面向作戰(zhàn)的偵察情報數據仿真系統(tǒng)設計*

戴禮燦

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

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面向作戰(zhàn)的偵察情報數據仿真系統(tǒng)設計*

戴禮燦**

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

針對作戰(zhàn)對抗環(huán)境下偵察情報數據仿真模擬需求，重點從組件化仿真建模與多維想定編輯入手，提出了一種靈活、可配置的偵察情報數據仿真系統(tǒng)設計及其實現方法。從裝備與行為兩方面對偵察實體進行抽象，建立組件化仿真模型；并結合實戰(zhàn)應用場景從組織、任務、空間、時間與信息交互等多個維度開展偵察行動預案設計，驅動仿真引擎加載相關的規(guī)則模型進行仿真推演與解算，輸出最終的仿真模擬結果。仿真模擬試驗結果證明了該方法的實用性與有效性。

偵察情報模擬；仿真建模；想定編輯；動態(tài)推演

1 引 言

作為指揮、控制、通信、計算機、情報、偵察、監(jiān)視(Command,Control,Communications,Computers,Intelligence,Surveillance & Reconnaissance,C4ISR)系統(tǒng)的重要組成部分，情報偵察監(jiān)視[1]是實施一體化聯合作戰(zhàn)，奪取戰(zhàn)場信息優(yōu)勢的關鍵；在未來的高科技戰(zhàn)爭中，對作戰(zhàn)進程乃至戰(zhàn)爭結局起著關鍵性作用。但是，由于情報領域特殊性，出于安全保密以及業(yè)務管理需要，地方科研院所很難獲取真實對抗環(huán)境下的偵察情報數據，導致在指標論證、技術攻研與聯調測試過程中缺乏足夠的測試數據與訓練樣本，制約了情報偵察監(jiān)視裝備性能的進一步提高[2]。因此，如何通過仿真模擬技術快速搭建仿真運行環(huán)境，以軟件方式仿真情報作戰(zhàn)行動，模擬戰(zhàn)場信息環(huán)境，按照實際應用需要生成相應的偵察情報數據，成為情報領域必須面對的一個重要課題。

近年來，國內不少科研機構針對特定應用場景開展了數據仿真相關理論技術研究[3-4]，并根據目標特征屬性[5]，結合傳感器功能原理建立了具有某些目標、某類傳感器數據模擬功能的仿真試驗環(huán)境[6-7]，能夠模擬相應的數據場景支持裝備功能流程驗證。但已有的仿真建模多局限在傳感器功能層面，對更高層次的任務行為涉及較少，對復雜戰(zhàn)場尤其是對抗環(huán)境下的情報業(yè)務邏輯刻畫得不夠充分，難以支撐模式識別、機器學習等算法模型訓練、學習與評估、優(yōu)化。此外，隨著數據中心戰(zhàn)略相繼規(guī)劃實施，通過數據直接驅動的作戰(zhàn)應用不斷涌現，傳統(tǒng)為每類應用場景構建特定仿真運行環(huán)境的方式無論在效率還是成本上都難以持續(xù)，系統(tǒng)柔性可擴展能力亟需加強。

本文在分析、歸納仿真模擬對象特點、難點基礎上，提出了一種基于多維想定與組件化模型的偵察情報數據模擬仿真思路，開展了系統(tǒng)架構、功能流程以及仿真組件模型框架設計，分別給出了裝備、行為組件仿真建模以及多維想定編輯的基本方法，并開發(fā)了相應原型系統(tǒng)用于實際應用效果驗證。與傳統(tǒng)方法相比，所提方法無論在靈活性、可操作性以及模擬數據的真實、有效性上都有較大程度的提升。

2 模擬對象分析

2.1 目標對象模擬

情報偵察[1]的目的是盡量“透視”整個戰(zhàn)場空間，其關注重點首先是戰(zhàn)場上的目標實體，因此目標對象模擬是本文的重要研究內容?？紤]目標對象多樣性、復雜性，為使仿真模擬的偵察情報數據更加貼近實戰(zhàn)應用場景，目標對象模擬需要重點考慮以下方面：

(1)目的性、機動性。情報關注的目標實體天然具備任務屬性，需要充分考慮目標狀態(tài)隨著作戰(zhàn)進程不斷變化，以及在特定戰(zhàn)場空間駐、泊以及機動的能力。

(2)隱蔽與反偵察性。真實場景下的偵察對抗往往伴隨著隱蔽與欺騙。以通信為例，敵方通信裝備不可能長時間持續(xù)工作，引起目標狀態(tài)改變的可能是隨機因素或故意欺騙[8]。

(3)自主性、規(guī)則性。目標對象具備在執(zhí)行任務過程中自主改變或放棄執(zhí)行任務，并根據作戰(zhàn)規(guī)則調整作戰(zhàn)行動的能力，強調敵我雙方偵察對抗行動有法可依、有據可循。

2.2 偵察行動模擬

偵察行動模擬是本文研究核心，為了使最終構建的仿真系統(tǒng)柔性可重構，提高其在應對不同任務需求中可繼承、擴展的能力，偵察行動建模仿真過程應充分考慮以下方面：

(1)通用性。遵循統(tǒng)一的標準框架以及分類方法，能夠對典型應用場景下的通用情報偵察監(jiān)視行動進行仿真模擬，滿足一般仿真應用系統(tǒng)對互操作的要求。

(2)靈活性。仿真模型開放、可配置，具備擴展靈活、規(guī)則參數可以動態(tài)調配的能力，能夠適應不同層次、不同任務背景下的偵察情報仿真模擬需求。

(3)可視化。采用圖形界面方式對仿真模型參數及其背后的行為邏輯進行可視化展示，提供便捷、友好的交互方式對規(guī)則參數進行管理、維護，方便仿真過程中的干預、控制。

3 系統(tǒng)方案設計

3.1 總體思路

針對模擬對象特點，本文采用想定加組件化模型驅動的方式，搭建仿真系統(tǒng)完成數據的模擬生成。仿真建模方面，不僅考慮裝備功能，還對戰(zhàn)場實體的行為邏輯進行抽象，以反映其任務特性以及自主對抗等能力。裝備、行為組件模型的靈活裝配能有效應對目標對象的多樣性、復雜性問題，而基于XML的想定文件，格式規(guī)范，信息標準，能夠確保偵察情報數據仿真的通用與互操作性。為了最大程度地逼近實戰(zhàn)應用場景，考慮從組織、任務、空間、時間以及信息交互等多個維度對偵察行動預案進行編排設計，按需生成想定腳本，以驅動仿真引擎加載相關規(guī)則模型，并根據預案腳本推進仿真時鐘，周期性地組織模型解算，完成目標狀態(tài)更新以及偵察信息獲取、處理與交互；按照作戰(zhàn)對抗環(huán)境下的因果邏輯完成偵察行動模擬與情報數據生成。

為進一步提高靈活性、交互性，在系統(tǒng)功能設計上引入實時干預與數據可視化，方便用戶根據實際模擬輸出，以人在回路的方式對仿真模擬進程實施實時監(jiān)視、控制，確保按照實際的應用需求生成最終仿真模擬結果。

3.2 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)采用開放式體系結構，在通用的仿真運算服務基礎上以組件化、構件化方式開發(fā)仿真模型與應用軟件，支撐偵察行動模擬與情報數據生成等系統(tǒng)功能應用。

仿真模擬系統(tǒng)架構如圖1所示，邏輯上由基礎資源層、運行支撐層、應用構件層、模型組件層和系統(tǒng)應用層等部分組成。

圖1 仿真模擬系統(tǒng)架構Fig.1 The simulation system architecture

基礎資源與運行支撐是仿真系統(tǒng)集成運行的基礎，包括系統(tǒng)運行、管理、維護所需的軟硬件環(huán)境與數據資源等。其中，數據資源主要包括存儲目標特征、規(guī)律的目標信息數據庫，模擬量化地理氣象等環(huán)境信息所需的戰(zhàn)場環(huán)境數據庫，存儲臨時狀態(tài)的過程數據庫，以及各階段仿真模擬輸出的偵察情報數據庫；運行支撐則主要包括系統(tǒng)集成、運行所需要的仿真引擎、時間管理、地理信息與數據分發(fā)服務等公共支撐環(huán)境。

應用構件與模型組件是整個系統(tǒng)的核心，其中應用構件主要包括滿足系統(tǒng)仿真應用所需的功能軟件集合，包括模型裝配、想定編輯、實時干預、數據采集與可視化等，為用戶按照實際應用需求開展偵察情報數據仿真提供必要的軟件工具支撐；模型組件主要包括根據模擬對象的類別和功能，按照組件化建模思路設計并開發(fā)的一系列裝備、行為與其他組件模型等，為仿真引擎完成場景解析與推演提供所需的規(guī)則和算法。

系統(tǒng)應用層主要面向應用提供典型系統(tǒng)功能配置，方便用戶按照相關使用規(guī)范制定仿真作業(yè)流程，完成系統(tǒng)的快速搭建，開展應用場景下的偵察行動模擬與情報數據生成。

3.3 工作流程

仿真系統(tǒng)典型工作流程如圖2所示，從偵察情報數據仿真應用背景出發(fā)，歷經模擬準備、仿真運行與分析評估3個階段；實際運用過程中，各階段之間存在狀態(tài)轉換，即可以根據仿真過程的實時評估結果對仿真模型與應用構建的配置參數進行動態(tài)調整以滿足真實應用需求。

圖2 仿真系統(tǒng)典型工作流程Fig.2 Workflow of the simulation system

其中，模擬準備階段主要基于軍事作戰(zhàn)概念完成仿真組件的設計、開發(fā)，并根據實際應用需求完成模型的組裝、配置，形成可部署的戰(zhàn)場實體仿真模型；同時利用想定編輯軟件根據模擬試驗方案加載相關模型，完成實體編成部署、任務及實施條件設置、機動路線與信息交互規(guī)劃等，形成結構化的想定文件。仿真運行階段則主要根據想定預案，結合模型定義的算法規(guī)則，配置仿真引擎的時間管理與事件調度機制，驅動模型周期性解算，輸出模擬結果。記錄的過程數據主要包括目標狀態(tài)參數、傳感器偵獲數據、通信交互信息、數據處理結果等。而分析評估階段主要根據應用需求建立評估指標，對仿真輸出結果進行分析評估，為仿真系統(tǒng)干預控制以及最終偵察情報數據采集生成提供參考。

4 關鍵技術

4.1 組件化建模

組件化仿真建模主要采用面向對象的思想[9]，通過自頂向下分解與自底向上歸納相結合的方式對戰(zhàn)場目標實體裝備與行為進行拆解、歸類，然后抽象建立仿真組件模型，讓一個完備的作戰(zhàn)實體通過多個組件模板組合而成，最大程度地提高仿真模型的專業(yè)性和復用性。

統(tǒng)籌戰(zhàn)場環(huán)境下敵我雙方偵察對抗行動仿真模擬需求，本文建立如表1所示的偵察情報仿真組件模型框架，主要包括裝備組件、行為組件兩大類。

表1 偵察情報仿真組件模型框架Tab.1 The architecture of reconnaissance and intelligence simulation component model

其中,裝備組件主要從物理結構與功能組成角度對仿真實體進行拆解，包括目標平臺、通信設備、武器彈藥與偵察傳感器等；行為組件則側重反映目標任務計劃與事件處理邏輯等，強調目標通過行為對其他實體與戰(zhàn)場環(huán)境施加影響，并且與其他實體發(fā)生信息交互，接受其行為影響改變自身狀態(tài)的能力，包括預警偵察、搜索發(fā)現、數據處理、電磁干擾與偵察指揮協同等。裝備與行為組件共同作用完成戰(zhàn)場實體的仿真建模，通過對其物理功能、運行流程、行為準則模擬，仿真其在戰(zhàn)場環(huán)境中偵察對抗能力與活動流程等。仿真推進所需的裁決、評估等其他模型并非本文的重點，在此不予贅述。

不失一般性，下面分別以雷達與偵察指揮協同為例闡述如何設計讓計算機理解并執(zhí)行的裝備與行為組件仿真模型的具體方法。

4.1.1 雷達模型

按照組件化建模思想，雷達可進一步拆分出天線、接收機與信號處理等裝備組件。本節(jié)側重于建模方法、流程介紹，因此直接將通用雷達作為裝備組件建模的基本對象單元。

具體地，裝備組件建模主要包括屬性與方法設計兩部分。通過對屬性賦值在信息域構建虛擬的裝備實體，屬性改變反映狀態(tài)的改變，如設備開關機等，方法則表征通過屬性控制裝備的能力生成過程；兩者共同作用反映不同裝備之間能力差異。針對戰(zhàn)場通用雷達，其屬性設計重點考慮發(fā)射功率、頻率、天線高度、增益、視場、探測范圍、接收機帶寬、最小可檢測功率、抗干擾系數等，而方法則需要對雷達通過發(fā)射特定功率電磁波對目標進行照射并接受回波，分析出目標距離、速度、高度等信息整個過程進行抽象。下面給出仿真雷達通用探測方法的偽代碼程序:

輸入：雷達屬性參數與戰(zhàn)場實體及其狀態(tài)數據集合M。

輸出：雷達可探測目標句柄與探測目標數據集合N。

Step 1 fori=1,2,…,m,遍歷戰(zhàn)場空間實體：

(1)對每個實體進行距離門限檢查：

if目標實體處于雷達探測范圍內next，

else continue；

(2)對每個實體進行視場檢查：

if雷達是矩形視場&目標在矩形視場內next，

else if雷達是圓形視場&目標在圓形視場內next，

else continue；

(3)對每個實體進行地形遮蔽檢查：

if目標實體在雷達的視距范圍內next，

else if目標實體與雷達天線之間的連線不被起伏的地形遮蔽 next，

else continue；

(4)根據雷達方程計算目標回波功率：

if雷達不被干擾&回波功率≥最小檢測功率next，

else if雷達被干擾&目標實體仍處于被干擾后雷達的可探測范圍 next，

else continue；

(5)通過上述系列檢查后：

目標句柄加入雷達可探測的目標實體隊列。

Step 2 fori=1,2,…,n,遍歷雷達可探測目標實體隊列：

根據目標實時狀態(tài)，結合雷達性能參數，計算目標探測結果，更新探測目標數據集合N。

Step 3 根據探測數據更新情況輸出最終結果，程序結束。

4.1.2 偵察指揮協同

相較于裝備組件建模，行為組件建模除了屬性與方法外還需要重點關注事件程序的設計，即何種條件下觸發(fā)何種方法進行何種戰(zhàn)術反應。

以偵察指揮協同行為建模為例，其行為實體主要是情報指揮所。行為實質是在偵察指揮過程中，由于不同傳感器功能原理、部署位置與實際工作狀態(tài)等差異，對特定目標、區(qū)域的偵察效能以及偵獲特征參數的類型各有側重；為實現目標信息全截獲，提高傳感器利用效率，指揮所下達指令，控制其下屬同類或者異類多傳感器之間相互協同，開展協同偵察。偵察指揮協同行為邏輯規(guī)則的抽象主要考慮以下內容：

(1)行為實體接收上級下達以及下級請求的目標、區(qū)域偵察任務，加入任務隊列，并進行目標威脅評估與任務優(yōu)先級排序。

(2)達到行為實體自主指揮下級實施偵察任務條件時，首先判斷是否存在固定常規(guī)兵力能夠對目標區(qū)域偵察覆蓋；若存在則計算常規(guī)兵力最優(yōu)組網偵察方案，完成目標分配，并指揮相關兵力按照計劃方案實施組網協同偵察。

(3)上述條件不成立，判斷是否存在可臨機調配的機動兵力能夠對目標區(qū)域偵察覆蓋，如存在則計算最優(yōu)的機動偵察預案，包括出動架次、時間、傳感器搭載、接續(xù)與航線規(guī)劃等，并指揮相關機動兵力開展機動偵察。

(4)在機動兵力實施偵察過程中，遍歷友方的所有戰(zhàn)場實體，判斷是否存在實體可為機動兵力提供信息支援，若存在則指揮該實體與機動兵力進行組網，對機動兵力實施引導支援。

(5)不斷更新任務隊列，并對任務狀態(tài)進行分析判斷，若不具備任務實施條件，直接報告上級指揮所，無任何應對行為；若任務完成或者出現目標駛離任務區(qū)域等任務終止情況時，指揮相關兵力終止偵察任務。

值得一提的是，上述建模過程中的威脅評估準則、目標分配原則、任務實施條件等均可編輯配置；模型提供通用關聯要素和優(yōu)化算法供用戶根據應用需求靈活組裝配置以提高行為組件模型柔性可重構的能力。

4.2 多維想定編輯

想定[10]是驅動仿真推演的計劃腳本，是確保最終仿真結果真實可信的重要前提。結合偵察情報數據仿真模擬特點，本文提出從組織、任務、時間、空間與信息交互等多個維度開展想定的協同設計，確保最終能夠形成時間上先后有序、能力上相互補充、行動上整體協調的偵察行動預案，最大程度地逼近實戰(zhàn)應用場景。

(1)組織維度：根據仿真模擬的目標對象組織編成關系，通過仿真實體的編成、指控、編隊與搭載關系等設置，完成組織維度上的編排設計。

(2)任務維度：根據不同兵力在偵察對抗行動仿真模擬中角色分配，通過加載預警偵察、搜索發(fā)現、電磁干擾與數據處理等行為組件，以及任務實施條件等規(guī)則參數設置，完成任務維度上的編排設計。

(3)空間維度：根據仿真的作戰(zhàn)應用場景下敵我雙方兵力布勢，結合不同兵力任務性質，通過不同地理空間中的仿真實體部署、機動路線、編隊隊形、活動區(qū)域，以及實體屬性改變與任務狀態(tài)轉移對空間的依賴等設置，完成空間維度上的編排設計。

(4)時間維度：根據作戰(zhàn)行動計劃，結合不同兵力任務性質，通過仿真實體搭載設備工作時間、各時間段的行動計劃和任務安排，以及實體屬性改變與任務狀態(tài)轉移對時間的依賴等設置，完成時間維度上的編排設計。

(5)信息交互：根據仿真實體任務屬性，結合任務對空間、時間的依賴關系，通過仿真實體搭載通信設備開關機、數據處理方式、信息交互對象與內容等設置，完成信息交互上的編排設計。

5 原型試驗

為了驗證本文提出的偵察情報數據模擬仿真方法的實用性與有效性，基于成熟商業(yè)仿真引擎搭建了偵察情報數據仿真原型系統(tǒng)。設計、開發(fā)并集成相關偵察情報裝備與行為組件模型，以及想定編輯、數據采集與可視化等基礎構件，并以組織我方通信偵察、電子偵察與雷達等多種手段對特定?？諈^(qū)域內敵方目標展開協同偵察、獲取偵察情報數據，完成標準格式封裝并輸出最終結果為作戰(zhàn)應用場景，從組織、任務、空間、時間以及信息交互等多個維度制作想定預案，并加載相關仿真模型驅動原型試驗。

圖3和圖4分別展示了設計、開發(fā)的雷達裝備組件模型屬性參數以及想定編輯過程中信息交互設置等原型功能界面。其中,雷達屬性除了裝備的基本功能、特性定義外，還加入了部分狀態(tài)參數設置，比如是否對空、是否對海與是否考慮地形遮蔽等。通過參數賦值、狀態(tài)勾選，以及與其他裝備、行為組件組合搭配，能夠靈活裝配出觀通站、雷達站、預警機等戰(zhàn)場實體以滿足偵察情報數據仿真需要。圖4重點展示了仿真系統(tǒng)在想定編輯過程中的信息交互設置功能，包括數據分發(fā)對象、數據類型、內容靈活選擇與配置等，圖例給出了仿真實體向電子對抗飛機分發(fā)某方向綜合態(tài)勢數據的信息交互設置。

圖3 雷達組件模型屬性參數Fig.3 The parameters of radar simulation model

圖4 想定編輯過程中信息交互設置Fig.4 Information interaction set in scenario editing

圖3、圖4證明了基于本文方法構建的仿真系統(tǒng)具有良好的開放性與柔性可重構能力，能夠有效應對情報偵察數據仿真多樣性、復雜性問題。

圖5給出了仿真系統(tǒng)在應用想定驅動下加載相關模型進行仿真推演，生成的偵察數據與情報事件記錄。具體地，當前仿真時刻，實體加載的裝備、行為組件能夠對目標或信號實現偵獲，則按照模型定義的規(guī)則、方法計算模擬的偵察情報數據輸出，并按指揮編成關系上報，形成“上傳”事件記錄。從圖中可以看出，同一時刻不同仿真實體偵察到的目標情況不同，短波能夠偵察覆蓋的目標數量更多。圖5右側同時給出了仿真實體的偵察數據輸出，包括目標類型、名稱、信號頻率以及目標位置等，這與短波信號偵測系統(tǒng)作用距離遠，以及所具備的特征參數測量、信號交會定位與目標類型識別等能力、特性一致。這充分證明了基于本文提出的組件化建模方法構建仿真模型的有效性。此外，通過想定編輯過程中信息交互對象靈活設置，我們可以看到情報處理中心接收多種手段偵察情報數據上報，包含不同手段針對同一目標或者不同目標的多種偵察數據，這為情報數據處理仿真給予了充分自由；而處理結果向機動平臺的自動“分發(fā)”則體現了加載的行為組件通過控制引導信息的自主分發(fā)實現偵察指揮協同模擬仿真，這進一步證明了本文提出的行為組件模型以及多維想定編輯思路對提高偵察情報數據模擬真實性、全面性的重要價值。

圖5 仿真推演過程中信息交互事件與仿真數據展示Fig.5 Information interaction event and data record in the simulating process

6 結束語

本文從偵察情報數據仿真需求出發(fā)，研究了實戰(zhàn)應用背景下偵察情報裝備、行為組件化仿真建模與多維度想定編輯方法，設計并實現了偵察情報數據仿真系統(tǒng)，為多樣化偵察情報作戰(zhàn)應用仿真提供了工程化實踐方法，為仿真運行環(huán)境下開展偵察預案研究以及數據挖掘、機器學習等新算法評估優(yōu)化提供了有力支撐。今后將在此基礎上進一步細化相關裝備與行為規(guī)則模型，并通過仿真探索情報與作戰(zhàn)如何有機協同，在工程實踐中提高系統(tǒng)的魯棒性與適應性。

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Design of an Operation-oriented Reconnaissance and Intelligence Simulation System

DAI Lican

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

For the application of reconnaissance and intelligence simulation in operational environment,a new strategy is proposed in which users are allowed to build the simulation models and edit scenarios in a more flexible way. Specifically,the strategy simulates the entities both from their equipment and behavior,and edits the simulation scenarios with a complete plan of organization structure,mission,space,time and information interaction,which can directly drive the simulation engine to load the required models and output reasonable results. The simulation experiment results demonstrate the new method’s practicality and effectiveness.Key words：reconnaissance and intelligence simulation;simulation modeling;scenario editor;dynamic deduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.013

戴禮燦.面向作戰(zhàn)的偵察情報數據仿真系統(tǒng)設計[J].電訊技術，2017,57(7):806-812.[DAI Lican.Design of an operation-oriented reconnaissance and intelligence simulation system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):806-812.]

2017-02-27；

2017-06-05 Received date:2017-02-27；Revised date：2017-06-05

TN971;TP391.9

A

1001-893X(2017)07-0806-07

戴禮燦(1985—)，男，四川綿陽人，2013年于中國科學技術大學獲工學博士學位，現為工程師，主要從事系統(tǒng)總體設計與信息處理工作。

Email：253383769@qq.com

**通信作者：253383769@qq.com Corresponding author：253383769@qq.com