美軍建模與仿真發展及其啟示

梁葆華 張 鵬

（中國飛行試驗研究院，西安 720089）

一、引 言

仿真是指利用模型代替實際或構想系統進行訓練、分析、論證、試驗、實驗、計劃的方法、技術、活動。建模與仿真和試驗鑒定過程的融合可使傳統的試驗模式向“模型—試驗—模型”模式轉變。使用建模仿真手段可預測系統性能和效能，通過真實試驗數據對建模仿真進行驗證確認和迭代完善，再使用經過認證的模型和仿真外推實裝實彈試驗結果，可支持、優化和拓展試驗鑒定，加速開發和降低風險費用，優化試驗鑒定計劃和識別實裝實彈試驗鑒定的關鍵或高風險問題，破解因費用或安全等限制無法實裝實彈試驗鑒定的難題，模擬威脅目標環境和對抗條件，提供激勵、預測或外推系統極限條件的包絡性能，深化認識理解系統的特點和規律。美國國防部2007年發布更新版采辦指示5000.01，規定試驗鑒定和建模仿真貫穿于采辦的全過程及開展獨立作戰試驗鑒定，2015年發布的更新版采辦指令5000.02明確采辦過程采用系統工程方法、使用經國防情報局（Defense Intelligence Agency, DIA）驗證確認的逼真威脅模型和仿真進行作戰試驗鑒定，采用科學的試驗方法、統計分析、調查設計，早介入、早計劃、早試驗、早發現和解決問題，重點測試系統和體系的關鍵技術和性能參數、互操作性、可靠性、網絡信息安全，為采辦決策提供持續試驗鑒定和準確可靠數據的支持，降低成本和風險，并縮短周期。隨著面向實戰考核要求的不斷明晰，試驗鑒定手段正在由外場主導、實兵實裝向仿真先行、虛實融合轉變。建模與仿真愈發成為制約試驗鑒定體系完善發展的重要因素，本文針對建模仿真相關領域及問題開展了相關研究工作。

二、美軍建模與仿真發展概況

（一）完善的管理組織機構

美國國防部鼓勵在整個裝備采辦壽命周期內將建模與仿真作為關鍵工具，要求所有建模與仿真（M&S）在采辦過程中使用都要進行校核、驗證和確認，由官方認證模型與仿真的使用，并要求通過試驗與鑒定來驗證。美國國防部陸續建立了許多從事建模與仿真研究的機構，包括軍隊系統內部的機構和地方獨立性研究機構，如圖1所示。

圖1　美軍建模與仿真管理的總體架構

（二）多類型的建模與仿真體系

建模與仿真包括數字仿真、人在回路作戰模擬、硬件在回路仿真、試驗臺、混合型實驗室模擬器及樣機，是由構造仿真、虛擬仿真和實體仿真三部分組成的統一體，如圖2所示，涵蓋了從戰區/戰役仿真到工程級仿真等各個層級。一個項目可能會用到一組模型和仿真。模型的可信性通過驗證與確認（VV&A）標準來確定。

圖2　建模仿真類型

（三）全生命周期技術支持

建模與仿真在試驗設計和規劃階段、試驗執行階段、試驗分析及總結階段均能發揮重要的作用。在概念階段，建模和仿真構成設計權衡的重要依據。例如，由美國洛克希德·馬丁公司和波音公司聯合研制的單座雙發高隱身性第五代戰斗機F-22進行實彈易損性試驗過程中，在試驗前預測時就大量使用了一種機械變形模型進行仿真預測，加快了試驗進度并節省約10萬美元。隨著系統從部件級向外場部署的發展，建模和仿真可用來提供部件和接口的通用模型，用于系統級設計和試驗，尤其在識別需要試驗的關鍵系統或能力方面可以發揮重要的作用，從而減小試驗矩陣；在飛行試驗階段，建模與仿真可用于飛行前的輔助設計與訓練評估、預測試驗結果和優化試驗條件、規劃試驗與鑒定的評定過程，試驗時進行系統性能的實時比較與評估，甚至可以選擇性地替代某些資源緊張、高成本的作戰試驗。在分析試驗結果時，可對數據與利用規劃過程中早期使用的仿真預測結果進行比對，因此，實際試驗結果驗證了仿真，仿真也驗證了試驗結果，從而形成了“預測—試驗—比較”的試驗模式。建模與仿真在試驗與鑒定中的應用如圖3所示。

（四）統一化的模型庫

美軍試驗鑒定體系使用統一模型庫進行模擬仿真和數值分析，達到優化試驗方案和計劃、預測試飛結果、監控和判別試飛進程、營造和補充試飛模擬環境的目的。由美國洛克希德·馬丁公司設計及生產的單座單發戰斗攻擊機F-35，在其試驗鑒定過程中，已具有完備的從設備級到體系級的模型支持，各種模型和仿真多達200多種，直接支持完成了17%的試驗項目，從而使試驗周期、試驗成本和試驗風險大大降低。美軍建模與仿真體系架構如圖4所示。

三、我國建模仿真發展存在問題及原因分析

圖3　建模與仿真在試驗與鑒定中的應用

圖4　美軍建模與仿真體系架構

我國軍用仿真系統直接支持了以精確打擊武器為代表的各類武器裝備研制、試驗及定型，推動了裝備體系論證逐步進入科學、量化時代，并正在形成基地化、網絡化、聯合化對抗模擬訓練能力，作戰仿真系統建設初見成效。但是，作戰仿真系統仍存在不能滿足實戰需要、尚未聯合貫通形成體系能力等問題。

一是軍用仿真系統建設與應用未能形成良好閉環。從仿真的基本原理和科學規律來講，一切仿真活動都包含“建模、仿真、比對驗證”這一閉環，只有從需求出發，以知識為基礎，以建模為核心，將仿真結果與真實數據進行比對驗證，形成閉環，迭代完善，仿真才可信、管用、好用。

二是不同領域仿真系統未能聯合貫通形成體系能力。未來聯合作戰從本質上要求支撐裝備論證、研制、試驗鑒定、訓練、作戰分析的仿真系統具有內在一體、相互銜接、聯合貫通的特點。

三是缺乏管理協調和持續發展。裝備論證、研制、試驗鑒定、訓練、作戰、保障部門各自為政，支撐關系不順，且缺乏協調，導致軍用仿真系統分散孤立，無法聯通；對仿真資源共享不夠，難以開展多領域、多層次的聯合仿真；對仿真系統應用沒有明確的條令和制度約束，系統建設與應用未能形成相互促進的良性發展機制。

四是缺乏統籌規劃和體系設計及創新平臺支持。不同領域的軍用仿真系統，其能力水平有差異；對仿真系統體系結構與集成、復雜系統和軍事領域知識建模、高性能仿真、VVA、互操作、重用、標準規范等基礎問題和關鍵技術研究不夠，缺乏公共基礎平臺和權威可信的基礎模型和數據積累，互聯互通困難。

四、我國建模與仿真建設啟示

軍用仿真系統建設與應用應在相關管理部門統一領導下，遵循“應用帶系統、系統帶技術、技術促系統、系統促應用”的規律，以實戰需求為牽引，統籌規劃，設計應用，建設體系，深度閉環，聯合仿真；強化自主創新和產品意識，推進創新模式和創新體系建設，以創新謀超越；開展試點工程，探索聯通之路，建設示范系統，帶動全面發展；改革體制機制，加強管理協調，以聯合求變革、謀發展、保打贏。具體措施如下：

（一）開展聯合仿真體系設計

圍繞聯合作戰的實戰需求，瞄準“裝備能打仗、訓練為打仗、設計打勝仗”的目標，以“聯合仿真支撐聯合作戰”為指導思想，開展一體化軍用仿真應用設計和體系化軍用仿真系統建設，分析不同類型仿真應用的內在聯系和支撐關系，建立統一的技術體制和標準體系，實現軍用仿真系統之間的橫向聯合貫通、縱向牽引支撐及與實際裝備無縫集成。

一是緊貼實戰，明確建設重點。建立準確有效的需求分析和管理過程，根據軍事戰略、潛在威脅和重點作戰方向，重點支撐精確打擊武器、空間和海洋武器裝備、無人和智能系統、信息系統裝備發展，聯合任務和指揮訓練，聯合空天、信息作戰需求。

二是統一藍本，設計仿真應用。根據“內在一致、相互支撐”的要求，依據聯合作戰需求開展軍事想定和實驗設計，相同層次的仿真共用軍事想定和模型，通過改變實驗變量滿足不同應用需求，高層的軍事想定和實驗設計通過分解為低層提供輸入，后者為前者反饋仿真結果。按照需求歸并、功能集約原則，開展一體化應用設計，以聯合戰役對抗仿真系統支撐高層指揮決策訓練、聯合作戰分析和裝備體系論證，以分布式聯合戰術對抗仿真系統支撐任務協同訓練、戰術指揮訓練、戰術方案分析、裝備論證。試驗鑒定和裝備論證仿真為訓練和作戰仿真提供裝備作戰效能數據，后者對前者提需求；低層訓練和作戰仿真為高層訓練和作戰仿真提供戰損統計數據，高層對低層提出需求。

三是統籌規劃，設計系統體系。構建從聯合作戰到裝備系統的“金字塔”式軍用仿真系統體系，從頂層上規劃各類各級仿真系統建設目標與相互支撐關系，系統分析其功能定位、接口關系，通過數據模型標準和集成體系結構，實現相同層次的仿真系統互操作，通過離線數據交換或在線實時交互，實現不同層次的仿真系統互操作。以體系對抗模型為重點，建立任務推演和聯合戰役對抗仿真系統，具備人在回路推演和探索性分析能力；以各類訓練模擬器和計算機生成兵力為核心，建立聯合戰術對抗仿真系統，具備多人實時任務協同訓練、戰術指揮訓練、戰術方案分析、裝備系統論證能力；構建“無圖紙”分布式聯合產品設計研發環境和分布式聯合試驗環境，通過數字化產品描述和“無邊界靶場”技術，形成貫通裝備研制與作戰試驗鑒定的軍地一體仿真環境；發展嵌入式仿真系統，建立仿真系統嵌入訓練、嵌入作戰、嵌入全軍網絡信息體系。

四是資源共享，設計技術體系。建立全軍仿真資源中心，制定技術標準，提供共用的數據、模型、服務，使用經過認證的模型和數據，支持仿真系統的共建共享，通過交互和反饋促進軍用仿真系統建設與應用形成深度閉環和良性循環。

（二）推進自主創新

自主創新不足是我國軍用仿真系統建設、發展與應用的一大弱點。圍繞聯合仿真的基礎理論、關鍵技術、系統、應用、管理開展全方位創新，以仿真科學研究和知識創造為主體，構建“產、學、研、用”一體化的創新體系和生態環境。

一是推進基礎科學創新。軍用仿真系統建設涉及多學科專業領域，但軍用仿真技術應聚力重點解決共性、基礎、關鍵問題，包括仿真系統體系結構與集成、復雜系統建模、高性能仿真、VVA、互操作、重用，這也是制約外軍仿真技術發展和系統應用的瓶頸問題，是軍用仿真原始創新的制高點。

二是加速融合集成創新。仿真的價值源于知識融合而產生新的知識，依托知識融合和體系能力的集成創新是當前軍用仿真創新的主體。剖析借鑒已有先進仿真系統技術，跟蹤在線實時決策、嵌入式仿真等前沿領域，對國內外已有成果進行充分消化吸收再創新，仍是軍用仿真創新的重要、有效、快捷途徑。

三是保護利益，激勵創新。以人為本，最大化地體現知識創新者的價值和利益，建立和發布軍用仿真知識創新和成果應用目錄，對自主創新及產品實施政策傾斜，明晰權益歸屬，激勵全體仿真從業人員自主創新。

（三） 建設試點示范

針對典型、急需的聯合作戰應用需求，以試點工程帶動聯合仿真技術發展、科學問題研究和知識創新，以示范系統促進聯合仿真系統建設與應用的全面發展。

一是圍繞未來作戰需求。重點建設復雜電磁環境下的精確打擊武器研制和作戰效能評估仿真示范系統。

二是突破仿真發展中的關鍵技術。重點攻克云仿真、仿真模型與數據標準、仿真資源庫與重用等關鍵技術，實現基于云計算的聯合仿真，支持仿真資源共享。

三是建立大數據服務中心。深入開展試飛數據挖掘及結構化設計，充分利用試飛數據反饋前期仿真及應用，進行個性化輸出設計，為不同應用提供真實試飛數據，反復迭代驗證模型，再通過模型建立深化虛擬試飛技術的研究。

（四）加強管理協調

建立全軍軍用仿真系統建設與應用的管理和協調機構，明晰職責，建立機制，加強協調，促進聯合。

一是建立管理協調機構。以軍隊體制編制改革調整為契機，組建由各軍兵種及作戰、訓練、論證、研制、鑒定等業務部門主管領導和專家組成的仿真指導委員會，建立全軍軍用仿真系統建設與應用的管理與協調機構，從整體上謀劃指導全軍仿真系統發展，協調全軍仿真系統的頂層設計、規劃論證、建設實施、考核評估、推廣應用及跨部門的仿真事務，包括：管理和追蹤實戰需求，開展發展戰略研究，確定重點應用和優先發展方向，制定軍用仿真系統建設規劃和發展路線圖，統一投入渠道和項目審批路徑，實行全過程項目管理；明確各部門的職能職責、任務分工和銜接支撐關系，協調多部門聯合開展仿真活動；制定并推行軍用仿真標準，將模型和數據作為仿真資產進行管理，開展應用評價。

二是建立健全機制。公開發布項目需求和指南，軍民融合，引入競爭，將重點仿真系統列為裝備持續投入滾動建設規劃；建立仿真模型、數據、系統的權威認證和信息發布機制，促進共享；明確權益歸屬，建立仿真產品的測試驗收認證規范和質量管理標準，加速仿真成果向產品轉化，推行適度保護的產業政策，推動仿真產業發展；開展仿真投資效益評估，建立科學有效的評價辦法與獎懲問責機制，對項目中止、淘汰和持續投入做出明確規定。

五、結束語

仿真系統是國防能力建設的關鍵支撐，其應用貫穿于裝備論證、研制、試驗鑒定、訓練、作戰分析的全過程，是生成戰斗力的“加速器”，是推進軍事變革、指導軍事實踐的“實驗室”。仿真的試驗和驗證過程，已成為裝備研制和未來裝備發展不可缺少的環節；仿真的學習和認知，成為作戰訓練的有效手段；仿真的實驗和預測，成為研究聯合作戰問題和設計未來戰爭的重要依托。仿真系統正逐步融入裝備、訓練和作戰，正在成為一種具有信息系統特征、融合并產生知識的新型特殊裝備，是打贏未來戰爭的重要保障和直接戰斗力。所以，需要共同關注，并共同推動我園建模與仿真系統的快速發展。