基于模板的军事概念模型描述与设计*

王洪军，孙 涛，郑世明

(南京陆军指挥学院作战实验中心，江苏 南京 210045)

军事概念模型是独立于实现的真实世界的实体、任务等作战要素的表示，是军事建模仿真系统开发中重要的一环，对于仿真的可信度具有重要的影响。军内对军事概念模型的研究是在吸取美军任务空间概念模型(Conceptual Models of the Mission Space-CMMS)概念和技术的基础上［1］，根据我军作战仿真实际特点提出的。它的提出可以大大减小问题域和求解域之间的差异，更容易为军事人员和建模人员掌握和运用，使其理解所研究的问题并达成一致意见。随着建模仿真技术的发展，军事建模与仿真已经越来越受到各级领导的重视，军事概念模型的提出从一定程度上消除了问题域与求解域之间的差异［2］，为军事人员和技术人员对作战问题的一致性理解提供了很大的帮助。但由于技术机制和管理体制等原因，各科研单位对概念模型的重视程度不一，还存在诸多问题。1)概念模型描述缺乏统一的标准［3］。特别是对于大型复杂系统而言，不同的单位可能承担不同的模型开发任务，在模型对接时，往往会存在很多描述上的偏差。2)概念模型设计方法不一致。由于存在着多种概念建模工具，每一种工具对同一问题的描述的表现形式不同，使得概念模型在语法和语义上缺少一致性，概念描述存在二义性［4］。3)概念模型内容不全面。对于同一类型模型而言，不同的兵种单位描述角度不同、描述属性不同、建模元素不同，使得模型在组合过程中出现逻辑关系不清晰、数据流不明确等问题［5］。因此，有必要规范军事概念建模过程、明确建模内容和固化概念模型描述模板。

1 建模思路

通过作战仿真系统实现对战场环境、战斗进程以及作战方式的模拟是一种较为科学的作战研究手段，通过定量与定性相结合的方式对作战规律进行研究。而要实现上述目标，首先要构建一个层次合理、内容全面、易于调用和组合的模型体系，在这个模型体系中，每一个模型都由军事概念、数学逻辑和程序模型三个部分组成，这是仿真建模的三个重要阶段［6］。

军事概念模型是军事人员依据条令、条例和军事经验，面向仿真建模领域，用军事人员习惯的军事语言，对各类基本作战实体、作战行动、作战环境、影响因素［7］，以及各类实体与实体之间、行动与行动之间、条件与行动之间相互作用的规则化军事描述，是一种结构化或半结构化的抽象描述。其目的是为建立逻辑数学模型和程序仿真模型提供军事依据，确保军事与技术人员对同一军事问题理解的一致性。

从建模的过程上看，军事概念模型建模分为面向领域的建模和面向设计的建模，只有将领域问题弄清楚后才能完成模型设计，基本步骤分为军事需求分析、军事概念描述、军事概念抽象和军事概念表示，如图1所示。

图1 军事概念建模基本步骤

需求分析主要分为军事问题分析、建模任务分析和功能需求分析，紧紧围绕模型所要解决的问题、模型需要完成的任务以及模型应具备的功能等方面，借助军事专家的指导完成各个细节特征的描述，确保需求分析的一致性、完备性和准确性。

概念描述主要分为模型实体描述、模型关系描述和模型行为描述，模型实体描述是对不同层次不同类型实体的区分，将需求描述中的实体类型等相关信息进行梳理。模型关系描述是对行动实体在执行特定战斗动作过程中，与其它实体之间和实体动作之间关系的总体描述，目的是对行动实体在不同层次使命空间中所涉及的关系类型进行梳理。模型行为描述是对特定行动实体完成指定作战行动的抽象描述。

概念模型抽象主要分为模型属性抽象、模型规则抽象和模型行为抽象等。军事概念抽象主要是通过对作战编组、作战阶段、主要作战任务行动以及作战环境等分析，对模型属性、规则和行为等形式进行描述。可用类图描述作战过程中的实体及实体间的静态关系，用活动图描述实体、动作及任务之间的动态关系，用交互图描述出各实体间的信息交互流程［8］。

针对军事概念表示问题，本文主要采用EATI方法对作战过程进行抽象描述，形成实体元模型、关系元模型、行动元模型和交互元模型等，并通过填写概念模型模板对描述对象及其动作过程和军事规则给出一个集中的、规范化的描述。

2 基于模板的概念模型描述与设计

概念建模目的是为数学模型、逻辑模型和验证模型的建立提供军事依据，确保军事人员与技术人员对同一军事问题理解的一致性。本文提出一种基于模板的军事概念模型建模方法(Military Concept Model based on Template)，主要从原子角度对概念模型进行划分，通过实体元模型、动作元模型、关系元模型、属性元模型和数据元模型等对军事概念模型进行描述，本文提出的建模思路主要是针对陆军部队作战仿真实体的。

2.1 实体元模型描述

实体元模型(ENM)描述主要是对模型的名称、类别、编号、功能、所属兵种、应用层次等信息进行描述，采用六元组表示:

ENM::= ＜ ENS，ETS，ECS，EFS，EAS，ELS ＞ 。

ENS名称段，表示模型的名称，与模型ID绑定;

ETS类别段，表示模型所属的专业类别;

EFS功能段，用来说明模型的主要用途;

ECS编号段，是模型的ID，通过编码对模型进行唯一性标识;

EAS军兵种段，模型所属的军种、兵种;

ELS应用层级段，说明模型的粒度。

以122mm火箭炮模型为例，其模板描述如表1所示。

表1 实体元模型描述示例

2.2 动作元模型描述

动作是由实体模型执行的，主要对模型主体所涉及的所有动作行为及其功能进行描述。动作元模型可以表示为如下的八元组:

ACM::= ＜ ACES，ACSS，ACNS，ACCS，ACFS，ACSS，ACOS，ACCS ＞ 。

ACES执行实体段，执行动作的主体名称和编号(与模型中的ENS关联);

ACSS动作集合段，描述所能完成动作的类型列表，如进攻、射击和机动等;

ACNS名称段，赋予每一个动作的名称;

ACCS编号段，与名称相对应的动作编号，即与名称绑定的动作ID;

ACFS功能段，描述每一个动作执行所能完成的具体功能;

ACIS输入段，描述动作的触发条件，即执行动作的输入信息;

ACOS输出段，描述动作执行后的输出信息;

ACCS控制段，根据作战条令，对所有作战动作进行规划;

以坦克模型为例，其动作元模型描述如表2所示。

表2 动作元模型描述示例

2.3 关系元模型描述

关系元模型主要是以行动为中心的交互关系，交互关系区分为实体间的关系、实体与动作间的关系、动作与任务间的关系以及任务间的关系四大类［9］，如通信关系、指挥关系、配属关系、控制关系、供给关系、对抗关系等。上述关系经过统一抽象后变成两种关系，即前驱交互关系和后继交互关系。关系元模型可用五元组表示为:

RENM::= ＜ RNS，RTS，RAS，RIS，RDS ＞ 。

RNS名称段，包括前驱、后继交互关系的名称和编号;

RTS类型段，说明前驱、后继交互关系的类型，如指挥关系、配属关系等;

RAS动作段，包括前驱、后继交互关系涉及的动作名称和类型;

RIS接口段，描述与其他模型交互时的输入、输出接口的名称与编号;

RLS逻辑执行段，主要描述关系执行的时间顺序、逻辑顺序等。

以行动为中心的关系元模型其模板描述如表3所示。

2.4 属性元模型描述

属性元模型(ATTM)描述主要是对模型各种属性进行具体描述，主要分为标识属性、实力属性、动态属性、任务属性、效能属性等。采用五元组表示:

表3 关系元模型描述示例

ATTM::= ＜ ATIS，ATOS，ATDS，ATTS，ATES ＞ 。

ATIS标识属性段，主要描述模型所属方、级别、对应单位编制名称和代字;

ATOS实力属性段，模型配备人数、装备数、上级单位和作战编成名称等;

ATDS动态属性段，描述模型的行动方式、空间位置、生存状态和行动方向;

ATTS任务属性段，描述具体执行的任务内容、任务等级和任务执行情况的状态;

ATES效能属性段，描述的是模型的火力指数、机动能力指数、防护能力指数、战斗力指数和信息共享能力指数等。

以机械化步兵连模型为例，其模板描述如表4所示。

表4 属性元模型描述示例(机械化步兵连模型)

2.5 数据元模型描述

数据元模型(DAM)主要是对模型属性定量数据的描述，主要分为位置数据、战斗力指数数据、速度数据、时间数据、装备数据、人员数据、通信距离数据、战场防护数据、弹药量数据和战损数据等。采用以下十元组表示:

DAM::= ＜ DLS，DIS，DVS，DTS，DES，DPS，DCS，DFS，DAS，DDS ＞ 。

DLS位置段，主要描述模型的坐标和高程信息;

DIS战斗指数段，主要描述模型针对不同目标的火器指数;

DVS速度段，描述模型的运动速度;

DTS时间段，描述模型执行任务、完成动作的各种时间;

DES装备数量段，描述模型配备装备的数量;

DPS人员数量段，主要描述模型配置的人员数量;

DCS通信距离段，模型与其他实体通信的有效距离等;

DFS战场防护段，描述模型的战场防护能力;

DAS弹药量段，描述模型携带的弹药数量;

DDS战损段，描述模型的战损情况。

以坦克连模型为例，其模板描述如表5所示。

表5 数据元模型描述(坦克连模型)

元数据属性注册代码如下:

BEGIN－METADATA(DATAMETAMODEL)

REG－BASE(DAM)

REG－PROP(LocationData，“位置数据”)

REG－PROP(StrengthIndexData，“战斗力指数数据”)

REG－PROP(Velocity Data，“速度数据”)

REG－PROP(TimeData，“时间数据”)

REG－PROP(Equipment Data，“装备数据”)

REG－PROP(PersonData，“人员数据”)

REG－PROP(CommunicationDistanceData，“通信距离数据”)

REG－PROP(FenseData，“战场防护数据”)

REG－PROP(Ammunition Data，“弹药量数据”)

REG－PROP(DamageData，“战损数据”)

END－METADATA()

3 作战实体、行动与元动作模型之间的关系

作战仿真模型中作战实体、行动和元动作模型的相互关系如图2所示，通过该图能够简要说明实体是如何按照行动计划完成相关动作的。

图2 实体、行动计划与元模型关系

模型的驱动主要是采用作战实体与行动关联的方式来实现，即作战实体按照上级赋予的作战任务形成若干个作战行动［10］，以行动计划列表的形式发布行动命令，而后根据作战任务对命令按照专业、行动类别进行区分，对作战行动计划进行分解后，以元动作的方式分别调用射击、进攻、公共计算和环境等组件模型完成相应作战任务。

1)元模型库

元模型库是作战仿真模型系统的核心，主要是将陆军部队各兵种主要作战行动进行细化后形成基础行动的集合，以模型服务的方式提供给各行动模型组合调用。将其中最基本最通用的部分抽取出来形成“元动作模型”。包括机动、进攻、反冲击、射击、布雷、破障等基本模型，同时还可以结合公共服务和计算模型，如毁伤计算、地形计算、坐标计算等模型，形成“元模型库”。这样的模型调用机制便于模型的开发、集成、管理、调用和维护。

2)行动计划列表

行动计划列表的主要功能是按照计划执行的时间顺序、集中保存指挥员(作战方案制定者)所制定的作战行动计划数据，便于管理和调用。在一条行动计划中可能会包含多条行动命令，如多条机动路线、攻击任务等。将其分解后统一存放在行动计划列表中统一管理。行动计划列表是一个动态管理的数组，以图2中为例，存放了用户针对1营1连、炮兵连、坦克1连的三条计划任务，这三条计划任务分别被拆分为5、4、3条元动作，通过实体模型中的当前命令指针的关联，从而达到实体模型按照时间顺序执行作战计划的命令。

3)实体当前行动计划数据指针

实体模型中都包含一个“CurCmd”指针，该指针指向行动计划列表中该实体正在执行的行动任务，在行动计划任务表中包含实体执行该任务所需要的输入、输出参数。当实体执行完当前的行动计划后，按照逻辑顺序自动执行下一条命令指针，如果下一个行动元任务中没有该实体应该执行的，则置该实体的当前行动计划指针为空，从而达到行动计划统一管理和调用的目的。

4 结束语

通过上述分析研究可以看出，军事概念模型是作战仿真软件开发的阶段性成果，同时又是作战仿真软件开发过程的可视化显示，加强对概念建模的研究，对推动我军作战仿真工作的进一步发展具有重要的现实意义。同时，我们应加强对概念建模过程工具的开发［11］。因为工具往往带有一定的“强制”性，所以开发过程工具化既有助于规范化概念建模过程的实施，又能够有效推动概念建模规范化工作的进一步发展。

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