摘要

作战空间的众多作战实体之间存在多种关系，这些关系在实际战场上以物质、能量和信息交换的方式呈现。而在仿真空间中，这些交换通过作战对象模型之间的交互来模拟，通过交互协议来实现。作战对象模型之间交互的程度，用作战对象模型的互操作性刻画。作战实体之间的相互作用将导致实体状态、行为的变化，作战对象模型之间的交互应能够反映这种变化。作战对象模型之间的互操作性应与作战实体之间的互操作性一致。

1 作战实体间的关系

基于复杂性科学理论下的作战体系建模，是在充分认识信息化条件下体系作战的复杂性特征基础上，从体系作战中各作战体系、作战实体、作战平台之间的关系角度出发，探寻各要素间的相互作用、相互关系，建立描述反映作战体系整体特征的作战体系模型（即作战体系的作战对象系统）。

作战体系由作战实体构成。作战实体之间存在多层次通讯关系、指挥关系、协同关系和对抗关系等，能够在满足条件时自动建立各类交战交联关系。在面向对象作战仿真过程中，这些关系通过作战对象模型的交互来实现。作战对象模型在运行过程中通过交互形成的动态组合，可以认为是多个作战对象模型的动态集成。

作战对象模型间的交互是作战实体间关系的一种逻辑描述，对作战实体间关系的分析是进行作战仿真交互建模的基础。体系作战中，作战实体与作战实体之间的关系种类很多，其基本关系通常包括指控、协作、信息交流、探测、打击和保障等六种。

1. 指控关系是级别不同的作战实体间形成的指挥与被指挥、控制与被控制关系。这种关系主要是指挥实体对行动实体的指挥关系：指挥实体可以向被指挥的行动实体下达命令，命令是给下级传达作战使命、目标、动作和执行功能等信息的机制。后者需要按照指挥实体的命令指示行动。这种关系存在于级别不同的决策实体，或决策实体与其指挥的探测实体、打击实体等之间。指控关系的实现需要事先或动态指定双方认可的指挥与被指挥关系，通过不同形式的通信手段（无线有线通信、基于视觉的手语、面对面交流）来完成。指控关系在仿真空间中采用两个实体之间的交互描述，必要时需对支持指控关系的通信手段仿真。

2. 协作关系是作战实体之间按任务、时间、地点协调一致地行动的关系，这些实体之间要保持信息互通，具有共同的作战意图。例如，同一级的决策实体或者同一级的探测实体为了达成某一目的，进行协调和协作时所产生的关系。这种关系中没有指挥与强制的因素，是一种相互帮助、相互依赖的关系。协作关系的实现需要事先或动态指定双（多）方认可（默认）的协作方案，通过在行为决策中考虑协作与被协作的角色来实现。协作关系在仿真空间中可在相关实体各自的行为决策模型中描述。

3. 信息交流关系是两个作战实体间交换信息的关系。同一方任何两个作战实体之间都可能发生信息交流。信息交流关系可以发生在不同级别的决策实体之间，决策实体和打击实体、探测实体之间，打击实体和探测实体之间，是作战实体中最为普遍的一种关系。信息交流的目的是获取有价值的情报，这种关系中也没有指挥与强制的因素，是指控组织扁平化的重要体现。作战实体间交换信息通常通过通信网系完成，信息交流关系的实现需要依托通信网系的规划计划、通信设备的工作情况，在通信业务发生时通过通信方式的仿真来实现，包括点对点、广播、组播等多种方式，也包括通信中继、链路选择等行为，在仿真空间中需要用通信网系模型来模拟各参与方之间的通信状态。

4. 探测关系是探测实体为了得到战场环境、敌方情况、己方打击情况的信息而对敌方目标实施的侦察所形成的关系，主要存在于探测实体和目标实体之间。探测关系是一种动态建立的关系，主要发生在探测方的探测设备和被探测方的对应目标特性之间。由于潜在可探测目标随着空间运动的不确定性和易变性，探测的仿真每次都需要在整个战场空间中对所有实体进行各种条件的过滤和筛选，涉及空间计算和探测方程计算。战场的实体一般都具有不同性质多种手段的探测能力，并且其探测行为通常贯穿整个作战仿真过程。鉴于以上因素，通常探测的仿真在整个仿真计算开销中占据显著比例，是建模和仿真性能优化的重点之一。

5. 交战关系。交战是两个战斗实体间的对抗，交战关系发生在敌对的作战实体之间，是为了完成使命任务而对敌方目标实体实施干扰、杀伤、毁灭行动而形成的一种关系。交战关系还可细分为双方主动的交战关系，一方主动一方被动的攻击与防护交战关系等。同一方的作战实体不发生交战关系，如果某一作战实体向同一方的实体开炮，这种情况属于误击。交战关系基于目标选择的结果动态建立，一般在作战仿真中包括计划目标、指令目标和机会目标三类，它们在不同的行为决策中都可以成为交战目标。交战关系一般从目标选择开始到目标毁伤结束，在这个动态过程中完成关系的建立和解除。交战行为在整个作战过程中发生的次数相对有限，但通常是作战仿真需要描述的核心关系。交战关系容易忽视的是交战中附带损伤的仿真。

6. 保障关系是一个作战实体向另一个作战实体提供必要的服务和物品的关系。如救护所为部队提供医疗保障，通信站向指挥所提供通信保障，装备抢修队为攻击分队提供维修保障等。保障关系是通过事先或动态指定双方认可的保障方案形成，以服务或物品等的提供和转移为依托来实现。作战仿真中通常不需要仿真保障的具体动作，但保障效果和所消耗的时间必须得到体现。

以上六种关系，指控关系最为重要，也是其他关系发挥作用的基础，在作战过程中处于主导地位。指控关系可以表征作战组织的指挥结构、资源配置形式和任务执行方式等内容。

2 作战对象模型内部交互

组件化的作战对象模型，其内部包括指控、感知、平台、通讯等系列组件，组件之间通过交互关联。通常这些组件都可对应到具体的物化对象，如雷达、电台等，这些设备在作战实体内部实际上也是通过某种形式的通信手段互相连接。除非在特定的仿真目标下，一般不对这些内部的通信进行建模描述，而是假设这些通信无时延、无带宽限制、不受外部干扰，因此，可以直接用程序之间的交互来等效组件之间的交互。

1. 指控组件是作战对象模型的核心，它以信息为基础进行指控决策。指控决策的信息主要来自于以下三个方面：作战对象模型自身信息，其感知组件侦测感知到的信息以及通讯组件得到的输入信息。指控组件对以上三种信息数据进行处理，做出相应的决策，控制其他组件的运作。

指控组件与其他组件的数据交互如图 1所示：

图 1 指控组件为中心的数据交互示意图

2. 资源管理组件主要与指控组件发生数据交互。资源管理模输出作战对象模型资源数据，为指控组件做出决策提供依据；资源管理组件接收资源控制数据，动态管理作战对象模型的资源。

3. 感知组件数据交互如图 2中A所示。感知组件（模块）向指控组件输出外部环境数据；感知组件数据输入为来自指控组件的控制数据和来自其所在平台的数据。由于感知组件仿真建模的对象是侦察感知设备，侦察感知设备受平台位置、姿态等特性的影响，因而感知组件和平台组件间存在数据交互。感知组件接收平台组件输出的位置、姿态以及自身形态等影响侦察感知设备工作的数据。

图 2感知组件（A）与通讯组件（B）数据交互示意图

4. 通讯组件数据交互如图 2中B所示，通讯组件输入为指控组件指定的通讯输出信息、指控组件控制数据和平台数据；通讯组件输出为指控组件的通讯输入信息。由于通讯组件仿真建模对象是通讯设备，通讯设备也受平台位置、姿态等特性的影响，因而通讯组件和平台组件间存在数据交互。通讯组件接收平台组件输出的位置、姿态以及外形等影响通讯设备工作的数据。

5. 平台组件数据交互如图 3所示，平台组件主要的数据输出对象是指控组件、感知组件以及通讯组件；主要的数据输入来源于指控组件。平台组件输出相关数据（如运动状态数据和外形数据），为其指控决策提供一定的参考；平台组件输出位置、姿态等影响侦察感知设备和通讯设备的数据。

图 3 平台组件数据交互

3 模型交互协议

在面向对象仿真系统运行过程中，对象之间需要进行交互。对象交互描述确定了对象之间的交互行为和依赖关系。对象交互过程是对象之间相互传递消息或交换数据的过程。为了描述对象之间的交互，必须确定：

（1）交互中涉及哪些对象；

（2）交互的内容是什么；

（3）在交互过程中对象如何响应。

由于在对象关系描述中确定了对象和它们之间的关系，因此利用对象关系描述，能够确定哪些对象出现在交互中；为了描述交互的内容，需要描述在对象交互过程中传递或交换的信息。为描述在交互过程中对象如何响应，必须知道每个对象的行为模式，可以用对象行为描述来刻画对象是如何响应的。

对象之间通过明确定义的接口传递交互消息，接口提供了对象之间进行通讯的机制。为了保证通信的安全性，必须识别两种类型的接口，即输入接口和输出接口。输入接口用于接受外部的请求、事件或对象；输出口用于发送请求、安排事件或发送关于对象内部状态或统计数据的信息。

作战对象模型之间的交互信息采用模型交互协议描述。模型交互协议定义了模型之间交换数据的方式，使得它们对相互之间必需进行交换的信息具有准确的、一致的理解。从程序实现的角度，即定义了模型对外的数据接口。模型交互协议与模型设计需要解耦，一般应先定义模型交互协议，模型设计可以按照交互协议设计接口，但交互协议不受模型设计约束。

早期的作战仿真中，不同的仿真系统中模型交互协议在是不一样。随着仿真在军事领域应用的推广，作战仿真中的模型交互协议从DIS的PDU（Protocol Data Unit）、HLA的SOM与FOM向战场管理语言BML（Battle Management Language）发展，在走向标准化的同时，对交互的描述能力也越来越强。

DIS是一种实体模型间的仿真交互协议，以IEEE1278标准为基础，采用广播通信方式来实现仿真实体之间的交互。DIS主要用于将构造仿真与模拟器等异构系统通过网络进行互联和集成，其协议范围不能涵盖仿真中模型交互的全部类型。这种体系结构的交互建立在数据交换标准的基础上，仿真实体之间通过协议数据单元PDU交换信息。在IEEE1278-1995标准中规定了27种不同类型的PDU格式，并规定了每个PDU中包含的实体类型和参数类型，进而对PDU中数据结构的位编码格式作了规定，以保证异构的仿真节点之间数据的交换和理解。这种数据交换形式按LCIM标准（见本文第4部分）来评价可以认为是达到语义级互操作，部分达到语用层级的互操作。

通过对平台级作战仿真中模型交互信息的梳理和提炼，DIS的IEEE 1278.1-1995标准定义了DIS演练中实体间进行信息交互的二十七个PDU，分为六个协议系列：

表 1 PDU协议系列

实体状态PDU（EntityState PDU）是最主要的PDU。它除了包括与实体状态有关的信息外，还包括接收方再现该实体时所必需的信息。

HLA是以IEEE1516标准为基础，它借助于对象模型模板OMT（Object Model Template）提供的标准化的记录格式建立联邦对象模型 （FOM：Federation Object Model）SOM、成员对象模型（SOM：Simulation Object Model）表，为一个特定联邦中各成员之间、一个成员的对象之间需交换的数据的特性进行描述，以便各成员、各对象在仿真运行中正确、充分地利用这些数据进行互操作。与DIS中采用固定的PDU格式进行信息交互不同，HLA中可支持用户定义的多种数据格式交互。也可以认为HLA没有提供标准的交互协议，而是制定了定义交互协议的标准——OMT。需要注意的是HLA的OMT实质上是一种交互接口的面向对象建模，不涉及实体模型的构建。

HLA的对象模型模板是一种标准的结构化框架，以表格的形式来描述HLA成员之间、对象之间需要交换的各种数据及相关信息。这些表格用于引导用户详细说明联邦及联邦中的每一个成员在联邦运行过程中需要交换的各种数据及相关信息，主要目的是促进仿真应用的互操作和仿真应用组件的重用。OMT的主要表格包括：

1）标识表—提供联邦或成员的主要标识信息，包括联邦或成员名称、版本号、创建日期、目的、应用域等信息。

2）对象类结构表—包含了联邦或成员中对象的类层次信息。

3）交互类结构表—包含了联邦或成员中交互的类结构信息；交互是指在一个成员中的一个或一组对象所产生的行为，并有可能影响到不同成员中的对象。

4）属性表—联邦或成员中的每一对象类都有固定的属性集，其中一部分属性定义对象的状态，其值可随着时间推移而变化（如飞行速度）。HLA对象类的属性值的变化情况可以通过RTI公布出去，这样联邦中的其他成员就可以得到这些值。这些属性值写在OMT的属性表中。

5）参数表—对于每个在交互类结构表中标识的交互类，其参数集写在参数表上，参数表项包括相应的交互类的参数名、数据类型、优称级、精确度等。

FOM中的数据主要包括：联邦中作为信息交换主体的对象类及其属性、交互类及其参数以及对它们本身特性的说明。FOM实际上建立了保证联邦中各成员达到互操作目的所必要的（但不是充分的）“信息模型协议”。但与 DIS 采用 PDU（协议数据单元）比较，HLA采用的这种数据交换协议实际使用起来要灵活得多。这种数据交换形式按LCIM标准来评价可以认为是达到了语法级互操作，但它使用起来具有很大的灵活性，在RTI的支撑下可以达到部分语义级甚至更高的部分概念级互操作。

战场管理语言BML的研究和应用为作战建模与仿真中描述指挥员意图、提高真实部队和计算机系统对信息的理解能力具有重要意义。BML与另一种用于描述战争初始态势的SISO标准——MSDL一起应用于作战建模与仿真，可以推进指控与仿真实体之间的互通互用，提高作战仿真系统与真实C4ISR系统之间的互操作性。相对于HLA采用的OMT，BML对交互信息描述的能力更强、更灵活和更易用。

BML的概念是美国国防部首先提出并支持研究的。BML是一种能够无歧义指挥命令部队和装备进行军事行动和提供态势感知、共享作战行动的语言。通过这种语言实现指控系统（C2 system）和仿真系统之间的互通互用，提高这些系统间的互操作性。BML以5W（Who, When, Where, What, Why）原则来描述作战计划：

Who：描述作战单元。

When：描述计划执行时间。

Where：描述计划执行地点。

What：描述作战任务。

Why：描述作战意图。

BML支持指控真实的部队、计算机仿真的部队或无人作战平台进行军事行动，支持态势感知共享、协同作战行动。

参照BML的设计思想，模型交互协议应满足以下要求：

1）必须是无歧义的；

2）必须能够充分描述联合作战中的物理、信息交互；

3）必须尽可能的使用已有的标准化数据作为表达方式；

4）必须允许所有的实体模型能够传递它们固有的信息、任务和环境数据，以达到互操作的目的。

4 模型互操作

协议数据单元PDU、对象模型模板OMT和战场管理语言BML为建模人员提供了描述作战对象模型之间交互信息的手段，帮助消除交互信息的异构性。交互信息的异构性是信息系统集成、信息共享以及信息系统之间交互的主要障碍，也是模型集成的主要障碍。当信息的语法、语义和语用发生冲突时，要想实现模型之间无障碍的信息交流必须要想办法消除交互信息的异构性。交互信息异构性消除的程度主要通过提高信息交互双方的互操作性来实现。

字位或字节打包后形成数据，在语境中的数据就形成了信息，信息及其相互之间的关系就形成了知识。互操作性是系统或模型的一种共享和交换数据、信息和知识的“能力”，具有两个基本特征：

1）互操作性发生在两个或多个需要进行信息交互的系统或模型之间；

2）互操作性包含了系统或模型两方面的能力，一是彼此交换信息的能力，二是使用所交换信息的能力。交换信息主要涉及通讯层次的问题；而使用信息则要求接收信息的一方能正确地理解和处理所接收的信息。

完全互操作或完全消除系统（模型）之间交互信息异构性很难甚至不可能达到，因此将系统（模型）间互操作性划分为递进的等级。一个得到广为认可的互操作测评分级是Andreas Tolk于2003年提出的概念互操作性等级模型LCIM（Level of Conceptual Interoperability Model）。LCIM将互操作性划分为七个等级，由低到高依次为：无互操作性、技术互操作性、语法互操作性、语义互操作性、语用互操作性、动态互操作性和概念互操作性，如图4所示。

图 4概念互操作性等级模型LCIM

第0 级：没有互操作。系统（模型）之间根本没有建立任何连接，相互独立，没有信息交互。

第1 级（Technical Level）：也称技术级，系统（模型）之间建立起了物理连接，通信体系结构已经建立起来，系统（模型）之间按通信协议交换数据，可以实现字位或字节交换，底层的网络和通信协议被无歧义地定义。

第2 级（Syntactical Level）：也称语法级，引入了公共数据结构交换数据，即应用了公共数据形式，数据交换遵守公共的格式，字位和字节被打包后进行交换。使用构建数据的公共协议，无歧义地定义了所交换数据的形式。

第3 级（Semantic Level）：也称语义级，系统或模型间交换的内容不仅包括数据，而且还包括其语境，借助公共的参考模型，数据具有了清晰的语义。信息交换的内容被无歧义地定义，数据的语境被共享，就达到了语义级互操作。

第4级（Pragmatic Level）：也称语用级，可以交换知识、交换信息及其使用方法。当互操作系统（模型）知道相互的方法和过程时，即使用数据或数据应用的语境能够被系统（模型）理解，信息交换的语境无歧义地定义，系统知道所有可能的符号“包”以及这些“包”的关联，就达到了语用级互操作。它意味着互操作系统（模型）感知和共享公共参考逻辑模型。

第5 级（Dynamical Level）：在语用级互操作的基础之上，系统（模型）运行时其状态随着交换数据的假设和约束而变化，互操作系统（模型）能够理解和利用出现在运行时系统（模型）相互产生的假设和约束的状态变化。也就是说，系统（模型）不仅知道他们交换的符号“包”之间的关系，还知道在运行时怎样使用他们交换的符号“包”，就达到了动态语用级互操作。由于语用级和动态语用级互操作的区别仅在于：前者知道交换数据之间的关系，后者知道交换数据的使用，所以也可将其合一个层级。

第6 级（Conceptual Level）：也称概念级，通过基于工程方法的对概念模型的充分描述，将概念模型与其相对于真实世界的假设和约束结合起来，建立真实世界的公共视图，使得其他的工程技术人员能对模型做出正确的理解和评估。也就是说，要建立充分描述但独立于具体应用的模型，用符号表示的底层概念被无歧义地描述，系统共享公共参考概念模型来捕获相应真实（或设想）对象的假设和约束，就达到了最高的概念级互操作。

从LCIM模型可以看出，从0级到第6级，互操作能力越来越高。互操作系统之间的数据交换包括物理层和逻辑层，物理层依赖硬件，逻辑层依赖语法与语义（语法与语义互操作）。

包括语境的物理和逻辑数据交换最高只能导致语用互操作，要达到最高层级概念级互操作，一方面要具备各低层级的条件，要有通信硬件支撑，要有数据格式，要有数据的语境（即数据要有意义），要有数据之间的关系。另一方面，参与系统间要理解数据的使用，就得要有过程的描述，建立过程模型，同时还要把从真实世界抽象时的假设和约束一并进行描述，建立假设/约束模型。

各互操作性层次并不是孤立的，高层互操作性是以低层互操作性的实现为基础的。技术层的互联互通为其他层的互操作性提供了硬件基础；语法互操作要求系统间按照公共的数据结构交换格式化的数据；语义互操作的系统通过公共参考模型能够解析数据的含义；语用互操作的系统通过公共工作流模型可以依据语境解析数据的含义；动态互操作的系统通过公共执行模型可以明确系统在信息交互中状态如何变化；概念互操作的系统通过共享概念模型使得系统能够完全理解彼此的信息、进程、上下文、建模约束等，达到系统之间无障碍的信息交流与共享。

系统、模型或组件之间的共同背景知识决定系统或组件之间的互操作能力，共同背景知识越多，互操作的障碍就越少。在共同的背景知识（例如：共同使用的符号、数据结构、语法知识、语义知识、概念描述、语境限定与约束等）作用下，当一方表达或操作某种含意时，另一方通常能够正确的把握对方的语义，并与其进行互操作。