一種基于FLAMES框架的工程保障模型體系設計

彭　彰, 魏　麗, 楊慧杰

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一種基于FLAMES框架的工程保障模型體系設計

彭彰, 魏麗, 楊慧杰

1引言

計算機技術的飛速發展推動著新軍事變革。為節約成本,目前世界主要軍事強國均開展了作戰仿真系統的研究,以先進的計算機和網絡技術開展在作戰指揮、日常訓練、戰術操作、裝備保障等方面的模擬推演,評估指揮策略、訓練水平、裝備部署、保障措施的有效性。在工程兵保障作戰中,通過偽裝、欺騙、機動和反機動等手段將敵人置于孤立,最終癱瘓、瓦解,縮短己方的、延長敵人的OODA(觀察-調整-決策-行動)循環,能夠進一步保障部隊奪取戰斗的主動權。

工程兵擔負工程保障任務,由工兵、舟橋、建筑、偽裝、野戰給水工程、工程維護等專業部(分)隊組成。主要裝備包括渡河橋梁器材(如輕型門橋、重型舟橋、坦克架橋車等)、工程機械(如挖壕機、推土機、平路機等)、地雷爆破器材(如火箭布雷車、機械布雷車、火箭爆破器、掃雷犁等)、偽裝示假器材(如偽裝網、偽裝涂料、偽裝煙幕、角反射器、假目標等)。

工程兵作業對象和方法繁多,如表1所示:

表1　工程兵作業分類

可以看出,工程兵專業分工越來越細,器材種類眾多,且一般受本級作戰指揮部門與上級對口業務部門的雙重指揮(圖1)。工程兵指揮需要在作戰指揮給定的開始和結束時間內、利用現有的資源、按照緊急程度指揮調度各分隊,完成工程保障任務。在部隊執行任務過程中,確定保障部隊的配備規模和指揮策略都具有相當難度。因此,工程保障難以用一種仿真模型實現,是一個相對較大的模型體系。

圖1　工程兵部隊指揮與保障關系Fig.1　 The command and support relations of engineers corps

在工程保障仿真領域,文[1～3]分別在效能評估方法、作業環境成員仿真模型、數據記錄成員仿真模型設計等方面進行了描述,但是尚未有系統的模型體系描述。

本文在對多種類工程保障任務進行分析之后,以FLAMES仿真框架為基礎,建立了工程保障中的典型兵力——道橋分隊、筑城分隊、地爆分隊、舟橋分隊的工程裝備模型、作業對象模型和任務處理模型,模擬了各分隊指揮和執行任務過程,提煉了基于該框架的工程保障模型體系設計方法。該方法充分利用了FLAMES仿真框架的開放、快捷、可定制的特點,完善了已有裝備模型體系,在聯合作戰指揮信息系統仿真中體現了工程保障因素,完善了作戰指揮體系。推廣后,可適用于各類工程兵保障仿真。

2FLAMES仿真框架簡介

FLAMES[4]是美國Ternion公司開發的用于全方位行為仿真開發和使用的、開放結構的仿真框架,支持武器平臺、戰術、戰役三層仿真開發,支持C/S、HLA分布式仿真,提供裝備模型、認知模型、消息模型和環境模型開發框架。其裝備模型劃分為傳感器系統、通信裝備、干擾裝備、數據處理器、武器系統、平臺、彈藥、輔助系統八大類;認知模型包括過程模型和消息處理模型兩大類;環境模型分為特征、效果、大氣和空域四類。

仿真引擎是基于組件的結構,各類模型都為面向對象的多層次結構,用戶可以使用其代碼生成器,生成模型框架,加入自己獨特的算法。模型加入、修改、移植和共用都非常方便。

其四個主要應用FORGE、FIRE、FLASH、FLARE提供了想定制作、推演計算、推演過程回放和數據分析功能。其關系如圖2所示。

圖2　FLAMES組成Fig.2　The composition of FLAMES

FORGE用來創建和編輯想定;FIRE是引擎核心,管理平臺運動、傳感器探測、電子干擾、通訊、武器發射、人的行為和決策等模型的仿真運行過程;FIRE的“超實時”模式以最快的速度進進行仿真,仿真結束后輸出數據進行分析,“實時”模式可實現人在回路仿真;FLASH讀取FIRE的運行結果文件對仿真進行回放;FLARE可將FIRE的運行結果記錄數據以關系數據庫的形式進行查詢和瀏覽。

3典型的工程保障模型體系

我們參考了文[5]中模型的構建和分類,對道橋分隊、筑城分隊、地爆分隊、舟橋分隊的任務處理和裝備調度過程進行分析,整個模型體系組成如圖3所示,其中與工程保障緊密相關的3類仿真模型是:

(1) 作業對象模型;

(2) 工程裝備模型;

(3) 任務處理模型。

它們分別屬于FLAMES中的平臺類、武器類、認知類模型。傳感器類、通信裝備類、機動平臺類、通用認知類和毀傷評估類模型與作戰模型共用。

圖3　典型的工程保障模型體系Fig.3　A typical system engineering support model

3.1實體模型設計

實體模型(Unit)用于構建作戰實體單元,功能由附加在其上的各類模型實現,加載不同的裝備模型可以構建不同的作戰實體單元。裝備模型仿真物理裝備的行為,使用這些設備與環境和其他單元進行交互;認知模型仿真人的行為和決策過程。

工程兵分隊Unit需要處理上級和同級作戰指揮交給的工程任務,在認知模型中增加了任務處理模型。一個典型的工程兵Unit實體組成和對外交互關系如圖4所示。

3.2作業對象模型

作業對象模型屬于平臺模型類,包括雷區、壕溝、橋梁等。它們作為地理要素特征,被外部其它作戰實體查詢以影響環境要素特征,或主動毀傷周邊作戰實體,影響紅藍雙方作戰單元的機動性。

橋梁Unit和壕溝Unit是固定位置的實體,指定參數創建后只需將其部署(LOCATE)在想定的地理環境中即可。工程裝備模型創建雷區Unit后,需要啟動雷區Unit的毀傷功能。

以雷區為例,首先在FLAMES中使用代碼生成器,創建一個名稱為“PT17”的雷區平臺。然后運行新編譯的FORGE,在雷區Unit定義中加載(EMPLOY)名稱為“PT17”的雷區平臺,并指定雷區標識、地理范圍、雷種、敵我識別屬性、埋雷深度、雷距等屬性,生成一個雷區Unit。如圖5所示。

在布雷車模型對雷區Unit執行了參數為“START_RUN”的FEquipmentControl控制命令后,雷區Unit的執行函數處理該命令并調用“Explode”函數對周邊其它Unit進行識別,將確定要毀傷的Unit信息發送給毀傷模型處理。

圖4　工程兵分隊Unit組成和對外交互關系Fig.4　The consisting of engineers corps Units and external relationships

圖5　定義雷區平臺和雷區實體Fig.5　The definition of minefields platform and Units

其毀傷過程如下:

(1) 獲取雷區作用范圍內的周邊Unit;

(2) 排除EMPLOY炸藥、雷區、壕溝、飛機、橋梁、機場等平臺的Unit;

(3) 排除EMPLOY掃雷探雷車等武器裝備的Unit;

(4) 排除生成雷區自己的布雷車Unit;

(5) 對剩余的Unit,判斷是否是聚合級武器;

(6) 如果是聚合級武器Unit,排除武器已經毀棄的Unit,獲取武器位置是在雷區范圍內的Unit,排除是否在雷區已爆范圍內的Unit,將該實體信息發給毀傷模型處理,標記雷區已爆范圍;

(7) 如果是單一Unit,獲取在雷區范圍內的Unit,排除是否在雷區已爆范圍內的Unit,將該Unit信息發給毀傷模型處理,標記雷區已爆范圍;

(8) 毀傷模型對Unit進行處理。

3.3工程裝備模型

工程裝備模型屬于武器系統類模型,它們受工程兵分隊Unit的認知模型調度(FEquipmentControl),可以創建(FUnitCreate、FUnitLaunch)、修改(FEntityAlter)、損毀(FUnitDestroy)作業對象模型構建成的Unit,執行任務過程中及時向認知模型報告根據任務情況。

擁有不同裝備配比的工程分隊其作業能力與裝備性能、人的操作熟練程度、作業對象相關緊密,有的分隊集群作業能力體現在單裝備作業能力之和,有的體現在集群作業屬性。如1臺掃雷車對某型雷區的作業能力是400平米/小時,則擁有3臺掃雷車的地爆分隊其掃雷能力是1200平米/小時;又如某地爆分隊10分鐘內完成對某類橋的爆破則是集群作業屬性。因此,在定義最小粒度的施工單元數據結構時,應兼而考慮,適時用之。

一個典型的探雷掃雷裝備定義如圖6所示,其加載了PT10坦克車平臺模型、CGQ6光學傳感器模型、6個WQ14探掃雷裝備模型、CGBL的通用認知模型、TX1和TX2通信模型,并定義了敵我屬性、編隊信息、指揮機構、地理位置屬性。

圖6　定義探雷掃雷裝備Fig.6　The definition of minefields job equipment

工程裝備布雷作業相關代碼如下:

3.4任務處理模型

任務處理模型是典型的認知模型,完成消息傳遞和多種任務處理。處理過程主要是工程兵分隊根據上級(旅團級)的下達工程保障任務,掌握裝備實力和狀態,分析環境要素特征,對自身工程裝備進行調度。該任務模型能夠對各類工程保障任務統一處理,可以部署在道橋分隊、筑城分隊、地爆分隊、舟橋分隊Unit模型中。

任務處理模型與周邊模型信息關系如圖7所示:

圖7　任務處理模型外部關系Fig.7　The external relations of tasking model

處理過程如下:

(1) 明確受領的工程保障任務,獲取命令中具體參數,根據任務類型分別處理;

(2) 獲取分隊裝備數量和性能等實力數據,計算工程量和任務完成時間,合理分配工程裝備;

(3) 控制工程裝備機動到達作業開始地點,途中接收平臺遇阻、毀傷等狀態;

(4) 正常可完成任務時,控制工程裝備作業按照任務參數創建、修改、損毀雷區、壕溝、橋梁等環境要素特征;

(5) 報告任務完成情況和作業對象情況。

工程保障作業計算知識要點參考了文獻[6],典型的布雷和探雷認知模型如圖8和圖9所示:

圖8　典型的布雷任務處理模型Fig.8　A typical processing model of lay mine task

4仿真開發和試驗過程

我們在一種模擬訓練系統中使用了該模型體系編成了紅藍雙方機械化步兵旅,它包含作戰部隊和工程兵分隊;其中工程兵分隊兵力編成如下:

(1) 道橋分隊,含2套沖擊橋裝備;

(2) 筑城分隊,含3臺挖掘機;

(3) 地爆分隊,4個地爆連,含3臺布雷車、6部探掃雷車、1支爆破小分隊;

(4) 舟橋分隊,含1套舟橋裝備.

另外想定中已存在雷區3個、壕溝2個、橋梁4個。模型運行界面如圖10所示,系統接口關系如圖11所示。

4.1認知模型開發過程[4]

(1) 創建工程文件保存目錄;

(2) 拷貝工程文件;

(3) 為認知模型和過程方法選擇名字;

(4) 生成認知模型代碼;

(5) 初始化模型;

(6) 捆綁模型方法;

(7) 建立過程方法;

(8) 編譯和鏈接;

(9) 定義原型;

(10) 定義想定并執行。

圖9　典型的探雷任務處理模型Fig.9　A typical processing model of detect mine task

4.2認知模型應用試驗

以工程兵分隊任務處理模型CEgnr為例,其工程主要包含如表2所示文件。

可以看出,在該仿真框架下,通過不斷完善對工程兵分隊的任務處理方法,與仿真想定和仿真目的緊密結合,使之與現實處理規則逐步相近,能夠取得良好的效果。

5結束語

本文使用FLAMES仿真框架建立了工程保障模型體系,仿真試驗結果表明:該模型體系設計能夠系統地在多兵種聯合作戰仿真研究中體現工程兵部隊的作用,能夠支撐一系列工程保障因素參加的陸地作戰仿真試驗。進一步經過復雜的想定驗證后,能夠應用在工程兵資源配置、調度策略評估等試驗中。同時可為工程兵指揮自動化系統的標準化、系列化、模塊化提供參考,對科學分析“裝備保障防衛”兵力的需求、達到聯合戰役兵力資源的合理配置具有重要意義。

圖10　模型運行界面Fig.10　Model Running Interface

圖11　系統接口關系示意圖Fig.11　The diagram of relationships between internal modules

表2　工程兵分隊任務處理模型文件

參考文獻:

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彭彰男(1979-),山東高密人,高級工程師,研究方向為電子信息系統仿真、系統總體設計。

魏麗女(1978-),河北黃驊人,高級工程師,研究方向為信息系統總體設計。

(中國電子科學研究院,北京100041)

摘要：對聯合作戰中的工程保障進行需求分析,以FLAMES仿真框架為基礎,建立了以工程兵部隊保障中的典型兵力——道橋分隊、筑城分隊、地爆分隊、舟橋分隊為主的工程保障模型體系,能夠在多兵種聯合作戰仿真研究中體現工程兵部隊的作用,能夠在工程兵資源配置、調度策略評估等試驗中進行應用,同時也為工程兵指揮自動化系統的系列化、組合化、參數化提供參考。

關鍵詞：FLAMES; 工程保障; 建模與仿真

FLAMES Framework Based Simulation Model Systems Designfor Engineering SupportPENGZhang,WEIli,YANGHuijie

(China Academy of Electronics and Information Technology,Beijing 100041,China)

Abstract：Analysis of engineering support requirements for the Joint operation is presented.Based on the FLAMES simulation framework,We build the mission support simulation model for the main armed forces,such as the Road-bridge branch,the City-build branch,the Explosive branch,the Boat-bridge branch.The series of models can reflect the influence factors on the simulation research of the Joint operation of multi-arm,can be applied in the rational conFig.uration and command rules experiments of engineer resources,and give advice to the serialization,combination and parameterization of Engineer troops C2 system.

Key words：FLAMES; engineering support; model and simulation

中圖分類號：TP 391

文獻標識碼：A