竇林濤,初 陽(yáng),周玉芳,劉 志

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

平行仿真技術(shù)在指控系統(tǒng)中的應(yīng)用構(gòu)想

竇林濤,初 陽(yáng),周玉芳,劉 志

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

針對(duì)提高指控系統(tǒng)作戰(zhàn)籌劃與快速輔助決策能力問題,提出結(jié)合平行仿真技術(shù)將仿真嵌入到指控系統(tǒng),利用仿真支持復(fù)雜作戰(zhàn)籌劃,甚至正在進(jìn)行的軍事行動(dòng)。研究了國(guó)內(nèi)外平行仿真技術(shù)在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用概況,以及對(duì)指控系統(tǒng)的影響,在此基礎(chǔ)上提出了一種基于平行仿真的指控系統(tǒng)框架,研究了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),為未來指控系統(tǒng)的建設(shè)提供方法和技術(shù)上的啟發(fā)及借鑒。

平行仿真;作戰(zhàn)方案推演;在線輔助決策;指揮控制

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,戰(zhàn)爭(zhēng)節(jié)奏的加快對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)指揮員的快速?zèng)Q策能力提出了更高的要求。如何輔助戰(zhàn)場(chǎng)指揮員及時(shí)了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的演變,實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策,是對(duì)指控裝備建設(shè)提出的新挑戰(zhàn)，其表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面:

1)作戰(zhàn)籌劃對(duì)嵌入式仿真技術(shù)的需求

現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)是以信息化為基本特征的海、潛、空、岸、天、電磁多維一體的聯(lián)合作戰(zhàn),與傳統(tǒng)作戰(zhàn)有較大不同,其作戰(zhàn)規(guī)模和戰(zhàn)場(chǎng)空間更大,作戰(zhàn)兵力和指揮、任務(wù)體系更加復(fù)雜,要求將多元作戰(zhàn)力量、多維戰(zhàn)場(chǎng)空間、多種行動(dòng)樣式、各類保障系統(tǒng)等各種要素綜合運(yùn)用起來,發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能,因此,作戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃將更加復(fù)雜,作戰(zhàn)過程將更加難以預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)沙盤推演、圖上推演方法已無法滿足對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃分析評(píng)估的需求,需要在現(xiàn)有作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中引入仿真技術(shù),嵌入作戰(zhàn)計(jì)劃推演評(píng)估系統(tǒng),提高海軍作戰(zhàn)計(jì)劃輔助決策能力。

2)不確定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)平行仿真技術(shù)的需求

海上作戰(zhàn)一般會(huì)制定詳細(xì)周密的作戰(zhàn)計(jì)劃。然而,現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)瞬息萬變,快速變化的戰(zhàn)場(chǎng)局勢(shì)常常在作戰(zhàn)計(jì)劃執(zhí)行之前就使該計(jì)劃失去了時(shí)效性。指揮員要根據(jù)實(shí)時(shí)變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),快速修正作戰(zhàn)計(jì)劃,必須要求作戰(zhàn)計(jì)劃推演能夠及時(shí)、快捷,與作戰(zhàn)過程保持一致,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平行推演。

1 基本概念

面向海戰(zhàn)的嵌入式/平行仿真方法是研究作戰(zhàn)過程中根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行模擬推演的仿真技術(shù),通過仿真推演輔助指揮員對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)情況的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判,以及時(shí)調(diào)整和優(yōu)選作戰(zhàn)方案,快速制定作戰(zhàn)計(jì)劃,解決輔助指揮決策及時(shí)性的問題。

“嵌入式”是指將仿真系統(tǒng)無縫嵌入到實(shí)裝作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中,使仿真系統(tǒng)與實(shí)裝指控進(jìn)行信息、資源共享,通過仿真系統(tǒng)對(duì)非線性問題的強(qiáng)大求解能力輔助指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)籌劃、作戰(zhàn)計(jì)劃分析等。

“平行”是指作戰(zhàn)過程中作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)與實(shí)際作戰(zhàn)同步運(yùn)行,仿真系統(tǒng)從實(shí)際作戰(zhàn)中獲取及時(shí)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),并不斷變更仿真方向,更新仿真狀態(tài),通過仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行能力快速預(yù)測(cè)未來戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),并反饋給作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),輔助指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)指揮決策,進(jìn)而影響實(shí)際作戰(zhàn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外情況

2.1.1 嵌入式仿真技術(shù)成為作戰(zhàn)籌劃的關(guān)鍵技術(shù)

美軍計(jì)劃系統(tǒng)的整體架構(gòu),是上自國(guó)家安全委員會(huì)、下至戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的金字塔結(jié)構(gòu),包括戰(zhàn)略計(jì)劃系統(tǒng)、戰(zhàn)役計(jì)劃系統(tǒng)、戰(zhàn)斗計(jì)劃系統(tǒng)，如圖1所示。

美軍已把仿真技術(shù)嵌入到各級(jí)作戰(zhàn)計(jì)劃制定系統(tǒng)中,對(duì)各級(jí)作戰(zhàn)計(jì)劃分別進(jìn)行推演分析評(píng)估,輔助作戰(zhàn)人員發(fā)現(xiàn)問題,逐步完善,提高作戰(zhàn)計(jì)劃的可行性,典型系統(tǒng)如戰(zhàn)區(qū)級(jí)的仿真系統(tǒng)“戰(zhàn)區(qū)級(jí)聯(lián)合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)(JTLS)”、戰(zhàn)役層的作戰(zhàn)分析系統(tǒng)“兵力結(jié)構(gòu)效能仿真系統(tǒng)(4ACES)”、任務(wù)級(jí)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)“擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)”、“下一代”先進(jìn)兵力SAF系統(tǒng)(OneSAF)等[1]。

圖1 美軍聯(lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃制定體系

1)戰(zhàn)區(qū)級(jí)聯(lián)合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)(JTLS)

戰(zhàn)區(qū)級(jí)聯(lián)合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)(Joint Theater Level Simulation, JTLS)是一個(gè)交互式、多方參與的作戰(zhàn)推演系統(tǒng),已嵌入到美軍戰(zhàn)役作戰(zhàn)計(jì)劃系統(tǒng)中,裝備于各戰(zhàn)區(qū)級(jí)、戰(zhàn)役級(jí)指揮所,可用于陸、海、空等作戰(zhàn)環(huán)境于一體的聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)評(píng)估、聯(lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃分析、備選軍事戰(zhàn)略評(píng)定、應(yīng)急計(jì)劃和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)的分析制定等[2]。目前,系統(tǒng)已應(yīng)用于“果敢勇士”系列作戰(zhàn)演練、"Ultimate Endeavor"、"Keen Edge"、"Dynamic Action"、"USMC B1ock3CPX"、"Cobra Gold"、"Yildiz" (土耳其)、"Matador"和"Burning Harmony"等演習(xí)活動(dòng),2003年,美國(guó)將JTLS出售給臺(tái)灣,成為臺(tái)灣每年進(jìn)行 “漢光兵棋推演”的平臺(tái)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

①具有規(guī)范化的與實(shí)裝系統(tǒng)互操作接口

系統(tǒng)在開發(fā)之初就制定了一系列與實(shí)裝進(jìn)行信息交換的接口、模型、規(guī)范,包含數(shù)據(jù)庫(kù)交互規(guī)范、人機(jī)交互接口規(guī)范、信息傳輸交互規(guī)范、作戰(zhàn)模型規(guī)范等,并開發(fā)了一系列信息交互工具。

②具有戰(zhàn)區(qū)級(jí)作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)要素仿真能力

系統(tǒng)能夠模擬空中預(yù)警和控制系統(tǒng)(AWACS)、電子戰(zhàn)(EC)、反雷達(dá)攻擊機(jī)(WW)、防御型防空、地(水)面攻擊、近距離空中支援(GAS)、武裝和非武裝偵察、部隊(duì)與補(bǔ)給品的空投、反潛戰(zhàn)、搜索與救援(SAR)、綜合防空系統(tǒng)(lADS)作戰(zhàn)等作戰(zhàn)樣式,能夠模擬后勤補(bǔ)給、火力損耗、倉(cāng)促防御、防御延期、支援、核污染、化學(xué)污染、民事活動(dòng)、心理、疾病等作戰(zhàn)要素。

2)兵力結(jié)構(gòu)效能仿真系統(tǒng)(4ACES)

兵力結(jié)構(gòu)效能仿真系統(tǒng)(Force Architecture Capabilities Effectiveness Simulation,4ACES)是美國(guó)海軍戰(zhàn)役層次的作戰(zhàn)分析系統(tǒng),屬于聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)(JWARS)中的重要組成部分,已嵌入到航母編隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)中,并與航母編隊(duì)指控系統(tǒng)中的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)(TAMPS)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互操作。其已裝備于各大艦隊(duì),主要用于戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)計(jì)劃分析,輔助作戰(zhàn)決策,在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中得到多次應(yīng)用。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

①具有?？章?lián)合作戰(zhàn)計(jì)劃全要素仿真能力

系統(tǒng)具有對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃中組織關(guān)系、作戰(zhàn)規(guī)則、行動(dòng)過程、信息路由、作戰(zhàn)資源、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、后勤保障等要素的全面描述能力,逼真體現(xiàn)指揮員的立案企圖和作戰(zhàn)計(jì)劃。

②具備海戰(zhàn)場(chǎng)主要作戰(zhàn)樣式仿真能力

系統(tǒng)能夠仿真推演海戰(zhàn)場(chǎng)主要作戰(zhàn)樣式,包括防空反導(dǎo)作戰(zhàn)、對(duì)海作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)、對(duì)陸作戰(zhàn)、水雷戰(zhàn)、兩棲戰(zhàn)等常規(guī)作戰(zhàn)樣式,以及信息戰(zhàn)、空間戰(zhàn)等。支持戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)等不同層級(jí)作戰(zhàn)推演。

3)擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)

擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng)(Extended Air Defense Simulation, EADSIM)是美軍最成熟、使用最廣泛的任務(wù)級(jí)嵌入式仿真系統(tǒng)之一,已納入到美國(guó)空軍標(biāo)準(zhǔn)的作戰(zhàn)分析軟件工具中,應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋作戰(zhàn)方案分析與規(guī)劃、武器裝備論證與評(píng)估,以及軍事訓(xùn)練與戰(zhàn)法研究等,在美軍“沙漠盾牌”和“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)中得到應(yīng)用,能夠滿足以C4ISR為中心的導(dǎo)彈戰(zhàn)、空戰(zhàn)、空間戰(zhàn)以及電子戰(zhàn)等作戰(zhàn)樣式的需求[3]。

2.1.2 平行仿真技術(shù)已成為作戰(zhàn)輔助決策的重要手段

美軍從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)認(rèn)識(shí)到,作戰(zhàn)仿真不僅可以用于戰(zhàn)前籌劃,在戰(zhàn)時(shí)更可以發(fā)揮較大作用,可以根據(jù)最新的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和及時(shí)預(yù)測(cè)的敵人意圖和行動(dòng),進(jìn)行快速推演決策并實(shí)施相應(yīng)行動(dòng)。因此,美軍除了將仿真嵌入指揮控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)前作戰(zhàn)籌劃外,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)于2007年提出并著手研究“深綠(Deep Green)”計(jì)劃,利用仿真技術(shù)支持正在進(jìn)行的軍事行動(dòng)。

“深綠”通過實(shí)時(shí)仿真評(píng)估，主動(dòng)生成多種合理的行動(dòng)方案，形成以支持作戰(zhàn)指揮全過程為核心的“訓(xùn)練與作戰(zhàn)一體、分析與決策一體”的作戰(zhàn)支持模式，目前支持營(yíng)、團(tuán)級(jí)作戰(zhàn)，具體體系框架如圖2所示[4]。

圖2 “深綠”計(jì)劃體系架構(gòu)圖

系統(tǒng)由“指揮員助手”人機(jī)接口系統(tǒng)、“水晶球”控制系統(tǒng)及“閃電戰(zhàn)”仿真系統(tǒng)三部分組成?！爸笓]員助手”具有能夠?yàn)橹笓]員提供快速生成定性的、粗略的作戰(zhàn)計(jì)劃的能力;“閃電戰(zhàn)”是“深綠”的仿真子系統(tǒng),通過快速仿真生成可能的未來態(tài)勢(shì);“水晶球”是“深綠”的控制系統(tǒng),將從作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中實(shí)時(shí)捕獲當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),并利用這些態(tài)勢(shì)信息更新對(duì)許多可能的未來態(tài)勢(shì)的估計(jì)[5-10]。

該系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn):

1)采用實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)捕獲技術(shù),實(shí)現(xiàn)與作戰(zhàn)過程保持一致的平行推演

系統(tǒng)將仿真系統(tǒng)與指揮控制系統(tǒng)互聯(lián),實(shí)現(xiàn)了仿真與實(shí)裝的無縫互操作,作戰(zhàn)過程中,仿真系統(tǒng)將直接從指揮控制系統(tǒng)獲取最新態(tài)勢(shì)信息、兵力資源信息,并基于最新態(tài)勢(shì)和目標(biāo)信息進(jìn)行仿真評(píng)估。

2)采用多分支推演技術(shù),實(shí)現(xiàn)多個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)方案(COA)并行推演

針對(duì)當(dāng)前多個(gè)備用作戰(zhàn)行動(dòng)方案,進(jìn)行超實(shí)時(shí)的并行仿真推演,推演過程中,不斷通過辨識(shí)分支點(diǎn)得到不同的未來態(tài)勢(shì),并估計(jì)每種態(tài)勢(shì)發(fā)生的可能性,從而使指揮員能夠“透視”未來并迅速理解軍事行動(dòng)的展開。

3)采用預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)估計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)快速生成作戰(zhàn)行動(dòng)方案

對(duì)推演產(chǎn)生的預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖進(jìn)行管理,利用更新后的可能性指標(biāo)裁剪未來態(tài)勢(shì)中的部分態(tài)勢(shì),并調(diào)用草擬計(jì)劃系統(tǒng),辨識(shí)即將到來的決策點(diǎn),并調(diào)用草擬決策行動(dòng),快速生成作戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃。

2.1.3 仿真系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)之間已建立了互操作基礎(chǔ)平臺(tái)

C4I系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的互聯(lián)大致經(jīng)歷了傳統(tǒng)C4I系統(tǒng)與仿真的接口階段,雙向互操作階段和C4I系統(tǒng)的嵌入式仿真階段,如圖3所示[11]。

圖3 C4I與仿真系統(tǒng)互聯(lián)

在傳統(tǒng)接口階段,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互操作信息以C4I系統(tǒng)可以識(shí)別的結(jié)構(gòu)從仿真系統(tǒng)傳送到C4I系統(tǒng)中,但由于C4I系統(tǒng)可以識(shí)別的信息結(jié)構(gòu)是有限的,限制了仿真與C4I系統(tǒng)之間的互操作[12]。

在HLA/RTI階段,建立了C4I與仿真之間的對(duì)象轉(zhuǎn)移機(jī)制,消除了傳統(tǒng)的接口信息結(jié)構(gòu)的限制。

在嵌入式仿真階段,美軍在提供仿真與C4I系統(tǒng)互聯(lián)的HLA之上的,同時(shí)又提出了一套公共仿真軟件服務(wù),使得在C4I系統(tǒng)內(nèi)部就開展基于仿真的作戰(zhàn)計(jì)劃分析和戰(zhàn)術(shù)決策,同時(shí),建立了可靠的嵌入式仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu):美國(guó)國(guó)防信息基礎(chǔ)設(shè)施公共運(yùn)營(yíng)環(huán)境(Defense Information Infrastructure Common Operating Environment,DII COE),如圖4所示。

圖4 DIICOE/C4I體系結(jié)構(gòu)

除此之外,美軍十分重視仿真與C4ISR互操作能力的建設(shè),一方面新興的OneSAF和WARSIM仿真系統(tǒng)正式提出了對(duì)C4I互操作性的要求,另一方面“未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”和聯(lián)合指揮控制也正式提出了對(duì)仿真互操作性的要求,形成了大量的標(biāo)準(zhǔn)和模型:在公共體系結(jié)構(gòu)方面,規(guī)定建模與仿真和C4I系統(tǒng)必須遵循DoDAF;在公共數(shù)據(jù)交換模型方面,開發(fā)了“指控信息交換數(shù)據(jù)模型(C2IEDM)”,并已經(jīng)被NATO的多國(guó)互操作性計(jì)劃成員采用;在公共描述語(yǔ)言方面,提出了“作戰(zhàn)管理語(yǔ)言(BML)”、XBML、CBML,以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)計(jì)劃與命令的標(biāo)準(zhǔn)化與自動(dòng)化,從而在指控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)之間通用[13]。

2.2 國(guó)內(nèi)情況

國(guó)內(nèi)大量開展了關(guān)于大規(guī)模作戰(zhàn)計(jì)劃仿真推演技術(shù)的研究,研發(fā)了大量的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng),但各自體系結(jié)構(gòu)和建模標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立,只能在仿真環(huán)境中運(yùn)行,還無法與實(shí)裝系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通,不具備嵌入式/平行仿真能力。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

作戰(zhàn)仿真作為指控系統(tǒng)的重要支撐技術(shù),呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì):

1)從獨(dú)立的作戰(zhàn)分析應(yīng)用向與實(shí)裝無縫嵌入發(fā)展,其中的“無縫嵌入”主要表現(xiàn):①仿真系統(tǒng)與實(shí)裝具有協(xié)調(diào)一致的體系結(jié)構(gòu),在組成、功能、性能、運(yùn)行流程等方面與實(shí)裝指控協(xié)調(diào)一致;②能夠共享資源,包括裝備性能數(shù)據(jù)庫(kù)、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則庫(kù)、作戰(zhàn)模型庫(kù)、作戰(zhàn)計(jì)劃等[14];③具有共用的基礎(chǔ)與支撐平臺(tái),包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、運(yùn)行支撐系統(tǒng)等。

2)從戰(zhàn)前籌劃應(yīng)用支持向作戰(zhàn)過程平行推演決策支持發(fā)展,其中的“平行仿真”主要表現(xiàn):①實(shí)時(shí)捕獲戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),與指控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通;②基于最新的戰(zhàn)場(chǎng)情況,快速制定或變更作戰(zhàn)方案;③進(jìn)行大規(guī)模兵力仿真的多分支推演,通過分支點(diǎn)估計(jì),預(yù)測(cè)未來態(tài)勢(shì)。

3 基于嵌入式/平行仿真的指控系統(tǒng)框架構(gòu)想

在原有指控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,新增仿真模型引擎環(huán)境、作戰(zhàn)計(jì)劃生成環(huán)境、虛實(shí)態(tài)勢(shì)處理環(huán)境三部分來構(gòu)建嵌入仿真的指控系統(tǒng)框架。仿真模型引擎環(huán)境用以對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行快速推演,生成所有可能的預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì);虛實(shí)態(tài)勢(shì)處理管理作戰(zhàn)計(jì)劃推演所生成的預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖,并通過捕獲實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)對(duì)預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖進(jìn)行處理;作戰(zhàn)計(jì)劃生成環(huán)境能夠根據(jù)預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖自動(dòng)生成作戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃、作戰(zhàn)指令，如圖5所示。

圖5 嵌入式/平行仿真推演系統(tǒng)框架

作戰(zhàn)計(jì)劃導(dǎo)入到作戰(zhàn)仿真推演系統(tǒng)中進(jìn)行仿真推演,生成預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖,并在C4I系統(tǒng)中顯示未來的可能態(tài)勢(shì)及每種態(tài)勢(shì)發(fā)生的可能性,隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的變化,實(shí)時(shí)捕獲戰(zhàn)場(chǎng)最新態(tài)勢(shì),更新預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)總圖,包含三方面:

1)裁剪不可能發(fā)生的態(tài)勢(shì);

2)對(duì)即將發(fā)生的態(tài)勢(shì),基于決策點(diǎn)生成指控命令,并輸出給C4I系統(tǒng);

3)對(duì)需要重新評(píng)估的態(tài)勢(shì)更改作戰(zhàn)計(jì)劃,繼續(xù)進(jìn)行仿真推演。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿真系統(tǒng)與實(shí)裝指控互操作技術(shù)

指控系統(tǒng)確定的作戰(zhàn)方案要方便地輸入到輔助決策仿真系統(tǒng),而且經(jīng)仿真系統(tǒng)推演、修改、評(píng)估后的作戰(zhàn)方案變?yōu)榧?xì)粒度的作戰(zhàn)計(jì)劃,作戰(zhàn)計(jì)劃要方便地輸出到指控系統(tǒng)執(zhí)行,在線決策更要頻繁地進(jìn)行這種互操作。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括:指控系統(tǒng)與和仿真系統(tǒng)有一致的計(jì)劃描述規(guī)范和統(tǒng)一的軍事想定定義語(yǔ)言(美軍采用MSDL)——數(shù)據(jù)[15]。

通過仿真系統(tǒng)擬制作戰(zhàn)計(jì)劃過程如圖6所示。首先由軍事想定編輯組件從指控系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體信息,并根據(jù)想定數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有想定數(shù)據(jù),由MSDL的API接口生成標(biāo)準(zhǔn)格式的MSDL文件。MSDL文件輸出至仿真系統(tǒng)進(jìn)行多方案分析評(píng)估,如果計(jì)劃不能滿足需求則重新擬制,如果滿足則轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的基于XML的作戰(zhàn)計(jì)劃文件作為C2I作戰(zhàn)系統(tǒng)的計(jì)劃輸入。

圖6 作戰(zhàn)計(jì)劃過程圖

4.2 仿真與實(shí)裝的虛實(shí)態(tài)勢(shì)關(guān)聯(lián)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)與作戰(zhàn)過程平行的作戰(zhàn)推演仿真,關(guān)鍵是虛擬態(tài)勢(shì)與真實(shí)態(tài)勢(shì)的同步關(guān)聯(lián),只有基于真實(shí)態(tài)勢(shì)的仿真推演才是有效、可信的。仿真態(tài)勢(shì)是基于仿真實(shí)體生成的,在仿真系統(tǒng)中唯一、可識(shí)別,而實(shí)際態(tài)勢(shì)是通過實(shí)裝探測(cè)裝備感知的,存在無法識(shí)別、冗余、缺失、重疊等各種情況,因此,如何確保仿真態(tài)勢(shì)與真實(shí)態(tài)勢(shì)的一致關(guān)聯(lián),是實(shí)現(xiàn)平行推演的關(guān)鍵。

從作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中的目標(biāo)信息中提取目標(biāo)的身份特征、軌跡特征信息,并與仿真態(tài)勢(shì)進(jìn)行映射,求解發(fā)生變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,并更新仿真態(tài)勢(shì),如圖7所示。

圖7 態(tài)勢(shì)捕獲主要流程

重點(diǎn)是實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)與仿真態(tài)勢(shì)的映射,主要從身份映射、軌跡映射兩部分展開研究。身份映射是將作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中目標(biāo)的批號(hào)、類型、屬性、型號(hào)、運(yùn)動(dòng)介質(zhì)等與仿真態(tài)勢(shì)中的目標(biāo)名稱、實(shí)體型號(hào)進(jìn)行對(duì)比,在考慮作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中屬性和類型識(shí)別置信度的基礎(chǔ)上,求解身份一致率:

PI=(ωiIidentify+ωcIclassical)*Pbach*Pmedium

其中ωi、ωc為權(quán)值,Iidentify、Iclassical分別為屬性和類型識(shí)別置信度,由實(shí)裝系統(tǒng)或識(shí)別仿真模塊輸出,Pbach、Pmedium分別為目標(biāo)名稱和運(yùn)動(dòng)介質(zhì)一致率,其中Pbach、Pmedium的計(jì)算公式為

其中，c1、c2為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)或目標(biāo)名稱,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)介質(zhì)包含水面、水下、空中、空間、岸上四類,目標(biāo)名稱為裝備性能數(shù)據(jù)庫(kù)中的目標(biāo)標(biāo)識(shí)。

軌跡映射是將作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中目標(biāo)的當(dāng)前位置、速度、航向信息及過往軌跡信息與仿真態(tài)勢(shì)中的實(shí)體運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行對(duì)比,在考慮位置不確定度、速度不確定度、航向不確定度及過往軌跡丟點(diǎn)、虛假的基礎(chǔ)上,求解軌跡一致率。如圖8所示。

圖8 軌跡映射一致率示意

當(dāng)仿真態(tài)勢(shì)中某位置點(diǎn)落在作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)中同時(shí)刻位置點(diǎn)不確定區(qū)域內(nèi),則認(rèn)為該點(diǎn)是匹配的,當(dāng)前點(diǎn)匹配并且過往點(diǎn)連續(xù)K點(diǎn)匹配,則認(rèn)為兩條軌跡一致。

4.3 高效仿真引擎設(shè)計(jì)技術(shù)

采用仿真手段對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行分析,對(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)過程進(jìn)行預(yù)測(cè),就必須逼真地模擬海戰(zhàn)場(chǎng)所有作戰(zhàn)要素,如指揮結(jié)構(gòu)、兵力資源、通信關(guān)系、任務(wù)計(jì)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則等,涉及的模型包含平臺(tái)、傳感器、武器、指控、電子戰(zhàn)設(shè)備、導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)、行為等。對(duì)于嵌入實(shí)裝系統(tǒng)的平行仿真系統(tǒng),將面臨著大量模型運(yùn)行調(diào)度需求與仿真實(shí)時(shí)性之間的矛盾,這對(duì)仿真引擎的運(yùn)行效率設(shè)計(jì)提出了更高要求。

在單線程離散事件引擎基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)面向多核的并行引擎[16]。

橫向?yàn)槊恳粋€(gè)線程設(shè)置一個(gè)事件管理列表,并設(shè)置獨(dú)立的事件流執(zhí)行處理模塊,在執(zhí)行事件過程中請(qǐng)求模型處理算法,產(chǎn)生新事件,并插入到相應(yīng)的事件列表中,依次執(zhí)行;

縱向?qū)⒆鲬?zhàn)仿真推演的不同模塊均勻的分配到各線程中,彼此之間通過統(tǒng)一的時(shí)間管理器實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,設(shè)置時(shí)間標(biāo)尺處理模塊,管理統(tǒng)一的仿真時(shí)間,只有當(dāng)前事件時(shí)刻小于等于時(shí)間標(biāo)尺時(shí),事件才會(huì)被執(zhí)行,如圖9所示。

在對(duì)多核并行仿真引擎的設(shè)計(jì)過程中,由于多線程之間調(diào)度了統(tǒng)一的仿真實(shí)體,因此,如何避免各實(shí)體在調(diào)度過程中的互斥問題是引擎設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[17]。采用層次調(diào)度機(jī)制,引入實(shí)體容器模塊,仿真引擎調(diào)度實(shí)體容器,如圖10所示。

圖10 仿真調(diào)度層次概念結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)體容器中引入時(shí)間排隊(duì)機(jī)構(gòu),在同一刻不同線程內(nèi)的事件同時(shí)請(qǐng)求調(diào)度某一實(shí)體對(duì)象時(shí),必須在時(shí)間排隊(duì)機(jī)構(gòu)中進(jìn)行排隊(duì)等待,這樣就可以避免兩個(gè)實(shí)體請(qǐng)求的讀寫沖突,時(shí)間排隊(duì)機(jī)構(gòu)采用先入先出棧,如圖11所示。

圖11 時(shí)間排隊(duì)機(jī)構(gòu)示意

4.4 多分支平行仿真推演技術(shù)

現(xiàn)有的作戰(zhàn)方案推演評(píng)估系統(tǒng)多是基于蒙特卡洛的仿真方法,通過選取種子數(shù),隨機(jī)運(yùn)行大量樣本,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)作戰(zhàn)方案進(jìn)行評(píng)估,從而得到當(dāng)前作戰(zhàn)方案未來最可能發(fā)生的交戰(zhàn)結(jié)果。但在實(shí)際作戰(zhàn)過程中,指揮員最亟需的是掌握未來戰(zhàn)場(chǎng)上所有的可能交戰(zhàn)結(jié)果及每種結(jié)果的發(fā)生概率,因此,如何在推演過程中將所有的交戰(zhàn)結(jié)果推演出來,并給出各種交戰(zhàn)結(jié)果的可能性是當(dāng)前仿真推演系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

蒙特卡洛仿真雖然可以產(chǎn)生可能結(jié)果空間的樣本,但不能保證充分采樣空間,只能得到最有可能的推演結(jié)果,無法預(yù)測(cè)可能結(jié)果的范圍及每種結(jié)果的可能性。采用定性與定量相結(jié)合的方法,研究推演分支點(diǎn)辨識(shí)方法,在并行仿真推演引擎的基礎(chǔ)上,構(gòu)建人在回路的多分支推演模型框架,如圖12所示。

圖12 人在回路的多分支推演框架

主要流程為:

1)接收作戰(zhàn)計(jì)劃;

2)推演引擎對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行初始化,并調(diào)度相應(yīng)模型,產(chǎn)生仿真實(shí)體對(duì)象,初始化仿真事件流;

3)仿真推演開始,依據(jù)系統(tǒng)決策概率或人工干預(yù)點(diǎn)確定分支點(diǎn),產(chǎn)生新的仿真推演事件流;

4)用先驗(yàn)估計(jì)評(píng)估每個(gè)分支的可能性,多個(gè)事件流并行仿真,持續(xù)仿真到每個(gè)分支直至到達(dá)終點(diǎn);

5)輸出每一個(gè)預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)及其發(fā)生概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

面向未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng),迫切需要指控系統(tǒng)輔助指揮員和參謀人員能夠更好的作戰(zhàn)決策,提供更準(zhǔn)確的分析、預(yù)測(cè)與控制方法,從而得到更可靠的結(jié)果,有效提高決策的可靠性、靈活性和前瞻性,降低決策風(fēng)險(xiǎn),取得更好地作戰(zhàn)效能。面向作戰(zhàn)的嵌入式/平行仿真是動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境下輔助決策的一種有效方法,為此，需要加強(qiáng)對(duì)仿真系統(tǒng)與實(shí)裝指控的互操作技術(shù)、多分支并行仿真推演等關(guān)鍵技術(shù)的研究。此外,高效仿真引擎、互操作標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)技術(shù)的研究發(fā)展也將為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供有效保障。未來的構(gòu)想是將作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)無縫嵌入指控系統(tǒng),可在線評(píng)估作戰(zhàn)計(jì)劃,并最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜作戰(zhàn)的臨機(jī)輔助決策。

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Conception of the Application of Parallel Simulation Technology in Command and Control System

DOU Lin-tao, CHU Yang, ZHOU Yu-fang, LIU Zhi

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

In order to improve Command and Control (C2) system’s capability of operational plan and quick decision aid, utilizing parallel simulation technology, this paper proposes a conception of embedding simulation into C2 system and using simulation to support complex operational plan or even the ongoing military operation. This paper researches the application situation and influence of the using of Parallel simulation technology in different country’s C2 system, proposes a C2 system’s frame on the basis of Parallel simulation technology, and researches some related key technologies, attempting to provide a inspiration and reference for the construction of future C2 system.

parallel simulation; operational plan deduction; online decision aid; command and control

2016-11-09

竇林濤(1980-),男,河北唐縣人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真。 初 陽(yáng)(1985-),男,工程師。 周玉芳(1968-),女,研究員,碩士生導(dǎo)師。 劉 志(1992-),男,碩士研究生。

1673-3819(2017)01-0062-08

TJ810.3+7；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.014

修回日期： 2016-11-17