水面舰艇作战使用模型构建规范研究

2021-10-21孙续文汪汇川

指挥控制与仿真 2021年5期

孙续文,汪汇川

(1. 海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018;2.海军研究院,北京 100161)

作战模型体系建设是作战仿真的基础,海军水面舰艇数量众多、种类繁杂,作战信息量大,指挥控制复杂,对其进行建模与仿真所需模型多,模型之间相互作用机制复杂(包括继承关系、组合关系、隶属关系、交互关系以及指挥关系等[1]),模型构建难度较大,成为制约其发展的关键性问题。作战模型体系在标准化、规范化、完备化建设方面存在一些问题[2],特别是在缺乏科学的海军兵力作战使用模型建设规范的情况下,许多模型都是在不同的建模环境中重复构建,模型的重用性、扩展性存在诸多问题,易造成资源浪费,较难适应当前海军水面舰艇体系作战建模与仿真需要。因此,探索科学合理的水面舰艇作战使用模型体系构建规范,成为水面舰艇作战仿真领域亟需解决的问题。

1 研究思路及研究策略

探索科学合理的模型体系构建规范,有利于保证模型质量和实用性并提升模型体系建设效益[3]。仿真模型体系规范化海军水面舰艇作战模型体系作为一个有机的整体,其体系结构应该是一个立体的、多维的、全方位的描述水面舰艇作战使用全局的结构。首先,水面舰艇作战模型体系的某些方面是作战任务的直接描述,此为作战模型体系的任务维度,包括水面舰艇遂行的各种任务模型,如对潜搜索模型等,因此,在任务维度,重点应建立基础模型集;其次,水面舰艇作战模型体系作为一个整体,体现的是水面舰艇整个作战使用过程所涉及的方方面面,此为作战模型体系的功能维度,包括作战环境模型、实体模型、作战任务模型、实体行为模型、结果分析模型等,因此,在功能维度,在进一步建立模型体系的同时,应注重规范模型功能与接口;最后,模型构建离不开构建的过程,海军水面舰艇作战模型体系是一个从抽象逐渐到具体的循序渐进的过程,此为作战模型体系的过程维度,包括军事概念模型、仿真数学模型和软件工程模型,因此,在过程维度,建立模型体系的同时,应重点关注模型研发与管理规范。

2 水面舰艇作战应用分析

本文借鉴DoDAF标准中的作战视图技术,首先针对水面舰艇对空防御、对海作战、对水下作战典型作战应用,在分析其典型作战样式的基础上,分析高层作战概念图,得出作战节点时序图,进一步细化作战活动,得出作战活动模型集,作战指挥关系图,建立基础模型集。将对海、对空、对潜及综合作战行动作战节点进行梳理,建立对海、对空、对潜及综合作战的基础模型集。

本文以水面舰艇对水下作战应用为例,进行对水下作战应用分析后,水面舰艇对水下作战活动模型集如图1所示。

图1 对潜作战活动模型集

3 水面舰艇作战使用模型体系构建

任何作战模型体系都可以用实体、行为和交互来描述。其中,实体是第一位的,这种方式又称为“实体中心”或“基于实体”的建模。这种方法描述了作战空间的基本组成要素,以及这些要素发挥作用的过程。将体系分解成为实体、行为和交互进行建模,能够较好地反映系统的整体性特点。

作战实体的建模和实体作战行为的建模是两大核心内容[4]。典型的作战实体建模框架有基于属性描述的实体建模框架、基于状态描述的实体建模框架、基于作战要素的实体建模框架;典型的作战行为建模框架有基于战场行为的行为建模框架、基于控制论的行为建模框架和基于PICS域(即物理域、信息域、认知域和社会域)的作战行为建模框架[5]以及基于发生认识论的实体行为建模框架[6]。

3.1 基于组合单元的实体建模框架

仿真系统模型体系框架构建,以提升模型可重用性和互操作性为根本目的[7]。实体建模框架基于任何一个作战实体都是各种作战装备的组合单元认识,围绕作战实体的组成要素描述,认为对实体建模包括行为建模、装备建模,以及这些模型的组合,实体建模框架如图2所示。

图2 基于组合单元的实体建模框架

通过对海军水面舰艇作战应用进行分析,我们获得了基础模型集,在此基础上,应用面向实体的建模思路,采用基于组合单元的实体建模框架,采取自顶向下、逐步细化的分析方法,实现模型从顶层到基础的逐步细化分解,建立海军水面舰作战使用模型体系。

3.2 作战模型体系构建框架的层次结构

首先,定义一个实体模型的根类“实体类”,定义的方法与属性对几乎所有模型都通用。继承自“实体类”的模型类也可作为实体模型被其他模型引用或参考,包括“装备类”、“环境类”、“效果类”以及“认知类”,这种方法在一定程度上起了模型规范的作用,同时也构成了作战模型体系的总体结构,如图3所示。

图3 作战模型构建框架类层次结构

要实现水面舰艇作战建模与仿真必须建立大量的模型类,而装备模型类、环境模型类、效果模型类和认知模型类之中,装备模型类尤其复杂、数量尤其多。因此,装备类模型的分析成为作战模型构建的重点也是难点。水面舰艇作为一个作战平台,其上还包含各种武器装备,装备的某些模型类也可继承自根类(“实体类”),而“装备类”可进一步衍生出各设备、处理器、弹药、传感器等多个基本类其层次结构如图4所示。

图4 作战模型构建框架的层次结构

图3中装备类模型除了层次结构关系外,相互之间也会产生各种复杂的关系,在此不再深入探究。

所有装备模型都是通过派生于这9个基础装备类的继承类来实现的,每个装备模型类都定义自己的输入参数并实现自己的操作。每个基础装备类都继承自武器装备模型类,而此类定义了所有装备模型通用的方法和属性。

3.3 基于作战应用分析的水面舰艇作战使用模型体系

根据对水面舰艇对水下作战流程及行动的分析,可明确整个作战流程及作战行动所涉及的相关模型,如图5所示。水面舰艇对潜作战模型体系所涉及的模型组如下:

1)目标模型:提供潜艇、鱼雷的机动模型。

2)探测模型:提供声呐、雷达对目标的探测模型。

3)搜索方案模型:提供目标舰的检查搜索、应召搜索、巡逻搜索模型。

4)反潜直升机搜索模型:提供反潜直升机不同样式下对潜搜索模型。

5)舰机协同搜索模型:提供舰机协同作战样式下对潜搜索模型。

6)对潜跟踪模型:提供目标舰对潜跟踪模型。

7)目标舰占领阵位模型:提供目标舰占领鱼雷发射阵位模型。

8)舰艇规避模型:提高目标舰规避敌潜艇发射鱼雷模型

9)对潜艇打击模型:提供在不同的方位、距离条件下,对潜艇打击效能模型。

10)鱼雷攻击距离模型:提供在不同海况条件、引导条件下攻击距离模型。

11)水声对抗模型:提供鱼雷在不同距离、方位条件下的水声对抗效果模型。

12)效果评估模型:提供舰艇规避潜艇或对潜打击效果评估模型。

结合前面的作战使用模型体系框架,可得水面舰艇对水下防御作战所涉及的模型体系,如图6所示。

同理可得水面舰艇对水下作战模型体系及对海作战模型体系,将三者汇总后,可得水面舰艇综合作战模型体系。

结合海军水面舰艇作战使用模型构建框架的研究和基于作战应用分析的水面舰艇作战使用模型体系分析,将水面舰艇作战使用模型中涉及的所有实体区分为舰艇平台实体模型、舰载机实体模型、武器系统实体模型、传感器实体模型、目标实体模型,并分别从物理模型和行为决策模型两个方面构建了各自的模型体系,将这些作战实体的模型体系结合起来,我们可以得到水面舰艇作战使用模型的模型集,图7所示为模型集。

4 结束语

本文分析了海军作战使用模型体系构建存在的问题,借鉴DoDAF标准中的作战视图技术,在进行水面舰艇作战应用分析的基础上,建立了海军水面舰艇典型作战应用基础模型集;结合基于组合单元实体建模框架,建立了水面舰艇作战使用模型体系;文章主要从任务维和功能维两个维度,模型体系构建思路和方法上提出了模型构建思路和方法,模型体系构建只是模型体系规范建设的一个方面,后续,还需继续从功能维度,提出模型功能与接口规范、模型交互规范等,同时,在过程维度,提出研发与管理规范等。希望本文的研究,有利于推动海军水面舰艇作战使用模型体系建设,有利于促进海军水面舰艇作战建模与仿真向高深层次发展。