陆军合成营作战仿真组件化模型体系设计研究*

杜国红,李路遥,吴从晖

(南京陆军指挥学院作战实验中心，江苏南京　210045)



陆军合成营作战仿真组件化模型体系设计研究*

杜国红,李路遥,吴从晖

(南京陆军指挥学院作战实验中心，江苏南京210045)

摘要:针对当前陆军合成营作战仿真模型缺乏整体设计、模型重用性差以及集成效率低的现状,从顶层设计入手,提出基于组件化建模方法的模型体系架构。该模型体系以组件为中心,以平台组件、装备组件、行为组件、辅助组件为重点,聚焦功能组件建模,可为构建良构的陆军合成营作战仿真模型,规范模型设计、开发、集成和运行,提高模型资源重用性,避免低水平重复建设提供先进的应用框架和技术支持。

关键词:陆军合成营;组件化建模;模型体系;组件模型

随着新军事变革的发展和遂行多样化军事任务的迫切需求,陆军部队已逐步向规模精干、能力合成的方向发展。陆军部队编制正从师、团、营体制向旅、营体制进行改革调整。编制体制的变革必然带来作战样式的发展变化。陆军合成营因兼具实时战场感知、动态指挥控制、灵活机动突击、精确火力打击以及立体综合保障等多种作战能力,已逐步成为陆军遂行作战任务的基本作战单元。当前,亟需有效的研究方法和手段对陆军合成营新型作战概念、作战效能以及装备编配进行检验和论证。建模仿真方法通过构建各类作战机理模型,可以有效支撑陆军合成营作战概念创新和作战能力生成。陆军合成营作战仿真与单武器平台作战仿真和师旅级部队作战仿真的显著区别体现在建模粒度和模型精度方面的平衡,既要能够支持对单武器平台的战技性能以及战术运用进行精细描述,又要支持对连、排、班、组等聚合级作战单元以及其作战指挥和遂行的作战行动进行建模。目前,关于建模方法和单一兵种分队作战仿真的研究已取得比较多的成果,如文献[1]提出陆军分队作战仿真模型结构描述规范,文献[2]对基于BOM的仿真模型组件结构进行了研究，文献[3]设计了基于一体化建模方法的作战仿真实体，文献[4]对坦克分队作战仿真模型构建开展了研究。而针对陆军合成营级别的作战仿真模型体系研究成果则比较匮乏,尤其是缺乏能够有效指导工程实践的理论成果。已有研究成果在应用上多侧重于单一兵种分队作战仿真,而对多兵种力量协同作战仿真的支持不足。在模型设计上,对模型体系、实体建模、决策建模以及环境建模等方面欠缺整体设计和规范指导。在建模方法上,多采用面向过程或面向对象的建模方法,在处理因素繁多、结构关系复杂等情况时存在一定限制。综上所述,现有建模方法和模型体系已无法满足对新型作战力量和新的作战样式进行仿真的迫切需求,亟需采用新的建模方法来指导陆军合成营作战仿真模型体系的设计和开发。

1陆军合成营作战仿真组件化模型体系

1.1组件化建模方法

传统的面向过程和面向对象的建模方法,在模型互操作和重用方面存在欠缺。基于组件的建模方法,则从全新视角,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或能力进行拆解,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。组件化建模的关键是对研究对象进行分解,依据仿真目的按照某种原则将每个具有个性特征的对象分解成若干个具有独立功能的子模块,即组件。通过对具有相同特征的组件进行统一描述,可以最大程度地实现组件重用,从而达到模型重用的目的。采用组件组合来构建对象的方法可以极好地适用于各类仿真应用,从而成为目前作战仿真领域一种最为有效的建模方法。

1.2组件化模型体系

图1　陆军合成营作战仿真要素组成图

构建陆军合成营作战仿真组件化模型体系的前提是对合成营作战仿真要素进行梳理分析。陆军合成营作战仿真涉及的仿真要素十分繁杂,既要描述合成营的作战力量构成,如指挥控制、地面突击、火力压制、空中支援、工程保障、通信保障、后装保障等兵力以及相应的作战装备和保障装备,又要描述合成营遂行的战斗样式、作战流程和营、连、排、班、组等多个层级的指挥、控制、协同,还要对战场自然环境和人工环境进行描述,如战场地理环境、战场气象环境、工事障碍、电磁环境、核生化环境和集结区域、疏开地区、展开地区、冲击出发阵地、夺占区域、警戒区域、火力歼击区、沾染区、洗消区等作战区域以及警戒阵地、基本阵地、预备阵地、临时阵地等阵地配系。另外,还要对抽象的组织逻辑和结构逻辑进行描述,如作战编成编组、通信网系、编队队形等。其组成要素如图1所示。在上述合成营作战仿真要素分析的基础上,采用组件化建模方法,对仿真要素的组织结构、功能逻辑、行为特征按照结构属性、功能属性和任务属性相结合的原则进行逻辑拆分和再组织。陆军合成营作战仿真组件模型包括平台组件、装备组件、行为组件、辅助组件四类,其体系结构如图2所示。

图2　陆军合成营作战仿真组件化模型体系图

其中,平台组件主要对合成营作战力量构成要素和战场工程要素进行描述,具体包括单兵单装平台组件、工事障碍平台组件和作战单元平台组件等类型。其中,作战单元平台组件主要描述由单兵或单装平台组合而成的具有典型级别特征或军事意义的一类要素,如连、排、班、组、左右翼攻击分队、二梯队等。装备组件主要对武器装备某一方面的能力或性能进行描述,如机动组件描述徒步、轮式、履带、旋转翼、固定翼等机动方式的机动能力、传感器组件描述光学探测、红外探测、雷达探测等探测方式的探测能力、武器发射装置组件描述各类枪、炮、导弹发射器等的装备性能等。行为组件主要对战术行为动作逻辑、使命行动任务逻辑、指挥控制协同逻辑以及战术规则进行描述。辅助组件主要对作战编成编组、通信网系、作战区域、阵地配系等进行描述。

2平台组件模型

平台组件是陆军合成营作战仿真实体的基本载体,用于约束仿真实体的物理组成结构,规定仿真实体具备的物理元素和行为特征,模拟仿真实体的战术动作逻辑和基本工作流程。平台组件模型是装备组件模型和行为组件模型的承载容器,可控制和协同其它组件模型工作,实现对仿真实体能力的仿真。按照陆军合成营作战仿真对仿真实体分辨率的要求,将平台组件模型建模粒度依据兵力性质约束为单人、单装、组、班、排以及连等几个层次,具体分类如图3所示。其中,单兵平台组件主要对单兵功能属性和单兵战术动作逻辑进行描述,用于对合成营作战人员的建模。其描述的功能属性包括单位性质、身高、体重、军衔、职务、技能水平、心理素质、人员士气、疲劳程度、姿态等,单兵战术动作逻辑主要是描述运动、观察、射击、隐蔽等动作的逻辑流程。单装平台组件主要对单件武器装备的功能属性和单车战术逻辑进行描述,用于对合成营配备以及加强的武器装备进行建模。工事障碍平台组件主要对战场工事、障碍设施的功能属性和基本工作流程进行描述。其中,掩体平台组件主要对单兵掩体、双人掩体、碉堡、车辆掩体等进行建模。工事障碍平台基本工作流程主要是对进入工事或障碍的实体进行防护、保障或毁伤运算。作战单元平台组件主要描述由多个单兵单装共同协作完成某项任务的一类仿真实体,如狙击组、重机组、反坦克导弹组、步兵班、坦克排、炮兵连等。作战单元平台组件功能主要是对内部组成平台进行组织管理和协调控制,可以理解为对单兵平台和单装平台进行指挥控制的载体。

图3　平台组件模型分类图

3装备组件模型

图4　装备组件模型分类图

装备组件是陆军合成营作战仿真实体物理组成元素的反映,主要对武器装备某方面的能力或性能进行描述。按照陆军合成营配备的武器装备所具有的机动、探测、火力打击、通信、干扰、防护等能力,将装备组件细分为机动组件、传感器组件、武器发射装置组件、通信设备组件、干扰设备组件、防护组件、弹药组件和特征组件等八大类,具体分类如图4所示。其中,机动组件主要描述徒步、轮式、履带、旋转翼、固定翼以及导弹机动等六种方式的运动能力。其中,徒步、轮式、履带机动重点对越野机动能力、道路机动能力、爬坡能力、涉水能力、越壕能力、油耗等进行描述;旋转翼和固定翼机动则主要描述升限、巡航高度、巡航速度、最大爬升角度、油耗、最大过载等进行描述;导弹机动则主要描述最大过载、距离门限、发射速度、俯仰角度等。传感器组件主要是对目视、观瞄镜、活动目标雷达、红外仪等探测设备进行描述,实现对光学、雷达、红外等探测方式探测能力的建模,重点描述探测距离、视场、天候影响、地形影响以及目标特征识别能力等。武器发射装置组件主要对枪、炮、火箭发射筒等发射器进行描述,重点对各种发射器的武器性能如射速、弹夹容量、有效射程、直瞄打击性能、间瞄打击性能等进行描述,从而实现对武器系统打击性能的仿真。通信设备组件主要对通信电台、通信中继等设备的性能进行描述,主要描述带宽、延迟、跳频频率等性能参数。干扰设备组件主要对雷达干扰、红外干扰、GPS干扰等干扰方式进行描述,主要描述干扰距离、干扰范围、干扰频率等性能参数。防护组件主要对单兵防护、装甲防护以及工事防护进行描述。其中,单兵防护主要描述单兵防护设备对头部、胸部、上肢以及下肢的防护能力;装甲防护主要描述以装甲为主要防护设备的一类武器装备如坦克、装甲车、直升机等的防护能力,包括前部、后部、顶部、侧部、底部等部位的防护性能;工事防护主要对碉堡、掩体、坑道等工程设施的防护性能进行描述。弹药组件主要对各类弹药的毁伤性能进行描述,以弹药杀伤的作用机理区分为动能和化学能两种弹药类型。弹药性能的描述与武器发射装置的性能密切相关,针对不同的武器发射装置,动能弹主要描述其在不同射程上弹丸的落点动能。化学能弹则主要描述在其杀伤范围内对不同类型目标的毁伤程度。特征组件主要描述武器装备的目标特征如光学特征、红外特征以及雷达特征等。其中,光学特征主要描述可见距离、可识别率、伪装程度、隐蔽程度等;红外特征主要描述信号强度、信号频率等;雷达特征主要描述雷达截面积、波动类型等。

4行为组件模型

行为组件是陆军合成营作战仿真实体行为特征的反映,主要实现对实体行动控制、行为决策、指挥协同以及作战规则的描述。行为组件是组件化模型体系的核心,是仿真实体自主决策和智能行为的驱动源。其中,行动控制主要对执行的作战行动、作战任务的环节、流程、逻辑进行描述,以反映不同作战行动的基本特征,如地面突击力量执行进攻任务需明确攻击路线、进入疏开展开区、占领冲击出发阵地、通过障碍、进入火力歼击区以及突入一线阵地等各个环节的行动次序和逻辑。行为决策主要是对各个行动环节中依据当前态势做出的决策的描述,如遇到障碍的决策、遭到炮袭的决策、突入一线阵地后的行动决策等。指挥协同是对依据当前决策分配、调度、控制所属兵力遂行任务的描述,如指派工兵扫雷任务、指挥二梯队加入战斗、召唤炮兵陆航火力支援等。作战规则是对共性的、通用的决策依据和内容的抽象,如目标选择规则、武器使用规则、交战规则等。行为组件具体分类如图5所示。

图5　行为组件模型分类图

其中,行动任务组件主要包括行军、攻击、撤离、防御、对地攻击等任务组件,负责对行动的逻辑进行描述,主要搭载在兵力平台上,以实现对实体执行各类作战任务的仿真。指挥任务组件包括组、班、排、连、营五个层级的指挥协同任务组件。指挥任务采用“条件-决策-行动控制”的逻辑进行设计,当满足一定决策条件时,触发决策,依据决策控制和调度所属兵力的行动,从而实现对指挥实体指挥、控制、协同等职能的仿真。作战规则组件包括目标选择、遇袭处理、武器使用、全局交火、气象影响、地形影响等规则组件。其中,目标选择规则主要对选取目标进行优先打击的次序进行界定;遇袭处理规则主要对遇到袭击时采取的行动进行界定,如人员卧倒、车辆释放烟雾、后撤或规避运动等。武器使用规则主要对使用何种武器、弹药来打击目标进行界定,如步枪手使用步枪和普通枪弹打击人员类目标,使用步枪和枪榴弹打击轻型装甲目标等。全局交火规则主要对某一方全局的交火原则进行整体控制,如自由射击、控制射击、自卫射击、禁止射击等,以实现对某种作战样式或战法的仿真,如伏击战,则设置全局交火规则为控制射击。气象影响和地形影响规则主要对气象条件和地形要素对作战行动如机动、探测、交战等的影响进行描述,如各种天气对不同机动方式的影响、对不同探测手段的影响等。

5辅助组件模型

图6　辅助组件模型分类图

辅助组件是陆军合成营作战仿真组件化模型体系中不可或缺的重要组成部分,主要对作战仿真涉及的组织、结构、阵地区域、环境以及裁决进行描述。其中,组织主要明确作战仿真实体之间的层级关系以及编组样式;结构主要对通信组网结构以及编队队形结构进行描述;阵地区域主要对作战仿真涉及的具有军事意义的地区或地点进行描述;环境主要对作战区域内的地理环境和气象环境进行描述;裁决是指对发生对抗的双方的实力消长进行评判。辅助组件具体分类如图6所示。其中,作战编成编组组件主要对作战仿真实体的编配、层级以及指挥关系进行描述。通信网系组件主要对通信网的组网模式、通信节点、通信链路等进行描述。编队组件主要对实体编队队形样式进行描述,如一字纵队、一字横队、前后三角、左右梯次、楔形等队形。作战区域组件和阵地配系组件主要对陆军合成营作战涉及的具有重要军事作用的地区、地点进行描述。环境组件主要描述作战区域的地理环境和气象环境。其中,地理环境组件主要描述地形、地物、地貌等要素;气象环境组件主要描述气象和天候要素。裁决毁伤组件主要对直瞄、间瞄、精确以及雷场等造成的毁伤进行裁决评判。其中,直瞄毁伤裁决组件主要对以直瞄射击方式造成的毁伤进行描述,如以枪、坦克炮等武器进行对抗造成的毁伤。间瞄毁伤裁决组件主要对以各类压制火炮以及枪榴弹、榴弹发射器等武器进行对抗造成的毁伤进行描述。精确毁伤裁决组件主要对以各类导弹、末敏弹等武器进行对抗造成的毁伤进行描述。雷场毁伤裁决组件主要对各类反步兵、反坦克、反步坦混合雷场对进入其中的单位造成的毁伤进行描述。

6结束语

针对陆军合成营作战仿真涉及要素多、组织关系复杂的特点,从仿真实体要素分析入手,提出了基于组件化建模方法的模型体系架构。该模型体系以组件为中心,采用整体由部分组合而成的视角,通过对仿真要素共性特征的抽象,聚焦功能组件建模,而后通过组合各类组件的方式来描述作战仿真实体,极大地降低了模型设计开发的复杂度。组件化模型体系架构可以为陆军合成营作战仿真模型的设计、开发、集成和运行提供先进的技术框架,有利于开发良构的仿真模型,提高仿真模型开发和集成效率。

参考文献:

[1]胡小云,冯进. 陆军分队作战仿真模型结构描述规范设计[J].指挥控制与仿真,2010,32(1):63-67.

[2]龚建兴,彭勇,郝建国,等.面向组件的仿真系统构建方法研究[J].系统仿真学报,2010,22(11):2575-2578.

[3]张永亮,曹雷,潘明聪.基于一体化建模方法的作战仿真实体建模[J].装甲兵工程学院学报,2014,28(1):57-62.

[4]王润岗,赵以贤,王艾萍,等. 基于军事运筹的坦克分队作战仿真模型构建[J].火力与指挥控制,2011,36(1):25-28.

[5]乔忠伟,汤中良. 陆军合成营战斗[M]. 北京:军事科学出版社,2014.

[6]中国人民解放军军语[M]. 北京:军事科学出版社,2012.

[7]黄秀成.陆军合成营战术模拟训练系统设计初探[J].专业训练学报,2013(4):49.

[8]谭义恒,张长伟,张晓忠.合成营战斗能力需求分析[J].防空兵指挥学院学报,2009, 26(6):17-19.

[9]杨进涛,黄斌,杨晓原.基于UML的陆军合成营指挥训练信息系统模型构建[J].火力与指挥控制,2012,37(9):117-120.

[10]王少杰,许建中.陆军合成营指挥模拟训练系统模型[J].火力与指挥控制,2011,36(8):187-190.

[11]黄永胜,黄侠峰.陆军合成营建构问题浅探[J].坦克兵学刊,2011(3):35.

Research on Component-based Model Architecture of Army Synthetic Battalion Combat Simulation

DU Guo-hong, LI Lu-yao, WU Cong-hui

(Operation Research Center, Nanjing Army Command College, Nanjing 210045, China)

Abstract:To improve the situation of lack of systematic design, poor reusability and low-efficiency development of army synthetic battalion combat simulation model, component-based model architecture was brought forward. Component-centered and mainly research platform component, equipment component, behavior component, auxiliary component and focus on functional component modeling, the architecture will provide advanced application framework and technique support to build excellent army synthetic battalion combat simulation model architecture, standardize the design, development, integration, operation of model as well as improve reusability of model resource to avoid low-level duplication.

Key words:army synthetic battalion; component-based modeling; model architecture; component model

中图分类号:E917

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.02.020

作者简介：杜国红(1982-),男,河南周口人,硕士,讲师,研究方向为作战仿真。李路遥(1973-),男,教授。吴从晖(1975-),女,硕士,副教授。

*基金项目：2015国家社科基金军事学项目资助(15GJ004-136)

收稿日期：2015-12-24

文章编号：1673-3819(2016)02-0096-06

修回日期： 2016-01-12