海上武器装备的多分辨率建模方法*

岳明桥 齐嘉兴

（中国人民解放军92493部队 葫芦岛 125000）

1 引言

当前，我方面临的海上威胁范围广阔、空间与电磁环境复杂，真实地构建海上威胁目标和战场环境具有诸多局限性，使得建模仿真技术已成为研究和解决靶场保障条件建设的核心手段[1～2]，特别是在靶场联合试验仿真领域，不仅需要构建具有较高置信度的红方装备模型，还亟待构建紧贴强敌对手能力的蓝方装备模型，以充分发挥其“试金石”和“磨刀石”作用。

靶场联合试验仿真涉及到红蓝双方的装备体系对抗过程，是典型的联合作战问题，具备复杂作战系统仿真的特点，涉及到的仿真要素范围和层次较广[3～4]，仅用单一分辨率的建模方法已难以满足对装备体系作战能力检验的需要。因此，本文采用多分辨率建模技术建立海上武器装备模型，以实现层次对海上作战过程进行客观建模仿真，从而提供对靶场联合试验仿真系统的必要支撑。

2 多分辨率建模概述

多分辨率建模是指在仿真中建立和使用不同分辨率的模型，分辨率可以理解为是指模型的粒度或精细程度[5～6]。其中涉及到的核心问题是有两个[7]，一是如何建立不同分辨率的模型，包括对分辨率的理解和采用的建模方法，二是如何保证模型的可信度，包括建模方法的有效性和对模型的校核问题。本文主要讨论第一个方面的问题。

2.1 多分辨率建模的内涵特点

目前，被广泛接受的多分辨率的定义为[8]：“在建模或仿真中，模型描述真实世界的精确度和详细程度。”该定义中详细程度是和精细程度（分辨率）等价的概念，而精确度则侧重描述模型和客观真实世界的一致程度，一般来说，模型具备越高的精细程度，其精确度会更高。因此，建模过程中，首先要考虑的问题是如何对模型的详细程度进行描述和度量，以为模型的建立提供顶层框架。由于仿真目的和所需建立模型特征的不同，对详细程度的刻画在不同系统中并不是完全一致的，但总地来说，详细程度可以用两个维度方向的概念描述：

1）细节层次（Level of detail）。细节层次主要用于对具有一定层次结构的模型体系中的模型分辨率进行描述，主要表现为模型体系能够反映出全集和子集的特征，比如航母编队模型和其所属的舰艇平台就是不同细节层次的模型。

2）详细程度（Degree of detail）。这里的详细程度是指模型的细节程度，主要通过用于建立模型的元素的数量体现，比如模型的属性、行为等特征元素。为了使细节层次不同、元素数量不同的模型之间能够交互，模型之间应该具备共同的特征元素。

2.2 典型多分辨率建模方法

典型的多分辨率建模方法主要有聚合-解聚法、一体化层次多分辨率建模法、视点选择法等，其含义分别如下[9～12]。

聚合-解聚法（Aggregation-Disaggregation）是指通过触发聚合或者解聚，使不同分辨率的模型之间可以进行切换，即将低分辨率进行解聚形成高分辨率模型，或将高分辨率模型进行聚合形成低分辨率模型，以保证模型之间可以在相同分辨率上进行交互。

一体化层次多分辨率建模方法（Integrated Hierarchical Variable-Resolution Modeling）是一种面向过程的多分辨率建模方法。该方法将所有过程变量构建形成一种层次树，最低分辨率的模型在层次树的顶端，高分辨率模型作为层次树的叶节点，不同层次的变量对应不同层次的过程函数。

视点选择法（Selecting Views）是指仿真系统始终以最高分辨率的模型运行，如果需要使用低分辨率的模型，必须通过系统辨识等模型抽象技术获得。

其他的多分辨率建模方法主要包括SES/MB方法、MOOSE环境等。通过对上述方法的分析，有以下几点认识：

1）建模方法应与仿真系统实际需求和仿真系统能力相适应。比如视点选择法对系统资源开销较大，而且有些仿真问题并不需要所有模型均为细粒度状态。

2）建模方法不仅要能够帮助实现开发者的意图，还要客观地描述真实世界。比如聚合-解聚法和IHVR分别是面向对象和面向过程的建模方法，它们对真实世界的描述能力存在差异。

3）所需建立模型的体系结构和不同分辨率模型之间的一致性是选择建模方法的重要因素。模型的体系结构决定了模型之间的层次结构和交互关系，聚合-解聚法可以较清晰地对其进行描述，而IHVR中不同的过程变量之间则很难建立交互过程；多分辨模型的一致性维护和可信度评估方法是当前需研究和解决的热点问题，无论选择何种建模方法，均需要对其有所考虑和研究。

3 建立多分辨率模型的必要性

在联合试验仿真系统中，采用多分辨率建模方法建立海上武器装备模型的必要性体现在以下几方面。

3.1 分布式仿真系统资源集成的需要

建立一个满足互联互通互操作要求的联合试验仿真系统，需要根据设计要求，综合集成相应的异地分布式试验仿真系统，这势必涉及到集成使用不同层次系统中分辨率各异的模型的问题。为确保系统内外能够互联互通，提升试验效率和提高资源利用率，同时保证各系统的不同分辨率模型间转换的一致性，需要统筹设计联合试验系统的模型体系，合理构建和使用异构系统中不同层次、不同粒度的仿真模型。

3.2 要素全面的试验模型构建的需要

靶场联合试验仿真系统主要用于武器装备体系试验。在装备体系试验仿真环境下，需要构建多层次的模型以区分被试装备和陪试装备以适应仿真系统的不同需求。比如为评估红方海上编队的防空作战能力，只需要蓝方的防空舰和反舰导弹运行较高精度的运动仿真模型，而此时只承担前出反潜警戒的潜艇只需要运行较低精度的运动仿真模型。另一方面，仿真模型之间相互交联，体现在装备与装备之间、装备与环境之间的多元协同关系上，进而构成节点多、规模大、状态多维的网络体系结构，需要仿真系统建立模型之间的层次关系。

3.3 复杂作战系统建模仿真的需要

武器装备体系试验仿真过程是典型的复杂系统仿真问题，其基本特征是仿真元素数目多，彼此耦合，具有高度的组织性[13～14]。从系统工程理论的角度出发，仿真模型不仅要支持系统的完整性，还要能够满足系统内部的关联协同性，显然这是单一分辨率的模型难以实现的。此外，仿真系统的关键问题是能够“模拟”真实世界，需要多分辨率模型对试验任务中多属性事件和多功能要素进行模拟，以便对海上作战的复杂性进行客观的仿真。

4 海上武器装备多分辨模型设计

4.1 装备模型体系构建

在靶场联合试验仿真中，红方装备模型主要作为被试装备和陪试装备，而蓝方装备模型承担构建模拟红方威胁目标的作用。总的来说，模型的应用具体包括两方面：一是用于试验方案设计与推演，可从宏观角度通过低分辨率模型实现；二是用于试验仿真分析与评估，可从微观角度通过高分辨率模型实现。

针对试验仿真分析与评估的需求，对于红蓝双方而言，装备模型都应能够支持仿真系统对对空方面作战、对海方面作战以及对水下方面作战的复盘评估，以及武器装备、预警探测、通信、电子战等方面的专题复盘评估。因此，海上武器装备模型体系大体上可分为作战平台模型和功能装备模型，作战平台模型具体包括水面平台模型、空中平台模型和水下平台模型，功能装备模型可分为攻防武器装备模型、预警探测装备模型、通信装备模型和电子战装备模型等，如图1所示。

图1 海上武器装备模型体系

4.2 多分辨率模型设计

针对海上武器装备模型的特点和系统仿真需求，聚合-解聚方法是一种常用也较为有效方法，因此本文选取这一方法建立多分辨率模型。根据多分辨模型的内涵特征及仿真系统设计实际，海上武器装备的多分辨模型应能够描述两方面内容，即细节层次和详细程度。

1）细节层次的描述

上述构建的海上武器装备体系可以很好地体现模型的层次方向。以“作战平台模型”为例，各方向的任意平台模型通过向上聚合可以形成“编队模型”，而“编队模型”通过向下解聚可以分解为编队中的平台模型[9]，比如“航母编队模型”和“航母模型”、“驱逐舰模型”、“核潜艇模型”、“舰载机模型”的关系就属于两个细节层次的多分辨率模型。不同层次模型的转换过程上实质上是高分辨率模型和低分辨率模型之间借助具体的算法，通过属性信息之间的映射实现。这种设计也符合联合试验仿真系统的实际需要，例如，仿真过程中，只考虑编队运动信息时，使用低分辨率的“编队模型”即可满足需求。

2）详细程度的描述

对于任何层次的模型来说，“属性”是刻画模型特征的最基本量，可以用来体现模型的详细程度。由于实际装备之间既具有相同的属性特征，比如位置、速度等，也具有不同的属性特征，这主要由装备的能力特点决定，比如，同属于潜艇模型，但不同潜艇型号之间的性能参数存在差异，这也体现了构建专用模型的必要性。因此，为了全面描述装备模型的属性特征，本文将“属性”分为两类，一是模型普遍具有的属性，即“通用属性”，二是在“通用属性”的基础上模型专用的属性，即“参数化属性”。

根据上述分析，可以构建海上武器装备的多分辨率模型空间，如图2所示。

图2 海上武器装备多分辨率模型空间

4.3 聚合-解聚过程分析

根据上述分析，海上武器装备多分辨率模型的聚合-解聚过程包括两个维度：X-Z空间的聚合解聚和X-Y-Z空间的聚合解聚。Z轴方向描述了多分辨率模型的细节层次，X-Y平面描述了多分辨率模型的详细程度。

1）X-Z空间的聚合解聚

在联合试验仿真过程中，涉及到的通用属性有实体数量、状态、位置速度等。以“编队模型”的聚合解聚为例，聚合-解聚过程主要指编队模型和平台模型之间属性信息的聚合解聚。需指出的是，在X-Z空间下，平台模型（水面平台、水下平台和空中平台）的聚合与解聚由模型通用属性实现。具体过程如图3所示。

图3 X-Z空间聚合解聚过程示例

2）X-Y-Z空间的聚合解聚

针对在同一个装备类别下可能具有多种不同的装备型号的装备建模问题，为了实现在统一仿真平台上的模型可以持续改进升级，同时新开发的模型也可以快速集成，可以采用“模块化、重用组合”的思想，构建基于元模型的模型库[15]。元模型库主要为装备模型的建模提供元模型元素以及元素之间关系的描述。

此模型构建过程聚焦在Y轴参数化属性方向上，并与X轴和Y轴方向共同形成完整的高分辨率模型空间。基本过程如下：1）根据装备类别特点选取元模型元素进行组合形成装备类别模型；2）针对该装备类别下某个装备型号特点，可在原有元模型库的基础上补充扩展模型内容生成装备型号模型；3）通过给定数据对建立好的模型进行实例化，最终生成基于元模型的参数化模型对象，以实现对特定装备专用模型的高分辨率建模。利用元模型构建装备参数化模型过程如图4所示。

图4 X-Y-Z空间聚合解聚过程

从装备类别层到装备模型层的过程是对装备类别模型扩展细化的过程，是对元模型库中不具备元素的补充。特别是蓝方装备模型的构建问题，还需要进一步对技术参数、工作机理进行深入分析和研究，通过基于不完备数据的装备模型建模方法，构建相应的装备型号模型。以美军SM-6导弹为例，针对导弹工程级/交战级的仿真过程，应该在元模型元素的基础上分别对导弹的气动参数、弹体运动学、动力学和制导控制系统进行分析和建模，构建导弹从接收目指到打击目标的完整工作流程，从而形成与实装接近、满足仿真粒度需求的理论模型。

5 结语

本文以采用多分辨率建模技术建立基于靶场联合试验仿真系统的海上武器装备模型为目的，对多分辨率建模的概念方法进行了分析阐述，重点通过设计装备多分辨率模型空间和其聚合-解聚过程，实现了对海上装备模型的多分辨率建模。该方法能够为靶场联合试验仿真系统提供支持，但后续还需对模型的一致性维护、可信度评估等开展研究，并结合实际系统建设不同优化完善设思路和方法。