面向指揮決策支持的平行仿真系統研究

毛少杰 周芳 楚威 丁冉

現代戰爭是體系與體系之間的跨域聯合作戰,以信息為主導,戰場環境要素涉及陸海空天電網等多維空間實體目標,態勢不確定性因素多以及迷霧大[1].現有指揮決策支持系統中戰場態勢預測大多以定性分析為主,輔助決策模型多為靜態,缺乏動態調整、演化與行為預測功能,難以滿足未來戰場態勢的瞬息變化與快節奏作戰需求.因此,在復雜不確定性的戰場環境下,迫切需要提高指揮決策支持系統對態勢準確預測與方案快速推演等能力,使指揮員能夠提前“透視”未來并及時作出響應.然而,目前分布式仿真與并行仿真的架構與理念,不具備與真實戰場環境的動態交互能力,不支持實體仿真模型和行為的動態演化,難以從根本上解決當前指揮決策支持系統的瓶頸問題.

本文在通用平行系統研究的基礎上,提出了面向指揮決策支持的平行仿真系統的概念,歸納了平行仿真與分布式/并行仿真的區別與聯系;提出了平行仿真系統的六大組成部分,建立了平行仿真系統的運行過程模型.最后,給出了戰場實體模型動態生成、平行仿真系統動態修正、戰場態勢多分支仿真推演等關鍵技術,為解決指揮決策支持系統的瓶頸問題提供一種有效途徑.

1 相關研究

國外對于指揮決策支持系統并沒有對“平行仿真系統”的提法,與其相對應的概念為“動態數據驅動應用系統 (DDDAS)[2?3]”、“共生仿真系統”,其內涵與平行仿真系統類似,強調通過仿真對實際系統進行分析和預測,為管理和控制實際系統的運行提供依據.

DDDAS的顯著特點為動態演化特性,即人工構建的仿真系統可根據仿真結果、真實數據和專家的決策動態調整模型,并據此選擇合適的實時數據注入到仿真系統中,同時可將仿真系統中預測/推演結果實時反饋到真實系統中.DDDAS旨在形成一種戰前與戰中一體、方案制定與分析評估一體的作戰決策支持系統,美國陸海空三軍從2007年開始開展了相應的工作,最具代表性的就是“深綠”(Deep Green)計劃[[4?9].“深綠”計劃的核心思想是借鑒“深藍”,預判敵人的可能行動,從而提前作出決策.其目的和任務是能夠預測戰場上的瞬息變化,幫助指揮員提前進行思考,縮短制定行動方案時間.

國內,王飛躍教授率先將平行系統理念與指揮控制相結合,提出了新一代的智能指揮控制體系—指揮與控制5.0[10?11],其核心理念為虛實互動的平行思想,可以根據“過去”、現實的真實數據,通過仿真來得到“未來”的結果,非常適用于軍事作戰指揮決策支持,能夠為指揮員實現對戰場態勢的超前預測和處置.此外,邱曉剛教授在分析輔助決策對平行系統需求的基礎上,提出了面向輔助決策的平行系統概念[12?15],給出了平行仿真系統構建面臨的關鍵問題及其相應的解決途徑.

2 面向指揮決策支持的平行仿真系統概念內涵

2.1 平行仿真系統的基本概念

面向指揮決策支持的平行仿真系統指構建與指揮信息系統平行運行的仿真鏡像系統,通過與指揮信息系統的互聯和信息交互,持續從實際指揮信息系統獲取最新的戰場情報信息,建立戰場實體仿真模型,并通過模型的超實時仿真運行,不斷對敵方目標可能的作戰意圖和行為作出判斷,生成下一時刻的戰場態勢預測結果并反饋給指揮信息系統,循環往復,輔助指揮員形成作戰方案,并對作戰方案的預期效果進行仿真推演和評估,為指揮信息系統的態勢預測、決策方案評估提供支撐,使得指揮員能夠“透視”未來并及時作出響應.

面向指揮決策支持的平行仿真系統的運行概念如圖1所示.

平行仿真系統主要通過以下步驟完成對實際指揮信息系統的決策支持:

步驟1.戰場情報預處理與實體模型生成.平行仿真系統實時接收實際系統獲取的最新戰場情報,將戰場情報數據與軍事實體仿真模型庫中實體模型進行匹配和實例化,動態生成仿真實體模型并加載至平行仿真系統.

步驟2.戰場態勢超實時仿真預測.在平行仿真系統中,依據當前戰場態勢信息和作戰知識圖譜信息,對戰場軍事實體仿真模型進行超實時仿真,預測敵方實體目標可能的行為意圖,為指揮員展現未來戰場態勢可能結果.

步驟3.戰場態勢預測與反饋.將戰場態勢仿真推演結果實時反饋到實際指揮決策系統中,作戰指揮員依據推演態勢信息制定多套作戰方案,將作戰方案發送給平行仿真系統中.

步驟4.行動方案推演與評估.平行仿真系統接受作戰方案,依托平行仿真系統中推演引擎進行多套作戰方案的并行推演與分析評估,將作戰方案評估結果反饋到實際指揮決策支持系統中,為指揮員選擇最優行動方案提供參考依據和建議.

圖1 面向指揮決策支持的平行仿真系統運行概念

2.2 與現有仿真的區別

平行仿真系統改變了以往仿真系統的非主導地位,使其角色從被動到主動、靜態到動態、離線到在線,以至最后由從屬地位提高到相等的地位,使仿真成為指揮信息系統核心能力的組成部分.與現有分布式仿真與并行仿真相比,在運行模式、實體模型演化、仿真實體生成方式、模型逼真度要求等方面,存在以下不同:

1)運行模式不同

平行仿真引入了控制論思想,將仿真系統與實際系統構成一個閉環控制系統,開創了一種全新的仿真應用模式.仿真系統可以在執行時動態接收實際系統產生的在線數據或實際系統產生的存檔數據,并作出響應;反過來,仿真系統可以根據仿真的預測結果,動態控制實際系統的運作和運行.仿真系統與實際系統構成了一個大回路.傳統仿真則是一種自我封閉的小回路系統.

2)實體模型演化方式不同

平行仿真系統中各類仿真模型是依據實時獲取的戰場情報數據動態生成的,在運行過程中根據情報數據進行動態調整和修正,體現為模型動態演化特征,即模型、算法和平臺可以自適應選擇與重組,可根據分布式平臺的負載情況動態遷移計算模型.而傳統仿真系統中模型則預先構建,在運行過程中靜態不變,不具備自適應調制能力.

3)實體模型生成方式不同

平行仿真系統中戰場實體模型生成方式為動態生成,即依據戰場情報數據動態生成,通過情報數據與仿真模型庫中實體模型進行匹配,匹配結果存在某情報數據對應多個實體模型,并對實體模型進行實例化.在現有仿真系統中,戰場實體仿真模型在仿真開始后自動生成,不存在戰場實體對應著多個仿真模型.

4)模型逼真度要求不同

平行仿真系統對模型的準確度要求相對較低,能夠根據實時接收到的實際目標數據,進行模型的動態修正和調整,進而提高仿真的可信度.傳統的仿真則要求模型盡可能真實準確地逼近真實系統的實際行為,仿真結果的可信度依賴于模型準確度,一般采用改進模型的方法提高仿真可信度.

表1給出平行仿真與分布式/并行仿真區別.

3 面向指揮決策支持的平行仿真系統總體架構

3.1 平行仿真系統體系架構

根據平行仿真系統的概念,提出了面向指揮決策支持的平行仿真系統的組成架構,為開展平行仿真系統的構建、模型修正以及基于平行仿真系統的戰場態勢預測研究提供支撐.

面向指揮決策支持的平行仿真系統的總體設計可分為6部分:戰場情報預處理模塊、實體模型動態生成與修正模塊、戰場態勢仿真模塊、方案仿真推演評估模塊、平行仿真推演引擎模塊與平行仿真系統運行支撐庫模塊,具體如圖2所示.

1)戰場情報預處理模塊

戰場情報預處理模塊將接收聯合戰場環境下陸海空電等情報數據,對各種專業情報與綜合情報進行解析,獲取戰場實體的目標特征數據.將解析后的目標特征數據進行格式化以及分類存儲,以支持戰場實體模型的動態生成.

2)實體模型動態生成與修正模塊

實體模型動態生成與修正模塊主要負責實體模型的實例化生成與模型的動態修正和調整.一方面,將戰場實體目標特征數據與仿真模型庫中實體模型進行匹配與關聯,并進行實體模型實例化,將實體模型加載到平行仿真系統中.另一方面,根據實時更新的戰場實體目標特征數據,進行實體模型在線修正,涵蓋3類任務:實體模型類別修正、實體模型參數調整、實體行為意圖識別結果的更新.

3)戰場態勢仿真模塊

戰場態勢仿真模塊主要負責對當前戰場態勢進行超實時仿真,預測未來戰場可能出現的態勢.同時,根據作戰知識圖譜預測敵方目標可能的行動計劃,通過對戰場實體仿真模型的超實時運行,對敵方實體的作戰意圖以及下一步的作戰行動進行推演,為指揮員提供戰場態勢預測結果.

表1 平行仿真與分布式/并行仿真區別

4)方案仿真推演評估模塊

方案仿真推演評估模塊主要負責對真實系統下達的多套方案進行戰前仿真推演,分析各種行動方案的優劣.同時,對戰中臨機生成的行動方案進行快速推演,為指揮員臨機選擇方案提供建議.與傳統仿真系統中作戰方案推演不同之處表現為:基于平行仿真系統的作戰方案推演主要強調與指揮信息系統的實時信息交互與反饋,依據當前戰場態勢進行仿真推演與評估,可同時支持在戰前和戰時階段進行作戰方案推演.而目前作戰方案推演模式,主要是在戰前階段對預先制定的作戰方案進行推演,基于靜態、歷史或非實時的數據對戰場未來趨勢進行預測,難以支持戰時階段作戰方案推演.

5)平行仿真推演引擎模塊

平行仿真推演引擎模塊作為驅動平行仿真系統中各類仿真模型運行的核心部件,提供仿真模型動態調度、仿真時間推進管理、仿真進程控制管理、事件管理、數據記錄管理、仿真克隆管理、仿真快照管理等功能,控制平行仿真系統的運行與仿真時間推進.

6)平行仿真系統運行支撐庫模塊

平行仿真系統運行支撐庫模塊為戰場實體模型動態修正、實體行為意圖預測、態勢多分支仿真推演、多分支作戰方案推演評估等提供基礎庫,包括歷史情報數據庫、實時情報庫、仿真模型庫、目標實體特征庫、作戰知識庫、作戰方案庫、交戰規則庫與評估模型庫等.

其中,作戰知識庫存儲戰場目標實體的行為規則、目標行動規律、目標運行狀態特征等知識,用于匹配與識別戰場目標實體行為意圖等,支撐仿真模型的構建與態勢預測;交戰規則庫存儲戰場對抗環境中紅藍雙方之間各種交戰行為的規則,包括對作戰手段和作戰方式的限制、交戰判定等規則.

3.2 平行仿真系統運行過程模型

1)戰場實體模型動態生成過程

戰場實體模型動態生成過程可描述為:在仿真模型庫中進行模型特征數據匹配,查找是否有該目標類型的模型,若無則針對該類實體新建模型,并將新模型加入模型庫;若有則從模型庫中調度相應模型類.對新建或調度的模型類實例化與設置模型參數,完成戰場實體模型的構建,加入平行仿真系統中,具體過程描述如圖3所示.

圖3 戰場實體模型動態生成

2)戰場實體模型動態修正流程

以實時接收的戰場目標情報數據為依據,對平行仿真系統中戰場目標實體模型進行一致性匹配度量,判斷實體模型的運行狀態與真實實體狀態之間的符合度,若兩者之間偏差較大,則說明目標實體的仿真模型需要修正.對戰場實體模型的修正分為3種,一是實體模型類別的修正,涉及實體模型的動態增加與刪除;二是實體模型參數的動態校準修正;三是戰場實體行為意圖識別更新,涵蓋意圖分支、意圖識別結果及其發生概率調整等,具體過程如圖4所示.

圖4 戰場實體模型動態修正

3)戰場態勢多分支仿真推演流程

首先,平行仿真系統依據當前戰場態勢和作戰知識圖譜,進行戰場實體行為意圖估計與識別,建立戰場實體的決策點,確定戰場態勢可能存在的多種分支.

其次,對戰場態勢多分支進行遍歷,針對每類分支采用并行仿真技術進行同步推演,且每隔一定周期判斷決策點觸發條件是否滿足.如果滿足,則根據分支數量,對當前仿真實例進行動態克隆,生成對應分支數量仿真副本,加入到平行仿真系統.

最后,在超實時仿真推進過程中,通過計算實時獲取的目標特征數據與仿真推演結果的符合度,判斷是否需要對多分支副本進行裁剪.

具體過程如圖5所示.

圖5 戰場態勢多分支仿真推演

4)平行仿真系統仿真推進流程

首先,當戰場實時情報初次輸入時,判斷戰場實體行為意圖分析環節中得出的未來意圖是否有多種可能.若僅有一種可能,平行仿真系統則基于事件時戳進行超實時仿真推進;若有多種未來可能,則當前仿真實例進行克隆,并按照各自意圖進行推進.

其次,當戰場實時情報再次輸入時,判斷當前該戰場目標實體運動方向與前次分析得出的推進意圖是否一致.若不一致,則平行仿真系統狀態需要回退至當前時刻,并重新進行戰場實體意圖分析,再根據新分析得出的意圖重新進行超實時仿真推進.若分析一致,表示前次意圖分析中有一支分析正確,與戰場實體運行方向一致,則平行仿真推進過程僅該意圖,刪除其余意圖,并在此時重新進行意圖分析,并以新得到的意圖表作為本次仿真推進的依據.

最后,重復上述過程,依次超實時仿真,在每次超實時仿真推進后,通過平行仿真引擎中數據存儲管理服務對當前仿真試驗數據進行保存.具體流程如圖6所示.

4 平行仿真系統構建關鍵技術

4.1 戰場實體模型動態生成技術

平行仿真系統中戰場實體模型的實例化是基于戰場情報驅動,基于情報數據匹配動態生成的戰場仿真實體.同時由于戰場情報不完備性,導致平行仿真系統中實體模型不確定與多樣性,以某類情報數據可能匹配出多類仿真模型.因此,戰場實體模型的動態生成是平行仿真系統構建需要解決的核心問題,其涉及的關鍵技術涵蓋:戰場實體模型的動態匹配技術、實體模型的聚合/解聚技術、實體模型的部署集成技術等.

4.2 平行仿真系統動態修正技術

平行仿真系統中戰場實體仿真模型的類型和參數將隨著實時情報數據進行實時動態修正和調整,實體模型將不斷精確化和動態調整,體現出模型的動態演化特性.平行仿真系統的動態修正內容涵蓋戰場實體模型的類型、實體模型的參數、平行仿真多分支裁剪等,需要通過構建仿真系統與真實戰場態勢的一致性度量模型,以及戰場實體行為和意圖分析的結果,實現對平行仿真系統動態更新.

1)戰場態勢多分支仿真推演技術

由于戰場情報不完備與態勢迷霧大等特點,導致對戰場態勢進行超實時仿真時,會出現大量分支,因此,為給作戰指揮員提供多種可能的未來戰場態勢信息,需要重點解決多分支仿真推演問題.通過分析預測敵方目標行動可能的決策點,依據歷史情報數據,計算各決策分支的可能性,采用仿真克隆技術對預測的多分支進行并行推演,提供仿真推演效率.同時,根據戰場實時態勢信息、目標歷史情報數據、作戰規則和戰術戰法等先驗知識,動態更新和裁剪不可行仿真分支,避免多分支組合發生爆炸現象.

2)戰場態勢超實時仿真技術

戰場態勢超實時仿真技術指基于當前戰場態勢信息,依據歷史情報數據和知識圖譜,對仿真實體可能行動選擇及其目標意圖進行分析與識別,對實體模型進行超實時仿真推演,展示未來戰場可能的態勢信息.該技術涉及以下內容:作戰知識圖譜構建、基于知識圖譜的實體行為意圖識別、超實時仿真時間管理以及超實時仿真回退技術等.

圖6 平行仿真系統仿真推進流程

5 結論

圍繞如何提升指揮決策支持系統的戰場態勢瞬息變化超前預測與快速決策能力,以更好輔助指揮員的作戰決策,本文在通用平行系統的基礎上,給出了面向指揮決策支持的平行仿真系統概念與總體架構,建立了平行仿真系統的運行過程模型.同時給出了平行仿真系統構建與運行的3大關鍵技術,為平行仿真系統的設計與實現提供了方法支撐.

本文從頂層設計的角度給出了面向指揮決策支持系統的組成、架構、運行過程與關鍵技術等,下一步將圍繞著如何支撐戰場態勢多分支仿真和行動方案推演角度,著重開展戰場實體模型動態聚合/解聚技術、實體模型與行為意圖動態修正和平行仿真推演引擎等方面研究.