作战仿真模型体系分析及其模型设计与实现关键技术研究

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1、 分类号 TP391.9 学号 07039021 密级 公开 工学博士学位论文 作战仿真模型体系分析及其模型设计与实现 关键技术研究 作战仿真模型体系分析及其模型设计与实现 关键技术研究 博士生姓名 彭 勇 学 科 专 业 控制科学与工程 研 究 方 向 系 统 仿 真 指 导 教 师 黄柯棣 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 Research on Key Technologies for Analysis of Models Family， Design and Implement of Its Model for Warfare Sim

2、ulation Candidate：Peng Yong Supervisor：Prof. Huang Kedi A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Control Science and Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China October，2011 国防

3、科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 目 录 目 录 目 录 . I 摘 要 . i Abstract iii 第一章 绪论 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 相关技术研究进展 . 3 1.2.1 作战仿真模型体系研究 3 1.2.2 模型表示方法研究 6 1.2.3 模型检索方法研究 7 1.2.4 模型组合方法研究 8 1.2.5 模型设计方法研究 9 1.3 主要问题分析 . 10 1.4 主要内容、论文结构与创新点 . 12 1.4.1 主要研究内容 12 1.4.2 论文结构 13 1.4.3 论文的贡献与创新点 15 第二章 作战仿真模型体系结构分析与模型重用理论研究

4、17 2.1 作战仿真模型体系的基本概念及相关问题 . 17 2.1.1 基本概念 17 2.1.2 作战仿真模型体系面临的问题 18 2.2 作战仿真模型体系结构形式化分析 . 20 2.2.1 作战仿真模型体系设计方法 20 2.2.2 作战仿真模型体系的结构建模分析 22 2.3 基于模型体系的模型重用判定 . 26 2.4 本章小结 . 30 第三章 仿真模型表示与检索关键技术 31 3.1 仿真模型的表示方法 . 31 3.1.1 基于系统规范层次结构的模型表示 31 3.1.2 基于 BOM 的仿真模型表示 . 32 3.1.3 模型的实验框架表示 34 3.2 仿真模型的检索方法

5、 . 35 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 3.2.1 模型检索的基本概念与方法 35 3.2.2 基于相似度的组件检索 35 3.2.3 基于刻面的组件检索 37 3.2.4 基于规约的组件检索 39 3.3 基于 BOM 相似度评估的模型检索方法 41 3.3.1 BOM 概念模型相似度评估 41 3.3.2 BOM 对象模型相似度评估 46 3.4 本章小结 . 47 第四章 仿真模型体系组合性分析及模型组合方法 49 4.1 作战仿真模型体系的组合性分析 . 49 4.1.1 模型组合的基本概念 49 4.1.2 典型的作战模型体系组合性分析 49 4.2 面向组合

6、的作战仿真模型体系设计 . 50 4.2.1 可组合模型体系的总体结构设计 50 4.2.2 基于系统层次结构的模型分类与设计 55 4.3 基于领域规则的作战仿真模型组合方法 . 58 4.3.1 作战仿真系统组合建模需求 58 4.3.2 基于逻辑的模型组合方法 59 4.3.3 基于推理的模型组合过程检验 63 4.4 本章小结 . 65 第五章 基于 DSSA 的仿真模型及其运行支撑框架设计 66 5.1 基于 DSSA 的建模仿真体系结构分析 . 66 5.1.1 DSSA 的基本概念 . 66 5.1.2 典型仿真系统的体系结构分析 67 5.2 HMP 体系结构 . 69 5.2

7、.1 HMP 体系结构的需求模型 69 5.2.2 HMP 体系结构 70 5.3 面向 HMP 体系结构的仿真模型设计 74 5.3.1 仿真模型设计 74 5.3.2 组合模型及其消息管理机制 78 5.4 HMP 运行支撑关键技术及其在联邦成员并行化的应用 . 78 5.4.1 并行时间同步算法 79 5.4.2 高效数据分发管理机制 81 5.4.3 动态负载平衡算法 83 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 5.4.4 联邦成员并行化 86 5.5 本章小结 . 89 第六章 基于 BML 的仿真模型 C2 信息处理子系统设计 . 91 6.1 BML 的基本概念及

8、其在仿真中的应用 . 91 6.1.1 基本概念 91 6.1.2 BML 在作战仿真中的应用 95 6.2 BML 的数据模型及形式语法 . 96 6.2.1 BML 的数据模型 96 6.2.2 BML 的形式语法及其扩展 98 6.3 仿真模型的 C2 信息处理子系统 104 6.3.1 仿真模型的 C2 信息处理模型设计 . 105 6.3.2 功能测试分析 107 6.4 本章小结 . 108 第七章 系统设计、实现与应用 109 7.1 作战仿真模型开发软件需求分析与总体设计 . 109 7.1.1 作战仿真系统软件体系结构 109 7.1.2 总体需求分析 111 7.1.3 总

9、体设计 112 7.2 作战仿真模型开发软件设计与实现 . 114 7.2.1 模型开发软件设计与实现 114 7.2.2 模型代码生成软件设计与实现 116 7.2.3 模型组合软件设计与实现 117 7.3 某电子对抗仿真系统的模型体系设计与模型开发 . 118 7.3.1 系统背景与需求 118 7.3.2 模型体系设计 120 7.3.3 基于组件的模型设计 124 7.3.4 系统结构 126 7.4 本章小结 . 127 第八章 结论与展望 128 8.1 工作总结 . 128 8.2 工作展望 . 129 致 谢 131 参考文献 133 作者在学期间取得的学术成果 148 国防

10、科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 附录 A 150 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 V 页 表 目 录 表 2.1 元模型层次规范 21 表 2.2 模型体系的可达集、先行集和共同集 25 表 4.1 模型组合规则示例 63 表 4.2 某电子对抗仿真系统模型组合规则示例 65 表 5.1 HMP 体系结构的 ACME 描述 . 73 表 5.2 HMP 模型结构的 ACME 描述 . 73 表 5.3 HMP 仿真引擎的 ACME 描述 . 74 表 5.4 改进的并行时间同步算法 80 表 5.5 Min-Max-Exchange 动态负载平衡算法 . 85 表 6

11、.1 各种 BML 实现的功能 . 93 表 6.2 BML 命令表达式的语法规则 99 表 6.3 BML 报告表达式的语法规则 100 表 6.4 BML 意图表达式的语法规则 100 表 6.5 BML 时间拓扑关系限定词 102 表 6.6 BML 空间拓扑关系限定词 103 表 6.7 BML 命令表达式语法的 EBNF 表示 104 表 6.8 基本功能组件任务接口与 C2 命令的关系 . 106 表 6.9 基于 BML 命令的想定描述 . 107 表 7.1 某电子对抗仿真系统的模型组合关系示例 123 表 7.2 某电子对抗仿真系统的模型属性示例 126 国防科学技术大学研究

12、生院博士学位论文 第 VI 页 图 目 录 图 1.1 作战模型体系及模型重用关键技术 2 图 1.2 论文组织结构 14 图 2.1 模型体系的继承关系 24 图 3.1 BOM 模型的结构 33 图 3.2 二部图最优匹配示意图 37 图 3.3 组件刻面描述的代码和结构 37 图 3.4 BOM 概念模型相似度评估算法测试结果 45 图 4.1 JWARS 的基本模型结构125 50 图 4.2 JWARS 的 Asset 类和其他类的关系125 . 51 图 4.3 可组合的模型体系结构 54 图 4.4 某武器装备模型体系示意图 57 图 4.5 某武器装备模型体系的组合结构 58

13、图 4.6 组合建模检验过程 64 图 5.1 HLA 体系结构 . 67 图 5.2 HMP 建模仿真体系结构需求堆栈 70 图 5.3 HMP 建模仿真体系结构 71 图 5.4 HMP 仿真组件模型的结构 76 图 5.5 HMP 的数据分发管理机制 82 图 5.6 不同数量仿真实体的系统运行时间 88 图 5.7 传统成员和并行成员的运行时间分析 88 图 5.8 并行成员无负载平衡和有负载平衡分析 89 图 6.1 BML 与指挥自动化系统、仿真系统之间的关系 92 图 6.2 C2IEDM 中 Action 元素的结构 . 97 图 6.3 仿真模型的 BML 处理子系统 . 1

14、05 图 6.4 BML 表示式描述的想定态势图 108 图 7.1 作战仿真系统的软件构成 109 图 7.2 模型开发软件的功能结构 113 图 7.3 模型开发软件的各个功能模型之间接口 113 图 7.4 模型开发的典型活动图 114 图 7.5 基于 BOM 的仿真模型描述文件 . 115 图 7.6 模型开发工具 KD-ModelEditor 的主界面 . 115 图 7.7 BOM 组件与用户模型组件之间映射关系 116 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VII 页 图 7.8 描述组合模型的数据结构 117 图 7.9 模型组合软件的界面 117 图 7.10 两种不同

15、的电子战模型分类 121 图 7.11 某电子对抗仿真系统的模型分类 122 图 7.12 某电子对抗仿真系统原子模型结构 124 图 7.13 某电子对抗仿真系统的用户模型逻辑控制流程 125 图 7.14 某电子对抗仿真系统的结构 127 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VIII 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 i 页 缩略语 BBS BML Base Service BML Battle Management Language BML SG BML Study Group BOM Base Object Model BSE Battle Space Entity

16、C-BML Coalition-BML CDAS Common Data Access Service CMD Common Data Model CISE Component-based Integrated Simulation Environment COSIM Collaborative Modeling simulationFramework.eventSend to model.eventExecutro; 表 5.2 HMP 模型结构的 ACME 描述 Component model = Port eventSch, eventExecutor Representation modelDetails = System modelDetailSys = Component atomicCom = Port eventSch, eventExecutor,funReq, funPro, mgr