军用建模与仿真标准技术研究

李 革,段 红

(国防科技大学 系统工程学院,湖南 长沙 410073)

0 引言

军用仿真技术是武器装备发展、研制、试验、定型、鉴定、作战效能评估、作战训练、后勤支援,以及武器装备采办等不可缺少的重要支撑技术,对于促进军事理论和军事实践的进步、推动军事技术和武器装备的革命、保证军事斗争和作战行动的胜利,能起到提高效能、节省经费、降低风险、保证质量和缩短研制周期的显著作用,是服务于武器装备全寿命、全系统和管理全方位的极其重要的关键支撑技术。仿真技术及系统是用信息化推动国防现代化跨越式发展的重要手段。

从军用建模与仿真标准发展历程来看,可以将军用建模与仿真标准划分为3个阶段。第一阶段为开发时期,为了集体训练目的开发了分布式交互仿真(DIS)标准,其标志性成果是DIS标准;第二阶段为成熟期,指建模与仿真标准从技术开发到工程过程开发时期,主要是采用高层体系结构(HLA)开发大型集体训练应用的阶段,标志性事件是美国国防部建模与仿真主计划的发布,标志性成果是HLA标准;第三阶段为非训练阶段,指军用建模与仿真标准从支持训练到支持作战和采办等作战仿真领域。目前,军用建模与仿真标准化活动已经进入了第三阶段[1]。

本文首先介绍国外军用建模与仿真标准体系研究情况;然后分别从仿真体系结构标准、数据标准、VV&A(校核、验证与确认)标准、仿真互操作标准、仿真术语标准等方面介绍军用建模与仿真标准成果,重点描述了我国军用建模与仿真标准体系现状,提出了我国军用建模与仿真标准体系框架;最后对军用建模与仿真标准的发展进行了展望。

1 国外军用建模与仿真标准体系

标准体系是指一定范围内的标准按其内在联系形成的科学的有机整体。国内外都非常重视军用仿真标准体系的研究、建立和推广应用。以美国、北大西洋公约组织(北约)、澳大利亚为代表的世界主要军事强国和组织已建立了较为完整的仿真技术标准体系。

1.1 美国

美国国防部的军用建模与仿真计划是在1994年1月4日颁布的5000.9号条令“国防部建模与仿真管理”基础上建立的,认为标准化是有效开展大系统建模与仿真活动的关键,目的是组织和集中美国国防部的建模与仿真能力用于解决建模与仿真中的共同问题,促进建模与仿真的可重用性与互操作性,从而提高效率。为建立美军建模与仿真标准体系,该计划提出了以下6项目标[2]：

1)提供一个建模与仿真用的公用技术框架。包括建立一个通用高层次仿真体系结构HLA、开发使命空间概念模型、制定数据标准等子目标。

2)提供自然环境及时、权威的表达。包括对陆地、海洋、大气、太空的权威性表达。

3)提供系统的权威性表达。系统包括平台、武器、传感器、设备、生命保障系统、C4I(指挥、控制、通讯、计算机)系统以及后勤支持系统。

4)提供个人和群体人类行为的权威性表达。

5)提供一种建模与仿真基础设施,以满足研制人员和最终用户的需求。

6)共享建模与仿真的利益。

1.2 北约

北约有2个负责标准化工作的机构：一是北约标准化委员会,即北约标准化的领导决策机构;另一个是北约标准化局,即对北约标准化委员会负责的执行机构,具体负责开展标准化工作,由相关成员国派专业人员组成,负责标准的制定、协调等具体工作。北约当前标准化工作的重点是联合军事行动标准,核心目标是实现互操作性。

北约于1998年8月发布了北约建模与仿真计划[3],2009年12月发布了北约建模与仿真标准轮廓图[1],对北约建模与仿真标准进行了描述,主要包括如下类型标准：校核与验证标准、仿真系统工程标准、建模与仿真想定标准、建模标准、建模与仿真的互操作标准、数据标准和可视化标准。

2018年2月北约将北约建模与仿真标准体系更新到D 版,主要包括以下标准：建模与仿真方法、体系结构和过程标准、概念建模与想定标准、建模与仿真互操作标准、信息交换数据模型标准、软件工程标准、综合自然环境标准、仿真分析与评估标准以及其他标准。

北约建模与仿真标准体系最主要的不足包括：缺乏支撑人员行为建模方面的标准;缺乏真实仿真(Live)方面的标准。此外,数据标准是其标准化工作中的一个薄弱环节,北约建模与仿真团队正试图解决这些问题。

1.3 澳大利亚

澳大利亚国防部于2005年发布了《国防仿真标准指南》[4],其分类比较全面,共包括各类标准91项。其中,将仿真标准划分为以下5类：

1)描述标准

主要包括数据标准和可信度标准。数据标准包括环境数据标准、实体描述标准、元数据标准和可视化属性标准。可信度标准包括仿真可信度标准和数据可信度标准。

2)分布式仿真标准

主要包括仿真协议标准、仿真体系结构标准、仿真通信标准、数据交换标准、分布式学习标准。

3)置信度建立标准

主要包括VV&A 标准和管理认证标准。

4)仿真工程标准

主要包括软件开发标准、仿真硬件标准、可视化数据库标准和系统工程标准。

5)仿真管理标准

主要包括数据管理标准、配置管理标准、可靠性管理标准、安全性管理标准和风险管理标准。

2 军用建模与仿真标准研究成果

2.1 仿真体系结构标准

为了处理复杂大系统的建模与仿真,仿真系统的体系结构从集中式、封闭式向分布式、开放式、交互式发展。发展目标是构成可互操作性、可移植性、可伸缩性及强交互性的分布对等协同的仿真体系结构。

美国于20世纪末先后公布了DIS和HLA 系列标准。2000年以来,又陆续对DIS和HLA 系列标准进行了更新：DIS标准方面推出了第7版本的DIS标准IEEE 1278.1：2010,增加了对定向能武器、信息作战等方面的支持;HLA 标准方面推出了IEEE 1516：2010,增加了对容错、模块化FOMs、Web服务、XML、链接兼容性等方面的支持。2011年1月颁布了分布式仿真工程与执行过程标准IEEE 1730,将DIS、HLA、试验和训练使能体系结构(TENA)分布式仿真相关的工程与执行过程进行了统一。美海军研究生院于2002年提出可扩展建模与仿真框架XMSF,以扩展HLA 支持基于Web的仿真。

在试验与鉴定领域,美军建立了TENA,以扩展的C4ISR 体系结构框架为基础,建立符合需求的逻辑靶场,旨在提高试验与鉴定领域的互操作性、可重用性和可组合性。2012 年10 月TENA 中间件6.03版本发布,其中的标准对象模型包括时间、坐标系、时空位置信息、平台、弹药、GPS、雷达、遥测设备、天气等。

为了满足实时分布式仿真系统的要求,对象管理组织(OMG)于2004年12月发布了针对于开发实时仿真系统的数据分发服务(DDS),并且在2015年发布了新版本的规范,主要适用于对数据传输性能要求高的领域。DDS 可以实现分布式系统仿真环境中各个仿真节点之间高效、高速的数据交互,具有简单高效、传输时的服务质量(QoS)可控,响应速度快等优点,适用于分布式实时仿真系统互联。美国于2012年提出了层次化仿真体系结构(LSA),其目标是通过DDS将DIS,HLA,TENA 等分布式仿真体系结构统一。

2.2 数据标准

数据的标准化具有非常重要的作用,模型与仿真的有效性、适用性和可信度是建立在标准的、经认证的权威数据基础上的,数据标准有助于提高和促进国防部门之间的信息交换。

美军逐步建立了多种数据标准,比较重要的有“综合环境数据表示与接口规范”(SEDRIS)。SEDRIS核心组件包括环境数据表示模型、环境数据编码规范、空间参考模型、接口规范和传输格式等。2005年和2006年国际标准化组织(ISO)和国际电子技术委员会(IEC)批准了8 项SEDRIS 标准,分别为ISO/IEC 18023-1：2006(第一部分：功能规范)、ISO/IEC 18023-2：2006(第二部分：传输格式)、ISO/IEC 18023-3：2006(第三部分：文件格式绑定编 码)、ISO/IEC 18024：2006(第 四 部 分：C 语言)、ISO/IEC 18025：2005(环境数据编码标准)、ISO/IEC 18026：2006(空间 参 考 模 型)、ISO/IEC 18041-4：2005(第四部分：环境数据编码标准语言绑定C语言)和ISO/IEC 18042-4：2006(第四部分：空间参考模型语言绑定C 语言)。SEDRIS目前已被美国国防部联合技术体系结构采用,也被北约建模与仿真计划引用,美国陆军仿真、训练与设备项目执行办公室已经书面规定所有环境数据必须以SEDRIS格式交付。

2.3 VV&A标准

美国国防部于2006年公布了《军用建模与仿真VV&A 建议实施指南》,2007年底颁布了HLA 的VV&A 标 准(IEEE 1516.4：2007)。为 统 一VV&A 的文档,美国国防部建模与仿真指导委员会设立“国防部VV&A 标准化文档”项目。2008年发布了建模与仿真VV&A 标准MIL-STD-3022,建立了建模与仿真中VV&A 过程的4个核心产品的文档模板,包括确认计划、校核验证计划、校核验证报告和确认报告。

2.4 仿真互操作标准

建模仿真与C4ISR 互操作方面,美军规定M&S和C4ISR 系统必须遵循DoDAF,该框架有助于各种规模的系统之间实现互操作性;在公共数据交换模型方面,开发了“指控信息交换数据模型(C2IEDM)”,并被NATO 的多国互操作性计划成员采用;在公共描述语言方面,美军先后提出了作战管理语言(BML),XBML,CBML,以实现作战计划与命令的标准化与自动化,从而在指控系统和仿真系统之间通用。在基础支撑技术方面,美军重点对包括XML,WEB SERVICE 在内的工业标准进行了研究和应用,作为C4ISR 和M&S系统实现信息交换的技术基础。

仿真互操作标准化组织(SISO)在仿真标准化过程中发挥了重要的作用：除了维护IEEE 1278和IEEE 1516系列标准外,还负责发布和维护许多军用M&S标准、规范和指南,如实时平台参考联邦对象模型标准(SISO-STD-001.1：1999)、Link16仿真标准(SISO-STD-002：2006)、基础对象模型(BOM)模板规范(SISO-STD-003：2006)、军事想定定义语言MSDL 参考指南(SISO-REF-015：2006)、C4I仿真互操作指南(SISO-REF-004：2000)、仿真逼真度实施指南(SISO-REF-002：1999)、HLA 接口规范的兼容动态链接的HLA API标准、分布式汇报控制结构标准(SISO-STD-015：2016)、网关描述语言标准(SISO-STD-014.1：2018)、网关过滤语言标准(SISO-STD-014.2：2018)等[5],这些标准和规范在促进国防部领域内的仿真应用的互操作方面发挥了重要的作用。

2.5 仿真术语标准

军用仿真术语是军用仿真领域的基础性最强的标准,通过术语可以准确构建军用仿真领域的知识体系,反映军用仿真技术最新的发展成果,为军用仿真领域的知识检索和传播、技术传递、科技交流提供重要的工具。

国外仿真术语标准化方面,IEEE 于1989年制定了IEEE Std610.3—1989IEEE Standard Glossary of Modeling and Simulation Terminology标准。该标准包含175个词条,涵盖范围主要包括一般建模与仿真概念、建模与仿真类型、建模与仿真变量、博弈论、排队论。该标准为20多年前的标准,包含术语不足200条,且覆盖范围较窄,其中博弈论、排队论方面的术语不是军用仿真技术的核心术语。美国国防部于2011年发布了建模与仿真术语DOD Modeling and Simulation Glossary。

2009年,我国发布了GJB 6935—2009《军用仿真术语》[6],分为军用仿真基本术语、军用仿真建模技术术语、军用仿真系统及其开发技术术语、军用仿真应用术语4类,共包括421条术语,目前正在对此国军标进行修订;2012年中国仿真学会根据加拿大Oren教授整理的建模与仿真词汇出版了《汉英-英汉建模与仿真术语集》,列出了9 345个建模与仿真词条,并在此基础上于2018年出版了《军用建模与仿真技术词典》。

3 我国军用建模与仿真标准体系

我国原总装备部于2009年8月开始了《军用标准体系表》的编制工作,在充分吸收1995年版《军用标准体系表》的精华和军用标准化工作的最新成果基础上,于2011年1月正式颁布体系表。其中,建模仿真技术标准属于共性技术标准,包括仿真系统标准、仿真数据标准、仿真模型标准和仿真试验方法标准4类。训练仿真的标准未放到建模仿真技术标准之下,而是归并到了训练信息系统标准中。

我国军用建模与仿真标准体系先后形成了2个版本,随着军队编制体制的变化,军用标准体系的修订势在必行,因而军用建模与仿真标准体系也得相应补充和完善,为此提出了军用建模与仿真标准体系框架。

3.1 军用建模与仿真标准体系现状

2007年9月,军用建模与仿真标准化技术委员会成立,12月组织专家和委员制定了《军用仿真体系表》框架,2008年3月梳理和汇总了各单位提出的需求后修改完善了体系框架,最终在体系表征求意见稿的基础上,正式形成了《军用建模与仿真标准体系表》。军用建模与仿真标准体系分为基础标准和应用标准两大类,其中基础标准又分为术语标准、体系结构标准、模型标准、数据标准和仿真工程标准,应用标准分为作战实验标准、训练模拟标准和装备仿真标准[7]。

2015年,军用建模与仿真标准化技术委员进一步完善了2008年版《军用建模与仿真标准体系表》,提出了军用建模与仿真标准体系框架参考模型,形成了新版的《军用建模与仿真标准体系表》。新版军用建模与仿真标准体系由共性技术、作战实验、训练模拟和装备仿真这4部分组成,其中,共性技术标准又分为术语标准、体系结构标准、模型标准、数据标准和仿真工程标准。作战实验和训练模拟标准基本上是按照作战仿真层次来划分,除了通用标准外,还包括战略、联合战役、军种战役、合同战术、兵种战术、分队战术、单兵/单武器平台等层次的建模与仿真标准。装备仿真标准包括通用标准以及陆、海、空、天、电领域的装备仿真标准[8]。

3.2 军用建模与仿真标准体系框架后续建议

仿真预先研究项目从“十五”开始一直持续支持装备建模与仿真标准的研究,国防科技大学作为牵头单位,先后有10多家单位参加,在军用仿真标准体系、军用仿真数据标准、仿真系统体系结构标准等方面取得了一系列成果[9],目前已形成国际标准2项,国家军用标准19项,行业标准21项,企业标准65项。

结合军用建模与仿真标准化技术委员会提出的《军用建模与仿真标准体系表》,以及美军建模与仿真主计划,基于军用建模与仿真标准体系的研究成果[10-11],本文提出了军用仿真标准体系,如图1 所示。军用仿真标准体系分为仿真理论方法标准、仿真实体建模标准、仿真数据标准、环境仿真标准、仿真系统工程标准和仿真基础设施标准共6大类、22小类。

图1 军用仿真标准体系框架Fig.1 Structure of military simulation standard system

仿真理论方法标准类中,军用仿真知识体系标准包括建模与仿真术语标准、军用仿真分类标准、仿真符号表示标准、军用仿真知识体系标准等;军用仿真技术体系标准包括军用仿真技术体系结构标准、军用仿真技术成熟度标准等;通用建模与仿真标准包括通用建模方法、通用仿真方法等。

仿真实体建模标准类中,仿真实体建模通用标准包括模型体系结构标准、模型描述标准、模型开发标准、模型管理与服务标准等;概念模型标准包括仿真概念模型标准、军事概念模型标准等;数学仿真模型标准包括连续系统数学仿真模型标准、离散事件系统数学仿真模型标准、连续/离散混合系统数学仿真模型标准等;物理模型标准包括动态物理模型标准和静态物理模型标准等。

仿真数据标准类中,仿真数据体系结构标准包括仿真数据分类方法标准、仿真数据层次结构标准、公共元数据元素词典等;元数据标准包括仿真元数据通用要求、元数据字典、元数据质量标准等;应用数据标准包括实体数据标准、战场环境数据标准、想定数据标准等;数据管理与服务标准包括数据VV&C标准、数据描述标准、数据采集标准、数据处理标准、数据安全标准、数据集成标准等。

环境仿真标准类中,自然环境仿真标准包括地理环境仿真标准、大气环境仿真标准、海洋环境仿真标准、太空环境仿真标准等;人为环境仿真标准包括射频环境仿真标准、红外环境仿真标准、声学环境仿真标准、通信环境仿真标准、其他装备使用环境仿真标准。

仿真系统工程标准类中,仿真系统体系结构标准包括分布式仿真体系结构标准、并行仿真体系结构标准、硬件在回路仿真体系结构标准、人在回路仿真体系结构标准、云仿真体系结构标准等;装备仿真系统工程标准包括装备仿真通用标准、陆上装备仿真标准、海上装备仿真标准、空中装备仿真标准、空间装备仿真标准、电磁装备仿真标准、其他装备仿真标准;训练仿真系统工程标准包括训练模拟系统通用标准、战略训练模拟系统标准、联合战役训练模拟系统标准、军种战役训练模拟系统标准、合同战术训练模拟系统标准、兵种战术训练模拟系统标准、分队战术训练模拟系统标准、实兵对抗训练模拟系统标准等;作战实验系统工程标准包括作战实验系统通用标准、战略仿真实验系统标准、联合战役仿真实验系统标准、军种战役仿真实验系统标准、合同战术仿真实验系统标准、兵种战术仿真实验系统标准、分队战术仿真实验系统标准、单兵/单装备仿真实验系统标准等。

仿真基础设施标准类中,仿真共享资源标准包括仿真共享数据标准、仿真共享模型标准、仿真共享知识库标准、仿真共享工具标准、仿真共享系统标准、仿真共享算法标准等;仿真设备与系统标准包括真实仿真标准、虚拟仿真标准、构造仿真标准、仿真设备标准等;通信基础设施标准包括通信支撑工具标准、装备试验网络标准、联合训练网络标准、联合实验网络标准等;建模与仿真管理标准包括仿真共享资源管理标准、仿真管理政策方法、仿真管理机构标准等。

4 结束语

随着信息技术的快速发展,军用建模与仿真标准经历了集体训练仿真标准阶段、工程过程开发仿真标准阶段、军用仿真全领域仿真标准阶段等3个发展阶段,目前发展到支持训练、作战、装备建设等军用仿真全领域。我军军用建模与仿真标准体系建设取得了较大成绩,但仍然需要进一步发展和完善。如从需求牵引来看,随着我国新的试验鉴定体系的建立,相应的试验鉴定仿真标准体系建设提上了议事日程;从技术推动来看,大数据、云计算、人工智能、物联网、数字孪生等信息技术的最新进展也必将吸收到军用建模与仿真标准体系之中。相信随着新版军用标准体系的制定,军用建模与仿真标准体系将进一步发展来满足军用仿真技术的需求。