美一款高級仿真建模技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

【摘要】本文介紹了美國仿真技術(shù)的發(fā)展概況，特別是美軍開發(fā)的一款仿真、集成和建模高級框架。闡述了該技術(shù)的起源、平臺組件和功能，并以“直升機引導(dǎo)艦載彈道導(dǎo)彈打擊陸上目標(biāo)”為案例，說明該框架模擬仿真作戰(zhàn)程序的過程?；谄浼夹g(shù)特點和仿真實例，本文總結(jié)出該技術(shù)的優(yōu)勢和發(fā)展前景：利用該技術(shù)，美軍可以模擬復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，提高作戰(zhàn)規(guī)劃、訓(xùn)練和評估的綜合能力。

【關(guān)鍵詞】仿真建模|仿真|集成和建模高級框架

一、模擬仿真技術(shù)發(fā)展概況

模擬仿真技術(shù)是指通過計算機軟件構(gòu)建一個虛擬系統(tǒng)，模擬某一現(xiàn)實系統(tǒng)的運動和行為過程，從而達到挖掘系統(tǒng)性能和行為規(guī)律的目的。在軍事領(lǐng)域中，在實際戰(zhàn)備演練過程中，如果直接采用實地演習(xí)，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(shù)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(fā)等方面的表現(xiàn)。這使得模擬仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，軍事領(lǐng)域機器人、人工智能、納米技術(shù)和無人系統(tǒng)等方面出現(xiàn)了重大創(chuàng)新，仿真系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性不斷增加，技術(shù)水平也不斷提高，逐漸取代了現(xiàn)代戰(zhàn)場上的常規(guī)戰(zhàn)斗力量，減少了軍事技術(shù)操作人員的數(shù)量，改變了軍事作戰(zhàn)的組織結(jié)構(gòu)和理論。鑒于模擬仿真技術(shù)可以很好地解決實地演習(xí)中的安全隱患及降低人員和經(jīng)濟成本，仿真技術(shù)目前已成為軍事訓(xùn)練和實戰(zhàn)中的一種重要手段和工具。

美國高度重視建模與仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，視其為影響國家安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國國防部已將“建模仿真”列為“有助于極大提高戰(zhàn)備、現(xiàn)代化、部隊結(jié)構(gòu)、持續(xù)軍事能力”的一項重要的國防技術(shù)，并專門成立了國防建模與仿真辦公室，推動仿真技術(shù)的研究創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化。高度集成的仿真和建模系統(tǒng)能夠模擬出逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，包括地形、天氣、電磁環(huán)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(zhàn)行動的戰(zhàn)術(shù)效果。因此，美軍各種軍事訓(xùn)練和作戰(zhàn)決策中都有仿真和建模技術(shù)的參與。例如，在作戰(zhàn)訓(xùn)練中，仿真系統(tǒng)可以幫助官兵熟悉作戰(zhàn)流程、提高作戰(zhàn)技能；在戰(zhàn)略決策中，仿真系統(tǒng)可以模擬不同戰(zhàn)略方案的效果，為決策者提供科學(xué)依據(jù)。

二、美高級仿真建模技術(shù)仿真、集成和建模高級框架簡介

在不斷發(fā)展的仿真和建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國空軍研究實驗室融合最新的仿真推演技術(shù)和數(shù)據(jù)建模技術(shù)，創(chuàng)新仿真體系架構(gòu)，開發(fā)和構(gòu)建了貫穿戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)層次的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)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(gòu)建一個通用的建模框架，為空軍提供作戰(zhàn)規(guī)劃、訓(xùn)練和評估的綜合能力。因此，美國空軍研究實驗室不僅構(gòu)建了強大的產(chǎn)品，還向獲得批準(zhǔn)的用戶免費提供軟件、源代碼和培訓(xùn)。目前，該仿真建?？蚣鼙幻儡姷乃蟹种C構(gòu)、其他美國政府機構(gòu)、學(xué)術(shù)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(tǒng)決策提供信息。目前，該仿真建?？蚣芙Y(jié)合了最新的建模與仿真技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)從單個飛機到整個空軍部隊的戰(zhàn)斗效能分析和優(yōu)化；支持多種作戰(zhàn)場景和任務(wù)類型，包括空中作戰(zhàn)、地面支援、情報偵察等；該框架集成了一個面向?qū)ο蟮腃++庫，用于在地理和大氣環(huán)境中完成各種作戰(zhàn)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(gòu)成

1.飛行動力學(xué)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(tǒng)模塊：模擬各種空對空、空對地武器系統(tǒng)的性能，包括導(dǎo)彈、火炮、炸彈等。此模塊可根據(jù)不同的目標(biāo)和戰(zhàn)場環(huán)境計算武器系統(tǒng)的命中率、毀傷效果和毀傷范圍。

3.戰(zhàn)術(shù)決策模塊：支持制定和評估作戰(zhàn)計劃，包括目標(biāo)選擇、兵力分配、任務(wù)排序等。該模塊可根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)目標(biāo)，生成最優(yōu)的戰(zhàn)術(shù)方案。

4.通信和信息系統(tǒng)模塊：模擬空軍的通信和信息系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)傳輸、信號處理、情報收集等。此模塊可評估信息對抗對作戰(zhàn)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(xùn)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(xùn)練效果。該模塊可用于評估人員素質(zhì)和訓(xùn)練水平對作戰(zhàn)效能的影響，并為提高訓(xùn)練質(zhì)量提供指導(dǎo)。

（二）可擴展組件和服務(wù)

除基礎(chǔ)模塊外，該仿真建?？蚣苓€設(shè)計了可擴展的模塊化架構(gòu)，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(wù)。插件功能是一種擴展形式，允許在不重新編譯該技術(shù)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(fā)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(wù)。

1.服務(wù)

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(wù)和組件的通用方法。

腳本-提供實現(xiàn)和擴展AFSIM腳本語言的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

觀察者-提供通用的發(fā)布-訂閱服務(wù)，用于從模擬中提取數(shù)據(jù)。

任務(wù)-允許跨平臺任務(wù)和行為建模。

跟蹤-允許通過傳感器測量以及跟蹤關(guān)聯(lián)和融合形成跟蹤。

地理空間-數(shù)據(jù)提供地形和視線數(shù)據(jù)。

分布式仿真接口-仿真接口應(yīng)用仿真互操作性的接口標(biāo)準(zhǔn)。

實用程序-提供地球模型、坐標(biāo)系、數(shù)學(xué)例程、人工智能結(jié)構(gòu)等。

2.組件

（1）運動模型：用于保持其所連接平臺的運動狀態(tài)（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(zhì)點運動模型和復(fù)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(shù)據(jù)，模擬平臺上傳感器對目標(biāo)的探測過程，生成探測數(shù)據(jù)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(fā)射器、接收器和天線?？蚣苤杏卸喾N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(nèi)，但是這兩種模型相對簡單，其探測和跟蹤結(jié)論僅考慮功能，數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(dǎo)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(nèi)，大多數(shù)硬殺傷武器都被定義為平臺級別的實體，其發(fā)射后具備所有平臺相關(guān)的屬性和架構(gòu)，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(shù)處理器由用戶使用該仿真建?？蚣艿哪_本語言定義，但是許多專用處理器由該仿真建?？蚣芴峁?，如軌跡融合、分配和識別等專業(yè)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(fā)送和接收消息。該仿真建?？蚣茉试S有線或無線設(shè)備，使用發(fā)射器、接收器和天線來模擬通信系統(tǒng)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(fù)雜的信號模型。

三、仿真、集成和建模高級框架模擬武器系統(tǒng)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(tǒng)模型。這個模型包括武器的主要物理參數(shù)（如質(zhì)量、尺寸、重心位置等）、動力學(xué)特性（如推力、阻力、升力等）、運動學(xué)特性（如速度、加速度、角速度等）以及控制系統(tǒng)邏輯。

2.目標(biāo)識別與追蹤

在模擬過程中，武器系統(tǒng)需要能夠識別并追蹤目標(biāo)。這通常涉及到目標(biāo)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(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)的運動狀態(tài)和傳感器的性能計算出武器的最佳攻擊路徑。

3.武器發(fā)射與制導(dǎo)

一旦武器系統(tǒng)鎖定目標(biāo)，該框架會模擬武器的發(fā)射過程，包括彈藥的裝載、發(fā)射機構(gòu)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(dǎo)系統(tǒng)，包括制導(dǎo)方式（如慣性制導(dǎo)、半主動雷達制導(dǎo)、主動雷達制導(dǎo)等）、制導(dǎo)邏輯和制導(dǎo)精度等。

4.殺傷效果評估

當(dāng)武器接近目標(biāo)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(biāo)的類型（如戰(zhàn)斗機、坦克、建筑等）和目標(biāo)的狀態(tài)（如速度、姿態(tài)、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(yù)測武器對目標(biāo)的殺傷概率和毀傷效果。

5.反饋與優(yōu)化

在模擬過程中，該仿真框架會不斷收集和分析數(shù)據(jù)，以評估武器系統(tǒng)的性能。這些數(shù)據(jù)可以包括命中率、誤差分布、殺傷效果等。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，平臺可以為武器系統(tǒng)的改進和優(yōu)化提供指導(dǎo)，例如改進制導(dǎo)算法、提高傳感器性能、調(diào)整彈藥設(shè)計等。

（二）仿真案例分析

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

1.作戰(zhàn)場景

設(shè)定場景為：一艘藍方驅(qū)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(fā)現(xiàn)一輛布置在岸邊的紅方導(dǎo)彈發(fā)射車，它將導(dǎo)彈發(fā)射車的位置通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞給驅(qū)逐艦，驅(qū)逐艦發(fā)射艦上導(dǎo)彈將發(fā)射車摧毀。

2.關(guān)鍵參數(shù)與數(shù)據(jù)設(shè)定

定義仿真所需的平臺和資源類型，包括藍方直升機、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦及導(dǎo)彈發(fā)射車等其他相關(guān)資源的位置、速度、朝向等屬性；命令艦岸導(dǎo)彈的指令高度和速度、導(dǎo)航參數(shù)、目標(biāo)距離范圍及其觸發(fā)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(yù)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(fā)現(xiàn)了一輛布置在岸邊的紅方導(dǎo)彈發(fā)射車，并將導(dǎo)彈發(fā)射車的位置通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳遞給驅(qū)逐艦。

（2）導(dǎo)彈發(fā)射和制導(dǎo)階段

驅(qū)逐艦接收到目標(biāo)位置信息后，發(fā)射艦上導(dǎo)彈。導(dǎo)彈在飛行過程中，會經(jīng)歷不同的飛行階段，如發(fā)射、巡航和末段飛行。在這個階段，直升機通過通訊網(wǎng)絡(luò)對導(dǎo)彈進行了三次引導(dǎo)，向?qū)棸l(fā)送目標(biāo)的實時坐標(biāo)信息。

（3）結(jié)束階段

當(dāng)導(dǎo)彈成功摧毀目標(biāo)或仿真時間結(jié)束時，仿真過程結(jié)束。平臺分析并輸出仿真結(jié)果，如導(dǎo)彈的飛行軌跡、目標(biāo)的摧毀情況等。

四、仿真、集成和建模高級框架應(yīng)用場景

（一）作戰(zhàn)規(guī)劃

該框架平臺能夠模擬復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的多維作戰(zhàn)態(tài)勢，通過模擬推演不同的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)組合，實現(xiàn)對作戰(zhàn)方案可行性的深度驗證和戰(zhàn)局發(fā)展的精確預(yù)測。它不僅揭示了作戰(zhàn)行動的潛在影響和連鎖反應(yīng)，還為指揮員提供了一種風(fēng)險評估和效益分析的有效工具，從而確保作戰(zhàn)計劃的科學(xué)性和預(yù)見性。

（二）訓(xùn)練與評估

該框架的仿真環(huán)境高度還原實戰(zhàn)條件，使得飛行員能夠在虛擬空間內(nèi)進行實戰(zhàn)演練，顯著提升其應(yīng)對緊急狀況的能力、精準(zhǔn)決策的水平以及協(xié)同配合的默契。通過實時反饋和結(jié)果評估，該系統(tǒng)不僅強化了飛行員的技能訓(xùn)練，還為教練員提供了個性化的教學(xué)方案建議，進而全面提升飛行員的戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)和戰(zhàn)斗生存能力。

（三）武器系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)在各種戰(zhàn)場環(huán)境下的實際運行狀況。這既有助于設(shè)計人員在產(chǎn)品開發(fā)初期就預(yù)估武器系統(tǒng)的性能指標(biāo)，又為武器系統(tǒng)的改進升級提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。此外，通過虛擬驗證，還可以降低實物試驗的風(fēng)險和成本，加速武器裝備的研發(fā)進程。

（四）作戰(zhàn)效能分析與優(yōu)化

該框架能夠模擬不同戰(zhàn)場環(huán)境對空軍部隊作戰(zhàn)效能的影響，通過對各種假設(shè)情景的深入剖析，它為部隊結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝備配置策略的制定提供了科學(xué)依據(jù)。例如，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析，空軍可以更好地理解其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中的優(yōu)勢與短板，從而調(diào)整戰(zhàn)術(shù)布局，提高整體作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)略韌性。

五、仿真、集成和建模高級框架的技術(shù)優(yōu)勢及發(fā)展前景

該技術(shù)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(wǎng)等多個領(lǐng)域的多精度數(shù)字化任務(wù)。通過模擬不同領(lǐng)域的作戰(zhàn)行動，可以幫助指揮官和規(guī)劃人員更好地理解各領(lǐng)域的相互作用和影響，從而制定出更加有效的作戰(zhàn)策略。

從一開始，該仿真框架就被視為一個開放系統(tǒng)，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(dāng)?shù)谋Ｕ娑?。同樣，用戶可以調(diào)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(nèi)形成了完整的技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)，不少供應(yīng)商基于現(xiàn)有技術(shù)進一步開發(fā)了相關(guān)的平臺和應(yīng)用，不同的作戰(zhàn)單元和平臺可以更加緊密地協(xié)同作戰(zhàn)，實現(xiàn)信息的共享和流程的優(yōu)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(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的處理和分析，可以確保仿真分析的準(zhǔn)確性和實時性，為指揮官提供及時、準(zhǔn)確的信息支持，提高決策和行動效果。

目前，該仿真框架已經(jīng)引入了機器學(xué)習(xí)，被大量用戶認為是現(xiàn)代化的任務(wù)機模擬工具。隨著技術(shù)的進步，該仿真、集成和建?？蚣茉谖磥韺⒂懈蟮陌l(fā)展空間。一方面，隨著計算能力的提高，該技術(shù)可以模擬更復(fù)雜的場景和更多的細節(jié)。另一方面，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，該框架可以實現(xiàn)更高級的仿真和決策支持功能。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，還可以實現(xiàn)對作戰(zhàn)體系中各種作戰(zhàn)單元的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，從而為作戰(zhàn)指揮提供更準(zhǔn)確的信息支持。中國軍轉(zhuǎn)民

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（作者單位：陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部）