基于UML的作战任务规划和推演控制算法研究

第21卷第19期系统仿真学报©Vol.21No.192009年10月JournalofSystemSimulationOct.,2009•6195•基于UML的作战任务规划和推演控制算法研究麻士东，孟光磊，龚光红，韩亮，宋晓(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室，北京100191)摘要：军事作战任务规划和态势推演的控制算法是实现军事作战仿真的重要条件。简洁的作战任务规划和高效的推演控制算法能够极大地提高作战仿真的效率。概述了作战任务规划系统的构成，提出了面向对象的实体模型建模方法和实体行为的描述规范，以此来创建概念模型。在此基础上提出了基于UML的作战任务两层规划方法和基于解析信息存储结构的推演控制算法。并且应用到作战想定编辑和推演工具的开发中。给出了作战任务的实例验证。关键词：军事概念模型；任务规划；想定生成；统一建模语言；推演控制中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1004-731X(2009)19-6195-04ResearchesonMilitaryTaskProgrammingBasedonUMLandAlgorithmofDemonstrationControlMAShi-dong,MENGGuang-lei,GONGGuang-hong,HANLiang,SONGXiao(AviationKeylaboratoryforAdvancedSimulationTechnology,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China)Abstract:Militarytaskprogrammingandalgorithmofdemonstrationcontrolwithgreatefficiencyareimportantfoundationinmilitarycampaignsimulations,andtheefficiencyofcampaignsimulationswillbegreatlyincreasedbasedonthisfoundation.Thearchitectureofmilitarytaskprogrammingsystemwasillustrated.Themethodofobject-orientedinentitymodelingandthecriterioninentitybehaviormodelingwereproposed.Sotheconceptualmodelwasfounded.Onthiscondition,themethodoftwo-levelmilitarytaskprogrammingbasedonUMLandthealgorithmofdemonstrationcontrolbasedoninformationstoragestructurewereproposed.Themethodandthealgorithmwereappliedinthedevelopmentofmilitaryscenariosedittoolsanddemonstrationcontroltools.AnexampleformilitarytaskwasgiventovalidatetheMilitarytaskprogrammingandalgorithmofdemonstrationcontrol.Keywords:militaryconceptualmodel;taskprogramming;scenariogeneration;UML;demonstrationcontrol引言1军事作战仿真包括军事概念模型的建立[1]、作战任务规划、想定文件的生成和态势推演。其中，任务规划和想定生成是实现军事作战仿真的核心。国外对军事概念模型、想定生成以及推演系统的研究开展较早，美国国防部在1995年10月发布的仿真建模主计划中提出通过实体、行为、任务和交互四个方面的建模元素描述军事概念模型；SeaStars公司的VIP产品STAGE可用于开发战术人工环境的、可任意配置的仿真体系，能产生包含智能实体在内的逼真的战场想定；GeorgeF.Stone提出了完整的支持同步和异步数据交换的想定生成过程，并应用到WARSIM2000中[2]。态势推演方面，美国的研究在向分布式虚拟现实方向发展，并且注重利用推演系统来研究高技术武器对未来作战形式的影响[3]。近年来，国内也进行了一些相关研究，在军事概念模型的描述和规范上取得了一些成果[1,4]；在想定生成系统和作战态势推演方面也提出了一些实现框架和方法[2,3,5-7]。总体收稿日期：2008-05-08修回日期：2008-07-04作者简介：麻士东(1976-),男,内蒙呼和浩特人,回族,博士生,研究方向为先进分布仿真技术；孟光磊(1981-),男,博士生,研究方向为分布式交互仿真；龚光红(1968-),女,四川石柱人,教授,研究方向为先进分布仿真技术、计算机生成兵力等技术；韩亮(1957-),男,吉林长春人,教授,研究方向为计算机生成兵力,建模与仿真等技术。来说，国内的研究无论是在体系结构上还是实现的功能上都与国外有较大差距。任务规划和想定生成系统发展的方向是具有界面友好的、基于想定文件自动生成的并具有高效的信息管理和想定规划工具的系统[8]。从文献来看，文献[2]和[7]都提出了基于概念模型的仿真实体建模方法以及可视化的想定编辑环境。较好地实现了模型重用；通过鼠标拖曳实现可视化想定编辑过程，并且自动保存想定文件；具有较好的用户界面并能方便地实现想定编辑，但是想定的内容比较单一。文献[5]和[3]分别对想定生成和态势推演系统的相关问题进行讨论，提出了符合文献[8]要求的系统体系结构和框架，但是都没有具体实现。文献[6]提出了想定编辑器的概念，对想定编辑的内容、数据库设计、仿真推演设计以及地理信息系统进行了分析；并利用标绘式想定输入方法进行想定编辑；系统实现的功能比较齐全，但对复杂的作战模拟显得简单和粗略，许多地方尚需完善。从以上分析来看，国内已有的任务规划和想定生成系统有些是基于手工配置的[2]，有些虽然开发了想定编辑系统，但其功能却相对简单，不能描述复杂的作战行为；不便于描述实体之间行为的交互；较少考虑聚合级的任务规划；缺少后续的态势推演工具，不能实现想定生成之后的态势推演过程。本文提出的作战任务规划方法中，利用UML能够方便地描述实体之间的行为交互过程，较好地支持战场实体行为第21卷第19期Vol.21No.192009年10月系统仿真学报Oct.,2009•6196•的条件性和随机性；两层规划方法对军事作战的平台级实体行为和聚合级作战任务都能方便地进行描述，可以灵活地进行作战任务规划和想定编辑，并能自动生成想定文件；利用推演控制算法可以实现想定生成之后的推演过程；显著地提高了军事作战仿真开发的效率。但是对于更加复杂的行为仍不能有效地描述，导致实体行为的设计稍显简单。1作战任务规划系统的构成作战任务规划系统是由三个部分构成的：概念模型生成器、作战任务规划器和作战任务推演控制器。首先在概念模型生成器中构建基于概念模型的实体模型和环境模型，包括模型的各种属性和行为动作。在任务规划器中，以模型生成器所建立的概念模型为模板，进行实例化、参数化，形成具体的作战任务，保存为想定文件。之后将作战任务在推演控制器中进行二维态势的推演。作战任务规划系统必须有模型库的支持。他们包括军标库、地理信息库、概念模型库和想定文件库。分别用来支持用户创建模型和存放模型及作战任务想定文件。作战任务规划系统构成如图1所示。作战任务规划系统构成模型生成器推演控制器任务规划器概念模型生成作战任务规划仿真推演模型库推演控制算法图1作战任务规划系统构成2作战任务规划系统研究作战任务规划的实现是在建立实体概念模型的基础上，进行实体作战任务的构建。本文首先提出了面向对象的实体的建模方法，然后建立了基于统一建模语言(UML)的实体动作行为的描述方法和实体交互的规范。应用行为描述方法和交互规范构建作战任务规划图，可以将作战任务规划图生成标准的作战想定文件。解析想定文件，利用推演算法，就可以在二维态势图上进行战场态势的推演。2.1面向对象的实体模型生成军事概念模型中的实体模型指的不是仿真中的数学模型，而主要是对各种模型的属性和行为能力的描述。在概念模型建模时，将真实的作战单元抽象，提取出描述实体基本特征的属性和描述行为能力的行为动作，对实体进行建模。对于作战任务中的实体模型，引入面向对象的概念，建立实体的概念化模型。即把每种作战实体看作一类，在类的定义中有数据成员和成员函数。这里，类的数据成员描述了实体的属性。而成员函数则描述了实体的行为动作。实体的属性包括了描述实体的一些基本信息，如实体名称、类型、型号、弹药、油量、位置、速度和指控信息等。它又分为静态属性和动态属性，静态属性描述了没有变化的一类属性，比如实体名称、实体ID、类型、型号等。动态属性描述了不断变化的一类属性，比如实体的弹药量、油量、位置、速度和指控信息等。实体行为能力本质上就是对动态属性值的改变规律的描述。模型生成器提供了实体各种属性和行为动作的生成框架，在框架中列出了基本的实体属性和行为动作，允许用户对这些属性进行选择和编辑，并可根据不同的作战仿真需求，创建新的实体属性和行为动作。用户还可以按照作战任务的需要在模型生成器中建立若干新的实体类，存入模型库中。面向对象的实体模型生成如图2所示。实体概念模型属性静态属性动态属性行为运动搜索开火通信实体A实体B实体C实体模型生成实体的实例化图2面向对象的实体模型生成在创建新的实体行为动作时，用户需要在运动类、交火类、搜索类和通信类中选择一类，创建基于此类的行为动作，而系统提供了实现这些类行为动作的函数框架。它们的功能就是完成一定的实体的动作，其本质就是对实体动态属性值的修改，即按照一定规律来修改实体动态属性的过程。这些函数都带有虚参，在进行任务实例化的时候，用户只需指定实参。这里创建的实体还只是抽象的概念模型，在进行作战任务想定编辑的时候，用户必须以模型生成器建立的概念模型为模板，生成具体的、实例化的实体，设定实体各属性的具体值，进行初始化。对于实体的行为动作，设定行为动作所需要的参数。比如运动类动作需要设定开始点和终点坐标以及运动速度，搜索类动作需要设定搜索的作用范围和发现目标的概率等。这样就完成了作战实体的建模。基于面向对象的实体模型生成，能够有效的描述实体的属性和行为动作，模型具有较好的重用性，减轻了用户建立实体模型的工作量。2.2基于UML的作战任务规划作战任务规划在作战任务规划器中进行，也就是对作战第21卷第19期Vol.21No.192009年10月麻士东，等：基于UML的作战任务规划和推演控制算法研究Oct.,2009•6197•过程进行想定编辑[5]。作战任务规划系统分两层对作战任务进行构建，第一层是任务级规划，这一层采用构建任务流程图的方式[9]，对整个任务分为若干子任务进行描述，流程图能够有效地体现各子任务的逻辑关系，能够支持子任务的顺序发生、并行发生和选择发生。通过正确地设定各子任务发生的时间和条件，子任务之间可以互相独立地执行各自的作战任务也可以互相配合完成一项复杂的任务，任务级规划界面提供了用于构建任务流程图的可视化工具，通过选择这些工具进行绘图，搭建任意用户所需要的作战任务流程图。并可以设定各个子任务的发生条件和时间段。作战任务级规划如图3所示。图3军事作战任务级规划第二层是作战实体的动作交互级规划。这一层采用UML来进行实体行为的交互建模。利用UML交互图(InteractionDiagram)的概念，描述出作战实体之间动作行为的交互过程，即构建实体之间的动作交互图[10]。交互图能够方便地描述作战实体之间动作交互的过程。它能够直观体现行为动作发生在哪两个实体之间，以及行为动作的时间顺序和条件等。能够支持动作行为的顺序发生、并行发生、条