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军事虚拟现实仿真概念模型开发研究
2011年6月21日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:黄俊领,谭东风,张向波
    单位:国防科大人文与管理学院

    1 引言

    军事仿真是军事科学研究的一个重要内容,军事仿真通过应用计算机及模型技术,对军事问题进干『研究和分析 由于军事仿真技术能够形象地按照问题的需要描述战争过程,描述武器系统、人员、战术、技术和指挥等 一场似想的战争中的作用和表现,帮助人们思考可能发牛的情况和采取的对策,分析在各种状态卜的仿真结果。

    因此,军事仿真已成为军事领域中使用最为广泛的手段计划一个复杂的军事仿真系统需要对实际系统进行详细的分析和论证,每一次新的仿真计划都需要进行 次慨念分析,而不能对已有的概念分析成果进行重用。而且在军事建模与仿真中的第一步就是由仿真工程人员和军事人员相互交流,获取军事知识。由于军事人员和仿真技术人员知识背景不同,彼此的交流往往仔 许多 题,由j:而 相互理解的偏差常常会给 期的建模与仿 工作造成撇人的困难=以上两种情况的出现,尢疑给军事建馍 仿真[作带来厂重复劳动、延K周期、增加代价等弊端 随着我军分 、联合仿真应用的f{益普遍和深化,上述M题将口趋, 苇对 事仿真慨念模型的研究,就是为了解决这个 题

    2 仿真概念模型综述

    仿真概念模型是关于仿真系统[11的基本慨念及其关系的描述,其本质是一种领域奉体:规范的慨念模型近似一种“认识标准”,它可以促进军事人员Lj仿真工程人员之问的沟通tIj协作,建直不同人对问一问题的共识.使不同知识背景的人可以存概念模型的基础上进行交流,从而提高了仿真模型的正确性、互操作性。概念模 经过权威认证后叮以按一定的结构组成概念模型知识库,在此基础上进行知识共享和知识匝川t 一般而言,概念模型与具体的仿真实现形式无关。

    2.1 仿真概念模型的概念

    “仿真概念模型”源于九十年代前期和中期分布交互式仿真(DIS)团体用过的一种方法,即通过定义“概念模型”作为仿真开发者和用户一个关于仿真能够做什么的约定。高层体系统结构(}{I )联邦开发和执行过程(FEDEP)给出的联邦概念模型与本文提出的概念模型稍微有一点不同,因为联邦开发和执行过程(FEDEP)用“联邦目标”来表示大多数仿真开发所谓的“需求”,而“联邦需求”用来表示大多数仿真开发所谓的“规范”。

    有些概念模型也有不同的内涵。《概念建模》|3 J杂志专注于数据建模、设计,以及实现这些与数据库有关的问题。术语“概念上的”、“逻辑上的”和“物理的”经常地被用在数据建模中来区分模型中抽象的层次和细节,但是却没有一个关于这些术语的通用精确的定义。一些概念建模的方法出自于知识工程和认知科学的观点。对于他们来说,概念建模包括构造关于人类知识的描述。Dalugach和Skipper根据许多现代仿真的大规模的知识工程问题的特征提出动态概念图和跟踪指令栅格。这些描述的主要用途之一是进行数据库/仿真设计和实现之前,校验分析者对用户应用领域知识的理解。另一些是利用系统工程的工具和原理结合国防建模与仿真办公室(DMSO)的任务空间概念模型技术框架(知识创造和集成的标准)、使命空间模型的共同的知识库、和相应的工具集进行仿真需求和行为描述的链接。在这个领域中的概念建模的研究经常集中于开发形式化的方法(经常是图形化的)来描述知识。

    还用一些人对于概念模型持有约束性的观点,将它约束到仿真描述的方面上来,而不是用来从事仿真控制部分。本文中提到的仿真概念模型的定义是美国著名学者Dale K.Pace博士根据美国国防部推荐的关于模型的校核、验证和确认(w &A)实践指导的最新版本中的内容总结的。这个内涵对于仿真的开发和校验行为的支持很有帮助。

    【定义2.1】:一个仿真概念模型是仿真开发者从构成一个仿真的软件、硬件、网络(如果是分布式仿真的话)和系统/装备等出发,将建模需求(仿真所要表现的东西)转化成详细设计框架(仿真怎么去做)的一种手段。

    概念模型是仿真开发者对于仿真及其各部分概念的描述信息的收集。这种信息是由假设、算法、特征、关系和数据组成,它记述了仿真开发者怎样理解仿真所要表现的东西(实体,行动,任务,过程,交互等等)以及这种表现形式是怎样满足仿真需求的。因为一些仿真需求有执行的蕴含操作(比如仿真必须要与硬件、软件或系统进行实时的交互),所以仿真概念模型必须对这些需求就象其表现的要素那样作出响应。概念模型越清楚越准确,仿真开发才能越有可能充分地满足仿真需求以及论证这种被满足的 求( 饺验)

    2.2 仿真概念模型的作用

    建立被研究对象的仿真概念模型是进行建模与仿真研究的重要步骤。仿真概念模型提供了一种与具体仿真无关的关于现实世界的某些关注成分或现象的一种概念描述,它并非最终的仿真模型,但它是建模过程中的第一步。概念模型对建立实际仿真模型的帮助主要体现在以下三个方面:为仿真开发人员与领域专家提供共同交流的基础,即建立一种交流机制;帮助建模者明确被仿真系统中的概念,了解系统的详细操作过程从而帮助建模者建立仿真模型,即建立系统的功能模型和过程模型描述;为仿真模型的检验提供依据。

    2.2.1 作为一种交流机制

    概念模型主要解决的是不同主体之间交互问题。交互有几种表现形式:人与人的交互是人们之间相互理解,即:理解对方所指的事物并进行交流;人机交互实际是人和计算机按照某种约定的法则彼此传送信息的对话过程;程序与程序的交互是程序之间的互操作问题。具有不同知识背景的人员之间,如领域专家和仿真工程技术人员的沟通与交流是几乎所有仿真过程中都存在的交互问题。在大型仿真中,交互问题在不同单位所开发的系统进行互连时表现的最为明显:虽然他们所指的是同一事物,但由于表达形式的不同而导致系统之间无法进行互连。

    概念模型用来解决这种交互问题的方法主要有以下几种|2 J:①描述应用领域空间的共同的语法和语义,包括公共的词典、表示模板(用来表述获取的信息)、工具或特定的应用类型指南;②创建和维护概念模型的闭环设计指南;③关于概略模型集合和互操作的数据交换标准。

    2.2.2 作为需求工程的一部分

    对于系统开发者来说,概念建模是将不明确的自然语言给出的非正式的需求形式化和构造为系统蓝图的一种努力。

    换句话说,它是利用描述和表现技术的方法学知识,将要开发的特定系统的知识,进行形式化和构造的一种努力。相对于开发的社会性模型而言,尽管仿真概念模型开发是基于更科学和技术的需求,但是它仍然是基于要解决的仿真目标需求的不明确性和有一个清晰和正式的关于“做什么?”和“怎么做?”的关于知识形式化和构造的描述。

    2.2.3 在军事建模与仿真中的作用

    仿真概念模型的引入对军事建模与仿真具有多方面的意义:

    ● 军事概念模型是对实际军事世界的第一次抽象,它为后续仿真设计和实现提供了可靠的依据,为作战系统的最终检验、验证和确认提供了基础。

    ● 军事概念模型是一种信息交流工具,仿真领域专家可以通过它和军事领域专家进行交流并获取反馈信息。

    ● 军事概念模型是一种严格的工作程序,遵循它可以将待解决的现实军事『u】题清晰地、系统地告诉仿真开发者。

    ● 军事概念模型是一种改善仿真系统性能的方法,通过建立军事任务空间的通用概念模型,可增强最终仿真实现的重用性。

    2.3 仿真概念模型的分类

    概念模型是仿真开发过程中的一个关键点。概念模型提供了仿真开发中特定阶段的过渡性观点。根据概念模型在仿真开发中的作用可分为两种类型,即面向领域的使命空间的功能描述(F'I)MS)和面向设计的系统的概念模型(CMoS),有时这两种类型的概念模型也简称为面向领域的概念模型和面向设计的概念模型。面向领域的概念模型发生于仿真开发生命周期的早期,它支持需求分析;面向设计的概念模型发生在设计活动的开始如图1所示。

图1 FDMS和CMoS在仿真开发过中的作用
图1 FDMS和CMoS在仿真开发过中的作用

    面向使命空间的功能描述(F'I)MS)的前身是使命空间概念模型(CMMS),CMMS被重命名为FDMS的原因是为了减少与面向设计的概念模型的混淆。F'DMS为开发者提供了主题领域的细节或者问题空间的特征表示。它通过捕获在任何使命中都涉及的重要实体和他们的关键活动以及交互的基本信息作为仿真开发的参考框架,是对现实世界的第一层抽象。它们是发生在现实世界中的这些实体、动作和交互的与具体仿真实现无关的视图。它主要用于需求的开发。在仿真开发过程中需求是一个关键的元素,它直接影响着概念建模过程。

    系统的概念模型(CMoS)的开发基于详细的需求目标。系统概念模型(CMoS)可用于仿真的设计,它是系统实现的一种原始的描述表示。系统开发者能够利用CMoS的产品获取构造真实世界的能力的原始信息。

    面向领域的概念模型和面向设计的概念模型都支持重用性。面向领域的独立于具体的实现的概念模型可以有效地充当重用表示法。面向设计的模型是通过提供能够对新系统开发的回顾来确定仿真构件适用性的开发产品来支持重用的。

    FDMS和CMoS都被视为在系统开发者和风险承担者之间的用来保证“建造的东西是正确的”关键的交流机制。相对而言,需求、设计和实现则被系统开发者为“建造正确的东西”而用来作为内部交流的产品。F'DMS和CMoS希望用强调在CMoS的VV&A之前进行F'DMS的有效性验证来影响W &A的实践

    3 仿真概念模型的开发

    3.1 仿真系统开发过程中的概念模型

    仿真概念模型的开发作为建模与仿真活动的一个阶段,本身也应该是一项具有相对独立意义的工程过程。针对不同的建模阶段由不同的人员用不同的方法进行开发,从而能够有效地组织和协调这种开发活动所必要的过程、方法和工具。在仿真模型开发活动中针对各种模型形态时的开发人员以及开发的各个阶段如图2所示。

图2 仿真系统的开发过程及参与角色
图2 仿真系统的开发过程及参与角色

    仿真概念模型开发作为一项工程,可以分为二个主要阶段:面向领域的概念模型的开发和面向设计的概念模型的开发。针对每个建模阶段中的问题和建模人员的特点我们采用不同的建模方法。对于面向领域的概念模型主要采用面向军事人员的概念结构化描述的方法,这种方法的特点是用符合军事人员的思维方式与表述习惯的文、图、表的形式实现对领域知识的结构化描述;对于面向设计的概念模型主要采用面向技术人员的概念形式化描述的方法,其特点是用便于技术人员理解和进行后期逻辑和物理设计的结构化、层次化和可视化的方法实现对于系统设计的原始的描述表示。

    将仿真概念模型的开发划分为两个阶段,不但有适应国情的技术意义,更重要的是,它是完成军事人员与技术人员的沟通与知识传递的工程设计,是系统工程思想在模型开发活动中的具体体现。建模过程阶段化的目的是使各类模型开发人员在“模型生产线”上既能合理分工又能相互协作。概念模型的建立,可使军事人员向仿真开发人员“讲解”作战,而无须仿真开发人员精通军事;同样,通过对概念模型的实现和执行验证,仿真开发人员可向军事人员“讲解”仿真,而无须军事人员成为熟练的程序员。

    3.2 仿真概念模型的开发步骤

    进行仿真概念模型开发的步骤主要有以下四个:①确定建模空间上下文;②收集数据,从主题领域专家以及权威数据源获取与使命空间相关的现实世界的信息;③模型描述,以适当的形式表示概念模型,它包括概念结构化和概念形式化两个部分;④概念模型的验证,验证概念模型的正确性及有效性。

    1)确定建模空间上F文

    建模空间上下文是关于现实世界军事活动的背景、目的、限制和约束、分辨率等相关的信息。建模空间上下文提供了军事活动描述的范围、要求和限制,是描述军事活动的指南。上下文信息主要根据军事系统应用的要求确定。

    2)收集资料

    收集资料从基层部队、首长机关单位、军事领域专家及条令条例、军事著作文献、期刊、报道、标准数据等数据源提取与相应军事领域活动描述相关的资料,为概念模型知识库的建立提供权威信息获取源。权威信息获取源又可分为两类:主题事件专家SME(领域专家、军事人员)和权威数据源ADS,其中原则上应以ADS为主,SME为辅——即先从ADS获得基本的信息,再与SME进行交流对基本信息进行补充和修改。在这一点上我军与美军有一定差别,目前建模人员获取知识仍以军事SME为主,同时参考我军的条令、条例和权威的军事著作。

    3)模型描述

    概念模型的结构化描述属于一个知识获取的过程,也就是SME(军事人员)对于军事活动、实体、任务和关系的组织过程。是SME根据一定的知识获取方法和风格向导,按照预定的格式(模板),参考收集的资料,对自己脑海中的军事知识进行再现的过程。知识获取方法和风格指导,模板的作用都是为了使军事人员更方便、更简捷、更条理性地提取自己的知识,同时也是为了更好地获取符合仿真需求的知识服务。知识获取内容是SME综合收集的数据源对现实世界军事活动过程和相关的资源、组织、信息、性能、约束和限制的条理化描述。

    概念模型的形式化描述是利用结构化描述所获取的规范化的知识,并结合领域和建模规则,以图形化的方法反映军事活动的基本特征。一个完整的任务空间概念模型既包括描述性的知识和战略性的知识,也包括过程性的知识。而表现过程性知识的最好的办法就是建立任务的过程表示图以及相关的活动图。

    4)概念模型的验证和入库

    为保证概念模型的正确性,需要对概念模型进行验证。概念模型的正确性有两方面的含义:静态和动态。从概念模型的开发可知,概念模型由静态描述与动态描述两部分组成。静态部分的内容比较容易理解和检查,动态部分的内容由于其复杂性难于通过阅读式地审查发现其中的错误。为此,我们提出了执行验证法。执行验证法就是利用概念模型的执行语义,在人机交互条件下验证概念模型的动态部分。

    执行概念验证时,概念模型按照过程逻辑进行“执行”,其结果的正确性依赖于领域专家对过程逻辑的判断 为使概念执行便于领域专家理解,可不将概念模型的“执行”过程直接展现给领域专家,而是以更加直观的、领域专家熟悉的形式来表现概念模型的“执行”,如提供动画过程演示。

    4 总结

    概念建模是在仿真系统开发过程中的重要的一步,概念模型是它的一个关键的产品。仿真概念模型的开发应当包括概念模型的定义、概念模型的作用、概念模型在仿真开发生命周期中的位置,以及概念模型怎样被开发等一系列问题。本文就这些问题展开研究,并提出了一些自己的看法,但就军事仿真概念建模来说,本身就是一项大的工程,我们希望能够通过深入开展有关仿真概念模型建模方法的研究,普及概念模型建模技术的应用,为我军的建模与仿真的发展做出贡献。

    参考文献:

    [1] 徐培德,谭东风编著.武器系统分析[M].长沙:国防科技大学出版社,2001.

    [2] 胡晓峰,等潆.美 训练模拟[ .JL-'?,-:国防大学出版社,2001.

    [3] Tan D F(谭东风)et a1.Conceptual modeling engineering:methodand process[C].Procedings of International conference on Modelingand Simulation in Distributed Application,Sept.25—27,2001.

    [4] Tan D F(谭东风).Sha J c(沙基吕).An ontological engineering印一proach to conceptu~ mod eling of International conference on SystemSimulation and Scientific Computing lC].Scpt.3—5,2002.

    [作者简介]

    黄俊领(1971.3一),男(汉族),江苏徐州人,硕士工程师,主要的研究方向管理科学与工程;

    谭东风(1958.6一),男(汉族),湖南衡东人.博士教授,主要研究方向管理科学与工程、人工智能;

    张向波(1972.7一),男(汉族),河南灵堡人,硕士讲师,主要研究方向管理科学与工程。

标签:概念模型军事
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