基于过程模型的指控系统建模方法研究*

门星火 周含冰 薛芳侠 刘 波

（电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室 洛阳 471003）

1 引言

由于装备体系的复杂性，单纯依靠真实仿真、虚拟仿真或构造仿真难以满足装备体系效能分析评估的需要。实际应用时，通常需要构建分布式LVC联合仿真环境，集成各种真实、虚拟和构造的仿真资源，进行虚实结合、实时、分布式的仿真测试。指挥控制（C2）系统作为整个装备体系的“中枢”和作战要素的“黏合剂”，是连接仿真系统中其它模型的桥梁和纽带，控制着整个体系的运转，对它的模拟是构建体系仿真环境的关键环节，如何建立真实、可信的指挥控制模型已成为当前装备体系仿真系统设计的重要任务。

国外针对 C2建模问题开展了很多研究[1～4]，如美国国防部（DoD）的指挥控制研究计划（CCRP）项目，北大西洋公约组织（NATO）提出一套适应信息化时代一般作战过程的SAS-050指挥控制概念模型，David S.Alberts博士在和Richard E.Hayes博士研究分析了C2方法和概念模型，约翰霍普金斯大学的Paul D.North等提出用路径分析模型对指挥控制工作流进行评估，国外也在C2仿真基础平台、M&S与C4ISR系统的互操作性、仿真系统对C4ISR系统的支持等领域内进行了大量工作，存在一些较为成熟的产品。国内也针对一些具体应用开展了相关技术研究[3，5～9]，如曹晓东针对模型执行序列提出了一种层次性的结构化指控系统规则模型，刘秀罗基于CGF行为建模方法提出一种指挥控制建模框架C2MF等。总体来说，国内指控系统建模与仿真技术与国外相比尚比较薄弱，缺乏平台化、规范化的仿真技术与产品。

对于指挥控制建模，其主要内容通常包括指挥控制概念模型、指挥控制仿真模型，以及指挥控制模型在仿真中的应用等方面。本文针对装备体系仿真测试需求，基于指挥控制过程，以信息处理流程为主线建立了指挥控制仿真模型，并对情报融合、威胁评估、目标分配等模型主要功能模块的建模方法进行了探索。

2 指挥控制过程模型

指挥控制是一个过程，这个过程由指挥控制系统支持运转。大量学者研究并提出了一些经典的指挥控制模型，这些模型从广义的角度对指挥控制的业务过程进行了描述，比较经典的模型如Lawson模型、OODA模型、HEAT模型等[11～12]。分析研究这些模型，对于抽象指挥控制系统功能，进行指挥控制系统仿真建模十分必要。

OODA（Observe-Orient-Decide-Act）模型是由美国空军上校John R.Boyd于1987年提出的一个非常经典的作指挥控制模型，该模型以指挥控制为核心描述了“观测-判断-决定-行动”的作战过程环路，如图1所示。OODA模型最初是为了帮助飞行员在战术级的空战中做出决策，后来被用作描述一般情况下的指挥控制过程。

图1 OODA模型

2006年美军根据网络中心战的思想，在OODA模型的基础上提出了网络中心战指挥控制概念模型，即对以网络为中心的指挥控制过程进行概念建模。网络中心战的C2部分（NCW-C2），是网络中心战的核心，连接着传感器系统和武器系统。其主要作用包括提供指挥作业平台、提高信息综合处理能力及提供智能决策能力等，其目标是在复杂环境中能够获取信息优势并将之进一步转化为知识优势及决策优势，从而更有效地实施作战指挥，将己方部队的作战潜力最大限度地转换为现实战斗力[2，13]。网络中心战指挥控制概念模型的总体流图如图2所示[1]。

图2 网络中心战指挥控制概念模型流图

3 指挥控制仿真模型框架

在装备体系仿真测试中，仿真模型主要用于构建被研究对象的仿真测试和评估的环境，即用于环境仿真。在构建体系仿真环境时，通常需要模拟红蓝双方的指挥控制系统，将各自的传感器、火力单元等与指挥所有机结合起来，形成红蓝作战体系进行仿真测试。

指挥控制作为一个过程，是整个装备体系中信息处理的重要节点和环节，需要处理各类信息，同时，指挥控制离不开人的参与，由于人的行为的复杂性，在建模时采用了人在环中的建模方式，以信息为主线进行指挥控制系统的建模。人在环中的指挥控制仿真模型通过提供人可操作的模型交互环境来模拟人机结合的指挥决策过程和行为。基于指挥控制一般特点，给出一通用的指挥控制仿真模型基本组成如图3所示[10]。其中，仿真态势生成模块主要通过接收模拟的战场环境ISR情报信息并进行综合处理，生成指挥控制系统当前的战场综合态势信息；决策支持工具主要辅助指挥员开展指挥控制；作战计划生成与下达，是在战场综合态势的基础上，辅助指挥员制定作战计划并下发，实施作战指挥。

图3 人在环中的指挥控制仿真模型基本组成

4 模型关键模块设计

在宏观上，不同种类的指挥控制仿真模型功能上是相近的，具有类似的结构。针对某特定指挥控制系统进行建模时，模型涉及到的具体功能、算法会有所不同，可进行针对性建模。如在某防空指挥控制系统仿真模型中，仿真态势生成重点对情报融合建模，决策支持工具模块重点对威胁评估建模，作战计划生成与下达模块重点对目标分配建模等，以下分别给出建模思路。

4.1 情报融合

情报融合，是信息的综合与处理过程。由于传感器感知信息的精度不同，感知信息的维数不同，感知信息的测度不同，为充分利用各种传感器所感知的情报信息，获取目标的更精确、更完全的信息，同时消除数据重叠或冗余，需要进行情报融合。防空指挥控制系统最重要的一类情报是雷达情报，在指挥控制仿真模型中，情报融合主要包括了目标航迹关联和属性融合。

航迹关联是防空指挥控制系统仿真模型对运动目标处理的基础和关键。在仿真过程中，同一批目标可能同时被多个传感器发现，从而形成不同的航迹。情报融合的基本任务之一，就是对所有航迹与综合航迹进行相关处理，处理方法为判断在本地航迹数据中是否已经存在该测量数据，如果存在，就找出该测量航迹在本地航迹数据中的存放位置，以便将后续处理的结果在此位置上进行更新，如果没有就创建一个新的航迹，并加入到本地航迹数据中去，处理流程如图4所示。

图4 航迹关联处理流程

情报属性融合，目的是将各传感器报告的情报属性进行协调统一，提高目标属性的可信性。防空情报属性融合处理的重点是对雷达情报属性进行融合，处理流程如下：在进行航迹关联处理后，如果多个传感器报告的目标属性一致，则无需进行综合航迹的属性更新；如果多个传感器报告的目标属性不一致，则采信等级最高传感器报告的目标属性值，如果传感器等级相同，则采信相对目标距离最近的那个传感器报告的目标属性值，对综合航迹进行属性更新。

4.2 威胁评估

威胁评估主要通过对目标信息进行实时处理，判明来袭目标的活动企图、主攻方向，形成正确的战场态势感知，并根据威胁大小程度对目标进行编批、排序，威胁评估处理的流程如图5所示。

图5 威胁评估处理流程图

在进行目标威胁判断时主要考虑了如下因素：上级指定目标、保卫目标重要程度、目标类型、目标距离、到达关键区域边界时间、目标高度、目标航路捷径等。根据威胁判断考虑因素，可按表1的规则对目标的威胁进行排序。在一级排序中，威胁自身安全的目标威胁度最大，上级指定的目标威胁度其次，最后考虑保卫目标的重要程度。根据一级排序后的威胁目标，再根据目标类型、临近时间、航路捷径依次进行三级排序。

表1 目标威胁评估排序规则表

4.3 目标分配

目标分配是根据威胁判断所提供的结果，为不同的防空作战单元划分拦截任务，以期取得更好的作战效果。当敌空袭兵器多批次、多架次、多目标来袭时，应及时进行目标分配。对空中目标进行分配，主要是如何选择合适的作战单元对威胁目标进行交战，目标分配的处理流程如图6所示。

图6 目标分配处理流程

目标分配处理流程主要包括如下四步：

1）进行可交战性判断，所选的作战单元对所指定的目标应具备交战条件。

2）对于给定的目标类型，根据分配规则对作战单元进行优先级排序，并选择最佳可用的作战单元。目前，目标分配算法考虑的分配规则主要包括：最早/最晚摧毁时间、最早/最晚开火时间、最大杀伤概率、武器种类、武器库存量（携弹量）等。

3）进行武器的有效杀伤点计算。根据目标当前相对于杀伤区的位置情况，计算武器反应时间与目标到达有效杀伤点的发射时间，如果武器反应时间在允许时间范围内，该武器就会被选中。当目标分配中有多个作战单元可供使用时，需进行交战任务的冲突消解。

4）目标分配还应受作战单元交战区域的限制。待分配的目标必须位于该作战单元的交战区域或者责任区域，不在该作战单元的交战区域或者责任区域的目标不能进行分配。

5 指挥控制仿真模型应用实例

设计的防空指挥控制仿真模型在一体化建模仿真测试环境（C4MSE）下实现，基于C4MSE构建的仿真测试环境如图7所示。在某装备体系仿真测试中，利用开发的防空指控模型构建了红方防空体系。仿真以多个来袭飞机和导弹为防空作战背景，红方指控系统模型对接收到的雷达探测情报进行融合处理，对空中目标进行威胁评估后进行火力分配，指挥所属作战单元对蓝方空中兵力进行拦截。考虑到目标分配总体最佳和不同作战单元的拦截能力，设计了如下仿真实例：蓝方有4个（T1，T2，T3，T4）不同类型的来袭目标，红方有3个（G1，G2，G3）不同类型的地面作战单元部署在保卫目标周围，通过仿真对所建模型的情报融合，威胁评估和目标分配等功能进行了验证。来袭目标情况和目标分配结果见表2。

图7 仿真环境组成结构示意图

表2 来袭目标设计与相应的目标分配结果

6 结语

体系仿真是度量信息化战争条件下武器装备体系效能的有效途径，指挥控制系统建模是其中需要突破的关键技术。本文在分析理解指挥控制过程模型的基础上，建立了某防空指挥控制仿真模型，详述了情报融合、威胁评估、目标分配等模型主要功能的建模思路，所建模型在体系仿真测试环境中进行了验证，仿真结果表明该模型能够在一定程度上反映指挥控制系统在装备体系中起的作用，满足体系仿真测试的需要。指控系统建模与仿真对于全域多维的大规模联合仿真应用意义重大，考虑到指挥控制建模的复杂性，下一步还有很多内容需要更为深入的研究和探索。