軍事仿真分析評估系統(tǒng)評估分析

趙鑫業(yè)，劉傳波，高成志，王 超

（1.海軍大連艦艇學(xué)院, 大連 116018；2.海裝駐武漢地區(qū)軍事代表局, 武漢 430000）

軍事仿真分析評估系統(tǒng)（Military Simulation Analysis and Evaluation System，MSAES）［1］是新時期面向信息化作戰(zhàn)較為先進的構(gòu)造仿真系統(tǒng)，它以聯(lián)合條令為依據(jù)描述聯(lián)合活動、過程和軍事行動。MSAES是面向軍事作戰(zhàn)戰(zhàn)役級層次仿真系統(tǒng)［2-5］，可以描述未來的戰(zhàn)爭，用于輔助概念開發(fā)、軍事力量分析和活動過程分析等。MSAES需要完成的使命包括想定、執(zhí)行和評估應(yīng)用，如探索性分析；用于作戰(zhàn)計劃的檢驗、統(tǒng)計評估與分析；在線輔助決策支撐；軍事能力建設(shè)等。

隨著信息技術(shù)的深入發(fā)展以及信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛運用，聯(lián)合作戰(zhàn)的形式已經(jīng)從合作性聯(lián)合作戰(zhàn)、協(xié)同性聯(lián)合作戰(zhàn)，發(fā)展到一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的高級階段。想定是進行作戰(zhàn)仿真的基本前提，無論傳統(tǒng)的軍事演習(xí)還是現(xiàn)代計算機作戰(zhàn)仿真都離不開想定，作戰(zhàn)仿真的基本依據(jù)來源于想定。一體化聯(lián)合作戰(zhàn)想定是MSAES 的重要組成部分，為MSAES 的運行提供了初始和作戰(zhàn)任務(wù)。

1 MSAES想定及執(zhí)行

MSAES 想定是指在預(yù)判敵方兵力部署及可能采取行動的基礎(chǔ)上，根據(jù)首長擬制的對作戰(zhàn)進程和戰(zhàn)法的設(shè)想，內(nèi)容通常包括情況判斷結(jié)論，上級企圖和本部隊任務(wù)，友鄰任務(wù)及作戰(zhàn)分界線，各部隊的編成、配置和任務(wù)，作戰(zhàn)階段劃分，各階段情況預(yù)想及處置方案，保障措施、指揮的組織等。作戰(zhàn)想定的科學(xué)性和合理性在一定程度上決定了其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，因此必須通過科學(xué)的手段對作戰(zhàn)想定進行評估［6-7］。針對聯(lián)合作戰(zhàn)想定多因素、非線性、非結(jié)構(gòu)化和高度復(fù)雜性等特征，僅僅依靠專家評估必然帶來主觀性和不確定性。據(jù)此，MSAES系統(tǒng)裝備了一系列用于宏觀分析和微觀分析的工具。這些工具包括回放工具、搜集相關(guān)戰(zhàn)役結(jié)果的工具，以及數(shù)據(jù)后處理工具。

MSAES 的輸出和分析工具是以作戰(zhàn)需求文檔（Operational Requirements Document，ORD）為指南進行的拓展和修訂。ORD 文檔指定了MSAES 執(zhí)行的分析類型［8-10］。MSAES 的評估分析主要關(guān)注兩個部分，一是行動方案分析，二是火力充足性分析。進而支持系統(tǒng)的效能分析以及概念和條令的開發(fā)和評估。ORD 要求系統(tǒng)輸出和分析工具應(yīng)該具有以下功能：（1）能夠協(xié)助確定某種運行結(jié)果的因果關(guān)系；（2）能夠追溯數(shù)據(jù)取值的全過程：用戶如果在系統(tǒng)某個應(yīng)用程序中修改了參數(shù)取值，系統(tǒng)應(yīng)該能夠從基準值出發(fā)追溯所有發(fā)生的變化，從而對輸出結(jié)果進行相應(yīng)的分析與標示；同時，在進行檢索查詢時，還應(yīng)該對輸入數(shù)據(jù)值進行全局比較，確定哪些值進行了怎樣的修改，產(chǎn)生了哪些結(jié)果。

MSAES中涉及的主要定義包括以下幾個。

（1）想定（Scenario）：一個具體化的問題域輸入數(shù)據(jù)集（環(huán)境、戰(zhàn)斗順序、計劃、系統(tǒng)性能參數(shù)等）；（2）隨機試驗（Replication）：想定的一次單獨運行，每次運行對應(yīng)特定的初始隨機數(shù)種子；（3）一組運行試驗（Run）：想定數(shù)據(jù)設(shè)置加上用戶選擇的控制數(shù)據(jù)，包括想要采集的數(shù)據(jù)、運行的次數(shù)等，通常一組運行試驗包含多次隨機試驗；（4）組運行描述：對每一組運行試驗的一個運行參數(shù)組描述。

MSAES 想定支持所有系統(tǒng)設(shè)計的試驗?zāi)繕撕驮囼烅椖?，同時，也為作戰(zhàn)試驗的軍事概念模型、數(shù)學(xué)模型、仿真模型等的建立提供基本依據(jù)。想定的構(gòu)建十分精細，如果對想定中微小的數(shù)據(jù)進行了修改，就會變成另外一個想定。用戶如果需要更改想定，必須對想定名稱進行更改，使想定名稱和實際的問題域數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。該規(guī)則的嚴格執(zhí)行是MSAES 事后分析可追溯的關(guān)鍵。

對于一個特定的想定，仿真的一次執(zhí)行一般為一組運行試驗。一組運行常常包括一系列的隨機試驗，實際上一個想定的多次隨機試驗經(jīng)常分布于多組運行中，如圖1 所示。處理多次隨機試驗輸出的關(guān)鍵是收集這些隨機試驗，確保消除冗余，比如以相同的隨機數(shù)發(fā)生器和相同的隨機數(shù)種子為特征的隨機試驗。運行執(zhí)行的時候，系統(tǒng)為每組運行分配一個身份識別碼，比如J2021-08-14-120143820000。

圖1 多次想定執(zhí)行示意圖Fig.1 Schematic diagram of execution of multiple scenarios

組運行描述的參數(shù)包括：需要觸發(fā)的工具（Instrument）、需要觸發(fā)的消息（Message）、執(zhí)行隨機試驗的數(shù)量、使用的隨機數(shù)發(fā)生器、開始的隨機數(shù)種子、模擬想定持續(xù)時間等。如果需要為一個新的想定建立一個新的運行，就可以從已經(jīng)有的運行進行復(fù)制，然后根據(jù)需要對運行描述做局部修改，使修改后的運行描述能夠關(guān)聯(lián)新的想定。

2 MSAES輸出數(shù)據(jù)分析

MSAES 輸出數(shù)據(jù)的產(chǎn)品為基本要素分析（Essential Element of Analysis，EEAs）報告，EEAs是由度量（Measures）完成量化，度量是由仿真過程工具收集的數(shù)據(jù)元素（Data Element）計算出來的。

2.1 數(shù)據(jù)元素

數(shù)據(jù)元素為MSAES 仿真運行中收集到的原子級變量，例如：經(jīng)緯度、方位、單元ID、導(dǎo)彈類型等最基本的數(shù)據(jù)。

2.2 規(guī)范化輸出

規(guī)范化輸出是對仿真運行過程中采集到的原始數(shù)據(jù)進行集合（這是對最基本的數(shù)據(jù)的一種集合）之后的形式化輸出［11-12］。規(guī)范化輸出的標題字段用于確定數(shù)據(jù)元素，每一行是每一次激活的記錄。以第一行記錄為例進行說明，前面的四個字段是一樣的，即運行ID、隨機試驗ID、序列ID 和仿真時間。（1）運行ID：規(guī)范化輸出的標示。（2）隨機試驗ID：用于鑒別相關(guān)的隨機試驗，用于區(qū)分存儲在一個文件里的不同的隨機試驗。（3）序列ID：記錄在一個隨機試驗中規(guī)范化輸出的觸發(fā)順序，經(jīng)常有許多規(guī)范化輸出是在同一個仿真時間同時觸發(fā)，此時序列ID 就用來決定實際觸發(fā)的規(guī)范化輸出的順序。（4）仿真時間：代表仿真所用的時間。

2.3 度量

度量是從數(shù)據(jù)元素計算出來的一種量化結(jié)果，MSAES 也用度量來計算規(guī)范化輸出和需要的數(shù)據(jù)元素。度量對量化戰(zhàn)役分析是非常重要的。目前為止，度量是在線下由用戶以表格或者關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的方式構(gòu)建完成的。MSAES有許多已有的度量，大多數(shù)是從聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)列表中移植過來的，也補充了其他相關(guān)的度量。

2.4 報告

報告是一系列用來幫助回答一個或者多個EEAs的、已經(jīng)被處理成圖形或者表格的規(guī)范化輸出和度量。目前MSAES 通過人機界面提供了一些標準的報告。根據(jù)用戶需求，在MSAES 發(fā)展過程中還會增加很多標準的報告。目前，需要評估分析工具進行大量的電子表格和數(shù)據(jù)庫工作以產(chǎn)生對指揮員起重要作用的報告。

2.5 基本要素分析

基本要素分析可以從兩方面理解：（1）指揮員對總體性問題的描述（例如：X 戰(zhàn)區(qū)的軍事力量能夠阻止M國在n 天時間內(nèi)從ZZ 地區(qū)推進到Y(jié)Y 地區(qū)嗎）；（2）一種選擇并管理能回答這些問題的工具和度量的工具。

2.6 其他輸出

此外，輸出還包括在仿真運行過程中用戶工作臺產(chǎn)生的信息。

（1）消息（Message）：類似字符串的調(diào)試信息，由特定的仿真事件觸發(fā)，寫入消息記錄中。

（2）消息類別（Message Category）：一組邏輯化的信息，例如“仿真模型-火力”。

（3）消息記錄（Message Log）：MSAES 隨機試驗過程中產(chǎn)生信息的順序文件，用戶可以在運行過程中選擇顯示這些在消息記錄窗口中的記錄，并在結(jié)束后進行保存。一個記錄，是提供給用戶監(jiān)視一個隨機試驗執(zhí)行的一種途徑。消息記錄在MSAES 開發(fā)和調(diào)試過程中大量使用，在運行時可以進行選擇是否需要產(chǎn)生。

（4）激活地圖顯示：用戶可以使用地圖顯示工具選擇監(jiān)視隨機試驗的過程，地圖提供了交互式工具，可以完成縮放、選擇地圖分類、顯示單元類別、邊界設(shè)定、界定關(guān)注區(qū)域等任務(wù)。該功能在MSAES 開發(fā)、想定構(gòu)建、分析過程中非常重要。

3 MSAES評估分析過程

為了達到MSAES 評估分析的目標，MSAES 的研發(fā)人員和有經(jīng)驗的軍事專家一起總結(jié)了MSAES 的迭代升級過程，概括起來主要包含以下8 個重要步驟［13-15］：（1）從指揮員中獲取并學(xué)習(xí)作戰(zhàn)需求；（2）制定分析框架，包括目的、EEAs、假設(shè)、想定時間框架、戰(zhàn)場、分辨敵方和友軍軍事力量；（3）定義用來解釋作戰(zhàn)需求制定的事件或者是問題的效能指標；（4）制訂詳細的研究方案，比如制定明確的運行定義、需要的統(tǒng)計顯著性、需要的仿真數(shù)據(jù)量；（5）運行仿真；（6）降低數(shù)據(jù)量，從而提供總結(jié)性的統(tǒng)計量數(shù)值，并根據(jù)系統(tǒng)分析人員進行試驗回顧和統(tǒng)計對比的需要，收集整理適當?shù)慕Y(jié)果數(shù)據(jù)；（7）針對關(guān)注的問題，反復(fù)運行仿真試驗，對相關(guān)參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的取值；（8）生成包含分析結(jié)果、得出結(jié)論、提供建議的評估簡報。

在實際應(yīng)用中，進行戰(zhàn)役分析通常需要完成其他的分析處理，從而對顯著性分析進行監(jiān)控，對仿真結(jié)果獲得深入全面的理解，對于某些非正常結(jié)果進行有效解釋和理解，并對從仿真結(jié)果引發(fā)的新問題進行回應(yīng)和處理。一般的分析工作流如圖2所示。工作流包含兩個不同類型的分析：單次隨機試驗（Single-Replication）分析和多次隨機試驗（Multiple-Replication）分析。沒有陰影的文本框表示在人機界面接口（Human Computer Interface，HCI）中是可以實現(xiàn)的。陰影部分的文本框表示更復(fù)雜的分析活動必須在HCI之外進行完成，包括試驗設(shè)計深入到執(zhí)行代碼層以更好地理解復(fù)雜的交互、準備評估簡報和報告等，這部分內(nèi)容可以提供給系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析師進行后續(xù)處理。

圖2 典型戰(zhàn)役分析工作流Fig.2 Typical battle analysis workflow

4 MSAES的評估分析類別

4.1 單次隨機試驗分析

單次隨機試驗（Single-Replication）分析主要面向的是微觀分析，關(guān)注驗證和確認（Verification &Validation）功能。當前的態(tài)勢顯示、仿真回放工具、消息日志等都是用于單次隨機試驗分析的重要工具。另外，MSAES 提供了一個包含宏的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以及相應(yīng)的查詢數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以將規(guī)范化輸出快速轉(zhuǎn)化成指揮員易于理解的清晰的文本文檔。系統(tǒng)輸出的報告可用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析師檢查合理性或者用于生成簡報。難于解釋的結(jié)果可以由系統(tǒng)開發(fā)程序員在執(zhí)行仿真過程中以調(diào)試模式進行分析，盡管十分繁瑣，但這種分析過程可以識別仿真過程中的錯誤和缺陷。

4.2 多次隨機試驗分析

多次隨機（Multiple-Replication）試驗主要面向的是宏觀分析，是MSAES 的主要分析模式，只有在該模式下才可能獲得關(guān)于作戰(zhàn)想定、兵力滿足性或者系統(tǒng)權(quán)衡統(tǒng)計上的有效結(jié)論。圖3 顯示的是一個以宏觀分析模式對戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈攔截示例的輸出。

圖3 宏觀分析模式示例Fig.3 Example of macro analysis mode

多次隨機試驗分析關(guān)注仿真結(jié)束累計結(jié)果的統(tǒng)計，通過對相關(guān)的單次隨機試驗分析記錄并進行圖形化的比較，可提供有意義的解釋和闡述。一個對藍方坦克打擊的毀傷統(tǒng)計分析示例如圖4所示。

圖4 隨機分析示例Fig.4 Random analysis example

多次隨機試驗輸出數(shù)據(jù)的分析，一般步驟如下：通過手動的方式使用電子表格進行分析是比較復(fù)雜、容易出現(xiàn)錯誤的。更加復(fù)雜的是對于分布在不同的組運行試驗之間的同一想定，怎樣收集相關(guān)的隨機試驗，圖5 顯示了實際隨機集成過程的復(fù)雜性，包括避免統(tǒng)計過程中冗余的隨機試驗。MSAES 開發(fā)了一個裝載宏電子表格軟件，用來對選定的工具進行自動操作，比如生成各種殺傷記分板。隨機分析工具能夠收集想定的有效隨機試驗，消除多余的隨機試驗，并且通過以下幾個步驟進行分析，將分析時間從幾個小時縮短到幾分鐘。

（1）把工具數(shù)據(jù)導(dǎo)出成CSV（Comma-Separated-Variable）文件；（2）轉(zhuǎn)化和精煉系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析師使用的仿真輸出數(shù)據(jù)；（3）定義反復(fù)試驗中具有顯著意義的累計變量；（4）通過反復(fù)試驗計算累計變量的統(tǒng)計分析結(jié)果；（5）呈現(xiàn)圖形化的結(jié)果。

通過多次隨機試驗統(tǒng)計的有效對比，可能產(chǎn)生更加令人驚奇的結(jié)果，從而導(dǎo)致更進一步的分析反復(fù)（圖5）。理解了分析結(jié)果隱含的意義，就會對戰(zhàn)役產(chǎn)生進一步的洞悉。以改良后的飛行器高磨損率為例：一個被取代的更大持久力的飛行器，可能花費更多的時間來與敵人交戰(zhàn)，因此在相同的飛機和飛行員數(shù)量下會造成更大的消耗，雖然每個小時的交戰(zhàn)消耗可能不大，甚至更低。當使用統(tǒng)計仿真的方法進行假設(shè)檢驗時，一般情況下不可能預(yù)先指定隨機試驗的具體次數(shù)。通過運行想定，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析師得到一個差異量數(shù)的估計，以此來估計需要的總體隨機試驗數(shù)量。

圖5 實際的隨機集成過程Fig.5 The actual random integration process

另外，對戰(zhàn)役結(jié)果風(fēng)險感興趣的作戰(zhàn)計劃人員，對輸出結(jié)果的變化十分敏感，圖6 所示是在D 之間不同的時間部署對紅藍雙方戰(zhàn)損比的影響。作為一個隨機模型，MSAES 能夠用來產(chǎn)生這樣的顯示。當然，這種在MSAES 輸出中展現(xiàn)的不確定性能夠多大程度代表真實世界的發(fā)生是很難估計的，因為真正的戰(zhàn)役不可能重復(fù)第二次。

圖6 測量戰(zhàn)役級作戰(zhàn)風(fēng)險示例Fig.6 An example of measuring operational risk at the operational level

5 總結(jié)及展望

通過真實案例的驗證，MSAES評估分析模型能夠通過MSAES 戰(zhàn)役級作戰(zhàn)流程，揭示體系作戰(zhàn)效能的傳遞關(guān)系，并反映作戰(zhàn)環(huán)境和對抗對作戰(zhàn)效能的影響及任務(wù)完成的程度，為聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員對作戰(zhàn)想定的優(yōu)選評估提供了一種新思路，具有較強的參考價值。

此外，MSAES 也在研究新的仿真運行模式，在這種模式下，隨機試驗?zāi)軓南惹胺抡孢^程中的一個點的隨機試驗分支出來（類似于仿真克?。@示和分析這個分支結(jié)果。增強這種對比有效性（比如降低多余的隨機試驗）的通用技術(shù)就是相關(guān)抽樣，在兩個競爭性的想定中引進相應(yīng)隨機試驗的相關(guān)性。原則上，一些相關(guān)性可以由相應(yīng)隨機試驗使用相同的隨機數(shù)進行引入。MSAES 用戶可以通過對隨機數(shù)發(fā)生器和相應(yīng)的隨機數(shù)種子進行設(shè)置來實現(xiàn)。然而，這種由隨機數(shù)控制流得到的實際相關(guān)性在復(fù)雜的仿真中常常被忽略。比如在戰(zhàn)役層級的仿真中，由于事件流可能在多個隨機試驗中幾乎同時出現(xiàn)，就不可能為相應(yīng)的事件引出相同的隨機數(shù)。進一步的相關(guān)性可以對每個隨機試驗分配多個隨機數(shù)發(fā)生器，仿真的每一個部分都分配到一個獨立的隨機數(shù)發(fā)生器。