焦 遜，岳秀清，常 凱

(軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100083)

0 引言

裝備系統(tǒng)效能評估是進行武器裝備體系發(fā)展戰(zhàn)略研究的基礎(chǔ)。未來高技術(shù)戰(zhàn)爭，影響武器裝備系統(tǒng)效能發(fā)揮的因素越來越多,裝備系統(tǒng)效能評估的復(fù)雜性與不確定性,使裝備系統(tǒng)效能評估從單純依靠運籌學(xué)方法向運籌學(xué)方法與系統(tǒng)工程方法等綜合運用不斷發(fā)展。本文首先從效能評估的概念出發(fā)，介紹了目前裝備系統(tǒng)效能評估過程、方法以及國外典型的仿真評估系統(tǒng)。在當(dāng)前的復(fù)雜電磁環(huán)境下，建模與仿真面臨著數(shù)據(jù)量大、不確定因素多等挑戰(zhàn)，總結(jié)提出了跨層次(平臺)仿真建模技術(shù)和多分辨率(模型)仿真建模技術(shù)，為今后仿真分析評估系統(tǒng)建設(shè)提供了完整解決方案。

1 裝備系統(tǒng)效能評估概念

目前,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對“裝備系統(tǒng)效能”的定義中,有影響的主要有以下幾種：

美國業(yè)界認為，裝備系統(tǒng)效能是在規(guī)定條件下使用裝備系統(tǒng)時,系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)要求的概率；裝備系統(tǒng)能在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)之程度的指標(biāo)；裝備系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)需要的概率等。

我國學(xué)術(shù)界認為，裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)效能主要體現(xiàn)在裝備完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)能力的大小；在規(guī)定的條件下達到規(guī)定使用目標(biāo)的能力；從系統(tǒng)工程角度來看，裝備系統(tǒng)效能還應(yīng)包括其可用度、可靠度和保障度等。

綜合國內(nèi)外關(guān)于“裝備系統(tǒng)效能”的定義，我們認為電子對抗裝備系統(tǒng)效能評估是指利用一切可能的手段定量計算和評估電子對抗裝備系統(tǒng)或作戰(zhàn)行動在執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)時所能達到的預(yù)期可能目標(biāo)的程度。對電子對抗裝備系統(tǒng)效能進行評估，不僅要綜合運用現(xiàn)有的系統(tǒng)效能評估方法，而且也需要創(chuàng)新性運用裝備系統(tǒng)效能評估新方法。

2 裝備系統(tǒng)效能評估過程及方法

目前，我裝備系統(tǒng)效能評估可概括為四個階段和四種方法。

四個階段主要包括：1)論證階段的科研試驗。主要利用軍內(nèi)論證科研條件，采用數(shù)字仿真和半實物仿真等手段，進行裝備的作戰(zhàn)效能和體制試驗。2)樣機科研實驗。主要利用模擬目標(biāo)在外場對裝備作用距離、干擾能力等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和性能進行檢驗。3)裝備定型試驗。主要采用靜態(tài)方法進行技術(shù)指標(biāo)檢驗及外場動態(tài)試驗，對裝備戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、作戰(zhàn)效能等進行檢驗評估。4)部隊演習(xí)演練。主要采用實裝對抗和模擬對抗相結(jié)合的方式，對裝備進行綜合作戰(zhàn)效能評估。

四種方法主要包括：1)仿真試驗法。仿真試驗包括數(shù)字仿真試驗和半實物仿真試驗，其中：數(shù)字仿真試驗主要利用構(gòu)建的系統(tǒng)模型進行作戰(zhàn)試驗，經(jīng)統(tǒng)計處理后得出效能指標(biāo)結(jié)果；半實物仿真試驗與數(shù)字仿真試驗在功能上形成互補，主要通過產(chǎn)生信號級仿真數(shù)據(jù)，檢驗和驗證裝備作用機理的有效性和真實作用效果。2)等效試驗法。一般用于真實對抗目標(biāo)無法獲取、試驗場景難以保證等情況下，通過在試驗或演習(xí)中搭建的等效縮比場景，對裝備的關(guān)鍵指標(biāo)和作戰(zhàn)能力進行實測，結(jié)合對抗目標(biāo)的技術(shù)參數(shù)和裝備使用特點，利用實測數(shù)據(jù)進行理論推算，最終得出裝備在近似實戰(zhàn)條件下的能力。3)實裝試驗法。主要利用與真實對抗目標(biāo)相同的裝備作為配試目標(biāo)，對武器裝備的性能進行實際測試。4)實兵演練法。主要結(jié)合人員因素對武器裝備的綜合效能進行評估檢驗，重點關(guān)注裝備在“人”的因素下綜合發(fā)揮出的效能。

美軍裝備系統(tǒng)效能評估中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：研制試驗鑒定檢驗、實際目標(biāo)對抗試驗鑒定檢驗和作戰(zhàn)試驗鑒定檢驗。通過分析對比可以發(fā)現(xiàn)，我軍和美軍的裝備效能評估方法和過程基本相類似，而且鑒于武器裝備系統(tǒng)的復(fù)雜性、試驗條件和環(huán)境的苛刻性以及作戰(zhàn)效果的難以檢測性等，通常都在不同試驗與評估階段將作戰(zhàn)仿真與建模技術(shù)、作戰(zhàn)仿真實驗方法作為效能評估檢驗的重要手段。

3 典型軍事仿真分析評估系統(tǒng)

現(xiàn)代仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一種綜合性技術(shù)，其主要優(yōu)勢在于具有可控制性、無破壞性、耗費小、允許多次重復(fù)等。目前，世界各國均已認識到仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的巨大作用，將軍用仿真領(lǐng)域的競爭視為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“超前智能較量”，并把建模與仿真看作“軍隊和經(jīng)費效率的倍增器”以及影響國家安全和繁榮的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 國外軍事仿真系統(tǒng)

目前，美軍有大量實用化的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。例如，聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)主要用于戰(zhàn)役級的作戰(zhàn)仿真，是一個專業(yè)化水準(zhǔn)很高的推演仿真系統(tǒng)，包括作戰(zhàn)計劃與實施、兵力評估研究、系統(tǒng)采辦分析及概念與條令開發(fā)等；聯(lián)合仿真系統(tǒng)(JSIMS)可以對國家戰(zhàn)略、聯(lián)合作戰(zhàn)乃至戰(zhàn)術(shù)層內(nèi)容(包括兵力機動、部署、作戰(zhàn)、補給等任務(wù))進行仿真；聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)(JMASS)則是應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)和工程設(shè)計層次上的建模與仿真系統(tǒng)；聯(lián)合戰(zhàn)役級仿真系統(tǒng)(JTLS)是計算機輔助的交互式模擬系統(tǒng)，最多可模擬10方參加的空戰(zhàn)、海戰(zhàn)、陸戰(zhàn)、后勤、特種部隊作戰(zhàn)和情報支援等行動；聯(lián)合半自動兵力系統(tǒng)(JSAF)是美軍聯(lián)合作戰(zhàn)試驗和訓(xùn)練的重要工具，支持測試與評估、訓(xùn)練、試驗等多種應(yīng)用；戰(zhàn)士仿真系統(tǒng)(WARSIM 2000)是美陸軍的推演訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，能夠為在聯(lián)合作戰(zhàn)或合成作戰(zhàn)的作戰(zhàn)想定下進行訓(xùn)練的營到戰(zhàn)區(qū)級的指揮員和參謀人員提供較為真實的仿真訓(xùn)練環(huán)境；擴展防空仿真系統(tǒng)(EADSIM)是一個集分析、訓(xùn)練和作戰(zhàn)規(guī)劃于一體的多功能仿真系統(tǒng)。

3.2 軍事仿真系統(tǒng)分類與設(shè)計

軍事仿真系統(tǒng)按用途可分為測試仿真、訓(xùn)練仿真和分析仿真等。測試仿真主要用于裝備采辦，特別是作戰(zhàn)環(huán)境下武器裝備的鑒定定型和新概念武器先期技術(shù)演示等。訓(xùn)練仿真又可分為裝備使用訓(xùn)練和指揮人員訓(xùn)練，主要用于訓(xùn)練人與裝備的有機結(jié)合，提升部隊?wèi)?zhàn)斗力。分析仿真主要用于新概念武器與技術(shù)應(yīng)用研究、作戰(zhàn)理論研究、條令/條例制定、部隊?wèi)?zhàn)斗力評估、作戰(zhàn)方案優(yōu)化與作戰(zhàn)計劃分析評估、武器裝備體系論證和戰(zhàn)技指標(biāo)論證等。

軍事仿真分析評估系統(tǒng)是軍事仿真系統(tǒng)的重要內(nèi)容，按照完成的使命空間，可分為：用于粗粒度模型作戰(zhàn)方案推演優(yōu)化(如探索性分析仿真)，用于作戰(zhàn)計劃的檢驗、統(tǒng)計評估與分析，用于在線輔助決策支撐、軍事能力建設(shè)(如人事、裝備、保障體系等)。因此，在仿真系統(tǒng)設(shè)計時，首先必須面向?qū)ο蠼?，從原來的可靜態(tài)配置到既可靜態(tài)配置又可動態(tài)組合，這也是從根本上確保了仿真組件的即插即用；其次要考慮仿真分析系統(tǒng)互操作內(nèi)容，包括人-機互操作、機-機互操作、作戰(zhàn)實體之間的互操作等；最后，為滿足仿真運行效率，還要考慮高速計算的要求。

軍事仿真分析評估系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括：仿真系統(tǒng)框架、仿真引擎和仿真實體(即仿真模型、數(shù)據(jù)等)。仿真系統(tǒng)框架可分為集中式、分布式等，需同時具有可靠性、擴展性、兼容性等；仿真引擎必須按使用需求分類進行設(shè)計，分為連續(xù)仿真、離散仿真、混合仿真、認知推理仿真；仿真實體主要包括按功能分類的模型體系，如指控模型、裝備模型、設(shè)施模型、環(huán)境模型和評估模型等。軍事仿真分析評估系統(tǒng)集成運行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軍事仿真分析評估系統(tǒng)集成運行結(jié)構(gòu)示意圖

4 建模與仿真技術(shù)

4.1 面臨挑戰(zhàn)

盡管建模與仿真技術(shù)已在軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但具有史無前例規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)的出現(xiàn)、數(shù)據(jù)如洪水泛濫般增長、基礎(chǔ)計算平臺的革命性變化等仍給建模與仿真帶來了巨大的挑戰(zhàn)。主要表現(xiàn)在：一是概念建模方面；二是計算方面；三是不確定性方面；四是建模與仿真重用方面。

裝備效能仿真模型在仿真系統(tǒng)中的核心地位越來越重要。圍繞仿真分析評估系統(tǒng)的應(yīng)用，已形成不同層次的仿真模型。按照模型分辨率由高到低的順序，可將裝備效能仿真模型劃分為四個層次：工程仿真層、交戰(zhàn)仿真層、使命仿真層和體系仿真層。

以美軍的聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(JWARS)和聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)(JMASS)為例，為了檢驗和評估武器系統(tǒng)在體系條件下的作戰(zhàn)效能，通常兩個系統(tǒng)會采取聯(lián)合仿真運行方式，相互支持，滿足不同層次、不同分辨率的分析與評估需求。在作戰(zhàn)訓(xùn)練中，聯(lián)合沖突戰(zhàn)術(shù)仿真系統(tǒng)(JCATS)與聯(lián)合戰(zhàn)役級仿真系統(tǒng)(JTLS)進行HLA聯(lián)邦集成，構(gòu)成JTLS-JCATS聯(lián)邦以支持應(yīng)急響應(yīng)訓(xùn)練等。

4.2 跨層次仿真建模技術(shù)

跨層次仿真建模的基本思想可以歸納為分層次仿真與跨層次聚合。分層次仿真是指將當(dāng)前所研究的復(fù)雜仿真評估系統(tǒng)由高到低分解為若干仿真層次，并建立高層仿真對低層仿真的指導(dǎo)關(guān)系?？鐚哟尉酆蟿t是指將低層仿真的結(jié)果聚合到高層仿真中，并建立低層仿真對高層仿真的支持關(guān)系。

圖2 裝備系統(tǒng)效能評估仿真跨層次建模示意圖

跨層次仿真建模技術(shù)的核心是建構(gòu)、解構(gòu)、擬合與聚合四個活動，它們之間相互依賴——解構(gòu)建立在建構(gòu)基礎(chǔ)上，擬合建立在解構(gòu)基礎(chǔ)上，聚合則建立在擬合基礎(chǔ)上。通過建構(gòu)、解構(gòu)、擬合、聚合的遞進過程，一方面可降低模型復(fù)雜度，提高對多維不確定性空間的探索性，有利于促進方案的穩(wěn)健設(shè)計；另一方面可建立不同層次的仿真系統(tǒng)間的有機聯(lián)系，使得高層次仿真約束低層次仿真，低層次仿真反過來又支撐高層次仿真。

圖3給出了在工程仿真、專題仿真、交戰(zhàn)仿真、使命仿真與戰(zhàn)役仿真等層次間應(yīng)用跨層次仿真建模技術(shù)的參考模型實例。圖中既表達了特定仿真層次上的“建模—實驗—評估”過程，也表達了跨仿真層次間的“建構(gòu)—解構(gòu)—擬合—聚合”過程。圖中SES表示系統(tǒng)實體結(jié)構(gòu)，MF表示模型框架，EF表示實驗框架。

4.3 多分辨率仿真建模技術(shù)

以復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備作戰(zhàn)能力檢驗評估仿真為例，論述基于元模型的多分辨率統(tǒng)一建模技術(shù)。復(fù)雜電磁環(huán)境下的元模型建模參考框架，如圖4所示。

圖3 跨層次仿真建模技術(shù)參考模型實例

圖4 復(fù)雜電磁環(huán)境的元模型建模參考框架

通過確定需要仿真的裝備體系對抗環(huán)境范圍及組成，并對其進行描述，提取出關(guān)注的模型(屬性、行為等)及交互(約束)，最終對裝備體系對抗作戰(zhàn)環(huán)境進行元模型建模，即實現(xiàn)模型、屬性、行為、交互和約束等的元模型建模。利用元模型建模參考框架，可獲知建立元模型的基本需求和過程，也為元模型的建模粒度提供了指導(dǎo)?；谠Ｐ偷姆抡娼＜夹g(shù)，有利于仿真模型的統(tǒng)一開發(fā)與集成，提高了模型可重用性。

為滿足不同層級的仿真需求，復(fù)雜電磁環(huán)境下仿真建模粒度可分為能力級模型、功能級模型和信號級模型。

能力級模型以分解的元模型為基礎(chǔ)，是一組頂層的、概念化的仿真模型，以裝備系統(tǒng)/體系的整體作戰(zhàn)能力要素為表征，同時附帶主要戰(zhàn)技參數(shù)的形式呈現(xiàn)。該層級仿真建?？扇娣从逞b備作戰(zhàn)能力，又易于擴展，其主要用于支持作戰(zhàn)概念設(shè)計、戰(zhàn)法理論研究和裝備頂層設(shè)計等。能力級模型通?？刹扇”砀窕?shù)化的設(shè)計，以XML可擴展的語言進行描述。

功能級模型是對客觀實體的功能抽象，同樣以分解的元模型為基礎(chǔ)，以邏輯和數(shù)學(xué)表達的方式來描述元模型系統(tǒng)功能及其相互關(guān)系，整體體現(xiàn)元模型的外在功能和交互影響。復(fù)雜電磁環(huán)境下的功能級仿真按元模型框架可分為實體元模型、指揮元模型、行為元模型和環(huán)境元模型等。

信號級模型是以裝備輻射的電磁信號和信號處理模塊(元模型)為建模對象，通過對信號參數(shù)化描述、信號PDW描述，最終以數(shù)字化中頻輸出(如圖5所示)來實現(xiàn)對信號的產(chǎn)生和處理過程，主要用于裝備局部、細粒度的信號處理、抗干擾性能和復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性等性能仿真研究。

圖5 復(fù)雜電磁環(huán)境信號級仿真建模示意圖

5 結(jié)束語

著眼未來實戰(zhàn)化訓(xùn)練和裝備發(fā)展需求，需加強軍用仿真系統(tǒng)和仿真技術(shù)體系的頂層規(guī)劃與設(shè)計，盡快論證和確立軍用仿真系統(tǒng)的發(fā)展總體規(guī)劃，并結(jié)合不同軍種和應(yīng)用層次的作戰(zhàn)訓(xùn)練、裝備發(fā)展需要，制定預(yù)研、研制、改造及配套的仿真系統(tǒng)方案與研制計劃，在此基礎(chǔ)上開展軍用仿真技術(shù)體系梳理，明確軍用仿真技術(shù)體系架構(gòu)、技術(shù)方向和發(fā)展重點等，促進仿真技術(shù)體系的快速建立。同時還需完善軍用仿真系統(tǒng)的研制開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為系統(tǒng)的互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)。

從電子對抗裝備能力評估仿真建模技術(shù)角度，應(yīng)加強仿真支撐技術(shù)研究與應(yīng)用，構(gòu)建綜合一體化仿真環(huán)境，進一步加強裝備多分辨率建模技術(shù)、復(fù)雜電磁環(huán)境建模技術(shù)、行為建模技術(shù)、仿真分析評估技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人工智能技術(shù)、嵌入式仿真技術(shù)等軍用仿真支撐技術(shù)，盡快構(gòu)建可聯(lián)合內(nèi)外靶場、多軍兵種適用，集合裝備試驗、作戰(zhàn)訓(xùn)練和效能評估于一體化的綜合仿真實驗/試驗環(huán)境?！?/p>