摘要：針對未來多域協(xié)同體系級作戰(zhàn)下的航空通信動態(tài)規(guī)劃需求,根據(jù)仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的虛實映射、實時同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化的系統(tǒng)目標(biāo),提出了平行仿真系統(tǒng)在航空通信裝備作戰(zhàn)效能提升、裝備內(nèi)場增量式集成測試驗證、裝備智能健康管理以及虛實結(jié)合的試飛訓(xùn)練等方向的應(yīng)用構(gòu)想,建立了一種面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)架構(gòu),給出了系統(tǒng)組成,分析了系統(tǒng)涉及的實時數(shù)據(jù)采集、多分支并行仿真推演和基于人工智能的態(tài)勢預(yù)測與智能決策等關(guān)鍵技術(shù)難題,為平行仿真技術(shù)在航空通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

未來戰(zhàn)爭是陸、海、空、天、網(wǎng)多域協(xié)同體系級作戰(zhàn),戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變,作戰(zhàn)節(jié)奏大大加快,戰(zhàn)前的作戰(zhàn)計劃無法適應(yīng)戰(zhàn)斗過程中的臨機(jī)變化。針對戰(zhàn)前無法預(yù)料的作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場態(tài)勢,需要利用有限的作戰(zhàn)資源,快速、實時、動態(tài)、靈活地構(gòu)建殺傷鏈,實現(xiàn)戰(zhàn)場空間中廣域分布的傳感器和射手之間的實時連接,獲取信息優(yōu)勢、決策優(yōu)勢、響應(yīng)優(yōu)勢,縮短觀察、判斷、決策、行動(Observation Orientation Decision Action,OODA)及殺傷鏈閉環(huán)時間。殺傷鏈快速構(gòu)建的基本條件是多平臺之間的互聯(lián)互通,互聯(lián)互通的實現(xiàn)基礎(chǔ)是通信數(shù)據(jù)鏈。在航空通信領(lǐng)域,經(jīng)過多年的發(fā)展,機(jī)載通信數(shù)據(jù)鏈基本具備了指揮控制、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同等作戰(zhàn)能力,但根據(jù)未來對抗強(qiáng)敵作戰(zhàn)需求,機(jī)載數(shù)據(jù)鏈還存在一些明顯的短板弱項,主要體現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、組網(wǎng)傳輸、運維管理等方面。一些差距必須通過研制新裝備來進(jìn)行彌補(bǔ),另一些差距可以通過優(yōu)化作戰(zhàn)使用進(jìn)行改進(jìn),平行仿真就是實現(xiàn)通過優(yōu)化作戰(zhàn)使用來提升裝備作戰(zhàn)效能的途徑之一。

目前,航空通信系統(tǒng)是基于地面預(yù)先規(guī)劃的通信計劃進(jìn)行工作的,在作戰(zhàn)過程中如果出現(xiàn)意外情況,導(dǎo)致無法正常通信時,才會被動切換通信方式,切換通信方式時由于不知道無法通信的具體原因,僅能根據(jù)地面規(guī)劃計劃進(jìn)行,導(dǎo)致信息效率低下,殺傷鏈無法快速構(gòu)建。

本文在研究平行系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上,提出了面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)。利用平行仿真系統(tǒng),人們可實現(xiàn)實體裝備在虛擬空間的映射,通過物理裝備與數(shù)字孿生模型的虛實交互,支撐航空通信系統(tǒng)與平行仿真系統(tǒng)的平行運行,依據(jù)動態(tài)實時的作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場環(huán)境、裝備狀態(tài)等數(shù)據(jù),在平行仿真系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行超實時的模擬演化試驗分析和智能決策,指導(dǎo)或控制實際系統(tǒng)的運行,實現(xiàn)實時通信規(guī)劃,殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化及戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)的動態(tài)構(gòu)建等能力,以提升數(shù)據(jù)鏈裝備的作戰(zhàn)效能。

1 平行仿真基本概念

2004年,國內(nèi)學(xué)者提出了基于人工系統(tǒng)的平行系統(tǒng)概念,包含人工系統(tǒng)(Artificial Systems,A)、計算實驗(Computational Experiments,C)和平行執(zhí)行(Parallel Execution,P)三部分。實際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)相對應(yīng),即人工系統(tǒng)能夠體現(xiàn)實際系統(tǒng)的主要特性,在人工系統(tǒng)中,基于虛擬場景,利用自適應(yīng)演化等方法驅(qū)動實驗,評估各類參數(shù)配置、技術(shù)方案的效果。通過實際系統(tǒng)與人工虛擬系統(tǒng)協(xié)同演化、閉環(huán)反饋和雙向引導(dǎo),實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的目標(biāo)優(yōu)化,如圖1所示。

圖1 平行系統(tǒng)概念

Fig.1 Concept of parallel system

平行仿真是平行系統(tǒng)概念在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用。平行仿真是指利用復(fù)雜系統(tǒng)智能科學(xué)和建模仿真等理論,構(gòu)建與實際系統(tǒng)相似且平行運行的仿真系統(tǒng),平行仿真系統(tǒng)動態(tài)實時地接收來自實際系統(tǒng)的各類信息,采用計算實驗的方法在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行各類實驗,演化修正仿真模型,提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,逐步逼近實際系統(tǒng),同時,平行仿真系統(tǒng)對實際系統(tǒng)進(jìn)行超實時的模擬演化試驗分析,將仿真結(jié)果動態(tài)地反饋給實際系統(tǒng),指導(dǎo)或控制實際系統(tǒng)的運行,如圖2所示。

圖2 平行仿真系統(tǒng)基本概念

Fig.2 Basic concept of parallel simulation system

平行仿真系統(tǒng)在作戰(zhàn)、訓(xùn)練和仿真驗證等過程中,與實際系統(tǒng)平行運行,用于支撐作戰(zhàn)指揮決策和裝備運用,實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的虛實映射、實時同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化。平行仿真系統(tǒng)具備實時運行模式和超實時運行模式。在實時運行模式中,平行仿真系統(tǒng)實時獲取戰(zhàn)場/裝備態(tài)勢,實現(xiàn)與實際系統(tǒng)的同速率演化;在超實時模式中,平行仿真系統(tǒng)基于模型進(jìn)行演化分析,實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的指導(dǎo)或控制。同時,平行仿真系統(tǒng)與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)的另一區(qū)別在于仿真模型的構(gòu)建方式,平行仿真模型具備動態(tài)演化的能力,仿真模型的真實性和仿真結(jié)果的可信度在仿真過程中可逐漸提高。

以虛實映射、實時同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化為目標(biāo),平行仿真系統(tǒng)需要具備平行運行能力、實時態(tài)勢獲取能力、模型動態(tài)演化能力、超實時評估預(yù)測能力和對實際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力,如圖3所示。

圖3 平行仿真系統(tǒng)能力組成

Fig.3 Capability composition of parallel simulation system

平行運行能力

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)大多是串行運行,通過事前假想的仿真場景進(jìn)行模擬推演,或者事后對實際系統(tǒng)/裝備的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行回放仿真分析。平行仿真系統(tǒng)的平行運行在于仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)形成一種虛實共生的結(jié)構(gòu),平行仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)通過動態(tài)實時的數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)運行時間一致、狀態(tài)一致。

實時態(tài)勢獲取能力

平行仿真系統(tǒng)實現(xiàn)與實際系統(tǒng)的虛實共生且實時同步平行運行,需要仿真系統(tǒng)中的作戰(zhàn)態(tài)勢與實際戰(zhàn)場態(tài)勢一致,只有虛擬態(tài)勢與真實態(tài)勢同步關(guān)聯(lián),仿真推演才是有效的。實時態(tài)勢獲取能力包含環(huán)境數(shù)據(jù)采集、裝備數(shù)據(jù)采集、指揮決策數(shù)據(jù)采集以及態(tài)勢數(shù)據(jù)理解等子能力,并將實時獲取的態(tài)勢信息在仿真系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn),作為模型演化、推演評估的數(shù)據(jù)輸入。

模型的動態(tài)演化能力

平行仿真系統(tǒng)與其他仿真系統(tǒng)相比,仿真結(jié)果的可信度更高,實現(xiàn)這一優(yōu)勢的原因在于平行仿真系統(tǒng)的仿真模型具有動態(tài)演化的能力。以往仿真系統(tǒng)的仿真模型側(cè)重于一次性構(gòu)建, 即仿真系統(tǒng)運行后模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)不再改變,模型輸出也不再校正。平行仿真系統(tǒng)中的仿真模型是可演化的仿真模型,實現(xiàn)根據(jù)實際裝備信息調(diào)整自身模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)及校正模型輸出,使得仿真模型輸出不斷逼近相應(yīng)的實際裝備信息,提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

超實時評估預(yù)測能力

在平行仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)平行運行的同時,平行仿真系統(tǒng)通過超實時的仿真推演預(yù)測及評估,實現(xiàn)將戰(zhàn)場上所有可能的戰(zhàn)果以及每種戰(zhàn)果發(fā)生的概率推演出來,輔助作戰(zhàn)人員或無人系統(tǒng)做裝備運用或作戰(zhàn)決策。

對實際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力

平行仿真系統(tǒng)完成超實時推演后,通過將評估預(yù)測的態(tài)勢結(jié)果推送給飛行員,作戰(zhàn)人員可根據(jù)態(tài)勢結(jié)果或推薦的作戰(zhàn)方案進(jìn)行指揮決策;對于無人系統(tǒng),平行仿真系統(tǒng)通過互操作控制能力,直接控制武器裝備的使用。

2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

平行仿真系統(tǒng)概念由國內(nèi)首先提出,根據(jù)其理念和系統(tǒng)能力,在國外與之對應(yīng)的是動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的應(yīng)用系統(tǒng)(Dynamic Data Driven Application System,DDDAS)。動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)是一種全新的系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測量模式,旨在將系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測量有機(jī)結(jié)合起來,使得系統(tǒng)應(yīng)用可以在執(zhí)行過程中動態(tài)地從系統(tǒng)測量中接收數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。美國空軍自2005年以來,圍繞“實時行動方案分析”相繼開展了一系列研究,目的是輔助決策人員在作戰(zhàn)級對抗環(huán)境下超實時評估己方基于效果的行動方案。將態(tài)勢信息實時反饋給反映真實世界實情的鏡像仿真系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前最新戰(zhàn)場態(tài)勢,超實時預(yù)測未來,以緊耦合對抗方式動態(tài)制定行動方案,對行動方案進(jìn)行超實時分析與評估,為指揮員提供戰(zhàn)役與戰(zhàn)術(shù)級實時決策支持。2007年,美國國防高級研究計劃局提出了“深綠計劃”,旨在構(gòu)建一個戰(zhàn)場指揮決策支持仿真系統(tǒng),將仿真系統(tǒng)嵌入指揮控制系統(tǒng),可支持作戰(zhàn)行動的在線仿真評估分析和提高指揮員的作戰(zhàn)指揮能力。深綠計劃使得仿真評估分析對作戰(zhàn)決策的支持模式發(fā)生改變,從基于仿真的離線作戰(zhàn)決策向基于仿真的在線作戰(zhàn)決策轉(zhuǎn)變。2008年,美國空軍研究實驗室對實時決策支持系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)總結(jié),系統(tǒng)實現(xiàn)用高性能計算機(jī)進(jìn)行實時作戰(zhàn)方案的制定。2010年至2018年之間,美軍又相繼提出了數(shù)字孿生、數(shù)字工程等理念和戰(zhàn)略,促進(jìn)美軍的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)物理世界在虛擬世界復(fù)現(xiàn)及驗證,利用仿真系統(tǒng)對實際系統(tǒng)的反饋作用,提高實際系統(tǒng)的研制、使用效能。2019年,美軍推進(jìn)了天空博格人(Skyborg)項目,Skyborg項目以具備人工智能能力的無人機(jī)平臺為主,開發(fā)人工智能無人機(jī)綜合系統(tǒng),通過態(tài)勢獲取與理解、智能輔助決策、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、高效人機(jī)交互等技術(shù),為有人機(jī)/無人機(jī)智能協(xié)同作戰(zhàn)提供強(qiáng)大的作戰(zhàn)管理與指揮控制支持。目前,Skyborg項目已被納入美國空軍最新的未來十年即2030年戰(zhàn)略規(guī)劃。在仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的互操作方面,國際仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織(Simulation Interoperation Standard Orgnization,SISO)于2020年在聯(lián)合作戰(zhàn)管理語言(Coalition Battle Management Language,C-BML)和軍事想定定義語言(Military Scenario Definition Language,MSDL)的基礎(chǔ)上,提出了指揮控制系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)互操作標(biāo)準(zhǔn)(Command and Control Systems to Simulation Systems Interoperation,C2SIM),支持系統(tǒng)之間進(jìn)行信息互操作,為決策支持奠定了一定的互操作基礎(chǔ)。近年來,雖然美國并未再明確地提出動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的應(yīng)用系統(tǒng)等概念,但是在美軍的人工智能等技術(shù)和項目中,處處體現(xiàn)了與實裝結(jié)合的仿真系統(tǒng)在其裝備使用中的重要性。

在國內(nèi),基于平行系統(tǒng)理論,部分學(xué)者對平行仿真系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用做了一系列研究,包括面向電子戰(zhàn)、多UAV實時任務(wù)規(guī)劃的動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真系統(tǒng)等,以及聯(lián)合通信指揮平行系統(tǒng)、反導(dǎo)指揮控制平行系統(tǒng),面向C4ISR系統(tǒng)決策支持的平行仿真概念及框架、面向指揮決策支持的平行仿真系統(tǒng)概念、飛機(jī)編隊指控平行仿真、實時態(tài)勢驅(qū)動的平行仿真推演方法,以及裝備平行仿真框架及技術(shù)研究等。

作為仿真前沿技術(shù),平行仿真系統(tǒng)相關(guān)理念在國外已經(jīng)得到了部分實裝驗證,相比美軍,我國對平行仿真系統(tǒng)的研究大多都停留在理論研究方面,在航空通信領(lǐng)域,平行仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究近乎空白。

3 航空通信平行仿真系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)想

圖4 裝備作戰(zhàn)效能提升應(yīng)用

Fig.4 Application of equipment combat effectiveness improvement

除應(yīng)用于提升裝備作戰(zhàn)效能之外,航空通信平行仿真系統(tǒng)還可應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈裝備內(nèi)場集成測試驗證、外場試飛訓(xùn)練以及裝備健康管理。

在內(nèi)場裝備集成測試驗證方面,如圖5所示,平行仿真系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)及配套測試系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通,接收裝備在集成測試驗證過程中的實時狀態(tài),在平行仿真系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)現(xiàn),并通過構(gòu)建復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境,包括虛擬友方、虛擬敵方和虛擬環(huán)境,實現(xiàn)裝備在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的全任務(wù)流程驗證。

圖5 裝備內(nèi)場增量式集成測試驗證

Fig.5 Infield incremental integration and verification of equipment

在外場試飛訓(xùn)練方面,由于資源限制和安全考慮,無法啟用太多的真機(jī),但是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復(fù)雜性,以及裝備功能的測試需求,需要大規(guī)模對抗試飛與訓(xùn)練,平行仿真系統(tǒng)通過與實裝系統(tǒng)的平行運行和信息交互,可實現(xiàn)模擬虛擬作戰(zhàn)場景,構(gòu)建大規(guī)模作戰(zhàn)條件,支撐開展基于真實、虛擬、構(gòu)造(Live Virtual Constructive,LVC)的虛實結(jié)合的試飛/訓(xùn)練,如圖6所示。

圖6 虛實結(jié)合的試飛訓(xùn)練支撐

Fig.6 Virtual and real combined flight training

在裝備健康管理方面,如圖7所示,平行仿真系統(tǒng)通過與通信系統(tǒng)的實時平行運行,采集通信系統(tǒng)相關(guān)運行狀態(tài)數(shù)據(jù),利用故障診斷、預(yù)測等算法,實現(xiàn)健康管理預(yù)案的提前啟動,在故障發(fā)生之前或故障發(fā)生的第一時間進(jìn)行處理,避免由于裝備故障修復(fù)時間過長而導(dǎo)致作戰(zhàn)效能的下降。

圖7 智能化裝備健康管理

Fig.7 Intelligent equipment health management

4 航空通信平行仿真系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)基本平行仿真系統(tǒng)能力和組成,結(jié)合航空通信應(yīng)用需求,航空通信平行仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖8所示,包括外部接入代理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、多分支推演子系統(tǒng)、裝備模型演化子系統(tǒng)、決策支撐子系統(tǒng)、態(tài)勢可視化子系統(tǒng)、互操作支撐子系統(tǒng)和虛實結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)。

圖8 航空通信平行仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

Fig.8 Logical architecture of parallel simulation for aviation communication

外部接入代理子系統(tǒng)

外部接入代理子系統(tǒng)實現(xiàn)與真實戰(zhàn)斗機(jī)平臺的總線集成,實現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈原型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈裝備的接口適配,支撐從作戰(zhàn)平臺獲取實時的戰(zhàn)場態(tài)勢信息以及裝備狀態(tài)信息,支持將虛實結(jié)合訓(xùn)練過程中的虛擬目標(biāo)信息、評估裁決結(jié)果以及智能決策的互操作指令傳輸至真實平臺和裝備。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)實現(xiàn)從平行仿真系統(tǒng)接入代理獲取實際系統(tǒng)的實時態(tài)勢數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)解析、融合、同化等技術(shù),提取態(tài)勢要素特征數(shù)據(jù),生成平行仿真系統(tǒng)需要的、可識別的實時態(tài)勢數(shù)據(jù)。一方面存儲于平行仿真系統(tǒng)運行支撐庫中,累積形成戰(zhàn)場實體的航跡、活動規(guī)律等知識,另一方面,作為模型演化和態(tài)勢推演預(yù)測的數(shù)據(jù)依據(jù)。

多分支推演子系統(tǒng)

多分支推演子系統(tǒng)是航空通信平行仿真系統(tǒng)的核心推演子系統(tǒng),實現(xiàn)根據(jù)真實戰(zhàn)場構(gòu)建仿真場景,并通過仿真克隆管理生成多個仿真樣本,利用docker、Kubernetes等容器云技術(shù)實現(xiàn)仿真的分布式并行執(zhí)行,對仿真結(jié)果進(jìn)行效能評估。

裝備模型演化子系統(tǒng)

裝備模型演化子系統(tǒng)實時接收真實戰(zhàn)場態(tài)勢、裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及仿真推演的結(jié)果數(shù)據(jù),對兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,根據(jù)結(jié)果誤差,進(jìn)行仿真模型參數(shù)、算法的動態(tài)演化,并將演化后的仿真模型用于下一次的仿真推演,如此迭代,實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈裝備仿真模型的可信度提高。

決策支撐子系統(tǒng)

決策支撐子系統(tǒng)實現(xiàn)智能決策的功能,根據(jù)超實時仿真推演的結(jié)果,通過智能優(yōu)化算法進(jìn)行殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化、戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動態(tài)構(gòu)建、實時通信規(guī)劃以及裝備健康管理。

態(tài)勢可視化子系統(tǒng)

態(tài)勢可視化子系統(tǒng)包括二、三維態(tài)勢顯示和機(jī)載顯控顯示,支撐仿真推演過程以及仿真推演結(jié)果的可視化展示,以及智能決策的結(jié)果,如推薦的通信規(guī)劃方案實時推送給飛行員。

互操作支撐子系統(tǒng)

互操作支撐子系統(tǒng)實現(xiàn)實時獲取決策子系統(tǒng)的智能決策結(jié)果,根據(jù)智能決策的結(jié)果進(jìn)行消息格式的轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)與真實平臺、裝備的軟適配,生成互操作指令,支撐實時控制裝備參數(shù)等能力。

虛實結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)

虛實結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)作為外場試飛訓(xùn)練的支撐系統(tǒng),根據(jù)仿真場景,為真實訓(xùn)練飛機(jī)平臺模擬虛擬目標(biāo),在真實平臺與虛擬平臺的對抗過程中,實現(xiàn)評估裁決;虛實結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)還包括真實平臺與仿真系統(tǒng)之間的傳輸設(shè)備,如外掛通信吊艙或利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸端機(jī),實現(xiàn)虛實信息交互。

為保證系統(tǒng)具備“開發(fā)、解耦、服務(wù)”能力,系統(tǒng)采用分層解耦設(shè)計,實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、功能和應(yīng)用的分層解耦,如圖9所示,平行仿真系統(tǒng)總體框架由基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)支撐層、仿真模型層、仿真支撐層、能力生成層、應(yīng)用層以及標(biāo)準(zhǔn)支撐7部分組成。

圖9 航空通信平行仿真系統(tǒng)分層架構(gòu)

Fig.9 Layered architecture of parallel simulation for aviation communication

基礎(chǔ)資源層是實現(xiàn)平行仿真系統(tǒng)的各種軟硬件環(huán)境,包括承載各種軟件和數(shù)據(jù)的計算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、顯示設(shè)備,以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中臺和支撐分布式部署的云環(huán)境等。

數(shù)據(jù)支撐層包括支撐平行仿真系統(tǒng)運行的各種數(shù)據(jù),具體為戰(zhàn)場/裝備數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、目標(biāo)實體特征數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)知識數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)、推演結(jié)果數(shù)據(jù)、交戰(zhàn)規(guī)則數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和政治因素等。

仿真模型層包括平行仿真系統(tǒng)運行過程中的各種裝備數(shù)字模型、環(huán)境模型等,其中,裝備數(shù)字模型包括平臺模型、裝備模型、系統(tǒng)模型等,環(huán)境模型包括地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣象環(huán)境等,此外,還包括計算模型和行為模型等。

仿真支撐層是平行仿真系統(tǒng)運行所需的引擎及各種系統(tǒng)工具,包括外部接入代理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、多分支推演子系統(tǒng)、裝備模型演化子系統(tǒng)、態(tài)勢可視化子系統(tǒng)互操作支撐子系統(tǒng)、虛實結(jié)合訓(xùn)練子系統(tǒng)和決策支撐子系統(tǒng)等。

能力生成層指基于平行仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)、模型和支撐工具實現(xiàn)的平行運行,實時態(tài)勢獲取,模型動態(tài)演化,超實時評估預(yù)測及對實際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力,以達(dá)到平行仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)虛實映射,實時同步,共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化的目標(biāo)。

應(yīng)用層包括平行仿真系統(tǒng)在殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化,戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動態(tài)構(gòu)建,實時通信規(guī)劃,數(shù)據(jù)鏈裝備運用和裝備健康管理等方面的應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)支撐定義了平行仿真系統(tǒng)開發(fā)、集成和應(yīng)用需要遵循的一系列標(biāo)準(zhǔn),包括數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、模型集成標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)、互操作語言標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境描述標(biāo)準(zhǔn)和可視化標(biāo)準(zhǔn)等。

5 航空通信平行仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

航空通信平行仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括基于實時數(shù)據(jù)的模型動態(tài)構(gòu)建技術(shù)、實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)、仿真想定場景自動構(gòu)建技術(shù)、多樣本仿真實驗構(gòu)建技術(shù)、多分支并行仿真推演技術(shù)和基于人工智能的智能決策技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

基于實時數(shù)據(jù)的模型動態(tài)構(gòu)建技術(shù)

模型可演化是平行仿真系統(tǒng)的特點之一,基于實時數(shù)據(jù)的模型動態(tài)構(gòu)建技術(shù)是實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的可演化建模功能的關(guān)鍵技術(shù),包括仿真模型構(gòu)建技術(shù)和仿真模型評估修正技術(shù)。仿真模型構(gòu)建技術(shù)首先明確對模型的分類,如實體模型、計算模型、行為模型、環(huán)境模型等;針對每一類模型,研究模型的模板屬性,如識別屬性、基礎(chǔ)屬性、交互屬性和配置屬性等,按每個屬性進(jìn)行不同粒度的建模,對于平行仿真系統(tǒng),仿真模型在運行過程中會自動地進(jìn)行模型動態(tài)演化,因此對模型的建模準(zhǔn)確度的要求并不高,但對復(fù)雜度、粒度要求較高;最后,按組件化的建模方式,將模型進(jìn)行組裝。在平行仿真系統(tǒng)的運行過程中,隨著戰(zhàn)場作戰(zhàn)進(jìn)程的推進(jìn),結(jié)合實時的實體機(jī)動數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)等,對平行仿真系統(tǒng)的仿真模型推演結(jié)果進(jìn)行比對評估,按評估結(jié)果對模型進(jìn)行精細(xì)化校準(zhǔn),逐漸逼近戰(zhàn)場真實實體,涉及模型的類型修正、運動特性參數(shù)修正、行為意圖修正、計算模型的修正、交互關(guān)系的修正等。

實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)

航空通信平行仿真系統(tǒng)實現(xiàn)與實際系統(tǒng)平行運行,實時采集技術(shù)是實現(xiàn)狀態(tài)一致的關(guān)鍵之一。在提升數(shù)據(jù)鏈裝備作戰(zhàn)效能方面,需要完成仿真系統(tǒng)與戰(zhàn)斗機(jī)平臺的總線集成,如何從平臺獲取裝備的狀態(tài)信息;在虛實結(jié)合的試飛訓(xùn)練支撐方面,需要完成如何將模擬的虛擬目標(biāo)送顯到戰(zhàn)斗機(jī)平臺的顯控,或作為雷達(dá)探測等設(shè)備的輸入,以及真實平臺的操作信息如何傳輸?shù)狡叫蟹抡嫦到y(tǒng)中,將平行仿真系統(tǒng)評估采集后的結(jié)果傳輸?shù)秸鎸嵠脚_。

仿真想定場景自動構(gòu)建技術(shù)

平行仿真系統(tǒng)重點功能之一為輔助決策,由于決策的時效性要求較高,仿真想定場景的構(gòu)建和實時態(tài)勢變化需要及時進(jìn)行。與傳統(tǒng)的仿真不同,平行仿真想定場景的構(gòu)建不再是人工構(gòu)建的方式,需要根據(jù)作戰(zhàn)人員制定的作戰(zhàn)方案和場景描述,自動地識別方案、場景文件中的實體信息、時間信息、位置信息、作戰(zhàn)目標(biāo)等關(guān)鍵仿真因素,通過想定場景構(gòu)建功能實現(xiàn)想定場景的自動構(gòu)建,并根據(jù)實際系統(tǒng)的時間信息進(jìn)行實時推演,根據(jù)實際系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù),對仿真場景進(jìn)行實時修改。

多樣本仿真實驗構(gòu)建技術(shù)

平行仿真系統(tǒng)的智能決策的工作過程之一為針對某個作戰(zhàn)目標(biāo),進(jìn)行多種不同的作戰(zhàn)方案的超實時仿真推演,對每種推演結(jié)果進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估,選取最優(yōu)的作戰(zhàn)方案,因此,如何針對同一目標(biāo),自動地構(gòu)建多種不同的作戰(zhàn)方案是研究重點之一。多樣本仿真實驗構(gòu)建技術(shù)研究根據(jù)實驗需求制定實驗方案,實現(xiàn)對仿真作戰(zhàn)想定進(jìn)行樣本化研究的功能,通過改變一個或多個實驗因子,生成不同的想定樣本,涉及實驗因子的分類和自動匹配研究、因子修改算法研究等。

多分支并行仿真推演技術(shù)

在平行仿真系統(tǒng)中,實現(xiàn)基于智能體Agent的分布式仿真推演,針對每個實體進(jìn)行模型的實例化,模型實例化后的分布式部署和調(diào)用是實現(xiàn)平行仿真系統(tǒng)仿真推演的關(guān)鍵之一,并且,針對多仿真方案的并行仿真,每個仿真想定并行運行,涉及如何部署多個樣本的問題,因此多分支并行仿真推演技術(shù)是實現(xiàn)推演預(yù)測與智能決策的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對多分支,傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式是采用虛擬機(jī)的形式,虛擬多個厚重的系統(tǒng),造成資源的浪費。在平行仿真系統(tǒng)中,考慮采用Docker加Kubernetes的輕量化部署形式,各個仿真模型或仿真樣本之間獨立運行,實現(xiàn)多分支并行仿真推演。

基于人工智能的態(tài)勢預(yù)測與智能決策技術(shù)

將人工智能應(yīng)用于平行仿真系統(tǒng),能夠有效地增強(qiáng)對戰(zhàn)場態(tài)勢的預(yù)測和對作戰(zhàn)指揮的智能決策。人工智能技術(shù)在戰(zhàn)場情報分析、數(shù)據(jù)處理、運籌分析、任務(wù)規(guī)劃、方案制定方面能夠極大地提高作戰(zhàn)人員指揮現(xiàn)代戰(zhàn)爭和作戰(zhàn)行動的智能化水平。基于人工智能的態(tài)勢預(yù)測與智能決策技術(shù)研究人工智能如何在平行仿真系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用,包括人工智能的算法研究、數(shù)據(jù)處理等。

除了以上關(guān)鍵技術(shù)之外,還包括仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)互操作技術(shù)、高性能仿真引擎構(gòu)建技術(shù)、平臺嵌入式可視化技術(shù)以及平行仿真系統(tǒng)軍事知識構(gòu)建技術(shù)等。

6 結(jié)束語

未來戰(zhàn)爭必將是信息化、智能化、無人化的戰(zhàn)爭,航空通信系統(tǒng)也將具有自主的數(shù)據(jù)挖掘、態(tài)勢感知、智能決策能力,形成由信息系統(tǒng)輔助人向智能系統(tǒng)代替人的深度融合和轉(zhuǎn)變。在航空通信中引入平行仿真技術(shù),根據(jù)實時戰(zhàn)場、裝備態(tài)勢,通過超實時的仿真推演,預(yù)測未來一段時間的態(tài)勢變化,提供作戰(zhàn)和裝備運用決策支持,有利于實現(xiàn)殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化、戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動態(tài)構(gòu)建、實時通信規(guī)劃和裝備智能健康管理,能極大地提高航空通信裝備的作戰(zhàn)效能。

本文提出了面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)架構(gòu)、組成以及部分關(guān)鍵技術(shù),可為實現(xiàn)平行仿真在航空通信領(lǐng)域具體應(yīng)用中的落地奠定理論基礎(chǔ)。

作 者：廖尚志

審核編輯：湯梓紅