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基于系统六元的装备保障仿真建模方法研究

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总第273期 2012年第7期 计算机与数字工程 Computer&Digital Engineering Vo1.40 No.7 48 基于系统 六元的 兀嗣 装备保障仿真建模方法研究 刘占伟 柏彦奇 高(1.军械工程学院石家庄飞 潍坊261000) 050003)(2.71146部队摘要计算机仿真技术由于其经济性等优点,在军事领域得到了广泛应用。为了提高模型的通用性,美国国防部提出了建模与仿真 通用技术框架。文中描述了建模与仿真通用技术框架的组成,指出了其问题域界定不清晰等缺陷。通过六元抽象建模方法,将装备保障仿 真建模过程归纳为概念建模、对象建模和执行模型设计三个过程,建立了统一的模板,验证了统一建模过程的优点,推动了规范化建模过程 的发展。 关键词仿真建模;技术框架;六元抽象 TP391 中图分类号Study on Equipment Support Simulate Modeling Method Based on System Six・element LIU Zhanwei1 BAIYanqi GAO Fei0  of PLA,Weifang 261000) (1.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003)(2.No.71146 TroopsAbstract Because of its economy,computer simulation is widely used in military world.In order to improve the model's commonality, American IX)D put forward modeling and simulation common technical framework.The components of the modeling and simulation common technical framework are described,and the disadvantage that the definition of the problem domain is not clear is printed out.Through six- view abstract modeling method,the equipment support simulation modeling process is concluded as concept modeling、object modeling and ex— tensive model designing.The unified template is built,and the advantage of unified modeling process is tested which promotes the develop— rnent of standardization modeling process of differentiation. Key Words simulation model,technical framework,six-element abstracting ClassNumber TP391 1 引言 当前阶段,科学技术日新月异,人类社会进入了信息时 代,计算机技术得到了广泛发展。计算机仿真技术由于其 时效性、经济性、安全性等特点,已成为各个应用领域不可 或缺的研究手段。在军事领域,受军事需求的推动和相关 标准‘【)a a andards,D 等三个部分组成,如图 所示。 技术的牵引,仿真已从传统的单一集中式仿真向分布交互 式仿真(Distributed Interactive Simulation,DIS)发展。为了 提高建立模型的通用性、可重用性、可共享性和互操作性, 美国国防部定义了建模与仿真的标准化过程,该过程反映 了今后建模与仿真技术发展的大致方向_1]。 2建模与仿真通用技术框架 建模与仿真通用技术框架的目的就在于促进各种类型 的模型与仿真的通用以及它们与相关的 I系统之间的互 操作性,同时也为了促进建模与仿真部件的可重用性,实现 仿真规模的可伸缩性,提高仿真的性能。通用技术框架由高 层体系结构(High Level Architecture,HLA)、任务空间概念 模型(ConceptualModelsof theMissionSpace,CMMS)和数据 图1建模与仿真通用技术框架 2.1高层体系结构(HLA) HLA是一个通用的仿真技术框架,它定义了构成仿真 各部分的功能及相互间的关系。它是一个灵活的、可重用 *收稿日期:2011年12月28日,修回日期:2012年2月5日 作者简介:刘占伟,男,硕士研究生,研究方向:装备保障指挥及自动化。柏彦奇,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:装备保障指挥 及自动化。高飞,男,硕士,助理工程师,研究方向:装备综合保障理论与应用研究。 2012年第7期 计算机与数字工程 49 的软件结构,具有广泛的普适性,它只是规定促进互操作和 可重用所需要的最小定义,各个仿真与模型依然可以进行 其独特仿真体系的进一步定义和详细实现。 2.1.1 高层体系结构的基本概念 ・运行支撑系统(RTI):运行支撑系统RTI(Run Time Infrastructure)是HLA研究的重点,也是实现HLA应用的 关键所在。它实际上是一个中间件,是HLA仿真应用的 支撑平台,它提供了HLA接口规范中定义的标准接口调 用,按照HLA规范开发的各类仿真应用能够方便地“插 到”RTI之上,并通过RTI提供的服务实现各类仿真应用 之间的互操作。 ・联邦(Federate):为实现某种特定的仿真目的而组织 到一起,并能彼此进行交互作用的仿真系统、支撑软件和其 他相关的部件构成一个联邦,其执行过程称为联邦执行。 ・联邦成员(Federation):组成联邦的各仿真应用系统 称为联邦成员,简称邦员。 ・对象(Object):对象指某一应用领域内所要进行仿 真的物体所建立的模型。 2.1.2 高层体系结构的组成 高层体系结构包主要包括下列组成部分: ・规则(Rules):定义了联邦、邦员所必须遵循的一般 性原则,表述了HLA各个部件的功能划分和逻辑关系,体 现了HLA为达到其目的的构思和原则。 ・接口规范(Interface Specification):HLA包含了一个 规定仿真与RTI交互种类的接口规范。这些规范包括六 个方面,即联邦管理、申明管理、对象管理、所有权管理、时 间管理和数据分发管理。 ・对象模型模板(Object Model Template,OMT): HLA对象模型模板是为描述实体的类及其属性和它们之 间交互关系的信息提供的标准模板格式,它只规定了必须 包含在对象模型中的信息种类而并不定义将出现在对象模 型中的对象模型。 2.2任务空间概念模型(CMMS) 任务空间的概念模型(Conceptual Models of the Mis~ sion Space,CMMS)是对一组特定军事行动(即任务)相关 的真实世界的首次抽象,与具体仿真相独立,更多关注军事 行动的任务空间。作为一个真实世界的一种表现形式,任 务空间概念模型可以解决仿真设计活动中模型的通用性不 好、可重用性差和权威性不高的问题。 通常,任务空间概念模型由下面四个部分组成: ・概念模型(Conceptual Models):概念模型是对真实 世界军事行为的一致性描述。它关注军事行动,并通过实 体、人员和知识赋予这些军事行动以内容,生成与具体仿真 无关的军事特征。 ・技术框架(Technical Framework):技术框架是军事 知识生成与综合集成的技术标准。技术框架是由用于信息 获取、任务描述、模型集成、权威数据源构造和注册的一系 列工具、规则和用户接口组成。 ・通用知识库(Common Repository):注册、存储、管理 和发布的概念模型数据库管理系统。 ・支持及应用工具:主要包括知识的开发与捕获工 具、知识的集成与分析工具、模型库、通用语法与语义库和 权威数据源等。 2.3数据标准(DS) 数据应用包括数据准备、数据交换和数据分析,体现在 建模与仿真的全过程,数据对于建模与仿真来说是至关重要 的,这种重要性还体现在提高建模与仿真的可重用性和互操 作性方面。因此,数据标准成为建模与仿真通用技术框架的 组成部分。各仿真建模机构针对数据开发进行了大量的工 作,构建了建模与仿真的数据工程技术框架,实现了数据的 标准化,提高了数据的共享效率,从而实现建模与仿真的可 重用和互操作,同时提高了建模与仿真结果的可信性I2 ]。 系统六元抽象仿真建模过程 建模与仿真通用技术框架给出了通用性很强的建模过 程,具有很强的适用性,在军事领域以及各相关领域中得到 了很好的验证[9 ̄11],但是在实践中我们仍然发现,从问题域 到概念模型和对象模型的映射过程中,该方法问题域界定 仍不够清晰,实体提取及相互间信息交互关系尚不够明确, 影响了建模结果的准确性。基于六元抽象的建模方法较好 地解决了这方面的问题[43,该方法从环境、组员、结构、状 态、运行、功能等六个方面界定问题域,按照概念模型、对象 模型和执行模型三级抽象方法建立模型,实现了建模过程 的规范化和结果的标准化,建模方法如图2所示。 现实系统 = 概念模型 物理模型 系统 9lj8 I任务空闽 元数据  :系统要褰 仿真实体 对象 豢统结鞫 实体关系 转攒 薏 结构 系统状态 l, 实体状态 属性 系统运行 状态更新 方法 系统葫施 实体交互 消息 图2六元抽象建模方法 3.1概念建模_8] 概念模型(CM)是仿真系统开发者对仿真及其各部分 概念描述相关信息的收集,是仿真开发过程中的一个关键 点。概念模型的建立主要利用六元抽象实现对现实系统范 畴、要素、结构、状态、运行和功能等要素的分类抽取,并映 射为概念模型的任务空间、仿真实体、实体关系、实体状态、 状态更新和实体交互等六个方面。概念建模通过对现实问 题相关概念和概念间关系的抽象、封装、层次化和模块化描 述,建立简化模型,为问题的解决和系统的研制提供一致的 基础 。 装备维修保障概念模型,可分为装备维修保障指挥中 心、装备系统、修理所、装备备件仓库和装备运输等五个实 体模块。其中,装备维修保障指挥中心负责保障任务的下 达;各装备实体负责完成下达的任务。修理所根据任务情 况和装备状态合理调配人员与设备,并申请所需的备件;装 备备件仓库负责备件的供应和存储;装备运输机构负责将 备件运输至修理机构。所有实体相互协作,完成装备的使 用、维修和保障任务。 3.2对象建模 3.2.1保障对象分析 从保障性的观点来讲,每个装备系统都是由许多可更 刘占伟等:基于系统六元的装备保障仿真建模方法研究 第4O卷 换产品组成的(包括可修和可更换单元),每个产品又由更小的 可更换部件组成。这样分解下去可以定义出一个完整的装备 维修保障对象层次结构。装各保障对象大致可分为现场可更 换单元、车间可更换单元、部分可修现场可更换单元、部分可修 车间可更换单元、可报废单元和可报废部件等六类。 3.2.2保障资源对象模型(0M) 在装备维修保障系统中,保障资源是使用与装备维修 所需的物资和人员的统称,是构成装备维修保障系统的物 质基础。对保障资源建模是装备维修保障仿真系统建模中 的关键问题。保障资源主要包括:人员、备件和消耗品、技 术资料、保障设施,以及包装、装卸、储存、运输所需的保障 资源和计算机资源等。对象建模就是实现概念模型向对象 模型的转换和扩展,完成对对象模型的元数据、对象、结构、 属性、方法、信息的讨论 ]。 3.3执行模型(EM)设计 仿真的方法是通过建立所有可能事件的模型,用程序 的调度来模拟过程的复杂性。通过重复多次的仿真,融人 事件发展的多样性,从而较好地解决相关问题。系统仿真 的对象包括保障资源和保障系统,整个仿真过程是以任务 驱动的。装备维修保障系统仿真模型主要包括装备使用、 故障维修、备件保障、资源调度、保障方案和能力评估等六 个仿真过程。系统仿真的事件包括装备的使用、故障、调 度、修理和修复等。仿真运行时,每个事件分别对应于一个 时刻点。调度过程就是取最小到达时刻,并根据不同的事 件类型启动相应的过程。其中,装备使用事件、故障事件和 修复事件,将触发装备使用过程;故障事件、修理事件和修 复事件,将触发维修过程。装备使用和维修过程的执行结 果就是更改各对象的属性,并将更新了的事件序列返还调 度过程,调度过程再根据新的时间序列决定执行装备使用 或维修过程,依次循环推进,直到任务结束Ⅲ。建模过程如 图3所示。 ( 问题域研究 ) Jl f 概念建模 】 【f指挥中1f装备系1心模块J【统模块JI模块J【库模块儿输模块J f修理1 f备件仓1f装备运1  J} f 对象建模 1 I(人员对割 [物资对 l Jl [装鬟 J l 执行模型设。+ ][能 估J f故障维修1 f备件保障1 f资源调度1 f保障方案1 【模型j l模型J 【模型l 【模型J J} L 应用验证研究 1 图3装备维修保障建模过程 4结语 本文将装备保障仿真建模过程分为概念建模、对象建 模和执行模型设计三个过程,较好的实现了军事人员、技术 人员和使用人员之间的顺畅交流,消除了知识壁垒和信息 隔断,提高了效率,使模型可裁减性、可重用性得到了加强。 但是由于军事人员和技术人员思维方式和知识水平不同, 甚至是军事人员之间也存在一些认识上的不一致,很难使 建立的模型实现真正的一致,仍需要对建模方法进行深入 研究。 参考文献 [1]陈彩辉,姜汉龙.任务空间概念模型(CMMS)研究LJ].计算机 仿真,2005,22(9):80—84. 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