Разработка
программного комплекса имитационного моделирования коалиционных действий
Е.И. Кублик,
доц., к.т.н., ewkub@mail.ru,
Финансовый
университет, г. Москва
Ю.С. Легович,
зав, лаб. №29, к.т.н., с.н.с., legov@ipu.ru,
И.С. Павловский,
с.н.с, к.т.н., isp_65@mail.ru,
Н.Г. Журавлева,
н.с., zhurav@ipu.ru,
ИПУ РАН, г. Москва
На основе анализа возможностей компьютерной
имитационной модели JWARS определены функциональные и структурные требования
к программному комплексу имитационного моделирования коалиционных действий. Реализация проекта предполагает дальнейшее развитие в области групповой
робототехники.
Based
on the analysis capabilities of simulation model JWARS were identified structural
and functional requirements for software of coalition operations simulation. Implementation
of the project involves further development in the field of robotics group.
Введение
Изучение систем значительно упрощается путем
имитации их функционирования. В большей степени это относится к сложным
системам, состоящим из большого числа активных и взаимодействующих элементов,
поведение которых зависит от влияния внешней среды. Наибольшую проблематичность
придает изучению сложных систем их взаимодействие с другими подобными системами
в интересах достижения общих целей. Для исследования таких проблем разрабатывается
программный комплекс имитационного моделирования коалиционных действий. С этой
целью проведен поиск соответствующего прототипа, в качестве которого выбрана
компьютерная имитационная система Joint Warfare System. Анализ возможностей JWARS
позволил сформулировать требования к функциональным и структурным
характеристикам программных средств разрабатываемого комплекса. В дальнейшем предполагается
внедрение данного комплекса при реализации группового управления робототехническими
устройствами.
1.
Анализ возможностей JWARS
1.1.
Назначение JWARS
Компьютерная система Joint Warfare System (JWARS) представляет
собой имитационную модель, предназначенную для многостороннего анализа ситуации,
возникающих в ходе коалиционных конфликтов [1]. JWARS реализует решение класса задач,
которые объединены термином «mission critical» (критическая задача), и позволяет
провести анализ достаточности ресурсов, оценить способности к выполнению коалиционных
действий, стоимость дополнительных ресурсов и эффективность альтернативных
действий.
Особенностью JWARS является возможность в явной и
доступной форме продемонстрировать эффекты влияния и последствия, которые
оказывают информационные операций на системы управления в ходе проведения военных
действий. Опираясь на самые современные концепции моделирования неопределенности,
инженеры JWARS и эксперты разработали восокоуровневые абстракции датчиков и
систем связи, соответствующих им информационных потоков, наглядного восприятие
поля боя и принятия управленческих решений.
1.2.
Объекты моделирования JWARS
Для представления в JWARS моделируемых объектов и систем
используется универсальный блок, который именуется как Battle Space Entity
(BSE) - «объект боевого пространства». Минимальным моделируемым объектом для BSE
является батальон при моделировании маневра подразделений, летательный аппарат
в воздушной операции, корабль для моделирования морских действий и др. Кроме
того с помощью BSE представляются особые объекты, такие как порты, аэродромы,
штабы, а также пространственные объекты типа облака химического заражения. BSE
содержат данные статического и динамического характера. Статические данные
представляются неизменяемыми значения величин, например, мощность взрыва или
радиус поражения. Динамические данные (например, боеспособность подразделения,
его местоположение на местности) могут меняться с течением времени.
Эти данные также указывают на поведение BSE,
включая их взаимодействия друг с другом и окружающей средой.
рис.
1 Основные компоненты BSE
Все BSE обладают способностью осуществлять
управление, уровень сложности которого варьируется в зависимости от типа BSE.
На рис. 1 приведены основные компоненты BSE.
Взаимодействие между BSE достигается посредством
набора разнообразных алгоритмов, которые предоставлены экспертами или являются
собственными разработками создателей JWARS. Содержание и результаты работы
алгоритмов различаются в зависимости от вида моделируемой деятельности,
функциональных требований к моделированию, наличия необходимого объема данных в
соответствии со сценарием моделирования.
JWARS моделирует взаимодействие всех существующих
родов войск и вспомогательных служб в таких видах военных действий как:
- разведка, обнаружение и
слежение;
- наземные операции, включая
маневры, прямые и скрытые столкновения;
- морские и десантные
операции;
- воздушные и космические
операции;
- специальные операции;
- информационные действия.
1.3.
Моделирование информационных потоков в JWARS
Для организации потоков информации в JWARS
используется циклическая парадигма OODA (Observe, Orient, Decide, Act) -
«Наблюдение, ориентировка, решение, действие». Рис. 5 иллюстрирует содержание парадигмы
OODA в системе моделирования JWARS. Такое представление объединяет все силы, их
планы, варианты возможных действий и окружающую среду.
Цикл OODA начинается с наблюдения (сбора данных),
которое опирается на начальные варианты планов военных действий.
рис.
2 Этапы цикла OODA
В ходе сбора данных BSE используют датчики для
сбора информации о противнике. Проводится моделирование работы командиров и штабов
по рассылки оперативных сводок и решений. Отчеты о результатах наблюдения сводятся
в отчеты и, посредством средств коммуникации отправляются непосредственно другим
BSE в соответствии с концепцией проведения операций. При этом в модели JWARS учитываются задержки в
коммуникациях, связанных с передачами сообщений. Значения задержек зависит от
типа сети и нагрузки на сеть при передаче сообщений.
На этапе ориентировки цикла OODA происходит обработка
полученной на предыдущем этапе информации с целью сформировать представление о
сложившейся обстановке. Для этого в JWARS используется ряд шаблонов и алгоритмов,
которые связывают новые сообщения с предыдущим представление и формируют общую
оперативную картину обстановки.
Этап принятия решения цикла OODA включает несколько
шагов. Сначала пользователь вводит планы действий обеих сторон в виде
исполнительной матрицы, которая содержит описание события и критерии принятия
решения. Данная матрица играет роль шаблона для поддержки принятия решений.
После этого JWARS готовит решения высшего уровня управления, основанные на
текущей обстановке с использованием указанной матрицы. На следующем шаге
проводится оценка способности каждого BSE выполнить задачу в соответствии с критерием
принятия решения. По результатам оценки пользователь при необходимости может внести
изменения в параметры моделирования на основе правил, выработанных экспертами.
Затем средства планирования генерируют задачи и планы, которые должны быть
выполнены в течение определенного промежутка времени. Наконец, на основе правил принятия решения устанавливаются этапы
и стадии изменения обстановки в интересах управления на уровне командных пунктов.
Завершающий этап цикла OODA заключается в
реализации принятых решений. По мере того как совершаются действия JWARS
обновляет базу данных текущей обстановки.
1.4. Функциональные
блоки JWARS
Система JWARS состоит из трех программных
компонентов (проблемного компонента, компонента моделирования и платформы),
которые объединены в единое целое и используются для изучения и исследования
моделируемых объектов. Проблемный компонент обеспечивает функциональные
возможности аналитического характера. Компонент моделирования обеспечивает реализацию
трехмерной виртуальной картины конфликтной ситуации, в которой моделируется поведение
объектов. Платформа обеспечивает функционирование аппаратных средств JWARS, а
так же пользовательского интерфейса, который помогает аналитикам осуществлять обмен
данными в процессе моделирования. Совместная работа указанных компонентов
обеспечивает выполнение следующих функций:
сбор данные в процессе моделирования;
управление движением объектов; управление временем и событиями; организация взаимодействия
объектов; информирование объектов о состоянии окружающей среды; оценка результатов
конфликтов.
1.5.
Ограничения JWARS
Несмотря на то, что в JWARS воплощены современные
достижения в области моделирования коалиционных действий, существуют некоторые
ограничения, которые могут иметь нежелательные последствия для пользователей
системы JWARS. Эти ограничения затрагивают использование приведенных выше
алгоритмов.
Во-первых, алгоритмы JWARS, не смотря на подтверждение
их работоспособности, глобально не согласуются.
Во-вторых, баланс сил, который должен определяться
в соответствии с функциональностью ведения боевых действий, устанавливается требованиями
документов. Это в свою очередь не гарантирует, что данные и алгоритмы в
определенных ситуациях будут совместимы.
В-третьих, JWARS требует беспрецедентного
количества данных для построения рабочего сценария. В связи с этим требуются
значительные усилия специалистов по анализу данных и проведению необходимых
исследований.
1.6.
Используемый язык программирования JWARS
Для реализации системы JWARS выбран язык программирования
Смолток [2]. JWARS является полностью объектно-ориентированной системой и содержит
около 2500 классов, включающих до 50 тыс.
методов. Для ее реализации необходима мощная объектно-ориентированная среда программирования,
обеспечивающая быструю разработку программ и проведения необходимых экспериментов.
Все сказанное предопределило выбор языка Смолток.
На основе анализа возможностей JWARS сформулированы
функциональные и структурные требования к программному комплексу имитационного
моделирования коалиционных действий (ПК ИМКД).
2. Особенности
ПК ИМКД
2.1.
Назначение ПК ИМКД
ПК ИМКД предназначен для моделирования конфликтов коалиционных
сторон, в состав которых могут входить разнородные объекты. Комплекс выполняет
имитацию действий и расчета потерь объектов сторон в ходе конфликтов. В основу работы
комплекса положены численные методы решения математических задач с использованием
моделирования дискретных случайных величин и статистической оценки их характеристик
(метод Монте-Карло).
- моделировать операции
разнородных группировок и функционирование противоборствующих сторон;
-
автономно и индивидуально обучать пользователей;
-
проводить на его основе мероприятия оперативной подготовки.
ПК ИМД устанавливается и эксплуатируется на интегрированных
графических рабочих станциях, представляющих собой домен локальной вычислительной
сети.
2.2. Функции
ПК ИМКД
С использованием ПК ИМКД выполняется:
-
оценка эффективности одновременных и последовательных действий воздушных
и морских групп методом накопления ущерба с учетом противодействия противоборствующей
стороны и уровня взаимной информированности;
-
динамический расчет потерь в результате столкновений, как группировок,
так и одиночных объектов;
-
поэтапная постановка задач группировкам, в ходе моделирования боя;
-
оперативное изменение исходных
данных;
-
расчёт соотношения сил сторон;
-
расчёт статистических оценок результатов моделирования.
2.2. Структура ПК ИМКД
ПК ИМКД состоит из монитора управления процессом моделирования и восьми
функциональных блоков.
Главный блок - монитор управляет – организует взаимодействие
функциональных блоков в зависимости от заданных начальных условий и текущей
обстановки и контролирует процесс имитационного моделирования.
Вся входная и выходная информация хранится в соответствующих таблицах центральной
базы данных. Интерфейс обеспечивает эффективную работу с таблицами удаленной
базы данных:
- соединение с базой данных;
- выбор таблиц из базы
данных;
- выбор загружаемых колонок
из таблиц;
- выбор загружаемых строк из
таблицы;
- локальное сохранение
таблицы как связанной таблицы;
- формирование SQL запросов.
Центральная база данных хранит полную информацию о всех группировках противоборствующих
сторон. Модуль осуществляет выбор информации, относящейся только к
группировкам, участвующим в данном боевом столкновении. Информация сохраняется
в локальных таблицах. В процессе моделирования боевого столкновения изменение
информации осуществляется только в локальных таблицах. Перезапись в центральную
базу данных осуществляется при подтверждении окончания моделирования. Такой
подход позволяет проводить моделирование различных способов воздействий при
проведении имитационного моделирования.
Заключение
Рассмотренные возможности компьютерной системы
имитационного моделирования JWARS в полной мере могут
претендовать на базовые функции разрабатываемого программного комплекса имитационного
моделирования коалиционных действий. Дальнейшее развитие ПК ИМКД видится в его
использовании для имитационного моделирования группового управления робототехническими
устройствами с целью отработки интерфейса управления роботами в различных вариантах
и ситуациях их использования.
Литература
1.
The Joint Warfare System (JWARS): a modeling and
analysis tool for the Defense Department URL::http://informs-sim.org/wsc01papers/091.PDF (дата обращения: 17.09.2014).
2. Иванов А. Министерство обороны США выбирает
Смолток
3. URL: http://www.math.rsu.ru›smalltalk/va/dodsml.ru.html. (дата обращения: 09.09.2014).