平行系統理論在體系對抗訓練中的應用初探*

謝堂濤，易方，梅光焜

(中國人民解放軍63611部隊，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

隨著現代信息技術的發展，信息化作戰理論和武器裝備的不斷更新，信息化戰爭已成為當代戰爭的主要作戰樣式。信息化戰爭的基本特征是體系作戰或體系對抗[1]。當戰爭發生時，敵對雙方就會依靠所擁有的作戰體系展開激烈的體系對抗，表現為作戰體系中所有要素的整體對抗，包括部隊、武器裝備、編制編成、作戰理論、綜合國力等[2]。和平時期的軍隊必須加強備戰打仗的意識和能力建設，開展實戰化軍事訓練，進行全員額、全要素、全流程的體系對抗訓練。

體系對抗仿真始于1983年美國國防高級研究計劃局(defense advanced research projects agency，DARPA)開發的實時分布式仿真系統SIMENT，該系統一直用于美軍的訓練，直到20世紀90年代美軍在此基礎上發展了新的分布交互式仿真系統(distributed interactive simulation,DIS)。1995年，為了適應不同類型仿真系統的互操作和仿真資源的重用，美國國防部提出了HLA(high level architecture)，并于次年規定HLA為國防部范圍內仿真項目的標準技術框架。現如今，HLA規則已成為IEEEM&S(institute of electrical and electronics engineers modeling and simulation)的正式標準。近年來，美國開展了大量的體系對抗仿真項目和計劃，如綜合戰區演練STOW(synthetic threat of war)計劃、戰爭模擬2000、千年挑戰2002[3]、“施里弗”系列演習、“太空旗”演習等。

目前應用于體系對抗仿真的技術主要有DIS，HLA，MAS(multi-agent system,多agent系統)，SEB(system-of-system, entity, behavior,體系-實體-行為的分層組合建模)，DEVS(discrete event system speci-fication，離散事件系統描述)等。這些建模方法立足于以離線、靜態、輔助的形式應用于現實系統的管理和控制，很少或根本沒有對相應的人工系統進行控制，而平行系統理論通過人工系統和實際系統平行執行，可提供更有效和逼真的戰爭模擬[4]，節約成本的同時還可以進行一些無法在現實中實現的對抗訓練，增強體系對抗訓練的效果。

平行系統理論在體系對抗訓練方面的應用還處于最初的探索階段，文獻[5]對面向體系對抗的平行訓練基本理論進行了初步探索，提出了平行訓練的組織模式。在此研究的基礎上，本文進一步拓展了探索的內容，重點對平行系統ACP(artificial systems, computing experiments, parallel implement)方法在體系對抗訓練中如何應用進行了初步的探討和分析。

1 研究背景

1.1 平行系統理論

平行系統是由某一個自然的實際系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統[6]。受到仿真社會研究的啟發，平行系統理論將所研究的實際系統由傳統的自然要素擴展到社會要素，通過基于agent的方法和相應的面向對象的編程技術建立與這個擴展之后的實際系統等價的人工系統，并讓人工系統與實際系統平行運行。通過人工系統與實際系統的相互連接、作用，經過比對、分析、預估等方法，使人工系統的角色從被動到主動、靜態到動態、離線到在線，最終達到研究和控制實際系統的目的。

平行系統的理論框架下的ACP方法包括人工系統(artificial systems)、計算實驗(computing experiments)和平行執行(parallel implement)。其中，建立人工系統是該方法的基礎，是開展計算實驗和平行執行的前提；計算實驗是該方法開展研究的主要方式，通過在人工系統上的計算實驗，認識實際系統內部各要素的演化規律和相互作用關系；平行執行是該方法的特點和精髓，通過平行系統和人工系統的相互連接、作用支持后續分析研究。從2004年平行系統理論提出至今，平行系統理論己成為復雜系統理論研究的一個分支，得到了眾多研究者的關注，在化工生產、交通控制、社會經濟、輔助決策等方面也取得了良好的應用效果。

1.2 數字孿生技術

數字孿生(digital twin)是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[7]。數字孿生技術是物理世界和信息世界的橋梁和紐帶，其核心是模型和數據。建立與現實物理系統在線平行運行的數字孿生系統，兩者相互連通實時交互，充分發揮從物理系統中所獲取信息的作用，促進物理系統效能的改進。

近年來，數字孿生技術在制造業得到了廣泛的關注，在數字孿生技術的建模、信息和物理系統的融合、孿生系統與物理系統的交互等方面開展了相關研究，并在虛擬樣機、工藝規劃、生產調度、測試檢驗等方面得到了應用，為智能工廠、智能車間提供了技術支持[8-9]。美國的洛克希德·馬丁公司2017年11月將數字孿生技術列為未來國防和航天工業6大頂尖技術之首，并為其生產的宙斯盾系統開發了虛擬的宙斯盾系統。虛擬宙斯盾系統可在不影響實際系統的情況下，現場對一些新技術進行測試，從而加快宙斯盾系統的升級和固件檢測進程[10]。

1.3 基于agent的體系對抗仿真

信息化條件下的體系對抗，是作戰體系中各要素在多維戰場空間中進行的整個體系的對抗,其對抗效能是通過作戰體系與敵對作戰體系中各要素的相互作用而涌現出來的整體效能[11]。通過建立描述作戰體系中實體與實體、體系與體系之間相互作用的模型，并進行仿真實驗，可以優化體系結構、改進運用策略、創新合作機制，從而提高體系對抗效能。

作戰體系本身作為一個典型的開放復雜巨系統，其中的每一個單元及行為都是這個巨系統里相互關聯、相互影響的局部。復雜系統的非線性、分形、混沌、突變等特性，使得無法通過傳統的對系統分割分析而得到整個系統的性質。

以復雜系統理論中還原論和整體論相結合的方法，采用基于agent的方法和面向對象的仿真技術，對信息化戰爭中的體系對抗演化行為的內部微觀作用機制、宏觀涌現模式乃至戰爭指導、控制規律進行研究，正成為軍事科學研究領域的一個國際前沿的研究方向之一[1]。國防大學胡曉峰、張明智等人在基于agent的體系對抗仿真方面做了大量的研究，在仿真建模概念、仿真建模概念框架、仿真建模策略、體系整體“涌現”行為建模、體系對抗交互模型、體系對抗仿真實驗等方面進行了深入探索[2]，解決關鍵技術的同時也開拓了基于agent的體系對抗仿真的應用前景。

1.4 虛實結合的體系對抗訓練

體系對抗訓練是在各軍兵種已經開展了崗位訓練、整體訓練、合同訓練的基礎上，所進行的更高級別的訓練。體系對抗訓練在信息化條件下顯得尤為重要，是最接近現代戰爭的訓練樣式，應盡可能將各對抗要素納入到訓練中，以真正實現體系融合為目標，不斷強化各要素之間的協作，發揮整體效能。

目前，實戰化訓練的形式主要有兵棋推演、網上指揮對抗、實兵對抗演習等，這些訓練模式缺乏必要的體系對抗要素，難以實施連貫的對抗動作[5]，使體系對抗訓練的效果打了折扣。虛實結合的體系對抗訓練，通過構建虛擬戰場空間及虛擬兵力作為實際戰場空間的補充，比實兵演習更逼真，未知程度更高，對抗性更強[12]，能夠最大限度地鍛煉部隊未來信息化條件下實戰能力。

2 平行人工系統的構建

基于平行系統的ACP方法理論，并結合agent仿真技術、數字孿生技術及體系對抗訓練的相關研究，提出本文構建及運用體系對抗訓練系統的核心思想：利用agent仿真技術、數字孿生技術將實際體系對抗訓練中的戰場環境、武器裝備、作戰部隊、作戰行動效果等實際要素投影到虛擬戰場空間，并將實際體系對抗訓練中虛擬要素復制到虛擬戰場空間，得到與實際系統平行的人工系統；在人工系統中進行計算實驗，研究在各種不同的條件下的體系對抗方法和策略等，定量分析各因素對系統的影響；使人工系統與實際系統平行運行，同步推進相互補充，指導開展虛實結合的體系對抗訓練。體系對抗訓練平行系統的組成及ACP三者之間的關系如圖1,2所示。

圖1 體系對抗訓練平行系統的基本構成

2.1 虛擬戰場空間

虛擬戰場空間是實際戰場空間的數字表示形式，是一個一體化知識處理平臺，遵循統一的標準和規范。虛擬戰場空間通過對領域概念和關系的共同理解，可以建立戰場空間中知識基礎設施，實現已有的知識系統之間的互聯、互操作[13]。通過構建虛擬戰場空間，可提供要素更全、流程更完整、過程更清楚的訓練條件。

圖2 ACP三者之間的關系

體系對抗訓練的實際系統，既存在實兵實裝的要素，也存在部分模擬的要素。構建與實際系統平行的人工系統，首先要解決的就是將實際系統中的各個要素投影到虛擬戰場空間中。實際系統中實兵實裝或者半實物的要素需要通過構建相應的模型進行投影，虛擬的要素則可以直接復制。通過這樣的投影或者復制，構建出與實際戰場空間平行的虛擬戰場空間中的各個體系對抗要素。

2.2 自然要素投影

對于戰場環境和武器裝備等自然要素，不存在人的主觀因素，其投影可采用數字孿生技術針對每個物理實體建立相應的數字模型。

信息化條件下的體系對抗中，信息已經深入到戰場的各個角落。借鑒美國工業互聯網和德國工業4.0的概念，并將其引入體系對抗訓練中，采用數字孿生技術進行自然要素的投影。自然要素及其數字孿生投影是密不可分的整體，其主要由5個部分構成：

(1) 物理實體

體系對抗訓練中客觀存在的戰場環境、武器裝備等，在訓練過程中其狀態會發生變化，甚至是某些不可預知的突變。在物理實體中部署的傳感器，可實時獲取并傳輸數據及其狀態。

(2) 虛擬模型

虛擬模型作為物理實體的抽象，是根據研究的需要將其主要的功能和影響因素抽象成的數學模型。虛擬模型中預留數據輸入輸出接口，可將從物理實體中獲取的數據輸入，并按要求進行分析，輸出分析結果。

(3) 平行控制

運用從物理實體中獲取的數據，驅動虛擬模型的運行，并進行比較、分析，為物理實體的評價、運用、升級或虛擬模型的改進提供參考。

(4) 孿生數據

孿生數據不僅包括上述物理實體、虛擬模型及平行控制的相關數據，還包括領域知識以及數據融合的結果。

(5) 信息鏈路

信息鏈路是將上述各部分兩兩連接起來，進行信息溝通的橋梁，其實時性、準確性是數字孿生投影的基礎。

2.3 作戰部隊投影

體系對抗中的人為要素包括作戰部隊以及國家的政治、經濟、文化、科技等諸多方面，其影響模式及相互作用非常復雜。為便于開展研究，這里主要考慮作戰部隊作為主要的人為因素。對抗訓練中作戰部隊一般分為“紅方”(受訓方)和“藍方”(紅方的對手)，其中紅方以實兵參訓，藍方可以是專業的藍軍部隊或者只是計算機生成的兵力(computer generated force，CGF)。

作戰部隊作為一個行動整體，具有自主性，可根據戰場環境及敵我態勢，改變自身的狀態及行動，以達到取勝的目的。這些特征與agent非常類似，使得利用agent技術進行作戰部隊投影成為可能。所投影的agent模型主要由3部分組成：

(1) agent本身

可將作戰部隊簡化為具有協作精神、服從命令、行動迅速、堅韌頑強、自我犧牲的意志品質的agent，agent的目的就是為了取得戰爭的勝利。根據模擬的粒度要求，將作戰部隊的每個行動單元(一個單兵、一個戰斗小組、一臺雷達或者一輛坦克等)定義為一個agent，敵對雙方由一群相互協作、互相配合的agent組成。

(2) agent所處的環境

包括戰場環境、戰場態勢、武器裝備等，每個agent對環境的感知能力不同，需根據agent獲取所處環境情報信息的能力，為每一類agent定義一個環境感知模型，以確定其所可獲取的信息。

(3) agent之間的社交規則

體系對抗中各方的agent內部協作原則應當是利益最大化原則，即各方內部的agent之間的協商均以最有利于己方取得勝利為原則，即使是可能導致某些agent被對方消滅；敵對雙方agent之間則取互斥原則，即雙方agent都盡可能選擇最大限度地保存自己，消滅對方。

2.4 作戰行動效果投影

由于在體系對抗訓練中，物理摧毀、實彈打擊等部分作戰行動只能采用模擬的方式進行，如何評估對抗結果便成為指導其他工作的核心，其可信性是對抗結果令人信服所必不可少的。如何實時評估各方各個作戰行動所取得的效果，是進一步引導訓練以及最后結果評定的基礎。為進行對抗結果評估，需將各作戰行動效果投影到虛擬空間：

(1) 武器打擊效果投影

對于直瞄武器，實際訓練中往往采用激光瞄準，將其打擊效果投影到人工系統時，只需將激光瞄準系統的結果輸入人工系統；對于間瞄武器系統或者有一方為虛擬兵力，則需根據武器系統性能、目標的特性、所處的環境、采取的防護手段等建立打擊效果模型，并將武器系統及目標的位置、裝訂的諸元、環境參數等輸入人工系統，人工系統分析后給出結果，并輸出給實際系統。

(2) 偵察及反偵察效果投影

實際對抗中一些偵察及反偵察動作無法開展，例如雙方通過衛星偵察獲取戰場情報時，訓練中若通過動用實際衛星進行變軌來評估反偵察效果，則成本開支巨大。在人工系統中建立偵察效果模型，并將實際系統的偵察與反偵察行動相關數據輸入，可以進行效果評估，以確定雙方可獲取的情報。

(3) 干擾欺騙行動效果投影

體系作戰中，雙方經常會通過干擾、欺騙等手段，使對方無法獲得情報或獲得假情報，使敵誤判從而贏得勝利。與虛擬對手進行的對抗，需判斷實際參演部隊所采取的干擾欺騙是否會影響虛擬對手的判斷，這就需要根據所采取的干擾欺騙手段、虛擬對手對情報識別判斷的能力等進行干擾欺騙行動效果投影。

3 計算實驗及平行執行

構建虛擬戰場空間并把各要素投影到其中之后，就建立了與實際系統平行的人工系統。發揮人工系統的作用，關鍵還在人工系統中開展的計算試驗以及人工系統與實際系統的平行執行。

3.1 計算實驗

利用人工系統這個可重復的實驗室，通過復雜系統理論中的涌現(emergence)方法進行計算實驗可以生長培育出各類復雜現象，如自學習、自適應等。計算實驗相對于實際系統實驗，其優點主要在于可重復、可量化、可擴展實驗范圍等。

對于體系對抗訓練，可以設計不同的初始態勢、武器系統、作戰戰法、戰場環境等，進行多次大量的重復計算實驗，從而為兵力部署、武器改進、新戰法實驗、環境構建等方面提供建議。在體系對抗訓練的全過程，計算實驗均可發揮作用(表1)：

(1) 訓練前對演練方案進行評估

演練前，根據演練的目的制定幾套備選的演練方案，并將這些演練方案輸入人工系統，進行計算實驗，對演練方案中是否存在漏洞、演練是否能夠達到預期目的以及優選方案的排序等方面給出建議。

(2) 訓練中支持導調評估

對訓練中虛擬的部分或者不可能在實際系統中進行的作戰行動，可通過人工系統的計算實驗，實時評估對抗訓練的結果，支持導演組對演練進程的控制；利用人工系統的超實時計算實驗，預判演練的可能發展方向，對于不利于演練目的實現的情況提前進行導調；預估擬采取的導調動作可能產生的效果，判斷其是否可以達到導調目的，使得導調工作開展更加順暢。

(3) 訓練后進行分析復演

訓練結束后，通過計算實驗進行多次復演，并分析復演的結果，可使復盤總結更加深入、可靠。通過計算復演，可以判斷演練方案是否合理、參訓部隊是否具備實戰能力、訓練中的導調評估是否合理、武器裝備應該怎樣改進、創新的戰法是否實用等等。

3.2 平行執行

平行系統中的“平行”一詞，旨在將實際復雜系統看作復雜系統可能出現的一種情況，人工系統中的各種情況與實際系統雖不一定相同，但卻是等價的。與傳統的仿真方法相比，平行系統理論中實際系統并不是檢驗仿真是否正確的唯一標準，只要仿真遵循一定的規律即可，這類似于現代的天文宇宙理論中的“平行宇宙”的概念[14-15]。

表1 計算實驗在訓練各階段的工作及作用

平行執行即將平行系統和實際系統連接起來，進行對比和分析，完成對各自未來狀況的“借鑒”和“預估”，相應地調節各自的狀態，以達到控制、優化及評估的目的。平行執行的主要內容如圖3所示。體系對抗訓練中的平行執行內容主要包括：

(1) 人工系統和實際系統的交互

將實際系統的輸入及狀態作為人工系統的輸入，這需要根據體系對抗演練的想定背景及初始的戰場態勢對人工系統進行初始化，并在二者之間定義合適的接口協議，使人工系統根據實際系統的狀態數據實時調整自己的狀態；導調人員利用人工系統進行預估，并根據預估結果對實際系統進行控制。

(2) 人工系統對導調的適應

人工系統應預留導調的接口，以使在對抗訓練過程中的導調動作能實時傳輸到人工系統中，人工系統根據導調的內容及時改變自身的狀態，以模擬實際系統對導調的響應。

(3) 人工系統模型的修正

對于人工系統與實際系統的不一致，首先應先區分是模型本身不夠準確還是與實際系統等價的另一種狀態。對于模型本身不夠準確的情況，應該對模型進行修正；對于等價的另一種狀態，應通過計算實驗進行等價性驗證，并使人工系統盡可能地接近實際系統。

圖3 平行執行的主要內容

4 結束語

現代社會信息化、智能化已經滲透到了人類工作和生活的各個方面，構建信息化訓練場、開展智能化訓練也是軍事訓練發展的必然趨勢。本文運用平行系統理論為構建實際可用的體系對抗平行系統提供了解決方案，為建設更加貼近實戰的體系對抗訓練條件提供了參考。作為平行系統理論的一個應用方法初探，本文只是提出了一個大致的框架，具體運用上需要在頂層規劃上進行系統的設計，并在體系對抗要素投影、系統架構設計、agent模型優化等方面開展大量的研究工作。