防空指揮控制系統(tǒng)模擬平臺框架設(shè)計

孫學(xué)鋒，李成新

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防空指揮控制系統(tǒng)模擬平臺框架設(shè)計

孫學(xué)鋒1，李成新2

（1. 海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺264000；2. 解放軍91004部隊(duì)，遼寧大連 116031）

針對防空設(shè)計的指揮控制系統(tǒng)，將任務(wù)、實(shí)體和模型關(guān)聯(lián)起來，采用一定的驅(qū)動機(jī)制，通過作戰(zhàn)模型的計算來模擬實(shí)際的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)效果，采用面向服務(wù)思想建立核心服務(wù)、擴(kuò)展服務(wù)，統(tǒng)一服務(wù)接口，從而使核心框架可以按照統(tǒng)一的方式來管理各種服務(wù)。核心服務(wù)用于控制作戰(zhàn)模型的運(yùn)行過程，擴(kuò)展服務(wù)包含作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)實(shí)體、作戰(zhàn)模型的管理服務(wù)等。

防空 指揮控制 模擬平臺框架 模型驅(qū)動

0 引言

現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭表明，信息條件下的空襲與反空襲作戰(zhàn)是基于C4ISR系統(tǒng)的體系對抗作戰(zhàn)，防空指控系統(tǒng)作為國家防空體系的重要組成部分，對國土防空能力形成具有直接影響。本文設(shè)計了基于服務(wù)的防空指揮控制模擬平臺框架，按照“在滿足核心功能的基礎(chǔ)上，具有高度可擴(kuò)展性”的原則進(jìn)行構(gòu)建，描述了模型組件、驅(qū)動機(jī)制、任務(wù)建模等方法，設(shè)計了對空觀察的算法及模型，有效解決防空指揮訓(xùn)練難題，實(shí)現(xiàn)防空指揮手段的信息化需求。

1 模擬平臺框架結(jié)構(gòu)及服務(wù)

1.1 模擬平臺框架結(jié)構(gòu)

模擬平臺框架[1]主要分為兩個服務(wù)層：核心服務(wù)層和擴(kuò)展服務(wù)層。

核心服務(wù)層包含了模擬框架運(yùn)行所必需的核心服務(wù)，主要用于控制作戰(zhàn)模型的運(yùn)行過程，包括提供統(tǒng)一的時間服務(wù)，驅(qū)動模型運(yùn)行的調(diào)度服務(wù)，管理各種事件的事件服務(wù)和用于記錄信息的日志服務(wù)。

擴(kuò)展服務(wù)層主要由作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)實(shí)體、作戰(zhàn)模型管理服務(wù)以及其它相關(guān)服務(wù)組成，其主要目標(biāo)是使作戰(zhàn)實(shí)體根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動作戰(zhàn)模型進(jìn)行運(yùn)算，并為作戰(zhàn)模型的計算提供最基本的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（如裝備性能、武器指數(shù)等）、計算服務(wù)（如地理信息、地形分析、電磁環(huán)境、氣候水文、兵要地志信息等）和數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

模擬平臺部署在系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器上，與服務(wù)器總線相連，是在面向組件基礎(chǔ)之上對系統(tǒng)的進(jìn)一步解耦和封裝。模擬平臺核心架構(gòu)支持將一個大型項(xiàng)目的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為一組相互鏈接的服務(wù)或可重復(fù)的業(yè)務(wù)任務(wù)，其它軟件系統(tǒng)或是模塊可在需要時訪問和使用這些服務(wù)提供的功能。模擬平臺框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬平臺框架結(jié)構(gòu)圖

1.2 模擬服務(wù)及其接口形式

模擬平臺通過服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序間交互的松耦合，它將應(yīng)用程序的不同功能單元即服務(wù)，通過在服務(wù)間定義良好的接口[2]和契約聯(lián)系起來。接口定義采用中立的方式，獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，使得這些服務(wù)可以使用統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行通信。面向服務(wù)的架構(gòu)使得服務(wù)的請求者和提供者之間實(shí)現(xiàn)了高度解耦，其優(yōu)勢在于：一是增強(qiáng)了其適應(yīng)變化的靈活性；二是當(dāng)某個服務(wù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)逐漸發(fā)生改變時，不影響其他服務(wù)。

采用面向服務(wù)思想所建立的模擬平臺框架中核心服務(wù)、擴(kuò)展服務(wù)及服務(wù)與作戰(zhàn)模型之間的關(guān)系和接口如圖2所示。所有的服務(wù)都具有統(tǒng)一的服務(wù)接口（IService），從而使得核心框架可以按照統(tǒng)一的方式來管理各種服務(wù)；各種不同的服務(wù)在繼承統(tǒng)一服務(wù)接口的基礎(chǔ)上，具有各自形式的接口，上層用戶可按照需求查詢和使用所有核心服務(wù)和擴(kuò)展服務(wù)；核心服務(wù)和擴(kuò)展服務(wù)都通過模擬器接口（ISimulator）進(jìn)行管理；作戰(zhàn)模型通過模擬器接口（ISimulator）來查詢和使用服務(wù)。

無論是核心服務(wù)還是擴(kuò)展服務(wù)，它們都有自身基本的接口類型，比如核心服務(wù)中的事件服務(wù)，其基本接口主要有：

AddEvent：在事件服務(wù)中增加一個事件類型，并指定名稱和標(biāo)識。RemoveEvent：從事件服務(wù)中刪除一個事件類型。Subscribe：訂購一個事件類型，當(dāng)發(fā)生該事件類型時，事件服務(wù)調(diào)用相應(yīng)的事件處理接口（Event Handler）。Unsubscribe：解除對一個事件類型的訂購。Emit：觸發(fā)一個特定的事件類型，給出觸發(fā)者和事件參數(shù)，并調(diào)用所有訂購該事件的模型和服務(wù)的處理接口。

再比如擴(kuò)展服務(wù)中的實(shí)體管理服務(wù)，主要用于實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)實(shí)體的創(chuàng)建、維護(hù)、存儲和恢復(fù)等。作戰(zhàn)實(shí)體管理服務(wù)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基本接口主要有：

AddEntity：增加一個作戰(zhàn)實(shí)體到實(shí)體管理服務(wù)中。RemoveEntity：從實(shí)體管理服務(wù)中刪除一個作戰(zhàn)實(shí)體。GetEntity：獲取一個作戰(zhàn)實(shí)體。

圖2 模擬服務(wù)及其接口形式

2 模型組件、驅(qū)動機(jī)制及任務(wù)建模

2.1 模型組件

信息化條件下，作戰(zhàn)空間不斷拓展，作戰(zhàn)任務(wù)日趨復(fù)雜，許多新的作戰(zhàn)思想和戰(zhàn)術(shù)手段不斷涌現(xiàn)，軍事需求和技術(shù)領(lǐng)域都在不斷的進(jìn)步和發(fā)展，這就使作戰(zhàn)仿真模型的建設(shè)具有長期性、反復(fù)性和發(fā)展性。因此，把作戰(zhàn)行動過程進(jìn)行適當(dāng)抽象，以組件形式來構(gòu)建作戰(zhàn)模型[3]可有效地縮短模擬系統(tǒng)的建設(shè)周期，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

防空指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)行動模型即采用組件的方式進(jìn)行構(gòu)建，每個作戰(zhàn)行動模型具有統(tǒng)一的接口形式，能夠通過模擬核心服務(wù)查詢和獲取各種服務(wù)及其所需的其它作戰(zhàn)模型。統(tǒng)一的接口形式可以在不影響模擬系統(tǒng)整體框架的前提下，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)行動模型的無縫替換和更新。

圖3 作戰(zhàn)實(shí)體管理服務(wù)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型驅(qū)動機(jī)制

模擬服務(wù)驅(qū)動作戰(zhàn)模型[3]運(yùn)行，進(jìn)而模擬實(shí)際的作戰(zhàn)過程需要解決三個關(guān)鍵問題：一是如何處理作戰(zhàn)任務(wù)，二是如何模擬作戰(zhàn)行動，三是如何處理后繼事件。因此，模擬服務(wù)驅(qū)動作戰(zhàn)模型運(yùn)行的過程主要分為三個部分，一是事件管理部分，即以事件的方式接收和管理各種作戰(zhàn)計劃、命令以及行動模型產(chǎn)生的各種反饋信息；二是任務(wù)管理部分，即以作戰(zhàn)實(shí)體為載體，對各種事件進(jìn)行響應(yīng)，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制作戰(zhàn)實(shí)體的行為；三是行動模擬部分，即根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動行動模型執(zhí)行。其中，任務(wù)管理部分是核心，它既是將作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)命令和作戰(zhàn)行動模型關(guān)聯(lián)起來的橋梁，也是對行動模擬過程中產(chǎn)生的事件進(jìn)行處理，并產(chǎn)生新任務(wù)的樞紐，是驅(qū)動模型運(yùn)行的核心。

在基于任務(wù)的模型驅(qū)動過程中，武器平臺形成的作戰(zhàn)方案和指揮員下達(dá)的各種作戰(zhàn)命令，以及行動模型模擬過程中產(chǎn)生的反饋信息都以事件的方式注冊在事件服務(wù)中。在模擬的過程中，一旦制訂了作戰(zhàn)方案、下達(dá)了作戰(zhàn)命令，或是模擬過程中產(chǎn)生了警報車和指揮車的行動信息，那么事件服務(wù)即觸發(fā)相應(yīng)的事件。

“響應(yīng)器”是指在系統(tǒng)中注冊的，表明自身對某一類事件感興趣的事件處理器，每類響應(yīng)器處理一類事件，并在作戰(zhàn)實(shí)體行動規(guī)則庫的作用下，根據(jù)事件的內(nèi)容產(chǎn)生作戰(zhàn)實(shí)體下一步的作戰(zhàn)任務(wù)，進(jìn)而驅(qū)動作戰(zhàn)模型運(yùn)行。不同類型的作戰(zhàn)實(shí)體都具有相應(yīng)的“響應(yīng)器”，并注冊在事件服務(wù)中，當(dāng)某類事件產(chǎn)生時，事件服務(wù)即查詢并調(diào)用該類事件的“響應(yīng)器”。

任務(wù)管理所產(chǎn)生的各種任務(wù)，最終以調(diào)度事件的方式加入到調(diào)度服務(wù)中，并指定相應(yīng)作戰(zhàn)行動模型開始運(yùn)行的時間，間隔步長，以及運(yùn)行時的基本參數(shù)。調(diào)度服務(wù)按照調(diào)度事件的需求，定時調(diào)用對應(yīng)的作戰(zhàn)模型，驅(qū)動模型運(yùn)行。模型驅(qū)動機(jī)制原理如圖4所示。

圖4 模型驅(qū)動機(jī)制原理圖

2.3 任務(wù)建模

作戰(zhàn)任務(wù)是作戰(zhàn)力量在作戰(zhàn)中需要達(dá)到的目標(biāo)和承擔(dān)的責(zé)任，通常由指揮員根據(jù)我情、敵情、上級意圖以及戰(zhàn)場地形、氣候等因素，在充分估計各種影響的基礎(chǔ)上，以作戰(zhàn)命令的方式向作戰(zhàn)實(shí)體下達(dá)，具有非形式化、復(fù)雜化的特點(diǎn)，不能直接為計算機(jī)所理解和使用。因此，在模擬過程中需要針對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行建模[4]，即對作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和參數(shù)化。

結(jié)構(gòu)化就是對作戰(zhàn)任務(wù)逐步分解，并將其以某種方式進(jìn)行排列和組織的過程。結(jié)構(gòu)化的任務(wù)具有原子性、有限性、獨(dú)立性和可描述性，即該作戰(zhàn)任務(wù)不可再分解，由一個獨(dú)立的作戰(zhàn)實(shí)體承擔(dān)，執(zhí)行后可達(dá)到一定的作戰(zhàn)目的，并且該任務(wù)可通過固定的、結(jié)構(gòu)化的格式予以描述，這樣的任務(wù)稱為基本作戰(zhàn)任務(wù)。

結(jié)構(gòu)化的作戰(zhàn)任務(wù)還需要進(jìn)一步參數(shù)化，即將作戰(zhàn)任務(wù)所需的信息提取出來，并將其表達(dá)為計算機(jī)可識別的參數(shù)，這些參數(shù)數(shù)值是可變的，表達(dá)了不同作戰(zhàn)任務(wù)的類別，易于被計算機(jī)所識別和使用。

作戰(zhàn)任務(wù)的結(jié)構(gòu)化和參數(shù)化，使得作戰(zhàn)任務(wù)被分解為一系列的原子任務(wù)，這些原子任務(wù)對應(yīng)著不同的作戰(zhàn)行動模型，在模擬過程中由調(diào)度服務(wù)根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)的作戰(zhàn)行動模型。

3 算法及模型設(shè)計

防空指揮控制系統(tǒng)涉及到多種任務(wù)模型的建立，算法支撐和邏輯流程設(shè)計，這里給出對空觀察哨的部分?jǐn)?shù)學(xué)模型和流程。

3.1 數(shù)學(xué)模型[5,6]

1）觀察哨到目標(biāo)的距離

假設(shè)當(dāng)前時刻某點(diǎn)目標(biāo)水平坐標(biāo)（由航跡模型給出）為(,)；觀察哨所在位置水平坐標(biāo)為(z,z)，則當(dāng)前時刻觀察哨到該點(diǎn)的水平距離為：

2）目標(biāo)到觀察哨的飛行時間

假設(shè)目標(biāo)直接飛過觀察哨頂空，則：

式中，max是觀察哨最大觀測距離，可查閱手冊獲取；是氣象對指揮鏡觀測距離的影響系數(shù)，可查閱手冊獲取；m是目標(biāo)飛行速度（假設(shè)為勻速）。

3）當(dāng)前時刻發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

4）發(fā)現(xiàn)目標(biāo)情況

3.2 邏輯流程

對空觀察哨觀察是觀察哨利用光學(xué)器材或目視方法，對空中目標(biāo)進(jìn)行搜索、識別和通報的行動。其觀察流程如圖5所示。

4 結(jié)論

依托本系統(tǒng)可完成防空演練內(nèi)容設(shè)置、計劃和想定設(shè)置，演練進(jìn)程控制和演練導(dǎo)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對防空戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢的模擬，支持多級防空指揮機(jī)構(gòu)帶防空分隊(duì)實(shí)兵的模擬演練，支持完成情報獲取、預(yù)測、分析、判斷、決策、組織計劃、協(xié)調(diào)、通信和指揮控制等防空指揮模擬訓(xùn)練評估。實(shí)踐證明，系統(tǒng)的應(yīng)用對新時期多級一體化防空指控系統(tǒng)發(fā)展產(chǎn)生了積極的推動作用，軍事和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖5 對空觀察哨觀察流程圖

[1] 王曄, 孫紅, 王燕．一體化聯(lián)合作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練系統(tǒng)通用模型框架研究[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2006, 18 (z2): 354-357．

[2] 陳振顧, 王戟, 董威等．面向服務(wù)軟件體系結(jié)構(gòu)的接口模型[J]．軟件學(xué)報, 2006, 17(6): 1459-1463．

[3] 倪忠仁等．地面防空作戰(zhàn)模擬[M]．北京: 解放軍出版社, 2001．

[4] 楊世幸, 陽東升, 張維明等．作戰(zhàn)使命分解與任務(wù)建模方法[J]．火力與指揮控制, 2009, 34(8): 24-29．

[5] 婁壽春等．地空導(dǎo)彈射擊指揮控制模型[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 2009．

[6] 寇新洲, 楊兆民, 高曉峰, 吳傳芝．高炮系統(tǒng)打擊效能評估[J]．艦船電子工程, 2011, 31(2): 27-30.

Simulation Platform Framework of Air Defense Command and Control System

Sun Xuefeng1, Li Chengxin2

（1. Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264000, Shandong, China; 2. Unit 91004 of PLA, Dalian 116031, Liaoning, China）

TP391.9

A

1003-4862（2017）04-0001-04

2016-09-09

孫學(xué)鋒（1963-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：陸戰(zhàn)岸防裝備保障。

E-mail: dllnlcx@163.com