柔性可扩展装备体系对抗仿真建模框架研究*

王俊达，卿杜政

(1.中国航天科工集团有限公司 第二研究院，北京 100854；2.北京仿真中心 航天系统仿真重点试验室，北京 100854)

0 引言

系统仿真被广泛应用在装备研发、论证和评估过程中，随着不同功能、不同体系结构的仿真系统大量建设，作为仿真系统核心要素的仿真模型也大量积累。同时，随着仿真能力的提升，单一仿真系统所涉及的模型种类、数量及交互关系越发复杂，仿真系统复杂性剧增。数量庞大、关系复杂的模型有待梳理组织、重复利用。

模型体系是不同类型和层次的仿真模型以及它们之间关系的集合[1]，利用仿真模型体系可以将大量的模型进行有效的整合和利用，充分发掘模型重用性，提升模型开发效率。

柔性是适应性、灵活性、集成性等概念的集合[2]，柔性仿真指建模框架和仿真算法具有广泛的适应性、扩展性和集成性[3]。运用柔性仿真思想建立的模型能够根据不同仿真系统需求灵活改变，快速适应仿真需求，提高系统构建效率。

本文在分析现有仿真模型体系框架基础上，提出一种柔性可扩展装备仿真模型体系框架，对装备模型建模框架进行了详细研究，可应用到装备体系对抗仿真中，“快、好、省”地支持仿真系统的构建和试验评估。

1 装备体系对抗仿真模型体系

现代战争形态已经转变为多兵种、多装备协同的体系作战，且向着智能化、无人化、平台化方向发展[4]，作战武器必须置于作战体系与装备体系中才能有效发挥其效能。由于体系规模巨大，难以组织实兵实装实验，对体系的评估只能通过仿真实验来完成[5]，体系对抗仿真已经成为支撑装备论证、研制、应用的重要手段。体系对抗仿真中涉及的要素众多，模型间交互、信息流关系错综复杂，装备武器的建模和系统集成成为构建仿真系统的重要基础。

国外对仿真模型体系的研究以美国等仿真技术优势国家为主，从20世纪90年代中期开始了相关的研究，有以下几方面关注点：

(1) 持续开展建模仿真通用框架研究

加强军用仿真建模对象模型体系框架标准制定，发布了一系列报告。在标准的单元层对象模型的模型体系基础上发展了ModSAF，ITEM，EAGLE，WarSIM2000等一系列平台[6]。此外在一些典型的作战推演与仿真系统如EADSIM，JWARS，JTLS，FLAMES等平台[7]中，构建了相应的模型体系，并持续对平台进行升级开发。

(2) 重视模型资源库建设

高度重视仿真模型重用和共享，加强仿真模型/资源库建设，已经建成美军建模与仿真资源库，对环境模型/数据进行了标准化、统一的开发。加速实施数字工程，强调武器系统和组件的数字表示，美国国防部发布全面的《数字工程战略》，使用装备可信的数据源和模型源作为基础资源库，支撑装备从概念到报废的所有活动。

(3) 将智能仿真纳入模型体系

投入大量资金，鼓励业界将人工智能纳入军事训练与装备仿真中，将智能仿真纳入仿真模型体系。美国陆军“雅典娜”(Athena)训练系统和新一代计算机生成兵力(OneSAF)仿真系统、DARPA“罗盘”(COMPASS)项目等一系列仿真系统不断涌现[8]。

国内对模型体系的研究较美军起步晚，对仿真模型体系研究主要集中在针对具体作战任务环境背景下的模型体系设计，如陆上作战[9-10]、海上作战[11-13]、两栖作战[14]、运载火箭[15]、空间攻防[16]等领域。对模型体系框架设计方法，一般只给出体系组成结构，对具体模型组成、交互关系和接口等不明确，体系框架适应性、扩展性不强。

当前装备体系对抗仿真应用研究中迫切需要能支撑仿真系统快速构建的模型体系，将柔性仿真概念引入仿真模型体系构建中，让仿真系统模型构建过程更加灵活、增强模型适应性。

2 柔性可扩展仿真模型体系

柔性模型体系要求模型体系能够适应仿真环境变化，支撑灵活、快速构建仿真系统。要求模型接口可以根据需求灵活、快速变化和调整，并且保证模型在仿真系统中上下文协调。可扩展指的是新建模型能够作为一种构件插入已有的模型框架中去，构件可替换性强，支持通过直接添加构件的方式扩展模型功能。

如图1所示，结合体系仿真要素需求，按照模型对象及模型用途，尽可能遵循实际军事活动，将柔性可扩展仿真模型体系模型分为6类：

(1) 装备模型

用于模拟物理装备实体，模拟综合性作战装备，能够独立遂行作战任务，具备探测、决策、通信、打击等作战功能，典型装备模型如飞机、坦克、舰船、卫星等。

(2) 指控模型

指控模型用于对作战过程中各级指挥所的决策、控制活动及作战规则的抽象描述。可用于对指挥控制中心、指挥所等指挥控制机构仿真。

(3) 网络模型

网络模型用于描述通信中信息存储、传输与处理过程，用于对真实世界信息传递网络建模仿真，装备模型之间的通信交互需要通过网络模型传递。

(4) 环境模型

环境模型用于反映作战中战场环境对装备作战效能的影响，包括气象、大气、海洋、地理、空间等自然环境和电磁、光电等人造干扰环境。

(5) 评估模型

评估模型用于完成体系性能/效能评估任务，反映影响评估目标的系统可用性、可信性和能力的关键要素及要素关联关系的模型，主要关注评估指标体系构建、评估方法描述、评估数据获取等内容。

(6) 支撑类模型

为仿真系统中数学计算、态势计算等提供算法和数学工具的模型，包括数值计算、概率与随机算法、地球模型、坐标转换、常用滤波算法等。

图2给出了模型体系中各类模型之间关系和体系框架。

图2 模型体系框架Fig.2 Modeling framework

3 装备模型建模框架

装备模型是装备体系对抗仿真中的最基本最主要模型种类，本文主要针对装备模型建模框架作详细说明。

为了增强模型重用性，适应模型柔性组装、功能可扩展的需求，构建了一种由装备模型集成框架和装备模型组件组合形成仿真模型的建模框架，如图3所示。采用面向组件的仿真模型开发思想，将装备模型按照实际物理功能特性划分为装备模型组件，并按照建模框架约束构建可扩展模型组件。

图3 装备模型建模框架Fig.3 Warfare equipment modeling framework

模型集成框架是沟通仿真模型和仿真平台的桥梁，将仿真模型与仿真平台分离，为组件模型组合装配提供平台。集成框架加载特定装备组件，获得相应组件的能力，形成独立的作战装备模型单元。

3.1 装备模型组件

在战术、战役级装备体系对抗仿真中，作为独立作战平台的装备平台一般具有运动、探测、控制决策、通信、打击、保障等功能，针对装备模型仿真的功能需求，可将组成装备模型的模型组件分为6类：

(1) 运动组件

运动组件用于对装备实体的运动与动力学特性进行仿真，是构成装备模型最基础的模型组件之一。运动组件用于仿真计算装备的运动状态、质量燃料消耗、装备乘载能力等。运动组件决定了装备运动能力和运行环境，包括航空、航天、陆地、海洋(水面、水下)以及固定设施等的运动模型。

(2) 传感器组件

用于对装备模型所携带的物理传感器建模仿真，模拟一个装备对另一个装备的探测过程，感知装备实体的状态信息，支持装备模型的决策和任务执行。

(3) 指挥控制组件

指挥控制组件完成装备模型内部逻辑控制、认知行为模拟、负责装备作战自动化流程的仿真、具有接受上级指令与响应、接收和处理通信消息、信息融合处理、生成控制指令、态势计算等功能，是装备模型的核心。

(4) 通信设备组件

通信设备组件用于对具备通信能力的装备实体所搭载的通信设备进行建模仿真，可用于模拟真实的通信设备的发送、接收和处理通信消息等功能。

(5) 武器总控管理组件

武器总控管理组件用于对装备模型的发射架、发射车等弹药武器管理和应用过程的仿真。武器弹药模型作为对抗仿真中的特殊装备模型，在被创建到成为仿真实例前，接受武器总控管理组件的管理。该组件功能包括：弹药管理、状态上报、武器弹药激活、加电、参数装订、发射流程模拟；响应发射指令向仿真引擎平台创建、注册弹药模型实例；与发射后的弹药通信、控制运行；生成、发送对目标的毁伤数据。

(6) 保障支援组件

对后勤保障条件建模，关注装备的消耗品，如油料、弹药等消耗补给过程，使得装备模型具备接受补给或维修服务功能。

3.2 装备模型集成框架

装备模型集成框架连接模型组件和仿真平台，组件模型与集成框架组合才能形成可用于仿真的装备模型单元。模型集成框架连接各组件模型，记录模型组合关系，管理组件模型。集成框架主要功能包括：

(1) 实例管理

记录参与组合的模型组件信息，维护模型组件实例列表、参数列表，设置模型组件实例的调用顺序、周期，管理模型组件实例的激活、创建与销毁。

(2) 接口数据管理

仿真运行时，集成框架为装备所属的每一个模型组件实例划分数据区，用于存放输出接口数据、通信消息、毁伤数据、环境数据等运行数据，集成框架协调板块内数据共享、分发与数据记录等。

(3) 装备状态监控

根据收到的毁伤数据，综合装备模型的抗毁伤和修复能力参数，评估模型整体和各个组件的受损情况，决定装备和组件模型实例在仿真运行平台中的删除与否。

(4) 管理装备基本信息

存放装备对象唯一的名称标识，装备属性等信息；设定装备平台的被感知参数，如视觉、红外、各波段雷达检测的目标特性等。

(5) 想定参数分发

在仿真中，作为仿真实体单元，框架读取和存放想定参数，仿真运行时将参数分发到对应组件。

4 模型交互

仿真运行中，各类实体模型不断进行信息交互，模型体系需要说明各类模型之间交互关系、交互内容、交互条件和方式。

4.1 基于数据白板的模型交互

为保障构建装备模型时组件模型柔性适配、快速的添加需求，设计了一种基于数据白板的交互模式。

在集成框架中，划分装备数据区块，用于存放实体模型仿真过程状态信息数据，具体的内容包括组件输出接口数据、外部毁伤数据、通信消息暂存区、探测感知信息、环境数据等。仿真平台对所有实体模型数据块进行管理，形成仿真数据白板，如图4所示。对抗仿真中，交战双方的仿真实体通过仿真平台获取白板上目标实体的数据信息，进行数据交互。

图4 基于数据白板的模型实体交互Fig.4 Illustration of data interact based on white board

4.2 装备模型组件交互

装备模型内部装备模型组件基于共享数据块的方式完成接口数据交换，信息交互发生在集成框架之间。

为实现装备模型组件的柔性添加，装备组件模型建模过程中遵循统一接口框架约束，对模型的输入/输出接口类型、数据结构等全面准确的描述。当集成框架添加功能模型组件时，根据模型接口描述的数据类型，在仿真运行中，框架为组件实例接口创建数据存储区(component port，CP)。仿真模型运行过程中，根据仿真计算输出数据存放到实例对应的输出块中，如图5所示。同一装备模型内部，组件实例共享数据板内数据，并且规定仅有对应的组件实例具有对其CP块的数据写入权限，模型组件输入端可以读取或复制其他组件输出的数据块内数据。组件模型获取输入数据时，通过模型组件功能类型、实例名称标识、输出端口标识、数据结构来区分CP数据。

模型组件间进行数据交互时，依据模型组件间关系，按照固定信息流传送数据，在组装时完成，通过接口数据结构描述，直接匹配推送。固定信息流向以外的接口，则根据组件类型、实例名称、输出端口等字段筛选匹配到对应的数据块，集成框架将数据封装成输入端口数据形式发送到输入接口。图6是一种装备模型内部模型组件之间接口数据传递和信息流向示意图。

4.3 模型实体交互

仿真实体之间交互主要分为通信和非通信交互2类。装备模型之间通信交互包括相同作战方的装备与友邻、作战模型之间请示报告、通报指示指令、通报协商等通信信息。非通信信息交互主要包括3类：装备模型与环境模型间交互；弹药武器对战场装备的毁伤、电子干扰等对抗信息；装备探测感知敌方情报信息、战场态势等探测交互。

(1) 通信交互

模型间通信交互需要通过通信网络和消息模型传递。通信交互时，信源组件向框架发送通信请求，请求内容包括信源组件实例标识、要发送的消息数据、发送消息的通信组件等；模型框架将通信数据封装成通信消息，遍历查找该实体所包含的通信设备组件，若无通信设备，则无法发送；对每个通信设备，查看与其匹配的网络模型，通信网络模型遍历链接到该网络的所有其他通信设备，查看是否有到目标实体的设备终端；网络模型检查网络通断、时延等信息，模拟网络模型处理和计算过程，满足要求将消息发送到目标实体通信设备；目标实体通过通信设备完成消息接收，存放到集成框架消息数据区，待其他组件接受处理。

图7展示了装备模型间利用通信网络模型进行通信交互过程，其中为了提升效率保留了通信设备间直接通信交互方式，如图中①所示。

(2) 探测交互

在仿真中，装备模型需要探测感知其他实体信息用于决策。探测交互主要发生在装备模型的传感器组件和被探测实体的框架之间。探测过程中，传感器组件首先根据条件遍历仿真数据白板，获取满足探测范围或其他条件的所有实体标识列表。根据目标实体标识找到目标实体数据板块，传感器组件根据其功能特性、探测数据需求获取相应数据块内的目标状态数据。之后传感器处理数据，生成探测结果和探测事件，发送到装备模型数据板的对应数据块。

图7 通信交互示意图Fig.7 Illustration of communication interaction

图8展示了一种装备间探测交互模式，装备A装载有两型传感器Sensor_A_1和Sensor_A_2，对B装备进行探测。图中①②表示了传感器获取目标数据，③④表示了探测数据被指挥控制和武器总控管理组件的输入应用与仿真计算，⑤表示了在传感器探测过程中读取环境数据，模拟传感器所受到的环境效应的影响。

(3) 毁伤交互

毁伤交互是装备模型之间的相互作用，既包括直接摧毁实体的硬杀伤，也包括对装备的干扰、屏蔽、失效或失能的软杀伤。武器毁伤包括对其他装备实体、环境实体等造成的毁伤，如图9中①～③所示。

武器总控管理组件通过发送毁伤数据来对目标实体产生作用。武器总控管理组件模型接收目标状态信息，根据杀伤判断条件，产生毁伤类型、爆炸点、杀伤半径、杀伤概率等毁伤数据。装备框架将毁伤数据发往目标实体框架中，若毁伤效果是对环境的作用，则直接发往对应的环境模型。毁伤效果不直接对装备组件产生作用，而是通过模型框架管理组件实体的毁伤情况。被毁伤实体接收到毁伤信息后，模型框架根据毁伤数据评估毁伤效果，根据评估结果监控和管理组件实例，控制组件实例的修复或销毁删除。

(4) 环境交互

柔性仿真模型体系将环境模型纳入模型体系，构建环境模型与实体模型交互机制。环境对装备应用的影响主要表现在对装备的运动、传感、通信等组件运行有显著影响。

图10展示了环境模型与装备模型交互过程，环境模型依托于环境资源数据库提供环境服务，如图中①所示。装备模型与环境模型之间交互分为固定推送和请求推送2种方式。固定推送指仿真模型订阅环境模型提供的数据服务，环境模型按照一定的周期向环境数据块发送、更新环境数据，如运动、传感组件需要地形、大气等自然环境数据，如图10中②所示。请求推送指仿真实体在仿真运行过程中，模型组件向环境模型提出服务请求，环境模型依据请求内容计算并推送环境服务，如图10中③所示，典型过程如传感器计算地形通视条件。

图8 探测交互Fig.8 Illustration of detect interaction

图9 毁伤交互Fig.9 Damage interaction

图10 环境交互Fig.10 Interaction between model entity and environment

5 基于模型体系框架的建模仿真

基于柔性可扩展模型体系框架的模型开发应用流程包括模型组件开发、模型组件与集成框架组合及仿真系统集成等过程，能够“快、好、省”地支持仿真系统的构建。

模型开发应用流程如图11所示,在可扩展模型组件开发中，首先根据模型需求，开发扩展模型组件。在模型组合工具中，输入组件模型的参数，构建参数模型组件，将组件模型与集成框架进行组合，形成仿真装备模型。装备模型经校核后存入模型数据库，待仿真应用系统应用时，添加到想定中。

基于柔性可扩展模型体系框架的建模仿真，对建模过程和模型形式进行了规范和约束，支持模型组件按标准开发，增强模型适用性。“集成框架+模型组件”组合集成形成装备模型的建模形式增强模型功能的扩展性和模型重用性，提高仿真模型开发效率。

6 结束语

构建装备模型体系框架，有利于将模型与仿真平台分离、将组建模型组合成为整体。本文提出一种柔性可扩展装备仿真模型体系，给出了装备模型建模框架。为保障构建装备模型时组件模型柔性适配、快速灵活添加，给出了一种基于数据白板的数据交互模式。针对该框架设计提出了一种基于共享数据板块的组件交互方式，设计了基于该建模框架的模型内、外部交互流程。装备模型体系框架对体系对抗仿真装备模型建模过程具有指导意义，可应用到装备体系对抗仿真系统建设中，后续工作中将继续完善模型描述，对体系框架的调用调度方法进行研究。