美一款高級仿真建模技術及其應用發展

【摘要】本文介紹了美國仿真技術的發展概況，特別是美軍開發的一款仿真、集成和建模高級框架。闡述了該技術的起源、平臺組件和功能，并以“直升機引導艦載彈道導彈打擊陸上目標”為案例，說明該框架模擬仿真作戰程序的過程。基于其技術特點和仿真實例，本文總結出該技術的優勢和發展前景：利用該技術，美軍可以模擬復雜戰場環境，提高作戰規劃、訓練和評估的綜合能力。

【關鍵詞】仿真建模|仿真|集成和建模高級框架

一、模擬仿真技術發展概況

模擬仿真技術是指通過計算機軟件構建一個虛擬系統，模擬某一現實系統的運動和行為過程，從而達到挖掘系統性能和行為規律的目的。在軍事領域中，在實際戰備演練過程中，如果直接采用實地演習，往往需要耗費大量物力、財力和人力，同時還有很大的危險性。而模擬仿真技術則可以大大減少這些資源的消耗，同時又能夠模擬出真實場面的流動性、火力爆發等方面的表現。這使得模擬仿真技術在軍事領域中得到廣泛應用。隨著計算機技術的飛速發展，軍事領域機器人、人工智能、納米技術和無人系統等方面出現了重大創新，仿真系統的規模和復雜性不斷增加，技術水平也不斷提高，逐漸取代了現代戰場上的常規戰斗力量，減少了軍事技術操作人員的數量，改變了軍事作戰的組織結構和理論。鑒于模擬仿真技術可以很好地解決實地演習中的安全隱患及降低人員和經濟成本，仿真技術目前已成為軍事訓練和實戰中的一種重要手段和工具。

美國高度重視建模與仿真技術在軍事領域的應用，視其為影響國家安全的關鍵技術之一，美國國防部已將“建模仿真”列為“有助于極大提高戰備、現代化、部隊結構、持續軍事能力”的一項重要的國防技術，并專門成立了國防建模與仿真辦公室，推動仿真技術的研究創新和應用轉化。高度集成的仿真和建模系統能夠模擬出逼真的戰場環境，包括地形、天氣、電磁環境等；或模擬各種武器裝備的性能和使用效果，以及不同作戰行動的戰術效果。因此，美軍各種軍事訓練和作戰決策中都有仿真和建模技術的參與。例如，在作戰訓練中，仿真系統可以幫助官兵熟悉作戰流程、提高作戰技能；在戰略決策中，仿真系統可以模擬不同戰略方案的效果，為決策者提供科學依據。

二、美高級仿真建模技術仿真、集成和建模高級框架簡介

在不斷發展的仿真和建模技術的基礎上，美國空軍研究實驗室融合最新的仿真推演技術和數據建模技術，創新仿真體系架構，開發和構建了貫穿戰略、戰役、戰術、技術層次的作戰仿真系統體系——仿真、集成和建模高級框架。該框架是一個高級仿真平臺，旨在構建一個通用的建模框架，為空軍提供作戰規劃、訓練和評估的綜合能力。因此，美國空軍研究實驗室不僅構建了強大的產品，還向獲得批準的用戶免費提供軟件、源代碼和培訓。目前，該仿真建模框架被美軍的所有分支機構、其他美國政府機構、學術界及美一些軍事盟友國家所使用，為空軍和整個國防部的武器系統決策提供信息。目前，該仿真建模框架結合了最新的建模與仿真技術，能夠實現從單個飛機到整個空軍部隊的戰斗效能分析和優化；支持多種作戰場景和任務類型，包括空中作戰、地面支援、情報偵察等；該框架集成了一個面向對象的C++庫，用于在地理和大氣環境中完成各種作戰平臺建模，并進行交互仿真，包括傳感器探測、跟蹤、干擾、碰撞和通信等。

（一）平臺模塊構成

1.飛行動力學模塊：模擬飛機在各種飛行條件下的運動特性，包括起飛、巡航、機動、降落等。

2.武器系統模塊：模擬各種空對空、空對地武器系統的性能，包括導彈、火炮、炸彈等。此模塊可根據不同的目標和戰場環境計算武器系統的命中率、毀傷效果和毀傷范圍。

3.戰術決策模塊：支持制定和評估作戰計劃，包括目標選擇、兵力分配、任務排序等。該模塊可根據戰場態勢和作戰目標，生成最優的戰術方案。

4.通信和信息系統模塊：模擬空軍的通信和信息系統，包括數據傳輸、信號處理、情報收集等。此模塊可評估信息對抗對作戰效果的影響，并提供改善通信和信息安全的建議。

5.人員與訓練模塊：模擬飛行員、地面人員和指揮官的決策過程、技能水平和訓練效果。該模塊可用于評估人員素質和訓練水平對作戰效能的影響，并為提高訓練質量提供指導。

（二）可擴展組件和服務

除基礎模塊外，該仿真建模框架還設計了可擴展的模塊化架構，包含多種易于集成的附加功能，且允許在框架中插入和使用各種組件模型（例如傳感器、通信、運動等），以及全新的組件類型。擴展和插件是該仿真建模框架的主要機制，用于集成各類平臺組件模型、新的和擴展的平臺功能以及新的和擴展的仿真服務。插件功能是一種擴展形式，允許在不重新編譯該技術框架核心代碼的情況下添加功能。使用插件可以更輕松地分發擴展功能，并提供選擇用于給定分析的擴展功能的功能。下圖顯示了已提供和可能擴展的主框架組件和服務。

1.服務

方案-提供方案輸入處理、類型列表和腳本。

模擬-提供基于時間的事件處理并維護平臺列表。

擴展和插件-提供添加新服務和組件的通用方法。

腳本-提供實現和擴展AFSIM腳本語言的基礎結構。

觀察者-提供通用的發布-訂閱服務，用于從模擬中提取數據。

任務-允許跨平臺任務和行為建模。

跟蹤-允許通過傳感器測量以及跟蹤關聯和融合形成跟蹤。

地理空間-數據提供地形和視線數據。

分布式仿真接口-仿真接口應用仿真互操作性的接口標準。

實用程序-提供地球模型、坐標系、數學例程、人工智能結構等。

2.組件

（1）運動模型：用于保持其所連接平臺的運動狀態（位置、方向、速度、加速度等）。從地下、地面、海面到空間，運動模型有許多運動模型可供選擇，其中空間運動模型包含簡單的3自由度質點運動模型和復雜的6自由度飛行控制模型。

（2）傳感器模型：利用空間距離、信號形式和功率等數據，模擬平臺上傳感器對目標的探測過程，生成探測數據并通過通訊鏈路傳輸它們。傳感器通常在該仿真建模框架中使用發射器、接收器和天線。框架中有多種雷達傳播、消除、雜波和誤差等模型，除了雷達傳感器外，紅外和可見光傳感器模型也被集成在該框架內，但是這兩種模型相對簡單，其探測和跟蹤結論僅考慮功能，數據準確性較差。

（3）武器模型：阻止其他物體（永久或暫時）操作，包括導彈、炸彈等硬殺傷武器和干擾裝置等軟殺傷武器。在仿真建模框架內，大多數硬殺傷武器都被定義為平臺級別的實體，其發射后具備所有平臺相關的屬性和架構，而軟殺傷武器例如干擾器或激光。

（4）處理器：定義行為或計算算法，就像人腦或計算機一樣。大多數處理器由用戶使用該仿真建模框架的腳本語言定義，但是許多專用處理器由該仿真建模框架提供，如軌跡融合、分配和識別等專業功能性較強的處理器。

（5）通信模型：使用外部鏈接在平臺之間發送和接收消息。該仿真建模框架允許有線或無線設備，使用發射器、接收器和天線來模擬通信系統的全部工作和信號傳輸物理過程，可以編輯天線方向圖、通訊功率、傳輸距離、干擾和欺騙等復雜的信號模型。

三、仿真、集成和建模高級框架模擬武器系統的步驟和案例

（一）步驟

1.模型建立

首先，平臺建立一個詳細的武器系統模型。這個模型包括武器的主要物理參數（如質量、尺寸、重心位置等）、動力學特性（如推力、阻力、升力等）、運動學特性（如速度、加速度、角速度等）以及控制系統邏輯。

2.目標識別與追蹤

在模擬過程中，武器系統需要能夠識別并追蹤目標。這通常涉及到目標探測傳感器（如雷達或紅外傳感器）的模擬，包括傳感器的探測范圍、分辨率、抗干擾能力等。仿真、集成和建模高級框架會模擬傳感器如何搜索、檢測、識別和追蹤目標，并根據目標的運動狀態和傳感器的性能計算出武器的最佳攻擊路徑。

3.武器發射與制導

一旦武器系統鎖定目標，該框架會模擬武器的發射過程，包括彈藥的裝載、發射機構的動作、彈藥的初速和方向等。在武器飛行過程中，平臺會模擬武器的制導系統，包括制導方式（如慣性制導、半主動雷達制導、主動雷達制導等）、制導邏輯和制導精度等。

4.殺傷效果評估

當武器接近目標時，平臺會模擬武器的殺傷效果，包括計算武器的引爆點、爆炸威力、殺傷半徑、破片分布等。同時，還會考慮目標的類型（如戰斗機、坦克、建筑等）和目標的狀態（如速度、姿態、防護能力等）對殺傷效果的影響。通過這些因素的綜合考慮，平臺可以預測武器對目標的殺傷概率和毀傷效果。

5.反饋與優化

在模擬過程中，該仿真框架會不斷收集和分析數據，以評估武器系統的性能。這些數據可以包括命中率、誤差分布、殺傷效果等。通過對這些數據的分析，平臺可以為武器系統的改進和優化提供指導，例如改進制導算法、提高傳感器性能、調整彈藥設計等。

（二）仿真案例分析

以“直升機引導艦載彈道導彈打擊陸上目標”為例，說明該框架模擬仿真作戰程序的過程：

1.作戰場景

設定場景為：一艘藍方驅逐艦在美國南部外海游弋，藍方直升機靠近海岸實施偵察，通過其成像雷達發現一輛布置在岸邊的紅方導彈發射車，它將導彈發射車的位置通過通訊網絡傳遞給驅逐艦，驅逐艦發射艦上導彈將發射車摧毀。

2.關鍵參數與數據設定

定義仿真所需的平臺和資源類型，包括藍方直升機、導彈驅逐艦及導彈發射車等其他相關資源的位置、速度、朝向等屬性；命令艦岸導彈的指令高度和速度、導航參數、目標距離范圍及其觸發條件，以及艦岸雷達的信號特征等。

3.運行模擬仿真過程

（1）初始運行階段

仿真開始后，各個平臺按照預先定義的運行軌跡和屬性進行運動。直升機使用成像雷達發現了一輛布置在岸邊的紅方導彈發射車，并將導彈發射車的位置通過通訊網絡傳遞給驅逐艦。

（2）導彈發射和制導階段

驅逐艦接收到目標位置信息后，發射艦上導彈。導彈在飛行過程中，會經歷不同的飛行階段，如發射、巡航和末段飛行。在這個階段，直升機通過通訊網絡對導彈進行了三次引導，向導彈發送目標的實時坐標信息。

（3）結束階段

當導彈成功摧毀目標或仿真時間結束時，仿真過程結束。平臺分析并輸出仿真結果，如導彈的飛行軌跡、目標的摧毀情況等。

四、仿真、集成和建模高級框架應用場景

（一）作戰規劃

該框架平臺能夠模擬復雜戰場環境中的多維作戰態勢，通過模擬推演不同的戰略戰術組合，實現對作戰方案可行性的深度驗證和戰局發展的精確預測。它不僅揭示了作戰行動的潛在影響和連鎖反應，還為指揮員提供了一種風險評估和效益分析的有效工具，從而確保作戰計劃的科學性和預見性。

（二）訓練與評估

該框架的仿真環境高度還原實戰條件，使得飛行員能夠在虛擬空間內進行實戰演練，顯著提升其應對緊急狀況的能力、精準決策的水平以及協同配合的默契。通過實時反饋和結果評估，該系統不僅強化了飛行員的技能訓練，還為教練員提供了個性化的教學方案建議，進而全面提升飛行員的戰術素養和戰斗生存能力。

（三）武器系統開發與測試

該框架的建模與仿真能力允許科研人員模擬各類武器系統在各種戰場環境下的實際運行狀況。這既有助于設計人員在產品開發初期就預估武器系統的性能指標，又為武器系統的改進升級提供了寶貴的數據支持。此外，通過虛擬驗證，還可以降低實物試驗的風險和成本，加速武器裝備的研發進程。

（四）作戰效能分析與優化

該框架能夠模擬不同戰場環境對空軍部隊作戰效能的影響，通過對各種假設情景的深入剖析，它為部隊結構優化、裝備配置策略的制定提供了科學依據。例如，通過數據驅動的分析，空軍可以更好地理解其在現代戰爭環境中的優勢與短板，從而調整戰術布局，提高整體作戰效能和戰略韌性。

五、仿真、集成和建模高級框架的技術優勢及發展前景

該技術作為一種高性能的仿真工具，可以模擬從地下到太空以及陸、海、空、天、網等多個領域的多精度數字化任務。通過模擬不同領域的作戰行動，可以幫助指揮官和規劃人員更好地理解各領域的相互作用和影響，從而制定出更加有效的作戰策略。

從一開始，該仿真框架就被視為一個開放系統，利用“即插即用”模塊來克服早期框架的擴展和兼容性約束。這種模塊化方法允許建模者為模擬中使用的模型確定適當的保真度。同樣，用戶可以調整每個平臺的保真度，以滿足其特定的仿真需求。因此，在該框架內形成了完整的技術創新生態，不少供應商基于現有技術進一步開發了相關的平臺和應用，不同的作戰單元和平臺可以更加緊密地協同作戰，實現信息的共享和流程的優化。

此外，該框架采用C++編程語言寫成，具有高效的分析性能，能夠在短時間內完成大量數據的處理和分析，可以確保仿真分析的準確性和實時性，為指揮官提供及時、準確的信息支持，提高決策和行動效果。

目前，該仿真框架已經引入了機器學習，被大量用戶認為是現代化的任務機模擬工具。隨著技術的進步，該仿真、集成和建模框架在未來將有更大的發展空間。一方面，隨著計算能力的提高，該技術可以模擬更復雜的場景和更多的細節。另一方面，隨著人工智能技術的發展，該框架可以實現更高級的仿真和決策支持功能。此外，隨著物聯網和大數據技術的發展，還可以實現對作戰體系中各種作戰單元的實時監控和數據分析，從而為作戰指揮提供更準確的信息支持。中國軍轉民

參考文獻

[1]王召陽，常家輝，白子龍.美軍仿真技術及其應用現狀分析[J].兵工自動化，2021，10（40）：66-69.

[2]孫柏林.虛擬現實技術在美國軍隊中的應用述評[J].計算機仿真，2018，35（1）：1-7.

[3]張海峰，李莉，孫磊，等.軍用建模仿真領域發展報告（2018）[M].北京：國防工業出版社，2018：10-14，82-90.

[4]黃其旺，朱旭.美主要仿真系統及其對現代戰爭的影響[J].計算機仿真，2021，3（3）：1-4.

（作者單位：陸軍工程大學基礎部）