基于行為組件的閉環(huán)仿真實驗實時評估系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

王　瑜　王　航　呂　嵩　劉道偉

(中國洛陽電子裝備試驗中心　河南 洛陽 471003)

0　引　言

在目標毀傷打擊效果評估、實兵對抗演練戰(zhàn)果評估等現(xiàn)實軍事活動中，事后評估已經(jīng)不能滿足邊打邊評估的需要，實時評估的相關研究在各專業(yè)各領域相繼開展[1-5]，并隨著評估手段、方式和裝備的發(fā)展，訓練任務與裝備試驗的實時評估技術(shù)也得以應用[6-7]。軍事仿真作為對現(xiàn)實軍事活動的抽象與模擬，利用仿真技術(shù)模擬軍事活動體系的運動規(guī)律，也同樣面臨與存在實時評估的研究需求。按照回路構(gòu)成和時間特性來看，圍繞指揮對抗、裝備操作、裝備測試的訓練仿真和測試仿真一般采用人/實物在回路的實時/欠實時仿真，實時評估技術(shù)應用較為普遍[8-9]。但作戰(zhàn)分析仿真一般采用閉環(huán)仿真，由于存在人不在仿真回路、數(shù)據(jù)率超實時、仿真過程無法干預、因果序協(xié)同耦合性差等困難，研究并運用閉環(huán)仿真實驗實時評估技術(shù)的困難更大，研究需求更加強烈。

針對閉環(huán)仿真實驗事后評估在評估方法、評估過程、評估結(jié)論等方面存在的不足，常規(guī)的解決思路是從引擎內(nèi)核入手，對仿真平臺的功能進行修改，打破閉環(huán)仿真的運行方式，提供人在環(huán)的人機交互評估功能。其缺點是破壞了閉環(huán)仿真體制，影響了仿真平臺的穩(wěn)定性，對其他功能的影響和不確定性不可預料[10]，降低了仿真實驗速度和效率，研制周期長、花費大，技術(shù)手段上很不靈活。我們提出基于行為組件對閉環(huán)仿真實驗進行實時評估的方法，利用評估行為組件建模、多引擎協(xié)同耦合、MVC架構(gòu)模式等技術(shù)研發(fā)了實時評估系統(tǒng)。能夠在不破壞仿真平臺技術(shù)體制的情況下，遵從當前閉環(huán)仿真實驗技術(shù)思路，通過運用行為建模和調(diào)整實驗環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)仿真實驗實時評估的目標，為有效解決閉環(huán)仿真實驗評估問題提供了一種新的方法途徑和工具支持。

1　閉環(huán)仿真實驗及評估

1.1　閉環(huán)仿真實驗

閉環(huán)仿真實驗是采用仿真建模技術(shù)，運用仿真模型和仿真系統(tǒng)，通過人不在環(huán)的仿真實驗獲取大量仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，在此基礎上采用統(tǒng)計分析、回歸分析等事后處理方法對仿真結(jié)果進行綜合分析，以發(fā)現(xiàn)和理解復雜現(xiàn)象背后的不同因子變化對實驗結(jié)果所產(chǎn)生的影響，以及因子之間相互作用關系[11]，從而找出它們之間所遵循的規(guī)律，獲得問題的滿意解與合理解。主要應用于分析仿真和戰(zhàn)情預測，為研究較為可行、比較優(yōu)化的指揮決策、力量規(guī)劃方案以及武器裝備體系運用方案提供了支撐[12]。其特點是閉環(huán)的回路構(gòu)成、超實時的時間特性、樣本大實體多、模型解算復雜，對仿真系統(tǒng)的分析計算能力要求高，一般按照實驗設計、實驗實施與實驗評估三個階段實施。

1.2　事后評估及不足

實驗評估是閉環(huán)仿真實驗的重要組成部分，閉環(huán)仿真實驗超實時產(chǎn)生大量的仿真實驗數(shù)據(jù)，研究如何從這些海量數(shù)據(jù)中圍繞評估指標采集數(shù)據(jù)、實施評估、得出結(jié)論，對仿真實驗具有重要意義。目前常規(guī)的評估實施方法是在閉環(huán)仿真實驗結(jié)束后采取離線工作方式進行事后評估，對仿真實驗過程中記錄的實驗數(shù)據(jù)進行事后分析處理，并得到可視化的統(tǒng)計信息。事后評估相較于實時評估主要存在以下不足：

一是評估方法屬于靜態(tài)評估，雖然易于實現(xiàn)，但常用評估方法(如指數(shù)評估法、層次分析法、指標計算法等)沒有充分考慮戰(zhàn)場對抗環(huán)境，指標權(quán)重賦值、相互關系、聚合歸一等過程的含義模糊[13]，受評估者主觀因素影響較大；而且將仿真結(jié)束作為評估結(jié)果的時間截面，不能將評估結(jié)果隨著仿真推進進行實時輸出，不能在實驗過程中對指標進行動態(tài)監(jiān)控與實時分析，復現(xiàn)大樣本多實體的評估指標變化過程較復雜。

二是評估過程耗時比較長，實驗分析人員在實驗結(jié)束后需要花費大量的時間判讀和對比態(tài)勢、機動、探測、通信、交戰(zhàn)等數(shù)據(jù)，完成評估數(shù)據(jù)采集表，并結(jié)合復雜的態(tài)勢對關鍵數(shù)據(jù)進行理解、分析和判定，整個過程耗時長效率低，人工操作多，評估過程繁瑣(如圖1所示)，自動化水平低，影響了進一步實驗的開展。而且隨著仿真規(guī)模的擴大，閉環(huán)仿真實驗所需時間更長，常規(guī)的事后評估使得對實驗內(nèi)容的每一次修改都需要耗費更長的時間[14]。如果實驗評估與實驗實施同步進行，將使分析人員能夠?qū)崟r地掌握仿真過程和評估結(jié)果，提高方案研究與制定的效率，極大地節(jié)省實驗時間，使閉環(huán)仿真實驗能更廣泛地應用于大規(guī)模作戰(zhàn)分析仿真。

三是評估結(jié)論不全面，事后評估只能在仿真實施結(jié)束后進行評估，關注于評估指標的結(jié)果值，對指標變化過程信息需要另行分析，不能對二者同時進行評估。這種對信息的降維處理將導致評估信息的損失[15]，評估結(jié)果不準確，對實驗中的部署方式、協(xié)同時機、力量運用等實驗點是否正確缺乏整體評價。

2　實時評估系統(tǒng)設計

閉環(huán)仿真實驗實時評估系統(tǒng)采用模塊化設計思想，以功能來區(qū)分不同模塊，從不同方面支持和仿真同步的數(shù)據(jù)分析和實驗評估，由數(shù)據(jù)拾取模塊、實時分析模塊、信息對比模塊、指標分析模塊和報告生成模塊組成，能夠?qū)θ瞬辉诃h(huán)的閉環(huán)仿真實驗各種瞬態(tài)和過程數(shù)據(jù)進行采集，并進行實時分析、信息對比和指標動態(tài)分析，其數(shù)據(jù)流程模塊的主要功能及設計描述如圖2所示。

圖2　閉環(huán)仿真實驗實時評估數(shù)據(jù)流程

2.1　數(shù)據(jù)拾取模塊

此模塊運行在實時評估行為組件中，同時提供人機接口，支持面向全部戰(zhàn)場實體的瞬態(tài)和過程數(shù)據(jù)拾取。主要包含指令接收、算子實現(xiàn)、數(shù)據(jù)拾取、同步輸出、數(shù)據(jù)存儲等單元。能夠根據(jù)評估分析人員的選擇與設定，按照需要對不同實體定制不同的評估指標；能夠按照仿真步長的推進實時地對不同實體拾取不同的數(shù)據(jù)。

2.2　實時分析模塊

此模塊在評估系統(tǒng)中提供人機界面，主要包含瞬態(tài)信息實時分析單元、過程信息實時分析單元、選擇控制單元和信息存儲單元。能夠讀取并處理數(shù)據(jù)拾取模塊提供的原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析人員的選擇與設置進行顯示和在線實時統(tǒng)計分析，兼具過程信息對比功能(如圖3所示)，提供仿真過程信息和瞬態(tài)信息等細節(jié)信息(如圖4所示)，支持分析過程中的動態(tài)控制，能夠進行信息詳細度縮放，完成實時的數(shù)據(jù)接收、信息分析、信息顯示、縮放恢復、信息讀取與存儲工作，結(jié)合態(tài)勢回放能夠?qū)﹂]環(huán)仿真實驗過程進行全面掌握。

圖3　實時分析模塊隨仿真推進信息對比工作過程

圖4　實時分析模塊隨仿真推進實時分析工作過程

2.3　信息對比模塊

主要包含信息對比顯示單元、選擇控制單元和信息存儲單元。通過向量單元、向量數(shù)組和向量矩陣能夠?qū)崟r對比和顯示多實體多類型非定長的瞬態(tài)信息(如圖5所示)，設置對比實體的范圍和對比項，設置評估標準閾值，改變對比視圖視角(如圖6所示)，使分析人員全面掌握戰(zhàn)場信息的瞬態(tài)變化情況。

圖5　信息對比模塊隨仿真推進進行瞬態(tài)信息對比

圖6　信息對比模塊多視角視圖

2.4　指標分析模塊

主要包含動態(tài)分析顯示單元、評估結(jié)果計算單元、選擇控制單元和結(jié)果存儲單元。能夠按照規(guī)則編輯評估準則系數(shù)，由評估準則和原始數(shù)據(jù)實時計算評估結(jié)果，并通過動態(tài)顯示使分析人員掌握評估指標的瞬態(tài)情況和變化過程(如圖7、圖8所示)。用于理解方案中的力量協(xié)同配合、武器使用時機、兵力優(yōu)化部署等關鍵問題，并根據(jù)評估情況修正方案。

圖7　指標分析模塊隨仿真推進進行實時動態(tài)評估

圖8　指標分析模塊隨仿真推進進行實時動態(tài)評估

2.5　報告生成模塊

報告生成模塊在系統(tǒng)中提供人機接口，能夠?qū)⒃u估結(jié)果、過程圖表、實驗數(shù)據(jù)自動生成評估報告文檔，作為人工擬制仿真實驗報告的基礎。

3　主要技術(shù)途徑

實時動態(tài)地對閉環(huán)仿真實驗產(chǎn)生的高速率大樣本的實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)拾取、信息對比、指標分析、顯示存儲，成為研制實時評估系統(tǒng)面臨的主要困難，解決思路是基于行為組件模型并運用實時數(shù)據(jù)處理方法對實驗過程進行監(jiān)測、對實驗數(shù)據(jù)進行分析、對實驗結(jié)果進行計算、對實驗指標進行評估。在閉環(huán)仿真實驗實時評估系統(tǒng)的研制過程中重點突破及應用了以下關鍵技術(shù)。

3.1　閉環(huán)仿真實驗實時評估

隨著仿真系統(tǒng)的大型化，模型和數(shù)據(jù)也愈加復雜。常規(guī)的事后評估技術(shù)已不適應閉環(huán)仿真實驗的需求，需要研究閉環(huán)仿真實驗實時評估技術(shù)，其實質(zhì)是通過建模技術(shù)解決評估問題，其技術(shù)思路是在閉環(huán)仿真實驗實施之前，研發(fā)評估行為組件模型并裝配到戰(zhàn)場實體模型形成實體模板，在閉環(huán)仿真實驗實施時隨實體加入仿真運行，實驗實施與實驗評估協(xié)調(diào)一致同步進行，從而實現(xiàn)對閉環(huán)仿真實驗的實時評估。

3.2　實時評估行為組件建模

行為是實體能力的抽象，行為組件是實體或人員行為特征的反映和仿真載體，用于對實體行動控制、行為決策、作戰(zhàn)任務、指揮協(xié)同、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則等行為的描述，是仿真實體進行自主決策和智能行為的驅(qū)動源。實時評估行為組件用于模擬作戰(zhàn)過程中對作戰(zhàn)效果的實時評估行為，可與指揮任務、巡邏任務、進攻任務等行為組件共同裝配在仿真實體上，實時執(zhí)行對作戰(zhàn)效果評估的認識行為。

評估組件模型與裝備組件、行為組件、輔助組件進行交聯(lián)，實體使用組件模型遂行任務時，隨著閉環(huán)仿真實驗的執(zhí)行與推進，評估組件將同步給出行動結(jié)果和作戰(zhàn)效果，使得實驗實施與實驗評估同時進行。實時評估時實體間的模型交互過程如圖9所示。

圖9　實時評估時模型交互過程

3.3　多引擎協(xié)同耦合技術(shù)

運用組件化建模技術(shù)解決實時評估問題的最大困難是閉環(huán)仿真實驗引擎、數(shù)據(jù)實時處理引擎、指標動態(tài)顯示引擎之間的同步，既要防止速度采樣造成數(shù)據(jù)丟失和讀存錯誤，或者降低仿真速度產(chǎn)生實驗延時，又要避免高數(shù)據(jù)率帶來的數(shù)據(jù)溢出。通過采用多線程計算處理技術(shù)提升實驗數(shù)據(jù)采集、處理、讀存的實時性，解決了數(shù)據(jù)實時處理問題；通過采用共享GPU存儲器提高GPU線程間的通信傳輸速度，解決了指標動態(tài)顯示問題。通過最大限度地降低計算和顯示耗時，使多引擎協(xié)同耦合，即使評估數(shù)據(jù)量突然增大，實時處理和動態(tài)顯示引擎依然高效穩(wěn)定。實踐表明在超實時加速比為100的情況下，各引擎可穩(wěn)定運行。

3.4　基于MVC的功能模塊

MVC架構(gòu)模式提供模型、視圖、控制器三類元素的抽象接口，使軟件模塊之間不相互依賴，從而提高模塊的重用性和擴展性。基于MVC模式設計與開發(fā)閉環(huán)仿真實驗實時評估系統(tǒng)各功能模塊，能把閉環(huán)仿真實驗多實體交互的輸入、處理、輸出進行MVC分離，各模塊被分成模型層、視圖層、控制層，其功能邏輯結(jié)構(gòu)清晰，系統(tǒng)可以進行靈活配置，同時滿足后續(xù)仿真應用的擴展需求。

3.5　評估報告輔助生成

通過模板技術(shù)輔助生成評估報告文檔可以縮短評估過程提高工作效率，其步驟是模板設計與文檔生成。模板設計時分別設計靜態(tài)內(nèi)容和動態(tài)內(nèi)容，通過定義樣式與書簽標識以及正則表達式實現(xiàn)模板的動態(tài)輸出功能；文檔生成時根據(jù)標識來定位圖表、數(shù)據(jù)、文本等評估結(jié)果在文檔中的位置，將樣式與結(jié)果匹配，根據(jù)模板創(chuàng)建所需格式的評估報告文檔。

4　系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

在系統(tǒng)應用實驗中，對戰(zhàn)機突破預警探測網(wǎng)進行低空突防的飛行航線進行尋優(yōu)閉環(huán)仿真實驗，以速度、加速度作為戰(zhàn)機瞬態(tài)機動性能評估指標，以低空突防航線探測暴露性能作為戰(zhàn)機突防過程信息評估指標，衡量航線在不同層高的被探測概率。以多戰(zhàn)機實體的航線探測暴露瞬態(tài)變化值為評估指標，對比分析不同實體低空突防時海拔高度、離地高度、地形高程、安全區(qū)上界方面的差異。從實時評估系統(tǒng)運行情況(圖10)可以看出，實驗評估數(shù)據(jù)能夠隨著仿真步長的推進、戰(zhàn)場變化進行同步輸出與更新，分析人員不僅可以實時掌握實驗情況和作戰(zhàn)態(tài)勢，還能通過數(shù)據(jù)流、動態(tài)圖表等形式的評估結(jié)果對方案進行實時評估。經(jīng)系統(tǒng)應用實驗驗證，當改變仿真加速比、增加仿真實體、改變實驗想定、擴展仿真規(guī)模時，系統(tǒng)依然能夠適應不同情況穩(wěn)定運行。

5　結(jié)　語

常規(guī)的事后評估法對閉環(huán)仿真實驗進行評估，靈活性差，耗時較長，本文采用行為組件建模技術(shù)構(gòu)建實時評估系統(tǒng)，為研究和解決閉環(huán)仿真實驗實時評估問題提供了一種新的思路和工具。系統(tǒng)的針對性較強，功能較全面，能夠?qū)崿F(xiàn)對閉環(huán)仿真實驗的實時評估和動態(tài)監(jiān)控。使閉環(huán)仿真運行與仿真實時評估有效結(jié)合和同步同控，達到了邊實驗邊評估的目的，比常規(guī)的事后評估方法具有更高的精度及較少的時間代價；使實驗分析人員從繁復的事后人工評估工作中解脫出來，保證評估工作的科學與高效，能較好地滿足大規(guī)模作戰(zhàn)仿真實驗的需求。

基于行為組件的實時評估系統(tǒng)目前還存在以下不足：一是當評估目的和規(guī)則發(fā)生變化時，需要修改評估行為組件并重新運行閉環(huán)仿真實驗；二是運用建模方法來解決評估問題，需要對仿真實驗設計、建模、實施和評估等過程技術(shù)有較深入的理解才能進行研發(fā)。

評估過程通常是一個較為復雜的數(shù)據(jù)處理過程，評估數(shù)據(jù)處理方法因評估目的而異，為了適應復雜性和可變性兩方面的需求，需要后續(xù)對系統(tǒng)進行改進和完善。考慮采用柔性評估建模、效能算子設計等能夠體現(xiàn)評估行為靈活性的評估方法和模式，加強實時評估行為組件的可重用、可擴展和可重組等特性，適應復雜評估的需求。

[1] 陳長興，牛德智，王卓，等.基于效能評估的空中對抗作戰(zhàn)建模分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，37(1)：79-84.

[2] 宋丹.基于DSP實現(xiàn)的實時打擊效果評估[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38(11)：46-49.

[3] 周智超.中遠程艦空彈對目標攔截效果的實時評估[J].彈箭與制導學報，2011，32(4)：61-68.

[4] 王金山.基于DEA方法的炮兵火力毀傷實時評估模型[J].兵工自動化，2010，29(8)：39-42，45.

[5] 萬路軍，姚佩陽，孫鵬，等.空中對抗機動飛行實時評估方法研究[J].火力與指揮控制，2012，37(7)：31-35.

[6] 霍朝暉，劉成玉，劉嫚婷，等.基于POWER PC+FPGA架構(gòu)的飛行試驗振動數(shù)據(jù)實時分析系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(7)：26-29，33.

[7] 朱祥玲，吳欽章，吳志宏.一種基于多模型的航天試驗效果實時評估方法[J].測控技術(shù)，2015，34(1)：153-156.

[8] 孫嘉航.一種雷達對抗仿真訓練實時評估系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，14：198.

[9] 呂可，鄭威.艦載雷達對抗裝備模擬訓練操作評估方法研究[J].艦船電子對抗，2011，34(3)：88-92.

[10] 譙裕青，王卿.人機閉環(huán)仿真方法研究及應用[J].科技創(chuàng)新導報，2014(34)：26-28.

[11] 付東，方程，王震雷.作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)效能評估方法研究[J].軍事運籌與系統(tǒng)工程，2006，20(4)：35-39.

[12] 何強，彭勇，黃柯棣.作戰(zhàn)分析仿真平臺比較[J].系統(tǒng)仿真學報，2011，23(7)：94-98，116.

[13] 葉品星.一種博弈樹靜態(tài)估值算法[J].計算機工程與設計，2004，25(7)：1214-1217.

[14] 劉志國，王仕成，鄧方林，等.基于閉環(huán)仿真的彈載計算機評估系統(tǒng)研究[C]// 2005系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應用學術(shù)交流會論文選編.2005：346-349.

[15] 趙小方，劉光斌，劉朝山.基于數(shù)字圖像注入式星圖識別跟蹤閉環(huán)仿真系統(tǒng)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應用，2012(9)：67-68.