裝備效能評估與建模仿真技術(shù)

焦 遜，岳秀清，常 凱

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100083)

0 引言

裝備系統(tǒng)效能評估是進(jìn)行武器裝備體系發(fā)展戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)。未來高技術(shù)戰(zhàn)爭，影響武器裝備系統(tǒng)效能發(fā)揮的因素越來越多,裝備系統(tǒng)效能評估的復(fù)雜性與不確定性,使裝備系統(tǒng)效能評估從單純依靠運(yùn)籌學(xué)方法向運(yùn)籌學(xué)方法與系統(tǒng)工程方法等綜合運(yùn)用不斷發(fā)展。本文首先從效能評估的概念出發(fā)，介紹了目前裝備系統(tǒng)效能評估過程、方法以及國外典型的仿真評估系統(tǒng)。在當(dāng)前的復(fù)雜電磁環(huán)境下，建模與仿真面臨著數(shù)據(jù)量大、不確定因素多等挑戰(zhàn)，總結(jié)提出了跨層次(平臺)仿真建模技術(shù)和多分辨率(模型)仿真建模技術(shù)，為今后仿真分析評估系統(tǒng)建設(shè)提供了完整解決方案。

1 裝備系統(tǒng)效能評估概念

目前,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對“裝備系統(tǒng)效能”的定義中,有影響的主要有以下幾種：

美國業(yè)界認(rèn)為，裝備系統(tǒng)效能是在規(guī)定條件下使用裝備系統(tǒng)時,系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)要求的概率；裝備系統(tǒng)能在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)之程度的指標(biāo)；裝備系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)需要的概率等。

我國學(xué)術(shù)界認(rèn)為，裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)效能主要體現(xiàn)在裝備完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)能力的大?。辉谝?guī)定的條件下達(dá)到規(guī)定使用目標(biāo)的能力；從系統(tǒng)工程角度來看，裝備系統(tǒng)效能還應(yīng)包括其可用度、可靠度和保障度等。

綜合國內(nèi)外關(guān)于“裝備系統(tǒng)效能”的定義，我們認(rèn)為電子對抗裝備系統(tǒng)效能評估是指利用一切可能的手段定量計(jì)算和評估電子對抗裝備系統(tǒng)或作戰(zhàn)行動在執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)時所能達(dá)到的預(yù)期可能目標(biāo)的程度。對電子對抗裝備系統(tǒng)效能進(jìn)行評估，不僅要綜合運(yùn)用現(xiàn)有的系統(tǒng)效能評估方法，而且也需要創(chuàng)新性運(yùn)用裝備系統(tǒng)效能評估新方法。

2 裝備系統(tǒng)效能評估過程及方法

目前，我裝備系統(tǒng)效能評估可概括為四個階段和四種方法。

四個階段主要包括：1)論證階段的科研試驗(yàn)。主要利用軍內(nèi)論證科研條件，采用數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真等手段，進(jìn)行裝備的作戰(zhàn)效能和體制試驗(yàn)。2)樣機(jī)科研實(shí)驗(yàn)。主要利用模擬目標(biāo)在外場對裝備作用距離、干擾能力等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和性能進(jìn)行檢驗(yàn)。3)裝備定型試驗(yàn)。主要采用靜態(tài)方法進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)及外場動態(tài)試驗(yàn)，對裝備戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)效能等進(jìn)行檢驗(yàn)評估。4)部隊(duì)演習(xí)演練。主要采用實(shí)裝對抗和模擬對抗相結(jié)合的方式，對裝備進(jìn)行綜合作戰(zhàn)效能評估。

四種方法主要包括：1)仿真試驗(yàn)法。仿真試驗(yàn)包括數(shù)字仿真試驗(yàn)和半實(shí)物仿真試驗(yàn)，其中：數(shù)字仿真試驗(yàn)主要利用構(gòu)建的系統(tǒng)模型進(jìn)行作戰(zhàn)試驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后得出效能指標(biāo)結(jié)果；半實(shí)物仿真試驗(yàn)與數(shù)字仿真試驗(yàn)在功能上形成互補(bǔ)，主要通過產(chǎn)生信號級仿真數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)和驗(yàn)證裝備作用機(jī)理的有效性和真實(shí)作用效果。2)等效試驗(yàn)法。一般用于真實(shí)對抗目標(biāo)無法獲取、試驗(yàn)場景難以保證等情況下，通過在試驗(yàn)或演習(xí)中搭建的等效縮比場景，對裝備的關(guān)鍵指標(biāo)和作戰(zhàn)能力進(jìn)行實(shí)測，結(jié)合對抗目標(biāo)的技術(shù)參數(shù)和裝備使用特點(diǎn)，利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論推算，最終得出裝備在近似實(shí)戰(zhàn)條件下的能力。3)實(shí)裝試驗(yàn)法。主要利用與真實(shí)對抗目標(biāo)相同的裝備作為配試目標(biāo)，對武器裝備的性能進(jìn)行實(shí)際測試。4)實(shí)兵演練法。主要結(jié)合人員因素對武器裝備的綜合效能進(jìn)行評估檢驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注裝備在“人”的因素下綜合發(fā)揮出的效能。

美軍裝備系統(tǒng)效能評估中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：研制試驗(yàn)鑒定檢驗(yàn)、實(shí)際目標(biāo)對抗試驗(yàn)鑒定檢驗(yàn)和作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定檢驗(yàn)。通過分析對比可以發(fā)現(xiàn)，我軍和美軍的裝備效能評估方法和過程基本相類似，而且鑒于武器裝備系統(tǒng)的復(fù)雜性、試驗(yàn)條件和環(huán)境的苛刻性以及作戰(zhàn)效果的難以檢測性等，通常都在不同試驗(yàn)與評估階段將作戰(zhàn)仿真與建模技術(shù)、作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)方法作為效能評估檢驗(yàn)的重要手段。

3 典型軍事仿真分析評估系統(tǒng)

現(xiàn)代仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種綜合性技術(shù)，其主要優(yōu)勢在于具有可控制性、無破壞性、耗費(fèi)小、允許多次重復(fù)等。目前，世界各國均已認(rèn)識到仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的巨大作用，將軍用仿真領(lǐng)域的競爭視為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“超前智能較量”，并把建模與仿真看作“軍隊(duì)和經(jīng)費(fèi)效率的倍增器”以及影響國家安全和繁榮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 國外軍事仿真系統(tǒng)

目前，美軍有大量實(shí)用化的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。例如，聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)主要用于戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)仿真，是一個專業(yè)化水準(zhǔn)很高的推演仿真系統(tǒng)，包括作戰(zhàn)計(jì)劃與實(shí)施、兵力評估研究、系統(tǒng)采辦分析及概念與條令開發(fā)等；聯(lián)合仿真系統(tǒng)(JSIMS)可以對國家戰(zhàn)略、聯(lián)合作戰(zhàn)乃至戰(zhàn)術(shù)層內(nèi)容(包括兵力機(jī)動、部署、作戰(zhàn)、補(bǔ)給等任務(wù))進(jìn)行仿真；聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)(JMASS)則是應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)和工程設(shè)計(jì)層次上的建模與仿真系統(tǒng)；聯(lián)合戰(zhàn)役級仿真系統(tǒng)(JTLS)是計(jì)算機(jī)輔助的交互式模擬系統(tǒng)，最多可模擬10方參加的空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、陸戰(zhàn)、后勤、特種部隊(duì)作戰(zhàn)和情報(bào)支援等行動；聯(lián)合半自動兵力系統(tǒng)(JSAF)是美軍聯(lián)合作戰(zhàn)試驗(yàn)和訓(xùn)練的重要工具，支持測試與評估、訓(xùn)練、試驗(yàn)等多種應(yīng)用；戰(zhàn)士仿真系統(tǒng)(WARSIM 2000)是美陸軍的推演訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，能夠?yàn)樵诼?lián)合作戰(zhàn)或合成作戰(zhàn)的作戰(zhàn)想定下進(jìn)行訓(xùn)練的營到戰(zhàn)區(qū)級的指揮員和參謀人員提供較為真實(shí)的仿真訓(xùn)練環(huán)境；擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)是一個集分析、訓(xùn)練和作戰(zhàn)規(guī)劃于一體的多功能仿真系統(tǒng)。

3.2 軍事仿真系統(tǒng)分類與設(shè)計(jì)

軍事仿真系統(tǒng)按用途可分為測試仿真、訓(xùn)練仿真和分析仿真等。測試仿真主要用于裝備采辦，特別是作戰(zhàn)環(huán)境下武器裝備的鑒定定型和新概念武器先期技術(shù)演示等。訓(xùn)練仿真又可分為裝備使用訓(xùn)練和指揮人員訓(xùn)練，主要用于訓(xùn)練人與裝備的有機(jī)結(jié)合，提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。分析仿真主要用于新概念武器與技術(shù)應(yīng)用研究、作戰(zhàn)理論研究、條令/條例制定、部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力評估、作戰(zhàn)方案優(yōu)化與作戰(zhàn)計(jì)劃分析評估、武器裝備體系論證和戰(zhàn)技指標(biāo)論證等。

軍事仿真分析評估系統(tǒng)是軍事仿真系統(tǒng)的重要內(nèi)容，按照完成的使命空間，可分為：用于粗粒度模型作戰(zhàn)方案推演優(yōu)化(如探索性分析仿真)，用于作戰(zhàn)計(jì)劃的檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)評估與分析，用于在線輔助決策支撐、軍事能力建設(shè)(如人事、裝備、保障體系等)。因此，在仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，首先必須面向?qū)ο蠼?，從原來的可靜態(tài)配置到既可靜態(tài)配置又可動態(tài)組合，這也是從根本上確保了仿真組件的即插即用；其次要考慮仿真分析系統(tǒng)互操作內(nèi)容，包括人-機(jī)互操作、機(jī)-機(jī)互操作、作戰(zhàn)實(shí)體之間的互操作等；最后，為滿足仿真運(yùn)行效率，還要考慮高速計(jì)算的要求。

軍事仿真分析評估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：仿真系統(tǒng)框架、仿真引擎和仿真實(shí)體(即仿真模型、數(shù)據(jù)等)。仿真系統(tǒng)框架可分為集中式、分布式等，需同時具有可靠性、擴(kuò)展性、兼容性等；仿真引擎必須按使用需求分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為連續(xù)仿真、離散仿真、混合仿真、認(rèn)知推理仿真；仿真實(shí)體主要包括按功能分類的模型體系，如指控模型、裝備模型、設(shè)施模型、環(huán)境模型和評估模型等。軍事仿真分析評估系統(tǒng)集成運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軍事仿真分析評估系統(tǒng)集成運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意圖

4 建模與仿真技術(shù)

4.1 面臨挑戰(zhàn)

盡管建模與仿真技術(shù)已在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但具有史無前例規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)的出現(xiàn)、數(shù)據(jù)如洪水泛濫般增長、基礎(chǔ)計(jì)算平臺的革命性變化等仍給建模與仿真帶來了巨大的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在：一是概念建模方面；二是計(jì)算方面；三是不確定性方面；四是建模與仿真重用方面。

裝備效能仿真模型在仿真系統(tǒng)中的核心地位越來越重要。圍繞仿真分析評估系統(tǒng)的應(yīng)用，已形成不同層次的仿真模型。按照模型分辨率由高到低的順序，可將裝備效能仿真模型劃分為四個層次：工程仿真層、交戰(zhàn)仿真層、使命仿真層和體系仿真層。

以美軍的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)和聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)(JMASS)為例，為了檢驗(yàn)和評估武器系統(tǒng)在體系條件下的作戰(zhàn)效能，通常兩個系統(tǒng)會采取聯(lián)合仿真運(yùn)行方式，相互支持，滿足不同層次、不同分辨率的分析與評估需求。在作戰(zhàn)訓(xùn)練中，聯(lián)合沖突戰(zhàn)術(shù)仿真系統(tǒng)(JCATS)與聯(lián)合戰(zhàn)役級仿真系統(tǒng)(JTLS)進(jìn)行HLA聯(lián)邦集成，構(gòu)成JTLS-JCATS聯(lián)邦以支持應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練等。

4.2 跨層次仿真建模技術(shù)

跨層次仿真建模的基本思想可以歸納為分層次仿真與跨層次聚合。分層次仿真是指將當(dāng)前所研究的復(fù)雜仿真評估系統(tǒng)由高到低分解為若干仿真層次，并建立高層仿真對低層仿真的指導(dǎo)關(guān)系?？鐚哟尉酆蟿t是指將低層仿真的結(jié)果聚合到高層仿真中，并建立低層仿真對高層仿真的支持關(guān)系。

圖2 裝備系統(tǒng)效能評估仿真跨層次建模示意圖

跨層次仿真建模技術(shù)的核心是建構(gòu)、解構(gòu)、擬合與聚合四個活動，它們之間相互依賴——解構(gòu)建立在建構(gòu)基礎(chǔ)上，擬合建立在解構(gòu)基礎(chǔ)上，聚合則建立在擬合基礎(chǔ)上。通過建構(gòu)、解構(gòu)、擬合、聚合的遞進(jìn)過程，一方面可降低模型復(fù)雜度，提高對多維不確定性空間的探索性，有利于促進(jìn)方案的穩(wěn)健設(shè)計(jì)；另一方面可建立不同層次的仿真系統(tǒng)間的有機(jī)聯(lián)系，使得高層次仿真約束低層次仿真，低層次仿真反過來又支撐高層次仿真。

圖3給出了在工程仿真、專題仿真、交戰(zhàn)仿真、使命仿真與戰(zhàn)役仿真等層次間應(yīng)用跨層次仿真建模技術(shù)的參考模型實(shí)例。圖中既表達(dá)了特定仿真層次上的“建?！獙?shí)驗(yàn)—評估”過程，也表達(dá)了跨仿真層次間的“建構(gòu)—解構(gòu)—擬合—聚合”過程。圖中SES表示系統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)，MF表示模型框架，EF表示實(shí)驗(yàn)框架。

4.3 多分辨率仿真建模技術(shù)

以復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備作戰(zhàn)能力檢驗(yàn)評估仿真為例，論述基于元模型的多分辨率統(tǒng)一建模技術(shù)。復(fù)雜電磁環(huán)境下的元模型建模參考框架，如圖4所示。

圖3 跨層次仿真建模技術(shù)參考模型實(shí)例

圖4 復(fù)雜電磁環(huán)境的元模型建模參考框架

通過確定需要仿真的裝備體系對抗環(huán)境范圍及組成，并對其進(jìn)行描述，提取出關(guān)注的模型(屬性、行為等)及交互(約束)，最終對裝備體系對抗作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行元模型建模，即實(shí)現(xiàn)模型、屬性、行為、交互和約束等的元模型建模。利用元模型建模參考框架，可獲知建立元模型的基本需求和過程，也為元模型的建模粒度提供了指導(dǎo)?；谠Ｐ偷姆抡娼＜夹g(shù)，有利于仿真模型的統(tǒng)一開發(fā)與集成，提高了模型可重用性。

為滿足不同層級的仿真需求，復(fù)雜電磁環(huán)境下仿真建模粒度可分為能力級模型、功能級模型和信號級模型。

能力級模型以分解的元模型為基礎(chǔ)，是一組頂層的、概念化的仿真模型，以裝備系統(tǒng)/體系的整體作戰(zhàn)能力要素為表征，同時附帶主要戰(zhàn)技參數(shù)的形式呈現(xiàn)。該層級仿真建?？扇娣从逞b備作戰(zhàn)能力，又易于擴(kuò)展，其主要用于支持作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)、戰(zhàn)法理論研究和裝備頂層設(shè)計(jì)等。能力級模型通?？刹扇”砀窕?、參數(shù)化的設(shè)計(jì)，以XML可擴(kuò)展的語言進(jìn)行描述。

功能級模型是對客觀實(shí)體的功能抽象，同樣以分解的元模型為基礎(chǔ)，以邏輯和數(shù)學(xué)表達(dá)的方式來描述元模型系統(tǒng)功能及其相互關(guān)系，整體體現(xiàn)元模型的外在功能和交互影響。復(fù)雜電磁環(huán)境下的功能級仿真按元模型框架可分為實(shí)體元模型、指揮元模型、行為元模型和環(huán)境元模型等。

信號級模型是以裝備輻射的電磁信號和信號處理模塊(元模型)為建模對象，通過對信號參數(shù)化描述、信號PDW描述，最終以數(shù)字化中頻輸出(如圖5所示)來實(shí)現(xiàn)對信號的產(chǎn)生和處理過程，主要用于裝備局部、細(xì)粒度的信號處理、抗干擾性能和復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性等性能仿真研究。

圖5 復(fù)雜電磁環(huán)境信號級仿真建模示意圖

5 結(jié)束語

著眼未來實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和裝備發(fā)展需求，需加強(qiáng)軍用仿真系統(tǒng)和仿真技術(shù)體系的頂層規(guī)劃與設(shè)計(jì)，盡快論證和確立軍用仿真系統(tǒng)的發(fā)展總體規(guī)劃，并結(jié)合不同軍種和應(yīng)用層次的作戰(zhàn)訓(xùn)練、裝備發(fā)展需要，制定預(yù)研、研制、改造及配套的仿真系統(tǒng)方案與研制計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上開展軍用仿真技術(shù)體系梳理，明確軍用仿真技術(shù)體系架構(gòu)、技術(shù)方向和發(fā)展重點(diǎn)等，促進(jìn)仿真技術(shù)體系的快速建立。同時還需完善軍用仿真系統(tǒng)的研制開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為系統(tǒng)的互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)。

從電子對抗裝備能力評估仿真建模技術(shù)角度，應(yīng)加強(qiáng)仿真支撐技術(shù)研究與應(yīng)用，構(gòu)建綜合一體化仿真環(huán)境，進(jìn)一步加強(qiáng)裝備多分辨率建模技術(shù)、復(fù)雜電磁環(huán)境建模技術(shù)、行為建模技術(shù)、仿真分析評估技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)、嵌入式仿真技術(shù)等軍用仿真支撐技術(shù)，盡快構(gòu)建可聯(lián)合內(nèi)外靶場、多軍兵種適用，集合裝備試驗(yàn)、作戰(zhàn)訓(xùn)練和效能評估于一體化的綜合仿真實(shí)驗(yàn)/試驗(yàn)環(huán)境?！?/p>