美军建模与仿真发展及其启示

梁葆华 张 鹏

（中国飞行试验研究院，西安 720089）

一、引 言

仿真是指利用模型代替实际或构想系统进行训练、分析、论证、试验、实验、计划的方法、技术、活动。建模与仿真和试验鉴定过程的融合可使传统的试验模式向“模型—试验—模型”模式转变。使用建模仿真手段可预测系统性能和效能，通过真实试验数据对建模仿真进行验证确认和迭代完善，再使用经过认证的模型和仿真外推实装实弹试验结果，可支持、优化和拓展试验鉴定，加速开发和降低风险费用，优化试验鉴定计划和识别实装实弹试验鉴定的关键或高风险问题，破解因费用或安全等限制无法实装实弹试验鉴定的难题，模拟威胁目标环境和对抗条件，提供激励、预测或外推系统极限条件的包络性能，深化认识理解系统的特点和规律。美国国防部2007年发布更新版采办指示5000.01，规定试验鉴定和建模仿真贯穿于采办的全过程及开展独立作战试验鉴定，2015年发布的更新版采办指令5000.02明确采办过程采用系统工程方法、使用经国防情报局（Defense Intelligence Agency, DIA）验证确认的逼真威胁模型和仿真进行作战试验鉴定，采用科学的试验方法、统计分析、调查设计，早介入、早计划、早试验、早发现和解决问题，重点测试系统和体系的关键技术和性能参数、互操作性、可靠性、网络信息安全，为采办决策提供持续试验鉴定和准确可靠数据的支持，降低成本和风险，并缩短周期。随着面向实战考核要求的不断明晰，试验鉴定手段正在由外场主导、实兵实装向仿真先行、虚实融合转变。建模与仿真愈发成为制约试验鉴定体系完善发展的重要因素，本文针对建模仿真相关领域及问题开展了相关研究工作。

二、美军建模与仿真发展概况

（一）完善的管理组织机构

美国国防部鼓励在整个装备采办寿命周期内将建模与仿真作为关键工具，要求所有建模与仿真（M&S）在采办过程中使用都要进行校核、验证和确认，由官方认证模型与仿真的使用，并要求通过试验与鉴定来验证。美国国防部陆续建立了许多从事建模与仿真研究的机构，包括军队系统内部的机构和地方独立性研究机构，如图1所示。

图1　美军建模与仿真管理的总体架构

（二）多类型的建模与仿真体系

建模与仿真包括数字仿真、人在回路作战模拟、硬件在回路仿真、试验台、混合型实验室模拟器及样机，是由构造仿真、虚拟仿真和实体仿真三部分组成的统一体，如图2所示，涵盖了从战区/战役仿真到工程级仿真等各个层级。一个项目可能会用到一组模型和仿真。模型的可信性通过验证与确认（VV&A）标准来确定。

图2　建模仿真类型

（三）全生命周期技术支持

建模与仿真在试验设计和规划阶段、试验执行阶段、试验分析及总结阶段均能发挥重要的作用。在概念阶段，建模和仿真构成设计权衡的重要依据。例如，由美国洛克希德·马丁公司和波音公司联合研制的单座双发高隐身性第五代战斗机F-22进行实弹易损性试验过程中，在试验前预测时就大量使用了一种机械变形模型进行仿真预测，加快了试验进度并节省约10万美元。随着系统从部件级向外场部署的发展，建模和仿真可用来提供部件和接口的通用模型，用于系统级设计和试验，尤其在识别需要试验的关键系统或能力方面可以发挥重要的作用，从而减小试验矩阵；在飞行试验阶段，建模与仿真可用于飞行前的辅助设计与训练评估、预测试验结果和优化试验条件、规划试验与鉴定的评定过程，试验时进行系统性能的实时比较与评估，甚至可以选择性地替代某些资源紧张、高成本的作战试验。在分析试验结果时，可对数据与利用规划过程中早期使用的仿真预测结果进行比对，因此，实际试验结果验证了仿真，仿真也验证了试验结果，从而形成了“预测—试验—比较”的试验模式。建模与仿真在试验与鉴定中的应用如图3所示。

（四）统一化的模型库

美军试验鉴定体系使用统一模型库进行模拟仿真和数值分析，达到优化试验方案和计划、预测试飞结果、监控和判别试飞进程、营造和补充试飞模拟环境的目的。由美国洛克希德·马丁公司设计及生产的单座单发战斗攻击机F-35，在其试验鉴定过程中，已具有完备的从设备级到体系级的模型支持，各种模型和仿真多达200多种，直接支持完成了17%的试验项目，从而使试验周期、试验成本和试验风险大大降低。美军建模与仿真体系架构如图4所示。

三、我国建模仿真发展存在问题及原因分析

图3　建模与仿真在试验与鉴定中的应用

图4　美军建模与仿真体系架构

我国军用仿真系统直接支持了以精确打击武器为代表的各类武器装备研制、试验及定型，推动了装备体系论证逐步进入科学、量化时代，并正在形成基地化、网络化、联合化对抗模拟训练能力，作战仿真系统建设初见成效。但是，作战仿真系统仍存在不能满足实战需要、尚未联合贯通形成体系能力等问题。

一是军用仿真系统建设与应用未能形成良好闭环。从仿真的基本原理和科学规律来讲，一切仿真活动都包含“建模、仿真、比对验证”这一闭环，只有从需求出发，以知识为基础，以建模为核心，将仿真结果与真实数据进行比对验证，形成闭环，迭代完善，仿真才可信、管用、好用。

二是不同领域仿真系统未能联合贯通形成体系能力。未来联合作战从本质上要求支撑装备论证、研制、试验鉴定、训练、作战分析的仿真系统具有内在一体、相互衔接、联合贯通的特点。

三是缺乏管理协调和持续发展。装备论证、研制、试验鉴定、训练、作战、保障部门各自为政，支撑关系不顺，且缺乏协调，导致军用仿真系统分散孤立，无法联通；对仿真资源共享不够，难以开展多领域、多层次的联合仿真；对仿真系统应用没有明确的条令和制度约束，系统建设与应用未能形成相互促进的良性发展机制。

四是缺乏统筹规划和体系设计及创新平台支持。不同领域的军用仿真系统，其能力水平有差异；对仿真系统体系结构与集成、复杂系统和军事领域知识建模、高性能仿真、VVA、互操作、重用、标准规范等基础问题和关键技术研究不够，缺乏公共基础平台和权威可信的基础模型和数据积累，互联互通困难。

四、我国建模与仿真建设启示

军用仿真系统建设与应用应在相关管理部门统一领导下，遵循“应用带系统、系统带技术、技术促系统、系统促应用”的规律，以实战需求为牵引，统筹规划，设计应用，建设体系，深度闭环，联合仿真；强化自主创新和产品意识，推进创新模式和创新体系建设，以创新谋超越；开展试点工程，探索联通之路，建设示范系统，带动全面发展；改革体制机制，加强管理协调，以联合求变革、谋发展、保打赢。具体措施如下：

（一）开展联合仿真体系设计

围绕联合作战的实战需求，瞄准“装备能打仗、训练为打仗、设计打胜仗”的目标，以“联合仿真支撑联合作战”为指导思想，开展一体化军用仿真应用设计和体系化军用仿真系统建设，分析不同类型仿真应用的内在联系和支撑关系，建立统一的技术体制和标准体系，实现军用仿真系统之间的横向联合贯通、纵向牵引支撑及与实际装备无缝集成。

一是紧贴实战，明确建设重点。建立准确有效的需求分析和管理过程，根据军事战略、潜在威胁和重点作战方向，重点支撑精确打击武器、空间和海洋武器装备、无人和智能系统、信息系统装备发展，联合任务和指挥训练，联合空天、信息作战需求。

二是统一蓝本，设计仿真应用。根据“内在一致、相互支撑”的要求，依据联合作战需求开展军事想定和实验设计，相同层次的仿真共用军事想定和模型，通过改变实验变量满足不同应用需求，高层的军事想定和实验设计通过分解为低层提供输入，后者为前者反馈仿真结果。按照需求归并、功能集约原则，开展一体化应用设计，以联合战役对抗仿真系统支撑高层指挥决策训练、联合作战分析和装备体系论证，以分布式联合战术对抗仿真系统支撑任务协同训练、战术指挥训练、战术方案分析、装备论证。试验鉴定和装备论证仿真为训练和作战仿真提供装备作战效能数据，后者对前者提需求；低层训练和作战仿真为高层训练和作战仿真提供战损统计数据，高层对低层提出需求。

三是统筹规划，设计系统体系。构建从联合作战到装备系统的“金字塔”式军用仿真系统体系，从顶层上规划各类各级仿真系统建设目标与相互支撑关系，系统分析其功能定位、接口关系，通过数据模型标准和集成体系结构，实现相同层次的仿真系统互操作，通过离线数据交换或在线实时交互，实现不同层次的仿真系统互操作。以体系对抗模型为重点，建立任务推演和联合战役对抗仿真系统，具备人在回路推演和探索性分析能力；以各类训练模拟器和计算机生成兵力为核心，建立联合战术对抗仿真系统，具备多人实时任务协同训练、战术指挥训练、战术方案分析、装备系统论证能力；构建“无图纸”分布式联合产品设计研发环境和分布式联合试验环境，通过数字化产品描述和“无边界靶场”技术，形成贯通装备研制与作战试验鉴定的军地一体仿真环境；发展嵌入式仿真系统，建立仿真系统嵌入训练、嵌入作战、嵌入全军网络信息体系。

四是资源共享，设计技术体系。建立全军仿真资源中心，制定技术标准，提供共用的数据、模型、服务，使用经过认证的模型和数据，支持仿真系统的共建共享，通过交互和反馈促进军用仿真系统建设与应用形成深度闭环和良性循环。

（二）推进自主创新

自主创新不足是我国军用仿真系统建设、发展与应用的一大弱点。围绕联合仿真的基础理论、关键技术、系统、应用、管理开展全方位创新，以仿真科学研究和知识创造为主体，构建“产、学、研、用”一体化的创新体系和生态环境。

一是推进基础科学创新。军用仿真系统建设涉及多学科专业领域，但军用仿真技术应聚力重点解决共性、基础、关键问题，包括仿真系统体系结构与集成、复杂系统建模、高性能仿真、VVA、互操作、重用，这也是制约外军仿真技术发展和系统应用的瓶颈问题，是军用仿真原始创新的制高点。

二是加速融合集成创新。仿真的价值源于知识融合而产生新的知识，依托知识融合和体系能力的集成创新是当前军用仿真创新的主体。剖析借鉴已有先进仿真系统技术，跟踪在线实时决策、嵌入式仿真等前沿领域，对国内外已有成果进行充分消化吸收再创新，仍是军用仿真创新的重要、有效、快捷途径。

三是保护利益，激励创新。以人为本，最大化地体现知识创新者的价值和利益，建立和发布军用仿真知识创新和成果应用目录，对自主创新及产品实施政策倾斜，明晰权益归属，激励全体仿真从业人员自主创新。

（三） 建设试点示范

针对典型、急需的联合作战应用需求，以试点工程带动联合仿真技术发展、科学问题研究和知识创新，以示范系统促进联合仿真系统建设与应用的全面发展。

一是围绕未来作战需求。重点建设复杂电磁环境下的精确打击武器研制和作战效能评估仿真示范系统。

二是突破仿真发展中的关键技术。重点攻克云仿真、仿真模型与数据标准、仿真资源库与重用等关键技术，实现基于云计算的联合仿真，支持仿真资源共享。

三是建立大数据服务中心。深入开展试飞数据挖掘及结构化设计，充分利用试飞数据反馈前期仿真及应用，进行个性化输出设计，为不同应用提供真实试飞数据，反复迭代验证模型，再通过模型建立深化虚拟试飞技术的研究。

（四）加强管理协调

建立全军军用仿真系统建设与应用的管理和协调机构，明晰职责，建立机制，加强协调，促进联合。

一是建立管理协调机构。以军队体制编制改革调整为契机，组建由各军兵种及作战、训练、论证、研制、鉴定等业务部门主管领导和专家组成的仿真指导委员会，建立全军军用仿真系统建设与应用的管理与协调机构，从整体上谋划指导全军仿真系统发展，协调全军仿真系统的顶层设计、规划论证、建设实施、考核评估、推广应用及跨部门的仿真事务，包括：管理和追踪实战需求，开展发展战略研究，确定重点应用和优先发展方向，制定军用仿真系统建设规划和发展路线图，统一投入渠道和项目审批路径，实行全过程项目管理；明确各部门的职能职责、任务分工和衔接支撑关系，协调多部门联合开展仿真活动；制定并推行军用仿真标准，将模型和数据作为仿真资产进行管理，开展应用评价。

二是建立健全机制。公开发布项目需求和指南，军民融合，引入竞争，将重点仿真系统列为装备持续投入滚动建设规划；建立仿真模型、数据、系统的权威认证和信息发布机制，促进共享；明确权益归属，建立仿真产品的测试验收认证规范和质量管理标准，加速仿真成果向产品转化，推行适度保护的产业政策，推动仿真产业发展；开展仿真投资效益评估，建立科学有效的评价办法与奖惩问责机制，对项目中止、淘汰和持续投入做出明确规定。

五、结束语

仿真系统是国防能力建设的关键支撑，其应用贯穿于装备论证、研制、试验鉴定、训练、作战分析的全过程，是生成战斗力的“加速器”，是推进军事变革、指导军事实践的“实验室”。仿真的试验和验证过程，已成为装备研制和未来装备发展不可缺少的环节；仿真的学习和认知，成为作战训练的有效手段；仿真的实验和预测，成为研究联合作战问题和设计未来战争的重要依托。仿真系统正逐步融入装备、训练和作战，正在成为一种具有信息系统特征、融合并产生知识的新型特殊装备，是打赢未来战争的重要保障和直接战斗力。所以，需要共同关注，并共同推动我园建模与仿真系统的快速发展。