支持计算机生成兵力动态行为仿真可重用建模的元模型

卫 翔, 范学满

(海军潜艇学院,山东 青岛 266199)

摘 要 ：基于元建模和元对象设施(MOF)扩展的方法,提出了兵力动态行为的形式化描述和数据驱动的行为驱动语义,并构建了符合作战仿真领域特征、适合动态行为描述的计算机生成兵力(CGF)动态行为仿真元模型。实例仿真结果表明:基于该元模型的面向作战仿真的行为建模具有较好的普适性和实用性。

关键词 ： 计算机生成兵力(CGF); 数据驱动; 行为建模; 元模型

行为模型是对军事仿真中人的行为或表现进行描述的模型。该模型能够刻画作战行动的动态特征,是计算机生成兵力(CGF)建模技术的核心^[1]。同时,该模型可以使仿真实体具备不同程度的自治性、推理能力和适应性,这也是研究复杂作战仿真系统涌现性的一个重要条件。

目前,CGF普遍应用于国内外的分布式作战仿真系统。然而,美国国防高级研究计划局(DARPA)认为,目前基于CGF的仿真系统主要存在以下两个问题^[2]:一是已有的模型和仿真技术缺少对CGF实体对象行为进行有效建模的方法和表现形式;二是由于仿真系统建设需求的不同,使得基于CGF的仿真系统间缺乏协同能力,异构系统间集成重用难度大。因此,采用支持模型可重用的行为建模方法就显得尤为重要。

在作战仿真中,对于不同的专业需求和应用背景存在多种行为建模方法,可以概括为统一建模语言(UML)的系列行为建模方法、进程代数方法等。一些机构对可视化建模语言在作战任务建模及作战计划推演等方面的应用展开了研究^[3-5]。文献[6]对主要的可视化建模语言的特点及局限进行了对比,这些可视化建模语言适合从各自的角度表达作战仿真系统中的各类动态行为,但由于未对系统的动态语义进行形式化描述,因此阻碍了可视化建模语言在领域建模中的应用^[7-10]。

综上所述,有必要构建符合作战仿真领域特征、适合动态行为描述以及抽象层次适当的行为建模元模型,以此为基础可方便地建立相应的模型设计工具,进而开展行为建模。

1 动态行为的形式化描述

针对兵力行为仿真的特点,采用基于功能分解的方法,对常用的兵力行为特性进行分析和抽象。通常,一个行为可以描述成一个行为部件。将一个行为部件分解为多个子行为部件,同时定义部件之间的接口,子行为部件又可以进一步分解,直至能够独立完成单一功能的原子行为部件。由于行为部件、子行为部件描述的行为规模不同,因此采用自上而下逐步细化,直至原子行为部件的层次结构可实现对行为活动建模的分层抽象和描述。由于底层原子行为部件的功能相对单一和独立,因此可以在领域相同或相似的仿真应用中重用。反之,还可将原子行为部件进行组合,得到适于描述其他方面特征的复合行为部件。例如,指控系统中的鱼雷攻击决策行为包括目标位置推算、鱼雷转角计算、鱼雷航程计算等子行为部件,鱼雷转角计算子行为部件又包括坐标变换、距离计算、方位计算等原子行为部件,而坐标变换、距离计算、方位计算等原子行为部件又是综合导航系统本艇定位以及鱼雷发控设备上攻击参数的基本模型,重用程度非常高。据此,可先给出行为部件的定义。

此外，通过社交媒体平台酒店可以吸引不同类型的顾客。例如，1家商务型受访酒店通过社交媒体平台吸引当地居民在周末入住酒店；5家度假型酒店通过社交媒体平台吸引当地居民来酒店用餐和使用健身及水疗等设施。虽然受访酒店受其品牌概念的影响，会考虑做出具有针对性的宣传，但就放在社交媒体上的信息而言，一般都是面向所有使用那个社交媒体平台的用户。

定义 1 兵力行为仿真总是通过对某种输入进行响应并输出新的状态而表现出来,将这种功能性仿真模型称为行为部件,它描述了数据、状态的变换方法,以及数据、状态变换需要的输入和变换后产生的输出。根据实际含义将行为部件B 定义为一个四元组,如下所示:

B =(I ,M ,P ,O )

(1)

式中:I 为B 的接口;M 为B 的状态转移控制;P 为B 的内部参数集;O 为B 执行的内部算法。

定义 2 接口I 用于描述输入或输出事件、输入或输出参数。将I 定义为一个四元组,如下所示:

推论 1 在数据驱动过程中,经过k 步后(k ≥1)能够驱动h _i 的通路个数为1,即某仿真模型的输出参数到另一个仿真模型的输入参数的驱动路径有且仅有一个,当且仅当w _ij =1,其中w _ij 为W ^K 的元素,i ,j =1,…,n 。该推论能够有效地检测出数据驱动过程中是否有重复通路,其原理为:邻接矩阵W ⁿ 中的w _ij 表示从i 到j 经过n 步的通路个数,故证略。

I =(E _I,E _O,P _I,P _O)

(2)

式中:E _I={e _i1,e _i2,…,e _im }代表一个包含m 个输入事件的输入事件集;E _O={e _o1,e _o2,…,e _on }代表一个包含n 个输出事件的输出事件集;P _I={p _i1,p _i2,…,p _iv }代表一个包含v 个输入数据的输入参数集,其中p _i=(i _nk ,i _vk )(k =1,…,v ),i _nk 和i _vk 分别表示第k 个输入参数的名字和值,并且i _vk 具有默认值i _vk0 ;P _O={p _o1,p _o2,…,p _ow }代表一个包含w 个输出数据的输出参数集,其中p _o=(o _nk ,o _vk )(k =1,…,w ),o _nk 和o _vk 分别表示第k 个输出参数的名字和值,并且o _vk 具有默认值o _vk0 。

一般意义上,有两类行为都可用定义2表示,如下所示:

(1)B ∶E _I→E _O,表示状态转移行为,多存在于部件间。

(6)FExitFunc。该元素描述了离开状态需要执行的函数。

定义 3M 可用一个三元组表示,如下所示:

M =(S ,S ₀,T )

(3)

由图 6可知，在同一温度下，膜通量总体由大到小的顺序为：KCl溶液>NaCl溶液>MgCl2溶液；随着温度升高，3种溶液的膜通量都将增大。

定义 4O 是系统运行的必要元素,根据输入、输出参数和内部参数进行计算,最终通过数据驱动引擎更新内部参数和输出参数的值。O 可定义为

O ={o ₁,o ₂,…,o _l }

(4)

式中:o _i ∶P _I×P _O×P →P _O×P ,i =1,…,l 。

2 基于数据驱动策略的行为驱动语义

仿真应用是否正确,取决于内部数据、状态以及行为是否和设计目的相一致。因此,对数据、状态和行为三者关系的维护就构成了正确开发仿真系统的核心要素。

2.1 数据驱动机制基本算法

本文设计了基于数据驱动的行为模型驱动机制,并在相应集成开发环境中提供形式化的图形符号,辅助开发人员清晰地完成数据、状态和行为的映射关系,进而实现行为仿真的快速设计。图1描述了数据驱动策略的执行语义。

式中:S ={s ₁,s ₂,…,s _p }表示一个M 的状态集,包含p 个状态,其中s _k =(s _n,s _ok1 ,…,s _okp )(k =1,…,p )表示第k 个状态由状态名s _n及其所含的p 个计算单元s _o组成,每个计算单元均可执行,s _oki ∈O ∪E _O∪E _O×O (i =1,…,p );S ₀⊆S 表示初始状态集;T ={t ₁,t ₂,…,t _q }表示q 个状态转移,其中表示第i 个从s _i 到的状态转移,c _i ∈E _I∪{true,false丨P _I×P _O×P →{true,false}}表示该条件由输入时间或输入参数、输出参数、内部参数共同决定的变量组成。

具体工作过程为:当外部事件到达本地时,会使本地消息处理进程产生操作消息,从而触发模型1的内部参数列表,即引起该内部参数列表中相应数据的变化,该数据的变化将产生两种驱动方向,一种是内部的,另一种是外部的。对于内部驱动方向,在数据变化后,通过计算单元注册列表查找与此数据关联的计算单元地址,通过该地址在计算单元列表中调用相应的计算单元,而此计算单元的变化有可能导致新的数据变化。在系统注册参数列表中感知到数据变化时,通过数据同步,使模型2中的内部参数发生变化,同理该参数变化又将重新引起模型2的内部计算单元驱动。如此往复,直至数据平静。将这一仿真过程的管理机制称为基于数据驱动的仿真模型调度机制,该机制的具体核心算法实现如图2所示。

图1 数据驱动机制
Fig.1>参考文献:

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Meta -model for CGF dynamic behavior simulation reusable modeling

WEI Xiang ,FAN Xueman

(Navy Submarine Academy,Qingdao 266199,China)

Abstract ： The formal description of the dynamic behavior of force and the behavior driven semantics of data driven were proposed based on the method of meta modeling and the extension of meta object facilities(MOF).Then,the computer generated force (CGF) dynamic behavior simulation meta-model was constructed.The meta-model accords with the characteristics of cambat simulation field and is suitable for the description of dynamic behavior.The simulation results of example modeling show that the behavior modeling based on the meta-model for combat simulation has good universality and practicability.

Key words ： computer generated force (CGF); data driven; behavior modeling; meta-model

中图分类号 ：TP391.9

文献标识码： A

卫 翔 男(1980—),山西阳城人,副教授,博士,主要研究方向为作战仿真、系统建模与仿真。

范学满 男(1989—),山东青岛人,博士,主要研究方向为人工智能、模式识别。

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