CN101556641B - 基于概念模型推演的仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于概念模型推演的仿真系统，包括：模型生成器，用于建立仿真概念模型，由仿真概念模型生成仿真实体，实体具有静态属性、动态属性和行为能力；任务规划器，用于对所述仿真实体的仿真任务进行任务级规划和动作交互级规划，生成仿真任务想定文件；推演控制器，对仿真任务想定文件进行解析并进行存储，得到仿真任务信息，采用推演控制算法执行所规划的仿真任务，进行态势推演。本发明支持面向仿真对抗的实体生成；对想定文件解析存储，采用基于解析信息存储结构的推演控制算法进行仿真推演，可方便实现仿真实体之间的交互；对复杂的仿真任务进行层次化规划推演，支持仿真任务的并、串行执行，想定编辑简单、方便、系统实用，推演效率高。

Description

基于概念模型推演的仿真系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术，特别涉及一种基于概念模型推演的仿真系统。

背景技术

仿真是指运用模型描述在时间轴上的活动和交互.本发明所指的仿真是在实际的或假想的环境下，按照规则行动的两个或多个仿真模型进行对抗的“仿真”。仿真可以在不造成破坏性后果的情况下对各种对抗系统进行分析，用于实际指导。

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概念模型，开展了一些相关研究，在想定生成系统和仿真态势推演方面也提出了一些实现框架和方法。由于仿真仿真系统涉及建模、仿真处理、计算机软件实现等多方面的理论和技术，开发较困难。

目前已有的仿真所能实现的功能相对简单，不能推演复杂的仿真行为；不便于描述实体之间行为的交互；没有实现复杂的、多层次的任务和动作，并且存在态势推演效率低、操作复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于概念模型推演的仿真方法，解决现有技术中存在的仿真功能简单、推演效率低、操作复杂的缺点，实现由概念模型生成仿真实体，并对该仿真实体进行任务级和动作交互级规划，采用推演控制算法对生成的仿真任务想定文件进行解析。实现推演过程。可以对复杂的仿真任务进行层次化执行，不仅实现方便、实用，而且显著提高了仿真开发效率。

本发明提供一种仿真方法，包括：

模型生成器，用于建立概念模型，由概念模型生成仿真实体，所述仿真实体具有静态属性、动态属性和行为能力，其中静态属性描述了没有变化的一类属性，静态属性包括仿真实体名称、ID、类型、型号；动态属性描述不断变化的仿真实体属性，包括仿真实体的弹药量、油量、位置、速度和指控指令；仿真实体行为是对动态属性值的改变规律的描述，仿真实体行为包括运动、搜索、开火、通信以及动作信息，动作信息包括仿真实体的运动、仿真实体对目标的搜索、仿真实体对目标的开火和仿真实体的通信；

任务规划器，用于对所述仿真实体的仿真任务进行任务级规划和动作交互级规划，生成仿真任务想定文件；

推演控制器，用于对仿真任务想定文件进行解析并进行存储，得到仿真任务信息，采用推演控制算法执行所规划的仿真任务，进行态势推演，其中所述仿真任务信息包括仿真任务的发生时间、发生条件以及结束时间和条件，仿真任务由若干具体的仿真子任务组成；

所述模型生成器包括概念模型生成部和实体生成部，其中：

概念模型生成部，用于建立概念模型，包括仿真实体模型、环境模型；

实体生成部，以概念模型为模板，进行实例化、参数化，生成仿真实体；

所述任务规划器包括任务级规划部、动作级生成部和想定文件生成部，其中：

任务级规划部，用于将每个仿真任务划分为多个仿真子任务，设置各仿真子任务的发生时间、发生条件以及结束时间和条件，各子任务可以串行执行也可并行执行；

动作级规划部，用于选定每个仿真子任务中的仿真实体，并设置所述仿真实体的仿真动作以及动作信息，其中动作信息包括动作发生的时间、条件和参数信息；仿真动作包括实体的运动、实体对目标的搜索、实体对目标的开火和实体的通信；

想定文件生成部，根据以上所设置的仿真任务、仿真子任务、仿真实体和仿真动作生成仿真任务想定文件并且保存；

所述推演控制器包括解析存储部和推演控制部，其中：

解析存储部，用于解析所述仿真任务想定文件，获取所述仿真任务对应的仿真任务信息、仿真子任务信息、仿真实体信息并将这些信息分别存储起来，其中：所述仿真子任务包括实体部署、就位、编队集结、搜索、防御、开火、拦截、撤退、占领；

推演控制部，采用基于解析信息存储结构的推演控制算法按照时间顺序读取任务层、子任务层、动作层对应的信息，并根据读取的仿真信息执行仿真任务、子任务以及仿真动作，实现推演过程，并能终止和暂停推演，并在二维态势图上显示。

本发明的仿真系统用于解决现有技术中仿真系统功能简单，可执行的任务较少、效率低、操作复杂以及不能描述复杂的仿真行为；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等问题。

本系统较好地支持战场实体行为的条件性和随机性；两层规划方法对仿真的平台级实体行为和聚合级仿真任务都能方便地进行描述，可以灵活地进行仿真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；便于描述实体之间行为的交互，能实现较大规模的对抗和推演，并能支持仿真任务的并行和串行执行。显著地提高了仿真开发的效率。

附图说明

图1为本发明仿真方法第一实施例的系统结构示意；

图2为本发明仿真方法第二实施例的仿真实体生成示意图；

图3为本发明仿真方法第二实施例中任务级规划的流程图；

图4为本发明仿真方法第二实施例中动作交互级规划的流程图；

图5为本发明仿真方法第二实施例中想定文件解析后的数据存储结构图；

图6为本发明仿真方法第二实施例中推演控制算法的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的描述。其中，第一实施例对本发明仿真方法结构进行了具体说明；第二实施例采用一个具体示例详细说明本发明仿真方法的工作流程。

图1为本发明仿真方法第一实施例的系统结构示意图。如图示，该仿真方法包括：模型生成器11、任务规划器12和推演控制器13。

模型生成器11用于建立概念模型，由概念模型生成仿真实体，实体具有静态属性、动态属性和行为能力。仿真规划器12用于对所述仿真实体的仿真任务进行任务级规划和动作交互级规划，生成仿真任务想定文件。推演控制器13用于对仿真任务想定文件进行解析并进行存储，得到仿真任务信息，采用推演控制算法执行所规划的仿真任务，进行态势推演。该仿真方法也可以包括仿真数据库14，仿真数据库14用于保存生成的概念模型141、仿真实体142、想定文件143、军标144和战场地理信息145等。

进一步地，模型生成器11包括：概念模型生成部111和实体生成部112。其中概念模型生成部111用于建立概念模型，包括仿真实体模型、环境模型。实体生成部112以概念模型为模板，进行实例化、参数化，生成仿真实体，实体具有静态属性、动态属性和行为能力。

进一步地，任务规划器12包括：任务级规划部121、动作级规划部122和想定文件生成部123。其中任务级规划部121用于将每个所述仿真任务划分为多个仿真子任务，设置所述仿真子任务的发生时间和发生条件。动作级规划部122用于选定每个仿真子任务中的仿真实体，并设置实体的仿真动作，以及动作发生的时间、条件和参数。想定文件生成部123用于根据以上所设置的仿真任务、仿真子任务、仿真实体和动作生成仿真任务想定文件并且保存。

推演控制器13包括：解析存储部131、推演控制部132。其中解析存储部131用于解析所述仿真任务想定文件，获取所述仿真任务对应的仿真任务信息并将这些信息存储起来；推演控制部132，按照时间顺序读取任务层、子任务层、动作层对应的信息，并采用基于解析信息存储结构的推演控制算法根据读取的仿真信息执行仿真任务、子任务以及仿真动作，实现推演过程，并能终止和暂停推演，并在二维态势图上显示。

更进一步地，推演控制部132可以分为第一推演控制单元1321、第二推演控制单元1322。其中第一推演控制单元1321用于读取所述仿真任务信息，获取所述仿真任务信息中的仿真子任务的时序标志、发生时间和发生条件，以及子任务中的仿真实体信息和仿真动作的时序标志、发生时间和发生条件。第二推演控制单元1322按照发生时间顺序依次提取满足发生条件的仿真动作的信息，并且执行发生时间已到并且满足条件的动作，实现推演过程。

本实施例根据仿真需要生成仿真实体，并对该仿真实体进行任务级和动作交互级规划，对生成的仿真任务想定文件进行解析，采用推演控制算法可以实现对复杂的仿真任务进行层次化推演，不仅实现方便、实用，且推演结果准确率高。

在前面对方案流程进行说明之后，下面通过一个示例详细进行说明仿真过程，此示例即为第二实施例。

假设一个仿真任务由六个仿真子任务组成，分别是：指挥中心就位301、直升机编队集结302、1号直升机搜索303、2号直升机防御304、编队拦截敌机305和返回基地306，如图3所示。

按照该系统的工作流程，首先要生成仿真实体。

图2为本发明方法第二实施例的仿真实体生成示意图。如图2所示，仿真的仿真过程中，采用面向对象的方法建立仿真实体模型，即将真实的仿真单元进行抽象，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，作为实体的概念模型。概念模型可以是仿真中的飞机、直升机、坦克等。再根据仿真需要实例化若干所需要的仿真实体，将生成的概念模型和仿真实体都保存在仿真数据库中。

实体的属性分为静态属性和动态属性，其中静态属性描述了没有变化的一类属性，例如：仿真实体名称、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。实体行为包括运动、搜索、开火、通信等。每类仿真实体的静态属性、动态属性和行为能力是一致的，通过设置具体的属性参数和和行为能力参数，就可以生成具体的仿真实体。如本实施例中生成了红方指控中心、红方直升机(黑鹰)以及蓝方直升机(阿帕奇)实体。

接着对仿真实体进行任务规划，任务规划分两层进行构建：第一层是任务级规划(如图3)，第二层是动作交互级规划(如图4)。

图3为本发明第二实施例中任务级规划的流程图。如图3所示，方框表示各个仿真子任务，圆圈表示并发的两个子任务，箭头表示子任务的串行执行，每个仿真子任务执行的条件是前面的各仿真子任务成功完成，也可以不设置执行条件，而只设置发生时间。通过正确地设定各子任务的发生时间和发生条件，子任务之间可以互相独立地执行各自的仿真任务也可以互相配合完成一项复杂的任务。用户通过可视化工具在任务规划界面构建任务流程图，可以搭建出所需要的仿真任务。

对本实施例来说，指挥中心就位301和直升机编队集结302并发执行，成功后并发执行1号直升机搜索303和2号直升机防御304，成功后执行编队拦截敌机305；成功后执行返回基地306。

图4为本发明第二实施例中动作交互级规划的流程图。方框表示仿真实体，柱体表示仿真动作，虚线表示发生条件。如图4所示，通过交互图能够方便地描述仿真实体之间动作交互的过程，直观体现仿真动作发生在哪两个仿真实体之间，以及仿真动作的时间顺序和发生条件等，能支持动作行为的顺序发生、并行发生、条件发生、选择发生和循环发生。

用户通过可视化工具在动作交互规划界面构建实体动作交互的流程图，可以根据需求搭建出所需要的时间段和条件下的仿真实体动作行为交互过程的图形。图形支持任意调整大小和拖拉操作，并且可以方便地设定仿真动作的开始/结束时间、执行者、受动者和动作的执行/结束条件等。另外，用户还可以为每一个仿真实体的仿真动作设定所需要的动作参数。

对本实施例来说，建立其动作交互级规划。它的仿真动作包括：红方直升机按指定航线巡航飞行401、搜索目标402、开火403、上报信息404；蓝方直升机的搜索目标405和开火406等。其中双方直升机的巡航飞行和搜索目标的动作没有条件，开火、上报信息的动作有发生条件。红方开火的条件是发现蓝方目标，上报的条件是如果击毁蓝方目标。蓝方开火的条件是发现红方目标。为区别起见，可以在动作设定时将蓝方直升机搜索时的发现概率和开火的命中概率都设置的比红方稍小一些。

在完成任务规划之后，生成想定文件，接着进行想定文件的解析和推演。

图5为本发明仿真方法第二实施例中想定文件解析后的数据存储结构图。在推演控制器中从想定文件中解析出仿真任务信息并进行存储；其中，任务层中各仿真子任务信息按照其发生时间的顺序进行存储，并为每个子任务设置一个时序标志，第一个仿真子任务设为i＝0，第二个仿真子任务设为i＝1，依次类推。子任务层里的各个仿真动作信息也按照各仿真动作发生的时间顺序进行存储，同样为每个仿真动作设置一个时序标志，第一个仿真动作设为j＝0，第二个仿真动作设为j＝1，依次类推。

想定文件解析之后，采用基于解析信息存储结构的推演控制算法进行仿真过程的态势推演。

图6为本发明仿真方法第二实施例中推演控制算法的流程图。如图6所示，根据仿真的需要设定推演步长，在每一个帧周期中进行如下操作：

步骤601、将仿真任务存储数据的任务层中的仿真任务信息读入推演控制类，提取仿真子任务个数n。子任务i读入，如果子任务i的发生时间到，则判断发生条件是否满足，如果满足则执行步骤602。不满足则判断i＜n-1是否成立，是则置i＝i+1，执行步骤601。

步骤602、将子任务i的信息读入，提取仿真动作个数m。将仿真动作j读入，如果j的发生时间到，则判断发生条件是否满足，如果满足则执行步骤603。不满足则判断j＜m-1是否成立，是则置j＝j+1执行步骤602。

步骤603、将仿真动作j的信息读入，将动作参数传给推演控制类中的函数体，执行此动作参数对应的操作。推演控制类中的函数体是在推演控制类中预先定义的描述各类动作的框架，可以实现仿真动作的功能，并对各实体的动态属性的值进行修改。判断是否满足结束条件，如果仿真动作j成功执行，则将修改的仿真实体的动态属性的值再存入推演控制类中，并且返回一个动作成功标志到推演控制类中，如果失败则返回一个动作失败标志到推演控制类中。

步骤604、在子任务层根据各个仿真动作返回的标志判断每个仿真子任务是否成功执行，如果动作全部成功则这个仿真子任务返回子任务成功执行的标志。如果所有仿真子任务都成功执行，则整个仿真任务返回任务成功执行的标志。帧周期推进一步，重复步骤601到步骤604的过程。

在推演过程中，在二维电子地图上可以根据仿真任务想定文件中解析出的信息利用MAPX类加载指定的地图文件，并生成指定的各实体图层，将推演控制类中的各实体的属性关联到态势图上，每个帧周期更新仿真实体的动态属性的值实现推演功能。通过推演态势图可以形象地显示推演过程和结果。

本实施例介绍了仿真系统的详细流程，该仿真系统利用简单易用的实体生成工具和可视化的任务规划工具，便于用户进行仿真任务的想定编辑，支持面向对象的仿真实体生成；对想定文件进行解析存储，采用基于解析信息存储结构的推演控制算法进行仿真推演，可方便实现仿真实体之间的交互；将生成的仿真实体保存在仿真数据库中，可以在想定编辑时对仿真实体实例化，支持重用；利用推演控制算法，对复杂的仿真任务进行层次化规划与推演，可以实现仿真任务在电子地图上的态势推演，具有编辑简单、方便、系统实用，推演效率高等优点。

最后应说明的是：上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于概念模型推演的仿真系统，包括：

模型生成器，用于建立概念模型，由概念模型生成仿真实体，所述仿真实体具有静态属性、动态属性和行为能力，其中静态属性描述了没有变化的一类属性，静态属性包括仿真实体名称、ID、类型、型号；动态属性描述不断变化的仿真实体属性，包括仿真实体的弹药量、油量、位置、速度和指控指令；仿真实体行为是对动态属性值的改变规律的描述，仿真实体行为包括运动、搜索、开火、通信以及动作信息，动作信息包括仿真实体的运动、仿真实体对目标的搜索、仿真实体对目标的开火和仿真实体的通信；

任务规划器，用于对所述仿真实体的仿真任务进行任务级规划和动作交互级规划，生成仿真任务想定文件；

推演控制器，用于对仿真任务想定文件进行解析并进行存储，得到仿真任务信息，采用推演控制算法执行所规划的仿真任务，进行态势推演，其中所述仿真任务信息包括仿真任务的发生时间、发生条件以及结束时间和条件，仿真任务由若干具体的仿真子任务组成；

所述模型生成器包括概念模型生成部和实体生成部，其中：

概念模型生成部，用于建立概念模型，包括仿真实体模型、环境模型；

实体生成部，以概念模型为模板，进行实例化、参数化，生成仿真实体；

所述任务规划器包括任务级规划部、动作级生成部和想定文件生成部，其中：

任务级规划部，用于将每个仿真任务划分为多个仿真子任务，设置各仿真子任务的发生时间、发生条件以及结束时间和条件，各子任务可以串行执行也可并行执行；

动作级规划部，用于选定每个仿真子任务中的仿真实体，并设置所述仿真实体的仿真动作以及动作信息，其中动作信息包括动作发生的时间、条件和参数信息；仿真动作包括实体的运动、实体对目标的搜索、实体对目标的开火和实体的通信；

想定文件生成部，根据以上所设置的仿真任务、仿真子任务、仿真实体和仿真动作生成仿真任务想定文件并且保存；

所述推演控制器包括解析存储部和推演控制部，其中：

解析存储部，用于解析所述仿真任务想定文件，获取所述仿真任务对应的仿真任务信息、仿真子任务信息、仿真实体信息并将这些信息分别存储起来，其中：所述仿真子任务包括实体部署、就位、编队集结、搜索、防御、开火、拦截、撤退、占领；

推演控制部，采用基于解析信息存储结构的推演控制算法按照时间顺序读取任务层、子任务层、动作层对应的信息，并根据读取的仿真信息执行仿真任务、子任务以及仿真动作，实现推演过程，并能终止和暂停推演，并在二维态势图上显示。

2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述推演控制部包括：

第一推演控制单元，用于读取所述仿真任务信息，获取仿真任务信息中的子任务的时序标志、发生时间和发生条件；以及子任务中的仿真实体信息和仿真动作的时序标志、发生时间和发生条件；

第二推演控制单元，按照发生时间顺序依次提取满足发生条件的仿真动作的信息，利用基于解析信息存储结构的推演控制算法执行发生时间已到并且满足条件的动作，实现推演过程。

3.根据权利要求1或2所述的仿真系统，其特征在于，还包括：

仿真数据库，用于存储所述仿真概念模型、仿真实体、想定文件、仿真图标和仿真环境地理信息。

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