CN109948228A - 一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，该系统包括，仿真模型开发模块支持仿真服务组件架构，工程管理和运行导控模块采用分布式仿真导控技术，采用仿真资源管理工具对仿真资源库中的模型、想定、参数资源进行统一管理和调配，部署到分布式仿真网络中目标节点上；仿真平台通过仿真执行引擎加载各种仿真资源并运行，效能评估模块采用自定义数据管理和效能评估技术。本发明系统用于大规模联合行动场景下的装备对抗仿真及效能评估的软件系统，它解决了对抗仿真系统的通用化、平台化、可扩展化问题，并支持全生命周期全过程开发，可以处理涉及多类仿真对象、多种行动想定的仿真与评估任务。
Description
技术领域
本发明属于装备效能仿真技术领域，尤其涉及一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统。
背景技术
大规模联合行动场景下的装备对抗仿真及效能评估涉及多类仿真对象、多种行动想定，需要执行多个步骤，为了确保评估工作顺利地进行，需要对仿真评估各环节进行有效管理。从网络或相应的国家信息机构查阅的资料来看，对于联合行动装备对抗仿真及效能评估已有一定的研究，包括在通信网络仿真效能评估工作中引入数据仓库和数据挖掘技术、在防空系统仿真效能评估工作中提出自动目标识别分类系统仿真运行架构等。上述研究成果对作战效能评估活动起到了辅助作用，在一定程度上提高了评估工作效率。
但是，这些技术都是面向特定的仿真评估任务，且主要面向单一专业领域用户，跨专业跨领域用户以及不接触具体工程技术的决策层用户不宜学习和掌握。为了进一步提高仿真评估技术的通用性和灵活性，同时兼顾用户的易用性，本发明提出了一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统。现有技术例如国内国防科大的OASIS、国外ExpertChoice公司的Expert Choice，都是针对某个特定装备或领域，缺乏通用性，没有平台化，很难扩展，评估算法与软件紧密结合，不能与其他工具集成，也不支持全生命周期、研制全过程，因此，这类专用工具已经不适合牵引复杂武器装备体系研制的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，用于大规模联合行动场景下的装备对抗仿真及效能评估的软件系统，它解决了对抗仿真系统的通用化、平台化、可扩展化问题，并支持全生命周期全过程开发，可以处理涉及多类仿真对象、多种行动想定的仿真与评估任务。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，该系统包括：
仿真模型开发模块支持仿真服务组件架构(SimSCA)V1.0标准，提供原子组件和复合组件两种不同粒度大小的组件开发环境，通过组件建模工具生成基于标准C++的代码框架；通过该环境对仿真组件模型进行定义、编译、调试、单元测试、模型打包等操作。通过编程实现具体的算法和功能。
工程管理和运行导控模块采用分布式仿真导控技术，采用仿真资源管理工具对仿真资源库中的模型、想定、参数资源进行统一管理和调配，部署到分布式仿真网络中目标节点上；仿真平台通过仿真执行引擎加载各种仿真资源并运行，通过底层通信协议实现各节点的信息交互，控制仿真运行的推进，对仿真状态和数据进行实时监视，保证仿真流程的正确执行。
效能评估模块采用自定义数据管理和效能评估技术，提供自定义数据管理和效能评估功能。在实验设计阶段选取关键参数，在仿真运行过程中可对实验数据进行实时监视和在线分析并存储到SQL数据库中，仿真运行结束后，可调取过程数据进行仿真回放，也可为后续效能评估阶段提供数据来源。
按上述技术方案，仿真模型开发模块开发好的模型包在运行时由组件运行引擎加载运行，同一仿真成员内的仿真组件间的数据交换无需通过底层的通信协议。基于该标准开发的仿真模型具有良好的移植性，只要仿真运行平台支持该标准的组件模型即可对其进行调用；同时，具有良好的可重用性，通过配置不同的初始化参数即可生成不同的仿真实体。
按上述技术方案，分布式仿真运行支撑中间件为仿真试验提供网络技术运行支撑平台，分布式仿真运行中间件负责不同仿真子系统之间的通讯和各类接口消息的调度、时间一致性控制、空间一致性管理等任务；仿真底层通信协议支持HLA(高层体系架构)和DDS(数据分发服务)协议，根据应用场景和需求不同，进行协议的切换。
按上述技术方案，还包括第三方仿真系统，第三方仿真系统利用多系统联合仿真技术与本对抗仿真及效能评估系统进行互联互通互操作。
仿真项目开发过程中会涉及到其他专业的仿真工具，如Matlab、STK、OPNET等。本对抗仿真及效能评估系统具备集成第三方仿真工具的能力，主要采取开发接口适配器的方式实现仿真平台与第三方系统的互联。协议适配器作为仿真成员加入到仿真域中，直接与分布式仿真运行支撑中间件进行数据交换，同时通过Socket接口与第三方仿真系统进行数据交换。
按上述技术方案，通过协议适配器在分布式仿真系统中实现对其它仿真系统的参数配置、数据获取、运行控制功能，实现多系统的联合仿真，从多个维度对一体化作战体系进行仿真试验验证，极大提高仿真工作的效率。
按上述技术方案，效能评估模块支持武器装备全寿命周期的效能评估，包括效能评估指标体系的定义、评估算法构建、评估结果可视化和报告生成，工具内置AHP层次分析法、ADC(可用性、可信性及运用效能)分析法、模糊综合评估法、灰色白化权函数法、TOPSIS法(逼近理想解排序法)，支持评估算法自定义。
按上述技术方案，自定义数据管理和效能评估功能基于Plug-In插件技术。
本发明产生的有益效果是：本发明支持仿真模型与底层分布式仿真通信协议分离技术，仿真模型通过仿真组件执行引擎进行调度，仿真开发人员不需关心复杂的底层仿真通信协议技术细节即可快速进行分布式系统仿真的开发及扩展。支持不同粒度大小的组件开发，通过组件执行引擎可加载和运行标准的仿真组件，达到底层协议与模型的分离，模型开发人员能够专注模型开发，而不用关注仿真协议的具体实现，这极大提高了仿真项目的整体开发速度。对于已有的仿真模型，可通过创建或修改接口定义的方式进行模型的移植，实现了历史资源的重用。
本发明底层仿真通信协议具备实时性强和跨平台的特性，易于将大规模的数字仿真/半实物/实装集成在统一的集成环境中。采用仿真协议适配器可轻松切换仿真协议，而不用对其它内容进行修改。
本发明采用开发接口适配器的方式实现第三方系统集成，对于常用仿真软件提供现成的接口适配器，实现分布式仿真通信以及对第三方仿真系统的运行控制和数据交互，可将所有仿真数据统一保存至数据库用于分析和评估。
本发明提供丰富的自定义数据管理和效能评估功能，既满足了数据处理的特殊需求，又解决了数据处理中的保密问题；提供图形化效能评估开发向导以及各类常用算法的向导，方便用户直接采用各类算法进行计算。用户还可通过公式、脚本语言、算法插件等方式对评估方法库进行扩展。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统整体示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，对抗仿真及效能评估系统主要包括仿真模型开发模块、工程管理和运行导控模块、第三方仿真系统、效能评估模块、显控界面以及仿真资源库、仿真数据库，用于大规模联合行动场景下的装备对抗仿真及效能评估，可以处理涉及多类仿真对象、多种行动想定的仿真与评估任务。
仿真模型开发采用统一的组件化建模技术。
仿真模型开发阶段主要工作是仿真组件开发。仿真组件是仿真中的基本执行单元，具有仿真的行为。为了提高模型的重用性，本系统中开发的仿真组件不与具体的仿真工程相关联，与实际仿真时的仿真协议也无关。
本对抗仿真及效能评估系统采用可视化界面创建模型组件并进行管理，包括编辑组件接口、事件、属性等信息，支持生成组件代码框架、发布组件资源包等，对组件资源进行统一的分类管理，支持组件的扩展及实例化操作，支持对组件资源导入、导出操作。在组件开发过程中，组件开发人员不需要了解底层仿真协议，这样可以减轻开发人员的工作量，也提高了仿真组件的重用性，如果更换了仿真协议也可使用。开发完毕后，可以将组件发布。
基于装备参数化的组件开发包括：
(1)定义数据结构
确定组件定义属性、接口及事件时所使用的数据类型。系统提供的数据类型包括：整型、布尔类型、浮点型、字符串类型、固定长度数组和结构体等。用户自定义数据类型包括：枚举类型、复杂结构类型、数组类型等。
(2)创建模型组件
仿真组件开发工具支持用户创建新的组件，采用向导方式引导用户输入组件基本信息，包括选择组件类型、输入组件基本信息等。
组件类型包括算法组件、流控组件、状态组件、界面组件。其中，算法组件作为封装与仿真相关算法使用；流控组件(流程控制组件)负责根据仿真组件返回条件，调度管理算法组件的调用顺序；状态组件负责根据仿真组件的返回条件，向运行环境返回当前的组件状态；界面组件是通用的仿真图形界面显示元素，在组装组件阶段和仿真模型组件结合，并可以多次组装成为复合组件。
(3)编辑模型组件
编辑模型组件是指对组件的接口、事件、属性进行编辑。其中接口为随着仿真步长推进，每一帧都对内接收或者对外推送的数据。接口分为输入接口和输出接口，描述的是模型实时与外部模型交互的内容。事件是其他组件和系统对本组件所进行的操作。属性是模型初始化时依赖的信息，例如实体的初始部署位置坐标，初始状态等。
(4)生成代码框架
对编辑完成的组件，生成组件代码框架的集合，并使用公共开发环境对模型进行逻辑编程。
(5)发布模型组件
对编辑完成编码的组件模型，将组件资源包发布到模型库中进行统一管理。
仿真运行阶段，仿真工程管理和运行导控模块采用分布式仿真导控技术。
仿真工程管理和运行导控模块在一个集成的环境中完成仿真实验的部署并提供运行时的控制，包括方案资源管理、方案规划及仿真运行控制等。
在仿真运行之初，用户通过仿真工程管理和运行导控模块配置仿真方案及设备情况，将配置方案、想定、设备初始文件等资源自动发布到各个子系统的节点控制计算机中。分布式部署的节点控制计算机的节点调度工具接收到部署的资源文件，将其保存到指定目录中。仿真工程管理和运行导控模块控制仿真启动、仿真初始化、仿真运行/暂停及仿真退出等调度命令，对实验过程、各计算节点及部署资源进行统一管理。仿真调度过程由运行控制软件通过Socket通信方式向各个子系统发送控制指令，各个子系统收到指令后，解析指令内容，并执行相关操作。仿真工程管理和运行导控模块支持远程数据库存储仿真部署方案，对仿真部署方案进行分类管理；实验任务统一规划，可视化选择仿真计算节点和仿真模型，确保系统资源平衡，实验时正常运转，对资源部署拓扑关系进行可视化展示；展示模型位置及整个试验的网络连接关系；检索模型资源，根据任务规划内容，部署资源模型到各分计算节点或席位，在资源间建立完整的连接关系，自动检测资源部署的情况，对于异常情况能够进行明确的提示。
仿真想定编辑由仿真想定编辑工具实现，基于装备参数化的仿真想定制作包括：
(1)实体编辑
实体编辑是对想定编辑过程中所用到的兵力进行实体库的创建。按照分类创建兵力实体，配置实体默认参数，设置可视化显示信息(军标、三维模型)等。
(2)地图/海图编辑
地图/海图编辑是对想定制作中所使用的背景地图进行配置，可设置影像图、矢量图等不同地图，配置地图/海图图层、标绘地物等信息。
(3)创建想定
使用想定编辑基础界面来进行想定的创建和修改操作，输入想定的基本信息，包括想定目的、地图资源选择、实体资源选择等。
(4)创建兵力编程
部署想定中所需要的兵力，设置兵力的指挥和配属关系，完成想定所使用的兵力构建，通过拖拽方式在电子地图/海图上部署兵力初始位置；
(5)规划兵力航迹
根据想定任务，对战场环境中的作战兵力规划任务航路，配置兵力航迹点、运行速度等基本信息。
(6)设置兵力模型参数
对战场环境中的兵力设置其属性参数，作为仿真初始化信息。想定编辑工具采用统一的属性面板进行参数设置，可根据参数进行变换及扩展。
(7)配置仿真模型
配置仿真模型是将想定中的兵力指定使用的仿真实体模型，根据想定内容，配置不同粒度模型。
(8)发布仿真想定
完成仿真实体模型配置后，对仿真实体模型进行初始化设置，将设置后的想定发布到仿真想定库中，为实验设计、仿真运行提供输入。
仿真运行时第三方系统参与仿真采用多系统联合仿真技术。
仿真项目开发过程中会涉及到其他专业的仿真工具，如Matlab、STK、OPNET等。本对抗仿真及效能评估系统能够集成第三方仿真工具，主要采取开发接口适配器的方式实现仿真平台与第三方系统的互联、互通，实现不同应用软件所开发仿真模型的互联、互操作。仿真运行过程中，接口适配器作为仿真成员加入到DDS仿真域中，直接与分布式仿真运行支撑中间件进行数据交换，同时通过Socket接口与第三方仿真系统进行数据交换，可将所有仿真数据统一保存至数据库用于分析和评估。
通过协议适配器可在分布式仿真系统中实现对其它仿真系统的参数配置、数据获取、运行控制等功能，最终实现多系统的联合仿真，便于从多个维度对一体化作战体系进行仿真试验验证，极大提高仿真工作的效率。
仿真协议适配软件是第三方仿真系统加入到仿真平台中的核心模块，该模块实现将第三方仿真系统中的仿真机通过Socket发送来的相关数据转换成仿真平台的DDS主题数据，并通过AppDDS(高性能分布式实时应用开发平台)转发给其它子系统。该模块作为DDS成员加入到DDS仿真域中。读取数据配置工具配置数据映射XML(可扩展标记语言)文件进行数据的发布订阅。对收到的数据进行缓存，并转发。转发的数据类型要求一致，即第三方仿真系统中的发布数据及其属性要同DDS主题及其元素对应。
效能评估阶段，效能评估模块采用自定义数据管理和效能评估技术。
在效能评估阶段，本对抗仿真及效能评估系统基于Plug-In插件技术的自定义数据处理算法把数据集成导出为通用的数据文件，方便用户使用其它分析处理工具，既满足了数据处理的特殊需求，又解决了数据处理中的保密问题。
自定义效能评估技术支持自定义指标体系构建、评估方案定义、计算流程设计的可视化操作，支持基于正交实验设计的敏感性分析(采用方差分析和极差分析)，同时支持指标的相干性分析(计算协方差和相关性系数)及独立性分析。本对抗仿真及效能评估系统提供多种评估方法供用户选择和定制，包括：层次分析法、环比系数法、模糊综合法、白化权函数聚类法、TOPSIS法、数据包络法、ADC法、主成分分析、因子分析、支持向量机、趋势面分析、极差分析、方差分析、SEA评估法(系统有效性分析评估法)等。其中层次分析法、环比系数法、模糊综合评估法均满足群决策需求。
效能评估开始前，用户通过对指标体系中各指标的评估方法、指标参数、评估数据进行自定义的方式来定制评估方案。评估方案由若干独立的指标计算流程构成，指标计算流程定义了一组输入指标或样本数据到一个或几个输出指标的运算流程，计算流程中可使用评估算法库中的各类算子。评估算法库提供了包括指标选取、效能评估、因素影响性分析、模型预测、评估结果可视化、数据集输入输出等多种算子。用户还可通过公式、脚本语言、算法插件三种方式对现有评估方法库进行扩展。
本发明系统中基于装备参数化的效能评估包括：
(1)构建指标体系
构建指标体系是对评估对象的各类指标进行有序组织，即通过对同一类评估对象各种特性逐层抽取而得到的描述指标间的依赖关系的有向图。同时，除顶层指标外，需要对指标体系中的每一个指标分配权重，根据权重，通过从指标树的叶子节点逐层加权，可以逐步求取最顶层指标的评估结果，得到对评估对象的整体评价。指标体系构建流程支持可视化的指标体系建模，提供成本型、效益型、固定型、偏离型4类指标，允许指标间多重依赖。支持层次分析法(AHP)、环比系数法、自定义权重三种权重计算方法。
(2)设计评估方案
设计评估方案是针对某类评估对象在指标体系基础上制定每个指标的具体评估规则和方法，明确指标体系中各个性能指标的计算方法和各个效能指标的聚合规则。单个指标的计算规则由指标计算流程规定。所有指标的计算流程构成了整体的评估方案。可以利用不同的算法设计评估方案，通过各项度量指标得到最终效能指标。系统提供常用评估算法，并支持通过公式计算器、脚本、插件等三种方式自定义评估算法。
(3)获取仿真数据
利用仿真平台接口，接收仿真结果数据，并配备到评估方案的相应位置，完成预定的评估任务。
(4)导出评估报告
在评估结束以后，导出word、pdf、网页等各种格式的报告，包含评估各项信息，用于后续分析。
(5)评估结果分析
根据评估结果，进行全生命周期评估、敏感性分析、相干性与独立性分析等后续分析。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，该系统包括：仿真模型开发模块支持仿真服务组件架构，提供原子组件和复合组件两种不同粒度大小的组件开发环境，通过组件建模工具生成代码框架；工程管理和运行导控模块采用分布式仿真导控技术，采用仿真资源管理工具对仿真资源库中的模型、想定、参数资源进行统一管理和调配，部署到分布式仿真网络中目标节点上；仿真平台通过仿真执行引擎加载各种仿真资源并运行，通过底层通信协议实现各节点的信息交互，控制仿真运行的推进，对仿真状态和数据进行实时监视，保证仿真流程的正确执行；效能评估模块采用自定义数据管理和效能评估技术，提供自定义数据管理和效能评估功能。
2.根据权利要求1所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，仿真模型开发模块开发好的模型包在运行时由组件运行引擎加载运行，同一仿真成员内的仿真组件间的数据交换无需通过底层的通信协议。
3.根据权利要求1或2所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，分布式仿真运行支撑中间件为仿真试验提供网络技术运行支撑平台，分布式仿真运行中间件负责不同仿真子系统之间的通讯和各类接口消息的调度、时间一致性控制、空间一致性管等任务；仿真底层通信协议支持HLA和DDS协议，根据应用场景和需求不同，进行协议的切换。
4.根据权利要求1或2所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，还包括第三方仿真系统，第三方仿真系统利用多系统联合仿真技术与本对抗仿真及效能评估系统进行互联互通互操作。
5.根据权利要求1或2所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，通过协议适配器在分布式仿真系统中实现对其它仿真系统的参数配置、数据获取、运行控制功能，实现多系统的联合仿真，从多个维度对一体化作战体系进行仿真试验验证。
6.根据权利要求1或2所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，效能评估模块支持武器装备全寿命周期的效能评估，包括效能评估指标体系的定义、评估算法构建、评估结果可视化和报告生成，工具内置AHP层次分析法、ADC分析法、模糊综合评估法、灰色白化权函数法、TOPSIS法，支持评估算法自定义。
7.根据权利要求1或2所述的基于装备参数化的对抗仿真及效能评估系统，其特征在于，自定义数据管理和效能评估功能基于Plug-In插件技术。
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