战仿真系统实体特点

海战仿真系统涉及到大量的实体，而每一个实体的结构、功能、性能都是借助一系列数据来体现的。海战仿真系统实体数据框架是一个由相互关联、影响的海量实体数据依照一定的规则，科学、系统、有机地联系在一起形成的整体。要研究海战仿真系统实体数据框架，首先要对其实体进行分类。实体的分类方式繁多，有按照实体层次划分、专业划分、作战样式划分、类别划分等［5］。本文按照类别不同进行划分，分为平台类实体、弹药类实体和装备类实体三类。

平台类实体是基础性实体，一方面肩负着海上部队的一切机动、集结、运输等任务，另一方面可以作为载体，搭载不同的武器装备，执行多种条件下的攻击、防御、干扰等任务。根据执行任务环境的差异，又可以将平台类实体分为水面舰艇、潜艇、飞机三类，分别对应海面、水下、空中三个维度。

弹药类实体与攻击任务密切相关。在海战仿真系统中，弹药一经发射，脱离平台，便有属于自己的运动方式及状态，可单独作为一个实体看待。弹药类实体种类繁多，相互之间构成、工作原理也有所不同，主要可以分为导弹、鱼雷、火炮、水雷四类。

装备类实体虽然多数搭载在各作战平台上，作为平台的一个子实体。而目前各类海战仿真系统中，对这一类实体的效能更加注重。因此，可单独作为一类实体进行研究，按照类别不同可以分为雷达、声纳、电子对抗设备三类。

三类实体相互之间也存在着复杂的联系，主要有以下三种［6］。

一是构成关系。各实体数据之间存在关联，按照一定的组织方式进行组合，主要包括平台和装备的关系、装备和弹药、平台和编队的关系，如图1所示。

二是组织关系。各实体数据按照一定的规则，建立从上到下的指挥控制关系，如图2所示。

图2 实体组织关系

三是损伤关系。弹药类实体会与平台实体与装备实体构成不同程度的毁伤关系，如图3所示。

图3 实体损伤关系

2 基于动态数据的实体数据框架

海战仿真系统中对实体进行描述需要大量的数据。传统的各类实体装备数据库是按照数据源对数据分类存储的，若将系统直接面向各数据库，则海量、异构的实体数据处理起来会消耗大量的系统资源，严重影响系统的运行速度。并且，每个海战仿真系统根据其仿真目的、功能不同，并不是与所有实体数据都相关，不同海战仿真所需要的实体种类不同，且对实体的描述要素也存在不同侧重的需求。此外，在海战仿真系统的运行过程中，各类实体数据不断地进行调用、计算、更新，如此大量的数据运算会给整个系统带来不小的负担。而这些实体数据中，有大量的数据在仿真运行过程中不发生变化或是变化速度缓慢，不会对仿真结果造成影响，而会对仿真结果产生影响的数据往往变化迅速，需要不断进行监测、记录。

因此，本文提出建立一个基于动态数据的海战仿真系统实体数据框架，将实体数据分为动态和静态两类分别处理，根据具体仿真任务的不同提供相应的数据。这种方法能够大大减少不必要的数据传输和处理，可进一步提升仿真系统的效能。框架的特点如下［7-9］。

1)以仿真需求为牵引。实体建模方式多种多样，根据仿真需求不同，实体建模所需要的实体数据存在差异。在建立海战仿真系统实体数据框架时，应脱离具体模型，以各仿真需求为牵引，确定实体要素。

2)支持动态数据管理。在仿真运行过程中，实体动态数据多用于描述实体当前状态，对仿真瞬时影响大，在建立实体框架时，应着重将动态数据进行单独分类管理。

3)可重用的集成数据管理。为满足实际仿真需要，须改变以往的数据管理和应用方式。建立可重用的高集成度实体数据框架，有需要时随时进行数据抽取，通过交互接口为各仿真模块灵活地提供数据支持。

一个完整的海战仿真系统实体模型包括实体模型结构和实体数据两部分。前者定义了实体模型的体系框架，后者作为辅助，能将实体模型进行实例化。建立海战仿真系统实体数据框架时应做到以下几点:一是明确实体间关系;二要对实体进行要素描述;三要对实体进行数据设计。此外，海战仿真系统实体数据框架作为数据源与海战仿真系统的过渡层，应提供对两者的交互接口。具体框架结构如图4所示。

如图4所示，海战仿真系统实体数据框架提供与各类数据源、仿真应用的交互接口。框架能够通过数据获取服务，从想定数据库、实体装备数据库等来源获取符合要求的实体参数，并通过数据分发服务，将实体参数提供给各类仿真应用。

框架中涉及的数据量庞大，为提高效率，将数据分为动态与静态两类处理。将一定时间、空间等约束条件下，变化缓慢且对仿真结果影响不大的实体数据视为静态数据，可以大大减少数据量，省去许多不必要的运算，在不影响仿真结果的前提下，节约系统内存，提高仿真效率。而将在仿真过程中，变化迅速且对仿真结果影响较大的数据视为动态数据处理。动态数据的数据量往往非常巨大，通常借助动态变化模型进行实时运算、更新。动态变化模型主要用于体现实体在仿真过程中状态的变化，其建立方法较多，通过采用合理的实体动态变化模型与制定不同频率的数据更新策略，能够提高仿真运行效率。

图4 海战仿真系统实体数据框架

3 基于动态数据的实体要素提取

海战仿真系统的仿真体系、模型不同，建立实体模型的方式也多种多样。因此，建立框架时应不受具体模型的约束，全面考虑实体的各个描述要素，从而满足不同的仿真需求。基于上述实体分类方式以及数据框架，对各实体的主要要素进行提取。

3.1 平台类实体

平台类实体指海战仿真系统中的各作战平台，包括水面舰艇、潜艇、飞机三类。

其动态要素包括:

1)平台位置信息。用于描述平台当前所处位置。

2)平台运动状态。用于描述平台当前速度信息、稳态信息等。

3)平台毁伤情况。用于描述平台及平台搭载武器装备当前的损毁状况。

4)平台载荷情况。用于描述平台载弹量、载油量等信息。

其静态要素包括:

1)实体标识。用于区分不同的实体，如平台名称、型号、国别、代号、图标等信息。

2)物理尺寸。用于描述平台的几何外观，如实体的长、宽、高等信息。

3)运动学参数。用于描述平台的机动能力，如平台运动速度、加速度等信息。

4)性能属性。用于描述平台所具备的性能，如续航能力、动力装置等信息。

5)装备能力。用于描述平台携带各种武器装备的能力，如携带弹药种类、数量以及搭载装备的种类、数量等信息。

3.2 弹药类实体

弹药类实体指直接用于实施各种打击任务的弹药，包括导弹、鱼雷、火炮、水雷四类。

其动态要素包括:

1)弹药位置信息。用于描述弹药当前所处位置。

2)弹药运动状态。用于描述弹药当前速度信息、稳态信息等等。

3)弹靶关系。用于描述弹药当前与目标的位置速度等关系。

其静态要素包括:

1)实体标识。用于区分不同的实体，如弹药名称、型号、类型、国别、代号、图标等信息。

2)物理尺寸。用于描述弹药的几何外观，如弹长、翼展、弹重等信息。

3)性能属性。用于描述弹药所具备的能力，如弹药运动能力、制导能力、发射条件等信息。

3.3 装备类实体

装备类实体指搭载在平台实体之上的设备，在对其工作效能需求较重的情况下可以单独作为一个实体看待，主要包括雷达、声纳、电子对抗设备三类。

其动态要素包括:

1)装备工作范围。用于描述探测/干扰类装备的工作方向、角度、距离等信息。

2)装备工作效果。用于描述装备开展探测/干扰的时间、面积等信息。

其静态要素包括:

1)实体标识。用于区分不同的实体，如设备名称、型号、类型、国别、代号、图标等信息。

2)基本属性。用于描述装备的基本性能，如功率、频率等信息。

3)工作能力。用于描述装备的基本功能，如探测目标、探测范围等信息。

4 基于动态的海战仿真系统实体数据设计

海战仿真系统运行过程中，实体数据不断进行运算、更新与存储。如此庞大的数据给整个仿真系统的存储空间、运行效率带来不小的负担，基于动态数据对框架进行简化设计能够有效缓解这个问题。

4.1 平台类实体数据设计

在仿真运行过程中，各平台的实体标识、物理尺寸等要素基本不变，可视为静态数据。而其运动状态、装备情况会随着仿真运行不断变化，可视为动态数据。平台类实体相互间描述要素较为相似。

以水面舰艇为例，其动态数据包括以下几点:

1)水面舰艇航行坐标，指水面舰艇在基准坐标系中所处的位置。2)水面舰艇航向，指当前水面舰艇航行的方向。3)水面舰艇航速，指当前水面舰艇航行的速度。4)燃料情况，指当前水面舰艇燃料的消耗量及剩余量。

5)弹药情况，指当前水面舰艇弹药的消耗量及剩余量。

6)毁伤情况，指当前水面舰艇平台及所搭载武器装备的毁伤状况。

7)水面舰艇稳态参数，包括横摇角、横摇角速度、横摇角加速度。

静态数据包括以下几点:

1)实体标识，包括名称、型号、国别、代号、图标等。

2)物理尺寸，包括舰长、舰宽、吃水量、标准排水量、满载排水量等。

3)运动学参数，包括巡航速度、最大速度、最大/小加速度、最大角速度、旋回直径、最大摇摆角等。

4)性能属性，包括续航力、动力装置、人员编制等。

5)装备能力，包括舰载设备和舰载武装两类。其中舰载设备指携带雷达、声纳、电子战等装备情况，舰载武装指搭载的舰炮、导弹等武器情况。

动态数据的设计能更好地反应出各平台当前的位置、运动以及载荷情况。因此，对这类实体的描述数据，其具体结构如图5所示。

4.2 弹药类实体数据设计

同样，对于弹药类实体来说，在仿真运行过程中，实体标识、物理尺寸等要素基本不变，可视为静态数据。而弹药的运动状态，如当前位置、方向、速度等信息对仿真实时影响大，可视为动态数据进行处理。

以导弹为例，其动态数据包括以下几点:

1)导弹飞行坐标，指导弹在发射坐标系中所处的位置。

2)导弹飞行高度，指导弹距离海平面的高度。

3)飞行时间参数，包括导弹末制导开机时间、累计飞行时间、导弹分段飞行时间。

4)速度参数，包括导弹飞行速度与在发射坐标系中三个轴上的分速度，以及弹道偏角、弹道倾角。

5)加速度参数，包括导弹切向加速度、导弹法向加速度与导弹侧向加速度。

6)弹靶关系参数，包括弹靶相对距离、弹靶相对速度与弹速前置角。

7)导弹飞行过载及在发射坐标系中三个轴上的分过载。

静态数据包括以下几点:

1)实体标识，包括导弹名称、型号、类型、国别、代号、图标等。

2)物理尺寸，包括弹长、弹径、翼展、弹重等。

3)性能属性，包括航程、有效射程、飞行速度、飞行高度、战斗部装药量、制导方式、自导距离、发射条件、搜索类型等。

动态数据的设计能更好地反应出弹药的瞬时位置信息、运动状态以及与目标之间的动态关系。对这类实体的描述数据，其具体结构如图6所示。

4.3 装备类实体数据设计

装备类实体种类比较复杂，具体数据会根据装备种类、功能不同呈现出明显的差异。其中雷达实体和声纳实体都属于探测类装备，两者较为接近，其实体标识、基本性能保持相对不变，而探测方位会发生变化。电子对抗设备主要分为电子侦查设备与电子干扰设备两类，可将侦查与干扰的方向、角度视为动态数据。此外，对于箔条、红外干扰弹来说，其展开程度、持续时间等数据也可以作为动态数据记录。对这类实体的描述数据，具体结构如图7所示。

图5 平台类实体数据设计

5 基于动态的海战仿真系统实体描述数据框架实现

海战仿真系统实体数据框架能为各实体模型、想定以及仿真子系统提供实体数据支持及数据共享基础。XML(可扩展标记语言)作为一种数据存储、传递和交换的元语言标准，具有良好的可扩展性、高度结构化、平台无关性等特点，能够对各类数据进行一致、完整、无歧义的描述［11］。因此，将XML应用于数据框架的构建工作能大大提高数据框架的灵活性。

基于上述分析，运用面向对象设计方法，将各实体进行类定义，借助XML对每个实体类进行形式化描述。以水面舰艇为例，对其进行XML描述:

图6 弹药类实体数据设计

图7 装备类实体数据设计

6 结束语

海战场实体仿真是海战建模与仿真的重要组成部分。本文设计了一种基于动态数据的海战仿真系统实体数据框架，抽象出每类实体的主要要素，并采用动静态数据结合的方式对实体数据进行简化设计，最后运用面向对象的设计思想，借助XML语言对实体进行描述。本文研究的内容已初步应用在海战仿真相关系统研究中。通过对各实体要素进行一致、完整、无歧义的描述，能为海战仿真系统各模块的开发提供快速构建实体数据模型的支持，以及未来为开发同一项目与其他组织机构合作提供数据共享基础。

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