武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)研究

陸志灃,洪澤華,張 勵(lì),董 晨,錢(qián)曉超,宮 琳

(1.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100190)

0 引言

以信息技術(shù)為核心的新軍事變革推動(dòng)著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)轉(zhuǎn)變,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)主要模式不再是以往單一軍兵種的作戰(zhàn),而是多軍兵種協(xié)同的體系作戰(zhàn)。現(xiàn)代作戰(zhàn)體系將信息系統(tǒng)與武器系統(tǒng)高度融合,不斷提升基于信息化的體系作戰(zhàn)能力,形成陸、海、空、天、電、網(wǎng)和心理、認(rèn)知一體化的體系對(duì)抗模式。關(guān)于體系,目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義。國(guó)際上一般認(rèn)為體系是由系統(tǒng)組成的系統(tǒng),即system of systems(SoS),family of systems(FoS),super systems,meta systems等[1-2]。本文認(rèn)為武器裝備體系是針對(duì)體系對(duì)抗任務(wù),由相輔相成、相互制約的各種武器裝備構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)作戰(zhàn)整體。武器裝備體系是一種復(fù)雜的系統(tǒng),體系與組成系統(tǒng)及作戰(zhàn)環(huán)境之間交互關(guān)系復(fù)雜,具有非線性、涌現(xiàn)性、博弈性等特點(diǎn)[2-3]。典型的武器裝備體系,如重點(diǎn)區(qū)域偵察監(jiān)視體系、彈道導(dǎo)彈防御武器裝備體系、艦艇編隊(duì)聯(lián)合防空武器裝備體系、陣地防御武器裝備體系、太空攻防武器裝備體系等。武器裝備體系研究與實(shí)施對(duì)促進(jìn)裝備體系技術(shù)發(fā)展、裝備論證與建設(shè)、體系作戰(zhàn)能力提升等有著重大意義。

武器裝備體系研究主要有3種手段：理論研究、實(shí)驗(yàn)研究和仿真研究[4]。其中,體系仿真由于其具有低成本、可重復(fù)、可考核邊界、極限、復(fù)雜條件下作戰(zhàn)指標(biāo)等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),已成為武器裝備體系研究的重要技術(shù)手段[5-8,12]。體系仿真技術(shù)是以系統(tǒng)科學(xué)、軍事科學(xué)、信息科學(xué),以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用相關(guān)的仿真器等為工具,對(duì)敵我雙方對(duì)抗過(guò)程中的武器裝備系統(tǒng)的功能性能、交互關(guān)系、行為模式、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及其效應(yīng)等進(jìn)行模擬,以獲取武器裝備體系對(duì)抗結(jié)果的一項(xiàng)綜合性、交叉性技術(shù)。體系仿真技術(shù)是武器裝備體系化論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、分析、訓(xùn)練、運(yùn)用等應(yīng)用領(lǐng)域的重要技術(shù)。

本文梳理了發(fā)展武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)的需求,介紹了國(guó)內(nèi)外武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并從體系仿真的建模技術(shù)、支撐技術(shù)、工程應(yīng)用技術(shù)等方面詳細(xì)論述主要研究方向及相關(guān)研究成果。

1 武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)需求

1.1 武器裝備體系建模技術(shù)需求

模型是軍事實(shí)體在仿真系統(tǒng)中的數(shù)字化映射,是武器裝備體系仿真的重要基礎(chǔ)[9]。當(dāng)前,建模方法已實(shí)現(xiàn)從封閉的簡(jiǎn)單系統(tǒng)建模發(fā)展到開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)建模、從自適應(yīng)性低的靜態(tài)建模發(fā)展到基于多領(lǐng)域、多視圖、多粒度的動(dòng)態(tài)建模。武器裝備體系是一種動(dòng)態(tài)變化的開(kāi)放系統(tǒng),在體系對(duì)抗仿真過(guò)程中,要體現(xiàn)體系的非線性、涌現(xiàn)性、自適應(yīng)、對(duì)抗雙方博弈等特點(diǎn),隨著人工智能技術(shù)在裝備中的應(yīng)用,還應(yīng)反映體系的智能性,這對(duì)武器裝備體系建模提出了更多的方法與技術(shù)需求,主要包括：1)體系不確定性/涌現(xiàn)性建模技術(shù);2)裝備體系智能化建模技術(shù);3)自適應(yīng)智能指控、智能規(guī)劃決策建模技術(shù);4)作戰(zhàn)體系組織行為建模技術(shù);5)類(lèi)腦認(rèn)知建模技術(shù);6)基于大數(shù)據(jù)的建模技術(shù);7)多分辨率柔性可配置的建模技術(shù);8)網(wǎng)絡(luò)信息體系建模技術(shù);9)新概念裝備建模技術(shù);10)新型作戰(zhàn)空間建模技術(shù)。

1.2 武器裝備體系仿真支撐技術(shù)需求

體系仿真支撐技術(shù)以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及仿真和信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為核心技術(shù)框架,為體系仿真系統(tǒng)的建模、集成、運(yùn)行、評(píng)估等全壽命周期活動(dòng)提供技術(shù)、工具等基礎(chǔ)支撐。

多軍兵種聯(lián)合,多領(lǐng)域、跨學(xué)科的融合作戰(zhàn)是體系作戰(zhàn)的重要特征。因而,從技術(shù)角度來(lái)看,體系仿真支撐技術(shù)需關(guān)注高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真支撐技術(shù)和跨域/異構(gòu)聯(lián)合仿真支撐技術(shù)。

體系對(duì)抗仿真過(guò)程涉及作戰(zhàn)實(shí)體不斷增多,信息流程關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,仿真評(píng)估置信度要求越來(lái)越高,使得建模仿真、仿真運(yùn)行模型調(diào)度更為復(fù)雜,且評(píng)估分析運(yùn)行樣本數(shù)量龐大,對(duì)高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真技術(shù)需求尤為迫切。該技術(shù)具體有以下特點(diǎn)：1)能以不同加速比進(jìn)行大規(guī)模/大樣本仿真試驗(yàn);2)可針對(duì)不同資源的任務(wù)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)的動(dòng)態(tài)遷移;3)可針對(duì)不同的評(píng)估任務(wù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)指標(biāo)體系生成以及在線自動(dòng)評(píng)估;4)可針對(duì)不同的仿真需求,提供訂制化的仿真資源支持。高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真需要研究的技術(shù)包括：多分辨率柔性可配置建模技術(shù)、體系仿真模型和數(shù)據(jù)資源綜合管理技術(shù)、服務(wù)化一體化體系仿真架構(gòu)、高性能分布并行一體化體系仿真引擎技術(shù)等。

集成來(lái)自不同領(lǐng)域、不同地點(diǎn)、不同類(lèi)型的仿真試驗(yàn)資源,構(gòu)建逼真的體系對(duì)抗環(huán)境,是高效、高置度開(kāi)展多領(lǐng)域、跨學(xué)科的融合作戰(zhàn)體系仿真的有效途徑。跨域/異構(gòu)聯(lián)合仿真支撐技術(shù)主要用于支撐異構(gòu)系統(tǒng)(如數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、靶場(chǎng)實(shí)裝等)、異構(gòu)仿真系統(tǒng)(如高級(jí)體系結(jié)構(gòu)HLA、試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)TENA、分布式交互仿真DIS等)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(如廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等)的互聯(lián)與互操作,實(shí)現(xiàn)仿真資源的綜合集成,本文所述“跨域”是指“跨領(lǐng)域”“跨學(xué)科”“跨地域”。當(dāng)前,跨域/異構(gòu)聯(lián)合仿真需要解決的技術(shù)主要包括：聯(lián)合仿真實(shí)時(shí)引擎技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)智能交互技術(shù)、遠(yuǎn)程聯(lián)合仿真信息安全技術(shù)、時(shí)空一致性高精度保持技術(shù)、多約束條件下聯(lián)合仿真實(shí)時(shí)互操作技術(shù)等。

1.3 國(guó)內(nèi)外武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)

1)體系仿真模型研究

在體系仿真模型研究方面,為了促進(jìn)模型重用與互操作,美軍提出了2類(lèi)目前廣泛應(yīng)用的軍用仿真模型開(kāi)發(fā)方法：基于單元(unit)的仿真模型描述方法和基于組件(component)的仿真模型描述方法。基于單元的仿真模型描述方法是從基本的軍事活動(dòng)出發(fā),如規(guī)劃、指揮、機(jī)動(dòng)、維保等,描述模型的屬性和功能。采用這類(lèi)模型體系的仿真平臺(tái)主要有作戰(zhàn)人員仿真系統(tǒng)(WARSIM2000)、聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)等;基于組件的仿真模型描述方法是從作戰(zhàn)裝備出發(fā),如飛機(jī)、艦船、武器系統(tǒng)等,描述模型的屬性和功能。采用該模型體系的仿真平臺(tái)主要有擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)、柔性分析建模與訓(xùn)練系統(tǒng)(FLAMES)等。在此基礎(chǔ)上,美軍構(gòu)建了權(quán)威的建模與仿真資源知識(shí)庫(kù),美國(guó)國(guó)防部建立了仿真資源網(wǎng)站,將其作為仿真資源庫(kù)的入口,美國(guó)陸軍、海軍、空軍等建模與仿真管理機(jī)關(guān)建立了10個(gè)仿真資源庫(kù)節(jié)點(diǎn),不同節(jié)點(diǎn)之間能夠彼此訪問(wèn),共享仿真資源信息,支持資源共享和重用。

國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域研究起步較晚,主要以跟蹤研究為主,但研究進(jìn)展較快。在模型體系設(shè)計(jì)、建模理論與方法研究方面接近國(guó)際先進(jìn)水平。裝備論證及研制單位,針對(duì)各自領(lǐng)域,構(gòu)建了較為完備的仿真模型庫(kù)。但在模型庫(kù)的建設(shè)過(guò)程中,未遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致模型的重用與互操作性差,難以實(shí)現(xiàn)資源共享。目前,我國(guó)正在推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定,積極建設(shè)國(guó)家級(jí)的仿真資源庫(kù),以促進(jìn)資源的共享。

2)體系仿真支撐技術(shù)研究

美軍體系仿真技術(shù)發(fā)展非常迅猛,開(kāi)發(fā)了任務(wù)級(jí)的擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)、戰(zhàn)役級(jí)的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)和聯(lián)合仿真系統(tǒng)(JSIMS)、戰(zhàn)區(qū)級(jí)的聯(lián)合戰(zhàn)區(qū)級(jí)仿真系統(tǒng)(JTLS)等商業(yè)化的仿真支撐軟件[10-11]。不斷發(fā)展聯(lián)合任務(wù)試驗(yàn)環(huán)境(JMETC),實(shí)現(xiàn)地域上分布的試驗(yàn)靶場(chǎng)、訓(xùn)練基地、實(shí)驗(yàn)室以及演習(xí)部隊(duì)互聯(lián),推動(dòng)了研究、試驗(yàn)、訓(xùn)練、評(píng)估一體化聯(lián)合仿真水平不斷提升。截至到目前,JMETC已實(shí)現(xiàn)分布在全美的110多個(gè)功能站點(diǎn)的互聯(lián)。支撐了“千年挑戰(zhàn)(MC)”“紅旗”“施里弗”等一系列軍演。在彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(MD)等裝備體系研制的全過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

國(guó)內(nèi),在引進(jìn)吸收的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了“擴(kuò)展仿真平臺(tái)(XSimStudio)”“數(shù)字武器開(kāi)發(fā)平臺(tái)(DWK)”“基于組件的一體化建模與仿真系統(tǒng)(CISE++)”等一些自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的體系對(duì)抗仿真平臺(tái),并逐步在航空、航天、船舶、兵器等國(guó)防工業(yè)部門(mén)中開(kāi)展應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在聯(lián)合仿真研究方面起步較晚。哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)HLA/TENA 相關(guān)規(guī)范及國(guó)內(nèi)靶場(chǎng)試驗(yàn)訓(xùn)練情況,提出HIT-TENA 體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用于分布式虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的搭建和相關(guān)仿真軟件的開(kāi)發(fā)。國(guó)防科技大學(xué)將TENA 通信中間件公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)(CORBA)替換為數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(KD-DDS),實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)仿真環(huán)境中各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)之間高效、高速的數(shù)據(jù)交互。

總體而言,國(guó)內(nèi)武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)還存在一定差距。一方面,建模方法難以滿(mǎn)足新概念體系作戰(zhàn)仿真需求,模型體系不完善,重用與互操作性差;另一方面,支撐平臺(tái)技術(shù)不適應(yīng)高效能、智能化、服務(wù)化體系仿真需求。因此,為滿(mǎn)足迫切的應(yīng)用及技術(shù)需求,必須開(kāi)展相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究,研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

2 武器裝備體系對(duì)抗仿真關(guān)鍵技術(shù)

武器裝備體系對(duì)抗仿真涉及若干關(guān)鍵技術(shù),針對(duì)武器裝備體系對(duì)抗仿真技術(shù)需求,重點(diǎn)闡述體系仿真建模技術(shù)、體系仿真支撐技術(shù)2 類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 體系仿真建模技術(shù)

體系仿真建模主要基于相似性原理、數(shù)據(jù)科學(xué)、人工智能等方法與技術(shù),對(duì)實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下紅藍(lán)雙方對(duì)抗過(guò)程中仿真對(duì)象的功能性能、交互關(guān)系、行為模式、頻譜特性、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及其效應(yīng)等進(jìn)行模擬,支撐體系對(duì)抗仿真與評(píng)估。體系仿真建模技術(shù)主要涉及建模理論與方法、實(shí)體建模、行為建模、復(fù)雜環(huán)境建模等方面。其中,基于大數(shù)據(jù)的建模技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境建模等是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1)基于大數(shù)據(jù)的武器裝備體系建模技術(shù)

武器裝備體系是一種復(fù)雜系統(tǒng),存在大量非線性、不可控、不確定、難以預(yù)知等難以量化的因素,不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,導(dǎo)致武器裝備體系高置信度建模越來(lái)越困難,甚至不可能。此外,武器裝備在全生命周期內(nèi)產(chǎn)生了反映其各方面特性的大量數(shù)據(jù),但相關(guān)數(shù)據(jù)利用率很低,數(shù)據(jù)價(jià)值未能充分挖掘。由于基于大數(shù)據(jù)的建模是一種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性建模,為“黑盒”建模方法,而非事件的因果性建模,因此,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段,對(duì)于提高存在大量非線性、不確定性特征的武器裝備體系的建模效率、置信度等具有較好的理論與應(yīng)用價(jià)值。圖1給出了一種基于大數(shù)據(jù)的建模思路。由圖可見(jiàn),基于大數(shù)據(jù)的建模首先以大數(shù)據(jù)技術(shù)為手段進(jìn)行數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)化存儲(chǔ)、降維、融合等建模仿真預(yù)處理;然后采用因素間關(guān)聯(lián)分析、聚類(lèi)分析等數(shù)據(jù)挖掘手段,建立研究對(duì)象與數(shù)據(jù)屬性項(xiàng)之間的關(guān)系,并篩選識(shí)別敏感指標(biāo),構(gòu)建針對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)的分層指標(biāo)體系;最后采用基于大數(shù)據(jù)的建模仿真和傳統(tǒng)的基于模型的仿真相結(jié)合的方法,開(kāi)展復(fù)雜系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的建模仿真,采用基于妥協(xié)決策的方法對(duì)體系進(jìn)行多領(lǐng)域綜合建模,最終實(shí)現(xiàn)武器裝備體系建模。

圖1 基于大數(shù)據(jù)的建模思路框圖Fig.1 Diagram of big data-based modeling

2)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模

環(huán)境建模主要研究環(huán)境與武器裝備間的相互影響。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模研究?jī)?nèi)容繁多,針對(duì)臨近空間、太空等空域,主要研究大氣、云、電離層、極光、地球臨邊電磁環(huán)境、太陽(yáng)輻射、深空背景(星空)等環(huán)境與效應(yīng)的機(jī)理,研究環(huán)境因素對(duì)裝備在識(shí)別、跟蹤、引導(dǎo)等鏈路中重要環(huán)節(jié)的影響。其中,環(huán)境對(duì)傳感器探測(cè)及識(shí)別概率、對(duì)鏈路通信效果等影響的建模是目前研究重點(diǎn)。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與武器裝備相互作戰(zhàn)的物理機(jī)理十分復(fù)雜,特別是裝備在跨空域/介質(zhì)飛行過(guò)程中涉及多種物理場(chǎng)耦合,實(shí)現(xiàn)環(huán)境影響效應(yīng)模擬的無(wú)縫銜接較為困難,是復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模當(dāng)前研究難點(diǎn)。圖2給出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的臨近空間、太空環(huán)境建模原理框架。該模型反映了臨近空間及太空光學(xué)環(huán)境對(duì)武器裝備主/被傳感器探測(cè)概率的影響。建模過(guò)程中考慮臨空環(huán)境/臨邊大氣、太陽(yáng)和深空背景(背景恒星輻射)等幾類(lèi)背景環(huán)境,結(jié)合探測(cè)時(shí)間、觀測(cè)幾何關(guān)系、探測(cè)器屬性(位置、方向、姿態(tài)等)、太陽(yáng)輻射模型、臨近空間大氣模型、臨邊大氣模型、深空背景模型等計(jì)算獲取其輻射特性;然后,結(jié)合目標(biāo)的輻射特性,并考慮大氣透過(guò)率的影響,得到目標(biāo)和背景環(huán)境耦合的輻射場(chǎng)景;最后,結(jié)合考慮探測(cè)器相關(guān)參數(shù),利用探測(cè)系統(tǒng)的信雜比與探測(cè)概率關(guān)系獲得特定環(huán)境下裝備的探測(cè)概率。

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模原理框圖Fig.2 Diagram of battlefield environment modeling

2.2 體系仿真支撐技術(shù)

體系仿真支撐技術(shù)主要包括支撐體系建模、集成、運(yùn)行、評(píng)估等全壽命周期活動(dòng)的相關(guān)技術(shù)。當(dāng)前,值得關(guān)注的有高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真支撐平臺(tái)技術(shù)和跨域/異構(gòu)體系對(duì)抗聯(lián)合仿真平臺(tái)支撐技術(shù)。

1)高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真支撐平臺(tái)技術(shù)

隨著軍事對(duì)抗從“平臺(tái)對(duì)抗”發(fā)展到“體系對(duì)抗”,武器裝備作戰(zhàn)體系面臨的使命或任務(wù)的參量發(fā)生了很大的改變。在短時(shí)間內(nèi)涉及的作戰(zhàn)元素從幾十變成幾百、幾千,甚至幾萬(wàn),作戰(zhàn)武器從單一武器系統(tǒng)到多武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)。因而,體系對(duì)抗仿真面臨“維數(shù)災(zāi)”和“復(fù)雜性災(zāi)”,亟需發(fā)展更高效能、更加智能的體系仿真支撐平臺(tái)技術(shù)。高效能/智能化/服務(wù)化大規(guī)模體系仿真支撐平臺(tái)技術(shù)為模型開(kāi)發(fā)、想定制作、模型部署、多種協(xié)議下的系統(tǒng)集成、運(yùn)行管理及數(shù)據(jù)在線采集等提供工具及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐,為大規(guī)模體系仿真提供智能化、服務(wù)化開(kāi)發(fā)、高效率運(yùn)行的公共支撐環(huán)境。

圖3給出一種高效能/智能化/服務(wù)化大規(guī)模體系仿真支撐平臺(tái)架構(gòu)。該平臺(tái)以組件化協(xié)同建模技術(shù)、C4ISR 體系架構(gòu)作為核心技術(shù)框架,使用高性能分布并行一體化體系仿真引擎。

由圖可見(jiàn),平臺(tái)采用3層結(jié)構(gòu),包括支撐層、模型層、應(yīng)用層。其中：支撐層提供支撐裝備體系建模、仿真運(yùn)行與分析評(píng)估等的基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境,包括模型設(shè)計(jì)、想定編輯、仿真引擎、效能評(píng)估、態(tài)勢(shì)顯示等一系列工具集,以及多臺(tái)仿真工作站組成的局域網(wǎng)環(huán)境;模型層包括裝備模型、典型威脅目標(biāo)模型以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型、作戰(zhàn)想定,針對(duì)裝備體系仿真建模粒度需求,采用組件化模型設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),構(gòu)建攻防雙方模型庫(kù),為不同想定下的仿真應(yīng)用提供模型共享和重用;應(yīng)用層,基于多臺(tái)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)硬件環(huán)境以及仿真軟件支撐環(huán)境下,針對(duì)裝備體系研究具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)構(gòu)建仿真應(yīng)用系統(tǒng),在仿真引擎驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)典型應(yīng)用背景的體系作戰(zhàn)仿真。

基于該平臺(tái)目前已構(gòu)建了覆蓋我國(guó)陸軍、海軍、空軍、火箭軍,以及多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)的體系仿真應(yīng)用系統(tǒng),為作戰(zhàn)概念研究、武器裝備立項(xiàng)論證、武器裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究等提供了重要的技術(shù)及手段支撐。

2)跨域/異構(gòu)體系對(duì)抗聯(lián)合仿真平臺(tái)支撐技術(shù)

傳統(tǒng)的試驗(yàn)體系和管理機(jī)制是以單裝備、單系統(tǒng)分段獨(dú)立試驗(yàn)為主,在一定程度上造成了目前部門(mén)之間、仿真試驗(yàn)系統(tǒng)之間存在林林總總的“煙囪”,限制了整體仿真能力發(fā)揮,難以對(duì)裝備體系的整體作戰(zhàn)效能進(jìn)行全面科學(xué)的考核與評(píng)估,不能適應(yīng)基于信息系統(tǒng)的體系化裝備發(fā)展需求。跨域聯(lián)合仿真可以打破阻礙信息流動(dòng)、實(shí)時(shí)共享和資源優(yōu)化等各種壁壘,實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)間互聯(lián)、互通、互操作,促使仿真總體效能的導(dǎo)向“涌現(xiàn)”。

圖3 高效能/智能化/服務(wù)化體系仿真支撐平臺(tái)架構(gòu)Fig.3 Support platform architecture of high-effect/intelligence/service SoSsimulation

圖4給出一種跨域/異構(gòu)體系對(duì)抗仿真平臺(tái)在試驗(yàn)前、中、后不種階段的主要活動(dòng)及所提供的工具集。該平臺(tái)以統(tǒng)一資源管理為基礎(chǔ),提供仿真代理開(kāi)發(fā)、接口適配器開(kāi)發(fā)、調(diào)試診斷、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和訓(xùn)練規(guī)劃、應(yīng)用部署、運(yùn)行管控和狀態(tài)監(jiān)視、態(tài)勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)采集、接口校驗(yàn)、在線和離線分析評(píng)估等工具,相互關(guān)聯(lián)銜接,全方位全過(guò)程支撐任務(wù)指揮、技術(shù)開(kāi)發(fā)、參試受訓(xùn)、分析評(píng)估、系統(tǒng)管理人員在試驗(yàn)訓(xùn)練前、中、后3個(gè)階段的業(yè)務(wù)流程和活動(dòng)。

基于該平臺(tái),目前已實(shí)現(xiàn)了1 000 km 分布范圍內(nèi)的信息系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、打擊/防御火力系統(tǒng)等仿真試驗(yàn)資源的一體化集成,開(kāi)展了跨域體系對(duì)抗聯(lián)合仿真試驗(yàn)演示。

3 體系仿真工程應(yīng)用技術(shù)

3.1 體系仿真系統(tǒng)校核、驗(yàn)證、確認(rèn)(VV&A)技術(shù)

體系仿真系統(tǒng)應(yīng)用的前提是保證系統(tǒng)的可信性。VV&A 是實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)高置信的重要手段。VV&A 是指校核(verification)、驗(yàn)證(validation)、確認(rèn)(accreditation)。

仿真系統(tǒng)中使用的模型可分為3種類(lèi)型：現(xiàn)役裝備模型、新概念裝備模型以及藍(lán)方模型。對(duì)于3類(lèi)模型的可信度評(píng)估方法有所區(qū)別。對(duì)于現(xiàn)役裝備模型的可信度評(píng)估,主要采用定量方法基于仿真數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性分析,具體可分為模型輸出特征分析、評(píng)估數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及預(yù)處理、數(shù)據(jù)一致性分析、一致性分析結(jié)果綜合以及模型可信度評(píng)估結(jié)果輸出5個(gè)階段。對(duì)于新概念裝備模型和藍(lán)方模型,由于缺乏參考數(shù)據(jù),同時(shí)多數(shù)新概念武器裝備模型僅為功能性模型,因此主要采用定性的評(píng)估方法,如模糊綜合評(píng)判法,對(duì)其進(jìn)行可信度評(píng)估,主要步驟分為建立因素集、建立評(píng)判集、建立權(quán)重集、建立單因素判斷矩陣、模糊綜合評(píng)判等5個(gè)階段。隨著基于大數(shù)據(jù)的建模、智能化建模等新的建模理論與方法的出現(xiàn),給仿真模型的VV&A 帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),也是VV&A 技術(shù)后續(xù)重要的研究方向。

3.2 面向高維變量空間的體系仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)

體系仿真試驗(yàn)具有設(shè)計(jì)參量數(shù)目眾多、類(lèi)型各異、指標(biāo)多樣等特點(diǎn),其仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)針對(duì)的為高維變量空間,如何在不影響評(píng)估效果的前提下,解決仿真試驗(yàn)參數(shù)組合爆炸的問(wèn)題,最大程度提高仿真效率,是體系仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容。

影響仿真試驗(yàn)運(yùn)行效率的主要因素為試驗(yàn)因子的數(shù)目和選用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。因此可以從以上兩方面入手,開(kāi)展仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì),提高試驗(yàn)運(yùn)行效率。其中一種方法是：首先進(jìn)行試驗(yàn)需求分析,采用高維變量空間尋需技術(shù)獲得仿真試驗(yàn)因子集合,然后采用基于靈敏度分析與篩選試驗(yàn)的試驗(yàn)因子聚合技術(shù)減少試驗(yàn)因子數(shù)目,最后采用序貫設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),形成試驗(yàn)方案。

3.3 基于仿真的武器裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估技術(shù)

武器裝備體系對(duì)抗是一個(gè)典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)問(wèn)題,影響對(duì)抗結(jié)果的因素很多,包括裝備技術(shù)因素、作戰(zhàn)(指揮)因素、人的行為(規(guī)則)因素、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素等,且相互之間存在諸多交叉影響。對(duì)于武器裝備不同的體系作戰(zhàn)樣式而言,體系作戰(zhàn)效能具體是什么、相互之間是什么關(guān)系、怎么評(píng)價(jià),這是理論和技術(shù)上的難點(diǎn)[12]。

圖5 是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝備體系仿真評(píng)估方案。該方案以武器裝備體系對(duì)抗仿真試驗(yàn)為基礎(chǔ),采用作者所在團(tuán)隊(duì)研發(fā)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能評(píng)估方法,開(kāi)展武器裝備體系效能、貢獻(xiàn)度等評(píng)估,支撐裝備的論證以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于該方案,目前已在重點(diǎn)裝備的立項(xiàng)論證、作戰(zhàn)效能評(píng)估,以及重要演習(xí)方案評(píng)估、敘利亞熱點(diǎn)分析等多個(gè)案例中進(jìn)行應(yīng)用,取得了良好的效果。

3.4 大數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)

體系仿真涉及的數(shù)據(jù)主要包括模型數(shù)據(jù)、想定數(shù)據(jù)、方案數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析評(píng)估數(shù)據(jù)等。每開(kāi)展一次仿真試驗(yàn),新增數(shù)據(jù)少則數(shù)十吉字節(jié),多則上百吉字節(jié)。目前,這類(lèi)龐大的數(shù)據(jù)資源利用率極低,其價(jià)值沒(méi)得到充分挖掘。體系仿真大數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)主要研究大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、挖掘技術(shù)等,用于支撐裝備體系的設(shè)計(jì)與評(píng)估。

圖5 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備體系仿真評(píng)估框架Fig.5 Diagram of data-based weapon SoS simulation and evaluation

圖6是一種大數(shù)據(jù)管理與分析框架,主要包括3個(gè)層次,分別是數(shù)據(jù)源層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。為了實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的管理與分析,平臺(tái)層又可劃分為4個(gè)部分,分別是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/處理底層框架、統(tǒng)一數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)預(yù)處理和大數(shù)據(jù)分析與服務(wù)。

圖6 大數(shù)據(jù)管理與分析框架Fig.6 Architecture of big data management and analysis

4 后續(xù)發(fā)展

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)裝備體系對(duì)抗仿真研究較多,在建模理論與方法、體系仿真支撐技術(shù)、仿真評(píng)估應(yīng)用等方面取得了不少理論與應(yīng)用成果。今后,在需求牽引和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,仿真技術(shù)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

1)仿真技術(shù)從傳統(tǒng)側(cè)重支撐“中間”設(shè)計(jì)驗(yàn)證向支撐論證和試驗(yàn)鑒定“兩頭”拓展

為了及早發(fā)現(xiàn)并解決技術(shù)或裝備存在的缺陷,防止不成熟的技術(shù)物化為作戰(zhàn)系統(tǒng),美國(guó)國(guó)防部在裝備論證及分析階段就引入作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境,拓展試驗(yàn)內(nèi)容,以指導(dǎo)裝備體系的頂層設(shè)計(jì),幫助決策者判斷裝備系統(tǒng)、裝備體系等能否滿(mǎn)足作戰(zhàn)任務(wù)要求。為實(shí)現(xiàn)體系對(duì)抗條件下對(duì)裝備進(jìn)行科學(xué)、全面考核評(píng)估,在試驗(yàn)鑒定階段,美軍提出了“仿真試驗(yàn)與鑒定過(guò)程”概念,推行仿真試驗(yàn)與鑒定的一體化。

2)體系建模與仿真技術(shù)向智能化發(fā)展

體系建模與仿真在大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的推動(dòng)下,正朝著智能化方向發(fā)展,以適應(yīng)研究對(duì)象涌現(xiàn)性、自組織性和不確定性的演化特征。智能化建模仿真可根據(jù)研究對(duì)象的變化情況進(jìn)行自組裝、自學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性仿真。特別是“人”的因素加入后,對(duì)建模技術(shù)提出了較大挑戰(zhàn)。“人”是作戰(zhàn)體系中的關(guān)鍵因素,人的行為在很大程度上影響著事件最終的發(fā)展方向。智能化建模研究為體系仿真過(guò)程中對(duì)“人”的要素模擬提供支撐。當(dāng)前,智能化建模在人的行為建模方面的主要內(nèi)容有：指揮控制行為建模、智能規(guī)劃/決策建模、博弈對(duì)抗行為建模、類(lèi)腦裝備建模、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組織行為建模等。

3)新概念裝備實(shí)體建模逐步加強(qiáng)

裝備實(shí)體建模對(duì)象是偵察、定位、決策、行動(dòng)(OODA)環(huán)中的各類(lèi)裝備。對(duì)于已列裝/定型的裝備,由于其作戰(zhàn)原理、指標(biāo)特性、運(yùn)用方式等均有成熟研究,所構(gòu)建的仿真模型一般而言具有較高的置信度。對(duì)于新概念裝備,特別是顛覆性概念裝備,正處于研究探索的過(guò)程中,對(duì)其建模難度較大。當(dāng)前,新概念裝備建模對(duì)象主要有：天基信息網(wǎng)絡(luò)、天空地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、智能決策系統(tǒng)、跨域指揮與控制系統(tǒng)、跨介質(zhì)作戰(zhàn)平臺(tái)、無(wú)人機(jī)蜂群、動(dòng)能武器、定向能武器、太空機(jī)器人等。