采用半实物仿真方法建立C～3I系统仿真试验床

收稿日期:2001-11-15 第19卷　第6期计　算　机　仿　真2002年11月 文章编号:1006-9348(2002)04-0100-03采用半实物仿真方法建立C 3I 系统仿真试验床张翠侠,毛少杰(信息产业部电子第二十八研究所,江苏南京210014)摘要:该文介绍了一种采用半实物仿真方法建立C 3I 系统仿真试验床的思路。

该方法可以将现实中复杂的C 3I 信息系统在试验室里逼真地展现出来,并具有时空一致的特点,为C 3I 信息系统的研制、建设、管理和使用提供一个试验开发平台,使用该方法可以建立一个费用低、逼真度高的C 3I 系统仿真试验床,该试验床能灵活组合模拟不同规模的C 3I 系统综合仿真环境。

关键词:半实物仿真;C 3I ;仿真试验床中图分类号:TP391.9 文献标识码:A1　引言海湾战争的实践证明,在C 3I 系统统一指挥下实施的全面信息对抗是今后战争中的重要作战方式,因此,战争的形式已呈现出信息战的特征,相应地,军事技术也发生着变化。

美国参谋长联席会议已提出2010年联合作战的框架的概念,已组建了世界上第一支带有实验性的数字化部队,军事专家预计21世纪将出现数字化战争。

所谓数字化部队就是为适应信息化战争,用适合信息化战争特点的编制体制组织、数字化装备武器、相应的作战理论指导的部队。

这就形成了战场数字化,即采用数字化技术与设备以实现战场信息的实时传输、处理,满足各级人员对信息需求的高技术环境。

因此战场数字化是当前和未来作战的主要特征之一,C 3I 信息系统是战场数字化的重要体现,其作用是为主战武器系统作战提供全方位信息支持,是新一代武器系统形成战斗力的关键,也是现代与未来作战武器效能的倍增器。

C 3I 信息系统的建设是一个非常庞大的工程,随着计算机、通信等技术的不断发展而发展,由于费用高、变化快,如何采取一种既廉价又有效的方式来研究其中的关键技术是许多国家正努力探索的问题。

该文介绍了一种采用半实物仿真的方法建立C 3I 系统仿真试验床的思路。

所谓C 3I 系统仿真试验床是通过对作战过程中的一些主要环节如战场环境、武器平台、探测系统、指控单元、通信单元等的模拟,将现实世界中复杂的C 3I 信息系统在试验室里逼真地展示出来,即建立一个C 3I 系统综合仿真环境,该环境具有时空一致的特点,为C 3I 信息系统的研制、建设、管理和使用提供一个试验开发平台。

采用该方法所建立的环境具有费用低、能灵活组合适应不同规模C 3I 系统的特点,因此,在C 3I 系统的研制、建设、管理和使用中有着广泛的应用前景。

2　采用半实物仿真方法建立C 3I 系统仿真试验床现大多仿真文献及书籍中对仿真的定义基本上是基于同一个观点,“为了分析与研究已经存在的或尚未建立的系统,首先建立该系统的模型,并将它放到计算机上进行实验,这一过程就称为仿真”。

1984年,Oren 提出:“仿真是一种基于模型的活动”,并给出了仿真的基本概念框架:“建模———实验———分析”[1]。

Oren 认为仿真包括了三个基本要素:(1)对仿真问题的描述;(2)行为产生器;(3)模型行为的处理。

从此,人们对仿真研究着重于对仿真三个过程的研究,仿真过程可以进一步细化为以下内容:任务空间概念模型设计、数据准备、仿真模型设计、模拟推演、模型验证与维护。

根据仿真过程中所建立模型对象的方式不同,又可以将系统仿真分为三种模式:1)计算机仿真。

其特点是系统用严格的数学模型表示,不使用实际系统的任何部件。

2)半实物仿真。

被仿真的系统有一部分用与实际系统相同或相近的实物,其它部分则采用计算机仿真形式。

国外大多数C 3I 系统试验床就属于这一仿真模式范畴,一般将实际的指挥控制设备用在仿真系统中,而把战场环境、探测系统、通信系统等部分用计算机程序来模拟。

3)实物仿真。

即系统原型方法,特点是全部使用实际系统的子系统或部件,系统原型可以任意接近最后的系统配置。

在这三种仿真方式中,计算机仿真的模型抽象程度最高,仿真费用最省,仿真所花的时间最少,作各种变量控制试验也最方便。

但它有一个最致命的弱点,即仿真结果的可信度较差。

系统原型刚好与它相反,由于它与实际系统最接近,仿真结果最可信,但费用高,执行起来所花时间长,作变量控制试验也不方便。

半实物仿真正好处于二者之间,能较好地兼顾双方的优点,避开缺点。

在我们的系统中主要采用半实物仿真方式,通过建立C 3I 系统中主要组成部分的模拟器和系统集成及控制设施来建立系统仿真试验床。

根据前面对仿真过程的描述,系统仿真试验床应包括以下几个部分:仿真模型建立部分,试验数据准备部分,试验运行控制部—001—分,试验结果分析与评估部分。

由于我们要研究的对象是C 3I 信息系统,它是一个复杂的分散在多个不同地域的系统,在研制过程中我们首先要解决的关键技术是C 3I 系统的建模技术,其次是建立一个能集成所有仿真对象的试验框架,在这个试验框架上,我们可以保证各仿真部件在一个统一的时间空间下进行各种仿真试验与分析。

另外我们还应当解决系统运行控制问题和仿真结束后的分析评估等辅助设施建设问题。

因此,我们重点从以下四个方面进行试验床建设:C 3I 系统仿真建模、基本仿真试验框架建立、系统运行控制机制(包括数据准备、运行控制)、仿真试验辅助设施建立,四个部分都建立在中心数据库基础上,通过中心数据库将它们连接起来。

(如图1)图1　C 3I 系统仿真试验床组成2.1　C 3I 系统仿真建模由于C 3I 系统是人在环中的复杂系统,对它的模拟是比较困难的,该文所介绍的建模方法主要从两个层次上考虑,一方面从宏观上、总体上考虑,建立C 3I 系统综合仿真环境顶层结构;另一方面从微观上进行考虑,研究C 3I 系统综合仿真环境中各个组成单元的实现形式,建立不同逼真度的C 3I 系统组成单元的模拟器或模型。

宏观上,将C 3I 系统的活动抽象为一系列离散事件,抽取出C 3I 系统中的指控单元、传感器、武器单元、通信单元等一些活动对象,这些对象分布在不同位置,担负不同任务,相互之间有信息交互关系,共同组成C 3I 仿真系统。

建模之前,首先要解决如何将这些对象有机地结合起来,以构成一个完整的C 3I 系统综合仿真环境,也就是首先要解决系统集成问题。

该文中介绍了一种集成方式,即建立仿真试验框架的方法(详见2.2),在这个框架上可以集成各种模拟对象,甚至可以集成实际系统。

集成在这个框架上的对象具有统一的时间和空间环境,并且根据仿真试验的需要,每次所集成的对象种类和对象个数也不同,从而可以构筑不同规模的C 3I 系统综合仿真环境模型。

微观上,需研究如何仿真C 3I 系统的各个组成对象,由于我们要建立C 3I 系统仿真试验床,对仿真的精度要求相对比较高,因此我们主要采用半实物仿真方式,即用具有部分实际系统特征的模拟器来模拟真实系统。

模拟器表现形式多种多样,在研究模拟器时首先要解决两个问题,一是确定哪些系统单元用模拟器模拟;二是要解决模拟器的建立方法。

究竟哪些应作为模拟器形式?哪些作为模型形式?确定的依据主要根据系统研制的要求、用途、经费等因素来定,这是一个比较复杂的问题,因模拟器与数学模型相比,模拟精度比较高,费用也高;数学模型费用低但精度较低。

所以总的原则是确定哪些是影响系统运行的主要单元或关键部分,在一些重要环节采用实物或逼真度高的模拟器形式,次要环节则采用数学模型等简化形式,这样可以建立一个既具有一定的逼真度又有较适中价格的仿真试验床。

模拟器的建立方法主要有两种,第一种方法是在已有的真实系统上进行改进;第二种方法是针对所要研究的内容进行专门的制作。

在真实系统的基础上进行改造,应从以下几个方面进行考虑:(1)考虑哪些部分采用真实部件,如采用真实的人机界面、真实输入/输出接口、或真实的内部处理功能。

还可以考虑建立一些真实的信息源如真实的电磁信号发生器等。

(2)根据所要研究的目标,对真实系统进行裁剪,只保留能满足研究目标的系统主要部分即可。

(3)将某些需反复试验或可能替换的部分改为参数可替换形式。

如在建立航空兵指控模拟器时,即是对已有的系统进行改进,保留真实的人机操作界面,以利于进行人在环中的试验;保留真实内部处理功能;但只配置一些主要席位如引导席,情报席等。

对一些需试验的部分做成参数可调整的形式,如战场环境的信息、部队装备信息等做成参数可调整的形式,以便于仿真试验,其余功能均简化。

该方法比较快,但必须事先有真实系统。

第二种方法是专门研制的方式,在研制之前首先要考虑所要研制的模拟器在系统中的用途,确定哪些部分是系统要重点模拟的,如防空系统中影响系统性能最大的是飞行器,我们就建立飞行器模拟器,而飞行器在试验床中主要作为指控系统的受控对象,我们主要关心它的飞行参数、受控情况,因此重点模拟它的飞行姿态、受空气动力的影响情况、接受地面指挥的界面,具有真实的接口,以考核引导软件的引导精度。

系统中除了采用模拟器仿真方法外,次要环节只需用数学模型仿真即可。

如在仿真运行过程中,通过引入通信模型,根据所要求传输通信设备种类实时计算出两点间通信状态的变化,在通信模型中不仅考虑具体型号的通信设备性能参数,还可以结合当时周围环境中电子频谱干扰因子和杂波干扰因子,计算出某时刻通信状况变化。

甚至可以只考虑一些特征参数,如通信模型只考虑传输信道、误码率、时延等参数,试验开始时通过人工输入这些参数值,网络传输中根据这几个参数值模拟两点间的通信状态。

将上述几种模拟器或模型的有关参数放入数据库中,在仿真试验时根据仿真需要,选择参与仿真试验的模型多模拟器,并对其中模型模拟器参数进行配置或拼合,即可构成不同规模的C 3I 系统综合仿真环境。

2.2　基本仿真试验框架建立由于C 3I 系统是一个分散在不同地域的分布式系统,因此,C 3I 仿真系统也应建成一个分布式环境,而且这个环境应是时空一致的。

该文所介绍的基本仿真试验框架建立思路是利用分布式交互仿真技术(DIS 技术),通过局域网或广域网将分散在各节点上的仿真设备以一种协调一致的结构、标准、协议和数据库将它们互连起来,并且人可以对其中的某些节点进行干预,形成一个人在环路中的试验框架。

在这样的仿真试验框架中可以集成各种仿真单元(由模拟器、模型或实物组成)和仿真试验设备,它的基本组成形式是双以太网结构,各仿真单元在统一的时间和立体空间上进行仿真试验,从而形成系统综合仿真运行环境。

框架中包括内容主要有:1)一个剧情产生系统。

用于推动并监控仿真试验的过程。

它采用面向对象的程序设计技术,把一场战争抽象为离散事件系统,把投入战场的军事装备、部队编制抽象成实体,把战斗抽象成事件,把剧情抽象成实体属性和环境量的输出[2]。

以图形方式产生战场上兵力活动信息(如空中、海上、地面实体活动信息)、兵力部署(如机场、雷达、高炮等)和自然环境(如地形、地貌、天候、气象等)。