联合建模与仿真系统概述

联合建模与仿真系统概述

棣华编译

摘要：本文介绍美国“联合建模与仿真系统（JMASS）”项目研究室的联合建模与仿真系统。该项目是一个仿真支持环境，它包含一个定义严格、文件齐全的接口标准集，模型可按此标准集建立。JMASS提供的软件工具可帮助用户建立真实环境系统表示、组配模型块、将模型块组装成仿真系统、运行这些仿真系统、并且处理其结果。JMASS是美国三军使用的产品，有近300在册用户，其参与者有美国陆军、海军、空军、国防部、国防情报局和工业部门。系统采用普遍应用的面向对象技术，在WindowsNT，SunSolaris和SGIIRIX计算环境下运行一套单独的源代码。JMASS目前以其标准的交战级和工程级仿真框架适用于采购、测试、评估及科研技术情报各界。它为美国“基于仿真的采购”（SBA）政策提供了技术方面的关键要素。JMASS遵从“高层体系结构”（HLA）的要求，以HLA提供的通用技术框架来保证各不同仿真部件的互操作性。本文概述JMASS的概念、操作和实用性。

关键词：联合建模仿真建模

1 JMASS背景

美国早期没有正规化的建模和仿真，但在第二次世界大战期间，“运筹学”的发展以纯数学模型开始填补这一空白。六十年代，由于通用计算机的广泛使用，大量的“多对多”交战模型被用来描述各种敌友实体间的事件交互，诸如模拟飞机和地对空导弹（SAM）发射场。七十年代，建模和仿真的独立应用激增，有了更详细的设计和交战模型，假定和限制性条件各不相同，其结果也大相径庭。美国仿真界经历了SAM仿真模型的开发，例如“加强型SAM模型”（ESAMS）。对敌方指挥控制和建模的研究导致产生了SUPPRESSOR。八十年代出现模型分级体系，为仿真结果的逻辑一致性提供了一整套工具，由此，一种模型的输出可以成为另一模型的输入。由于模型开发费用巨大，因此模型可重用性成为研究热点。基于对象技术的综合建模系统被提出来作为一种技术解决方案，以减轻模型开发和产权的费用负担。进入九十年代，JMASS成为这一领域联合开发的先驱，随后出现了“联合仿真系统”（JSIMS）和“联合作战仿真”（JWARS）。

JMASS的最初设计用于支持武器系统开发和采购所需的高逼真度交战级分析。自九十年代早期，JMASS从一个“唯UNIX”的系统发展成为一个紧凑高效的系统，所要求的硬盘空间不超过100Mbytes。初始运行能力计划在2001年早期完成，全面运行能力计划在2004年完成。到JMASS全部完成时，它将成为一个完整的仿真系统，包含一套定义良好的标准和规范、有效的仿真引擎、有助于分析人员和模型开发人员工作的各种工具和经过确认的威胁模型的基础结构。一套

包含图形用户接口（GUI）的单独的源代码在WindowsNT、SunSolaris、和SGIIRIX 计算环境下运行。未来的JMASS将遵从高层体系结构要求，使JMASS能与其他仿真模型进行互操作。JMASS目前为训练和客户支持提供了一种基础结构。JMASS 软件同时提供了“模型开发者参考”和综合性“用户手册”。在未来版本中，还将提供“上下文有关”在线帮助。训练和客户支持功能现在已经由“JMASS项目研究部”提供使用，详细内容可从https://www.360docs.net/doc/be12088765.html,网上查到。

2 JMASS的实用性

图1所示是四个层次的分析。基于多时日、多对多战术情景的兵力结构研究划分在战役级。使命级分析包括系统折衷研究，这种研究是根据裁剪的战术情景和更少并更详细的系统而进行的。交战级和工程设计这两级包含对系统和子系统性能的研究，是根据少数非常详细的对象之间的交互作用而进行的。最后，这四个级汇聚起来并形成图中所示的金字塔顶是其结果。JMASS目前致力于工程设计级和交战级研究，但在不久的将来，JMASS的最大实用性将能够支持战术/交战级的分析。

图1 各分析级

JMASS目前以其标准的交战级和工程设计级仿真框架适用于采购、测试、评估以及科技情报部门。在整个基于仿真的采购政策中，它提供了技术方面的关键要素。JMASS把武器系统放在一个虚拟的环境中，因此它对考虑采购的武器系统的设计和性能提供了一个分析框架。这样，JMASS补充了美国国防部的其它建模与仿真项目（如JSIMS和JWARS）。JMASS不是JSIMS和JWARS的一部分，而相反，它生成的数据被确认既可用于JSIMS，也可用于JWARS。

3 JMASS描述

如图2所示，JMASS包含四个作用分明的部分：传统模型功能实现、红色威胁模型、蓝色数字系统模型、和体系结构。本节讨论JMASS的体系结构和各种模型。

JMASS模型代表性地对应于真实环境中的物理实体，诸如飞机、雷达、导弹、电子对抗系统或导弹寻的头等。JMASS定义并提供了标准化的一整套文件格式和

应用程序接口，它们可使这些模型得以继续开发，使其具有互操作能力。原始文件格式规范书吸收了模型设计信息，一个精致复杂的代码生成器将这些设计信息转换成编码框架，以保证所有的结构功能都能被模型开发者访问。模型开发者仅需为他们的模型添加行为代码，理解并应用API服务功能以确保与其他模型的互操作性。为了便于模型重用，JMASS采用开放式系统，使用通用面向对象语言，包括图形用户接口和应用一些基于商用标准的技术，如Microsoft Windows、POSIX、ANSI C＋＋和OpenGL。JMASS开放式体系结构允许裁剪和扩充。标准工具套件在WindowsNT和UNIX平台上通过本机的“拖－放”文件管理器可以访问到。提供的图形用户接口工具在Tcl/Tk中实现，Tcl/Tk可以在WindowsNT、Sun Solaris和SGI IRIX环境下运行。现场专用的工具也可以添加到该体系结构中，以便对设计和分析功能进行裁剪和扩充。

图2 JMASS的四个部分

3．1 JMASS体系结构

JMASS提供了标准的服务功能模块，用于调度、空间服务、数据记录、报文登录、以及大气层和地形地貌的物理环境。如果要求的话，可以由用户提供的物理环境和大气层模型来替代。基于离散事件的调度程序是系统设定的，但可以应用实时的、基于帧的、或HLA时间－管理方法。JMASS提供了一个分层的“六自由度”空间管理器及两个导出器，用于维护和推断空间实体在仿真过程中的状态。标准的数据记录器可提供二进制、MATLAB、与/或ASCII码格式的仿真输出。报文登录器显示仿真运行期间的彩色编码信息，并将这些信息储存到一个文件上。体系结构的服务功能在IOCJMASS中将即插即用。

为了帮助工程设计人员快速轻松地开发仿真系统，JMASS提供了工具，可让模型开发人员专心致力于算法，而不必为软件费力。该套标准工具在WindowsNT 和UNIX平台上通过本机的“拖－放”文件管理器都可以访问到。图3示出了这些工具的一部分。生成工具提供了自动的代码生成、相关生成、编译和链接。它

使用户与编译器和文件系统细节分离，但仍然可以通过程序描述文件来提供细节控制。“GUI配置”用于仿真特性初始化并选择要记录的数据。执行工具显示彩色编码信息，同时运行仿真程序。它还用于仿真造形和调试，并支持命令行的执行。

图3 JMASS模型运行和GUI工具

图4 SimView分析员级直观化工具

JMASS的未来版本将含有“自动的模型转换工具”（AMC Tool）。它是一个支持模型开发的虚拟程序设计工具，提供了一种把Simulink模型转换为JMASS 模型件的自动方法。JMASS的一个学习管理程序叫做“灵活自动学习工具”（FAST），用以支持工程设计分析人员研究怎样应用JMASS。FAST在局域网上有多种分布运行方式，用作参数分析和统计分析。它也收集数据并为数据简化和分析提供工具。FAST允许分析人员改变一个或多个仿真输入进行实验，还可将这些实验操作分布到多台计算机上，并以图象方式分析其结果。

JMASS有一个分析性能的直观化工具，叫做SimView，用来直观显示JMASS 中被仿真的“表演者”的空间行为。在JMASS中用“空间信息表演者”（Spatial

Info Player）支持SimView。开发人员在模型内不用增加任何程序设计来支持这种直观方式。SimView以表演者在三度空间的直观化支持分析人员的需求。

使用SimView时，用户必须先运行仿真剧情。在运行一个包含“空间信息表演者”的剧情时，生成一个.sv文件和SimView所需的全部数据，以便直观地重放剧情。启动时显示出一个类似图4的窗口，SimView的重放窗口有上一系列控制键，允许用户调节重放速率；有多种视角和图象变比选项，重放时各项都可改变。

JMASS还有一个跨越式平台及后处理绘图工具，叫做Jplot。Jplot读出在运行仿真剧情期间生成的“JMASS二进制日志数据”文件，并用电子数据表格显示这些数据。根据这张表，用户可在竖/横栏中选择绘图要用的数据。Jplot提供了种类繁多的选项，有坐标轴比例和形式设计、极座标图、线性－线性、对数线性、对数－对数座标图、同一类型图表叠加等。附加选项有3－D绘图、网格/非网格图形、彩色编码和注解。

JMASS是一个开放式体系结构，有定义良好的“应用程序接口”（API），这些接口使它比较容易与商用产品连接。这种能力已由“计算机探索”有限公司用Simthetica进行了演示。图5所示是一张抽样输出瞬态图。

JMASS的BJD－to－Text软件工具可将JMASS的二进制日志数据转换成诸如MicrosoftExcel或MATLAB等软件工具所需的ASCII码文件。JMASS还能够以MATLAB二进制格式记录数据。这些数据可直接装进MATLAB工作区用于数据分析和绘图，也用于直观化表示。

许多用户正在对JMASS分析工具进行扩充。一些定制的工具和图形用户接口是为一些专项分析而裁剪制作的。基于Tc－Tk的JMASS“分析员能力工具”就是这种例子，目前正由“空军作战测试与评估中心”使用。这一工具在JMASS

未来版本中可以获得。另一个工具扩展性的例子是基于JAVA语言的分析工具，叫JTEAM，由“空军信息战中心”研制而成，是内部使用的。图6示出JTEAM的分析“表格板”。

3．2 JMASS模型

JMASS以定义良好的应用程序接口提供结构化的服务。JMASS模型用于描述表演者和真实环境中具有代表性的对应物，如飞机、雷达、导弹ECM系统、导弹寻的头等。JMASS支持多种级别的仿真细节。可以对一种JMASS模型的不同仿真细节进行开发或选择，以便与要上演的剧情相匹配。JMASS允许模型细节在仿真或模型自身范围内变化。应用程序接口是稳键的，足以处理各种高级或低级的仿真细节，即允许在同一仿真中使用高级或低级的仿真细节。同样，在模型内部，细节的程度可以被集中在应用上需强调的一些方面。模型中的细节极大地影响JMASS仿真的速度。该体系结构（仿真引擎）的系统开销很低，因此，由仿真系统中所包含的模型的数量和细节决定/驱动运行时间。

图5 Simthetica显示

图6 JTEAM分析表格板

JMASS模型可以详细划分为数字系统模型（DSM）、环境模型和辅助模型。数字系统模型一般再划分为友方（蓝色）和威胁方（红色）。威胁方模型由相应的“情报中心”开发并确认。在JMASS中这些子模型能即插即用，不用再写入新的代码（这些代码必须重新确认威胁DSM）。高层体系结构将提供一种手段，使这些确认的威胁DSM与其它已经投入使用的JMASS或非JMASS仿真能够进行互操作。

JMASS环境模型模拟的环境是在仿真中对特定传感器有意义的领域。JMASS 目前有一个雷达频率（RF）领域环境模型，主要用于雷达引导的武器系统和传感器。附加的红外（IR）和水下环境模型是应全面运行能力的要求而开发的。

附加的辅助模型是SpatialInfoPlayer和SpatialObserver演示器，它们可以用来为仿真提供辅助功能和支持信息。这些模型和所能提供的辅助功能将随后介绍。

JMASS中，用于对电子对抗（ECM）系统进行建模的基本工具是“类属ECM”（GenECM）工具箱。GenECM是一个灵活的、类属的、通用的ECM信号发生器，它的功能是：可放在逼真的电子作战（EC）环境中演练各种地对空导弹（SAM）和空对空导弹威胁模型，以此来检测、评估和测试EC技术，同时还可评估威胁对抗措施的有效性。GenECM提供一种将面向对象的EC模型件填充到一个JMASS 模型件数据库中的功能，供EC硬件开发者使用。GenECM模型属现代的基于对象的结构和设计，可以进行快速配置以反映一个具体的EC系统的特殊硬件结构要求。GenECM的设计简化了被视为焦点的逼真度问题，允许ECM成套模型中各种模型件在不同仿真细节级别上运行。GenECM还能充分利用JMASS信号包接口的各种先进性能。GenECM全面支持典型ECM的三种响应方式，即：转发器、发射机应答器、噪声。

威胁模型的开发、鉴定、获产权、维护由适合威胁技术的“科技情报中心”来做。目前正在开发三种不同级别的仿真细节用以支持不同类型的分析。这些级别的仿真细节是局部分析、分析、EC－功能。软件的设计是以与硬件建模相同的方式组织的，至少下降到某种程度的分解。从这个意义上说，这三级仿真细节都是基于对象的设计。每一硬件都有与之相对应的软件，仿真中，硬件之间的信号流与软件之间的数据流是相对应的。局部分析模型和分析模型运行较快，但在它们的行为中决没有EC的论断性。它们可以把EC响应“硬连接”（hard－wired）到它们的行为代码中，但它们必须被告之投入的是什么技术，而且必须有规定的行为来响应该种技术，不是简单地响应环境演示器呈现给它们的信号环境。

EC－功能模型对类型广泛EC调制能够显示其论断确切的ECM行为。理论上说，这些模型将基于详细的硬件设计和量测数据。能够代表多种叠加信号（来自目标、ECM、与/或环境）的信号被组合成单一的合成信号并通过天线部件提供给这些模型，然后这些模型作出相应的响应。先进的建模技术可以用信号的基带处理精确地模拟非线性性，而不使用被模拟系统的射频（RF）或中频（IF）。这对模型的整个计算费用和效果影响极大。

JMASS设有一个简单的飞行表演器，可当作RF目标或导弹发射平台。它目前有可配置的常规雷达横截面值并能够在偏航和俯仰平面中做规定的机动。它的目的不是要成为一个完善的空中动态飞行模型，而是要成为一个可以充当空战剧情中的目标飞机或导弹运载飞机的运动平台。

随JMASS交付的两个表演器并不代表任何物理实体，但做分析很有用。它们俩一个是计算两表演器之间最接近点（PCA）的Spatial Observer，一个是产生SimView输出文件的SpatialInfoPlayer。

SpatialObserver监控成对空间模型件之间的相对空间状态，并最终计算PCA。多对模型件由SpatialObserver分类的单一事例进行监控。

SpatialObserver动态地调度成对空间实体之间的下一个观察结果，这样使实体相互接近时有了更多的解决方案。

SpatialInfoPlayer根据规定的参考空间对象提取SimView所需的数据。记录下来的数据用扩充.sv.写进一个输出文件。该文件可被SimView用来显示三度空间中的对象。要记录的对象必须有为它们配置的观察结果。记录状态的速率由SpatialInfoPlayer的更新间隔来设定。

“JMASS模块化面向对象仿真环境”（JMOOSE）是JMASS应用最广泛的环境演示器。它提供的信号表示和调制处理接近短波RF运行在100MHz至100GHz范围时出现的现象。JMASS的事件时间－管理概念是为诸如雷达、RF导引头、RF 对抗装置、敌友识别系统等脉冲式系统设计的。当然，更细致的设计还能对连续波系统进行仿真。JMOOSE与JMASS的接口简便可靠，是与RF环境（包括具有RF 电子传感器能探测的RF横截面的任何飞行器）交互的系统的强制性工具。

一个光电/红外环境模型正在设计和原型开发之中。

4 JMASS通过HLA实现的互操作性

JMASS的设计目的是对ECM和假想敌之间的交互进行高逼真度、紧密耦合的仿真。对于这种应用，关系到高层体系结构（HLA）和网络分布仿真的时间延迟还极不理想。HLA的目的是使网上各种仿真系统间具有互操作能力。HLA提供了一种比JMASS更加宽松的耦合方式。JMASS为在单/多处理器计算机上通过共享存储器进行的紧密耦合模型交互的即插即用操作提供了一个紧密框架。

JMASS将遵从高层体系结构(HLA)。HLA所具有的通用技术框架保证了各不同仿真系统间的互操作性。因为HLA是一个通用体系结构，设计目的是实现仿真系统的可重用性和互操作性，因此它将成为标准，通过该标准JMASS将能与其它仿真系统交流。这将使在JMASS内部互操作的高逼真度、高耦合度的模型能通过HLA与其他仿真系统互操作。这将使通向JMASS的传统模型有了一个通向HLA的入口，或具有与实际硬件交互的能力。例如，JMASS能够模拟一个高逼真度的导弹正射向一个目标，但实际上这个目标是“人在环路”（man－in－the－loop）飞机模拟器，两者的交互行为通过HLA进行。

JMASS将只执行无约束的、不调整的时间管理。JMASS将支持任何有能力在JMASS体系中加入新调度程序的HLA时间管理方案的应用。

5 JMASS前景

JMASS的未来版本将具有实时功能、并行仿真处理、简化的模型集成功能、改善的安装效能和改进的图形用户接口。还将增加模型设计工具和2－D轮廓线、3－D拓朴图直观化。传统模型的转换、水下和光电/红外/紫外线环境的改进都将有所体现。通过website和betasite测试而改进的用户支持很快就能投入使用。

在过去的十年中，JMASS对建模系统的定义和概念产生的极大影响。JMASS 已经发展成一种用于可重用和互操作模型的基于对象技术。为使模型开发遵从体系结构标准，它提供了仿真体系结构和成套工具。由于JMASS深深植根于采购、测试和评估界，因此它为交战级分析提供了最佳支持。JMASS是通向21世纪作战建模的关键所在。