裝備效能評估與建模仿真技術

焦 遜，岳秀清，常 凱

(軍事科學院系統工程研究院，北京 100083)

0 引言

裝備系統效能評估是進行武器裝備體系發展戰略研究的基礎。未來高技術戰爭，影響武器裝備系統效能發揮的因素越來越多,裝備系統效能評估的復雜性與不確定性,使裝備系統效能評估從單純依靠運籌學方法向運籌學方法與系統工程方法等綜合運用不斷發展。本文首先從效能評估的概念出發，介紹了目前裝備系統效能評估過程、方法以及國外典型的仿真評估系統。在當前的復雜電磁環境下，建模與仿真面臨著數據量大、不確定因素多等挑戰，總結提出了跨層次(平臺)仿真建模技術和多分辨率(模型)仿真建模技術，為今后仿真分析評估系統建設提供了完整解決方案。

1 裝備系統效能評估概念

目前,在學術界和工業界對“裝備系統效能”的定義中,有影響的主要有以下幾種：

美國業界認為，裝備系統效能是在規定條件下使用裝備系統時,系統在規定時間內滿足作戰要求的概率；裝備系統能在規定條件下和在規定時間內完成規定任務之程度的指標；裝備系統在規定條件下和在規定時間內滿足作戰需要的概率等。

我國學術界認為，裝備系統作戰效能主要體現在裝備完成預定作戰任務能力的大?。辉谝幎ǖ臈l件下達到規定使用目標的能力；從系統工程角度來看，裝備系統效能還應包括其可用度、可靠度和保障度等。

綜合國內外關于“裝備系統效能”的定義，我們認為電子對抗裝備系統效能評估是指利用一切可能的手段定量計算和評估電子對抗裝備系統或作戰行動在執行特定作戰任務時所能達到的預期可能目標的程度。對電子對抗裝備系統效能進行評估，不僅要綜合運用現有的系統效能評估方法，而且也需要創新性運用裝備系統效能評估新方法。

2 裝備系統效能評估過程及方法

目前，我裝備系統效能評估可概括為四個階段和四種方法。

四個階段主要包括：1)論證階段的科研試驗。主要利用軍內論證科研條件，采用數字仿真和半實物仿真等手段，進行裝備的作戰效能和體制試驗。2)樣機科研實驗。主要利用模擬目標在外場對裝備作用距離、干擾能力等戰術指標和性能進行檢驗。3)裝備定型試驗。主要采用靜態方法進行技術指標檢驗及外場動態試驗，對裝備戰術指標、作戰效能等進行檢驗評估。4)部隊演習演練。主要采用實裝對抗和模擬對抗相結合的方式，對裝備進行綜合作戰效能評估。

四種方法主要包括：1)仿真試驗法。仿真試驗包括數字仿真試驗和半實物仿真試驗，其中：數字仿真試驗主要利用構建的系統模型進行作戰試驗，經統計處理后得出效能指標結果；半實物仿真試驗與數字仿真試驗在功能上形成互補，主要通過產生信號級仿真數據，檢驗和驗證裝備作用機理的有效性和真實作用效果。2)等效試驗法。一般用于真實對抗目標無法獲取、試驗場景難以保證等情況下，通過在試驗或演習中搭建的等效縮比場景，對裝備的關鍵指標和作戰能力進行實測，結合對抗目標的技術參數和裝備使用特點，利用實測數據進行理論推算，最終得出裝備在近似實戰條件下的能力。3)實裝試驗法。主要利用與真實對抗目標相同的裝備作為配試目標，對武器裝備的性能進行實際測試。4)實兵演練法。主要結合人員因素對武器裝備的綜合效能進行評估檢驗，重點關注裝備在“人”的因素下綜合發揮出的效能。

美軍裝備系統效能評估中的關鍵環節包括：研制試驗鑒定檢驗、實際目標對抗試驗鑒定檢驗和作戰試驗鑒定檢驗。通過分析對比可以發現，我軍和美軍的裝備效能評估方法和過程基本相類似，而且鑒于武器裝備系統的復雜性、試驗條件和環境的苛刻性以及作戰效果的難以檢測性等，通常都在不同試驗與評估階段將作戰仿真與建模技術、作戰仿真實驗方法作為效能評估檢驗的重要手段。

3 典型軍事仿真分析評估系統

現代仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一種綜合性技術，其主要優勢在于具有可控制性、無破壞性、耗費小、允許多次重復等。目前，世界各國均已認識到仿真技術在軍事領域中的巨大作用，將軍用仿真領域的競爭視為現代戰爭的“超前智能較量”，并把建模與仿真看作“軍隊和經費效率的倍增器”以及影響國家安全和繁榮的關鍵技術之一。

3.1 國外軍事仿真系統

目前，美軍有大量實用化的作戰仿真系統。例如，聯合作戰仿真系統(JWARS)主要用于戰役級的作戰仿真，是一個專業化水準很高的推演仿真系統，包括作戰計劃與實施、兵力評估研究、系統采辦分析及概念與條令開發等；聯合仿真系統(JSIMS)可以對國家戰略、聯合作戰乃至戰術層內容(包括兵力機動、部署、作戰、補給等任務)進行仿真；聯合建模與仿真系統(JMASS)則是應用于戰術和工程設計層次上的建模與仿真系統；聯合戰役級仿真系統(JTLS)是計算機輔助的交互式模擬系統，最多可模擬10方參加的空戰、海戰、陸戰、后勤、特種部隊作戰和情報支援等行動；聯合半自動兵力系統(JSAF)是美軍聯合作戰試驗和訓練的重要工具，支持測試與評估、訓練、試驗等多種應用；戰士仿真系統(WARSIM 2000)是美陸軍的推演訓練仿真系統，能夠為在聯合作戰或合成作戰的作戰想定下進行訓練的營到戰區級的指揮員和參謀人員提供較為真實的仿真訓練環境；擴展防空仿真系統(EADSIM)是一個集分析、訓練和作戰規劃于一體的多功能仿真系統。

3.2 軍事仿真系統分類與設計

軍事仿真系統按用途可分為測試仿真、訓練仿真和分析仿真等。測試仿真主要用于裝備采辦，特別是作戰環境下武器裝備的鑒定定型和新概念武器先期技術演示等。訓練仿真又可分為裝備使用訓練和指揮人員訓練，主要用于訓練人與裝備的有機結合，提升部隊戰斗力。分析仿真主要用于新概念武器與技術應用研究、作戰理論研究、條令/條例制定、部隊戰斗力評估、作戰方案優化與作戰計劃分析評估、武器裝備體系論證和戰技指標論證等。

軍事仿真分析評估系統是軍事仿真系統的重要內容，按照完成的使命空間，可分為：用于粗粒度模型作戰方案推演優化(如探索性分析仿真)，用于作戰計劃的檢驗、統計評估與分析，用于在線輔助決策支撐、軍事能力建設(如人事、裝備、保障體系等)。因此，在仿真系統設計時，首先必須面向對象建模，從原來的可靜態配置到既可靜態配置又可動態組合，這也是從根本上確保了仿真組件的即插即用；其次要考慮仿真分析系統互操作內容，包括人-機互操作、機-機互操作、作戰實體之間的互操作等；最后，為滿足仿真運行效率，還要考慮高速計算的要求。

軍事仿真分析評估系統的設計內容主要包括：仿真系統框架、仿真引擎和仿真實體(即仿真模型、數據等)。仿真系統框架可分為集中式、分布式等，需同時具有可靠性、擴展性、兼容性等；仿真引擎必須按使用需求分類進行設計，分為連續仿真、離散仿真、混合仿真、認知推理仿真；仿真實體主要包括按功能分類的模型體系，如指控模型、裝備模型、設施模型、環境模型和評估模型等。軍事仿真分析評估系統集成運行結構如圖1所示。

圖1 軍事仿真分析評估系統集成運行結構示意圖

4 建模與仿真技術

4.1 面臨挑戰

盡管建模與仿真技術已在軍事領域得到廣泛應用，但具有史無前例規模的復雜系統的出現、數據如洪水泛濫般增長、基礎計算平臺的革命性變化等仍給建模與仿真帶來了巨大的挑戰。主要表現在：一是概念建模方面；二是計算方面；三是不確定性方面；四是建模與仿真重用方面。

裝備效能仿真模型在仿真系統中的核心地位越來越重要。圍繞仿真分析評估系統的應用，已形成不同層次的仿真模型。按照模型分辨率由高到低的順序，可將裝備效能仿真模型劃分為四個層次：工程仿真層、交戰仿真層、使命仿真層和體系仿真層。

以美軍的聯合作戰仿真系統(JWARS)和聯合建模與仿真系統(JMASS)為例，為了檢驗和評估武器系統在體系條件下的作戰效能，通常兩個系統會采取聯合仿真運行方式，相互支持，滿足不同層次、不同分辨率的分析與評估需求。在作戰訓練中，聯合沖突戰術仿真系統(JCATS)與聯合戰役級仿真系統(JTLS)進行HLA聯邦集成，構成JTLS-JCATS聯邦以支持應急響應訓練等。

4.2 跨層次仿真建模技術

跨層次仿真建模的基本思想可以歸納為分層次仿真與跨層次聚合。分層次仿真是指將當前所研究的復雜仿真評估系統由高到低分解為若干仿真層次，并建立高層仿真對低層仿真的指導關系。跨層次聚合則是指將低層仿真的結果聚合到高層仿真中，并建立低層仿真對高層仿真的支持關系。

圖2 裝備系統效能評估仿真跨層次建模示意圖

跨層次仿真建模技術的核心是建構、解構、擬合與聚合四個活動，它們之間相互依賴——解構建立在建構基礎上，擬合建立在解構基礎上，聚合則建立在擬合基礎上。通過建構、解構、擬合、聚合的遞進過程，一方面可降低模型復雜度，提高對多維不確定性空間的探索性，有利于促進方案的穩健設計；另一方面可建立不同層次的仿真系統間的有機聯系，使得高層次仿真約束低層次仿真，低層次仿真反過來又支撐高層次仿真。

圖3給出了在工程仿真、專題仿真、交戰仿真、使命仿真與戰役仿真等層次間應用跨層次仿真建模技術的參考模型實例。圖中既表達了特定仿真層次上的“建模—實驗—評估”過程，也表達了跨仿真層次間的“建構—解構—擬合—聚合”過程。圖中SES表示系統實體結構，MF表示模型框架，EF表示實驗框架。

4.3 多分辨率仿真建模技術

以復雜電磁環境下裝備作戰能力檢驗評估仿真為例，論述基于元模型的多分辨率統一建模技術。復雜電磁環境下的元模型建模參考框架，如圖4所示。

圖3 跨層次仿真建模技術參考模型實例

圖4 復雜電磁環境的元模型建模參考框架

通過確定需要仿真的裝備體系對抗環境范圍及組成，并對其進行描述，提取出關注的模型(屬性、行為等)及交互(約束)，最終對裝備體系對抗作戰環境進行元模型建模，即實現模型、屬性、行為、交互和約束等的元模型建模。利用元模型建模參考框架，可獲知建立元模型的基本需求和過程，也為元模型的建模粒度提供了指導?；谠Ｐ偷姆抡娼＜夹g，有利于仿真模型的統一開發與集成，提高了模型可重用性。

為滿足不同層級的仿真需求，復雜電磁環境下仿真建模粒度可分為能力級模型、功能級模型和信號級模型。

能力級模型以分解的元模型為基礎，是一組頂層的、概念化的仿真模型，以裝備系統/體系的整體作戰能力要素為表征，同時附帶主要戰技參數的形式呈現。該層級仿真建?？扇娣从逞b備作戰能力，又易于擴展，其主要用于支持作戰概念設計、戰法理論研究和裝備頂層設計等。能力級模型通?？刹扇”砀窕祷脑O計，以XML可擴展的語言進行描述。

功能級模型是對客觀實體的功能抽象，同樣以分解的元模型為基礎，以邏輯和數學表達的方式來描述元模型系統功能及其相互關系，整體體現元模型的外在功能和交互影響。復雜電磁環境下的功能級仿真按元模型框架可分為實體元模型、指揮元模型、行為元模型和環境元模型等。

信號級模型是以裝備輻射的電磁信號和信號處理模塊(元模型)為建模對象，通過對信號參數化描述、信號PDW描述，最終以數字化中頻輸出(如圖5所示)來實現對信號的產生和處理過程，主要用于裝備局部、細粒度的信號處理、抗干擾性能和復雜電磁環境適應性等性能仿真研究。

圖5 復雜電磁環境信號級仿真建模示意圖

5 結束語

著眼未來實戰化訓練和裝備發展需求，需加強軍用仿真系統和仿真技術體系的頂層規劃與設計，盡快論證和確立軍用仿真系統的發展總體規劃，并結合不同軍種和應用層次的作戰訓練、裝備發展需要，制定預研、研制、改造及配套的仿真系統方案與研制計劃，在此基礎上開展軍用仿真技術體系梳理，明確軍用仿真技術體系架構、技術方向和發展重點等，促進仿真技術體系的快速建立。同時還需完善軍用仿真系統的研制開發標準規范，為系統的互聯互通奠定基礎。

從電子對抗裝備能力評估仿真建模技術角度，應加強仿真支撐技術研究與應用，構建綜合一體化仿真環境，進一步加強裝備多分辨率建模技術、復雜電磁環境建模技術、行為建模技術、仿真分析評估技術、虛擬現實技術、人工智能技術、嵌入式仿真技術等軍用仿真支撐技術，盡快構建可聯合內外靶場、多軍兵種適用，集合裝備試驗、作戰訓練和效能評估于一體化的綜合仿真實驗/試驗環境?！?/p>