基于CMMS的仿真想定生成设计方法及其应用
高炳志1，吴狄1，葛雄2，班晓娟1
(1. 北京科技大学 计算机系人工与智能软件实验室，北京，100083；
2. 北京理工大学 复杂系统智能控制与决策教育部重点实验室，北京，100081)
摘要：基于任务空间概念模型提出一种仿真系统想定设计方法，结合天基信息系统支持抗震救灾的仿真系统实例给出想定设计的具体实现。该方法包含仿真目的、规模、静态数据、动态数据设定和仿真剧情推演的形式化描述。通过开发仿真方预案生成器实现这些功能，并证明这些模型的可用性。
关键词：任务空间概念模型；天基信息系统；抗震救灾；仿真想定设计
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-1096-05
Simulation scenario design method and its application based on conceptual models of mission space
GAO Bing-zhi1, WU Di1, GE Xiong2, BAN Xiao-juan1
(1. School of Computer Science and Electronics, University of Science and Technology Beijing,
Beijing 100083, China;
2. Key Laboratory of Complex System Intelligent Control and Decision of Education Ministry,
Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: A simulation system scenario design method was proposed for the space-based information simulation system supporting anti-earthquake rescue. This method is based on the conceptual models of the mission space method including the formal description of simulation aim, scale, static data, dynamic data set and simulation play. A simulation scenario creator was developed to realize these functions and prove the usability of these models.
Key words: CMMS; space-based information system; anti-earthquake rescue; simulation scenario design
随着军事航天、通信等技术的发展，战争空间正在向更高方向延伸，外层空间成为关系国家安全和战争胜利的重要战场。天基信息系统强大全面的信息获取功能和实时快速的信息传输与处理对于保卫国家安全、发展国民经济及抢险救灾等至关重要。近2年来，我国不断发生极为严重的地震灾害，造成了巨大的人员伤亡和财产损失，快速有力的抗震救灾俨然成为国家的重要使命。地震及相应次生灾害造成的复杂自然环境，给救援工作带来极大的困难。高效有序的地震应急行动对减少或避免人员伤亡，防止灾害扩大、恢复社会秩序具有至关重要的作用，要建立起高效有序的抗震救灾应急体系，就要积极运用空间信息体系。
由于天基信息系统本身的复杂性和抗震救灾事件发生的特殊性，难以通过不断地演练来直接进行系统的设计和测试，因此利用现有的分布式仿真系统平台开发相应的仿真系统进行系统演示、测试和评价是系统设计与开发所采取的重要手段之一。仿真想定是仿真系统运行的重要依据和基础，它决定整个仿真运行的基本过程，仿真想定的确定是仿真系统得以正常运行的重要保障。仿真想定不仅要满足本仿真系统的需要，即要有设计完整性、可实现性和可扩充性，还要能够实现想定与仿真相分离的处理机制，保持想定数据的独立性，使想定的输入、存储与处理独立于仿真，允许基于典型想定进行想定的裁减与重构，促进想定仿真模型与仿真成员的重用。目前，要实现上述目标存在很多问题，想定设计规范和对想定数据的管理是亟待解决的难点。
本文面向天基信息系统在抗震救灾中的应用，提出一种基于任务空间概念模型(CMMS, conceptual models of the mission space)[1]的仿真想定生成方法。CMMS是美国建模与仿真主计划提出的三大目标之一，与HLA和DS共同组成M&S的技术框架[2]，目的是为建立相容而权威的建模与仿真表达式提供一个公用起点和有利于仿真部件的互操作和重用[3]。该方法包含仿真想定的形式化描述、仿真支撑平台和数据库设计以及相应的仿真方预案生成器的实现。
1 基本概念
1.1 天基信息系统
天基信息系统是通过星间、星地链路连接在一起的不同轨道、种类、性能的卫星、星座及相应空中、地面设施所组成的天基网络，以及由天基网络所支持的指挥、控制、通信及其他各种应用系统的集合。
从信息的角度，系统可分为以下4个主要部分组成，如图1所示：
(1) 信息获取子系统：主要担负信息的收集任务，包括电子侦察、成像侦察、导航定位、气象、地形测绘等卫星组成。
(2) 信息通信传输子系统：主要担负信息传输和中继任务，包括通信卫星、数据中继卫星和地面接收系统。
图1 天基信息系统的组成及其典型功能示意图
Fig.1 Architecture and typical function of space-based information system
(3) 信息处理服务子系统：主要将原始天基信息产品逐级处理成可用信息服务产品，返回用户，包括地面处理站点和信息产品处理服务中心。
(4) 卫星网络管理系统：由地面管理中心组成，它维持整个网络持续高效并稳定可靠地运行，通过对网络的实时监控，确保其正常运行，及时发现并修复故障网络中出现的故障，保证关键服务，优化网络使用效能，适应任务、网络本身和外部条件的变化。
1.2 任务空间概念模型
CMMS是对于真实世界、独立于仿真的首次抽象，即有关真实世界军事行动过程(功能、任务、行动和状态等)、实体(人员、单位、机制和系统)、交互(控制、转换、信息)的概念性描述。为了促进建模与仿真的重用和互操作[4-5]，需要分析系统的任务空间概念模型，并结合CMMS为天基信息系统支持抗震救灾应用仿真系统提供仿真想定。
CMMS是系统仿真建模过程的第一步，它与仿真想定具有密不可分的关系。仿真想定实际上是对仿真执行推演设置一些必要的条件，包括设定仿真系统所需的空间、时间、过程以及为了实现这一过程所需的相关背景、条件、约束、规则和仿真执行相关的仿真资源、仿真阶段、仿真主线及任务等内容，想定通常还会被放到时间轴线上进行推演[6-7]。而任务空间概念模型则是在这些具体条件下，对仿真系统中实体所执行的仿真过程的具体、规范化的描述。任务空间概念模型是仿真想定的重要组成因子，仿真想定通过一些必要的条件设置和时间推移，为任务空间概念模型的具体展现提供背景[8]。
2 仿真想定形式化设计
为了提高仿真想定、仿真模型及仿真成员的可重用性和互操作性，一开始对仿真想定的制作就要采取规范化措施，对天基信息系统支持抗震救灾应用的仿真想定尽量采用规范化的描述和恰当的技术框架。
在本仿真系统中，仿真想定的目标是既要完成对地震发生的区域、时间等信息的设定，又要完成对天基信息系统资源(包含传感器资源、通信节点及链路、信息服务处理节点等资源)、抗震救灾指挥所资源、救援相关资源(人员、交通工具等)等的设定，还要对抗震救灾中仿真过程、仿真任务等的条件、约束、规则进行规范化的描述。同时，根据需要设计相应的仿真综述数据库，记录存储资源信息、方预案设置信息等，还要有相应的编辑工具根据需要设置不同的方案，以此对天基信息系统支持抗震救灾的作用实现更为详尽的分析评估。
2.1 仿真目的
旨在验证天基信息系统在典型条件下支持抗震救灾的应用情况及其在仿真过程中实现对震区侦察及监视，进而及时引导救援部队对目标实施救援。并通过评估其支持抗震救灾任务下的系统时效性效能，分析天基信息系统支持抗震救灾应用中的作用。
2.2 仿真组织规模
仿真系统包含8个联邦成员、1个效能评估软件、1个方预案编辑生成器及2套数据库，如图2所示。
2.3 仿真静态数据描述
以1个典型的仿真系统想定为例说明。
(1) 仿真起始时间：2011年3月2日15时23分，四川汶川发生8.0级地震，抗震救灾应急指挥中心建立，准备调用全国范围内人力物力进行救援。
(2) 仿真区域：以汶川为中心方圆400 km。
(3) 仿真资源：包含60个以上空间传感器资源，15个地面接收站资源，20个地面信息处理站资源，100个通信节点及1个通信拓扑网络资源，1个总指挥中心，3个临时指挥中心及下属救援部队、交通工具和救援物资等，以及包含1个堰塞湖、30个重点机构在内的目标资源。
2.4 仿真动态数据描述
仿真动态数据描述主要包括4类仿真任务描述、3类仿真命令描述和3类偶然事件描述。
(1) 震区侦察任务：要求在地震发生的第一时间内，获取地震发生的区域，通过卫星成像，查看重点机构周围道路、桥梁、建筑的毁坏情况。
(2) 震区监视任务：对灾区进行连续观测，要求天基信息系统能够以一定时间频率连续不间断地提供各类灾区卫星影像图片，以密切监视震区是否发生余震、山体滑坡，及其他次生灾害(特别是堰塞湖)的发展趋势。
(3) 定位导航任务：在直升机实施救援人员和物资空投时，由于灾区地形复杂，气候变化异常，要求天基信息系统能够提供连续、及时、准确的直升机等自身定位信息，以保证救援人员和物资迅速、安全地到达灾区。
(4) 灾情评估任务：利用天基信息系统对震区观测得到卫星遥感图像等，结合一定的基础数据和专业计算模型的基础上，对灾区的经济损失、人员伤亡、次生灾害进行快速评估，并快速计算出震源位置、震灾范围、强度、灾害规模。
(5) 救援预备命令：指挥中心收到侦察结果后指示相关救援人员准备对某重灾区或重点机构进行救援。
图2 仿真系统结构组成
Fig.2 Composition of simulation system
(6) 救援命令：指挥中心确认救援方案、救援行动可行，且能够充分得到天基信息系统提供信息支持后，对救援部队下达救援命令。
(7) 派送救援物资命令：指挥中心在获知某地亟需救援物资后，下达命令对其派送救援物资、器材等。
(8) 资源失效：仿真运行途中，某资源节点(包括卫星节点、接收站节点、处理站节点、通信节点等资源)失效不可用。
(9) 资源恢复或增加：仿真运行途中，某已失效资源节点恢复可用，或增加仿真方案中未选取的资源节点。
(10) 天气条件变化：某目标点上空出现云层。
2.5 仿真基本推演剧情及流程
根据数据的设定，仿真剧情及流程为：2010年3月2日15时48分，四川汶川发生8.0级地震，大部分地区交通、通信等部分或完全中断，形势极其严峻。抗震救灾应急指挥中心及时建立，全面调用全国范围内人力物力对其进行救援。天基信息系统支持抗震救灾仿真过程可分解为仿真准备、震区侦察及灾情评估、震区监视、实施救援和系统时效性评估等阶段，如图3所示。
图3 抗震救灾仿真过程
Fig.3 Simulation process of anti-earthquake rescue
仿真准备阶段：完成资源的初始数据设置，主要设定仿真开始时间、地震区域、参与成员及对象资源、仿真系统初始运行步长、基本任务、命令序列以及偶然事件序列等信息。
震区侦察阶段：抗震救灾指挥中心决定利用天基信息系统对震区及其中的重点机构单位进行观测侦察，同时需要对整个灾区进行灾情评估。天基信息系统收到任务后，进行对应任务规划和资源调度，快速实施侦察。其间，某航天资源节失效，系统进行应急处理及重组。
震区监视阶段：抗震救灾指挥中心收到侦察结果，分析侦察结果，发现严重山体滑坡，已形成堰塞湖，决定对其进行连续监视，密切监视其发展趋势。其间，通信传输网络部分链路失效，系统采取应急处理及重构。
救援实施阶段：抗震救援指挥中心根据监视的情况和灾情评估的结果，派遣部队对重点目标、区域进行救援或投放救援物资、器材等，同时利用天基信息系统对救援部队、直升机等进行导航定位引导，避过危险区域。
系统实时性评估阶段：仿真系统运行结束后，对天基信息系统支持抗震救灾应用的系统效能进行评估及结果分析。
3 仿真想定生成器实现
这里给出一个应用中的具体实现，通过方预案生成器设计不同仿真方预案，如不同地震发生区域，不同地震区域环境，不同的救援目标，不同抗震救灾指挥所，不同卫星资源，不同地面接收和处理站资源，仿真推演过程、仿真执行数据和仿真结果数据将是不同的，系统时效性也将是不同的，通过对不同预案下仿真系统推演的数据和结果的分析，以及系统时效性的评估，可以找出天基信息系统在支持抗震救灾应用中所起的作用。相关软件运行结果如图4～7所示。
图4 生成器启动及显示所有资源界面
Fig.4 Generator display with all resources
图4中，左边为程序启动界面，右边显示方预案编辑生成器读取综合数据库的资源数据，树状列表显示所有可选信息。图5所示为经编辑设置仿真预案资源后，在二维态势地图上显示相关资源信息及仿真想定示意界面。图6所示为设置完资源、救援目标等信息后，对仿真方案信息进行设置以及开始、完成存储入数据库的界面。图7所示为根据需要，对设置的仿真想定信息进行选取并通过Word文档导出的过程及结果界面。
图5 编辑设定仿真预案资源界面
Fig.5 Scenario state display on GIS platform
图6 设置仿真方案基本信息及存储过程界面
Fig.6 Cenario storage process
图7 Word文档导出预案界面
Fig.7 Scenario output with Word
4 结论
(1) 分析仿真想定生成设计中亟待解决的问题。介绍天基信息系统支持抗震救灾仿真系统的总体结构和任务空间概念模型的相关概念，基于此思想建立天基信息系统支持抗震救灾应用的仿真想定模型。
(2) 支持抗震救灾应用的仿真想定模型主要包含仿真想定对于仿真目的、规模、静态数据、动态数据的规范化描述，并应用这些模型进行软件实现，开发仿真方预案生成器，使其能够编辑生成并存储仿真系统运行初始化想定数据信息，并且能够利用二维态势地图直观形象地显示设置的资源信息和仿真想定示意。
参考文献：
[1] DMSO. Conceptual Models of the Mission Space (CMMS) technical framework[R]. Washington D C, USA: Defense Modeling & Simulation Office, 1997.
[2] 美国国防部建模与仿真办公室(DMSO)网站[EB/OL]. [2009- 12-12]. http://www.dmso.mil.
DMSO website of Department of Defense in United States [EB/OL]. [2009-12-12]. http://www.dmso.mil.
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(编辑 方京华)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：国家重点研究发展规划(“973”计划)项目(973613610303)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2009AA062800, 2009AA04Z163)；国家自然科学基金资助项目(50634010, 60973063)
通信作者：吴狄(1982-)，女，北京人，博士后, 从事大型分布式组合仿真系统的研究；电话：010-62333769；E-mail：wudi312858@gmail.com
