組件化的指控仿真系統多分辨率建模研究*

孔晨妍，于麗蓉

(1.信息系統工程重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

組件化的指控仿真系統多分辨率建模研究*

孔晨妍1，于麗蓉2

(1.信息系統工程重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2.中國電子科技集團公司 第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

分析了指揮控制系統在仿真層次和仿真模型2種模式的多分辨率建模特點，提出自頂而下分解構建指揮控制仿真模型體系的方法，實現了基于組件化技術的多分辨率模型框架。仿真試驗表明，這種構建方法可以滿足仿真系統靈活、快速構建，實現多分辨率靈活轉換的需求。

多分辨率建模；模型框架；組件化技術；指揮控制系統；聯合作戰；仿真層次

0 引言

模型分辨率是指模型在仿真中描述現實世界的精確度和詳細程度，亦稱粒度。多分辨率建模(multi- resolution modeling，MRM)是針對同一系統或過程的不同層次建立不同粒度的模型，且保持這些模型所描述的系統或過程特性的一致性，系統運行過程中根據某種機制選擇一種合適的分辨率模型來滿足系統需求。

目前多分辨率建模除了在理論[1-3]、關鍵技術[4-7]方面的研究，在計算機生成航空兵力、空軍作戰仿真、海軍作戰仿真、坦克編隊作戰領域等應用領域也出現了相關研究。文獻[8]從系統實現的角度，歸納分析了戰爭模擬多分辨率聯合仿真設計中面臨的技術難題，重點研究了多分辨率聯合仿真中的關鍵技術。文獻[9]提出了完整的多分辨率通信系統建模方法，實現了對作戰仿真中通信網絡、鏈路終端、通信節點、消息類型、通信方案的建模。文獻[10]針對C4ISR模型中的傳感器模型的多分辨率建模，從傳感器性能和傳感器報告2個方面實現了傳感器模型的低、中、高分辨率建模。目前還未有專門針對指揮控制系統的多分辨率建模研究，本文以聯合作戰中的指揮控制系統(簡稱指控系統)為研究對象，從仿真層次和仿真模型2個層面探討了指控仿真系統不同分辨率的建模，并設計實現了基于組件化技術的多分辨率模型框架。

1 多分辨率建模需求

聯合作戰是一個復雜的戰場對抗體系，涉及不同軍兵種類，陸、海、空、導彈、信息戰等，不同層次，包括戰略層、戰役層、戰術層。涉及到多級指控系統，通過各級指控系統之間的指令、信息的交互，完成作戰鉸鏈工作。這種多層次的作戰行動在縱向、橫向上的加強，客觀上要求仿真模型與之相適應[11]。由于仿真試驗過程中，需求會不斷地變化，視角尺度也會發生變化，單一分辨率的模型很難滿足體系對抗試驗的功能需要。必須使用多分辨率、在不同層次上用不同分辨率對該層次所關心的問題進行描述能夠將整個指控系統的現實狀況進行客觀仿真。通過動態改變分辨率可以提高模型或模擬的自適應性，有效解決模擬復雜性、模擬對象的層次性、考慮問題的視角性、資源有限性等問題。

2 仿真層次的多分辨率建模

在聯合作戰武器裝備體系對抗試驗中，有預警偵察類模型、武器平臺類模型、指揮控制類模型、光電對抗類模型等等，站在宏觀的視角看，聯合作戰指控系統是一個整體，關注指控系統在整個體系對抗中的作用以及與其他系統的關聯關系，用于對指控系統的宏觀分析決策。改變視角，放大比例，聯合作戰指控系統分解為戰略級指控系統、各方向的戰略戰役級指控系統、各軍種的戰役級指控系統以及戰術級指控系統等多層次的指控系統，如圖1所示。

建模時整體的指控系統以及各層次指控系統建模在模型功能的剪裁、建模重點和模型粒度都不同。

聯合作戰指控系統的整體模型關注指控系統對外的交互關系，內部的處理流程相對簡化，模型的粒度也相對較粗。

分解后的模型關注每層指控系統的使命任務、指揮職責、指揮控制對象以及它們之間的組織關系、根據作戰任務臨時組建的應用關系、交互信息流等。其中，戰略層模型主要關注“作戰決心”，模型建模重點在于戰略態勢處理，實時掌握各軍兵種、部隊力量作戰部署、訓練、保障及能力動態等；戰役層模型主要關注“作戰籌劃”，根據上級指揮部下達的作戰任務，制定各軍種作戰計劃，對所屬任務部隊進行一體化、專業化指揮控制，建模重點在于作戰籌劃以及作戰指令上報下發的流程模擬；戰術層模型關注“作戰行動”，建模重點是面向作戰任務的兵力行動控制功能和武器平臺控制功能的模擬。

圖1 仿真層次的多分辨率結構Fig.1 Multi- resolution structure for simulation level

各層級模型關注的重點模型采用高分辨率的模型，其余的可以采用較粗的模型，在各層的評估指標和評估模型上也各有重點[12]。

3 仿真模型的多分辨率建模

除了在不同仿真層次根據關注點選擇合適的模型分辨率，單層次的指控系統依據不同建模任務和試驗目的也存在多分辨率建模的選擇。從分辨率的低到高將指揮控制系統多分辨率結構劃分為信息仿真、功能仿真和原型仿真3個層次，如圖2所示。

信息仿真的分辨率最低，主要模擬指揮控制系統的輸入輸出特性，不關注系統模型的處理。主要由態勢處理、指揮決策的低分辨率模型組成，態勢處理主要模擬實際系統的情報輸出，指揮決策根據想定將預先準備好的作戰方案和計劃發送給相應的指揮對象，不涉及相關的計算模型。這類仿真主要用于支持C4ISR系統開發、集成試驗，作為應用系統軟件聯調、內外場的聯試工具，功能和實現都比較簡單[13]。

功能仿真的分辨率比信息仿真高。除了模擬輸入輸出特性外，還模擬主要的功能和信息流程，包含態勢處理、作戰籌劃、指揮決策和效能評估，要素齊全，采用的算法比較簡單。態勢處理模型除了模擬輸入輸出，也有情報處理的算法；作戰籌劃是基于條件的判斷決策算法；指揮決策模型模擬兵力分配，作戰方案的生成下達等；效能評估模型主要是功能指標的評估及算法。這類仿真主要用于C4ISR系統的總體論證和仿真設計分析，輔助開發一些反映指控決策行為及結果的時間和效率指標方面的算法。

原型仿真，高分辨率最高。以實際的指揮控制系統為主，用于研究和分析戰略、戰役和戰術級指揮控制系統的人機交互特性和規則，以及作戰訓練。原型仿真在過程上與功能仿真一致，在各階段模型更細化，更逼真，并且考慮了指揮容量、時延、精度等性能指標。

系統分辨率由低到高的變化過程實際上是系統功能分解、流程細化和模型逼真度提高的過程，這個變化過程同樣對應于各階段模型，以態勢處理階段模型為例。

低分辨率的態勢處理模型主要模擬實際系統的情報輸出能力和情報輸出特性，如圖3所示。主要模擬態勢感知和情報輸出特性，態勢感知的探測能力模型模擬目標探測，情報報出特性模型模擬報出密度、情報協議、發送給相應的外部系統或模型等屬性。

圖2 指揮控制系統多分辨率結構Fig.2 Multi- resolution architecture of command and control system

中分辨率的態勢處理模型增加了情報處理仿真模型，包含雷達情報處理的相關算法，對融合產生的目標狀態、屬性身份進行判斷，根據目標信息推理敵方的意圖和目的，量化判斷敵方對我方的危害程度，如圖4所示，在模型的信息處理流程上更加細化。

高分辨率的態勢處理模型在中分辨模型的基礎上，更詳細地模擬實際系統的主要功能和性能指標，如圖5所示。在態勢感知仿真模型中除了探測能力還考慮了環境的仿真、干擾仿真模型等。在情報處理中除了雷達情報處理，增加多源情報的處理，除了基本的目標估計，還考慮戰場態勢估計，估計目標行為在上下文中的意義，對融合系統性能和效能進行估計，實現對融合處理的優化控制等等，模型功能和流程上更細化。

圖3 態勢處理低分辨率模型Fig.3 Low- resolution model of situation processing

圖4 態勢處理中分辨率模型Fig.4 Middle- resolution model of situation processing

圖5 態勢處理高分辨率模型Fig.5 High- resolution model of situation processing

4 基于組件的多分辨率設計

我們從仿真層次和仿真模型分析了指控系統的多分辨率建模問題。實現這2種模式的多分辨率仿真，要解決多方面的技術問題，其中最重要的就是模型設計和多分辨率模型框架。

4.1 模型設計

從仿真模型設計看，模塊化、組件化是模型可重用、可組合的基礎。系統多分辨率建模有2類模型，一種是原子模型，一種是復合模型。原子模型是構成系統的基本模型，實現了系統中不可分割的最小功能，復合模型可以由原子模型或復合模型連接組成而成。復合模型和復合模型組合構成更大的復合模型，最終構成系統，這個過程實際上就是模型的聚合過程。

模型體系設計正好相反，是個自頂而下的模型解聚過程。指控系統不同于武器裝備系統，它是將作戰各裝備、各環節鉸鏈在一起的信息處理過程。不同任務、不同級別、不同軍種的指控系統，盡管任務、規模不同，功能配置不同，在功能流程劃分上基本相同的，因此模型解聚的設計過程適用所有仿真層次、所有任務的指控系統仿真建模，如圖6所示。將指控仿真模型體系分解成態勢處理、作戰籌劃、指揮決策和效能評估4個基本業務過程的復合模型。過程復合模型根據流程或功能進一步細分為子流程復合模型或功能復合模型，子流程/功能復合模型進一步細分，分解成功能更小的復合模型或原子模型。

自頂而下的模型解聚實際上是系統的功能分解和流程細化過程，根據前面的分析，模型分辨率也在這一變化中由低變高。還有一類分辨率變化，通過模型的逼真度變化產生。作戰籌劃的知識表示模型，粒度最粗的是以想定的形式預先擬制好，隨著逼真度提高，采用基于條件判斷的決策表表示法按照條件觸發判斷。逼真度更高的基于Agent的智能體表示，基于語義推理的語義網絡表示法等[14]，知識規則還可以基于現有的進行自學習，推理出新規則，這類模型的處理方法和計算模型也更復雜。

這些不同分辨率的模型采用統一的形式化規范描述，以層次化、模塊化的形式建立模型庫，支持模型的分解和組合，支持各類指控系統建模。

4.2 基于組件的多分辨率模型框架

本文利用組件化技術，設計并實現了多分辨率模型框架，將模型體系中的多分辨率模型組裝起來，建立不同分辨率對象之間的關系，支持不同的分辨率模型運行模式，支持不同分辨率的模型切換等功能。多分辨率模型框架主要提供以下功能[15]：

(1) 提供模型組件實現的接口規范；

(2) 實現模型組件的公共服務功能，如仿真控制命令的接收，模型組件的仿真運行狀態，仿真時鐘的同步等等；

(3) 負責調度和管理各模型組件模型；

圖6 指控仿真系統模型體系Fig.6 Model system of the command and control simulation system

(4) 負責模型組件內部的信息分發和交互。

基于組件的多分辨率模型框架是整個系統軟件的一個骨架，它通過“配置”的方法，將各個模型組件設計成“配置項”，這些配置項的信息保存在框架的組件參數配置文件中，組件參數配置文件中配置了2類信息：模型組件基本信息，包含模型組件的名稱、描述信息，存儲位置等；模型組件接口信息，包含模型組件的對外接口數據類型，模型組件數據的接收和發送目的等。多分辨率模型框架在啟動時讀取參數配置文件中的模型組件信息，在試驗運行過程中，根據配置的模型組件接口信息，調用相對應的模型組件。如圖7所示，組件1的輸出是組件2的輸入，組件3的輸出是組件4的輸入。對于同一功能的組件，可以設計不同描述程度的接口，實現不同分辨率模型的調用。

圖7 多分辨率模型組件接口交互Fig.7 Interaction of Multi- resolution components

通過這種方式能夠靈活重組構建目標指揮控制系統，滿足戰略到戰術不同級別、不同軍兵種的聯合作戰任務，并支持不同系統間的聯合、互操作的能力。當仿真層次發生改變時，模型分辨率不能滿足試驗需求時，系統模型結構不用變化，替換相關的模型組件，修改模型組件接口配置，重新配置模型交互關系就可以快速實現。

5 仿真驗證

在上述研究的基礎上，本文遵循框架的模型組件接口規范，以空海一體聯合作戰為背景，在已有的模型基礎上進行封裝，根據試驗需求開發了相關的模型組件，分別構建了顯示、網絡通信、指揮決策、情報處理等類型的“低”、“中”2種分辨率的仿真組件庫。圖 8為組件配置工具，功能是從組件庫中選擇不同功能、不同分辨率的模型組件，通過配置他們之間的交互關系和交互信息，設置仿真系統的屬性、運行參數等信息，生成組件參數配置文件。多分辨率模型框架讀取參數配置文件，動態生成聯合作戰仿真中的戰略、戰役和戰術級指控系統。

圖8 組件配置工具界面Fig.8 Interface of components configuration tool

本文構建了仿真試驗運行支撐環境，提供了仿真控制、想定編輯、劇情產生、光電對抗、通信對抗模擬器等仿真要素，用于驗證多分辨率指控模型在不同模擬級別指控仿真系統的系統需求、信息流程、功能性能指標等關鍵技術。針對多分辨率應用進行了2類試驗：

(1) 輸入參數觸發的仿真模型多分辨率應用

在構建某指控系統時，利用組件配置工具配置了高分辨率和低分辨率2種粒度的情報處理模型。當仿真系統收到輸入參數，框架會查詢該輸入參數的處理模型，并調用相應模型的輸入函數。如果收到的為簡單屬性的輸入參數，框架則會調用低分辨率處理模型；如果收到的為復雜屬性的輸入參數，框架則調用高分辨率處理模型。

(2) 想定觸發的仿真層次多分辨率應用

在試驗想定中設置戰役級指揮所被擊毀，則由戰術級指揮所越級指揮，如圖 9所示。戰術指揮所在進行越級指揮后，要完成兩級指揮所的指揮作戰任務，既要完成對武器平臺的作戰任務下達，又要接收戰略級指揮所的作戰任務，對下級指揮所進行任務分配等功能，實現了指揮控制仿真系統的跨層次多分辨率建模。

圖9 仿真層次多分辨率應用界面Fig.9 Application Interface of simulation level multi- resolution

6 結束語

本文基于多分辨率建模的思想，分析了指控系統在仿真層次和仿真模型的建模特點，構建了多分辨率的指揮控制仿真組件庫，開發了多分辨率模型框架，實現了2種分辨率轉換的仿真試驗。試驗表明，這種構建方法可以滿足聯合作戰的仿真快速構建需求，很好地解決體系對抗仿真所面臨的多分辨率建模問題。結合該成果，還有許多方面值得進一步研究和探索，比如模型聚合解聚帶來的一致性問題，多分辨率模型運行時的視圖一致性問題等等。

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Multi- Resolution Modeling of Command and Control Simulation System Based on Components

KONG Chen- yan1，YU Li- rong2

(1.Science and Technology on Information System Engineering Key Laboratory，Jiangsu Nanjing 210007，China； 2.The 28th Research Institute of China Electronic Science & Technology Group Inc，Jiangsu Nanjing 210007，China)

The multi- resolution modeling characteristics of the command and control system in two modes, the simulation level mode and simulation model mode, are analyzed. The top- down decomposition method of command and control model system is proposed. A multi- resolution model framework based on components technology is built. The simulation experiments show that this method can build simulation system flexibly and quickly, and meet the needs of flexible resolution conversion.

multi- resolution modeling； model framework； components technology； command and control system； joint operations； simulation level

2016-08-15；

2016-12-12 作者簡介：孔晨妍(1982-)，女，江蘇南京人。高工，碩士，主要研究方向為仿真建模技術。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.031

E917；TP391.9

A

1009- 086X(2017)- 04- 0205- 08

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