模型驅(qū)動的裝備數(shù)字化試驗方法研究

陳小鳳，商堯軍，初琛，肖偉

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

數(shù)字化驅(qū)動裝備轉(zhuǎn)型升級，智能化引領裝備創(chuàng)新發(fā)展。隨著數(shù)字化設計、虛擬仿真和數(shù)字孿生等技術的發(fā)展和應用過程，產(chǎn)生了數(shù)字樣機、數(shù)字裝備、數(shù)字仿真平臺等。數(shù)字裝備是物理裝備的數(shù)字化表達，涉及“幾何-物理-行為-規(guī)則”多維度數(shù)字化模型構建和“機-電-液-熱-力-磁”等多學科模型融合,應與物理實體裝備同步交付,滿足試驗訓練、體系運用推演、保障行動規(guī)劃等應用要求[1]。

裝備數(shù)字化試驗是在數(shù)字空間構建裝備測試環(huán)境，采用虛實結(jié)合的試驗測試方法，綜合利用數(shù)字仿真平臺、數(shù)字模型、實錄數(shù)據(jù)，通過設計實戰(zhàn)化、體系化試驗場景，對裝備性能進行全面檢驗，從而解決當前實裝試驗驗證手段存在的效率低、成本高等問題，破解現(xiàn)實開展大規(guī)模、體系化、實戰(zhàn)化試驗的局限。

1 裝備數(shù)字化試驗發(fā)展

2018 年 6 月，美軍發(fā)布數(shù)字工程戰(zhàn)略，旨在將美軍采辦流程由以文檔為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字模型為中心，完成以模型和數(shù)據(jù)為核心謀事做事的范式轉(zhuǎn)移。2019 年3 月，美海軍利用“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)控制真實的艦載AN/SPY-1 雷達,成功進行“標準-2”導彈目標攔截試驗，驗證了“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)作為真實“宙斯盾”系統(tǒng)的數(shù)字孿生，可以替代實物裝備參與實戰(zhàn)測試；美海軍信息戰(zhàn)司令部完成了首個數(shù)字孿生模型“數(shù)字林肯”開發(fā)，在系統(tǒng)交付前通過數(shù)字空間對解決方案進行仿真評估，提前發(fā)現(xiàn)問題，縮短研制周期，節(jié)約研制成本。2021 年9 月，受美國國防部作戰(zhàn)試驗鑒定局委托，美國國家學院（NASEM）發(fā)布了《確保美防務系統(tǒng)作戰(zhàn)優(yōu)勢的國防部靶場能力：未來戰(zhàn)斗的測試（2021）》評估報告，提到借助數(shù)字工程戰(zhàn)略推動試驗鑒定由實裝向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在一體化試驗鑒定工作中引入基于模型的系統(tǒng)工程、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應用系統(tǒng)等新概念，從而在實現(xiàn)武器系統(tǒng)快速部署的同時保證風險可控[2]。

我國在 《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中提出，要深入實施智能制造工程，大力推動裝備數(shù)字化。裝備數(shù)字化試驗作為裝備數(shù)字化建設中不可或缺的一環(huán)，可以推動裝備數(shù)字化設計、數(shù)字化裝配和數(shù)字化制造，實現(xiàn)國防工業(yè)降低成本、加快試驗進程、縮短周期，推動全面實現(xiàn)武器裝備數(shù)字化建設轉(zhuǎn)型。裝備數(shù)字化試驗也是信息化背景下提升裝備質(zhì)量、完善裝備試驗流程的重要手段,對裝備整體建設具有重要意義[3]。

2 裝備數(shù)字試驗仿真系統(tǒng)架構

裝備數(shù)字化試驗仿真系統(tǒng)架構如圖1 所示，由數(shù)字仿真平臺和仿真應用兩部分構成，支持單裝數(shù)字化試驗和裝備體系試驗。面對裝備數(shù)字化建設這一新的挑戰(zhàn)，裝備數(shù)字化試驗還存在著仿真基礎軟件國產(chǎn)化率不高、數(shù)字模型全流程貫通傳遞困難、數(shù)字化試驗方法和規(guī)程缺乏等問題。

圖1 裝備數(shù)字化試驗仿真系統(tǒng)架構

3 數(shù)字化試驗仿真平臺

裝備數(shù)字化試驗仿真平臺是依托計算、存儲、網(wǎng)絡和仿真服務等基礎環(huán)境，支撐裝備試驗數(shù)字仿真應用運行的通用平臺，具備試驗規(guī)劃設計、仿真想定編輯、裝備及行為建模、試驗分析評估、仿真運行管理、數(shù)據(jù)采集與回放等能力，實現(xiàn)對試驗數(shù)據(jù)資源的集中管控、按需配置、動態(tài)調(diào)用和共享使用，支持分布式部署和異構仿真系統(tǒng)接入。

目前，數(shù)字仿真平臺軟件研發(fā)主要基于COMMAND、VBS、Xsim、Maxsim 和AFsim 等通用仿真平臺進行拓展和定制，下面從適用范圍、模型開發(fā)調(diào)試和人在回路支持等方面對幾種通用仿真平臺進行了對比分析，詳見表1。

表1 通用仿真平臺軟件對比分析

CMANO：該平臺是美國Matrix 公司開發(fā)的Command Modern Air/Naval Operation Pro（指揮：現(xiàn)代?？招袆訉I(yè)版，簡稱CMANO），2016 年被美國空中機動司令部、海軍戰(zhàn)爭學院以及其他多個國家軍事學院采納作為模擬推演訓練工具[4]。北京華戍防務開發(fā)的墨子聯(lián)合作戰(zhàn)推演系統(tǒng)，涵蓋了平臺的大部分模型和內(nèi)容，針對陸?？仗祀姸嘬姺N聯(lián)合作戰(zhàn)行動，仿真顆粒度達到戰(zhàn)役級和任務級。

VBS：該平臺是每個BISim 公司開發(fā)的沉浸式虛擬作戰(zhàn)系統(tǒng)（Virtual Battle System，簡稱VBS）。在美國陸軍合成訓練環(huán)境（STE）中提供核心功能，支持進行現(xiàn)實的、多軍種多領域的聯(lián)合武器機動和任務指揮、集體訓練；新西蘭陸軍也已選擇VBS4 進行戰(zhàn)術指揮和控制訓練。

Xsim：該平臺由北京華如科技自主研發(fā)，采用基于智能體的建模仿真方法，融合了面向?qū)ο蟆⒔M件化、參數(shù)化等建模手段，提供仿真運行引擎和多種建模工具，基于統(tǒng)一的框架+插件的軟件架構可自由拓展模型體系與仿真服務[5]。滿足裝備論證、模擬訓練和試驗鑒定領域仿真應用需求。

Maxsim：該平臺由北京神舟智匯自主研發(fā)，采用先進黑板（GBB）技術進行交互，基于多Agent 建模思想實現(xiàn)一個具有開放性的分布式仿真系統(tǒng)?？蓱糜陉懞？仗祀姷雀鬈姳N的戰(zhàn)術模擬訓練仿真、作戰(zhàn)實驗和裝備論證，支持各種二次開發(fā)和定制服務[6]。

AFsim：該平臺由美國空軍研究實驗室（AFRL）開發(fā)和維護，基于 C++的模塊化、面向?qū)ο蠓椒▽崿F(xiàn)多領域、多分辨率的建模和仿真框架，通過插件可以對框架進行擴展并集成新開發(fā)的平臺組件模型、新擴展的平臺功能，以及新擴展的仿真服務。

4 裝備模型構建

裝備試驗模型按試驗要素維度，可分為被試裝備模型、陪試裝備模型、試驗環(huán)境模型、試驗設備設施模型、藍軍模型、作戰(zhàn)規(guī)則/行為模型等，這些要素形態(tài)上通常表現(xiàn)為實物、半實物和數(shù)字模型。本文以“基于AFsim 的空中平臺紅藍對抗仿真”為例，探討數(shù)字化實體模型設計、行為仿真建模和數(shù)字化試驗環(huán)境構設。

4.1 裝備實體參數(shù)建模

裝備實體模型以平臺、武器、傳感器等進行組件化建模，提高模型復用率。以某虛擬無人戰(zhàn)斗機（Uninhabited Combat Aerial Vehicle，簡稱UCAV）為例，該平臺設計上配備左右各1 套SAR 雷達裝備、1 套ESM 電子偵察裝備，并攜帶美制GBU-38 導彈?；贏Fsim 的裝備實體模型設計如圖2 所示。

圖2 某虛擬無人戰(zhàn)斗機（UCAV）實體裝備模型設計示例

圖3 AFsim 平臺行為樹結(jié)構定義示意

圖中：WSF_AIR_MOVER 空中機動平臺模型、WSF_SAR_SENSOR 雷達裝備模型、WSF_ESM_SENSOR 電子偵察裝備模型、WSF_EXPLICIT_WEAPON 顯性武器裝備模型、WSF_GUIDED_MOVER 導彈機動平臺模型、WSF_AERO 空氣動力特性模型等為AFsim 平臺的基礎通用實體模型；從這些基礎模型可拓展出具體型號無人戰(zhàn)斗機（UCAV）裝備的實體模型，根據(jù)型號作戰(zhàn)需求對實體模型組成、性能參數(shù)以及基本行為進行建模設計。實體模型性能參數(shù)如SAR 雷達傳感器實體模型的探測范圍、雷達和ESM 的收/發(fā)天線模式、彈的威力特性以及彈平臺的空氣動力特性等。Afsim 仿真建模腳本示意如下：

platform_type UCAV WSF_PLATFORM # 定義名為UCAV 類型的虛擬無人戰(zhàn)斗機

icon UCAV

mover WSF_AIR_MOVER #定義裝備空中機動平臺屬性

default_radial_acceleration 1.5 g

at_end_of_path remove

end_mover

sensor esm UCAV_ESM #裝備掛載一個UCAV_ESM類型的傳感器

……

end_sensor

sensor sar_left SAR_RADAR #裝備左邊掛載一個SAR_RADAR 類型的雷達

……

end_sensor

sensor sar_right SAR_RADAR #裝備右邊掛載一個SAR_RADAR 類型的雷達

……

end_sensor

weapon gbu-38 GBU-38 #裝備掛載一個GBU-38 類型的導彈

……

quantity 2 end_weapon

processor task_mgr WSF_TASK_PROCESSOR # 定義裝備行為

……

end_processor

end_platform_type

4.2 行為仿真建模

行為仿真建模包括裝備行為仿真建模和作戰(zhàn)行為仿真建模。

“裝備行為仿真建?！笔腔谘b備的戰(zhàn)技術指標性，分解出偵察、打擊、機動、通信等行為，可構建不同環(huán)境下的裝備行為模型?？罩酗w行平臺橫滾行為建模是典型的“裝備行為仿真建模”，用于測試驗證裝備的機動性能。橫滾是飛機以機頭和機尾所形成的軸線做陀螺運動，過程中飛行運動方向不發(fā)生改變。在戰(zhàn)機格斗中如果本機航速比敵機快導致即將錯過敵機，可采用橫滾行為來減慢速度從而保持良好的攻擊位置；或當敵機處于本機6 點位置且距離很近時，采用橫滾使敵機錯過本機從而進行防御。

“作戰(zhàn)行為仿真建模”聚焦動態(tài)因素，面向不同實體和環(huán)境，以試驗/作戰(zhàn)目標為驅(qū)動,構建在戰(zhàn)場環(huán)境約束下的編組協(xié)同、戰(zhàn)場感知、聯(lián)合火力打擊、搶救搶修等戰(zhàn)術行為模型，通常采用聯(lián)合作戰(zhàn)仿真模式。以無人戰(zhàn)機雙邊截擊行為建模為例，我方兩架飛機沿著敵方航向角方向的兩個垂直方向飛行，當?shù)竭_敵方雷達探測區(qū)域外時，或者超過友方最遠救援距離時，或敵方首先發(fā)起進攻時，停止切向飛行，轉(zhuǎn)為防守策略進行攻擊。

AFsim 采用了基于行為樹的行為建模方法。行為樹由根節(jié)點和邏輯節(jié)點構成，如3圖所示。根節(jié)點（advanced_behavior_tree）以一定頻率向其子節(jié)點發(fā)送使能信號，通過邏輯節(jié)點逐層傳遞給動作節(jié)點或條件節(jié)點，并接收節(jié)點的返回結(jié)果；邏輯節(jié)點包括選擇節(jié)點、序列節(jié)點、并行節(jié)點、隨機節(jié)點和行為節(jié)點等。

行為樹上幾類邏輯節(jié)點執(zhí)行說明如下：

1）序列節(jié)點（sequence）：依次執(zhí)行所有子節(jié)點，任何子節(jié)點的前置條件執(zhí)行失敗，則序列執(zhí)行失??；

2）并行節(jié)點（parallel）：所有子節(jié)點不分先后同時執(zhí)行；

3）選擇節(jié)點（selector）：選擇執(zhí)行某一個子節(jié)點，任何子節(jié)點執(zhí)行成功，其它所有子節(jié)點將被跳過；

4） 優(yōu)先級選擇節(jié)點（priority_selector）： 選擇執(zhí)行分值最高的子節(jié)點，子節(jié)點分值由其先決條件（precondition）決定；

5）隨機節(jié)點（weighted_random）：加權隨機方式選擇執(zhí)行某一個子節(jié)點；

6）行為節(jié)點（behavior_node）：通常是行為樹的葉節(jié)點，用于定義某動作或任務的功能節(jié)點，由平臺模型（platform_type）定義的處理器（processor）解析并執(zhí)行。

以飛機橫滾機動行為為例，Afsim 仿真建模腳本如下：

advanced_behavior horizontal_roll # 定義裝備的橫滾機動行為

script_variables #定義行為函數(shù)使用的變量

……

end_script_variables

precondition #定義執(zhí)行該行為的條件

…… #如本機航速過快，與敵機距離近，即將錯過敵機

end_precondition

execute #定義橫滾行為具體實現(xiàn)方式

……#如按一定的節(jié)拍轉(zhuǎn)變

end_execute

end_advanced_behavior

以雙邊截擊作戰(zhàn)行為樹為例，Afsim 仿真建模腳本如下：

processor DOUBLE_SIDE_BEHAVIOR_TREE WSF_QUANTUM_TASKER_PROCESSOR

advanced_behavior_tree #定義雙邊截擊作戰(zhàn)行為樹

……

selector # 雙邊策略

selector

……

selector

selector

behavior_node evade_of_double_side # 置尾

behavior_node cut_of_double_side # 切向機動

behavior_node horizontal_roll # 橫滾機動

end_selector

behavior_node attack_target_of_double_side # 發(fā)射

behavior_node go_home # 返航

end_selector

end_selector

end_selector

end_advanced_behavior_tree

end_processor

4.3 試驗環(huán)境構設

為提高裝備數(shù)字化試驗真實性，并對裝備潛在的和客觀存在的性能進行動態(tài)研究，試驗環(huán)境構設以分布式邏輯靶場為基礎，統(tǒng)籌數(shù)字模擬器、半實物仿真系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)等試驗資源，基于L（真實）-V（虛擬）-C（構造）仿真體系架構，打造貼近實戰(zhàn)、逼真的一體化聯(lián)合仿真試驗[7]。試驗環(huán)境模型體系主要包括以試驗想定目標區(qū)域為主構建場景模型（山地/河谷/海岸/機場/港口/建筑物等）、場模型（氣象/海洋/云霧/電磁等）、流模型（水流/風沙等）、設施模型（地面設施/核生化地帶/障礙物等）等。

基于AFsim 的試驗想定中環(huán)境作為全局參數(shù)（global_environment）進行設定。地貌（land_cover）設置支持城市環(huán)境、牧場草原、灌木草地、落葉林、針葉林、濕地森林、無林濕地、荒野沙漠、水環(huán)境等；地形（land_formation）設置支持起伏、傾斜、丘陵、陡峭、山脊等；海面狀態(tài)（sea_state）設置參照國際海洋波高等級劃分標準，支持無浪、微浪、小浪、輕浪、中浪、大浪、巨浪等；并支持設置風速、風向、云水密度、降雨強度、沙城暴能見度等環(huán)境變量。裝備模型構建過程中需結(jié)合裝備自身特性開展環(huán)境相關影響分析和設計，才能確保數(shù)字化試驗中充分開展裝備性能驗證。

5 模型驅(qū)動的裝備數(shù)字化試驗

5.1 模型驅(qū)動的單裝數(shù)字化試驗

數(shù)字裝備的交付物包括面向裝備運用仿真應用的功能清單、不同環(huán)境和使用條件下的使用性能、不同環(huán)境條件下的目標特性、圖紙圖樣、技術手冊、使用手冊等，以及能夠在數(shù)字平行戰(zhàn)場環(huán)境開展仿真推演的裝備數(shù)字仿真模型。交付物表現(xiàn)形式主要為結(jié)構化文本文件、算法/參數(shù)集、IETM 和仿真程序。單裝數(shù)字化試驗是圍繞特定使命任務目標，結(jié)合試驗環(huán)境和試驗條件，基于裝備數(shù)字仿真模型開展的試驗測試工作，主要對數(shù)字裝備的功能性能、作戰(zhàn)效能和適用性進行考核評估。

以UCAV 裝備試驗為例，在試驗仿真想定中設定海面環(huán)境和風速風向，增加一個UCAV 類型的對象100_ucav，該對象在預設時間按照指定航線和途徑點飛行，并在指定條件下進行橫滾飛行試驗。Afsim想定腳本如下。

global_environment #試驗環(huán)境

sea_state 2 #海面輕微小浪

wind_speed 10 m/s #風速

wind_direction 270 deg #風向

end_global_environment

platform 100_ucav UCAV #對象名稱100_ucav

side blue #陣營--藍方

commander SELF #單裝試驗

creation_time 10.0 min #

position 38:16:36n 116:19:48w altitude 35000 ft msl #起始位置#

route #定義航線

navigation #定義航線途徑點

position 38:16:36n 116:19:48w altitude 35000 ft msl #途經(jīng)點1

speed 460 kts #速度

……

end_navigation

end_route

heading 259.6 deg #航向

end_platform

想定腳本執(zhí)行仿真效果如圖4。

圖4 UCAV 裝備橫滾機動行為仿真效果示意

5.2 裝備體系數(shù)字化試驗

裝備體系數(shù)字化試驗是在數(shù)字平行戰(zhàn)場環(huán)境中，按照特定任務典型作戰(zhàn)流程，考核裝備體系效能和適用性，檢驗評估裝備體系完成特定任務能力的試驗活動。開展裝備體系數(shù)字化試驗正逐步成為裝備體系試驗工作中必不可少的一個重要環(huán)節(jié),可以緩解實際情況中裝備體系試驗時間周期長、不易展開的現(xiàn)實壓力。以2V2 紅方防守進攻、藍方交叉進攻的交戰(zhàn)仿真為例，Afsim 部分紅方想定腳本如下：

platform red_ground_leader FLIGHT_LEAD #紅方虛擬地面指揮所

side red

commander SELF

position 00:00:00n 05:00:00w altitude 0 ft agl #指揮所位置

end_platform

platform Red_1 FJ_Z_ZD_J #紅方虛擬戰(zhàn)機1

side red

heading 90 deg

commander red_ground_leader #指定上級指揮所

route #指定航線和途經(jīng)點

position 00:00:00n 02:00:00w altitude 30000 ft speed 450 kts

……

end_route

end_platform

platform Red_2 FJ_Z_ZD_J #紅方虛擬戰(zhàn)機2

……

end_platform

腳本執(zhí)行仿真效果如圖5。

圖5 無人戰(zhàn)機執(zhí)行雙邊截擊任務行為建模仿真示意

6 結(jié)束語

裝備試驗貫穿與裝備建設全壽命周期，目前國家正處于裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要階段。裝備數(shù)字化試驗作為裝備試驗發(fā)展進展中的重要形式和必要環(huán)節(jié)，設置裝備數(shù)字化試驗標準規(guī)范的業(yè)務流程、構建統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)標準和模型置信度檢驗標準，是促進裝備數(shù)字化試驗建設的重要途徑。