基于數據耕耘的作戰仿真評估系統框架設計*

代海峰，畢義明，韓慧華，劉文博

（火箭軍工程大學，西安710025）

0 引言

戰爭系統是一個復雜巨系統，體系對抗的理念在域內得到廣泛的認同。過去那種依托簡單的蘭徹斯特方程建立起來的量化對抗模型，已經無法描述現代戰爭所表現出來的不確定性、復雜性以及涌現性。現代戰爭中，人們開展先期輔助決策主要依托計算機和網絡技術搭建起來的各種各樣的作戰仿真評估系統，但是，現有的作戰仿真評估系統平臺，大多依據相對獨立化的軍事概念模型（Military Conceptual Model）、數學模型（Mathematical Model）和實體模型（Entity Model）來開發［1］，這實際上是從根源上避開了體系對抗這一特性。雖然它們都發揮了計算機仿真的數據優勢，也具有一定的實際參考價值，但卻無法從根本上最高程度地擬合現代戰爭規律，因而其實際運用價值是有限的。為了改善這種困境，本文引入數據耕耘理論，從架構設計層面來探索研究一種作戰仿真系統開發的可行之法。

1 系統總體框架設計

數據耕耘理論最早是在美國“阿爾伯特計劃”（Project Albert）中提出來的，其基本思想是“循環中的循環”，基于系統中不確定的因果關系，為不同研究視角的用戶打開洞察系統的特定窗口，根據用戶給出的視角邊界（“種植”），創建多個想定，并進行“數據在環”的循環仿真（“培養”），直到提供給用戶一個滿意度全景視角（“收獲”）。基本思想如圖1［2-3］所示。

圖1 數據耕耘思想圖

基于數據耕耘的這種數據在環，多層循環的思想，結合作戰仿真評估系統對體系對抗的需求，給出如圖2所示的作戰仿真評估系統設計框架。

圖2 基于數據耕耘的作戰仿真評估系統框架

從框架圖中可看出，系統框架共分為數據管理模塊（Data Management Module）、想定創建模塊（Scenario Create Module）、仿真執行模塊（Simulation Execution Module）、因素分析模塊（Factor Analysis Module）和模型管理及系統維護模塊5個部分。

2 系統各模塊詳述

2.1 數據管理模塊

數據管理模塊（Data Management Module）是作戰仿真系統的底層基礎模塊。應具備以下幾種功能：

1）交戰雙方實體數據管理。包括各種裝備（例如飛機、導彈）、設施（例如機場、作戰陣地）的基本參數，實行分塊化的存儲機制，用戶通過交互界面，可以將數據修改到底層數據庫或中間數據文件。

2）戰場數據管理。包括交戰區地域特點，環境參數，交通及人文概況。

3）結果數據管理。主要實現仿真評估結果數據的存儲、查詢功能。

4）數據管理維護。一方面，具備錯誤數據的自動檢測和原始數據的恢復，具有較強的容錯性，另一方面根據戰場獲得可靠的新信息，能實時更新到對應的數據塊。

為了實現數據在環仿真，數據管理模塊還應該留有數據動態查找和調用接口，并具備一定的數據預處理能力［4］，例如當運行模塊同時向數據庫接口請求兩個實體數據時，數據管理模塊應能比對兩個數據記錄，根據外推模型（Extrapolation Model），初步計算出它們的位置對比信息、可能的交互時機和地域等等。如下頁圖3所示。

2.2 想定創建模塊

想定創建模塊（Scenario Create Module）的作用在于提供多樣化的作戰仿真“舞臺”，好比兩方運動員的比賽場地，比賽規則和賽程，是作戰仿真的方向引導模塊。想定創建模塊包含總體態勢想定和作戰想定兩個子模塊。

態勢想定不僅要描述初始態勢，即作戰區紅藍雙方的力量部署概況，更重要的是反應實時態勢變化，包括雙方兵力的消長，環境的變更和外來的介入因素等等，它不僅支持簡單的態勢標繪和戰場呈現，還能根據想定創建的邊界和仿真運行的回饋信息，實時更新態勢，為下一輪的想定循環創建提供一個輸入“節點”。

圖3 數據請求預處理

作戰想定主要根據態勢想定，創建出雙方一個交戰過程的各個階段的可能組合情況。這里強調的是想定空間的廣泛性和組合的充分性，用戶無需給出想定的每個過程細節，而是給出想定邊界條件及每個條件的變化步長，系統自動根據這些設定，形成每個條件的取值空間，并依據一定的篩查條件（Screening Condition）和 組 合 規 則（Combination Rules），向用戶提供一個充分組合之后的想定集合。而后用戶還可以根據交戰的實際需求，手動地對想定集合中的元素進行添加、修改或者刪除。

總的來看，態勢想定是作戰想定創建的基礎，每次作戰想定環的執行結果又成為態勢更新的觸發信號，形成一種想定創建的循環機制，這一點能較好地反映現代戰場態勢實時變化的特性。態勢想定能跟蹤仿真時間軸的跳動，向共享“黑板”（Blackboard）發布信息，供指揮員和“仿真操盤手”（Simulation Operator）［5］參考。作戰想定則能夠序列化出一個xml文件隊列［6］，這個隊列根據仿真執行環發出想定請求，查找隊列成員，并反序列化出下一次仿真循環將要執行的想定概況，如圖4所示。

2.3 仿真執行模塊

仿真執行模塊（Simulation Execution Module）是系統的運行模塊，也是擬合戰爭規律最重要的模塊，主要功能包括回合制的實體交互，多分辨率的模型提煉和轉化接口設計，分布式的“仿真操盤手”（Simulation Operator）協同，同一時間軸的循環脈沖控制，以及仿真數據的綜合分析、層級指標的聚合與解聚，評估結果的分發和存儲等等［7-9］。其運作機制如圖5所示。

圖4 雙層“想定創建環”

其中，回合制的交互模擬的是交戰武器或單位的能力消長過程，多分辨率模型轉化模擬的是不同級別的用戶視角，仿真操盤手協同模擬的是多平臺交戰過程，實體交互時間脈沖模擬的是作戰中下達的作戰指令，數據綜合及評估結果的生成模擬是數據耕耘后的“收獲”，也即戰報。

圖5 仿真執行模塊運作機制

2.4 因素分析模塊

因素分析模塊（Factor Analysis Module）的意義在于分析某個或某幾個因素對結果值的影響規律、影響程度和利害權重，用戶決策提供參考。

因素分析模塊是以分層的思想來設計的，包括單因素分析和多因素分析。在實體交互層，由于大部分的實體交互模型是依托明確的數學子模型來搭建的，所以其各因子的影響規律相對明朗，適合進行單因素分析。單因素分析立足于各種現有的解算模型，先分解模型中的價值因子，以控制變量的方法，逐一開展分析，具體步驟為：選定待分析對象，選擇影響對象的因素，設置對象的取值上下限和仿真步長，調用模型解算，繪制影響曲線圖，實現的界面如圖6所示。

而在體系對抗層，多個影響因子之間相互影響，影響規律也是不確定的，針對這種影響的不確定性，引入探索性仿真的思想，開展多因素分析，基本步驟有：選取多個因素，設置每個因素的水平數，調用模型解算，數據處理與繪圖，依次選擇某一個、兩個、多個因子屏蔽，重復以上步驟。其流程圖如圖7所示。

圖6 單因素分析界面

需要說明的是，在屏蔽因素逐漸增多的情況下，多個因素求取組合數的計算公式如下：

圖7 多因素分析流程圖

其中，n代表因素個數，m代表所有的因素組合數；例如某次多因素分析選取的因素個數為5個，則其組合數為：

所以組合數為26，因素個數為5時，其可進行多因素分析的組合可能情況為26種。

2.5 模型管理及系統維護管理模塊

模型管理模塊主要進行軍事概念模型（Military Conceptual Model）、實體模型（Entity Model）、數學模型（Mathematical Model）和交戰回合模型（Combat Round Model）的管理。其主要描述形式包括兩方面，一是文件形式（.doc*.txt*.png），其功能僅限于模型信息的描述；一是程序塊、插件庫、封裝功能件形式（.cs*.dll），這里不僅提供模型信息的查看，還具備簡單的編譯和調試功能，是一個可修改模型（主要是數學模型）的窗口。

系統維護管理模塊主要實現多機通信建立、用戶權限管理、系統使用幫助、環境異常檢測等功能。

3 結論

本文首先分析了現今作戰仿真評估系統存在的不足，通過引入數據耕耘理論，提出一種基于該理論的作戰仿真評估系統框架設計，在設計中，充分擬合現代戰爭體系對抗的特性，形成一種數據在環（“數據耕耘環”），多想定生成（“想定創建環”），回合式對抗仿真（“仿真執行環”），多分辨率模型提煉（“模型轉化接口”）和多視角因素分析（“組合探索性分析”）的系統總體框架。為了便于作戰數據的有效管理，精細化設計了數據庫的存儲和調用機制；為了實現作戰過程的多想定創建，設計了態勢想定循環之下的多作戰想定生成方法；充分考慮交戰區級、分隊交戰級和交互平臺級等不同層級的仿真需求，設置了模型轉化接口；為了幫助用戶探明仿真中特定問題呈現出的規律，設計了因素分析模塊，并將其分為了實體交互層的單因素分析和體系對抗層的多因素分析，最后為了系統的維護和管理方便，設計了相應的功能模塊。

下一步的研究工作應該著力于各模塊的技術實現，包括對現有系統中一些成熟模塊的繼承和引用，以及開發更加符合體系對抗特性的新模塊。同時，注重開發與之對應的實兵推演系統［10］，使之既有數據和模型的支撐能力，又具備動態推演和直觀顯示的能力。