中国指挥与控制学会会刊 
装备是战争的物质基础。作战仿真是支撑装备全寿命周期工作的重要方法手段,对于回答装备作战效能、装备体系贡献率、装备体系效能等问题发挥着不可替代的重要作用。装备作战仿真模型已经成为装备数字化[1]工作的一类核心资源,亟须规范化建设,以便更好地支撑装备全寿命周期工作,同时为作战、训练等领域的作战仿真系统建设提供模型资源服务。
军用仿真按照参战兵力规模和模型精细程度一般分为工程级、交战级、任务级、战役级四个层级[2-4]。工程级仿真的模型主要基于各专业领域的性能分析计算工具,一般由所属的学科领域专题研究。战役级仿真中对装备建模的分辨率很低,大量采用解析模型或数据模型,相关仿真系统建设需求相对集中,建设复杂性相对可控。交战级仿真主要围绕武器装备的一对一、少对少交战开展,一般以装备在典型交战条件下的作战效能为建模目标。任务级仿真主要围绕装备体系的体系对抗展开,主要以装备体系遂行典型作战任务的体系效能为建模目标。交战级和任务级作战仿真都属于体系仿真的范畴,涉及多个学科领域和多样化的建模需求,模型抽象难度大,共享重用需求迫切。从模型建设角度而言,交战级和任务级是装备数字化更关心的仿真层级,装备作战仿真模型建设的主要需求聚焦在这两个层级。
当前,装备作战仿真模型建设是装备数字化的重要建设内容,亟须开展相关技术路线和建设方案研究。本文分析了军用仿真模型建设方法的国内外现状,提出以问题为导向的装备仿真模型分级框架,给出了交战级和任务级模型体系的概念界定,分三个层面搭建了装备作战仿真模型跨平台建模的技术规范框架,给出了装备作战仿真模型分层建设实施的参考框架。
1 军用仿真模型建设方法现状
仿真模型建设本质上就是要解决仿真模型的共享重用问题。本文总结国内外针对军用仿真模型建设和共享重用问题的主要做法,可以概况为下列四种:统一模型管理;统一模型框架;统一开发框架;统一模型规范。
1.1 统一模型管理
1.1.1 理念做法
“建设”本身就是一个管理概念,统一模型管理是开展模型建设的基本做法。其要点是成立模型管理机构并维护统一的模型资源库,对模型资源进行统一编目管理,支持模型使用方对模型的检索与授权获取,接收使用方对模型的应用反馈,促进模型升级迭代。
上述方式比较适合于自成体系的模型,即模型本身的仿真运行不依赖于其他模型,用户方拿到模型后即可应用模型开展仿真实验以解决关注的问题。
统一模型资源库要求入库模型具备较高的成熟度,经过了校核、验证和认定(Verification, Validation and Accreditation,VV&A),最好是已经被实际应用证明是有效的。对于仿真模型的开发语言、描述规范、运行环境、性能指标等一般不做要求。本文对模型是否能与其他模型进行即插即用一般也不做要求,但会要求模型提供明确的仿真互操作协议(如HLA、DIS)接口。
1.1.2 国外情况
表1 SURVIAC管理的部分模型Tab.1 Some models managed by SURVIAC |
| 模型代号 | 模型名称 | 模型定位 |
|---|---|---|
| AIRADE | 机载雷达探测模型 | 机载雷达交战仿真 |
| ALARM | 先进低海拔 雷达模型 | 地基雷达交战仿真 |
| BRAWLER | 战术空战仿真 | 战斗机交战仿真 |
| DREAM | 定向射频能量 评估模型 | 定向能武器交战仿真 |
| ESAMS | 增强面空导弹仿真 | 面空导弹交战仿真 |
| FLAME | 曳光弹空气动力 建模环境 | 曳光弹交战仿真 |
| REDGUNS | 雷达制导火炮系统仿真 | 火炮交战仿真 |
AFSAT实际上是一个模型分级编目,将有关的作战仿真模型分别划归到交战级、任务级和战役级三个层级,并理清了各个模型间的数据支撑关系,以指导模型用户进行体系化使用。
美军国防部建模与仿真协调办公室DMSCO在国防部范围内建设了建模仿真资源库MSRR,对国防部范围内的各类建模仿真资源进行编目供用户进行模型检索。与SURVIAC和AFSAT相比,MSRR的管理对象更加宽泛,不仅包括模型和仿真工具,还包括有关的各类数据、文档、案例、工具和服务等,且主要管理有关模型与仿真资源的元数据,并定义了入库模型和仿真的VV&A文档标准,对模型和仿真是否通过VV&A的具体审核工作则留给了各个军兵种仿真管理机构或用户。在MSRR的基础上,美军又进一步开发了建模与仿真目录(M&S Catalog),不仅包括MSRR资源,而且包括了建模仿真相关的组织机构目录和领域专家清单等。
统一模型管理的方法从管理的角度操作起来简单直接,但其中管理的模型都是广义的模型概念。在美军的概念体系里,模型(Model)指的主要是能够直接用于回答应用问题的仿真系统或仿真工具。这类模型在使用时一般不需要进行复杂的开发与集成,有关的仿真模型是基于参数化技术预先开发好的,通过配置参数值即可形成可直接仿真推演的作战仿真模型。使用方可以直接基于该广义模型(仿真系统)进行场景编制、实体部署、任务规划、行为设定等仿真应用层工作,快速解决所需回答的相关问题。
1.1.3 国内情况
国内目前常用的模型概念更多的是狭义的模型概念——模型组件。例如军用仿真专业组对仿真模型的通行分类为:装备模型、作战模型、评估模型、环境模型,都是模型组件的概念。模型组件一般不能直接用于回答应用问题,而是需要和其他模型组件组合集成、联合运行。
当前的情况是各家装备研制部门存在不少部门特有的装备模型(模型组件),军方希望将其纳入统一的模型资源库来管理,并向有关方面提供模型服务。这种做法在工程级是容易见到效益的,因为工程级需要回答的问题主要是进行装备系统或分系统的性能评估,建模范围可以聚焦在装备本身,有关性能评估问题通过建立狭义的装备模型(模型组件)即可求解。
但到了交战级以上的装备作战效能评估、体系效能评估等应用问题,装备模型组件并不能单独直接回答,而是需要和相关的其他模型组件(敌方兵力模型、协同兵力模型等)一起,通过进一步的集成开发形成仿真应用系统才能回答。在交战级以上,国内目前自主研发的可用度高的广义模型(仿真系统)还比较少,因此直接按模型资源库的做法进行模型管理的做法短期内不易见到效果。因此,研究人员需要退而求其次,在狭义模型(模型组件)概念的基础上建设模型组件资源库,这就需要支持库中的模型组件独立于特定的仿真平台而能够在各家仿真平台上移植运行;进一步要能够和其他模型组件即插即用,才能更好发挥建设模型组件资源库的效益。
1.2 统一模型框架
1.2.1 理念做法
模型框架是每个仿真系统内模型组件体系的软件架构,也称作模型架构(Model Architecture)。模型框架描述了仿真系统内的模型组件划分及其交互依赖关系,是确保仿真系统内有关模型组件即插即用的关键。本文对模型框架内各个组件进行开发与集成即形成了即插即用的模型组件体系(简称模型体系)。
统一模型框架的做法就是面向特定应用领域设计相对通用的模型框架,使得模型框架约束下的各类模型组件是即插即用的。即插即用是确保仿真应用可以组合式快速开发的前提。传统以仿真平台为中心的仿真应用开发,需要大量的模型框架设计和组件开发集成工作,周期长、生命力差,有关模型组件在新的模型框架内难以重用。
由于模型框架设计涉及组件的划分决策问题,而对同一装备系统,不同的仿真问题需求所需进行的组件划分往往是不同的,因此完全通用化的模型框架是不存在的。模型框架和模型体系在建设上首先要明确层次定位,坚持“有所为、有所不为”。研究人员对于不符合层次定位的应用问题和建模需求应予以舍弃,聚焦于符合模型体系层次定位的有关问题和需求,不断扩展模型框架和模型组件体系,形成可持续发展演化的作战仿真系统。
在这种技术途径下,模型的共享重用可以在两个层面开展,一是在模型体系内部,各个模型组件可被直接重用于应用领域内不同仿真应用的快速开发,并支持即插即用。第二层面是将整个模型体系(或相应的作战仿真系统)作为广义的模型,纳入模型资源库,供全局范围各授权用户直接获取使用。这类模型体系(作战仿真系统)实际上是上述美军的模型资源库法中进行模型管理和共享重用的基本单位。
1.2.2 国外情况
在统一模型框架的做法下,美军模型体系一般由军方牵引建设。由军方负责把握模型体系的层次定位和应用领域范围,并在多个有潜力统一该层次某领域仿真需求的多个竞争性模型体系中择优选择,并予以支持,支持该模型体系进行通用化设计、滚动化建设。
1.2.3 国内情况
本文国内在建设模型体系方面差距较大,目前自主研发的通用化模型框架还比较少。近年来不少单位引进了不少外军的模型体系和相应的作战仿真系统,但真正能够坚持其层次定位持续滚动发展的情况还不多,很多引进的模型体系因发展不下去而被逐渐放弃,或退化为一种更容易进行通用化设计的模型开发框架。
1.3 统一开发框架
1.3.1 理念做法
模型开发框架亦称为建模框架(Modeling Framework),是为了简化军用仿真模型开发而提供的建模支撑,包括抽象模型组件接口、常用数据结构、共性算法功能模块、常用模型组件等。开发框架通常不固化具体的装备作战业务逻辑,而是将装备作战领域共有的计算模式在抽象层面进行固化设计,例如实体的组件化装配、行为领域的划分(物理域、信息域、认知域、组织域)、OODA回路、多Agent建模、行为树建模等,形成有关的抽象组件框架,预先定义好这些抽象组件的运行调度机制,并建立不同抽象组件之间的交互依赖关系,简化装备作战有关具体模型组件的开发。
开发框架与模型框架的主要区别在于,模型框架的应用模式是自顶向下的,其设计涉及具体的模型组件划分决策,完全通用化设计的难度很大,一般需要面向特定应用领域的特定层次典型问题,开发维护周期长,业务知识要求高,模型抽象难度大,应用范围相对窄。而开发框架的应用模式是自底向上的,并不进行具体的模型组件划分决策,而是将具体的模型框架设计工作留给仿真应用开发人员,从而不局限在某一层级、特定领域。本文将模型框架设计工作留给仿真应用方的结果是基于同一开发框架面向不同的应用需求会设计形成不同的模型框架,而不同模型框架内的模型组件一般是不能即插即用的,这一点与统一模型框架做法中所有模型组件即插即用不同。
一般而言,研究人员要实现模型组件即插即用需要两个方面的统筹:一是保持不同仿真应用内的模型组件划分理念和划分方式一致;二是预先统筹设计各个组件之间的交互依赖关系和交互接口协议。由于模型开发框架不限制应用领域和仿真层级,开发人员要在一般意义上实现基于模型开发框架开发的所有模型组件都进行上述两方面的统筹是比较困难的。
统一开发框架的做法通常由军用仿真平台厂商采用,即统一维护一套模型开发框架,并将其实现为一套通用的军用仿真平台,面向不同用户开展仿真应用开发服务。模型能否即插即用并非首要目标,全局范围的模型共享重用也不是单一家仿真平台厂商所能够负责。在该做法下,各仿真平台的模型开发框架存在较大差异,面对全局范围的模型建设与共享重用需求,必须对各家的开发框架进行最低限度的对齐。
1.3.2 国内外情况
1.4 统一模型规范
1.4.1 理念做法
针对仿真模型在不同仿真平台中的交换问题,军用仿真领域之外也有一些成功的经验,典型的例子如:欧洲的仿真模型可移植标准SMP、工程物理领域的Modelica建模语言、DEVS统一标记语言DEVSML。三者实际上都是通过统一仿真模型的描述规范来实现模型描述与仿真运行平台的解耦。区别在于SMP主要统一模型的组件化接口规范和模型框架的描述语言,而Modelica则重点统一仿真模型的行为描述语言和多形式体系执行算法,DEVS-ML所基于的DEVS形式体系本身就规定了仿真模型的执行语义,只需进一步统一DEVS模型描述语言的具体语法即可。
1.4.2 国外情况
(1)仿真模型可移植规范(SMP)
(2)统一物理建模语言Modelica
Modelica是一种面向对象的多物理领域仿真统一建模语言,主要用于工程级物理仿真建模。国际上Modelica语言进行了标准化工作,可以支持不同物理仿真平台之间的模型移植交换,目前已有数十家仿真平台遵循该语言,是物理仿真建模领域事实上的模型规范标准。国内苏州同元公司也遵循该语言开发了MWorks平台[16],在工程级物理模型建设领域进行了大量应用。
(3)DEVS统一标记语言DEVSML
1.4.3 国内情况
国内在制定模型标准规范方面也开展了多项有意义的工作,但真正能够实现跨仿真平台的模型规范还不多见。很多规范要么缺乏权威性、难以落地;要么体现了特定仿真平台的较多技术特征,缺乏一个多家仿真平台厂商实际参与的标准化过程,其规范主要适用于特定的仿真平台,缺乏广泛适用性。
1.5 小结
如图2所示,四种方法代表了对仿真模型进行规范的四个层级,其中,统一模型规范层主要负责从一般意义上将仿真模型与仿真引擎分开;统一开发框架则进一步规范了军用仿真领域的典型计算模式和领域共性知识,支持军用仿真领域各类模型的快速开发;统一模型框架则进一步面向特定应用领域规范了模型组件的划分及其交互依赖关系,支持该应用领域内仿真模型的语义可组合;统一模型管理主要负责从元数据层面进行规范,直接服务于模型共享重用。前三层对仿真建模的规范属于强约束,第四种方法主要规范仿真模型应用和共享重用,属于弱约束。四种方法并不矛盾,而是层层递进,均可应用于仿真模型的全局建设之中。
2 以问题为导向的装备仿真模型分级
上述四种军用仿真模型建设方法中,各自所支持建设的模型在概念内涵上其实是不同的。统一模型管理和统一模型框架都是针对广义的模型概念,即模型是可直接进行仿真实验以回答所关注问题的仿真应用系统;而统一开发框架和统一模型规范则针对的是狭义的模型概念,支持的是模型框架约束下具体模型组件的规范描述和便捷开发。
按照装备仿真模型建设的需求,本文建设的重点是支撑交战级仿真和任务级仿真,然而交战级和任务级的分级依据到底是什么?模型要不要分级,分级的是广义模型还是狭义模型?这是讨论装备仿真模型建设和共享重用时首先要解决的问题,也是目前军用仿真领域亟待达成统一认识的理论问题。下面从仿真模型的概念分析入手,提出以问题为导向的广义模型的分级框架。
2.1 仿真模型的概念
什么是模型?什么是仿真?什么是仿真模型?这是探讨仿真模型建设与共享共用的基本问题,需要有一个明确的界定。目前学术界关于模型和仿真的文献很多,但实际上并不存在统一的定义。因为仿真是一种通用的范式,应用领域很多,不同领域在这些基本概念的定义上侧重点不同。本文从装备作战仿真模型建设与共享重用的角度,对有关基本概念做出如下界定。
2.1.1 仿真的要素
仿真是基于模型对系统进行实验,以回答关于系统的问题。系统是被仿真的对象,是问题的来源,也称作对象系统。模型是对系统的抽象表示,用于回答关于系统的问题。问题可以抽象表示为输入量和输出量之间的因果关系,即已知一些量,求另外一些量。问题可以分为两类:推演预测类和评估优化类。推演预测类问题是已知输入,计算输出,典型的如作战概念演示、作战计划推演、装备试验考核等。评估优化类问题是已知输出的优化方向,通过寻找最佳输入以获得优化的输出值,典型的如基于仿真的设计、作战效能评估、战术方案优化等。实验就是给定不同的输入以计算相应的输出,通过分析输入输出数据之间的关系来发现系统规律的过程。
从这个意义上,本文认为仿真的三要素是系统、模型和实验,三者缺一不可。例如,计算机动画不是仿真,因为其缺实验要素,不能给定输入计算输出;靶场试验不是仿真,因为其是直接基于系统进行试验,缺少模型要素;计算机游戏不是仿真,因为其缺系统要素,缺少要回答的问题。当然,如果用游戏来研究分析实际系统的问题时,游戏就是仿真了,这类游戏一般称作严肃游戏(Serious Game)。目前流行的关于仿真的定义中,本文将系统、模型和计算机定位为仿真的三要素,对于工程物理级仿真是合适的,但没有突出实验要素,而基于实验方式求解系统问题恰恰是装备领域交战级、任务级两个仿真层级的典型应用模式。
2.1.2 仿真模型的要素
上述采用仿真方法求解系统问题所用的模型称作仿真模型。仿真模型区别于其他类型模型(如解析模型、大模型)的特点在于其间接性,一般是先通过仿真实验产生出关于系统运行的数据,然后通过对数据的分析评估来求解关于系统的问题。其中,仿真数据的特点在于引入了两个额外的维度:时间和随机性。分析评估模型的作用在于将仿真数据中这两个维度消减掉,得到关于问题的解——输入输出之间的因果关系。也就是说,分析评估模型是基于仿真模型回答关于系统问题时必须要描述的内在构成模块。
当需要考虑某对象系统仿真模型的共享重用时,仿真模型不仅包括该系统本身的结构和行为描述以及分析评估模块,而且包括另外一个重要的模块——运行环境模型,即系统运行所处环境的模型,对对象系统进行动态仿真一般都要考虑运行环境对系统的影响。
对象系统本身的模型实际上属于狭义模型概念(模型组件)的范畴,可以称作系统本体模型。本文在进行对象系统仿真模型共享重用时,如果只重用系统本体模型,则必须考虑其在新的仿真应用中与新的运行环境模型的匹配问题。仿真模型的组成要素结构如图3所示。
2.1.3 装备仿真模型的要素
具体到装备领域,典型装备系统仿真模型的要素结构如图4所示。对于装备领域的对象系统(武器装备、装备体系)而言,运行环境模型对装备系统的性能、效能等问题的求解尤为重要。装备系统的运行或运用环境模型一般包括模拟装备系统操作人员行为的战术运用规则与行为模型、配合装备系统作战的体系协同兵力模型、作为装备作战对手的威胁兵力模型以及装备系统作战所处的综合自然环境模型四部分。当要对装备系统仿真模型进行共享重用时,往往要面对如下情况:针对同一装备系统的不同研究问题,不仅仅装备系统本体模型可能不同,而且作战运用环境的模型往往也是不同的,这种不同导致二者在语法语义上的失配,甚至会导致模型共享重用变得不可行,这一点实际上构成了装备系统本体模型(模型组件)难以共享重用的复杂性根源。
2.1.4 模型体系的概念
上文已经提到了模型体系的概念,模型体系其实就是广义的模型概念。广义的模型是可以直接回答关于系统问题的模型组件集合,不仅包括系统本体模型,而且包含运行环境相关的各模型组件和分析评估模型组件。模型体系在本质上就是一套模型框架约束下的模型组件体系。每个模型体系内部由若干个相互联系、相互约束的模型组件通过特定的运行和交互协议构成一个有机整体,其中的每个模型组件与模型体系内的其他组件以及底层的仿真引擎之间存在复杂的耦合关系。研究人员要在模型组件层面进行模型共享重用,必须要在模型体系层面进行模型组件剥离。
2.2 模型体系的分级
2.2.1 外军的军用仿真模型分级
外军关于军用仿真模型分级的提法中,分级的对象都是模型体系。如图1是美国空军的四层模型金字塔图,其中每个层级中的模型都是模型体系的概念。每个模型体系都包括多类互为体系协同兵力和作战威胁兵力的武器装备模型、作战行为模型、综合自然环境模型、分析评估模型,每个模型都实现为一个面向特定领域的综合性仿真系统。例如位于任务层级的扩展防空仿真系统(EADSIM)实际上是一个能够模拟各类空战、防空作战、反导拦截作战、电子战的综合性仿真系统;位于交战层级的空战仿真系统(BRAWLER)实际上是一个能够六自由度模拟战斗机从一对一单机空战到20对20编队作战的综合性仿真系统。
显然,美军模型分级的对象不是单个的模型组件。鉴于应用问题与建模目标的多样性,同一个模型组件可以用于不同层级的模型体系或仿真系统,因此模型组件一般只标识其颗粒度或分辨率,而不标识其仿真层级,脱离模型体系讨论模型组件的层级意义不大,同一模型组件根据问题的不同可以应用于多个层级。例如对于雷达模型而言,任务级雷达模型、交战级雷达模型的具体所指是不明确的,对于使用更有意义的表述为信号级雷达模型、功能级雷达模型、效能级雷达模型等,而交战级和任务级都可以使用功能级雷达模型。
2.2.2 以问题为导向的模型体系分级
对于模型建设方而言,模型建设主要是建设模型体系,要点是明确模型体系的层级和定位。对于模型使用方而言,如果应用问题的层级是明确的,且有对应的模型体系,则只需应用或扩展对应的模型体系进行求解即可;如果应用问题涉及多个层级(如图4中的跨层级问题),则可将其分解为不同层级的问题(层级i和层级i+1),分别利用对应的模型体系求解,并利用不同层级模型体系之间的输入输出对应关系进行集成求解。因此,各个模型体系都是一个可以直接重用的单元,可以分别迭代完善;高层级模型体系不用为了回答低层级问题而纠缠于细节建模,同时因为有低层级模型体系的支持,而绕开了可能的模型可信度“诘难”——低层级模型可信度相对容易验证。
2.3 装备作战仿真模型体系分级
2.3.1 总体考虑
本文具体到装备作战仿真领域关注的交战级和任务级两个层级,可以应用上述模型体系分级框架进行解释,如图6所示。对于任务级问题,如果关注的是单装效能与体系效能之间的因果关系,则可以直接建立任务级模型体系来求解;如果关注的是装备性能和体系效能之间的因果关系,则可以直接建立从装备性能经过装备效能到体系效能的仿真模型体系,也可以将其分解为交战级问题和交战级基础上的任务级问题两部分,分别建立模型体系并进行联合求解。显然,第二种方式的任务级建模相对更容易,模型可信度也更高,仿真结果的可解释性相对更好。为此,外军在任务级建模方面更多地采用了第二种方式。
2.3.2 分级建议
由此,本文给出装备领域紧密相关的工程级、交战级、任务级三层模型体系以问题为导向的分级建议如图7所示,各级之间通过输入输出数据建立支撑和牵引关系:
(1)工程级模型体系:主要回答在多种典型环境条件下,不同的装备系统结构和设计参数水平的装备性能评估问题,其输出为装备总体和分系统的性能指标数据表,例如发动机推力油耗表、气动参数表、目标特性表、天线方向图、最大过载表等,可以作为交战级模型体系建模的输入。
(2)交战级模型体系:主要回答在多种典型交战条件下,不同装备运用方案、不同装备性能条件下的单装作战效能评估问题,其输出为装备作战效能指标数据表,如雷达威力范围表、对空拦截概率表、导弹射表、命中精度表、诱骗概率表、干扰概率表、毁伤效应表等,可以作为任务级模型体系建模的输入。
(3)任务级模型体系:主要回答在多种典型任务条件下,不同的装备体系架构和单装作战效能水平下的体系效能评估问题,其输出为装备体系任务效能指标。
2.3.3 跨层级支持
根据应用问题的研究需要,跨层级建模可以在模型体系分级基础上进行。对于某应用问题,本文选定一个模型体系,然后在确保模型体系的框架不变的条件下,可以将所关注模型组件的分辨率细化到下一层级。
典型的应用情形包括:(1)交战级模型体系将设计参数作为输入,集成工程级模型体系的典型装备模型组件,支持在作战条件下的装备设计方案优化等应用问题求解;(2)任务级模型体系将装备性能作为输入,集成在交战级模型体系的典型装备模型组件,支持在体系对抗条件下装备体系贡献评估等应用问题求解。
2.4 装备仿真模型概念小结
上述装备仿真模型的有关概念及其关系可以通过图8来展示。其中,仿真模型是对系统模型基于仿真方法求解所建立的模型形态;仿真模型作为一个概念在国内外内涵有较大差异,国内主要指的狭义的系统本体模型本质上是一种用于组成模型体系的模型组件,国外则主要指的是广义的可直接运行实验的模型体系;仿真模型在要素上包含运用环境模型、系统本体模型和分析评估模型三部分,三者都属于模型组件的范畴;运用环境模型则可以分为战术运用行为模型、体系协同兵力模型、作战威胁兵力模型和综合自然环境模型等部分;在装备领域,本文建议将模型体系分为工程级、交战级和任务级三个有机关联的层级。
3 装备作战仿真跨平台建模规范分层框架
3.1 模型组件对仿真平台的深层依赖
组件化是当前进行交战级和任务级模型体系建设的主流建模范式。为了建设全局统一可共享重用的模型组件库,本文需要支持模型组件独立于特定的仿真平台,即需要模型组件跨仿真平台移植运行。当前,各家开发的模型组件都深度依赖于所采用的仿真平台。根据前面关于模型建设方法现状的分析,装备作战仿真领域每个仿真模型组件都自底向上依次依赖于模型规范、开发框架和模型框架三个逻辑层次,三个层次之间层层递进,紧密耦合,如图9所示。
由于未考虑模型组件跨仿真平台共享重用的需求,各家体系仿真平台内并未对三个层次进行明确区分,导致不同体系仿真平台之间的模型实现存在显著的差异,这也是当前仿真模型难以从各家仿真平台剥离的深层次原因。
具体来说,在模型规范层,各家的模型规范其基本的建模概念本身存在差异;各家的模型接口规范在设计上的首要需求是满足可执行——即符合接口规范的模型能被各家自身的仿真引擎调度执行,导致接口规范的科学性和权威性均存在一定差距。在开发框架层,大部分体系仿真平台并未将开发框架层与模型规范层明确区分,各体系仿真平台对模型组件进行的最基本的抽象划分存在明显差异。在模型框架层,各家体系仿真平台维护的主要是一个既往仿真应用系统开发过的模型组件资源库,很少进行模型体系层面的即插即用设计,很少形成定位清晰、良性演化的通用化模型框架。
3.2 面向跨平台的装备作战仿真建模规范分层
为了在模型组件层面进行作战仿真模型的统一建设、共享共用,支持模型组件跨平台移植与即插即用,需要在上述模型组件所依赖的三个层面进行规范,消除各仿真平台之间在仿真模型描述方面不必要的差异,统筹规划不同层级、不同类型的模型体系,进行模型组件的体系化建设。
面向跨平台装备作战仿真模型组件化开发的建模规范框架如图10所示,由低到高分为三个层级:模型规范层、开发框架层和模型框架层。仿真模型组件与仿真平台之间的依赖主要体现在模型规范层和开发框架层,仿真模型组件与其他模型组件之间的依赖关系主要体现在模型框架层。
3.2.1 模型规范层的统一规范内容
模型规范层是从仿真技术本身的角度对仿真模型与仿真平台之间的接口进行抽象设计,是仿真模型能够跨仿真平台运行的关键。模型规范层主要进行下列4个方面的统一规范。
一是对组件化建模仿真活动中涉及的基本概念进行统一规范,包括:对象、组件、模型、服务、事件、字段、接口、组合、仿真引擎等。
二是对数据类型及其定义机制进行统一规范。数据类型是仿真模型表示的基础,统一数据类型及其定义机制是进行模型移植时必须规范的内容。
三是对仿真模型与仿真平台之间的调用接口进行统一规范。在组件化开发范式下,仿真模型和仿真平台都是组件化的,规范二者之间的接口就是定义仿真模型和仿真引擎各自对外提供的组件接口供其他组件调用。
四是对仿真模型相互之间的交互机制接口进行统一规范,根据交互实现机制的不同主要包括模型组合交互、接口聚合交互、数据流交互、交互事件发布订阅、模型动态调用等交互机制接口。
模型规范层从领域无关的角度规定了仿真模型的通用接口,符合该接口的仿真模型既可以被仿真引擎调度运行,也可以通过仿真服务接口使用仿真平台提供的共性功能。
3.2.2 开发框架层的统一规范内容
开发框架层基于模型规范层,面向装备作战仿真领域进行一般化抽象,给出了适用于该领域的最基本的抽象组件划分,明确了各类抽象组件的交互接口和调度语义,定义了组件化建模常用的数据结构,提供了各类作战仿真模型共同使用的公共仿真服务等。
装备作战仿真领域的基本组件划分包括:战场空间实体、装备功能组件、作战行为组件、数据资源组件等。
常用的数据结构包括空间矢量、空间线面、各类时间、各类坐标系及其转换、通信消息、点迹航迹、情报态势、作战阵营、作战空域、作战区域、目标分类、任务命令、目标特性、气动参数、编队阵型等。
公共仿真服务主要是将作战仿真共性的功能以仿真服务形式提供给模型组件使用,包括阵营管理、战场环境、通信计算、路径规划、毁伤仲裁、随机变量生成、实体组件管理、装备数据检索、想定数据查询等。
3.2.3 模型框架层的统筹规范内容
模型框架层的规范内容主要进行分层分域的通用化模型框架统筹设计工作。按照前面的模型体系分层建议,主要分为交战级和任务级两个装备领域最常用的层级开展模型框架设计和模型体系建设。
参照美军的相关经验,交战级重点围绕典型装备类型开展通用化模型框架设计,例如通用化的战斗机作战仿真模型框架、预警雷达作战仿真模型框架、火炮作战仿真模型框架、卫星作战仿真模型框架等。任务级主要围绕典型装备体系遂行典型作战任务开展通用化模型框架设计,例如联合打击作战仿真模型框架、防空反导作战仿真模型框架、侦察监视作战仿真模型框架等。
模型框架层是模型建设的关键,每个模型框架对应一套可持续发展的模型体系。如果模型框架的设计定位不准,则会导致大量的模型建设资源浪费,需要引起建设方的高度重视。
4 装备作战仿真模型组件化建设框架
在上述跨平台分层建模规范的指导和约束下,装备领域作战仿真模型组件化建设的参考框架如图11所示,主要分为仿真平台层、仿真抽象层、统一开发层、模型资源层、模型体系层、应用系统层等6个层次。上文建模规范分层框架中定义的模型规范层用于支撑仿真抽象层,开发框架层用于支撑统一开发层,模型框架层支撑模型体系层。
(1)仿真平台层的建设内容主要是选取在装备领域已经有较好应用基础,且拟遵循仿真模型统一建设规范进行适配改造的有关体系仿真平台。
(2)仿真抽象层的建设内容为仿真模型的跨平台移植接口规范。该层面是模型组件统一建设的基础,需要仿真平台层的各体系仿真平台进行接口适配改造。SMP规范[14]是一个模型驱动的仿真模型组件化描述规范,可以作为该层次建设的基础。为了简化适配难度,可以区分接口最小集和全集两个兼容等级,兼容最小集即可达到支持模型移植运行的目标。
(3)统一开发层的建设内容包括制定统一的仿真模型开发框架规范,并基于该规范建立模型组件两部分。统一开发框架规范的制定应坚持两个原则:一是尽量固化实现装备作战仿真领域模型的公共计算模式和共性知识,进行基本的模型组件类别划分;二是在不影响开发框架科学性的前提下尽量兼顾有关体系仿真平台已有的开发框架能力特征。统一开发框架规范制定在总体上是一次性工作,需要随着模型规范的应用不断迭代完善。
在统一开发框架规范的基础上,统一开发层的主要建设内容是各类装备模型组件的开发工作。理想情况下,统一开发层应该在上层模型体系层有关模型框架的约束下开展工作,并主要以满足模型框架的需求为交付标准。实际情况下,模型体系层的模型框架设计具有较高的技术难度,很可能在组件开发或模型交付时上层的模型框架及其对组件的需求、要求尚未明确,这时也可以先由模型开发方结合自身的专业理解,并参照外军有关同类成熟仿真系统的模型框架规范进行开发。只要模型组件遵循了统一定义的模型跨平台移植接口规范,并基于统一开发框架,即可将其纳入模型资源层。待后续模型体系层的模型框架及其对组件的需求明确之后,再对模型组件进行调整、集成以纳入有关的模型体系内。本文由于已经解决了模型接口规范和开发框架两个层次的差异问题,后续将其纳入模型体系所需的调整和集成工作是可控的。
(4)模型资源层是统一开发层形成的模型组件资源成果的汇聚,其中包含遵循统一模型规范的新模型组件和已经进行了兼容性改造的旧组件。模型资源层的模型组件一般并不是即插即用的,即插即用需要明确组件所隶属的模型体系。模型资源层的模型组件存在的意义主要是等待被上层的一个或多个模型体系所集成,其维护升级主要应服从于模型体系的发展演化需要。
(5)模型体系层是承载各类模型组件资源、规范模型开发的关键层,需要结合应用系统层各个可能的仿真应用系统的层次定位进行合理规划,并对每个拟建设的模型体系进行通用化的模型框架设计,通过模型框架来牵引约束有关新组件的开发和旧组件的改造工作。
按照上文提出的以问题为导向的模型体系分级原则,模型体系层主要分为任务级和交战级两个层级。交战级模型体系主要围绕各类装备的作战效能仿真评估开展建设,任务级主要围绕各类装备体系的任务作战效能评估开展建设,在模型框架设计上要尽量打通交战级与任务级模型体系之间的作战效能数据支撑接口关系,以简化任务级建模并牵引交战级模型体系建设工作。
(6)应用系统层为基于模型体系服务于装备领域需要仿真推演支撑的各类工作的作战仿真系统实现层。一般而言,同一模型体系可以服务于多个仿真系统的建设,应尽量避免在同一个仿真系统建设中综合集成多个模型体系。因为每个模型体系都是一个有生命力的基本单元,都会独立发展演化,应该尽可能使得仿真系统的发展演化锚定于其背后的模型体系上;如果需要锚定到多个模型体系,无疑会使得仿真系统的扩展演化不可控,影响仿真系统本身的生命力。
5 结束语
模型是仿真的核心,模型建设是装备数字化工作的关键。某种意义上讲,仿真模型的共享重用、跨平台移植、即插即用已经成为长期困扰军用仿真领域的一个“卡脖子”问题。本文在分析国内外各类军用仿真模型建设方法的基础上,对影响装备领域模型共享重用的建模仿真基本概念进行了分析界定,提出了模型体系的概念,给出了以问题为导向的模型体系分级框架。结合装备领域的作战仿真模型组件库建设需求,分析了作战仿真模型组件对体系仿真平台的三层依赖关系,设计了仿真模型组件化建模规范的分层框架,给出了装备领域交战级和任务级两个层级模型体系的组件化统一建设框架。其中,建模规范分层框架中影响仿真模型跨平台移植的模型规范层和开发框架层对各家仿真平台厂商而言都属于一次性工作,目前已经完成规范定义,并给出了参考实现,多家仿真平台厂商也进行了初步的适配验证;模型体系层已经结合某任务级模型体系建设需求进行了建设示范。本文建设思路和建设框架不仅可以作为装备领域作战仿真模型建设的解决方案,而且可以为其他领域的作战仿真模型建设提供借鉴和支撑。