徐享忠， 楊建東， 郭齊勝

(1. 陸軍裝甲兵學院演訓中心， 北京 100072； 2. 中國衛(wèi)星海上測控部， 江蘇 江陰 214431)

仿真試驗(Simulation Test)是應用仿真系統(tǒng)模擬被仿真對象的工作過程，檢驗預期結果達到的程度，以支持訓練、分析等目的的科學實踐活動[1]。信息化作戰(zhàn)要素數(shù)量龐大，交互復雜，具備高度的非線性動態(tài)演化特性，難以進行有效的建模，即使建立了模型，也往往難以求解。因此，亟需作戰(zhàn)仿真試驗這種定性、定量相結合的研究手段。

美國國防部投入大量資金開發(fā)了眾多的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，作為作戰(zhàn)“預實踐”的主要手段，如作戰(zhàn)方案評估模型(Combat Evaluation Model，CEM)、聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(Joint WARfare System，JWARS)、聯(lián)合戰(zhàn)區(qū)級仿真(Joint Theater Level Simulation，JTLS)、美國蘭德戰(zhàn)略評估系統(tǒng)(RAND Strategic Assessment System，RSAS)等。其中，美國智庫蘭德公司以RSAS為主要手段，通過作戰(zhàn)仿真試驗，先后發(fā)布了《恐怖的海峽：大陸-臺灣軍事對抗與美國的政策選擇》[2]、《大陸-臺灣沖突政治背景和軍事方面的平衡》[3]、《中美軍事記分卡：兵力、地理以及不斷變化的力量平衡(1996—2017)》[4]等研究報告，所得研究結論及建議對美國政策及美軍的戰(zhàn)法產(chǎn)生了很大影響。

在國內(nèi)，作戰(zhàn)仿真試驗也在裝備論證(試驗鑒定)、作戰(zhàn)試驗(戰(zhàn)法創(chuàng)新、作戰(zhàn)方案評估)等領域得到廣泛應用，如：筆者[5]從試驗目標、方法模式和支撐工具3個維度提出了作戰(zhàn)仿真試驗的理論框架；胡劍文等[6]著重論述了應用理論范疇的作戰(zhàn)仿真實驗設計與作戰(zhàn)仿真實驗分析理論。

作戰(zhàn)仿真試驗涉及專業(yè)領域范圍廣，而目前研究力量較為分散，基本是按照任務類型或專業(yè)領域分工，還沒有形成較為系統(tǒng)的理論體系?？傮w上，作戰(zhàn)仿真試驗的理論體系尚未引起足夠重視，有待進一步深入研究。為更好地滿足軍事領域對作戰(zhàn)仿真試驗的迫切需求，筆者建立作戰(zhàn)仿真試驗的概念框架，在此基礎上建立作戰(zhàn)仿真試驗的理論體系，并對其發(fā)展趨勢進行分析。

1 作戰(zhàn)仿真試驗概念

作戰(zhàn)仿真試驗(Combat Simulation Test)是在作戰(zhàn)仿真世界開展的試驗，一般過程是：從特定的仿真試驗目標出發(fā)，通過仿真試驗設計，依托作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)對作戰(zhàn)過程和結果進行預測；以仿真試驗想定為框架，經(jīng)過仿真試驗設計，完成想定數(shù)據(jù)準備；采取一定的仿真運行模式運行作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，監(jiān)控仿真運行過程，采集作戰(zhàn)仿真結果，并基于作戰(zhàn)仿真結果的分析與評估，獲取對作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)律的認識。作戰(zhàn)仿真試驗的概念框架如圖1所示。

仿真實驗(Simulation Experiment)是指在受控條件下實施仿真試驗，測試假說或假設，并量化分析實驗結果的原因[1]。因此，作戰(zhàn)仿真試驗是作戰(zhàn)仿真實驗的基礎。

自下而上，作戰(zhàn)仿真試驗的理論體系分為基礎理論、專業(yè)理論和應用理論3個層次。

2 作戰(zhàn)仿真試驗基礎理論

作戰(zhàn)仿真試驗的專業(yè)領域范圍廣，屬于多學科交叉的研究領域。作戰(zhàn)仿真試驗基礎理論是其支撐性理論，包括預測論、作戰(zhàn)仿真理論和試驗理論。

2.1 預測論

預測是依據(jù)成體系的科學知識對或然事物做出的判斷，由預測者(個人或集體)、預測依據(jù)(知識)、預測手段、預測對象(事物的未來或未知狀況)和預測結果(預先判斷)5個要素組成。預測者從所要預測的對象出發(fā)，搜集整理有關的歷史和現(xiàn)狀資料、數(shù)據(jù)，同時使用適當?shù)念A測手段進行分析、加工，然后得出預測結果。預測結果必須具有可解釋性、證偽性和簡約性[7]。

依據(jù)預測手段，預測活動可分為直觀性預測、探索性預測、規(guī)范性預測和反饋性預測，其中，直觀性預測利用人的直覺、判斷和思維預測該對象的未來。除了直觀性預測，其余3種預測活動與作戰(zhàn)仿真試驗有著密切關系，具體關系如表1所示。

表1 預測活動與作戰(zhàn)仿真試驗的關系

2.2 作戰(zhàn)仿真理論

作戰(zhàn)仿真理論涉及作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的構建，主要涵蓋作戰(zhàn)建模與分布仿真，要素則包括模型與數(shù)據(jù)2大類。作戰(zhàn)仿真要素的主要內(nèi)容如表2所示，其中，模型與數(shù)據(jù)均可按照內(nèi)容、形式、類型和隨機性的不同進行進一步劃分。

指揮行為建模是公認的難點，在建模理論與方法上有待突破，需要結合新一代人工智能的相關成果?；诖髷?shù)據(jù)的深度學習為解決這一難題提供了新思路；而人在回路仿真則避開了這一難題。

表2 作戰(zhàn)仿真要素的主要內(nèi)容

由于仿真對象的分布性，目前作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的主流采用了先進分布仿真(Advanced Distributed Simulation，ADS)架構；而與實物模型、半實物模型和數(shù)學模型相對應的仿真分別為真實(Live)仿真、虛擬(Virtual)仿真和構造(Constructive)仿真，它們共同構成混合試驗環(huán)境(LVC)，成為體系作戰(zhàn)仿真試驗的高級形態(tài)。

2.3 試驗理論

試驗理論包括試驗目標、試驗設計原則與方法、試驗控制、試驗數(shù)據(jù)采集以及試驗結果分析等基本內(nèi)容，著重回答以下5個關鍵問題：

1) 如何確定合適的試驗類型？是假設檢驗、評估分析、設計優(yōu)化、篩選還是驗證?

2) 根據(jù)試驗目標，如何明確試驗達到什么指標?考核的指標和要求是什么?

3) 根據(jù)試驗指標，應選擇哪些試驗要素?如何設置這些試驗要素的水平?

4) 如何控制試驗運行，以采集達成預期試驗目標所需試驗數(shù)據(jù)?

5) 如何對試驗結果進行分析?

3 作戰(zhàn)仿真試驗專業(yè)理論

作戰(zhàn)仿真試驗專業(yè)理論是作戰(zhàn)仿真試驗的主體理論，主要回答作戰(zhàn)仿真試驗的目標、模式、框架以及流程等基本問題。

3.1 作戰(zhàn)仿真試驗目標

試驗目標是一種對系統(tǒng)的宏觀認識，它貫穿于試驗的始終，是指導試驗設計以及試驗實施的基礎。根據(jù)試驗目標的不同，作戰(zhàn)仿真試驗通?？煞譃榧僭O檢驗型、評估分析型、設計優(yōu)化型、篩選型以及驗證型5種類型[8]，其試驗目標及典型試驗項目如表3所示。由于試驗目標不同，以上不同類型的作戰(zhàn)仿真試驗應采用不同的仿真試驗模式、仿真試驗設計、仿真運行模式和仿真試驗分析。

3.2 作戰(zhàn)仿真試驗模式

隨著作戰(zhàn)仿真技術的發(fā)展，仿真手段日益先進，試驗效果不斷提高，互操作層次不斷提升，作戰(zhàn)仿真試驗衍生出了新技術試驗、科研試驗和作戰(zhàn)試驗等類別，形成了一體化(Integrative)試驗、綜合(Com-bined)試驗、混合(Hybrid)試驗和聯(lián)合(Joint)試驗等多種試驗模式，以獲取盡可能高的質(zhì)量和效益，如表4所示。

表3 不同試驗類型的試驗目標及典型試驗項目

表4 不同仿真試驗模式的著眼點及主要內(nèi)涵

3.3 作戰(zhàn)仿真試驗框架

圖2為作戰(zhàn)仿真試驗框架。作戰(zhàn)仿真試驗以作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(含兵棋推演系統(tǒng))為主要手段，在仿真試驗環(huán)境(如圖2虛線框所示)的支持下，根據(jù)試驗目標進行試驗設計；輸入初始數(shù)據(jù)，依據(jù)試驗方案對作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)進行控制，采集作戰(zhàn)仿真試驗結果；采取某種方法，對作戰(zhàn)仿真試驗結果進行分析與評估。

其中，試驗控制模塊[9]監(jiān)測仿真節(jié)點的負載，完成單次或多次仿真運行過程的控制，實現(xiàn)仿真運行過程的無人值守及容錯運行，提高仿真運行的效率，并自動記錄仿真試驗過程中發(fā)生的重要事件，便于事后回溯。

3.4 作戰(zhàn)仿真試驗流程

無論哪種試驗模式，出于何種試驗目標，作戰(zhàn)仿真試驗流程均可分為仿真試驗準備、仿真試驗實施和仿真試驗分析3個階段，如圖3所示。

在仿真試驗準備階段，主要工作包括試驗需求分析、仿真試驗設計、試驗方案制定和試驗方案評審，以及試驗系統(tǒng)準備、試驗人員培訓和初始數(shù)據(jù)準備。其中，初始數(shù)據(jù)準備主要包括數(shù)字地形圖、裝備戰(zhàn)技性能等基礎數(shù)據(jù)準備，以及雙方兵力編成、作戰(zhàn)部署、作戰(zhàn)計劃等想定數(shù)據(jù)準備，往往需要投入大量人力和時間，對作戰(zhàn)仿真試驗的質(zhì)量及響應速度具有直接的影響，但它的難度及面臨的挑戰(zhàn)往往沒有得到足夠重視。

在仿真試驗實施階段，主要工作包括仿真試驗運行、仿真試驗控制和試驗數(shù)據(jù)采集。其中，無人值守的多樣本仿真試驗連續(xù)運行控制和數(shù)據(jù)采集對仿真試驗的效率有很大影響。

在仿真試驗分析階段，主要工作包括試驗數(shù)據(jù)處理、試驗數(shù)據(jù)分析和試驗報告撰寫，評估是否達成預期的試驗目標，識別存在的問題和有待完善的關鍵環(huán)節(jié)。

這3個階段依次推進，直到仿真試驗結束；但是，這些階段之間并非純粹的串行順序，而應是一個著眼是否達成預期試驗目標而進行的多次迭代、逐步逼近的過程。

4 作戰(zhàn)仿真試驗應用理論

作戰(zhàn)仿真試驗工程應用性強，其應用理論主要回答仿真試驗設計、仿真運行、仿真試驗分析以及可信性評估等作戰(zhàn)仿真試驗在特定領域應用中的方法與模式等重要問題。

4.1 仿真試驗設計

仿真試驗設計與經(jīng)典試驗設計既有聯(lián)系也有不同：目的都是選取典型試驗樣本，以更加高效地實施試驗；根本區(qū)別在于前者面向仿真系統(tǒng)，而后者面向實際系統(tǒng)，這一點經(jīng)常被人們忽略[10]。此外，除了檢測經(jīng)典試驗設計所關注的因子效應之外，仿真試驗設計強調(diào)增進對所研究系統(tǒng)的基本理解，即針對基本機制沒有被很好理解或真實數(shù)據(jù)有限甚至不存在的情況，或一個已校驗的仿真模型進行更詳細的分析。

仿真試驗設計重點研究合適的試驗設計方法以及試驗設計的規(guī)劃優(yōu)化。仿真試驗設計方法分為全因子設計、部分因子設計和單因子設計3大類，如圖4[5]所示。

具體選擇哪種仿真試驗設計方法，可以著重從簡易性、可控性、高效性和穩(wěn)定性等方面進行分析。因此，在進行作戰(zhàn)仿真試驗設計時，建議首選正交設計和均勻設計[11]。

確定試驗設計方法之后，可運用仿真試驗設計工具，根據(jù)試驗預期目的、因子數(shù)量、因子水平及運行次數(shù)要求，給出相關試驗方案。

4.2 作戰(zhàn)仿真運行模式

作戰(zhàn)仿真運行模式包括單樣本(次)仿真、多樣本仿真和參數(shù)化多樣本仿真。其中，單樣本仿真是多樣本仿真的基礎，多樣本仿真又是參數(shù)化多樣本仿真的基礎。顯然，對于概率統(tǒng)計模型，單樣本仿真的結果不適用于仿真試驗分析。因此，作戰(zhàn)仿真運行模式具有不同特點，適用于不同領域，如表5所示。

表5 不同仿真運行模式的主要特點及適用領域

4.3 仿真試驗分析

仿真試驗分析重點研究試驗數(shù)據(jù)的管理與分析。試驗分析主要類型包括數(shù)理統(tǒng)計、回歸分析、因果分析和誤差分析等，主要方法包括單一分析、靈敏性分析和探索性分析等，主要工具包括自助法(Bootstrap)[12]、克里格(Krig)估計[13]、支持向量機(Support Vector Machine，SVM)[14]等。

應用時具體采取哪種仿真試驗分析方法，與作戰(zhàn)仿真運行模式存在一定關系，如探索性分析要求實施參數(shù)化多樣本仿真。

仿真試驗分析主要方法的分析空間、分析能力、要求的仿真運行模式及典型分析實例如表6所示。

表6 仿真試驗分析主要方法的分析空間、分析能力、要求的仿真運行模式及典型分析實例

4.4 可信性評估

可信性評估貫穿作戰(zhàn)仿真試驗的整個過程，涉及建模與仿真技術、仿真管理2個領域的眾多影響因素，一直是提高作戰(zhàn)仿真試驗質(zhì)量和應用效益的瓶頸，目前尚未得到實質(zhì)性突破。其中，圍繞作戰(zhàn)仿真試驗的模型與數(shù)據(jù)這2大類要素，可信性評估的主要內(nèi)容包括仿真模型的校核、驗證與確認(Validation, Verification, and Accreditation，VV&A)、仿真數(shù)據(jù)的校核、驗證與證明(Validation, Verification, and Certification，VV&C)，主要方法包括專家綜合法、模糊綜合法、灰度綜合法和區(qū)間評價法。這些方法分為形式化方法(Formal method)與非形式化方法2類。

5 作戰(zhàn)仿真試驗理論發(fā)展趨勢

目前，無人系統(tǒng)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，孕育著從數(shù)量到質(zhì)量的嬗變。將“人工智能+無人系統(tǒng)”融合為無人自主系統(tǒng)，正成為軍事領域游戲規(guī)則的變革性技術[15]，也將引發(fā)作戰(zhàn)樣式的變革。相應地，作戰(zhàn)仿真試驗理論發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢。

5.1 面向新一代人工智能的指揮行為建模

人工智能正逐漸嵌入偵察預警、態(tài)勢感知、指揮控制、火力打擊和綜合保障等各類裝備。為實現(xiàn)自組織和自同步，無人自主系統(tǒng)將涌現(xiàn)大量合作、競爭、相互學習等社會行為。當前的指揮行為建模技術以信息論、控制論等理工科學為基礎，只有面向新一代人工智能技術[16](基于大數(shù)據(jù)智能、群體智能、人機混合智能、自主智能等)、增強決策行為的智能性，才能體現(xiàn)基于生物社會學、復雜網(wǎng)絡和混沌動力學等復雜性科學的群體智能行為及其衍生的作戰(zhàn)能力。

5.2 面向復雜系統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真

由于無人裝備、信息系統(tǒng)裝備的快速發(fā)展，裝備系統(tǒng)構成日益復雜，呈現(xiàn)出復雜系統(tǒng)的許多特性，如系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間呈現(xiàn)出耦合性強、交互關系復雜多變、演化過程難以預測和涌現(xiàn)性強等[17]。目前，作戰(zhàn)仿真難以對作戰(zhàn)行為、協(xié)同決策、復雜戰(zhàn)場環(huán)境之間的關系進行全面試驗，需要構建相應的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，實施適用于復雜系統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真試驗評估。

5.3 基于標準的想定數(shù)據(jù)準備

當前，在作戰(zhàn)仿真試驗評估中，想定數(shù)據(jù)的準備是一件極易出錯、耗費人力的工作。如：對于實際持續(xù)1個月的戰(zhàn)役作戰(zhàn)的典型想定，蘭德公司著名的聯(lián)合一體化應急模型(Joint Integrated Contingency Model，JICM)運行僅需2～3 min，而作戰(zhàn)仿真想定數(shù)據(jù)準備卻需要幾個月(在已有相近想定數(shù)據(jù)集基礎上進行修改)到半年(從頭進行想定數(shù)據(jù)準備)[18]。綜合運用SISO-STD-007-2008軍事想定定義語言(Military Scenario Definition Language，MSDL)和SISO-STD-011-2014聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言(Coalition-Battle Management Language，C-BML)等標準，可實現(xiàn)從軍事想定到仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)準備的某種自動化映射，從而解決作戰(zhàn)仿真想定數(shù)據(jù)準備面臨的難題。

5.4 基于大數(shù)據(jù)的作戰(zhàn)仿真試驗分析

除了常規(guī)的回歸分析、因果分析、在線聯(lián)機分析(On-Line Analytical Processing，OLAP)等，作戰(zhàn)仿真試驗分析將會充分運用試驗歷史數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)技術加強諸多因子之間相關性分析，開展某種形式的凈評估，是今后作戰(zhàn)仿真試驗分析技術的發(fā)展重點。

凈評估其實是一種無所不包、廣泛的思考方式[19]。它彌補了傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析方法只注重量化指標的缺陷，能夠將一些重要但難以量化的因素納入分析范圍，分析框架縝密客觀，可為決策者制定戰(zhàn)略決策提供全面、客觀的參考依據(jù)。

6 結論

作戰(zhàn)仿真試驗對裝備論證、戰(zhàn)法研究、作戰(zhàn)方案評估等具有重要作用。一方面，作戰(zhàn)仿真試驗技術目前已經(jīng)有了較大發(fā)展與廣泛應用，但對其理論體系的研究相對薄弱，還缺乏系統(tǒng)、綜合性研究，對實踐指導作用的發(fā)揮不夠顯著；另一方面，無人化、自主化、體系化的裝備發(fā)展將引發(fā)作戰(zhàn)樣式的變革，對作戰(zhàn)仿真試驗提出了新的要求，亟需深入開展作戰(zhàn)仿真試驗理論體系等方面的研究。本文研究成果對完善作戰(zhàn)仿真試驗理論體系、增強理論對實踐的指導作用，以及進一步提高作戰(zhàn)仿真試驗的效益具有一定的借鑒價值。