面向戰斗機云作戰的構造型仿真平臺架構

田永亮，王永慶，熊培森，郭宇，武哲

（1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京100083； 2.沈陽飛機設計研究所，沈陽110035）

對于現代戰爭來說，爭奪制空權、制海權、陸地控制權，都離不開對敵方信息的獲取與壓制，尤其是在聯合體系對抗與復雜體系戰場環境下，更需要對傳統的作戰方式進行改變，以在信息對抗中獲得新的優勢。然而在實際的體系對抗中，信息主要存在3個方面的問題：①信息孤島問題，同類型武器平臺難以實現態勢共享；②信息融合問題，不同類型武器平臺的數據格式差異大；③信息備份問題，獲取信息的存儲如何安全可靠。

大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等信息技術與現代軍事應用相結合，形成了適用于現代復雜戰爭環境的云作戰體系解決方案，通過作戰云能夠實現體系對抗中的態勢共享，跨域系統能力，解決了信息孤島、信息融合和信息備份等問題。

2014年8月，美國《航空周刊》發表了云作戰的構想圖，描述了“作戰己方的空中優勢空域云”的發展遠景：在軌太空偵察/通信/導航衛星、空中預警機、F-15/16等四代機、海面航母戰斗群，以及深入敵方縱深空域的F-22/35隱身戰機、RQ-180無人偵察機和新型遠程隱身轟炸機等多維作戰單元，在作戰云的聯結下形成一個高度融合的作戰體系［1-3］。

作戰云是指綜合運用網絡通信技術、虛擬化技術、分布式計算技術及負載均衡技術將分散部署的作戰資源進行有機重組而形成的一種彈性、動態的作戰資源池［4-5］，其采用面向服務的模式，為指揮決策、部隊行動、武器打擊提供按需、便捷、快速的專業、權威的數據和應用服務。作戰云是一種通過戰場通信網絡互聯的彈性作戰資源集群，是云計算理念在軍事領域的全新運用［6］。

云作戰是指基于作戰云提供的各項服及相應保障技術形成的全新作戰模式，其依靠作戰云提供的已被池化的作戰資源、基于云計算技術對資源池中大數據的分析處理結果及戰場中先進高效的數據鏈等高效信息傳輸技術和信息融合技術，使連入作戰云中的各終端之間實現信息共享和跨域協同，從而提高作戰效率。

云作戰體系相比于以往的作戰樣式，具有動態虛擬資源池、資源融合、分布式云殺傷鏈等獨特的特征和優勢［7-9］。云作戰采用類似云計算技術，從體系層面實現陸、海、空、天各作戰域的戰場資源整合，匯聚成云，完成戰場數據的網狀交互，具備全域性、分布式、網絡化特點，將對未來的空戰體系產生深遠影響。多種作戰飛機在執行任務過程中組成的作戰云，可以改變作戰飛機傳統的作戰樣式，使其能夠在作戰云的支持下與作戰體系中的各種資源結合在一起，真正實現信息融合和態勢共享，并在更高的層面上進行作戰。具體的作戰樣式包括云攻擊樣式、云射擊樣式、群控制樣式、云制導樣式［10-15］。本文在作戰云與云作戰概念的基礎上，結合云作戰體系仿真流程，提出了云作戰構造型仿真平臺框架，為戰斗機云作戰樣式研究與應用提供參考。

1 云作戰體系仿真流程

常規仿真通常包含5個步驟：構建仿真框架，建立目標分析，創建仿真場景，運行仿真模型，分析仿真結果。本文在此基礎上進行擴展，結合云作戰體系的具體特點，考慮設計空間的范圍、體系的隨機性、體系的作戰決策智能控制等，分解云作戰體系的能力，最終形成能力識別、任務構建、模型構建、策略映射、智能控制、設計實驗、樣本分析等7個步驟。

云作戰體系仿真的業務邏輯如圖1所示。

1）能力識別

能力識別是構建相應體系的前提，也是基于體系研究武器裝備性能的基礎。針對不同的作戰能力，體系任務不同，構成體系的武器裝備也有區別。識別將要進行體系仿真的能力，主要是指武器裝備和設施的能力，具體包括戰斗機的打擊能力、行動能力、響應能力，以及導彈的打擊能力，雷達的反應能力等。只有準確識別這些能力，才能良好地進行任務場景的構建，執行相應觀察—調整—決策—行動（OODA）循環中涉及的武器系統。

2）任務構建

任務構建步驟不同于模型構建，主要為整個仿真設定一個戰爭腳本，具體為6個方面的腳本設定：①任務使命，是仿真任務背景，包括斬首行動或時敏打擊等；②相關環境，是仿真的外部環境，包括天氣因素、地理因素和地形因素等；③雙方環境，包括紅方情形、紅方行為能力、藍方情形、藍方防御能力等；④決策制定，定義時間、地點、方式、行動，為打擊的總體過程設定總體方案；⑤紅方預測，對比分析紅方可能采取的決策方案，為各種替代方案的分析過程；⑥藍方預測，分析藍方可能采取的防御方案，預測藍方可能采取的行動。

3）模型構建

模型構建步驟先簡化現實環境，構建紅藍雙方的仿真模型。對仿真來說，并非所有的現實信息對于仿真分析都是有用的，因此，通過分析簡化過程，先篩除一部分對仿真分析影響很小的現實信息，再通過解釋演繹過程，將實際過程抽象為概念模型，最后通過檢驗和驗證，確定構建的模型能夠滿足仿真的需要，完成模型構建。

4）策略映射

策略映射步驟實際為仿真的具體操作步驟。以空軍打擊策略為例，建模時，設定的邏輯會有“優先攻擊敵方的核心目標”，其是空軍力量的優勢所在，再開始實驗，探索仿真結果是否與預想的一樣并進行調整，最終關鍵分析藍方目標的重要度與威脅度，以及能力評估和仿真任務的關系系數，利用質量功能配置形成打擊序列表，即將宏觀的打擊能力映射為可操作的打擊行為。

5）智能控制

智能控制步驟為基于智能體（agent）對整個任務進行仿真控制，初步想法包括紅方控制中心、藍方控制中心、雙方的武器裝備，類型為智能體，能夠對戰場態勢進行智能自主控制。也就是說，對各種裝備進行智能體模型構建后，就要將其納入到仿真控制的模塊中來，這樣才能使得智能體在仿真過程中實現一步步的邏輯。

6）設計實驗

設計實驗步驟為從設計空間中選擇不同的指標數據，云體系環境下，輸入變量并非一個固定的值，而是在一定的上界和下界內變動，由此形成設計空間，從設計空間中隨機抽樣，進行設計實驗，將能夠盡量覆蓋所有的輸入情況，使仿真更為全面完整。

7）樣本分析

樣本分析步驟是對大樣本數據點的分析過程，建立輸入空間與輸出空間的關系，研究同樣輸入環境下，隨機性對體系效能的影響，為指標的優化和技術的評估提供參考。

2 云作戰構造型仿真平臺框架設計

2.1 總體框架設計

在云作戰體系仿真流程研究的基礎上，設計了云作戰構造型仿真平臺的框架（見圖2），并研究了不同模塊的具體功能及相互關系。在獲取大量試驗數據的基礎上，進行云作戰效能評估與分析，為作戰體系的改進提供依據。

云作戰構造型仿真平臺框架主要由兩部分組成：①仿真系統，主要包括任務想定模塊、任務仿真模塊、效能分析模塊、數據管理模塊；②仿真支撐平臺，主要為仿真系統提供構建的平臺，集成常用的建模命令，提供方便的操作界面，并能夠支持多種想定的仿真建模與分析工作。

建模與仿真是一系列的活動，進行這一系列的活動需要一個支撐環境或支撐平臺。仿真系統與仿真支撐平臺有不同的概念，仿真系統具有應用針對性，是一個獨立完整的系統，而仿真支撐平臺具有通用性、服務性和資源共享性，在仿真支撐平臺上可以研究、開發、建立、運行仿真系統。

仿真系統中各個模塊之間的關系如下：

1）任務想定模塊主要負責：①任務體系任務目標的設定，包括任務背景、任務要求、打擊目標等；②雙方戰力設定，包括紅方藍方的武器裝備狀況、紅方藍方地理位置等；③任務約束的設定，包括任務范圍、任務持續時間、任務可消耗的各項最大資源。

2）任務仿真模塊主要為根據任務想定，基于輸入變量生成設計空間，執行仿真任務，并輸出仿真結果。

3）效能分析模塊主要針對任務仿真模塊的數據樣本，將數據可視化，對輸出數據進行進一步的分析。

4）數據管理模塊負責存儲和管理三大任務模塊的數據，為任務的設定和分析提供支持。

2.2 仿真系統功能設計

2.2.1 任務想定模塊

任務想定模塊主要從用戶角度出發，為用戶提供針對體系任務的各種想定，包括任務背景、任務要求、打擊目標、雙方戰力、雙方戰場及任務約束等6個方面的內容。

1）任務背景。需要設定任務的執行原因、任務的具體性質和任務所屬類型，如針對敵方的斬首行動或者針對整個敵方設施的時敏打擊。

2）任務要求。需要設定執行任務所必須相關要素和程序，如針對地方地面目標的時敏打擊，必須出動遠程打擊轟炸機還是需要多架戰機共同完成。

3）打擊目標。需要設定該完成不同類型任務所必須進行打擊的目標，不同類型的任務所需要打擊的目標種類和數量有所區別。

4）雙方戰力。需要設定一次體系任務中，紅方藍方可能出動的戰機類型、數量，攜帶的導彈類型、數量，防御系統的類型、數量等。

5）雙方戰場。需要設定體系任務中，戰場的地理地貌、雙方基地的地理位置、敵方目標及防御系統的地理位置等。

6）任務約束。需要設定該次任務持續的時間、任務涉及的地理范圍、任務所能夠消耗的最大資源等。

2.2.2 任務仿真模塊

任務仿真模塊的研究內容主要從體系的建模與仿真出發，具體包括模型的封裝、算法的封裝、設計空間的擴展、樣本點的隨機抽樣、設計實驗等5個方面。

1）模型封裝。主要用于封裝仿真可能用到的所有元素資源，如戰斗機物理模型、導彈的物理模型、敵方地面目標的物理模型等。

2）算法封裝。主要用于封裝體系中的智能體的各種規則，如指揮中心的武器選擇，戰斗機的目標搜尋、鎖定、打擊等行為。

3）設計空間的擴展。主要用于仿真運行前，擴展研究的體系變量的范圍，如擴展戰斗機起飛重量的上界下界、擴展戰斗機的RCS范圍等。

4）樣本點隨機抽樣。主要用于從設計空間中抽取輸入點，進行仿真，此處選定蒙特卡羅隨機抽取設計空間內的樣本點，盡可能覆蓋整個設計空間。

5）設計實驗。主要為體系的仿真運行，其中由于體系的隨機性，每個樣本點需要重復運行多次，充分考慮體系環境的各種情況，得到輸出空間。

2.2.3 效能分析模塊

效能分析模塊的研究內容主要從體系效能的數據分析角度出發，具體包括樣本篩選、樣本可視化、變量影響分析和指標反向設計等4個方面。

1）樣本篩選。需要能夠根據需求對樣本進行篩選，如篩選任務完成項，或者篩選出動一定架次飛機情況下任務完成項。

2）樣本可視化。需要根據需求對樣本進行可視化輸出，如生成柱狀圖、曲線圖等。

3）變量影響分析。為根據體系的輸入變量及輸入變量對應的體系效能，研究兩者的影響關系。

4）指標反向設計。為根據變量與體系效能的影響關系生成的響應面或者包絡圖，反向優化設計指標。

2.2.4 數據管理模塊

數據管理模塊的研究內容主要從體系仿真產生的大量數據出發，具體包括數據項維護、實例應用、任務想定數據庫、運行仿真數據庫和效能評估數據庫等5個方面。

1）數據項維護。包含數據分類及數據庫建立與維護。

2）實例應用。查閱瀏覽所建立及入庫的實例數據。

3）任務想定數據庫。對應于任務想定模塊數據。

4）運行仿真數據庫。對應于任務仿真模塊數據。

5）效能評估數據庫。對應于效能分析模塊數據。

3 云作戰構造型仿真示例

3.1 任務想定

在云作戰構造型仿真平臺框架設計的基礎上，考慮到戰場復雜性、模型顆粒度、參數實驗要求等因素，選擇Anylogic進行云作戰構造型仿真示例，并根據第1節所述構造型仿真平臺的構建流程，針對戰斗機傳統作戰樣式與戰斗機云作戰樣式搭建相應的仿真模型。為了能夠清楚地說明問題，采用控制變量的對比方式進行建模，即2種作戰樣式中的基礎設施、作戰機群和攜帶的武器均相同，但二者的作戰邏輯不同。

示例場景設置（見圖3）如下：①紅方出動1架有人機和4架無人機；②藍方在2個位置部署防空導彈系統（雷達+SAM）；③紅方作戰機群攜帶雷達干擾設備和JDAM 空對地導彈；④紅方需要摧毀藍方2處防空導彈系統和2處軍事建筑。

3.2 傳統作戰樣式仿真

3.2.1 傳統作戰樣式流程

1）1架有人機與4架無人機在接到作戰命令后從我方軍用基地起飛，4架無人機每架攜帶1枚JDAM空對地導彈在機群前方飛行，有人機緊隨其后。

2）當發現敵方雷達時，有人機立即減速并對敵方雷達實施電子壓制，使雷達失效。

3）繼續飛行，有人機利用自身攜帶的探測設備對敵方區域進行探測，當發現敵方的SAM防空導彈發射車時，立即派出1架無人機。

4）第1架無人機進入作戰模式，并采用機載探測設備對目標進行探測，當其發現目標時，需向地面指揮中心（CAOC）進行任務的確認。

5）接到“允許攻擊”的指令后，立即對目標進行攻擊，導彈由衛星制導，同時有人機對目標進行圖像獲取，并最終確認其被摧毀。

由于每架無人機在仿真模型中只攜帶1枚JDAM 空對地導彈，所以當摧毀目標后立即返回基地。

該作戰機群對敵方目標的另外1個防空導彈系統和2個軍事建筑均采用這種作戰形式對其進行攻擊。即由有人機探測得到目標信息并派出1架無人機執行任務，無人機在利用機載探測設備發現目標后，需向地面指揮中心進行確認，然后對敵方目標進行攻擊，有人機實時獲取敵方目標的影像，并確認其被摧毀。

3.2.2 傳統作戰樣式OODA循環

傳統作戰樣式的OODA循環過程如圖4所示。首先，無人機向有人機提供的敵方目標方向飛行，并利用機載探測設備對敵方目標進行觀察（observe）；然后，當探測到敵方目標后，向地面指揮中心請求指令，地面指揮中心協助無人機完成調整（orient）和決策（decide）過程；最后，無人機接到指令后對目標進行攻擊，即為行動（act）階段。

由此可知，在每個OODA循環過程中，無人機參與觀察和行動階段，地面指揮中心輔助其完成調整和決策階段。傳統作戰樣式的總作戰時間即為4架無人機的OODA循環之和。

圖4 傳統作戰樣式的OODA循環示意圖Fig.4 Schematic of OODA circles of traditional combat style

3.3 云作戰樣式仿真

3.3.1 云作戰樣式流程

1）云作戰樣式的初始階段與傳統作戰樣式相同，均為1架有人機與4架無人機從我方基地出發，但不同的是，只有1架無人機攜帶4枚JADM空對地導彈，2架無人機負責對戰場的探測，1架無人機負責生成被摧毀敵方目標的影像。

2）在飛行過程中，2架偵查無人機以較快的飛行速度飛向戰場，并對敵方目標進行探測。當偵查無人機發現敵方雷達時，立即將雷達的信息傳回給有人機，有人機隨即對雷達實施電子干擾。

3）在使敵方雷達失效的同時，有人機根據偵查無人機傳回的數據對戰場進行態勢分析，并制定相應的作戰方案，指揮攜帶JADM 空對地導彈的無人機對目標進行攻擊。

4）無人機接到攻擊指令后，立即發射導彈，并在導彈的飛行過程中由有人機對其進行制導，使其準確命中目標。敵方目標被摧毀后，由最后1架無人機對其獲得圖像，確認目標被摧毀。

3.3.2 云作戰樣式OODA循環

云作戰樣式的OODA循環過程如圖5所示。首先，由2架無人機完成觀察階段，快速深入敵方探測敵方目標信息，并將有效信息傳回有人機；然后，有人機完成調整階段和決策階段，有人機對無人機傳回的大量信息進行分析，并根據敵我雙方的作戰態勢形成決策指令，并下達給攜帶有武器的后方無人機；最后，后方的2架無人機完成行動階段，根據收到的指令及目標的相關信息，發射機載導彈對目標進行攻擊。

由此可知，有人機利用其優秀的信息融合能力，真正實現了云作戰樣式中的跨域共享和多平臺協同，有人機不僅可以將威脅鎖定，還可以對戰場信息做出快速反應，指揮無人機有序地完成任務。云作戰的這種優勢，可以大大縮短每一個OODA循環的過程，而且可以避免戰場資源的浪費。

云作戰樣式的優勢在于：對戰場進行偵查的無人機由于飛行速度較快，可以對敵方目標實施快速探測，在短時間內獲得大量敵方目標的信息，并將這些信息傳送給有人機進行處理。這種情況下，有人機對敵方雷達的電子壓制距離明顯增長。

3.3.3 云作戰樣式的仿真體現

1）戰場態勢共享

有人機作為交戰過程中的指揮平臺，實時接收其他作戰單位的信息，掌握戰場中敵我雙方的態勢，并將態勢與相關決定共享給局部網絡中的其他作戰單位，如圖6所示。

2）云攻擊樣式

云攻擊作戰樣式主要強調無人機的重要作用，即在OODA作戰循環中無人機為全過程的主要參與者。在案例中，無人機從出發就與有人機進行實時通信，并且無人機在從發現目標到擊毀目標的整個作戰過程中，參與程度很高。如高空偵查無人機對敵方目標進行偵查，攜帶導彈的無人機對敵方目標進行攻擊，最后方的無人機實時觀測敵方目標并返回敵方目標的狀態，如圖7所示。案例中的這種作戰樣式體現了云攻擊作戰樣式。

3）云射擊樣式

云射擊作戰樣式主要強調機群采用信息共享的方式，依靠群體對目標發動攻擊。在案例中，對每一個敵方目標的打擊過程均需依靠高空偵察無人機的探測能力、有人機的電子壓制能力、攜帶導彈無人機的攻擊能力和后方無人機的觀測能力，各個作戰單位均能實現數據共享，如圖8所示。案例中的這種作戰樣式體現了云射擊作戰樣式。

圖6 基于有人機的云數據鏈Fig.6 Cloud data link based on manned fighter

圖7 案例中云攻擊樣式的體現Fig.7 Demonstration of“cloud attack”style in example

圖8 案例中云射擊樣式的體現Fig.8 Demonstration of“cloud shooting”style in example

4）群控制樣式

群控制作戰樣式主要強調戰斗機對多個無人作戰單位的指揮。在案例中，有人機在出發時即與4個無人機實現通信鏈接，并指揮具有不同作戰能力的無人機執行不同的作戰任務，這種控制過程一直持續到結束任務并返回基地，如圖9所示。案例中的這種作戰樣式體現了群控制作戰樣式。

5）云制導樣式

云制導作戰樣式主要強調武器在攻擊過程中其他作戰單位對其進行導航控制，使其能夠精確打擊目標。案例中，在無人機發射導彈直到導彈擊毀目標的過程中，作戰機群的每一個作戰單位就能與導彈實現信息共享，并為導彈提供目標的位置信息，從而精確打擊目標，如圖10所示。案例中的這種作戰樣式體現了云制導作戰樣式。

圖9 案例中群控制樣式的體現Fig.9 Demonstration of“group control”style in example

圖10 案例中云制導樣式的體現Fig.10 Demonstration of“cloud guidance”style in example

3.4 效能分析

戰斗機作戰對抗可以看作是敵我雙方互相較量誰能更迅速地完成OODA循環。因此，可將OODA循環用時作為戰斗機作戰效能分析的指標。對比分析2種作戰樣式攻擊同一個目標的作戰時間，當無人機到達起飛地點與目標的中點位置時，即進入OODA循環的起點。2種作戰樣式的OODA循環用時對比如圖11所示。

圖11 兩種作戰樣式OODA循環用時對比Fig.11 OODA circle time comparison between two combat styles

傳統作戰樣式中，觀察階段的時間為從循環起點到無人機發現目標的時間，調整階段的時間為從發現目標到有人機使敵方雷達失效的時間，決策階段的時間為雷達失效后到地面指揮中心確認目標并指揮無人機發射導彈的時間，行動階段的時間為從導彈發射到導彈摧毀目標的時間。

云作戰樣式中，觀察階段的時間為從循環起點到無人機發現目標的時間，調整階段的時間為從發現目標到有人機開始對敵方雷達進行電子壓制的時間，決策階段的時間為開始壓制敵方雷達到無人機發射導彈的時間，行動階段的時間為從導彈發射到導彈摧毀目標的時間。

兩者對比可以看出，在云作戰樣式中，當有人機接收到目標信息時，可以立即命令無人機發射導彈，在導彈飛行的過程中形成作戰指令，并實時對導彈進行制導，這樣先發射再制導的形式可以大大節約導彈的瞄準時間，使得OODA循環的時間縮短。

4 結 論

新的作戰樣式與作戰體系一直是軍事領域的研究熱點，信息技術的迅猛發展與廣泛應用也為軍事創新提供了強勁動力。云作戰是大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等信息技術下的全新作戰樣式，通過信息共享和跨域協同，能夠有效提高作戰效率，不僅將改變空天作戰樣式，也將改變裝備的發展路徑，對未來的空戰體系產生深遠的影響。

本文提出的云作戰仿真流程與云作戰構造型仿真平臺框架，僅僅是通過仿真的手段進行云作戰體系研究的初步探索。關于云作戰的應用還面臨著不同來源信息的可靠性、云端系統的安全性、多平臺的融合性、信息提取的高效性等諸多方面的挑戰，需要進一步深入研究。