多分辨率模型转换的触发机制

2015-12-02朱敏洁周深根

指挥控制与仿真 2015年5期

朱敏洁，周深根

(装甲兵工程学院，北京 100072)

陆军作战仿真系统在模拟大规模作战行动时涉及仿真实体数量非常多，以一个机步师对一个机步团的作战仿真为例，如果仿真实体粒度为单个战斗车辆，则该实例在运行时涉及仿真实体数量将超过3000个，对仿真系统运行的硬件平台的性能提出了很高的要求。而实际上，使用仿真系统进行分析的军事人员并不关注所有战斗车辆的行动与状态，从这个角度讲，不受关注的仿真实体占用的资源和受关注的仿真实体相同造成了仿真系统资源的浪费［1］。因此陆军作战仿真系统既需要占用较多资源的细粒度模型(如单个战斗车辆战斗模型)，也需要占用少量资源的粗粒度模型(如连/营/团战斗模型)，即需要多分辨率的模型同时运行。同时由于军事人员关注的仿真对象具有不确定性和多变性，因此仿真系统应提供在仿真系统运行时多分辨率模型之间进行实时转换的功能。

1 国内外研究现状

多分辨率作战模型已经在很多的仿真系统中被使用，通过互联网仿真互操作协议连接低分辨率模型和高分辨率模型，并且实施解聚和聚合操作。如第一个使用多分辨率作战模型的是Integrated Eagle/BDS-D系统，聚合级别模型和仿真训练计算机生成兵力通过SIMNET、DIS相互连接。项目的目标是整合单元级别模型和实体级别模型作为原理级的演示和证明。许多多分辨率建模的基本架构及分辨率转换操作都在这个系统中首先使用。同时，Integrated Eagle/BDS-D独立发展为EagleⅡ。它提供了解聚和聚合操作，并在接口模块中实施多分辨率操作。而CLCGF把Eagle模型和ModSAF连接在一起，形成了当时最重要的 SAF系统［1-2］。模型包括许多特殊的功能和组件，被认为是实战应用的第一个多分辨率作战模型。Integrated Eagle/ModSAF系统加入了伪解聚能力，生成了大量的实体，呈现了一个战区级别的场景，并供给指挥人员培训。

国内多所科研院校在多分辨率仿真建模方面投入了大量的研究和实践。例如在装甲兵工程学院开发的陆军机步师对抗作战仿真系统中就采用了多分辨率模型技术。该系统的仿真规模是红方一个师对敌方一个旅，仿真运行时间达到超实时，是真实作战时间的3倍。仿真系统中有连级分辨率的炮兵连、坦克连和装步连模型，实体级分辨率的坦克模型、步战车模型、步兵班模型、防空高炮车和导弹车模型等，并实现了不同级别分辨率模型间的火力和毁伤的交互。采用的分辨率转换机制是固定的作战行动触发。例如坦克连在机动时采用聚合级模型，在被打击或展开射击时自动解聚为实体级模型，当打击结束时再聚合为聚合级模型［3］。这种建模方法大大减少同一时间仿真系统中的单个仿真实体数据，运算时间也大为提高。

通过仿真系统应用实践，发现军事人员对仿真实体关注度的需求很灵活，通过梳理这些需求，本文提出了5种多分辨率模型转换的触发时机。

2 多分辨率模型转换的触发时机

触发时机是指仿真控制程序自动进行两种分辨率模型转换操作的时机或条件。

1)时间触发

时间触发，也称作战阶段(时节)触发，是指在仿真前由军事人员预先设定解聚和聚合的时间(作战阶段/时节)，仿真运行开始后当仿真时间或仿真的作战阶段进入到该时间段，仿真控制系统自动进行聚合或解聚的转换操作。这种触发方式在作战有明确作战时节划分时比较适合，如进攻作战一般分为开进、展开、火力准备、冲击突破、巩固突破口等作战阶段，军事人员通常情况下更关注激烈交战的环节，因此可以指定在集结、开进阶段使用低分辨率模型，在展开、冲击、巩固突破口等作战激烈的时节使用高分辨率模型。

2)地域触发

地域触发是指在仿真前预先设定解聚或聚合的地域，仿真运行开始后当仿真实体进入该地域即自动进行聚合或解聚操作。这种触发方式在作战有明确交战地域时比较适合，如城市攻坚战、阵地进攻/防御战、制高点的争夺战中可以预先估计出交战双方主要交战地域，并划定该区域使用高分辨率模型，如图1所示。

3)距离触发

距离触发是指预先设定解聚距离值和聚合距离值，仿真运行过程中当仿真实体与另一个可能发生交互的仿真实体之间的距离小于解聚距离时自动进行解聚操作，当距离大于聚合距离值时自动进行聚合操作。这种触发方法在没有明确交战时间和交战地域时使用较多，例如遭遇战。如图2所示。

4)交互行动触发

交互行动触发是指在仿真实体之间发生交互行为(如侦察行为、射击行为、保障行为)时，自动进行解聚，用高分辨率模型进行仿真;在没有交互行为或交互结束时，进行聚合，采用低分辨率模型进行仿真。这种触发方式在仿真规模较大、交战地域广泛、作战行为复杂、非线性作战的情况下比较适合。

图1 地域触发示意图

图2 距离触发示意图

5)人工触发

人工触发是指在以上触发时机都不能完全满足军事人员需要时，由军事人员(或仿真系统操作者)进行人工干预，利用仿真管理器或监视器临时指定某些仿真实体进行聚合或解聚操作。这种方式灵活性强，但是要求操作人员对模型结构较熟悉，因此建议只在必要时小范围地使用。

3 触发可能产生的问题及解决方法

1)触发冲突

上述的触发方法，除了人工触发方式外，其它方法均是由仿真系统自动判断触发条件而后自动进行多分辨模型转换，因此仿真实体可能同时满足两种或两种以上聚合解聚的触发条件。如果这两种触发产生的是不同的转换，如一种触发是由高分辨率模型聚合为低分辨率模型，而另一种则是由低分辨率模型解聚为高分辨率模型，这就发生了触发冲突。解决触发冲突的方法有以下两个。

·从触发原因的重要性入手，即从产生触发的原因中选择重要的进行触发，而忽略其它触发方式。我们可以认为“人工干预”触发方式最直接反映了仿真运行时军事人员(或数据分析人员)的关注需求，可以将这种方式的优先级定为最高;“交互行动”触发方式是实时仿真过程中不可预测的，可以反映出仿真实体将进行可能引起军事人员(或数据分析人员)关注的行为，所以其具有的优先级低于人为干预，而高于其它触发方式;“距离”在作战中意味着可侦察，或可打击，或可保障，它是发生交互的先决条件也是引发交互的条件，因此优先级高于“时间”触发及“地域”触发。“时间”触发与“地域”触发相比较，仿真实体间基于作战阶段发生交互的可能性要相对高于基于地域发生交互的可能性［4］。因此，当一个仿真实体同时满足两个或两个以上触发时机时，触发的优先级顺序是:人为干预触发、交互行动触发、距离触发、时间触发、地域触发。当然，这种顺序不是一定之规，可以根据实际的要求规定触发优先级的排序。

·当同一仿真实体解聚转换与聚合转换发生冲突时，强制采用解聚转换，而舍弃聚合转换。这是因为“解聚转换”意味着仿真实体正在或即将进入交互状态，这是军事人员关注的事件;而“聚合转换”意味着仿真实体的交互可能性降低，或是军事人员不关注的对象。为保证被关注的仿真实体能够使用高分辨率模型，可以在出现触发冲突时，强制选择“解聚转换”。

2)频繁解聚聚合

在多分辨率作战仿真模型仿真过程中，如果由“地域触发”、“距离触发”引起聚合和解聚时，有可能会出现下面的情况:仿真实体在指定地域的边界上机动，或在指定距离的周边来回机动，这样容易造成仿真实体时而满足解聚条件，时而满足聚合条件，产生频繁解聚聚合问题，使聚合解聚的任务工作量加大，占用系统的资源。

解决该问题的思路是控制聚合解聚的频率，可以采用以下手段。

·设置地域或距离的缓冲区

在规定的解聚区域周围在设置缓冲区域，在这个区域内，所有的单元不进行任何的解聚聚合操作。即当聚合单元由聚合区域进入缓冲区域时不解聚，进入解聚区域时才解聚，当它解聚后因作战需要在解聚区域和缓冲区域内机动时不进行聚合操作，只有进入聚合区域时才进行聚合操作。设置缓冲区后，可以减少聚合解聚的频率。需要注意的是，缓冲区域不宜过小或过大，过小则起不到减少分辨率转换频率的作用，过大则使仿真实体对指定区域不敏感。缓冲区设置如图3所示。类似地，“距离触发”也可以设置距离缓冲区，这里就不再赘述。

·设置单元级实体中心点

在进行单元级模型仿真过程中，被仿真的单元级实体(如某营)在真实战场上需要占有一定面积的空间，如前方有先头分队，后方有预备队。如果按照该实体在地理上所覆盖的几何体边缘与聚合解聚的指定地域或指定距离进行判断，可能出现频繁聚合解聚的情况。这种情况下，可以先确定这个单元级模型的仿真中心的位置，只有这个中心点进入规定的解聚区域时，才进行解聚，只有一部分进入解聚区域时，整个单元级模型不发生解聚过程。

例如，聚合的单元在多分辨率仿真中是一个整体，可以把这个整体看成一个规则或者不规则的几何体，那么就可以确定这个几何体的中心位置，在多分辨率作战仿真模拟过程中，不管这个单元哪个部分在规定的聚合或者解聚区域内，只要这个中心点没有进入到规定的聚合或者解聚区域内，这个单元就不会发生任何的聚合或者解聚变化。

图3 聚合解聚缓冲区示意图

3)连锁性解聚

在作战仿真过程中，当各个解聚操作创建新的实体时，与这些新的实体有交互关系的仿真实体由于满足了“交互触发”，也纷纷解聚，而这些解聚又将诱发新一轮的解聚，解聚像“多米诺骨牌效应”一样在仿真系统中扩散开，这个现象就是连锁性解聚。连锁性解聚使聚合的单元级模型不停地解聚，导致解聚后的实体数量增多，最终可能导致全部解聚或解聚过载。

解决方法的原则就是控制解聚的触发层次。可以将最初满足解聚要求的解聚转换称为“一级转换”，由它引发的解聚转换称为“二级转换”，由“二级转换”产生实体触发的解聚转换成为“三极转换”，以此类推。仿真系统可以规定一个最深触发解聚转换的级别，超过这个级别的解聚转换将不再进行，即切断了解聚链条。切断解聚操作可能引起不同分辨率的模型需要进行交互，这类问题需要专题解决，在此不再说明。

4 触发的实现方法

作战仿真系统中多分辨率模型转换触发实现的基本思想是:通过模型管理器对不同分辨率模型进行封装，统一不同分辨率模型的运行，解决多分辨率模型聚合解聚的平滑过渡和聚合解聚引起的模型一致性问题。

模型管理器负责触发模型的聚合和解聚。作战仿真系统中触发解聚的过程是:

当抛光液中FAOA的体积分数增至5 mL/L时，CMP后的晶圆缺陷最少(约为896个)。继续增大抛光液中FAOA的体积分数，缺陷数量反而略升。这是因为当溶液中的表面活性剂浓度达到一定之后，其对硅溶胶及铜表面的包裹覆盖能力达到极限。过多的表面活性剂将令抛光液产生大量泡沫，泡沫表面的硅溶胶容易产生结晶，这些硅溶胶结晶也会刮伤晶圆表面。

1)模型系统在低分辨率状态下运行，系统中某一作战实体需要调用本实体或另一实体高分辨率模型时，向模型管理器发出解聚请求;

2)模型管理器接收、解读解聚请求，并自动匹配，确定何种分辨率的模型满足要求;

3)模型管理器获取所请求的高分辨率模型所需要的数据，创建高分辨率模型实例;

4)高分辨率模型实例运行;

5)模型管理器销毁相应低分辨率模型实例。

触发聚合的过程是:

2)模型管理器接收、解读聚合请求，并自动匹配，确定何种分辨率的模型满足要求;

3)模型管理器获取所请求的低分辨率模型所需要的数据，创建低分辨率模型实例;

4)低分辨率模型实例运行;

5)模型管理器销毁相应高分辨率模型实例。

由此可见，多分辨率模型组件聚合解聚的过程，也就是模型管理器的工作过程。模型管理器对不同分辨率模型的封装和控制管理，使模型的聚合解聚只需要通过外部数据请求来触发，实现了不同分辨率组件模型之间运行的平滑过渡。