联合建模与仿真系统概述

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1、联合建模与仿真系统概述棣华 编译摘 要：本文介绍美国“联合建模与仿真系统（ JMASS ）”项目研究室的联合建 模与仿真系统。该项目是一个仿真支持环境，它包含一个定义严格、文件齐全的 接口标准集，模型可按此标准集建立。JMASS提供的软件工具可帮助用户建立真 实环境系统表示、组配模型块、将模型块组装成仿真系统、运行这些仿真系统、 并且处理其结果。 JMASS 是美国三军使用的产品，有近300 在册用户，其参与者 有美国陆军、海军、空军、国防部、国防情报局和工业部门。系统采用普遍应用 的面向对象技术，在 WindowsNT， SunSolaris 和 SGIIRIX 计算环境下运行一套单 独的源

2、代码。JMASS目前以其标准的交战级和工程级仿真框架适用于采购、测试、 评估及科研技术情报各界。它为美国“基于仿真的采购”（SBA）政策提供了技 术方面的关键要素。J MASS遵从“高层体系结构”（HLA）的要求，以HLA提供 的通用技术框架来保证各不同仿真部件的互操作性。本文概述JMASS的概念、操 作和实用性。关键词：联合建模 仿真建模1 JMASS 背景美国早期没有正规化的建模和仿真，但在第二次世界大战期间，“运筹学” 的发展以纯数学模型开始填补这一空白。六十年代，由于通用计算机的广泛使用， 大量的“多对多”交战模型被用来描述各种敌友实体间的事件交互，诸如模拟飞 机和地对空导弹（SAM）

3、发射场。七十年代，建模和仿真的独立应用激增，有了 更详细的设计和交战模型，假定和限制性条件各不相同，其结果也大相径庭。美 国仿真界经历了 SAM仿真模型的开发，例如“加强型SAM模型”（ESAMS）。对 敌方指挥控制和建模的研究导致产生了 SUPPRESSORo八十年代出现模型分级体 系，为仿真结果的逻辑一致性提供了一整套工具，由此，一种模型的输出可以成 为另一模型的输入。由于模型开发费用巨大，因此模型可重用性成为研究热点。 基于对象技术的综合建模系统被提出来作为一种技术解决方案，以减轻模型开发 和产权的费用负担。进入九十年代，JMASS成为这一领域联合开发的先驱，随后 出现了“联合仿真系统”

4、（JSIMS）和“联合作战仿真”（JWARS）。JMASS 的最初设计用于支持武器系统开发和采购所需的高逼真度交战级分 析。自九十年代早期，JMASS从一个“唯UNIX”的系统发展成为一个紧凑高效的 系统，所要求的硬盘空间不超过lOOMbytes。初始运行能力计划在2001年早期 完成，全面运行能力计划在2004年完成。到J MASS全部完成时，它将成为一个 完整的仿真系统，包含一套定义良好的标准和规范、有效的仿真引擎、有助于分 析人员和模型开发人员工作的各种工具和经过确认的威胁模型的基础结构。一套 包含图形用户接口（GUI）的单独的源代码在WindowsNT、SunSolaris、和SGII

5、RIX 计算环境下运行。未来的 JMASS 将遵从高层体系结构要求，使 JMASS 能与其他仿 真模型进行互操作。JMASS目前为训练和客户支持提供了一种基础结构。JMASS 软件同时提供了“模型开发者参考”和综合性“用户手册”。在未来版本中，还 将提供“上下文有关”在线帮助。训练和客户支持功能现在已经由“JMASS项目 研究部”提供使用，详细内容可从 www.jmass.wpafb.af.mil 网上查到。2 JMASS 的实用性图 1 所示是四个层次的分析。基于多时日、多对多战术情景的兵力结构研究 划分在战役级。使命级分析包括系统折衷研究，这种研究是根据裁剪的战术情景 和更少并更详细的系统

6、而进行的。交战级和工程设计这两级包含对系统和子系统 性能的研究，是根据少数非常详细的对象之间的交互作用而进行的。最后，这四 个级汇聚起来并形成图中所示的金字塔顶是其结果。 JMASS 目前致力于工程设计 级和交战级研究，但在不久的将来，JMASS的最大实用性将能够支持战术/交战 级的分析。图 1 各分析级JMASS 目前以其标准的交战级和工程设计级仿真框架适用于采购、测试、评 估以及科技情报部门。在整个基于仿真的采购政策中，它提供了技术方面的关键 要素。 JMASS 把武器系统放在一个虚拟的环境中，因此它对考虑采购的武器系统 的设计和性能提供了一个分析框架。这样， JMASS 补充了美国国防部

7、的其它建模 与仿真项目（如 JSIMS 和 JWARS）。 JMASS 不是 JSIMS 和 JWARS 的一部分，而相 反，它生成的数据被确认既可用于JSIMS，也可用于JWARS。3 JMASS 描述如图 2 所示， JMASS 包含四个作用分明的部分：传统模型功能实现、红色威 胁模型、蓝色数字系统模型、和体系结构。本节讨论 JMASS 的体系结构和各种模 型。JMASS 模型代表性地对应于真实环境中的物理实体，诸如飞机、雷达、导弹、 电子对抗系统或导弹寻的头等。 JMASS 定义并提供了标准化的一整套文件格式和 应用程序接口，它们可使这些模型得以继续开发，使其具有互操作能力。原始文 件格

8、式规范书吸收了模型设计信息，一个精致复杂的代码生成器将这些设计信息 转换成编码框架，以保证所有的结构功能都能被模型开发者访问。模型开发者仅 需为他们的模型添加行为代码，理解并应用 API 服务功能以确保与其他模型的互 操作性。为了便于模型重用，JMASS采用开放式系统，使用通用面向对象语言， 包括图形用户接口和应用一些基于商用标准的技术，如 Microsoft Windows、 POSIX、ANSI C+和OpenGL。JMASS开放式体系结构允许裁剪和扩充。标准工 具套件在WindowsNT和UNIX平台上通过本机的“拖一放”文件管理器可以访问 到。提供的图形用户接口工具在Tcl/Tk中实现

9、，Tcl/Tk可以在WindowsNT、Sun Solaris和SGI IRIX环境下运行。现场专用的工具也可以添加到该体系结构中， 以便对设计和分析功能进行裁剪和扩充。传统模型功能实现过程-导弹飞出-交战结束-飞行员心理模型等nuss体系结构:具、服务器、标淮.接口） 三军通用程序图 2 JMASS 的四个部分31 JMASS 体系结构JMASS 提供了标准的服务功能模块，用于调度、空间服务、数据记录、报文 登录、以及大气层和地形地貌的物理环境。如果要求的话，可以由用户提供的物 理环境和大气层模型来替代。基于离散事件的调度程序是系统设定的，但可以应 用实时的、基于帧的、或HLA时间一管理方法

10、。JMASS提供了一个分层的“六自 由度”空间管理器及两个导出器，用于维护和推断空间实体在仿真过程中的状 态。标准的数据记录器可提供二进制、MATLAB、与/或ASCII码格式的仿真输出。 报文登录器显示仿真运行期间的彩色编码信息，并将这些信息储存到一个文件 上。体系结构的服务功能在IOCJMASS中将即插即用。为了帮助工程设计人员快速轻松地开发仿真系统，JMASS提供了工具，可让 模型开发人员专心致力于算法，而不必为软件费力。该套标准工具在WindowsNT 和UNIX平台上通过本机的“拖一放”文件管理器都可以访问到。图3示出了这 些工具的一部分。生成工具提供了自动的代码生成、相关生成、编译

11、和链接。它使用户与编译器和文件系统细节分离，但仍然可以通过程序描述文件来提供细节 控制。“GUI配置”用于仿真特性初始化并选择要记录的数据。执行工具显示彩 色编码信息，同时运行仿真程序。它还用于仿真造形和调试，并支持命令行的执 行。麻 血匸铝 配直执行分析_图 3 JMASS 模型运行和 GUI 工具图 4 SimView 分析员级直观化工具JMASS的未来版本将含有“自动的模型转换工具”（AMC Tool）。它是一个 支持模型开发的虚拟程序设计工具，提供了一种把Simulink模型转换为JMASS 模型件的自动方法。JMASS的一个学习管理程序叫做“灵活自动学习工具”（FAST），用以支持工

12、程设计分析人员研究怎样应用JMASS。FAST在局域网上有 多种分布运行方式，用作参数分析和统计分析。它也收集数据并为数据简化和分 析提供工具。 FAST 允许分析人员改变一个或多个仿真输入进行实验，还可将这 些实验操作分布到多台计算机上，并以图象方式分析其结果。JMASS有一个分析性能的直观化工具，叫做SimView，用来直观显示JMASS 中被仿真的“表演者”的空间行为。在JMASS中用“空间信息表演者”（SpatialInfo Player）支持SimView。开发人员在模型内不用增加任何程序设计来支持 这种直观方式。SimView以表演者在三度空间的直观化支持分析人员的需求。使用Sim

13、View时，用户必须先运行仿真剧情。在运行一个包含“空间信息表 演者”的剧情时，生成一个.sv文件和SimView所需的全部数据，以便直观地重 放剧情。启动时显示出一个类似图4的窗口，SimView的重放窗口有上一系列控 制键，允许用户调节重放速率；有多种视角和图象变比选项，重放时各项都可改 变。JMASS 还有一个跨越式平台及后处理绘图工具，叫做 Jplot。 Jplot 读出在 运行仿真剧情期间生成的“JMASS二进制日志数据”文件，并用电子数据表格显 示这些数据。根据这张表，用户可在竖/横栏中选择绘图要用的数据。 Jplot 提 供了种类繁多的选项，有坐标轴比例和形式设计、极座标图、线性

14、线性、对数 线性、对数一对数座标图、同一类型图表叠加等。附加选项有3-D绘图、网格/ 非网格图形、彩色编码和注解。JMASS是一个开放式体系结构，有定义良好的“应用程序接口 ”（API）, 这些接口使它比较容易与商用产品连接。这种能力已由“计算机探索”有限公司 用Simthetica进行了演示。图5所示是一张抽样输出瞬态图。JMASS的BJD-1o-Text软件工具可将JMASS的二进制日志数据转换成诸如 MicrosoftExcel或MATLAB等软件工具所需的ASCII码文件。JMASS还能够以 MATLAB 二进制格式记录数据。这些数据可直接装进 MATLAB 工作区用于数据分析 和绘图

15、，也用于直观化表示。许多用户正在对JMASS分析工具进行扩充。一些定制的工具和图形用户接口 是为一些专项分析而裁剪制作的。基于Tc-Tk的J MASS “分析员能力工具”就 是这种例子，目前正由“空军作战测试与评估中心”使用。这一工具在 JMASS 未来版本中可以获得。另一个工具扩展性的例子是基于JAVA语言的分析工具， 叫JTEAM，由“空军信息战中心”研制而成，是内部使用的。图6示出JTEAM的 分析“表格板”。32 JMASS 模型JMASS以定义良好的应用程序接口提供结构化的服务。JMASS模型用于描述 表演者和真实环境中具有代表性的对应物，如飞机、雷达、导弹ECM系统、导弹 寻的头等

16、。JMASS支持多种级别的仿真细节。可以对一种JMASS模型的不同仿真 细节进行开发或选择，以便与要上演的剧情相匹配。JMASS允许模型细节在仿真 或模型自身范围内变化。应用程序接口是稳键的，足以处理各种高级或低级的仿 真细节，即允许在同一仿真中使用高级或低级的仿真细节。同样，在模型内部， 细节的程度可以被集中在应用上需强调的一些方面。模型中的细节极大地影响 JMASS 仿真的速度。该体系结构（仿真引擎）的系统开销很低，因此，由仿真系 统中所包含的模型的数量和细节决定/驱动运行时间。图 5 Simthetica 显示图 6 JTEAM 分析表格板JMASS模型可以详细划分为数字系统模型（DSM）、环境模型和辅助模型。 数字系统模型一般再划分为友方（蓝色）和威胁方（红色）。威胁方模型由相应 的“情报中心”开发并确认。在JMASS中这些子模型能即插即用，不用再写入