基于HLA的自行高炮CGF的研究與設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軍事需求的不斷提高，作戰(zhàn)模擬逐步由單機(jī)環(huán)境轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，分布交互式作戰(zhàn)仿真成為研究的重點(diǎn)，各種支撐技術(shù)相繼出臺(tái)，最具代表性和發(fā)展?jié)摿Φ氖腔诟邔芋w系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)框架下構(gòu)建的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)生成兵力(Computer Generated Forces，CGF)是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它通過一定的協(xié)議把分布在模擬器中的個(gè)體聯(lián)入同一個(gè)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)綜合仿真。通過對人類作戰(zhàn)行為足夠的建模，這些實(shí)體能不需要人為的交互而自動(dòng)地對仿真戰(zhàn)場環(huán)境中的事件和狀態(tài)做出反應(yīng)?；贖LA的某自行高炮武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練平臺(tái)是采用HLA的技術(shù)、體制和思想構(gòu)建起來的先進(jìn)仿真訓(xùn)練環(huán)境，它主要完成高炮的戰(zhàn)法演練、日常訓(xùn)練、裝備論證等任務(wù)。高炮CGF是某自行高炮武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的一個(gè)聯(lián)邦成員，其本身也作為一個(gè)獨(dú)立的聯(lián)邦，能為受訓(xùn)人員提供交戰(zhàn)對手或援軍的主要兵力實(shí)體，其模型的準(zhǔn)確性、有效性、真實(shí)性將直接關(guān)系到高炮作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練的效果。由上可知，構(gòu)建基于HLA的高炮CGF對整個(gè)仿真系統(tǒng)科學(xué)、有效地運(yùn)行具有重要的意義。

1 高炮CGF的設(shè)計(jì)思想及原則
1．1 設(shè)計(jì)思想
    由上可知，高炮CGF是作為一個(gè)聯(lián)邦成員加入高炮武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練平臺(tái)的，如圖1所示，需要說明的是，高炮CGF本身也是一個(gè)聯(lián)邦，它也有自己的聯(lián)邦成員，本文所研究的就是高炮CGF作為聯(lián)邦其本身的構(gòu)建過程。按照聯(lián)邦開發(fā)執(zhí)行過程(Federation Development and Execution Process，F(xiàn)EDEP)，根據(jù)明確的聯(lián)邦開發(fā)目標(biāo)來開發(fā)聯(lián)邦概念模型(Federation Conceptual Model，F(xiàn)CM)。高炮CGF聯(lián)邦的開發(fā)目標(biāo)是建立一個(gè)能夠在高炮武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練平臺(tái)中為受訓(xùn)人員提供交戰(zhàn)援軍的智能高炮兵力實(shí)體，它不僅具有構(gòu)建各種不同類型和功能的高炮的重用能力，更重要的是通過給定不同的初始化數(shù)據(jù)可快速重構(gòu)出高炮作戰(zhàn)訓(xùn)練所需要的具有不同層次的指揮決策能力和戰(zhàn)術(shù)行為的仿真智能高炮。

1．2 設(shè)計(jì)原則
    高炮CGF實(shí)體采用簡化的動(dòng)態(tài)模型，具有節(jié)省時(shí)間、充分體現(xiàn)對象外在特性、模型易于機(jī)動(dòng)控制的特點(diǎn)。高炮CGF必須符合HLA所提出的聯(lián)邦成員規(guī)則，才能與HLA兼容。HLA為聯(lián)邦和聯(lián)邦成員提出了必須遵循的10條規(guī)則，其中聯(lián)邦成員規(guī)則有5條，分別為：每個(gè)聯(lián)邦成員必須具有一個(gè)符合HLA OMT規(guī)范的仿真對象模型(Simulation Object Model，SOM)；每個(gè)聯(lián)邦成員必須能夠更新或反射其在SOM中說明的任何屬性、發(fā)送和接受SOM中說明的交互實(shí)例；在聯(lián)邦運(yùn)行過程中，聯(lián)邦成員應(yīng)能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移或接受在它的SOM中說明的對象屬性所有權(quán)；聯(lián)邦成員應(yīng)能改變其SOM中規(guī)定的更新屬性值的條件(例如閾值)；聯(lián)邦成員應(yīng)該能管理局部時(shí)間，從而允許它和聯(lián)邦中的其他成員協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)交換。
    HLA主要由規(guī)則(Rules)、對象模型模板(OMT，Object Model Template)和接口規(guī)范(Interface Specification)3部分組成。在HLA中將仿真應(yīng)用與底層的通信和分布仿真基本功能相分離，由運(yùn)行時(shí)間框架(Run Time Infrastructure，RTI)提供的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)底層的通信和基本功能，即在一個(gè)聯(lián)邦的執(zhí)行過程中，所有的聯(lián)邦成員按照HLA的接口規(guī)范說明所要求的方式同RTI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)成員間的互操作。高炮CG-F、聯(lián)邦通過向RTI請求服務(wù)的方式完成某些操作，并及時(shí)更新對象實(shí)例的屬性和交互類屬性。

2 高炮CGF系統(tǒng)的仿真模型
    通用CGF系統(tǒng)中的模型主要有3種，即物理行為模型、智能行為模型和環(huán)境模型，只有正確地建立這3種模型，最后所得到的CGF對象才是可信的。高炮CGF實(shí)體一般行為是指高炮在戰(zhàn)場中的物理行為，中間包含了智能行為的實(shí)現(xiàn)，智能行為模型建立在物理模型之上，在通過物理模型獲取感知和命令的基礎(chǔ)上，經(jīng)過推理產(chǎn)生決策，并通過物理模型實(shí)施決策、產(chǎn)生效應(yīng)，作用于戰(zhàn)場環(huán)境。如高炮實(shí)體在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的機(jī)動(dòng)、偵查、開火，射彈散布，以及高炮分隊(duì)路徑規(guī)劃、隊(duì)形變換、火控運(yùn)用等聚合級行為。根據(jù)某自行高炮的戰(zhàn)斗行為，將高炮CGF的實(shí)體模型進(jìn)行分類，如圖2所示。

    高炮攻防對抗過程可看成是由一系列離散一連續(xù)事件和活動(dòng)組成，該CGF系統(tǒng)主要由CGF操作員接口和5大模型組成，即機(jī)動(dòng)模型、火控模型、毀殲效能評判模型、數(shù)據(jù)庫模型和智能決策模型。
    (1)機(jī)動(dòng)模型。主要包括進(jìn)攻過程中單炮機(jī)動(dòng)模型，分隊(duì)作戰(zhàn)的路徑規(guī)劃模型。
    (2)火控運(yùn)用模型。主要包括目標(biāo)探測模型，目標(biāo)選擇模型，瞄準(zhǔn)射擊模型，射道分布模型。
    (3)評判模型。主要包括紅藍(lán)雙方的毀傷結(jié)果，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。
    (4)數(shù)據(jù)庫模型。主要包括雙方參戰(zhàn)的性能參數(shù)，紅藍(lán)方的戰(zhàn)術(shù)機(jī)制，高炮的位置、配置地域等情況。
    (5)智能決策模型。智能決策模型設(shè)計(jì)是建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要采用人工智能技術(shù)來進(jìn)行智能決策模型的建立。

3 高炮CGF智能決策模型的實(shí)現(xiàn)方案
    CGF的研究重點(diǎn)在于實(shí)體行為，尤其是智能行為的實(shí)現(xiàn)。目前，實(shí)現(xiàn)CGF的智能行為主要采用人工智能技術(shù)。高炮CGF行為模型中的智能決策模塊將由物理模型傳來的信息根據(jù)知識(shí)庫進(jìn)行決策，模塊內(nèi)部由2大部分組成：接口模塊和決策模塊。其中接口模塊由接收屬性模塊、發(fā)布交互模塊組成。決策模塊分為決策器模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、戰(zhàn)術(shù)控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫和歷史信息庫模塊。決策模塊采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能算法實(shí)現(xiàn)，決策過程為：決策機(jī)制接收當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)信息，結(jié)合炮車的自身狀態(tài)，參照任務(wù)目標(biāo)做出決策，產(chǎn)生動(dòng)作控制信息。在高炮CGF系統(tǒng)中，先用模糊邏輯的方法對當(dāng)前態(tài)勢進(jìn)行分類，判斷所采用戰(zhàn)術(shù)規(guī)則的類別，再根據(jù)規(guī)則庫實(shí)施戰(zhàn)術(shù)決策，并對當(dāng)選戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃，再將決策結(jié)果作為控制信息傳回給物理模型實(shí)體。在智能決策過程中，需要考慮當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)與規(guī)則條件的匹配、規(guī)則的搜索、沖突消解、匹配失敗的處理等問題，同時(shí)還要考慮智能決策的實(shí)時(shí)性問題。實(shí)時(shí)決策是指在決策過程中，當(dāng)某規(guī)則最適合當(dāng)前態(tài)勢時(shí)，能夠迅速啟用該規(guī)則，充分抓住戰(zhàn)機(jī)；而當(dāng)所有規(guī)則都不適合當(dāng)前態(tài)勢時(shí)，要盡快結(jié)束本次決策過程，以便隨時(shí)迅速進(jìn)入下一輪決策，決策流程如圖3所示。

4 基于HLA的高炮CGF系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于HLA的高炮武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練平臺(tái)的設(shè)計(jì)是聯(lián)邦的開發(fā)過程，高炮CGF仿真子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是聯(lián)邦成員的開發(fā)過程。按照聯(lián)邦成員的開發(fā)過程，應(yīng)對高炮作戰(zhàn)過程、涉及的事件、構(gòu)建的模型、工作時(shí)序、輸入輸出信息及與其他仿真成員組之間的關(guān)系等進(jìn)行分析。
4．1 高炮CGF仿真子系統(tǒng)與其他聯(lián)邦成員的關(guān)系
    由高炮武器系統(tǒng)聯(lián)邦結(jié)構(gòu)圖(圖1)可知，高炮CGF仿真子系統(tǒng)(紅方成員)與其他子系統(tǒng)(成員組)之間是通過HLA接口與RTI連接，由RTI實(shí)現(xiàn)成員(對象)之間的數(shù)據(jù)交換和控制。
4．2 高炮火控單元射擊指揮過程分析
    高炮火控單元的射擊指揮過程，即火控單元完成對空中目標(biāo)射擊的全過程可用下列事件來表征：目標(biāo)搜索控制、目標(biāo)跟蹤處理、目標(biāo)威脅評估及排序、發(fā)生決策、火控分配、發(fā)射和殺傷效果評估及火控轉(zhuǎn)移。
4．3 信息公布訂購關(guān)系
    高炮CGF仿真子系統(tǒng)要完成防空作戰(zhàn)過程仿真，必須與其他仿真成員之間發(fā)生信息交互，交互的信息主要有：
    (1)與導(dǎo)演臺(tái)成員組之間訂購的交互類包括：啟動(dòng)仿真運(yùn)行、暫停和結(jié)束的控制信息；顯示方式、內(nèi)容的控制信息；武器系統(tǒng)性能參數(shù)信息。
    (2)公布的交互類包括：防空火控單元的類型、數(shù)量及部署位置(坐標(biāo))信息；炮彈的飛行軌跡數(shù)據(jù)；防空作戰(zhàn)結(jié)果數(shù)據(jù)等。
    (3)與戰(zhàn)場環(huán)境成員組之間訂購的交互類包括：被保衛(wèi)陣地的類型、編號、坐標(biāo)等信息；電子干擾手段、樣式信息等。
    (4)公布的交互類包括：防空火控單元的類型、數(shù)量及部署位置信息；預(yù)警雷達(dá)類型、數(shù)量、及部署位置信息等。
    (5)與藍(lán)方成員組之間訂購的交互類包括：空中目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)(批次、架次、坐標(biāo)、時(shí)間等)信息；攻擊機(jī)投放的炸彈航跡數(shù)據(jù)信息等。
    (6)公布的交互類包括：炮彈的飛行軌跡數(shù)據(jù)；火控單元陣地毀傷信息。
    高炮CGF作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

4．4 基于HLA的CGF高炮系統(tǒng)決策仿真實(shí)例
    圖5為基于HLA的高炮CGF系統(tǒng)決策仿真實(shí)例，本CGF系統(tǒng)中的RTI采用HLA1．3標(biāo)準(zhǔn)，仿真開始后，目標(biāo)信息、高炮狀態(tài)和炮手決策參數(shù)從輸入端傳人，經(jīng)過仿真運(yùn)行，得到炮手決策的相關(guān)參數(shù)和高炮的開火狀況，如圖5所示。

    決策結(jié)果炮手立刻開火射擊。該仿真平臺(tái)能夠模擬火控系統(tǒng)工作過程的整個(gè)場景，實(shí)現(xiàn)了比較逼真的火控系統(tǒng)工作過程的決策行為模擬。

5 結(jié)語
    在HLA框架下實(shí)現(xiàn)高炮CGF，用少量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)達(dá)到大量增加戰(zhàn)場實(shí)體，擴(kuò)展作戰(zhàn)仿真規(guī)模的目的。下一步工作中要繼續(xù)完善聯(lián)邦成員的各種模型，使之成為一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)HLA接口和完善功能的聯(lián)邦成員，并按照OMT一致的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)高炮CGF的聯(lián)邦對象模型(Federation Object Model，F(xiàn)OM)，給出其核心類表。同時(shí)，要進(jìn)一步提高CGF系統(tǒng)的自治性，將所研制的CGF系統(tǒng)置于分布式虛擬環(huán)境中，以提高基于分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的軍事演練的真實(shí)水平。