聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)概述

1、聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)概述棣華編譯摘 要：本文介紹美國“聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng) (JMASS ”項目研究室的聯(lián)合建 模與仿真系統(tǒng)。該項目是一個仿真支持環(huán)境，它包含一個定義嚴格、文件齊全的 接口標準集，模型可按此標準集建立。JMASS®供的軟件工具可幫助用戶建立真 實環(huán)境系統(tǒng)表示、組配模型塊、將模型塊組裝成仿真系統(tǒng)、運行這些仿真系統(tǒng)、 并且處理其結(jié)果。JMAS是美國三軍使用的產(chǎn)品，有近 300在冊用戶，其參與者 有美國陸軍、海軍、空軍、國防部、國防情報局和工業(yè)部門。系統(tǒng)采用普遍應用 的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在Win dowsNT Sun Solaris和SGIIRIX計算環(huán)境下運行一套單 獨的源代碼。

2、JMASS!前以其標準的交戰(zhàn)級和工程級仿真框架適用于采購、測試、評估及科研技術(shù)情報各界。它為美國“基于仿真的采購” ( SBA政策提供了技 術(shù)方面的關(guān)鍵要素。JMASS遵從“高層體系結(jié)構(gòu)” (HLA的要求，以HLA提供 的通用技術(shù)框架來保證各不同仿真部件的互操作性。本文概述JMASS勺概念、操作和實用性。關(guān)鍵詞：聯(lián)合建模仿真建模1 JMASS背景美國早期沒有正規(guī)化的建模和仿真，但在第二次世界大戰(zhàn)期間，“運籌學” 的發(fā)展以純數(shù)學模型開始填補這一空白。六十年代，由于通用計算機的廣泛使用， 大量的“多對多”交戰(zhàn)模型被用來描述各種敵友實體間的事件交互，諸如模擬飛機和地對空導彈(SAM發(fā)射場。七十年代，

3、建模和仿真的獨立應用激增，有了 更詳細的設計和交戰(zhàn)模型，假定和限制性條件各不相同，其結(jié)果也大相徑庭。美 國仿真界經(jīng)歷了 SAM仿真模型的開發(fā)，例如“加強型 SAM模型” (ESAMS。對 敵方指揮控制和建模的研究導致產(chǎn)生了 SUPPRESSORS十年代出現(xiàn)模型分級體 系，為仿真結(jié)果的邏輯一致性提供了一整套工具，由此，一種模型的輸出可以成為另一模型的輸入。由于模型開發(fā)費用巨大，因此模型可重用性成為研究熱點。 基于對象技術(shù)的綜合建模系統(tǒng)被提出來作為一種技術(shù)解決方案，以減輕模型開發(fā)和產(chǎn)權(quán)的費用負擔。進入九十年代，JMAS3成為這一領域聯(lián)合開發(fā)的先驅(qū)，隨后 出現(xiàn)了“聯(lián)合仿真系統(tǒng)” (JSIMS和“聯(lián)合

4、作戰(zhàn)仿真” (JWARS。JMASS勺最初設計用于支持武器系統(tǒng)開發(fā)和采購所需的高逼真度交戰(zhàn)級分 析。自九十年代早期，JMAS以一個“唯UNIX'的系統(tǒng)發(fā)展成為一個緊湊高效的 系統(tǒng)，所要求的硬盤空間不超過100Mbytes。初始運行能力計劃在2001年早期 完成，全面運行能力計劃在2004年完成。到JMASS部完成時，它將成為一個 完整的仿真系統(tǒng)，包含一套定義良好的標準和規(guī)范、 有效的仿真引擎、有助于分 析人員和模型開發(fā)人員工作的各種工具和經(jīng)過確認的威脅模型的基礎結(jié)構(gòu)。一套包含圖形用戶接口（GUI）的單獨的源代碼在 WindowsNTSunSolaris、和SGIIRIX 計算環(huán)境下運行

5、。未來的JMASS各遵從高層體系結(jié)構(gòu)要求，使JMAS$£與其他仿 真模型進行互操作。JMASS!前為訓練和客戶支持提供了一種基礎結(jié)構(gòu)。JMASS 軟件同時提供了“模型開發(fā)者參考”和綜合性“用戶手冊”。在未來版本中，還將提供“上下文有關(guān)”在線幫助。 訓練和客戶支持功能現(xiàn)在已經(jīng)由“ JMASS項目 研究部”提供使用，詳細內(nèi)容可從 網(wǎng)上查到。2 JMASS的實用性圖1所示是四個層次的分析?；诙鄷r日、多對多戰(zhàn)術(shù)情景的兵力結(jié)構(gòu)研究 劃分在戰(zhàn)役級。使命級分析包括系統(tǒng)折衷研究，這種研究是根據(jù)裁剪的戰(zhàn)術(shù)情景 和更少并更詳細的系統(tǒng)而進行的。交戰(zhàn)級和工程設

6、計這兩級包含對系統(tǒng)和子系統(tǒng) 性能的研究，是根據(jù)少數(shù)非常詳細的對象之間的交互作用而進行的。最后，這四個級匯聚起來并形成圖中所示的金字塔頂是其結(jié)果。JMASS!前致力于工程設計 級和交戰(zhàn)級研究，但在不久的將來，JMASS勺最大實用性將能夠支持戰(zhàn)術(shù)/交戰(zhàn) 級的分析。圖1各分析級JMASS!前以其標準的交戰(zhàn)級和工程設計級仿真框架適用于采購、測試、評 估以及科技情報部門。在整個基于仿真的采購政策中，它提供了技術(shù)方面的關(guān)鍵 要素。JMASSG武器系統(tǒng)放在一個虛擬的環(huán)境中，因此它對考慮采購的武器系統(tǒng) 的設計和性能提供了一個分析框架。這樣，JMAS&卜充了美國國防部的其它建模 與仿真項目（如JSIMS

7、和JWAR）。JMASS是JSIMS和JWARS勺一部分，而相 反，它生成的數(shù)據(jù)被確認既可用于 JSIMS,也可用于JWARS3JMASS苗述如圖2所示，JMAS包含四個作用分明的部分：傳統(tǒng)模型功能實現(xiàn)、紅色威 脅模型、藍色數(shù)字系統(tǒng)模型、和體系結(jié)構(gòu)。本節(jié)討論JMASS勺體系結(jié)構(gòu)和各種模 型。JMAS戦型代表性地對應于真實環(huán)境中的物理實體， 諸如飛機、雷達、導彈、 電子對抗系統(tǒng)或?qū)棇さ念^等。JMASSt義并提供了標準化的一整套文件格式和應用程序接口，它們可使這些模型得以繼續(xù)開發(fā)，使其具有互操作能力。原始文件格式規(guī)范書吸收了模型設計信息，一個精致復雜的代碼生成器將這些設計信息 轉(zhuǎn)換成編碼框架，以

8、保證所有的結(jié)構(gòu)功能都能被模型開發(fā)者訪問。模型開發(fā)者僅需為他們的模型添加行為代碼，理解并應用API服務功能以確保與其他模型的互 操作性。為了便于模型重用，JMAS睬用開放式系統(tǒng)，使用通用面向?qū)ο笳Z言， 包括圖形用戶接口和應用一些基于商用標準的技術(shù)，如Microsoft Windows、POSIX ANSI C+和OpenGL JMASS放式體系結(jié)構(gòu)允許裁剪和擴充。標準工 具套件在 WindowsNT和UNIX平臺上通過本機的“拖放”文件管理器可以訪問 到。提供的圖形用戶接口工具在 Tcl/Tk中實現(xiàn)，Tcl/Tk可以在 WindowsNT Sun Solaris和SGI IRIX環(huán)境下運行?，F(xiàn)場

9、專用的工具也可以添加到該體系結(jié)構(gòu)中， 以便對設計和分析功能進行裁剪和擴充。紅方威脅複型開發(fā)與組裝傳統(tǒng)模型功能實現(xiàn)過程-導彈飛出-交戰(zhàn)結(jié)束-飛行員貯理模型等EASE體系結(jié)構(gòu)H員、服務器、標推、接口） 三軍通用程序藍方數(shù)宇 粟紙模型圖2 JMASS的四個部分3. 1 JMASS體系結(jié)構(gòu)JMASSI供了標準的服務功能模塊，用于調(diào)度、空間服務、數(shù)據(jù)記錄、報文 登錄、以及大氣層和地形地貌的物理環(huán)境。 如果要求的話，可以由用戶提供的物 理環(huán)境和大氣層模型來替代?；陔x散事件的調(diào)度程序是系統(tǒng)設定的， 但可以應 用實時的、基于幀的、或HLA時間一管理方法。JMASSS供了一個分層的“六自 由度”空間管理器及兩

10、個導出器，用于維護和推斷空間實體在仿真過程中的狀 態(tài)。標準的數(shù)據(jù)記錄器可提供二進制、MATLAB與/或ASCII碼格式的仿真輸出。 報文登錄器顯示仿真運行期間的彩色編碼信息，并將這些信息儲存到一個文件 上。體系結(jié)構(gòu)的服務功能在IOCJMAS中將即插即用。為了幫助工程設計人員快速輕松地開發(fā)仿真系統(tǒng)，JMASSI供了工具，可讓模型開發(fā)人員專心致力于算法，而不必為軟件費力。該套標準工具在Win dowsNT和UNIX平臺上通過本機的“拖一放”文件管理器都可以訪問到。圖3示出了這些工具的一部分。生成工具提供了自動的代碼生成、相關(guān)生成、編譯和鏈接。它使用戶與編譯器和文件系統(tǒng)細節(jié)分離，但仍然可以通過程序描

11、述文件來提供細節(jié) 控制?！?GUI配置”用于仿真特性初始化并選擇要記錄的數(shù)據(jù)。執(zhí)行工具顯示彩 色編碼信息，同時運行仿真程序。它還用于仿真造形和調(diào)試，并支持命令行的執(zhí) 行。分析圖3 JMASS模型運行和GUI工具I_IWW« IMMHMV 1圖4 SimView分析員級直觀化工具JMASS勺未來版本將含有“自動的模型轉(zhuǎn)換工具” (AMCTool)。它是一個 支持模型開發(fā)的虛擬程序設計工具，提供了一種把Simulink模型轉(zhuǎn)換為JMASS模型件的自動方法。JMASS勺一個學習管理程序叫做“靈活自動學習工具”(FAST，用以支持工程設計分析人員研究怎樣應用 JMASS FAST在局域網(wǎng)上有

12、 多種分布運行方式，用作參數(shù)分析和統(tǒng)計分析。它也收集數(shù)據(jù)并為數(shù)據(jù)簡化和分 析提供工具。FAST允許分析人員改變一個或多個仿真輸入進行實驗，還可將這 些實驗操作分布到多臺計算機上，并以圖象方式分析其結(jié)果。JMASSt一個分析性能的直觀化工具，叫做 SimView,用來直觀顯示JMASS 中被仿真的“表演者”的空間行為。在JMASS用“空間信息表演者” (SpatialInfo Player ）支持SimView。開發(fā)人員在模型內(nèi)不用增加任何程序設計來支持 這種直觀方式。SimView以表演者在三度空間的直觀化支持分析人員的需求。使用SimView時，用戶必須先運行仿真劇情。在運行一個包含“空間信

13、息表 演者”的劇情時，生成一個.sv文件和SimView所需的全部數(shù)據(jù)，以便直觀地重 放劇情。啟動時顯示出一個類似圖 4的窗口，SimView的重放窗口有上一系列控 制鍵，允許用戶調(diào)節(jié)重放速率； 有多種視角和圖象變比選項， 重放時各項都可改 變。JMASS2有一個跨越式平臺及后處理繪圖工具，叫做Jplot。Jplot讀出在運行仿真劇情期間生成的“ JMASS二進制日志數(shù)據(jù)”文件，并用電子數(shù)據(jù)表格顯 示這些數(shù)據(jù)。根據(jù)這張表，用戶可在豎 / 橫欄中選擇繪圖要用的數(shù)據(jù)。 Jplot 提 供了種類繁多的選項，有坐標軸比例和形式設計、極座標圖、線性線性、對數(shù) 線性、對數(shù)對數(shù)座標圖、同一類型圖表疊加等。附

14、加選項有3- D繪圖、網(wǎng)格/非網(wǎng)格圖形、彩色編碼和注解。JMASS是 一個開放式體系結(jié)構(gòu)，有定義良好的“應用程序接口” （ API）， 這些接口使它比較容易與商用產(chǎn)品連接。 這種能力已由“計算機探索”有限公司 用 Simthetica 進行了演示。圖 5 所示是一張抽樣輸出瞬態(tài)圖。JMASS勺BJD to Text軟件工具可將JMASS勺二進制日志數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成諸如MicrosoftExcel 或MATLAB?軟件工具所需的ASCII碼文件。JMASSi能夠以 MATLA二進制格式記錄數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可直接裝進MATLA工作區(qū)用于數(shù)據(jù)分析 和繪圖，也用于直觀化表示。許多用戶正在對JMASS析工具進行

15、擴充。一些定制的工具和圖形用戶接口 是為一些專項分析而裁剪制作的?；?Tc Tk的JMASS“分析員能力工具”就 是這種例子，目前正由“空軍作戰(zhàn)測試與評估中心”使用。這一工具在 JMASS 未來版本中可以獲得。另一個工具擴展性的例子是基于JAVA語言的分析工具，叫JTEAM由“空軍信息戰(zhàn)中心”研制而成，是內(nèi)部使用的。圖6示出JTEAM勺分析“表格板”。3. 2 JMASS模型JMASS以定義良好的應用程序接口提供結(jié)構(gòu)化的服務。JMASS莫型用于描述表演者和真實環(huán)境中具有代表性的對應物，如飛機、雷達、導彈ECM系統(tǒng)、導彈尋的頭等。JMASSfe持多種級別的仿真細節(jié)?？梢詫σ环N JMASS莫型的

16、不同仿真 細節(jié)進行開發(fā)或選擇，以便與要上演的劇情相匹配。 JMASSfc許模型細節(jié)在仿真 或模型自身范圍內(nèi)變化。 應用程序接口是穩(wěn)鍵的， 足以處理各種高級或低級的仿 真細節(jié)，即允許在同一仿真中使用高級或低級的仿真細節(jié)。同樣，在模型內(nèi)部， 細節(jié)的程度可以被集中在應用上需強調(diào)的一些方面。模型中的細節(jié)極大地影響 JMASS&真的速度。該體系結(jié)構(gòu)（仿真引擎）的系統(tǒng)開銷很低，因此，由仿真系 統(tǒng)中所包含的模型的數(shù)量和細節(jié)決定 /驅(qū)動運行時間。圖 5 Simthetica 顯示匚E圖6 JTEAM分析表格板JMASSS型可以詳細劃分為數(shù)字系統(tǒng)模型（DSM、環(huán)境模型和輔助模型。 數(shù)字系統(tǒng)模型一般再劃分

17、為友方（藍色）和威脅方（紅色）。威脅方模型由相應 的“情報中心”開發(fā)并確認。在JMASS中這些子模型能即插即用，不用再寫入新 的代碼（這些代碼必須重新確認威脅 DSM。高層體系結(jié)構(gòu)將提供一種手段，使 這些確認的威脅DSMf其它已經(jīng)投入使用的JMASSE非JMAS仿真能夠進行互操 作。JMASS境模型模擬的環(huán)境是在仿真中對特定傳感器有意義的領域。JMASS目前有一個雷達頻率（RF領域環(huán)境模型，主要用于雷達引導的武器系統(tǒng)和傳感 器。附加的紅外（IR）和水下環(huán)境模型是應全面運行能力的要求而開發(fā)的。附加的輔助模型是 SpatialInfoPlayer 和 SpatialObserver 演示器，它們可

18、 以用來為仿真提供輔助功能和支持信息。 這些模型和所能提供的輔助功能將隨后 介紹。JMASSK用于對電子對抗（ECM系統(tǒng)進行建模的基本工具是“類屬 ECM（Gen ECM工具箱。Gen EC是 一個靈活的、類屬的、通用的 ECM言號發(fā)生器， 它的功能是：可放在逼真的電子作戰(zhàn)（EQ環(huán)境中演練各種地對空導彈（SAM 和空對空導彈威脅模型，以此來檢測、評估和測試EC技術(shù)，同時還可評估威脅對抗措施的有效性。Gen EC提供一種將面向?qū)ο蟮腅C模型件填充到一個JMASS 模型件數(shù)據(jù)庫中的功能，供EC硬件開發(fā)者使用。Gen ECM!型屬現(xiàn)代的基于對象 的結(jié)構(gòu)和設計，可以進行快速配置以反映一個具體的EC系統(tǒng)

19、的特殊硬件結(jié)構(gòu)要求。Gen EC的設計簡化了被視為焦點的逼真度問題，允許ECM成套模型中各種模型件在不同仿真細節(jié)級別上運行。Gen EC還能充分利用JMASS言號包接口的 各種先進性能。Gen EC全面支持典型ECM勺三種響應方式，即：轉(zhuǎn)發(fā)器、發(fā)射 機應答器、噪聲。威脅模型的開發(fā)、 鑒定、獲產(chǎn)權(quán)、 維護由適合威脅技術(shù)的“科技情報中心” 來做。目前正在開發(fā)三種不同級別的仿真細節(jié)用以支持不同類型的分析。 這些級 別的仿真細節(jié)是局部分析、分析、EC-功能。軟件的設計是以與硬件建模相同的 方式組織的， 至少下降到某種程度的分解。 從這個意義上說， 這三級仿真細節(jié)都 是基于對象的設計。 每一硬件都有與之

20、相對應的軟件， 仿真中， 硬件之間的信號 流與軟件之間的數(shù)據(jù)流是相對應的。 局部分析模型和分析模型運行較快， 但在它 們的行為中決沒有EC的論斷性。它們可以把EC響應“硬連接” （hard wired ） 到它們的行為代碼中， 但它們必須被告之投入的是什么技術(shù)， 而且必須有規(guī)定的 行為來響應該種技術(shù)，不是簡單地響應環(huán)境演示器呈現(xiàn)給它們的信號環(huán)境。EC功能模型對類型廣泛EC調(diào)制能夠顯示其論斷確切的ECM亍為。理論上 說，這些模型將基于詳細的硬件設計和量測數(shù)據(jù)。 能夠代表多種疊加信號 （來自 目標、ECM與/或環(huán)境）的信號被組合成單一的合成信號并通過天線部件提供給 這些模型， 然后這些模型作出相應

21、的響應。 先進的建模技術(shù)可以用信號的基帶處 理精確地模擬非線性性，而不使用被模擬系統(tǒng)的射頻（RF或中頻（IF ）。這對 模型的整個計算費用和效果影響極大。JMAS毀有一個簡單的飛行表演器，可當作 RF目標或?qū)棸l(fā)射平臺。它目 前有可配置的常規(guī)雷達橫截面值并能夠在偏航和俯仰平面中做規(guī)定的機動。 它的 目的不是要成為一個完善的空中動態(tài)飛行模型， 而是要成為一個可以充當空戰(zhàn)劇 情中的目標飛機或?qū)椷\載飛機的運動平臺。隨JMASSfe付的兩個表演器并不代表任何物理實體， 但做分析很有用。它們 倆一個是計算兩表演器之間最接近點（PCA的Spatial Observer，一個是產(chǎn)生 SimView輸出文件

22、的 SpatiallnfoPlayer 。SpatialObserver 監(jiān)控成對空間模型件之間的相對空間狀態(tài)，并最終計算PCA多對模型件由SpatialObserver分類的單一事例進行監(jiān)控。SpatialObserver 動態(tài)地調(diào)度成對空間實體之間的下一個觀察結(jié)果， 這樣使實體 相互接近時有了更多的解決方案。SpatialInfoPlayer 根據(jù)規(guī)定的參考空間對象提取 SimView 所需的數(shù)據(jù)。 記 錄下來的數(shù)據(jù)用擴充 .sv. 寫進一個輸出文件。 該文件可被 SimView 用來顯示三度 空間中的對象。 要記錄的對象必須有為它們配置的觀察結(jié)果。 記錄狀態(tài)的速率由 SpatialInf

23、oPlayer 的更新間隔來設定。“JMASSg塊化面向?qū)ο蠓抡姝h(huán)境” （JMOOSE是JMASS應用最廣泛的環(huán)境 演示器。它提供的信號表示和調(diào)制處理接近短波 RF運行在100MHz至 100GHz范 圍時出現(xiàn)的現(xiàn)象。JMASS勺事件時間一管理概念是為諸如雷達、 RF導引頭、RF 對抗裝置、 敵友識別系統(tǒng)等脈沖式系統(tǒng)設計的。 當然，更細致的設計還能對連續(xù) 波系統(tǒng)進行仿真。JMOOS與JMASS的接口簡便可靠，是與RF環(huán)境（包括具有RF 電子傳感器能探測的RF橫截面的任何飛行器）交互的系統(tǒng)的強制性工具。一個光電 / 紅外環(huán)境模型正在設計和原型開發(fā)之中。4 JMASS通過HLA實現(xiàn)的互操作性JMASS勺設計目的是對ECM和假想敵之間的交互進行高逼真度、緊密耦合的 仿真。對于這種應用，關(guān)系到高層體系結(jié)構(gòu)（HLA和網(wǎng)絡分布仿真的時間延遲 還極不理想。HLA的目的是