联合建模与仿真系统研究

2007年8月ELECTRONICSOPTICS&CONTROLAug.2007文章编号:1671-637Ⅹ(2007)0420010203　　

联合建模与仿真系统研究

陈　丽1,2,　冯润明2,　姚益平1

(1.国防科技大学计算机学院,长沙　410073;　2.中国人民解放军63892部队,河南洛阳　471003)

摘　　　要:　联合建模与仿真系统(JointModelingandSimulationSystem,JMASS)项目是美军三个“J”类(JMASS、JWARS、JSIMS)重要项目中的一个,是在美国空军电子战数字评估系统(ECDES)的基础上发展起来的联合项目。开发JMASS项目的目的是在提供可重用的建模与仿真资源库(MSRL)的同时,开发一个标准的数字化建模与仿真体系结构和有关工具集,来支持对电子战环境下的武器系统进行工程级/交战级建模与仿真的分析、开发、采办以及测试与评估。本文围绕JMASS系统的主要特点、组成结构及通过HLA实现互操作等方面进行了深入研究。关　键　词:　建模与仿真;　HLA;　电子战;　联合建模与仿真系统中图分类号:　V271.4;　TN97文献标识码:　A

StudyonJointModelingandSimulationSystem(JMASS)

CHENLi1,2,　FENGRun2ming2,　YAOYi2ping1

(1.CollegeofComputerScience&Technology,NUDT,Changsha410073,China;　2.No.63892UnitofPLA,Luoyang471003,China)

Abstract:　JMASSisoneofthethreeimportant“J”programsofJMASS,JWARSandJSIMS.ItisdevelopedbasedonElectronicCountermeasureDigitalEvaluationSystem(ECDES).ThegoalofdevelopingJMASSpro2gramistosupportreusablemodelsinModelingandSimulationResourceLibrary(MSRL),anddevelopacom2mondigitalsimulationarchitecturethatdefinesstandardinterfacesandasuiteoftoolstosupportengineeringandengagementlevelweaponsystemmodelingandsimulationinElectronicWarfare(EW)analyzing,develop2ment,acquisition,testandevaluation.Theauthorsstudieditscharacteristics,architectureandHLA2basedin2teroperabilitywithfocusonthecapabilityandapplicationofJMASS.Keywords:　modelingandsimulation;　HLA;　electronicwar;　JMASS

0　引言

联合建模与仿真系统(JMASS)是一个建模与仿真支撑环境,它支持在电子战环境下对武器系统进行工程级和交战级的建模与仿真分析、测试与评估。由于其具有良好的性能,被美军广泛应用。对其功能及应用进行研究,对我们今后基于该软件进行相关工作具有重要的意义。

　　作为美军三个“J”类重要项目中的一个,JMASS的发展备受关注。JMASS系统最初是为美国空军的电子战分析领域设计的,建立了相关的体系结构和标准。后来在国防部长办公室下属CROSSBOW委员会的资助下于1991年3月建立了联合电子战数字仿真系统结构(JECDSA),同年9月更名为JMASS[1]。

JMASS项目的发展主要划分为两个阶段,1998

1　JMASS背景与发展

收稿日期:2006203221　　　修回日期:2006206202基金项目:国家自然科学基金资助(60373024)

作者简介:陈　丽(19782),女,重庆人,硕士生,主要研究方

向为计算机仿真。

年以前是由空军负责开发,主要针对空军的需求进

行研制。1998年以后,由国防部牵头、空军为主来开发面向多军种应用的系统。JMASS于1993年发布了1.0版本,到2004年发布了6.2版本,其间发布了很多版本。从这一发展历程可以看出,美军对研发JMASS项目的重视。

第4期　　　　　　　　　　　　　　陈　丽等:　联合建模与仿真系统研究11

2　JMASS系统的主要特点

JMASS设计具有小巧、高效、健壮、可移植以及灵

活的特点。它的内部采用微型内核的方法开发,几乎所有的功能都是用可替换的插件模块实现,并且经过了大量的内存分析和测试,以确保该架构不会把本身的缺陷引入到模型,更有效地支持了没有缺陷的模型的重用。JMASS软件的结构框图如图1所示。

图2　JMASS模型结构图示例图1　JMASS软件结构框图

从JMASS软件结构框图可以看到,JMASS提供了一个紧凑的软件框架用于各种紧耦合模型的即插即用,软件主要由3个部分组成:Player(演员)、模型接口和仿真引擎。每个Player可由多层组件组成,是最高层次模型组件,通常对应真实战场实体(如雷达)。多个Player的集合构成一个Team(组);模型接口主要指Port(端口),Port是Player之间传递通信消息的唯一通道,且可以传递不同类型的消息。所有对象实体在仿真引擎驱动下运行,构成一个独立的仿真应用。

下面用一个直观的JMASS模型结构图来表示Team(组)、Player(演员)、Component(组件)及Port(端口)之间的关系。例如,仿真一架携带一枚导弹的飞机,整个仿真作为一个JMASS组,实体飞机和导弹可分别作为一个Player。每个Player可由多个组件构成,而组件又可以由下一级的组件构成。如导弹Player可分别由控制计算机组件和动力学组件构成,动力学组件可进一步划分为制导对象和自动驾驶仪对象组件,这些对象还可用更基本的组件进行建模,如图2所示。

在JMASS中,Player与组件的角色定义并不是非常严格,如飞机在某个特定的仿真环境中被定义为Player,但在另一个仿真环境中(如在航母上)就可能被作为一个组件使用。这样设计有利于模型开发的分布式协作及重用。目前,支持作战建模与仿真的4个层次的典型仿真系统如图3所示。

其中,JMASS系统主要为底层的工程级武器研发和交战级作战仿真提供全生命周期服务;联合仿

图3　作战建模与仿真分析分层图

真系统(JSIMS)主要应用在任务级仿真中,它基于一

些高度详细的对象之间的交互对系统和子系统的性能进行研究;而联合作战系统(JWARS)则主要应用在战场/战役级仿真中,主要基于多天、多对多的剧情对兵力结构进行研究。通常,这4个层次的仿真可配合使用,低层次仿真的结果可供上层使用,逐级向上传递。即JMASS可以产生经过确认的、可供JSIMS和JWARS使用的数据。此外,由于JMASS、JWARS和JSIMS都支持HLA标准,因此通过HLA/RTI框架可实现它们之间的互连,从而实现多层次、多分辨率的建模与仿真,这种联合使得武器系统的开发者和评估者能更全面、更深入地理解对武器系统和子系统性能的有效评估[2-4],并使得JMASS软件能在战场/战役级仿真中发挥更有效的作用。

归纳起来,JMASS的主要特点如下。

1)采用面向对象的设计以支持模块的重用。这种重用包括Player一级重用,也包括组件一级重用。由于JMASS提供了与现有仿真标准的接口,通过HLA则可实现JMASS仿真一级的重用。

2)采用领域专家提出的“分布式模型开发”策略。从一开始JMASS就基本上是分布开发的。JMASS模型均由那些对所开发的系统/现象表示方面具有权威性/专业性的机构/组织进行的,由于模型之间交互都是基于Port(端口)标准机制,可通过分工协作进行分布式模型开发。

3)采用即插即用式的软件体系结构来连接有关的工具和模型。

12　　　　　　　　电光与控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第14卷

4)采用一系列工具支持对符合体系结构标准

规范的模型组件的开发,建立符合通用的软件结构

模型(SSM)的对象模型,采用开放的体系结构以支持符合POSIXOS标准的应用,实现与国防部和各军种需求一致的VV&A过程。

5)建立了模型库。JMASS的模型库是建立在标准的层次化文件系统的基础上的,分为两个主要区域:一个是开发区,一个是基线区。所有模型的开发工作都在开发区中进行,如果模型已经过VV&A,就可以移到基线区,基线区中的模型都是已经完成的,并且是可以正常工作的。

6)提供了支持电子战(包括射频/光电/红外/紫外/水声)对抗仿真所必需的自然综合环境效应模型及相关工具。该环境效应模型封装了现有的射频效应模型,如杂波模型、多路径和衍射模型等。其中杂波模型是根据林肯实验室对地面不同类型的划分,反复测量得到的数据建立的。

这些特点通过对以下JMASS系统组成结构的研究,可得到更全面的理解。

图4　JMASS体系结构及应用示意图

　　2)装配模式。该模式提供了一个Builder工具,

用于完成开发模式中模型对象代码的自动生成、编译和链接。装配期间,开发人员或分析人员根据特定剧情选择仿真所需的Player和组件或代码装配成一个Team,编译链接成一个可执行程序。

3)配置模式。开发者和分析者在该模式下可以配置仿真剧情。如果分析人员想对仿真运行期间的数据作进一步分析,则需选定仿真运行数据,自动灵活研究工具(FAST)可对数据进行融合和分析,最后将结果图形化显示。

4)运行模式。用来执行所选择的模拟应用。如果是一个FAST运行,可能会进行多次运行以便收集多种结果。

5)事后处理模式。该模式用于仿真结束后对仿真结果进行显示和事后分析。SimView是一个可视化的分析工具,它通过JMASS中的SpatialInfo2Player显示仿真实体的三维空间行为而不需额外添加代码。FAST工具可用来对仿真结果进行工程分析研究。

3　JMASS系统的组成结构

JMASS是一个完整的建模与仿真支持系统,其体

系结构如图4所示。用户基于JMASS开发仿真系统需要建立红方威胁模型、蓝方数字系统模型,其中红方威胁模型主要由合适的威胁科学与技术情报中心开发、确认、拥有和维护。它们可以在不需要编写新代码的情况下插入JMASS中即插即用,但必须经过重新确认。由于JMASS支持HLA标准,因此通过HLA/RTI框架还可以将这些经过确认的威胁数字系统模型与其他可用的仿真互操作。蓝方数字系统模型是用户根据提供的威胁模型开发的自己的相应模型。此外,JMASS体系结构还支持对已有模型的重用。它提供一个模型库,可将通用模型存入库中以便今后调入使用,支持了模型重用,缩短了研发周期。

从图4中可以看到,JMASS体系结构支持一体化的建模与仿真运作模式,包括开发、集成(装配)、配置、运行和事后结果分析处理。

1)开发模式。该模式为开发人员提供了构造模型对象的可视化环境。开发者在组件定义文件(CDFs)中定义模型的属性及演员(Player)、组件(Component)和端口(Port),这个过程均采用可视化界面。自动化模型转换工具(AMCTool)可以将Simulink模型直接转换成JMASS组件来支持模型的

4　JMASS通过HLA实现互操作

目前支持分布式仿真流行的标准是HLA,HLA设计用来使分布于某个网络的各种仿真能互操作。由于JMASS提供了一个JMASS-HLA框架,通过这个框架JMASS仿真可与其他仿真实现互操作[5],如图5所示。

其中,无论基于JMASS的仿真应用多么庞大,JMASS通过HLA交互时都只能当作一个Team(组)作为HLA中的一个盟员与网络中其他仿真互操作。但是,必要时也可将一个JMASS仿真应用设计成两

(下转第18页)

开发。

18　　　　　　　　电光与控制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第14卷

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[39]　NIXONM.Applicationofeconomicauctionmethodstore2

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[37]　RUSSELLS,NORVIGP.Artificialintelligence:amodern

(上接第12页)

个或多个仿真应用,将JMASS集中式的仿真设计成基于HLA的分布式仿真,其基本原理如图6所示。

必要时采用硬件在回路或实物在回路的仿真,这样才能更好地满足工程应用的需要[7-8]。

5　结论

目前,联合建模与仿真系统(JMASS)主要为工程级武器系统研发和交战级作战分析提供全生命周期的服务,认真研究美军JMASS系统的结构体系与应用范围,对发展我们的电子战武器系统建模与仿真应用有重要的指导意义。参考文献:

图5　JMASS作为一个盟员嵌入HLA联邦

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[5]　FLOREKDW,BALDWINM,CARUSOM,etal.Using

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[6]　ALLENKJ,TISLERT.StandardMulti2spectralEnvironment

andEffectsModel(STMEEM)[J].CH36015297/000020536(C)IEEE,1997.

[7]　姚益平,时向泉,万江华.HLA/RTI的研究与实现[J].

图6　JMASS通过HLA实现分布式仿真

在设计基于HLA的JMASS分布式仿真应用的过程中,应充分考虑HLA和JMASS的特点。JMASS设计用来处理工程级高逼真度的、电子战环境下的武器系统交战的建模与仿真,作战对象之间的交互信息量大,更新频繁是紧耦合仿真,JMASS设计Player之间通过Port采用共享内存机制相互通信,

减少了信息交互的延迟时间。而采用HLA/RTI框架进行仿真,网络中的信息交互延迟时间相对比较明显,适合于耦合相对松散的对象

[6]

。因此,在设计

系统仿真学报,2000,12(4):3642366.

[8]　冯润明,黄柯棣.HLA联邦成员软件开发环境研究[J].

大规模分布式电子战环境下的仿真应用时,可充分利用JMASS的特点,将实时性要求高、耦合紧密的对象封装在JMASS仿真应用中实现,而对信息交互相对松散的部分则采用HLA/RTI框架进行交互。

系统仿真学报,2001,13(3):2672270.