張斌 李瑞軍

(復(fù)雜系統(tǒng)仿真總體重點實驗室，北京100101)

1 引言

模型是對仿真對象的認知。體系仿真的模型設(shè)計，不僅是技術(shù)方法問題，更是怎么理解認識體系結(jié)構(gòu)、演化規(guī)律、交互關(guān)系，并依據(jù)仿真相似性原理進行抽象提煉的問題。目前，模型體系框架是體系對抗仿真的熱點，也取得較為豐富的成果［1-11］。但隨著體系理論的不斷發(fā)展和對體系認知的逐步增強，體系仿真的模型框架也會不斷豐富完善。吸收借鑒模型體系框架研究現(xiàn)有成果，結(jié)合體系基礎(chǔ)理論與聯(lián)合作戰(zhàn)理論研究最新進展，提出面向“體系結(jié)構(gòu)(S:Structure)、體系演化(E:Evolution)與體系交互(I:Interaction)一體化(I:Integrated)”的SEII 模型體系頂層框架，進一步探索解決體系模型的組合化描述、體系演化模型的作戰(zhàn)域描述和體系交互模型的高性能解算等方面問題。

2 模型體系頂層框架概念及意義

2.1 頂層框架基本概念

“框架(framework)”，一般是指用于進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)可重用設(shè)計的抽象概念結(jié)構(gòu)，廣泛用于軟件工程等領(lǐng)域。從仿真角度來看，模型體系框架主要解決模型結(jié)構(gòu)與組織等基礎(chǔ)共性問題，以支撐仿真模型的廣泛重用和快速繼承。體系對抗仿真的模型體系頂層框架，是指以體系基礎(chǔ)理論、作戰(zhàn)模擬原理與仿真工程方法為指導(dǎo)，從頂層設(shè)計的角度，按照聯(lián)合作戰(zhàn)使用要求，對信息化武器裝備體系對抗仿真所需模型體系的宏觀分類、交互關(guān)系與模型組織等方面進行的總體約定與描述，為實現(xiàn)模型體系的組合構(gòu)模與參量化建模等重用機制提供基礎(chǔ)形態(tài)，是進一步提高體系仿真科學(xué)化水平與體系仿真系統(tǒng)建設(shè)效益，支撐保障體系級作戰(zhàn)實驗研究的基礎(chǔ)條件，如圖1 所示。

圖1 模型體系頂層框架

頂層框架重點關(guān)注模型體系基本要素主要類別與層次，確定模型體系的宏觀邊界、模型體系交互邏輯模型體系類別間、層次間主要耦合交互關(guān)系模型體系組織方法模型體系框架實現(xiàn)可重用的基本原則與方法等三個方面的內(nèi)容。

2.2 頂層框架主要特點

模型框架，是確保模型高效重用與模型一致性的基礎(chǔ)性架構(gòu)。頂層模型體系框架與其他類型的模型體系框架比較而言，具有如下特點:一是頂層宏觀性，是從頂層設(shè)計的角度提出了武器裝備體系對抗仿真所需模型對象宏觀類別和模型構(gòu)建基本原則;二是機理相似性，應(yīng)突出反映模型對象的體系對抗本質(zhì)機理，為開展機理模擬提供條件;三是深化擴展性，可依據(jù)應(yīng)用需要，以頂層框架為基礎(chǔ)，對模型類別領(lǐng)域不斷豐富、對描述深度細化擴展，以支撐聯(lián)合作戰(zhàn)研究、裝備發(fā)展論證、重大裝備貢獻率分析等不同需要進行的針對性拓展。

2.3 頂層框架主要作用

模型體系框架重點解決模型設(shè)計中的模型構(gòu)成、交互及組織等基礎(chǔ)共性問題。就武器裝備體系對抗仿真而言，由于“體系對抗”仿真對象和“體系實驗”仿真目的的特殊性，所帶來的模型設(shè)計問題更加突出，主要體現(xiàn)在兩個變化上:一是由系統(tǒng)到體系，建模對象的本質(zhì)機理發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，更加突出對體系內(nèi)在機制和運行原理的描述;二是由簡單到復(fù)雜，模型構(gòu)成及組織的復(fù)雜度大幅提高，增加了仿真系統(tǒng)，特別是仿真模型體系建設(shè)難度。頂層模型體系框架研究，將針對體系對抗機理規(guī)律，結(jié)合體系理論研究成果與仿真技術(shù)發(fā)展，梳理體系級對抗仿真中模型體系架構(gòu)的基本構(gòu)成與構(gòu)建方法，促進模型建設(shè)與應(yīng)用能夠高效滿足各類體系實驗的開展。

3 SEII 模型體系頂層框架

3.1 SEII 框架

SEII 模型體系頂層框架，是指面向“體系結(jié)構(gòu)、體系演化與體系交互一體化”的模型體系頂層框架，主要從體系結(jié)構(gòu)、演化規(guī)則和交互關(guān)系等本質(zhì)屬性出發(fā)，考慮武器裝備體系組織結(jié)構(gòu)、動態(tài)作戰(zhàn)運用以及交互效果計算等模型體系屬性和構(gòu)建方法而進行總體性描述。

3.2 SEII 框架結(jié)構(gòu)

模型體系頂層框架SEII，具有三域兩層的結(jié)構(gòu)化特點，如圖2 所示。其中三域是指SEII 的三個描述域:主要包括D1 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架(Structure Field Description Framework)、D2 演化規(guī)則域描述子框架(Evolution Rule Field Description Framework)以及D3 交互計算域描述子框架(Interaction Rule Field Description Framework)。兩層是指對每一描述領(lǐng)域進行概要表達的兩個基本層級，包括L1 概略分類描述層和L2 領(lǐng)域細化描述層。

圖2 “三域兩層”基本架構(gòu)

3.3 SEII 框架實現(xiàn)機制

該框架主要通過參數(shù)化和組合化機制來具體實現(xiàn)，主要包括五個方面，如圖3 所示:一是自下而上由系統(tǒng)組合裝備(兵力)，如水面艦艇由傳感器、指控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等各類系統(tǒng)組合而成;二是自點到網(wǎng)由裝備構(gòu)建體系，裝備模型構(gòu)建完成后，按照作戰(zhàn)使用，通過通信關(guān)系、指控關(guān)系、作戰(zhàn)支持關(guān)系建模，將獨立裝備模型向上聚合為體系模型;三是由少到多由型號擴展類型，完成了一型裝備型號建模后，可通過修改性能及使用參數(shù)，快速完成新型裝備建模，達到原模型在結(jié)構(gòu)上的重用、參數(shù)上的替換。四是由靜到動實現(xiàn)體系運轉(zhuǎn)，通過規(guī)則模板的參數(shù)填制，形成各類作戰(zhàn)計劃與作戰(zhàn)規(guī)則(包括裝備(兵力)作戰(zhàn)使用規(guī)則以及指揮控制規(guī)則等)，并加載到對應(yīng)裝備(兵力)實體模型上，驅(qū)動模型在對抗條件下的行為活動，構(gòu)成體系對抗的整體演化。五是由單到雙配對交互關(guān)系，按照作戰(zhàn)交互關(guān)系，將各類裝備進行配對，比如紅方反艦導(dǎo)彈對藍方水面艦艇的毀傷關(guān)系、命中概率、不同部位的毀傷概率;紅方內(nèi)部各裝備或兵力通信系統(tǒng)間的通信關(guān)系、通信內(nèi)容、成功概率等內(nèi)容;各類交互模板參數(shù)，交互參數(shù)可根據(jù)未來作戰(zhàn)使用要求或戰(zhàn)技性能狀態(tài)進行調(diào)整，支撐比較實驗。

圖3 框架的參數(shù)化／組合化實現(xiàn)機制

4 SEII 各子框架概述

4.1 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架

體系結(jié)構(gòu)域描述子框架，主要用于描述武器裝備體系、體系平臺、功能系統(tǒng)、背景環(huán)境等內(nèi)容，如圖4 所示。體系構(gòu)成平臺，是指在武器裝備體系中用于搭載各類功能系統(tǒng)的裝備平臺;體系功能系統(tǒng)，是指可在掛載于各類體系平臺上的功能系統(tǒng);體系關(guān)聯(lián)關(guān)系，依托平臺及其掛載系統(tǒng)間的作戰(zhàn)組織關(guān)系進行搭建，如通信關(guān)系、指控關(guān)系、交戰(zhàn)關(guān)系、保障關(guān)系;體系背景環(huán)境，是指武器裝備體系運用的各類環(huán)境。

圖4 體系結(jié)構(gòu)域描述子框架概述

4.2 演化規(guī)則域描述子框架

體系動態(tài)演化規(guī)則子框架，主要用于描述武器裝備體系演化過程中的作戰(zhàn)計劃以及單系統(tǒng)、多系統(tǒng)作戰(zhàn)使用規(guī)則和規(guī)則優(yōu)先機制等內(nèi)容，如圖5 所示。其中，單系統(tǒng)級行為規(guī)則主要描述裝備實體的行為規(guī)則，如遭受攻擊反應(yīng)、威脅判斷、平臺自主行為等;體系級行為規(guī)則主要描述聯(lián)合任務(wù)中武器裝備體系中各裝備的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役規(guī)則，如監(jiān)視戰(zhàn)術(shù)、攻擊戰(zhàn)術(shù)、自主戰(zhàn)術(shù)等;規(guī)則優(yōu)選準則則是武器裝備選擇系統(tǒng)級行為規(guī)則和體系級行為規(guī)則發(fā)生沖突時的優(yōu)先選擇原則。

圖5 演化規(guī)則域描述子框架概述

4.3 交互計算域描述子框架

由于體系對抗仿真，涉及聯(lián)合作戰(zhàn)全系統(tǒng)全要素聯(lián)動，模型交互頻度激增。單一依托體系級仿真系統(tǒng)內(nèi)設(shè)模型直接解算，計算量巨大。美軍較為先進的大型作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，為降低計算復(fù)雜度，同時提高仿真實驗可信性，一般采用兩種做法:一是與戰(zhàn)術(shù)模擬、裝備模擬、技術(shù)模擬仿真系統(tǒng)綜合使用，由高分辨率系統(tǒng)計算通信、毀傷等方面少對少的交互效果，結(jié)果數(shù)據(jù)提供給體系對抗仿真系統(tǒng)直接使用;二是導(dǎo)入歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和訓(xùn)練實驗數(shù)據(jù)作為交互裁決依據(jù)。SEII 框架借鑒此機制，如圖6 所示，在交互效果計算域描述子框架中設(shè)置交互裁決模板，主要包括探測效果交互、毀傷效果交互以及信息對抗交互以及通信成功概率等，將預(yù)先采集的各類交互數(shù)據(jù)(來自歷史經(jīng)驗、軍事訓(xùn)練、作戰(zhàn)實驗與作戰(zhàn)專家等渠道)進行集中組織與管理，支撐體系仿真系統(tǒng)的交互模型解算直接調(diào)用。

圖6 交互計算域描述子框架概述

5 結(jié)束語

模型是系統(tǒng)行為、過程、結(jié)構(gòu)、關(guān)系的抽象表示，是運用仿真方法對實際已有或未來發(fā)展系統(tǒng)進行描述和實驗的檢驗與設(shè)計。體系級仿真，突破了簡單確定性系統(tǒng)和裝備工程技術(shù)層次模擬的傳統(tǒng)內(nèi)容，重點以反映體系能力涌現(xiàn)、全系統(tǒng)全要素聯(lián)動、各作戰(zhàn)域鉸鏈等體系運行規(guī)律，模型對象的核心機理發(fā)生本質(zhì)轉(zhuǎn)變，模型構(gòu)成及組織的復(fù)雜度大幅增加。頂層框架研究，用來對模型體系領(lǐng)域范疇、建模機制、表述邏輯、組織原則等一些基礎(chǔ)要素進行界定，以解決體系模型設(shè)計原理方法中的基礎(chǔ)性問題和體系建模實踐中的一系列共性問題，從而全面指導(dǎo)模型體系設(shè)計和建模工作的全面開展。本文所提SEII 框架，是關(guān)于體系仿真模型的一個初步探索，著力從結(jié)構(gòu)、演化和交互三個方面刻畫體系模型，并依托參數(shù)化和組合化建模來加以實現(xiàn)。目前該框架在描述粒度方面仍在豐富完善，不斷提升服務(wù)模型體系設(shè)計工作的實際能力。

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