面向仿真推演的网格地图建模原理与应用

第1章 计算机仿真与兵棋地图模型 计算机仿真是运用计算机对系统的模型进行试验研究的活动，这个系统既可以是存在的实际系统，也可以是不存在的设想系统。它可以在实验室环境模拟系统的演变过程，因而在辅助决策、军事训练、设计优化、管理调度、规划制定等一系列领域都有着巨大的应用潜力。仿真推演常用于解决实验室环境模拟系统的演变过程；随着计算机仿真技术的成熟，又被称为基于计算机的仿真推演，本质是在仿真技术的支撑下，根据预先制订的推演方案，对模型(或计划)进行全过程的模拟，检验它们的可行性、可用性和成熟度。 作战仿真作为计算机仿真在军事领域的应用，主要研究两种形式的仿真。**种是战场环境仿真，它研究如何逼真地、精确地描述战场环境。战场环境仿真的研究对象是客观存在的战场环境，包括地形、海洋、天空、太空、电磁、气象等要素的建模与可视化表达。这其中用于人脑认知战场环境的仿真，称为感知仿真；用于电脑认知战场环境的仿真，称为数据仿真(游雄， 2002)。第二种是作战推演仿真，它研究如何在某一固定的战场环境范围之内，研究战场环境对于被动式或主动式传感器、武器系统与装备、作战单位或平台产生直接影响的战场环境效应模型( environment effect model)，以及研究主动式传感器、武器系统和装备、作战单位或平台对战场环境产生直接影响的军事系统效应模型( environment impact model)(刘卫华等， 2004)。由于作战行动的时空特性，作战推演仿真通常基于逼真的、精确的战场环境，然后实现作战环境如何影响作战单元、武器装备，进而实现作战计划评估、武器效能测试和作战单元训练等工作，如兵棋推演。 兵棋推演是作战仿真的主要手段之一。它运用代表兵力的棋子，基于兵棋棋盘，按照推演方案，实现作战计划评估、武器效能测试和作战单元训练等工作。其中兵棋棋盘也称为兵棋地图模型，它作为空间单元和功能单元的统一体，有机地实现了社会实体和自然实体的衔接。兵棋地图模型本质上是以某种形式的网格剖分战场环境，每一网格存储相应的环境数据，*终实现战场环境的仿真。 本章按照计算机仿真—仿真推演—兵棋推演—兵棋地图模型—网格模型的顺序，详细梳理网格模型的发展脉络。 1.1 计算机仿真 仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在或者正在研究设计中的系统的具体过程。实现仿真首先需要寻找一个实际系统的“替身”，这个“替身”被称为模型。它不是系统原型的复现，而是按照研究的侧重面或实际需求对系统进行了简化提炼，以利于研究者抓住问题的本质或主要矛盾。计算机出现之前，物理仿真是人们经常采用的仿真技术，它附属于其他相关学科。随着计算机技术的发展，仿真领域提出了大量共性的理论、方法和技术，计算机仿真逐渐成为一门独立的学科。 1. 系统 1)系统的概念 System意为系统，它源于希腊语 systèma。美国传统词典(双解)解释为：组成一个复杂、整体的一组互相作用、互相关联或互相依存的元素( a group of interacting，interrelated，or interdependent elements forming a complex whole)。“系统”一词*早见于古希腊原子论创始人德谟克利特(公元前 460—公元前 370年)的《世界大系统》一书。它明确地论述了系统的含义，即“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的总貌”。 戈登(1982)在总结前人思想的基础上，将系统定义为“按照某些规律结合起来，相互作用、相互依存的所有实体的集合或总和”。郭齐胜和徐亨忠( 2011)指出，很难用简明扼要的文字准确定义“系统”的含义，但是可以普遍认为：“系统是由互相联系、互相制约、互相依存的若干部分(要素)结合在一起形成的，具有特定功能和运动规律的有机整体。 ” 2)系统的特性 系统之所以能够称为系统，总是表现出一定的共性特征。**，系统是实体的集合，它们组成了系统的具体对象；系统中的各个实体既具有一定的相对独立性，又相互构成一个整体。第二，系统的实体具有一定的属性；系统的实体都具有有效的特性描述，例如状态、参数等。第三，系统时时刻刻处于变化之中；由于组成系统的实体之间的相互作用而引起的属性变化，使得不同时刻的系统中的实体与属性都可能发生变化，这种变化通常使用状态概念描述。第四，系统具有开放性；系统并不孤立存在，总是工作于某一环境当中，环境的变化可能影响系统的性能，系统也会产生一些作用，使得系统之外的物体发生变化。定义一个系统时，需要明确系统的边界和环境。系统的边界包含研究对象的所有部件，确定系统的范围；边界以外的对象和一些能对系统产生重要影响的因素构成系统的环境。 因此，任何系统都存在三方面需要研究的内容，即实体、属性和活动。实体确定了系统的构成，明确了系统的边界；属性也称为描述变量，描述了每一实体的特征；活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。 2. 模型 1)模型的概念 根据系统论的观点，模型是对真实系统的描述、模仿或抽象，即将真实系统的本质用适当的表现形式(例如文字、符号、图表、实物、数学公式等)加以描述。从不同角度出发，模型存在不同的定义形式。例如，模型是对系统某一方面本质属性的描述，它用某种精确定义的语言反映了系统某一方面的知识。模型是对研究对象及其包含的实体、现象、过程和环境的数学、物理、逻辑和语义等的抽象描述。模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。 详细分析上述模型定义，可以认为，模型是具体存在的东西，既可以是有形的、静态的、物理的物品，也可以是无形的、动态的、语言描述的、软件形式的“物品”；模型必然存在与之对应的建模对象；模型具有表征和解释功能，即表征和解释应用环境中的原型。 开发模型的目的是用模型作为替代，帮助人们对真实系统进行假设、定义、探究、理解、预测、设计，或者与真实系统某一部分进行通信。试验是研究、分析、设计和实现一个系统的必由之路。在模型上而不是直接在真实系统上进行试验日益为人们所青睐，主要原因在于：系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更为准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解，因为在真实系统上进行试验可能引起系统破坏或发生故障。例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将冒巨大的风险。需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣；试验后，系统难以复原；试验时间太长或费用昂贵。 通过模型试验可以很好地解决这些问题。与通过真实系统试验相比，模型更加容易理解，模型结构的变化更加容易实现，模型的行为特性更加容易掌握。因此，在模型上进行试验已经成为人们科学研究与工程实践中不可缺少的手段之一。 2)模型的分类 根据分类标准的差异，模型可以划分为不同的类型。例如，根据模型的存在形式，可以将模型划分为物理模型、概念模型、数学模型、计算机模型。 物理模型(physical model)是一类具有某种实物物理特征的模型(例如，用于风洞试验的各种缩比实物模型)，以及各种物理效应设备(例如，各种转台、负载模拟器、各种人感系统等)。实物物理特征模型采用几何外观相似的原理，通过缩小的物理模型在流场中进行实验，获得物理模型的各种性能参数。物理效应设备可以反映某种物理模型的特性，可以接入仿真系统，参与动态计算。 概念模型(conceptual model)是为了某一特定目的，运用语言、符号和图形等非数学形式对真实世界及其活动的概念抽象与描述，它是对现实世界中各类实体和过程的**次抽象，是现实世界到机器世界的中间层次。通常情况下，概念模型可以分为面向实体的概念模型和面向过程的概念模型两大类。其中，面向实体的概念模型是以实体为中心对现实世界进行的概念建模；面向过程的概念模型是围绕过程进行的概念建模，它描述了某种动态关系。 数学模型(mathematical model)可以描述为基于现实世界的特定对象，为了某一特定目的，根据对象特有的内在规律，在必要的简化假设基础之上，运用适当的数学工具，得到一个数学结构。它通常由数学方程式、关系表达式、逻辑框图等组成，本质是概念模型的数学逻辑化表达。一般说来，根据计算类型的不同，数学逻辑类模型又可以分为数学计算类模型和逻辑运算类模型。其中，数学计算类模型以数学计算为主，表现为代数运算符号连接而成的数学方程式；逻辑运算类模型以逻辑运算为主，表现为由逻辑运算符号连接而成的关系表达式或由基本逻辑图符组成的逻辑框图。 计算机模型又称为仿真模型( simulation model)，是通过某种数字仿真算法将数学模型转化为可以在计算机上运行的数学模型，它是一类面向仿真应用的专用软件。计算机模型与计算机操作系统、编程语言、计算机算法有着密切的关系。 3. 仿真 1)仿真概念 按照《牛津英语词典》的定义，仿真是用相似的模型、环境和设备模仿某个环境或系统的行为的技术，或者是为更方便地获取信息，或者是为培训人( The technique of imitating the behavior of some situation or system by means of an analogous model，situation，or apparatus，either to gain information more conveniently or to train personnel.)；仿真是一组广泛的方法，用于研究和分析实际的或理论的系统的行为和性能( A broad collection of methods，used to study and analyze the behavior and performance of actual or theoretical systems.)。 1961年，摩根扎特( Morgenthater)首次对“仿真”进行了技术性定义，认为“它是在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。 1978年，科恩( Korn)在《连续系统仿真》一书中将其定义为“利用能够代表所研究的系统的模型做实验”。 1982年，斯普瑞特(Spriet)进一步扩充了“仿真”的内涵，认为它是“所有支持模型建立与摸型分析的活动，即为仿真活动”。 1984年，奥伦( Or.n)在仿真的基本概念框架“建模 —实验—分析”的基础上，提出“仿真是一种基于模型的活动”，这被认为是现代仿真技术的一个重要概念。实际上，随着科学技术的进步，特别是信息技术的迅速发展，仿真的技术含义不断地得到发展和完善，从艾伦( Alan)和普利茨克( Pritsker)撰写的《仿真定义汇编》可以清楚地观察到仿真概念的演变过程。但是，无论定义怎么描述，仿真基于模型的活动是共同特点。 综合国内外仿真界学者的描述，仿真可以定义为：以相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际的或设想的系统进行动态实验研究的综合性技术。 2)仿真的分类 通常可以根据系统的特性、仿真时钟与实时时钟的比例关系、参与仿真的模型种类等，将仿真划分为不同的类型。 根据被研究系统的特征，仿真划分为连续系统仿真和离散系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究；这类系统的数学模型包括连续模型(微分方程等)、离散模型(差分方程等)和连续-离散混合模型。离散系统仿真是指对那些系统状态只在一些时间点上