摘 要:军事概念模型对开发作战系统的计算机仿真模型具有良好中介作用。本文先介绍了军事概念模型的概念、内容和建模要求。在简要介绍面向过程建模法和面向对象建模法的基础上,着重介绍了两者结合的方法———面向实体的军事概念建模法。
关键词:军事概念模型 面向过程 面向对象 面向实体 建模
1 引 言计算机作战仿真是通过构造一个模型,在计算机上模拟作战系统的构造和运行,从而揭示作战系统某些令人感兴趣的特性和活动规律。
作为一种现代化的研究手段,与其它的研究手段如实物试验、实兵演习相比,计算机作战仿真具有低成本、可重复、短周期等突出优势,在作战训练、武器装备论证、战术战法研究以至战略决策研究等方面有着广泛的应用。从功用上看,计算机作战仿真模型实际是一个信息处理系统,其研制和开发遵循一般软件工程的原则,需经历需求分析、系统分析、系统设计、编码调试和运行维护等阶段。通常情况下,构造系统仿真模型,建模人员首先要认识和理解作战系统,对系统的组成和运行方式有一个比较清楚的把握。然而,作战系统是一个极其复杂的动态随机系统,具有规模大、因素多、结构关系复杂和状态多维等复杂性。在模型研制时限内,建模人员学习足够的军事知识,了解作战系统的组成结构和演变过程是非常困难的。因而作战系统建模不能采用如图1所示的简单系统的仿真模型开发模式,从作战系统直接开发仿真模型系统。开发经验表明,很多计算机作战模型的开发因为建模人员对军事知识掌握不够,对作战系统认识不够而失败。对问题域了解不够而开发的仿真模型常常出现“四差”问题:逼真度差、可信度差、适应性差和重用性差。
2 为了构造逼真可信的仿真模型,有必要在作战系统和仿真模型之间构造一个中间层次模型———军事概念模型,把需要仿真的作战系统的特性和行为表达清楚。军事概念模型作战系统是由在一定时域和空域内的对抗双方或多方的作战编成单位、武器装备通过相互作用、相互影响构成的系统。为了揭示作战系统的运行规律,采用模型模拟作战系统的运行过程。模型是对现实作战系统的简化和抽象。按照模型被简化和抽象的层次,模型有军事概念模型、计算机仿真模型。军事概念模型是居于现实作战系统和计算机仿真模型之间的中间层次模型。
2.1 军事概念模型定义军事概念模型是对现实军事作战行动的一致描述。通过采用独立于任何仿真实现的语法、语义和图表等工具,军事概念模型为建模人员提供特定任务相关的军事行动的规范化描述。作为把作战系统抽象成仿真模型的一个中间环节,军事概念模型可以大大减小问题域和求解域之间的差异,容易为军事人员和建模人员掌握和运用,便于他们理解所研究的问题并达成一致意见。
在构造计算机作战仿真模型过程中,军事概念模型具有多方面的意义:
(1)是一种有效交流的工具,建模人员和军事人员交流方便。通过它,军事人员可以清楚地解释作战仿真需求有关的军事概念和规则;建模人员可以正确把握仿真需求,从用户要求的侧面比较正确地认识和理解作战系统。
(2)是一种良好的问题求解模式。先从作战系统开发军事概念模型,再从军事概念模型实现仿真模型比从作战系统直接开发仿真模型容易。这种问题的求解模式体现了分而治之的思想,大大地降低了问题求解的难度。
(3)是一套有效解决问题的办法。通过合理的、必要的假定,限定了系统的范围,降低了系统的复杂性,建模人员得以认识和把握用户感兴趣的、有关作战系统的特性和行为,舍弃了与用户仿真需求无关或关系不大的方面。
(4)是仿真模型开发和校核、验证和确认(VV&A)的基础。从图2看出,仿真模型是否反映用户的仿真需求,要看它是否正确表达了相应的军事概念模型;是否反映真实的作战系统,要看军事概念模型是否正确表达了作战系统,此二者又是对它确认的依据。
(5)是一种改善仿真系统性能和资源利用效率的方法。以往仿真建模一旦实现,抽象得到的成果就被扔弃,而过后相同过程和现象的建模又得重新抽象,资源利用率不高。构造军事概念模型,用标准的语义语法表达,有利于仿真元素的重用,同时增强组件的互操作性。正是由于军事概念模型的桥梁作用,使用它,军事人员不需掌握过多的建模技术和方法,不必成为职业化的建模人员,而建模人员不需掌握太多的军事知识,成为职业化的军事人员。
2.2 军事概念建模要求军事概念模型是对作战系统的第一次简化和抽象,是建模人员在军事人员的协助下对作战系统的认识,所用概念要与军事术语一致。其核心内容是对作战过程和现象的描述。军事概念建模必须遵照以下要求:
(1)正确合理。首先对作战系统的假定必须合理、有根有据,不能随意提出。其次对作战双方(或多方)作战实体的特性和行为描述必须符合军事规则和习惯约定,双方是“公平作战”,建模人员没有偏向和歪曲。
(2)规范一致。在概念建模过程中,实体、实体行为、实体属性等仿真元素的含义和表达形式,应该遵守规范标准的语义和语法。
(3)类比相似。军事概念模型与作战系统要能同构或同态(至少是同态),在组成结构、行为功能等方面具有类比性或相似性,这是军事概念建模的主要目标之一。曹裕华等:军事概念模型及其建模方法
(4)内容完整。军事概念模型描述的是作战系统特性和行为的子集,用户要求描述的都应包含在军事概念模型里,没有遗漏。
(5)独立实现。军事概念模型的一个突出特性是“独立于仿真实现”。军事概念模型不描述在什么平台、用什么语言实现仿真,是否采用面向对象程序设计等问题。
(6)容易验证。军事概念模型的每一项内容都可以追踪到作战系统,在作战系统中有一相应的“对应物”,军事人员可以根据领域知识对其进行审查验证。
3 军事概念建模方法为了把待仿真的作战系统描述清楚,开发高质量的军事概念模型,有必要摸索一些方法、策略和步骤,以指导军事概念建模。军事概念建模实际上是分析和认识作战系统,过去人们常用面向过程法和面向对象法,本文把它们结合提出面向实体法。
3.1 面向过程法围绕作战过程组织军事概念模型,以抽象作战过程为主,侧重作战过程和现象的分析。采用自顶向下,逐步分解的思想,把作战过程分解成一个个子过程,子过程根据需要再进一步细分,直到分解成原子性的、执行不可打断的行为。最后对行为进行建模。建模过程中,值得注意的问题,一是过程分解由用户对作战现象和过程关注的程度以及提供的建模资源共同确定:分解过细,模型繁杂,实现困难,占用资源多;分解过粗,达不到用户的建模需求。二是过程最小的粒度———行为属于整个作战系统,而非某个组成部分。
3.2 面向对象法从系统组成的角度分析作战系统,抽取的概念模型以对象组织系统。强调从三个不同的但又相关的方面,分别建立对象模型、动态模型和功能模型来描述系统。其中,对象模型描述的是系统中的对象和它们之间联系的静态结构;动态模型描述改变时序的系统方面,用于指定和实现系统的控制方面;功能模型描述系统内数据的转移—功能、映射、约束及功能依赖条件等。三种模型在系统分析和设计的不同阶段使用,分析和设计的结果是对象关系图、数据流图和事件、状态和响应图。
3.3 面向实体法军事概念建模是建模人员、军事人员和用户共同参与的活动。通常情况下,军事人员和用户对建模技术,特别是计算机技术不甚了解,因此在分析作战系统,构造军事概念模型过程中,应该尽量使用军事术语。实体是指敌对双方执行作战任务的作战编组或保障单位,是一个问题域中的概念。面向实体的军事概念建模从分析作战过程入手,依次抽取双方的参战实体、实体属性、实体行动,把实体属性、实体行动封装成实体类,形成军事概念模型。面向实体概念建模包括军事问题分析、抽取作战实体、确定实体属性、确定实体交互、封装属性和行动等五步。
军事问题分析军事问题分析实际上是对作战系统的运行过程分析。为了用计算机模拟给定样式的战斗或战役,依据作战条令和用户的仿真需求,军事人员提供一个仿真问题的军事陈述———战斗/战役进行过程及其相关信息的描述。作战过程相关信息描述包括作战阶段和作战时节的划分、每个时节敌对双方的行动以及参与的作战实体。其中作战时节是作战阶段的进一步细分,作战行动是敌对双方实体为完成作战任务采取的动作。每个作战时节会有若干作战行动,它们以一定方式(顺序/循环/选择、串行/并行等)进行。建模人员在军事问题分析阶段的主要任务:
(1)弄清楚作战过程、作战阶段的划分,初步抽取敌对双方的作战行动。这些作战行动有的从军事问题描述中可以直接抽取,有的隐含在军事背景知识中,需在军事人员的协助下抽取,行动粒度都可能较粗。
(2)根据军事人员和用户对作战过程细节关心的程度(分辨率和精度)以及仿真资源,确定作战行动的表达粒度。粒度大的行动,依据权威知识源,进一步进行分解,直至最小要求粒度。最小粒度的作战行动具有原子性、执行不可打断的特点。
(3)分析确定每个作战行动开始和结束条件,确定它的执行实体、承受实体。
(4)分析确定行动效果和影响行动效果的因素。行动效果是指行动完成后执行实体、承受实体以及环境的某些特性发生了改变。影响行动效果的因素是指决定行动效果大小的方面,同样包括执行实体、承受实体以及环境的某些特性。军事人员在军事问题分析阶段的任务主要是协助建模人员分解作战行动,抽取隐含的作战行动,规范化行动和实体等仿真元素的用语。军事问题分析阶段的结果是作战行动及其描述清单。
作战行动列表行动序号行动名称开始/结束条件执行实体承受实体影响行动效果因素行动效果1炮火准备时间8时/齐射次数打完红方炮兵群2号高地所有作战单位火炮性能、弹药威力,炮兵群规模、齐射次数,2号高地作战单位的防护等级炮兵群弹药数量、作战时间,2号高地作战单位人员装备损伤、工事破坏等抽取作战实体作战实体包括指挥实体和执行实体。执行实体是执行作战或战斗保障的实体(如步兵班或战斗组、炮兵营或连、直升机、工兵班等)。指挥实体是对其下属的执行实体进行战斗指挥的实体(如连指挥所、团指挥所)。在军事问题叙述里,实体是名词并且特指作战单位,一般易于确认和抽取。但是用户仿真需求里可能有隐含的作战单位,它们的确认和抽取需要一定的军事背景知识,要在军事人员的协助下进行。作战实体的分辨率由用户的仿真需求确定。抽取出所有的作战实体后,建模人员还有以下任务:
(1)作战实体的初步分类,确定实体是何种类型的作战单位,类型是根据单位的共性和需要设置,例如把参战实体分为指挥单位类、炮兵单位类、步兵单位类、工程兵单位类等。此阶段的分类只是按照军事人员的直观理解进行,可以作为抽象实体类的基础,更进一步的抽象还需确定实体属性之后进行。
(2)确定上级实体,即本实体由哪个实体指挥。曹裕华等:军事概念模型及其建模方法
(3)确定本实体下属或配属哪些实体,目的是为了识别实体之间的组织结构关系。
作战实体列表实体序号实体名称实体类别上级实体下属/配属实体清单1 1团指挥所指挥实体师指挥所1团1营、1团2营、1团3营、团炮兵群、工兵连、反坦克连、坦克营3.3.3 抽取实体属性属性是作战实体特性的描述,对应于实体的状态。作战实体的属性包括以下几类:
(1)实体类型,如级别、功能等信息;(2)实体实力,如人员、装备的数、质量信息;(3)实体任务,实体执行的任务和完成程度信息;(4)空间属性,实体所处空间的位置和实体大小信息;(5)运动属性,实体运动特性的信息;(6)状态属性:如运动、伤亡、压制等信息。
抽取实体属性的来源和依据有二:
一是军事问题描述。实体属性在军事问题描述中用名词词组表示,作为实体状态的组成,需要抽取出来。
二是军事问题分析后得到的作战行动描述。作战行动是实体(作战编成单位)的行为,其效果受实体某些状态的影响,同时影响实体的某些状态,这些状态都需要用一个属性来描述。作战行动描述是抽取实体属性的主要来源,它们直接为模拟作战行动服务。
实体属性抽取的结果见表3。
作战实体属性列表实体名称属性序号属性名称属性类型属性取值范围1团指挥所1位置结构类型
3.3.4 抽取实体之间交互交互是作战仿真模型需要描述的仿真元素之一。所谓交互是由一个实体产生的作用于另一个实体的一组影响因素。在作战系统中,交互和行动紧密相关,一方面,交互是实体行动的外部触发条件,交互使实体的状态发生改变,状态的改变会使实体采取新的作战行动。比如坦克实体在受到敌方攻击时会进行规避或回击。另一方面,交互是作战行动产生的结果,实体在实施作战行动过程中,不断对其它实体施加影响和发送交互。
根据交互对实体影响的性质,可以分为两种:
(1)物理交互———对物理作用的量化描述,如“炮击”交互由若干毁伤效果参数构成;(2)信息交互———对指挥控制信息和反馈信息的量化描述,如上级给作战实体下达的作战命令,作战实体给上级的报告。
交互的抽取主要根据作战实体行动描述。如果作战行动产生的效果影响其它实体,或者行动使自身状态改变,而其它实体需要感知这个变化,这时两个实体存在一个交互。
实体交互列表交互名称产生行动发送实体名称接收实体名称备 注炮击炮火准备炮兵群2号高地所有实体实体属性和行动的封装为了借助面向对象的思想和方法,需要以实体为单位组织整理行动和属性,保证每个属性和每个行动归属一个实体。整理军事问题分析结果可以获得实体行为的归属,属性的归属从实体属性列表获得。属性和行动封装后得到一个个实体实例。根据实体列表中实体类别,确定实体类。在用户的仿真需求指导下,建模人员需经过上述五步多次反复,才能从若干侧面对作战系统进行正确的认识和描述。为了便于理解、交流和从中抽取独立于仿真任务的部分,建立仿真资源库,重用仿真元素,军事概念模型的表达应该标准化、规范化。
3.4 几种军事概念建模法比较面向过程法与面向对象法分析和认识作战系统的视图不同。面向过程法从作战进程看作战系统,抽取的仿真元素是系统的一个个行为,系统组成单元是行为的参数,仿真元素之间是明显的时序关系;面向对象法从系统的组成看作战系统,抽取的是一个个对象,系统的流程被分解为行动,并被分配到对象,作为对象的操作,仿真元素之间存在结构关系。
作战系统具有明显的过程性,采用面向过程法认识和分析作战系统,构造军事概念模型有以下优点:
(1)概念模型与作战系统的运行流程一致,建模方法比较简单;(2)直接分析作战现象和过程,易于抓住仿真问题的目的和本质。
但是用面向过程法进行军事概念建模,构建的模型重用性差,抽取的仿真元素不完整。
面向对象法比较适合概念建模,具有与人们习惯的思维方法一致,模型的可重用性、可维护性好,易于测试和调试等优点。但是对象不是问题域中的概念,军事人员不易理解,建模人员与军事人员的交流可能存在困难。
面向实体法把面向过程法和面向对象法结合起来,作战系统分析采用面向过程的思想,从分析作战过程入手,模型元素抽取和组织采用面向对象的思想,如聚合、抽象和封装等。建模始终以作战系统的特殊对象———实体为主线,系统和环境的其它对象建模围绕实体、实体行动建模的需要进行,突出了建模重点,减小了建模的复杂度。因此,相比而言,面向实体法更适合作战系统的特点,构建概念模型更容易。
4 结束语军事概念模型在作战仿真模型构造过程中起着承前启后的中介作用。军事概念建模需要有效的方略指导。面向实体的军事概念建模方法从军事问题分析入手,借助军事领域的概念而不是计算机领域的概念描述作战系统,军事人员既便于运用和掌握,又便于交流和合作,使军事概念建模顺利进行,为仿真模型的构造及其校核、验证和确认(VV&A)奠定基础。
参考文献1 Shari Lawrence Pfleeger. Software Engineering Theory and Practice. Pearson Education. 2002.
2 Roald J Norman. Object-Oriented Systems Analysis and Design. Prentice Hall,1999.
3 DMSO. Conceptual Models of the Mission Space (CMMS) Representations.
4 Furman Haddix,Larry O Brien. Conceptual Models of the Mission Space Technical Framework.http://www.dmso.mil,1997-02-13.
5 Dale K Pace. Development and Documentation of a Simulation Conceptual Model. 98F-SIW-017.
6 Sheehan J. Brief of DMSO CMMS Program. VV&A Technical Working Group,1997.