劉 劍，田立業(yè)，章 陽

(海軍潛艇學(xué)院， 山東 青島 266199)

面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)滿足大規(guī)模和多粒度的多(力量)兵力對(duì)抗仿真，戰(zhàn)術(shù)檢驗(yàn)和作戰(zhàn)效能評(píng)估等功能需求，但受作戰(zhàn)仿真模型規(guī)模、結(jié)構(gòu)層次和模型相互耦合作用等因素的影響，海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)構(gòu)建面臨結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成困難、維護(hù)代價(jià)高昂等問題，迫切需要對(duì)仿真模型實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)仿真模型動(dòng)態(tài)選取、定制與組合，以適應(yīng)不同作戰(zhàn)想定環(huán)境下仿真模型資源可重用和動(dòng)態(tài)可重配置的需求。

一些研究提出了采用組件化建模技術(shù)[1-3]，元模型仿真建模技術(shù)[4]，但大規(guī)模復(fù)雜仿真系統(tǒng)中將組件化建模技術(shù)與仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合仍然是一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)問題。本文以聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)為核心，提出面向聯(lián)合海戰(zhàn)仿真的服務(wù)架構(gòu)，構(gòu)建聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型體系，實(shí)現(xiàn)仿真模型資源的優(yōu)化管理與可重配置。

1 面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)需求

作戰(zhàn)仿真模型是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、物理裝備和兵力行動(dòng)本質(zhì)屬性的抽象與描述，是作戰(zhàn)仿真功能實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵與核心[5]。以往仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)以優(yōu)先滿足本系統(tǒng)功能為目標(biāo)，由于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上的“先天”封閉性，導(dǎo)致所構(gòu)建的仿真模型相對(duì)封閉，雖然有部分可重用的模型設(shè)計(jì)，但是可重用和優(yōu)化的范圍還限于相似或相近的系統(tǒng)，難于解耦。

此外，在聯(lián)合分布式仿真實(shí)驗(yàn)條件下的仿真系統(tǒng)構(gòu)建需要對(duì)各兵種作戰(zhàn)業(yè)務(wù)仿真模型綜合集成，但原有系統(tǒng)仿真模型仿真粒度、仿真功能和性能指標(biāo)不一致，導(dǎo)致具備優(yōu)勢(shì)的業(yè)務(wù)仿真模型無法直接重用，需要通過定制信息接口轉(zhuǎn)換以及時(shí)空協(xié)同重構(gòu)等方式達(dá)成物理結(jié)構(gòu)和仿真功能上的統(tǒng)一協(xié)同。雖然實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的系統(tǒng)聯(lián)合，但是難以實(shí)現(xiàn)深入的業(yè)務(wù)邏輯模型的重用和組合，難于升級(jí)維護(hù)，達(dá)不到高效整合的仿真實(shí)驗(yàn)要求。因此，面向聯(lián)合的海戰(zhàn)作戰(zhàn)仿真模型資源優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于新型大型分布式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研制以及仿真模型統(tǒng)一規(guī)范的研究都具有重要的作用和價(jià)值。

2 海戰(zhàn)仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型層次優(yōu)化設(shè)計(jì)

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真從仿真對(duì)象的主要特點(diǎn)和影響作戰(zhàn)效能的因素角度出發(fā)，可分為內(nèi)部因素和外部因素[6]。內(nèi)部因素包括兵力裝備的性能、作戰(zhàn)人員素質(zhì)、作戰(zhàn)任務(wù)，外部因素包括作戰(zhàn)的環(huán)境(海洋、大氣、電磁、信息環(huán)境等)和作戰(zhàn)對(duì)象。因此要保證模型體系的完備性必須在建模時(shí)考慮到影響聯(lián)合海戰(zhàn)的各主要因素，由此建立聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型體系。其所包括的各類模型按照其作用和地位可劃分為基礎(chǔ)類模型，武器及裝備類模型及應(yīng)用類模型，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型體系結(jié)構(gòu)框圖

模型體系以先分層后模塊劃分。分層的基本依據(jù)是根據(jù)模型之間的調(diào)用關(guān)系，如應(yīng)用類模型中的兵力平臺(tái)模型調(diào)用組成平臺(tái)的各種武器裝備類模型，而武器裝備類模型又調(diào)用描述其工作過程的基礎(chǔ)模型；模型模塊化分的依據(jù)是在滿足一定的仿真精度前提下保證模塊間的低耦合。對(duì)模型進(jìn)行層次劃分有效地降低了系統(tǒng)分析和建模的復(fù)雜度，將模型分解成適當(dāng)粒度的模型保證了模型針對(duì)特定研究問題的精度，也有利于模型實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)充。各層模型功能如下：

1) 基礎(chǔ)類模型提供上層模型所需的基礎(chǔ)計(jì)算模型，如傳感器探測(cè)以及武器仿真過程的公共基礎(chǔ)模型，基礎(chǔ)類模型可為上層的模型調(diào)用。

2) 武器及裝備類模型建立了構(gòu)成艦艇、潛艇、飛機(jī)等兵力平臺(tái)的各種裝備模型以及搭載的各型武器模型，建模的依據(jù)是裝備及武器的性能，例如傳感器的性能指標(biāo)，操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。

3) 平臺(tái)類模型主要構(gòu)建聯(lián)合海戰(zhàn)作戰(zhàn)過程單平臺(tái)兵力以及輔助兵力作戰(zhàn)仿真模型，例如對(duì)抗條件下的各種反潛或配合兵力模型，其包括平臺(tái)作戰(zhàn)任務(wù)與平臺(tái)兵力決策等模型。

4) 編隊(duì)類模型主要用于編隊(duì)或編組兵力相關(guān)控制決策與任務(wù)行為模型，包含了對(duì)應(yīng)不同層級(jí)作戰(zhàn)任務(wù)的兵力指揮模型以及合成編隊(duì)相關(guān)作戰(zhàn)任務(wù)模型。

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型的模塊化與層次化設(shè)計(jì)化使得仿真應(yīng)用層可以針對(duì)特定仿真任務(wù)靈活組織調(diào)用，進(jìn)一步通過仿真想定腳本配置武器及裝備類模型、基礎(chǔ)類模型以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而生成聯(lián)合海戰(zhàn)仿真所需的各種基本要素，驅(qū)動(dòng)有關(guān)模型運(yùn)行來實(shí)施聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模擬。

2.2 仿真模型粒度一致性設(shè)計(jì)

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真應(yīng)實(shí)現(xiàn)仿真模型多分辨率建模的一致性。多分辨率建模通常關(guān)注于聚合級(jí)實(shí)體的作戰(zhàn)仿真建模，以解決復(fù)雜仿真系統(tǒng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)性問題。聯(lián)合海戰(zhàn)仿真條件下，對(duì)所屬作戰(zhàn)兵力、裝備、環(huán)境的多分辨率建模必須要根據(jù)作戰(zhàn)仿真任務(wù)的需求進(jìn)行合理的劃分和設(shè)計(jì)[7-8]。

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真下多分辨率仿真建模通常應(yīng)滿足戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役兩個(gè)層級(jí)仿真的需求。為保持模型粒度一致性，戰(zhàn)術(shù)層次仿真需以高分辨率建模以仿真實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)過程細(xì)節(jié)，例如作戰(zhàn)平臺(tái)的信息處理與武器的彈道邏輯過程；戰(zhàn)役層次仿真通常以低仿真分辨率運(yùn)行以提高系統(tǒng)仿真運(yùn)行效率，但這不意味著戰(zhàn)役層次仿真總是應(yīng)該運(yùn)行于低分辨率上，而是應(yīng)該根據(jù)仿真任務(wù)需要可選擇地運(yùn)行，例如對(duì)作戰(zhàn)方案的評(píng)估和優(yōu)選適合采用低分辨率以提高仿真效率，但對(duì)于探求作戰(zhàn)關(guān)鍵指標(biāo)因素影響則應(yīng)采用高分辨率仿真，即使是對(duì)于聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)層面，更接近于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的精細(xì)化建模在仿真逼真度和可信度上，顯然優(yōu)于對(duì)建模對(duì)象的簡(jiǎn)化和抽象，也更能揭示作戰(zhàn)規(guī)律。因此聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型粒度一致性設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)仿真任務(wù)需求對(duì)海戰(zhàn)仿真實(shí)施優(yōu)化的多分辨率建模。

1) 作戰(zhàn)環(huán)境建模的多重表示。海戰(zhàn)環(huán)境包含了海洋環(huán)境、空戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)環(huán)境的仿真建模粒度將影響到裝備性能的仿真，進(jìn)而影響到兵力平臺(tái)作戰(zhàn)性能和作戰(zhàn)任務(wù)的仿真。多分辨率條件下，環(huán)境建模隨模型粒度與建模方法的不同很難以聚合解聚的方式建模，更適合采用多重表示法建模，例如對(duì)于水下潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)，海洋水聲環(huán)境的仿真采用簡(jiǎn)振波模型進(jìn)行信號(hào)級(jí)仿真，但是其運(yùn)算復(fù)雜，運(yùn)算量大[9-10]；采用能量方程結(jié)合工程擬合的方法，運(yùn)算量小，速度快[11]，因此可以根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)的仿真精度要求，采用合適的模型表示以適應(yīng)仿真粒度要求。

2) 裝備仿真建模的多重表示。裝備仿真將裝備與環(huán)境以及人機(jī)的交互進(jìn)行抽象，對(duì)裝備作戰(zhàn)操控流程、信息處理流程以及與外界進(jìn)行信息和能量交換過程等進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，輸出的結(jié)果可以是裝備輸出的物理過程時(shí)序信息或者裝備與外部環(huán)境交互過程信息。聯(lián)合海戰(zhàn)仿真裝備仿真重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)人在回路中裝備與環(huán)境交互的物理過程仿真以及根據(jù)仿真任務(wù)需要的虛擬裝備仿真，例如聲吶、雷達(dá)、魚雷和導(dǎo)彈等各類裝備仿真。

與之相應(yīng)，裝備仿真模型粒度在聯(lián)合海戰(zhàn)仿真中應(yīng)體現(xiàn)為兩種粒度。戰(zhàn)術(shù)層粒度的裝備仿真，采用與環(huán)境建模相一致的粒度，仿真實(shí)現(xiàn)傳感器探測(cè)、武器全彈道流程等物理交互過程；戰(zhàn)役層面的裝備仿真以裝備性能指標(biāo)為參考，仿真實(shí)現(xiàn)裝備在作戰(zhàn)中的過程與結(jié)果信息，包括傳感器探測(cè)信息、指揮系統(tǒng)的決策信息、以及武器對(duì)目標(biāo)的毀傷效果信息等，無需仿真實(shí)現(xiàn)裝備對(duì)環(huán)境、目標(biāo)相交互的全程細(xì)節(jié)。

3) 平臺(tái)兵力作戰(zhàn)任務(wù)的仿真粒度協(xié)調(diào)。聯(lián)合海戰(zhàn)仿真下需要對(duì)各兵力平臺(tái)多種作戰(zhàn)任務(wù)行為進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。兵力平臺(tái)層作戰(zhàn)行為仿真模型應(yīng)考慮戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役層次仿真推演的需要。戰(zhàn)術(shù)層面的兵力作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真?zhèn)戎貙?duì)兵力某種任務(wù)下的全程動(dòng)作行為與信息交互實(shí)時(shí)仿真；戰(zhàn)役層面的兵力作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真著眼兵力任務(wù)行為中的任務(wù)完成度、完成時(shí)間、分布區(qū)域、資源消耗、發(fā)現(xiàn)概率、命中概率、毀傷程度與毀傷數(shù)量等指標(biāo)實(shí)施仿真計(jì)算，通過數(shù)學(xué)解析、線下統(tǒng)計(jì)等方法，快速高效地對(duì)戰(zhàn)役層兵力平臺(tái)的作戰(zhàn)任務(wù)行為進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

例如，對(duì)潛艇或艦艇使用魚雷對(duì)目標(biāo)實(shí)施射擊時(shí)，可以通過數(shù)學(xué)解析的方法給出對(duì)目標(biāo)的毀傷概率，在此基礎(chǔ)上對(duì)單兵力實(shí)施攻擊任務(wù)仿真實(shí)現(xiàn)，輸出滿足戰(zhàn)役層仿真需要的相應(yīng)要素信息而無需細(xì)粒度的仿真時(shí)間資源消耗。

4) 編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)的聚合與解聚。編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)仿真采用聚合-解聚的方法，通過對(duì)單兵力任務(wù)行為仿真聚合，仿真實(shí)現(xiàn)編隊(duì)層級(jí)復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)行為，這樣的方法顯然符合軍事人員思維方式。以編隊(duì)反潛作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真為例，從兵力最底層不可再分的任務(wù)行為出發(fā)，如機(jī)動(dòng)、武器發(fā)射、傳感器探測(cè)等任務(wù)行為，聚合成更高一層的兵力階段性任務(wù)行為，如魚雷攻擊、導(dǎo)彈攻擊等，并在此基礎(chǔ)上將兵力層級(jí)的任務(wù)行為聚合成編隊(duì)層級(jí)的作戰(zhàn)任務(wù)行為，如編隊(duì)對(duì)海攻擊、編隊(duì)對(duì)空防御等。與之相對(duì)應(yīng)，任務(wù)解聚就是根據(jù)從編隊(duì)層級(jí)的作戰(zhàn)任務(wù)出發(fā)，將其分解成更為底層，粒度更細(xì)的兵力層級(jí)的任務(wù)行為。

戰(zhàn)術(shù)層粒度的編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真?zhèn)戎赜诰庩?duì)指揮決策的仿真建模，如兵力的任務(wù)分配、作戰(zhàn)區(qū)域協(xié)同、作戰(zhàn)時(shí)間協(xié)同以及干預(yù)協(xié)調(diào)等。在編隊(duì)指揮基礎(chǔ)上，各仿真兵力按序?qū)嵤┧峙涞娜蝿?wù)并接受上級(jí)指揮改變作戰(zhàn)任務(wù)行為，通過任務(wù)行為的組織和協(xié)同完成既定的作戰(zhàn)目標(biāo)。

戰(zhàn)役層粒度的編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真通過對(duì)平臺(tái)兵力作戰(zhàn)任務(wù)分解以及基本能力指標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)相對(duì)粗粒度的戰(zhàn)役層編隊(duì)作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真。通常編隊(duì)層作戰(zhàn)任務(wù)行為仿真應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)仿真精度，兼顧仿真粒度和運(yùn)行效率，響應(yīng)系統(tǒng)不同仿真分辨率需求。

2.3 仿真模型的模態(tài)設(shè)計(jì)

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型在設(shè)計(jì)時(shí)需遵循面向服務(wù)的組件規(guī)范，根據(jù)組件功能及特點(diǎn)不同有以下兩種類型組件模態(tài)實(shí)現(xiàn)方式：

1) 有狀態(tài)會(huì)話組件(Stateful Bean)。該類組件可區(qū)分用戶身份，并在生命周期內(nèi)保持與用戶會(huì)話信息，如艦艇編隊(duì)層任務(wù)行為仿真模型，能在一段時(shí)間內(nèi)保存仿真過程數(shù)據(jù)。

2) 無狀態(tài)會(huì)話組件(Stateless Bean)。該類組件不區(qū)分用戶身份，也不保持與用戶的會(huì)話信息，如運(yùn)動(dòng)要素解算和射擊諸元解算等基礎(chǔ)模型。

兩類組件在仿真服務(wù)器端的創(chuàng)建和管理上有明顯不同，有狀態(tài)會(huì)話組件遵循一對(duì)一服務(wù)模式，即組件容器會(huì)為每個(gè)訪問該類組件的用戶生成一個(gè)獨(dú)享的組件實(shí)例，而無狀態(tài)會(huì)話組件遵循一對(duì)多(或多對(duì)多)模式，仿真引擎可以對(duì)無狀態(tài)會(huì)話組件實(shí)施按需分配和靈活回收機(jī)制，以減少系統(tǒng)資源消耗，而有狀態(tài)會(huì)話組件則需要對(duì)其分配和維持相應(yīng)數(shù)據(jù)空間，以保存歷史數(shù)據(jù)并保證實(shí)施所需的業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算。

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型中對(duì)各類仿真模型模態(tài)應(yīng)進(jìn)行正確設(shè)計(jì)以提高仿真系統(tǒng)的效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。一般來說，在仿真生命周期中需要保持?jǐn)?shù)據(jù)和狀態(tài)的兵力、武器裝備等模型采用有狀態(tài)會(huì)話組件實(shí)現(xiàn)，而一般用于通用計(jì)算、公共服務(wù)的模型采用無狀態(tài)會(huì)話組件實(shí)現(xiàn)，這樣仿真引擎可根據(jù)客戶數(shù)量和資源情況決定生成無狀態(tài)會(huì)話組件實(shí)例的數(shù)量，從而在資源利用率和服務(wù)效率上取得平衡。

3 面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真模型接口與模型組合設(shè)計(jì)

3.1 聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型接口設(shè)計(jì)

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真模型以軟件組件形式實(shí)現(xiàn)可重用和可重構(gòu)。仿真模型組件都具有清晰的接口并可對(duì)外提供服務(wù)，服務(wù)的對(duì)象可以是客戶端程序，也可以是服務(wù)端的其他組件。

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型組件接口設(shè)計(jì)應(yīng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，明確輸入和輸出，便于不同層級(jí)組件以及仿真應(yīng)用調(diào)用。在設(shè)計(jì)時(shí)，軍事概念設(shè)計(jì)人員和工程實(shí)現(xiàn)人員相配合，根據(jù)仿真模型層次規(guī)范相應(yīng)設(shè)計(jì)組件接口，如圖2所示。

圖2 模型組件接口設(shè)計(jì)示意圖

在聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型層次中，基礎(chǔ)與裝備模型的接口固定，例如不同類型的魚雷和導(dǎo)彈武器，雖然其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能不一樣，彈道邏輯不一樣，但是武器對(duì)外提供的接口是一致的，這樣便于外部仿真服務(wù)調(diào)用。兵力和編隊(duì)層模型組件由于需要實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜的不同層次作戰(zhàn)任務(wù)行為，兼具不同分辨率的仿真需求，在接口設(shè)計(jì)時(shí)隨組件仿真粒度采用對(duì)應(yīng)特定接口。

3.2 仿真模型組合與可重用

由于聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型設(shè)計(jì)采用了分層和模塊劃分，相鄰兩層之間模型構(gòu)成了組合關(guān)系，可以通過模型組合達(dá)到模型的可重用，組合分為靜態(tài)組合動(dòng)態(tài)組合兩種。

模型靜態(tài)組合以兵力基本性能參數(shù)配置的形式實(shí)現(xiàn)，例如兵力平臺(tái)級(jí)模型由武器裝備級(jí)的聲納、雷達(dá)、動(dòng)力、操縱及武器系統(tǒng)等模型組成，通過依賴注入引用其他模型組件(聲納、雷達(dá)、運(yùn)動(dòng)等)，實(shí)現(xiàn)模型組件的組合，在這種組合條件下不同模型的性能通過基本性能數(shù)據(jù)的異同來表現(xiàn)。

模型動(dòng)態(tài)組合適用于難以通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來表達(dá)模型性能差異的場(chǎng)合，其以不同模型組件的動(dòng)態(tài)嵌入方式實(shí)現(xiàn)。例如不同型號(hào)的魚雷武器，由于武器彈道邏輯和自導(dǎo)檢測(cè)邏輯存在較大差異，其彈道仿真模型需要仿真實(shí)現(xiàn)不同階段的分段彈道模型，可在仿真運(yùn)行中通過讀取彈道邏輯配置文件采用組件的動(dòng)態(tài)組合方式實(shí)現(xiàn)。由于聯(lián)合海戰(zhàn)仿真對(duì)象行為過程復(fù)雜，采用類似OSGI協(xié)同仿真框架的方法雖然為組件的動(dòng)態(tài)配置提供了便利[12]，但是其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜較難在服務(wù)端實(shí)現(xiàn)組件模型的組合和重構(gòu)，因此可行的方法是根據(jù)仿真服務(wù)器接口，采用仿真想定預(yù)先設(shè)定的模型配置文件，實(shí)施動(dòng)態(tài)模型組件組合。

模型可重用體現(xiàn)在同一模型組件可以為其他調(diào)用者(模型組件或者應(yīng)用程序)以二進(jìn)制代碼等級(jí)動(dòng)態(tài)重用。通過組件化模型設(shè)計(jì)，仿真所需的各種作戰(zhàn)平臺(tái)模型可以通過細(xì)粒度的模型組件組合而成，而重用不僅體現(xiàn)在模型代碼二進(jìn)制代碼的重用，還體現(xiàn)在潛艇、艦艇等作戰(zhàn)平臺(tái)模型可重用相同的聲納、雷達(dá)等裝備模型，如圖3所示。

圖3 仿真模型組件組合及重用示意圖

圖3中仿真應(yīng)用層兩個(gè)用戶分別啟動(dòng)了3個(gè)仿真任務(wù)，通過對(duì)仿真模型服務(wù)層的調(diào)用在服務(wù)器端動(dòng)態(tài)生成了各自的仿真上下文環(huán)境(simulation context)，每個(gè)上下文包括了所仿真兵力有關(guān)的各種模型實(shí)例。3個(gè)仿真上下文中兵力由不同的武器裝備模型組合而成的，且重用了兵力及其相關(guān)武器裝備模型組件并生成了不同的模型組件實(shí)例，即使在同一仿真上下文中同一武器裝備模型也可能被不同的兵力所重用，以及對(duì)武器裝備模型動(dòng)態(tài)配置。

4 仿真系統(tǒng)架構(gòu)與應(yīng)用比較

4.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)架構(gòu)采用面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)(圖4)。其組成如下：

圖4 聯(lián)合海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)架構(gòu)典型軟硬件配置示意圖

1) 面向服務(wù)仿真硬件架構(gòu)。由于面向服務(wù)的仿真架構(gòu)采用的技術(shù)體制具有很好的底層兼容性，仿真體系框架中計(jì)算機(jī)硬件可以根據(jù)需要靈活配置選擇臺(tái)式計(jì)算機(jī)、高性能服務(wù)器乃至集群并行計(jì)算系統(tǒng)。此外不同異構(gòu)系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)集成在一個(gè)統(tǒng)一仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)和資源的利用，具體包括：

分布式計(jì)算節(jié)點(diǎn)：采用通用商業(yè)計(jì)算機(jī)、便攜計(jì)算機(jī)或高性能服務(wù)器。計(jì)算節(jié)點(diǎn)安裝仿真服務(wù)平臺(tái)軟件(包括模型服務(wù)軟件、公共服務(wù)軟件及應(yīng)用服務(wù)器軟件)主要解決多用戶同時(shí)開展仿真實(shí)驗(yàn)的容量問題。在全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制下，通過仿真公共服務(wù)支撐將計(jì)算節(jié)點(diǎn)連接成分布式松散耦合的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，通過將某一仿真任務(wù)內(nèi)按照仿真任務(wù)性質(zhì)分布到各異構(gòu)或同構(gòu)節(jié)點(diǎn)上，在同一仿真模型基礎(chǔ)服務(wù)下提高仿真運(yùn)行速度并實(shí)現(xiàn)仿真資源的靈活配置和資源的有效利用。

仿真計(jì)算中心：采用高性能集群并行計(jì)算系統(tǒng)，主要安裝仿真服務(wù)平臺(tái)軟件作為聯(lián)合海戰(zhàn)仿真高性能計(jì)算資源，提供仿真計(jì)算服務(wù)。通常針對(duì)較規(guī)模大、模型復(fù)雜的仿真研究課題，不僅每次計(jì)算量大，而且需要根據(jù)不同的參數(shù)及概率分布進(jìn)行閉環(huán)重復(fù)計(jì)算，以對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用高性能集群并行計(jì)算系統(tǒng)可以有效提高作戰(zhàn)問題研究的時(shí)效性。

數(shù)據(jù)中心：采用高性能數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，配置磁盤陣列，安裝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件，主要為仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一提供仿真模型運(yùn)行所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及仿真過程生成各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)服務(wù)，通過頂層的數(shù)據(jù)接口通用設(shè)計(jì)，利用聯(lián)合海戰(zhàn)仿真服務(wù)下的大數(shù)據(jù)開展所需的數(shù)據(jù)挖掘和人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)。

2) 面向服務(wù)仿真軟件架構(gòu)。仿真軟件包括仿真服務(wù)軟件與仿真應(yīng)用軟件。其中仿真服務(wù)軟件主要包括仿真模型服務(wù)軟件、仿真公共服務(wù)軟件等。仿真模型服務(wù)軟件、仿真公共服務(wù)軟件部署在仿真計(jì)算資源計(jì)算機(jī)上，其中仿真公共服務(wù)軟件為上層仿真服務(wù)模型組件提供基礎(chǔ)服務(wù)，包括仿真任務(wù)管理、實(shí)體管理、時(shí)間管理、交互管理等服務(wù)。

仿真應(yīng)用軟件是系統(tǒng)中的基于虛擬仿真兵力和虛擬裝備的推演或?qū)嶒?yàn)類軟件，它們采用客戶端生成的虛擬仿真兵力和裝備的前端顯示操作控制界面，調(diào)用服務(wù)器端仿真計(jì)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人在回路中的仿真或基于特定任務(wù)規(guī)劃的閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。

4.2 仿真模式與仿真推進(jìn)

面向服務(wù)的海戰(zhàn)仿真環(huán)境支持閉環(huán)及開環(huán)兩類仿真運(yùn)行模式。其中閉環(huán)仿真是指人或硬件不參與實(shí)驗(yàn)的仿真模式，適合于作戰(zhàn)方案評(píng)估及優(yōu)化，作戰(zhàn)效能評(píng)估，作戰(zhàn)能力分析等需要反復(fù)進(jìn)行多次仿真計(jì)算的概率統(tǒng)計(jì)分析等研究課題。由于面向服務(wù)仿真環(huán)境中仿真服務(wù)資源被看成一個(gè)邏輯上統(tǒng)一的整體，因此通過仿真任務(wù)合理分配，采用分布計(jì)算與集群計(jì)算的形式都能通過并行計(jì)算的途徑很好地發(fā)揮閉環(huán)仿真高效運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。

開環(huán)仿真是指人或硬件參與實(shí)驗(yàn)的仿真模式，這種模式下由于外部真實(shí)世界的人或硬件參與，使得仿真世界中的模型實(shí)體需要處理外部交互信息。開環(huán)仿真適合于方案設(shè)計(jì)、裝備操控訓(xùn)練等人或硬件參與的仿真。這種模式下人和實(shí)際裝備可以通過接口實(shí)現(xiàn)虛實(shí)仿真，從而豐富了仿真應(yīng)用模式，拓展了仿真應(yīng)用范圍。

仿真時(shí)間推進(jìn)采用兩種方式，包括實(shí)時(shí)仿真和超實(shí)時(shí)仿真。在聯(lián)合海戰(zhàn)仿真多分辨率的仿真需求下，仿真推進(jìn)不論對(duì)于實(shí)時(shí)或者超實(shí)時(shí)仿真，仿真步長(zhǎng)都需要根據(jù)具體仿真任務(wù)進(jìn)行合理設(shè)置，考慮聯(lián)合海戰(zhàn)仿真多分辨率的要求，當(dāng)仿真從戰(zhàn)役層的低分辨率轉(zhuǎn)換到戰(zhàn)術(shù)層面的高分辨率，以及仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)為了提升高分辨率仿真的運(yùn)行效率，需要采用一種仿真時(shí)間+仿真事件相結(jié)合的推進(jìn)方法。

聯(lián)合海戰(zhàn)仿真中事件分為申請(qǐng)事件和固定事件，申請(qǐng)事件由各個(gè)仿真訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)向事件管理組件發(fā)出，例如兵力的探測(cè)發(fā)現(xiàn)、滿足攻擊條件下的武器發(fā)射等，這些可通過數(shù)學(xué)解析提前預(yù)測(cè)或控制決策預(yù)先決策的方法，以提高仿真運(yùn)行效率；固定事件由仿真事件組件定周期采用固定算法或模式匹配對(duì)固定事件實(shí)時(shí)檢測(cè)，例如物體的碰撞、武器航程耗盡、武器的命中毀傷判斷等。所有事件在仿真事件組件中處理，提交的仿真事件信息包括事件類型、事件預(yù)計(jì)發(fā)生期望時(shí)間。仿真時(shí)間管理組件根據(jù)模型計(jì)算邏輯確定各計(jì)算節(jié)點(diǎn)下一周期的仿真推進(jìn)時(shí)間點(diǎn)和仿真步長(zhǎng)，以同步事件的形式發(fā)送至各兵力仿真節(jié)點(diǎn)，各兵力仿真節(jié)點(diǎn)收到同步事件后，運(yùn)行內(nèi)部事務(wù)邏輯，通過底層仿真服務(wù)支持，將仿真時(shí)間協(xié)同推進(jìn)到同步事件規(guī)定時(shí)間。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)比較分析

面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真以服務(wù)為核心，通過仿真模型的組件化、層次化、多分辨率和模態(tài)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及在此基礎(chǔ)上仿真服務(wù)架構(gòu)的構(gòu)建，相對(duì)以分布式橋接方式所實(shí)現(xiàn)的未經(jīng)優(yōu)化的多系統(tǒng)互聯(lián)仿真，在模型資源可重用性以及系統(tǒng)功能和性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行分析如表1所示。

表1 面向聯(lián)合海戰(zhàn)仿真模型指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真環(huán)境下各系統(tǒng)通過互聯(lián)實(shí)現(xiàn)一體化仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真模型實(shí)現(xiàn)了模型規(guī)模類別的“縱向”集約集成，這相比優(yōu)化前“橫向上”的集成(存在多種相似或相近同類模型)，模型數(shù)量、維持仿真平均在線實(shí)例數(shù)量和系統(tǒng)通信負(fù)荷得以有效減少；通過優(yōu)化接口設(shè)計(jì)，各類作戰(zhàn)業(yè)務(wù)邏輯模型可以有效組合和重用，例如水下武器彈道模型，通過運(yùn)動(dòng)、搜索、跟蹤、再搜索等基礎(chǔ)彈道模型的組件化設(shè)計(jì)以及彈道邏輯模型的參數(shù)配置，仿真實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)武器的彈道過程；由于優(yōu)化設(shè)計(jì)后仿真模型粒度與仿真業(yè)務(wù)邏輯保持一致，可以對(duì)面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真模型實(shí)施統(tǒng)一的升級(jí)和維護(hù)，且無需再設(shè)計(jì)仿真沖突消解，能支持分布式同構(gòu)系統(tǒng)和異構(gòu)系統(tǒng)的仿真訓(xùn)練和仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)深入的作戰(zhàn)業(yè)務(wù)邏輯仿真模型的重用和組合，系統(tǒng)功能性能得到了有效提升。

5 結(jié)論

通過對(duì)面向聯(lián)合的海戰(zhàn)仿真模型進(jìn)行合理的層次、粒度、模態(tài)與接口的優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了面向服務(wù)的聯(lián)合海戰(zhàn)仿真服務(wù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合海戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真模型的組合與重用，改善和提高了系統(tǒng)仿真性能。論文仿真模型優(yōu)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法可為大型分布式聯(lián)合海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)提供底層的仿真模型資源優(yōu)化和集成，對(duì)面向聯(lián)合的新型海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研制與現(xiàn)有基于異構(gòu)、同構(gòu)系統(tǒng)的改造和升級(jí)具有積極意義和重要作用。