水面艦艇作戰(zhàn)使用模型構(gòu)建規(guī)范研究

孫續(xù)文,汪匯川

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018;2.海軍研究院,北京 100161)

作戰(zhàn)模型體系建設(shè)是作戰(zhàn)仿真的基礎(chǔ),海軍水面艦艇數(shù)量眾多、種類繁雜,作戰(zhàn)信息量大,指揮控制復(fù)雜,對(duì)其進(jìn)行建模與仿真所需模型多,模型之間相互作用機(jī)制復(fù)雜(包括繼承關(guān)系、組合關(guān)系、隸屬關(guān)系、交互關(guān)系以及指揮關(guān)系等[1]),模型構(gòu)建難度較大,成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。作戰(zhàn)模型體系在標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、完備化建設(shè)方面存在一些問(wèn)題[2],特別是在缺乏科學(xué)的海軍兵力作戰(zhàn)使用模型建設(shè)規(guī)范的情況下,許多模型都是在不同的建模環(huán)境中重復(fù)構(gòu)建,模型的重用性、擴(kuò)展性存在諸多問(wèn)題,易造成資源浪費(fèi),較難適應(yīng)當(dāng)前海軍水面艦艇體系作戰(zhàn)建模與仿真需要。因此,探索科學(xué)合理的水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系構(gòu)建規(guī)范,成為水面艦艇作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

1 研究思路及研究策略

探索科學(xué)合理的模型體系構(gòu)建規(guī)范,有利于保證模型質(zhì)量和實(shí)用性并提升模型體系建設(shè)效益[3]。仿真模型體系規(guī)范化海軍水面艦艇作戰(zhàn)模型體系作為一個(gè)有機(jī)的整體,其體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)立體的、多維的、全方位的描述水面艦艇作戰(zhàn)使用全局的結(jié)構(gòu)。首先,水面艦艇作戰(zhàn)模型體系的某些方面是作戰(zhàn)任務(wù)的直接描述,此為作戰(zhàn)模型體系的任務(wù)維度,包括水面艦艇遂行的各種任務(wù)模型,如對(duì)潛搜索模型等,因此,在任務(wù)維度,重點(diǎn)應(yīng)建立基礎(chǔ)模型集;其次,水面艦艇作戰(zhàn)模型體系作為一個(gè)整體,體現(xiàn)的是水面艦艇整個(gè)作戰(zhàn)使用過(guò)程所涉及的方方面面,此為作戰(zhàn)模型體系的功能維度,包括作戰(zhàn)環(huán)境模型、實(shí)體模型、作戰(zhàn)任務(wù)模型、實(shí)體行為模型、結(jié)果分析模型等,因此,在功能維度,在進(jìn)一步建立模型體系的同時(shí),應(yīng)注重規(guī)范模型功能與接口;最后,模型構(gòu)建離不開構(gòu)建的過(guò)程,海軍水面艦艇作戰(zhàn)模型體系是一個(gè)從抽象逐漸到具體的循序漸進(jìn)的過(guò)程,此為作戰(zhàn)模型體系的過(guò)程維度,包括軍事概念模型、仿真數(shù)學(xué)模型和軟件工程模型,因此,在過(guò)程維度,建立模型體系的同時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注模型研發(fā)與管理規(guī)范。

2 水面艦艇作戰(zhàn)應(yīng)用分析

本文借鑒DoDAF標(biāo)準(zhǔn)中的作戰(zhàn)視圖技術(shù),首先針對(duì)水面艦艇對(duì)空防御、對(duì)海作戰(zhàn)、對(duì)水下作戰(zhàn)典型作戰(zhàn)應(yīng)用,在分析其典型作戰(zhàn)樣式的基礎(chǔ)上,分析高層作戰(zhàn)概念圖,得出作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)序圖,進(jìn)一步細(xì)化作戰(zhàn)活動(dòng),得出作戰(zhàn)活動(dòng)模型集,作戰(zhàn)指揮關(guān)系圖,建立基礎(chǔ)模型集。將對(duì)海、對(duì)空、對(duì)潛及綜合作戰(zhàn)行動(dòng)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行梳理,建立對(duì)海、對(duì)空、對(duì)潛及綜合作戰(zhàn)的基礎(chǔ)模型集。

本文以水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)應(yīng)用為例,進(jìn)行對(duì)水下作戰(zhàn)應(yīng)用分析后,水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)活動(dòng)模型集如圖1所示。

圖1 對(duì)潛作戰(zhàn)活動(dòng)模型集

3 水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系構(gòu)建

任何作戰(zhàn)模型體系都可以用實(shí)體、行為和交互來(lái)描述。其中,實(shí)體是第一位的,這種方式又稱為“實(shí)體中心”或“基于實(shí)體”的建模。這種方法描述了作戰(zhàn)空間的基本組成要素,以及這些要素發(fā)揮作用的過(guò)程。將體系分解成為實(shí)體、行為和交互進(jìn)行建模,能夠較好地反映系統(tǒng)的整體性特點(diǎn)。

作戰(zhàn)實(shí)體的建模和實(shí)體作戰(zhàn)行為的建模是兩大核心內(nèi)容[4]。典型的作戰(zhàn)實(shí)體建?？蚣苡谢趯傩悦枋龅膶?shí)體建?？蚣?、基于狀態(tài)描述的實(shí)體建?？蚣?、基于作戰(zhàn)要素的實(shí)體建模框架;典型的作戰(zhàn)行為建?？蚣苡谢趹?zhàn)場(chǎng)行為的行為建模框架、基于控制論的行為建模框架和基于PICS域(即物理域、信息域、認(rèn)知域和社會(huì)域)的作戰(zhàn)行為建?？蚣躘5]以及基于發(fā)生認(rèn)識(shí)論的實(shí)體行為建模框架[6]。

3.1 基于組合單元的實(shí)體建模框架

仿真系統(tǒng)模型體系框架構(gòu)建,以提升模型可重用性和互操作性為根本目的[7]。實(shí)體建?？蚣芑谌魏我粋€(gè)作戰(zhàn)實(shí)體都是各種作戰(zhàn)裝備的組合單元認(rèn)識(shí),圍繞作戰(zhàn)實(shí)體的組成要素描述,認(rèn)為對(duì)實(shí)體建模包括行為建模、裝備建模,以及這些模型的組合,實(shí)體建?？蚣苋鐖D2所示。

圖2 基于組合單元的實(shí)體建模框架

通過(guò)對(duì)海軍水面艦艇作戰(zhàn)應(yīng)用進(jìn)行分析,我們獲得了基礎(chǔ)模型集,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用面向?qū)嶓w的建模思路,采用基于組合單元的實(shí)體建?？蚣?采取自頂向下、逐步細(xì)化的分析方法,實(shí)現(xiàn)模型從頂層到基礎(chǔ)的逐步細(xì)化分解,建立海軍水面艦作戰(zhàn)使用模型體系。

3.2 作戰(zhàn)模型體系構(gòu)建框架的層次結(jié)構(gòu)

首先,定義一個(gè)實(shí)體模型的根類“實(shí)體類”,定義的方法與屬性對(duì)幾乎所有模型都通用。繼承自“實(shí)體類”的模型類也可作為實(shí)體模型被其他模型引用或參考,包括“裝備類”、“環(huán)境類”、“效果類”以及“認(rèn)知類”,這種方法在一定程度上起了模型規(guī)范的作用,同時(shí)也構(gòu)成了作戰(zhàn)模型體系的總體結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 作戰(zhàn)模型構(gòu)建框架類層次結(jié)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)水面艦艇作戰(zhàn)建模與仿真必須建立大量的模型類,而裝備模型類、環(huán)境模型類、效果模型類和認(rèn)知模型類之中,裝備模型類尤其復(fù)雜、數(shù)量尤其多。因此,裝備類模型的分析成為作戰(zhàn)模型構(gòu)建的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。水面艦艇作為一個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái),其上還包含各種武器裝備,裝備的某些模型類也可繼承自根類(“實(shí)體類”),而“裝備類”可進(jìn)一步衍生出各設(shè)備、處理器、彈藥、傳感器等多個(gè)基本類其層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 作戰(zhàn)模型構(gòu)建框架的層次結(jié)構(gòu)

圖3中裝備類模型除了層次結(jié)構(gòu)關(guān)系外,相互之間也會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的關(guān)系,在此不再深入探究。

所有裝備模型都是通過(guò)派生于這9個(gè)基礎(chǔ)裝備類的繼承類來(lái)實(shí)現(xiàn)的,每個(gè)裝備模型類都定義自己的輸入?yún)?shù)并實(shí)現(xiàn)自己的操作。每個(gè)基礎(chǔ)裝備類都繼承自武器裝備模型類,而此類定義了所有裝備模型通用的方法和屬性。

3.3 基于作戰(zhàn)應(yīng)用分析的水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系

根據(jù)對(duì)水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)流程及行動(dòng)的分析,可明確整個(gè)作戰(zhàn)流程及作戰(zhàn)行動(dòng)所涉及的相關(guān)模型,如圖5所示。水面艦艇對(duì)潛作戰(zhàn)模型體系所涉及的模型組如下:

1)目標(biāo)模型:提供潛艇、魚雷的機(jī)動(dòng)模型。

2)探測(cè)模型:提供聲吶、雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)模型。

3)搜索方案模型:提供目標(biāo)艦的檢查搜索、應(yīng)召搜索、巡邏搜索模型。

4)反潛直升機(jī)搜索模型:提供反潛直升機(jī)不同樣式下對(duì)潛搜索模型。

5)艦機(jī)協(xié)同搜索模型:提供艦機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)樣式下對(duì)潛搜索模型。

6)對(duì)潛跟蹤模型:提供目標(biāo)艦對(duì)潛跟蹤模型。

7)目標(biāo)艦占領(lǐng)陣位模型:提供目標(biāo)艦占領(lǐng)魚雷發(fā)射陣位模型。

8)艦艇規(guī)避模型:提高目標(biāo)艦規(guī)避敵潛艇發(fā)射魚雷模型

9)對(duì)潛艇打擊模型:提供在不同的方位、距離條件下,對(duì)潛艇打擊效能模型。

10)魚雷攻擊距離模型:提供在不同海況條件、引導(dǎo)條件下攻擊距離模型。

11)水聲對(duì)抗模型:提供魚雷在不同距離、方位條件下的水聲對(duì)抗效果模型。

12)效果評(píng)估模型:提供艦艇規(guī)避潛艇或?qū)摯驌粜Чu(píng)估模型。

結(jié)合前面的作戰(zhàn)使用模型體系框架,可得水面艦艇對(duì)水下防御作戰(zhàn)所涉及的模型體系,如圖6所示。

同理可得水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)模型體系及對(duì)海作戰(zhàn)模型體系,將三者匯總后,可得水面艦艇綜合作戰(zhàn)模型體系。

結(jié)合海軍水面艦艇作戰(zhàn)使用模型構(gòu)建框架的研究和基于作戰(zhàn)應(yīng)用分析的水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系分析,將水面艦艇作戰(zhàn)使用模型中涉及的所有實(shí)體區(qū)分為艦艇平臺(tái)實(shí)體模型、艦載機(jī)實(shí)體模型、武器系統(tǒng)實(shí)體模型、傳感器實(shí)體模型、目標(biāo)實(shí)體模型,并分別從物理模型和行為決策模型兩個(gè)方面構(gòu)建了各自的模型體系,將這些作戰(zhàn)實(shí)體的模型體系結(jié)合起來(lái),我們可以得到水面艦艇作戰(zhàn)使用模型的模型集,圖7所示為模型集。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了海軍作戰(zhàn)使用模型體系構(gòu)建存在的問(wèn)題,借鑒DoDAF標(biāo)準(zhǔn)中的作戰(zhàn)視圖技術(shù),在進(jìn)行水面艦艇作戰(zhàn)應(yīng)用分析的基礎(chǔ)上,建立了海軍水面艦艇典型作戰(zhàn)應(yīng)用基礎(chǔ)模型集;結(jié)合基于組合單元實(shí)體建模框架,建立了水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系;文章主要從任務(wù)維和功能維兩個(gè)維度,模型體系構(gòu)建思路和方法上提出了模型構(gòu)建思路和方法,模型體系構(gòu)建只是模型體系規(guī)范建設(shè)的一個(gè)方面,后續(xù),還需繼續(xù)從功能維度,提出模型功能與接口規(guī)范、模型交互規(guī)范等,同時(shí),在過(guò)程維度,提出研發(fā)與管理規(guī)范等。希望本文的研究,有利于推動(dòng)海軍水面艦艇作戰(zhàn)使用模型體系建設(shè),有利于促進(jìn)海軍水面艦艇作戰(zhàn)建模與仿真向高深層次發(fā)展。

圖5 水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)流程分析示意圖

圖6 水面艦艇對(duì)水下作戰(zhàn)模型體系

圖7 水面艦艇作戰(zhàn)使用模型集