作战仿真中组合式实体模型的资产管理组件设计

张柯 孙昊 闫飞 谭雄 段伟

作战仿真是不同技术背景下研究战争问题,分析和评估作战方案的重要手段[1−3].近年来,人们建立了多个作战仿真系统以模拟不同作战层次(战略、战役、战术)和不同作战域(陆、海、空)的作战过程,以支持作战训练、作战问题研究和作战计划辅助决策.例如:基于HLA技术体制的联合作战仿真训练系统[4]、海上区域作战模拟系统[5]和潜艇作战仿真训练系统[6]、空军战役作战模拟训练系统[7]、空间作战仿真系统[8]和电子对抗作战仿真系统[9]、后勤保障中医疗后送模拟系统[10]、武器装备体系对抗建模与仿真[11−12],以及作战指挥控制建模与仿真分析系统[13]等.各种样式的作战仿真系统为研究不同作战域的军事问题提供了很好的支撑.然而,由于技术标准、模型规范、模型粒度的不同,作战仿真系统之间难于互联互通,且升级改造与维护难度大.作战仿真模型难于重用,且存在重复开发等问题.

采用组合式建模、模型与数据分离等方法可以实现作战仿真模型的灵活组装与搭配,提高作战仿真系统的可扩展性与可重用性.2002年美国海军研究生院、乔治梅森大学以及SAIC公司等组织提出了可扩展建模与仿真框架(XMSF)[14].XMSF基于XML标记语言,采用Web技术作为共享的通信平台和通用的传输框架,促进建模与仿真应用在更大范围的互操作和重用[15].2006年仿真互操作标准化组织(Simulation Inter-operability Standard Organization,SISO)提出了基于组件建模的基本对象模型(Basic Object Model,BOM)规范[16−17].BOM是一种促进仿真模型互操作、重用性和可组合性的实现机制,鼓励灵活、快速、有效地开发和管理模型.该机制已经得到了很好的应用,例如:基于BOM组件规范的仿真建模与运行环境[18]、基于BOM组件的并行计算仿真引擎[19]等.同时,其他的组合式建模方法也得到了研究和应用,例如:基于面向服务架构软件组件技术来支撑仿真模型的组合与重用,提高仿真效率与灵活性[20]、基于原子/复合组件开放的系统设计方法开发分布式机载电子对抗仿真系统[21]等.

组合式建模方法将作战实体拆分为不同的功能部件或模块.例如:战斗机实体可划分为飞机平台、机载雷达、机载通信设备、机载武器系统、航空弹药、航空燃油、飞行员等.为实现作战实体模型的可重用性,将作战实体的功能模块以不同组件的形式实现,例如:指控组件、运动组件、感知组件、通信组件、任务组件等,再通过不同组件的灵活搭配与组装来形成一定功能的作战实体仿真模型.同时,模型与数据分离方法将作战实体模型的属性数据和行为参数从模型中剥离出来,设计统一的数据结构和数据接口,通过配置不同数据即可形成不同功能的模型,从而增强模型的可重用性.例如:感知组件实现了战场侦察、情报收集、态势融合,以及情况汇报等业务模型,同时设计了传感器数据结构.为感知组件配置不同类型或型号的传感器数据,例如:机载雷达、声呐浮标、红外探测仪等,即可形成不同功能的感知组件.

由于模型粒度不同,战场空间实体的抽象层次不同.有的作战实体被抽象为实体模型,具有一定的作战行为能力描述;而有的实体仅仅抽象为仿真数据.例如:战术级作战仿真系统中飞机作为一个作战实体来描述,而组合飞机的其他装备,包括:机载雷达、无线电台、弹药、航空燃油等不作为实体描述,仅描述为属性数据.战役级作战仿真系统中飞机可能作为空军部队或者飞行编队的装备,抽象为属性数据,而不作为作战实体描述.

作战仿真系统中如何有效组织和描述不具有行为能力的属性数据是一个重要的问题.作战仿真系统中通常将不具有行为模型的实体描述为属性变量.该方法难于实现模型与数据的完全分离,以及模型的可重用性.本文在作战实体建模过程中采用“资产”的概念来描述不具有行为模型的实体,即将作战实体所拥有的雷达、武器系统、弹药等装备,以及油料、水、电等资源作为实体的资产,并为每一种资产设计数据结构.同时,为组合式作战实体模型设计资产管理组件,实现资产的查询、存储、消耗等功能操作.

1 作战仿真中资产的定义与作用

资产是战场空间实体所持有的、占据的、存储的、装载的和使用的资源,用于支持和约束作战实体执行相应军事行为的能力.战场空间中所有的资源,只要被作战实体所持有、占据、存储、装载和使用,即可称之为作战实体的资产.没有被作战实体所持有、占据、存储、装载和使用的资源就不能称为资产,例如:公路作为环境资源,是公共资源,不被任何作战实体所拥有,所以不是资产.如果将作战实体当作其他实体所持有、占据、存储、装载和使用的资源,那么该作战实体也可称之为其他实体的资产.需要明确的是,资产在仿真过程中的存在形态是资源属性数据集.作战实体是战场空间中具有特定军事行为能力的对象,且其军事行为需要在仿真模型中描述.

作战仿真中根据模型的粒度和研究问题来确定需要描述作战实体中的哪些资产.但是所有作战实体均拥有自己的资产,例如:飞机实体拥有飞机平台、机载雷达、航空弹药、航空燃油、飞行员等资产;舰艇实体拥有舰船平台、舰载雷达、舰炮、弹药、航海燃油、给养等资产;仓库实体拥有各种后勤保障的资产,包括:油料、给养、弹药、汽车等资产.根据资产的用途可以对资产进行多级分类,例如:将资产初步分为:装备、物资、设施、人员等,其中设施可以再分为营房、阵地、工事、设障等.

作战仿真中资产的作用主要体现为以下3个方面:

1.1 资产体现和约束作战实体的军事行为能力

资产作为作战实体所持有的、可支配的资源,体现了实体能够执行的作战行动.例如:为飞机配置不同的弹药资产,那么飞机就具有不同的打击能力.机场拥有不同型号的飞机资产,包括:战斗机、侦察机、轰炸机等,那么机场就可以执行不同的作战任务等.资产体现作战实体军事行为能力的同时,约束了作战实体的作战行动.例如:飞机实体拥有的弹药数量的缺乏限制了其打击能力,航空燃油数量的缺乏限制了其航行范围.地面部队拥有的汽车数量限制了其机动能力,给养数量限制了其持续作战时间.

1.2 资产有助于后勤保障模型的建立

战术级作战仿真系统中通常忽略资源对作战过程的影响,从而不考虑后勤保障模型.但是,战役级作战仿真系统中由于作战时间跨度大、资源消耗数量大,需要建立后勤保障模型.后勤补给、后勤运输等模型中将涉及大量的不同类型的资产描述.例如:仓库实体需要描述和管理各种类型的补给资源,同时具有资源的接收、存储、分配、查询等功能.因此,以资产的概念来描述作战实体所拥有的资源,并对各种资产进行有效的组织和管理,将有助于后勤保障模型的建立.

1.3 资产有助于作战实体的毁伤裁决和装备维修模型的描述

作战实体的交战过程通过裁决算法来裁定实体的毁伤程度.而作战实体的毁伤程度可通过其资产数量的变化来体现.其次,作战仿真模型和裁决算法的粒度不同,那么作战实体的毁伤描述也不同.例如:战役级作战仿真中空空交战过程,红蓝双方飞行编队进行对抗,飞行编队实体的毁伤通过减少飞机资产数量来描述.而战术级空空交战仿真中飞机作为实体描述,其毁伤通过减少飞机实体的传感器、通信设备、武器系统、飞机平台等资产数量来描述.同样地,作战实体的维修也可以通过增加或者替换其资产来描述.

2 资产管理组件设计

2.1 结构设计

基于组件化建模思想,组合式作战实体模型将实体的功能划分为不同模块,实现为动态库组件,例如:指控组件、感知组件、运动组件、任务组件等.然后,灵活搭配功能组件,并通过实体模型集成框架组装功能组件形成完整的作战实体仿真模型.资产管理组件作为组合式作战实体模型框架的重要组成部分,集中管理作战实体所拥有的资产,实现资产的查询、存储、消耗、预留等功能.

为了实现作战实体模型的通用性,资产管理组件需要能够在不同的作战实体模型中可重用.然而,不同类型的作战实体所拥有的资产类型和数量是有差异的.因此,在资产管理组件的设计中需要实现资产管理模型与资产数据的分离.另外,不同的作战实体可能拥有相同的资产.如果相同的资产数据重复性地保存于不同作战实体的资产管理组件中,那么将消耗计算机内存资源,尤其在大规模实体数量的作战仿真中.因此,在资产管理组件设计中需要实现仅描述和存储一份资产数据.

资产管理组件的结构设计描述如图1所示.每一个作战实体(TSEntity)均挂载有一个资产账户(TSAssetAccount),即通过属性变量的方式挂载到作战实体模型.资产账户中有各种状态的资产数组变量,用于存储不同存在状态的资产.资产类(TSBaseAsset)描述中记录了资产定义类(TSAbstractAssetSpec)的索引编码,通过该编码可以在资产模型库(TSModelRepository)中查找到资产定义.资产模型库类实现了资产数据的唯一存储,并提供资产数据访问接口.资产定义类描述了资产属性数据结构.资产管理组件结构中各类的功能具体描述如下.

2.1.1 资产账户(TSAssetAccount)

根据现实中资产记录方法,采用资产账户来记录和管理各种类型和数量的资产.资产账户作为资产管理组件的功能实现的主体部分,是作战实体访问资产管理组件的主要接口对象,并实现了资产的分类、查询、存储、增加、减少、修改等操作功能.资产账户作为作战实体的属性变量,形成1对1的关联关系,并通过数组变量存储多种状态的资产,对资产进行“增删查改”等基本操作.

2.1.2 资产类(TSBaseAsset)

资产数据可分为两种类型,即资产的索引数据和定义数据.资产的索引数据包括:资产的编号、类型、名称、数量、状态等.资产的定义数据是描述资产的属性、型号等数据,在仿真过程中不会发生变化,可作为静态数据来描述.为了实现资产数据的可重用,将资产索引数据与资产定义数据相互分离.资产类描述资产索引数据,包括:索引编号、类型、数量等.资产定义类描述资产的定义数据.资产类通过索引编号可以从资产模型库中查找资产定义类.

资产类(TSBaseAsset)作为资产基类,根据资产的不同状态可以派生出不同状态资产类.不同状态资产类用于区分同一个作战实体的资产管理组件中存在的相同类型资产.

2.1.3 资产定义类(TSAbstractAssetSpec)

资产定义类描述资产定义数据,主要包括资产的识别信息、性能参数等型号数据,例如:飞机平台资产的形状、重量、最大航速、起飞油耗等.TSAbstractAssetSpec是资产定义基类,根据资产分类结构可以派生出一系列各种类型的资产定义类,例如:装备资产(TSAssetEquipment)、物资资产(TSAssetMaterial)、设施资产(TSAssetFacility)、人员资产(TSAssetForce)等.资产定义类的抽象层次可以通过模型粒度来确定,例如:将所有类型的飞机,包括:战斗机、轰炸机、直升机等,统一描述为飞机资产.如果往下细分的话,可分为固定翼飞机资产和旋转翼飞机资产.资产定义的分类描述可细化到具有相同属性数据结构的同一类资产,例如:将所有型号的战斗机归为一类资产定义,然后通过资产定义类的属性数据来区分不同型号的战斗机.

2.1.4 资产模型库类(TSModelRepository)

资产模型库类实现资产定义的属性数据的统一存储与管理,并提供资产数据访问接口.作战仿真中存在多个作战实体,而每一个实体均挂载了资产管理组件.不同实体的资产管理器可能存储相同的资产数据,从而增大计算机的内存开销.为了减少仿真运行中计算机的内存开销,资产类中设计了资产索引编号,通过该编号可以从资产模型库类中找到资产定义数据.资产模型库类实现资产数据的唯一存储,减少仿真推演过程中多份资产数据对内存消耗.

2.2 接口设计

资产管理组件作为组合式作战实体模型的功能组件,通过实体模型集成框架集成到作战实体仿真模型中.资产管理组件向实体模型集成框架和实体模型的其他功能组件提供了对外接口,以调用资产的查询、增加、删除等功能.资产管理组件的主要接口描述如表1所示,主要包括:拥有资产管理组件的实体设置与查询接口、资产账户中资产设置与获取接口、指定状态或类型资产的获取与删除接口、指定状态或类型资产数量的查询接口、增加资产接口等.

表1 资产管理组件接口

3 资产应用流程

在组合式作战实体建模与仿真应用中资产作为实体所有持有的、占据的、支配的资源的抽象描述,需要建立合理的模型.作战实体模型在搭配和组合各项功能组件时需要选择资产管理组件,同时配置相应的资产数据.在仿真运行过程中作战实体模型首先初始化资产管理组件,并加载各项资产数据,通过资产管理组件接口对资产数据进行操作.资产在建模与仿真过程中的应用流程描述如图2所示.

3.1 资产定义模型设计

在组合式作战实体建模过程中资产定义模型同样采用组件方式来实现.因此,首先创建资产模型组件,然后在该组件中设计资产定义类(TSAbstractAssetSpec).资产定义类继承已有的资产定义基类,并设计资产的属性数据结构.最后,资产定义模型设计以组件形式输出.

3.2 资产型号化

资产型号化即针对资产定义类的属性数据结构,为每一项属性赋予数据值,形成型号化的资产.例如:对雷达资产定义进行型号化时,为其资产定义类的名称、型号、探测范围、发现概率等属性赋予数据值之后,即可形成指定型号的雷达资产.资产型号化过程,首先需要选择资产定义模型,即资产定义模型设计过程中输出的资产模型组件.然后,编辑资产的属性数据,并保存型号化后的资产定义组件.

3.3 资产配给实体

作战实体模型选择和组合各项型号化后的功能组件时,同样需要为实体配置型号化资产.首先,选择组合后的作战实体模型;然后,为其选择型号化资产,并编辑该类型资产的数量.

3.4 资产数据操作

资产数据操作即仿真运行过程中作战实体对资产的使用,主要包括:设置资产、查询资产、获取资产、增加资产、删除资产等.在仿真运行开始时作战实体模型首先加载资产管理组件,然后对资产进行各项操作,在仿真运行结束时卸载资产管理组件.

4 结论

本文采用“资产”的概念对作战仿真中实体的资源进行描述,并设计资产管理组件对实体的各项资产进行管理.在资产管理组件和资产定义模型设计过程中考虑模型的可重用性,同时避免资产数据对内存资源的消耗.

使用资产描述作战实体的资源,以及资产管理组件对各种资产数据的管理,具有以下几个方面的优点:首先,通过资产可以体现和约束作战实体的军事行为能力,解决以往作战仿真过程中不考虑资源对实体作战行为约束的问题,更好地模拟作战过程.其次,改进以往采用作战实体模型的属性变量来描述资源的方法.建立资产模型便于模拟资源类型和数量的动态规划、动态挂载,以及资产的消耗和补给规划.再次,建立资产模型和资产管理组件有助于后勤保障模型、装备维修模型和毁伤裁决算法的设计.

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