基于FLAMES的电子战仿真模型的组合建模

吴志建，方胜良，朱 林

（电子工程学院，合肥230037）

0 引 言

随着军用仿真研究的不断深入，模型的辅助决策技术在现代信息化战争中得到了越来越广泛的重视和运用，同时积累了一大批基础模型和专用模型资源，但也为模型管理带来了挑战。其主要呈现以下特点：研制单位采用不同技术研制的模型导致模型在物理上的分布和技术上的异构；基于特定背景下研制的模型与模型、数据之间的固定性，导致模型重用性差，使多领域模型的集成非常困难，模型可组合性和可重用性不足的问题十分突出。

本文在对现有组合建模技术研究的基础上，对FLAMES柔性仿真框架下的模型组合和重用进行了研究，解决了不同研制单位基于FLAMES开发的模型在战术和战役仿真中的组合和重用性问题。

1 组合建模概述

组合建模可以快速建立新的模型，提高模型的重用性，加快仿真系统的开发，提高模型的质量和降低开发成本。组合建模是最为活跃的一种自动建模方法，基本思想是在给定的条件（具体建模任务的细节描述和前提假设）下，遵循一定的建模规则，选取模型库中的预定义模型片断子集，并通过组合方式获得模型。在军事仿真领域内最早使用“可组合性”术语是在1990年代中期开展的可组合行为技术（CBT）研究中。CBT的目的是使半自动组件形成（ModSAF）用户可以在不使用SAF源代码的情况下，进行新实体行为建模［1］。

Page和Opper从可计算性和计算复杂性的角度对仿真可组合问题进行了初步的理论探索。Davis等人从建模领域、建模理论方法、建模规范标准及管理等不同角度对仿真可组合问题进行了全面分析，并指出可组合性对美国国防部的意义和影响［2－3］。Wilke Havinga基于不同需求条件下组合技术不同的事实，提出了联合对象和组合算子的组合模型，使多种组合算子在同一种应用中进行组合、重用和完善组合算子、开发特定领域组合算子成为可能［4］。王维平教授将可组合型划分为技术、语法、语义、语用和概念5个层次，并提出多层次的组合建模仿真框架。

目前组合仿真的方法包括：基本对象模型、可移植仿真模型标准、基于公共模型库的方法、基于产品线的组合仿真方法、模型驱动的组合仿真方法等。基本对象模型（BOM）以及仿真对象模型（SOM）的开发促进了对象模型重用的发展。可移植仿真模型标准（SMP）由欧洲航天局制定，实现仿真模型的平台独立性、跨仿真平台重用和实现基于组件的开发。

基于公共模型库（CLA）的组合仿真方法依赖于一个公共的可重用模型库，模型库建立在公共的假设及数据传输协议之上。产品线（PL）方法提供的层次化的产品族可加快具体仿真应用系统的开发过程，降低开发费用，仿真开发人员可以利用PL方法提供的服务与工具对产品进行配置、组装及运行，从而便于仿真模型的组合［5］。模型驱动的软件开发（MDSD）提升抽象层次、隔离抽象行为逻辑与具体实现技术细节，使用户的关注点集中在领域问题本身，而不是各种环境与平台的具体细节，从而促进了模型的重用，通过提供模型转换方法，实现异构平台之间的互操作。互操作协议方法利用某种标准互操作协议如DIS、HLA等，将不同的仿真组分连接起来，通过运行时的仿真数据及服务交换实现仿真组分的集成。

2 FLAMES组合建模

2.1 FLAMES简介

柔性行为分析与建模评估系统（FLAMES）是美国Ternion公司20世纪80年代中期开发研制并于2001年公布的仿真开发软件。FLAMES是基于行为仿真的开放式仿真框架软件，其软件本身不能满足用户的具体仿真要求，它仅是一个仿真框架，用户可以在此仿真框架的基础上建立各种装备模型、行为模型和消息模型形成符合自己需求的仿真软件。运用FLAMES可以模拟多种类型系统的行为，它的应用领域包括：新概念武器论证、战术和战役仿真、新战法研究和验证［6］。

基于FLAMES装备行为模式的建模方法是完成军事仿真的有效方法，其基本思想是：采用3类模型协调工作，直观、形象、逼真地模拟双方作战力量的对抗过程，即用装备模型来模拟各种类型装备的特征和行为属性，这些装备模型可以和外部环境以及其它加载这些装备模型的实体进行交互；用行为模型模拟人的决策处理过程并赋予实体存储处理信息、决策和控制装备的能力；用消息模型来模拟利用通信装备接收和发送一定格式的消息，并处理此消息的过程，消息模型是行为模型的特例。通过在作战实体上加载这3类模型来控制实体的移动、感知、通信、决策等活动，同时也可通过动态增加、减少或修改加载在实体上的模型来改变作战实体的功能。

2.2 FLAMES组合建模

2.2.1 FLAMES建模思路

FLAMES提供了消息模型、认知模型和8种基础装备模型（平台模型、通信装备模型、传感器模型、数据处理器模型、有源干扰装备模型、子系统模型、弹药模型、武器系统模型）。用户可以通过FLAMES代码产生器产生指定类的FLAMES模型外壳的源代码，通过执行模型原型编辑器对生成的模型原型进行编辑，最后基于C＋＋的工程框架对模型进行修改，添加功能函数和消息响应函数，实现模型具体功能。基于FLAMES的实体构成如图1所示。

2.2.2 FLAMES组合仿真概念框架

面向重用的建模仿真框架为了支持模型重用，将模型划分为仿真概念框架以及仿真实现模型2个层次，根据王维平教授提出的仿真模型的可组合性具有层次的特征，结合FLAMES柔性仿真框架，形成基于FLAMES的多层次电子战仿真模型描述的组合仿真概念框架，如图2所示。

图1 FLAMES实体的构成关系图

图2 基于FLAMES组合仿真概念框架

仿真模型的语法层次是模型的具体表现层，通常要求模型接口及其参数采用某种标准格式描述，通过结构化数据的交互实现组合过程。语法层次组合模型有效性主要从语法模型的结构和功能方面进行检验，从语法模型的结构来看，主要检验模型接口的组成，包括各语法元素的定义及类型关系；从语法模型的功能上看，主要检验模型提供功能与需求功能，分别由提供接口和请求接口表示。

语义模型主要是模型的静态语义描述，不涉及模型各语法元素在实际使用或被使用过程中的含义，该语义信息是模型自身蕴含的，与模型是否与外界发生交互、何时发生以及交互序列无关。对语义模型可组合型的检验主要包括对模型各输入、输出接口以及模型状态变量（属性）的语义约束的检验。

语用模型主要关注对模型动态语义的描述，主要指模型在一定时间段内表现出来的交互行为序列，反映了系统内部的一系列状态转移。对语用模型的可组合性检验主要对模型对外提供的功能和模型对外部的请求、模型对外交互的协议进行检验。

仿真模型的概念层次包含了领域专家和仿真开发人员对仿真及其所包含元素的一种概念认知，它所包含的领域权威信息是对仿真的顶层约束。对概念层次可组合型的检验主要是对模型组合时的概念描述一致性进行检验。

2.2.3 FLAMES组合建模方法

FLAMES组合建模思路：首先，基于C＋＋开发模型组件库；其次，基于关联假设的组合建模方法，由所建模的实体，分析组成实体的具体组件；第三，在组件编辑界面，根据仿真模型的语法层次可组合性原则，初始化组件的性能参数，形成具有一定功能的组件单元；最后，在脚本编辑界面，通过脚本语言，完成具体实体单元的组合，形成具备全部功能的实体模型。模型链接器模块在模型组合中，完成对模型配置、组合的检验，并输出检验信息。所以基于FLAMES的组合建模方法可分为模型组件开发、模型组件编辑、模型组合、脚本解析、模型静态检验、模型动态检验等阶段，如图3所示。

（1）模型组件开发。模型组件开发阶段主要是基于FLAMES内核开发模型组件的源代码以及在C＋＋环境下建立模型的片段，信息流编辑部分主要定义模型方法参数间的传递关系，控制流编辑部分负责定义模型组件方法之间的运行结构。

（2）模型组件编辑。在模型组件编辑阶段，主要完成对模型组件参数的初始化和模型组件的选择。在模型组件选择时，采用基于关联推理的组合建模方法，依据变量间的因果作用联系，选择所有与当前建模任务相关的变量集合，然后选择一个最简单的组合模型片断（CMF）来描述每个变量，同时保证全部CMF的集合是一致的，在不违背建模任务内外部环境的“建模假设”的条件下完成模型组件的选择，从而得到一个初步的模型组件单元。

（3）模型组合。在模型组合阶段，根据建模任务，首先分离出1组感兴趣的客观对象、描述客观对象的变量和函数关系，然后选择相应的模型组件来描述这些变量和关系。通过FLAMES内核认可的脚本语言，按照语法规则，将模型组件编辑阶段形成的组件单元组合为具备全部功能的装备实体。

（4）脚本解析。通过脚本完成模型的组合后，运行FIRE，FLAMES内核会对形成实体的脚本进行解析，从而通过脚本调用组成实体的组件模型。

图3 FLAMES组合建模流程

（5）模型的静态检验。模型组合完毕后，执行模型链接器，完成想定中所有组合模型的语法层次的检验，并将错误信息反馈给用户。

（6）模型的动态检验。执行想定，生成模型仿真的数据库，检查模型需求定义和模型完整性信息，主要检验组合模型执行任务中功能的实现情况，并通过模型组件的使用条件解决组合模型边界问题。

3 基于FLAMES的组合建模实例

以某型电子战飞机为例，想定设置：我军某型电子战飞机对敌地面雷达进行干扰，掩护我军轰炸机对敌指挥所进行的攻击行动。

假定此次仿真的重点是研究电子战飞机对敌雷达的干扰效果。通过关联假设的组合建模方法［7］，如需获得电子战飞机模型，必须要有能够执行电子战任务的飞机平台模型；能够探测敌方雷达的探测器模型和探测器模型上配套的天线模型、数据处理器模型；实时与我方地面指挥所联系的空对地通信电台模型；根据敌方雷达型号，确定能够干扰敌方雷达的干扰机模型；控制飞机平台飞行的认知模型和控制雷达开关机的认知模型。敌地面雷达模型由搭载雷达设备的平台模型、探测器模型、与指挥所联系的通信电台模型和控制雷达开关机的认知模型组成。下面运用FLAMES仿真模型的组合建模方法，对我方电子战飞机进行组合建模，如图4所示。

电子战飞机脚本描述如下：

图4 关联假设的FLAMES电子战飞机组合建模示意图

部分仿真实验数据如图5所示。

图5中SimTimeStr显示仿真时间，Name显示参与仿真的实体单元，ID是想定中仿真单元的标识，Team是敌我双方标识（1为敌方，2为我方），Velocity显示实体单元的速度，Active显示了单元在参与仿真中开关机状态。不难观察发现，在仿真时间08：01：55、08：02：05时，我方电子战飞机由关机状态改为开机状态，由0变为1（其中0代表关机，1代表开机）。

图5 仿真实体单元信息

图6 雷达在干扰前后，探测区域变化

图6中UnitID是雷达仿真中的标识，SimTime为仿真时间，在仿真中以15s为1个步长。Points显示雷达的探测区域，以经纬度坐标在地图上显示，部分数值已经转化为FLAMES内核可读的形式。不难发现在08：01：50与08：02：05时，雷达探测区域发生明显变化，说明敌方雷达的探测区域在我方电子战飞机中的干扰机开机后明显受到影响，证实了干扰机在电子战飞机组合建模中的有效性。

通过仿真实验，得到了电子战飞机和敌方雷达的仿真数据，可观察发现电子战飞机在探测到敌方雷达、干扰机模型由关机状态变为开机状态后，敌方雷达探测区域明显受到影响，证实了电子战飞机中的干扰机模型在仿真中发挥了作用，同时证明了本文提出的基于FLAMES的仿真模型的组合建模方法的有效性。

4 结束语

基于FLAMES的仿真模型组合建模方法结合柔性仿真与组合建模理论，提高了模型的适应性，增强了模型的组合性、重用性。本文结合某型电子战飞机进行仿真，仿真结果验证了模型组合的有效性。

［1］Courtemanehe A J，von der LIPPe S R，MeCormack J.Developing user－composable behaviors［A］.Procee－dings of The Fall Simulation Interoperability Workshop［C］，1997：7－10.

［2］Page Ernest H，OPPer Jeffrey M.Observations on the complexity of composable simulation［A］.Proceedings of The Winter Simulation Conferenee［C］，1999：21－23.

［3］Davis Paul K，Anderson Robert H.Improving the composability of DoD modeling and simulations［A］.Rand National Defense Researeh Institute［C］.Santa Monica，CA，2003：6－7.

［4］Wilke Havinga，Lodewijk Bergmans，Mehmet Aksit.A model for composable composition operators［A］.Software Engineering group－University of Twente［C］，2010：15－19.

［5］Courtemanche A J，Wittman R L.OneSAF：A product line approach for a next－generation CGF［A］.Proceedings of The Eleventh Conference on Computer－Generated Forces and Behavior Representation［C］.Orlando FL，2002：21－25.

［6］FLAMES Simulation Framework－Ternion［EB／OL］.http：／／www.ternion.Corperation，2010－06－09.

［7］王东锋，尚宏.基于关联假设的定性组合建模算法［J］.计算机仿真，2004，21（40）：56－59.