装备效能评估与建模仿真技术

焦 逊，岳秀清，常 凯

(军事科学院系统工程研究院，北京 100083)

0 引言

装备系统效能评估是进行武器装备体系发展战略研究的基础。未来高技术战争，影响武器装备系统效能发挥的因素越来越多,装备系统效能评估的复杂性与不确定性,使装备系统效能评估从单纯依靠运筹学方法向运筹学方法与系统工程方法等综合运用不断发展。本文首先从效能评估的概念出发，介绍了目前装备系统效能评估过程、方法以及国外典型的仿真评估系统。在当前的复杂电磁环境下，建模与仿真面临着数据量大、不确定因素多等挑战，总结提出了跨层次(平台)仿真建模技术和多分辨率(模型)仿真建模技术，为今后仿真分析评估系统建设提供了完整解决方案。

1 装备系统效能评估概念

目前,在学术界和工业界对“装备系统效能”的定义中,有影响的主要有以下几种：

美国业界认为，装备系统效能是在规定条件下使用装备系统时,系统在规定时间内满足作战要求的概率；装备系统能在规定条件下和在规定时间内完成规定任务之程度的指标；装备系统在规定条件下和在规定时间内满足作战需要的概率等。

我国学术界认为，装备系统作战效能主要体现在装备完成预定作战任务能力的大小；在规定的条件下达到规定使用目标的能力；从系统工程角度来看，装备系统效能还应包括其可用度、可靠度和保障度等。

综合国内外关于“装备系统效能”的定义，我们认为电子对抗装备系统效能评估是指利用一切可能的手段定量计算和评估电子对抗装备系统或作战行动在执行特定作战任务时所能达到的预期可能目标的程度。对电子对抗装备系统效能进行评估，不仅要综合运用现有的系统效能评估方法，而且也需要创新性运用装备系统效能评估新方法。

2 装备系统效能评估过程及方法

目前，我装备系统效能评估可概括为四个阶段和四种方法。

四个阶段主要包括：1)论证阶段的科研试验。主要利用军内论证科研条件，采用数字仿真和半实物仿真等手段，进行装备的作战效能和体制试验。2)样机科研实验。主要利用模拟目标在外场对装备作用距离、干扰能力等战术指标和性能进行检验。3)装备定型试验。主要采用静态方法进行技术指标检验及外场动态试验，对装备战术指标、作战效能等进行检验评估。4)部队演习演练。主要采用实装对抗和模拟对抗相结合的方式，对装备进行综合作战效能评估。

四种方法主要包括：1)仿真试验法。仿真试验包括数字仿真试验和半实物仿真试验，其中：数字仿真试验主要利用构建的系统模型进行作战试验，经统计处理后得出效能指标结果；半实物仿真试验与数字仿真试验在功能上形成互补，主要通过产生信号级仿真数据，检验和验证装备作用机理的有效性和真实作用效果。2)等效试验法。一般用于真实对抗目标无法获取、试验场景难以保证等情况下，通过在试验或演习中搭建的等效缩比场景，对装备的关键指标和作战能力进行实测，结合对抗目标的技术参数和装备使用特点，利用实测数据进行理论推算，最终得出装备在近似实战条件下的能力。3)实装试验法。主要利用与真实对抗目标相同的装备作为配试目标，对武器装备的性能进行实际测试。4)实兵演练法。主要结合人员因素对武器装备的综合效能进行评估检验，重点关注装备在“人”的因素下综合发挥出的效能。

美军装备系统效能评估中的关键环节包括：研制试验鉴定检验、实际目标对抗试验鉴定检验和作战试验鉴定检验。通过分析对比可以发现，我军和美军的装备效能评估方法和过程基本相类似，而且鉴于武器装备系统的复杂性、试验条件和环境的苛刻性以及作战效果的难以检测性等，通常都在不同试验与评估阶段将作战仿真与建模技术、作战仿真实验方法作为效能评估检验的重要手段。

3 典型军事仿真分析评估系统

现代仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一种综合性技术，其主要优势在于具有可控制性、无破坏性、耗费小、允许多次重复等。目前，世界各国均已认识到仿真技术在军事领域中的巨大作用，将军用仿真领域的竞争视为现代战争的“超前智能较量”，并把建模与仿真看作“军队和经费效率的倍增器”以及影响国家安全和繁荣的关键技术之一。

3.1 国外军事仿真系统

目前，美军有大量实用化的作战仿真系统。例如，联合作战仿真系统(JWARS)主要用于战役级的作战仿真，是一个专业化水准很高的推演仿真系统，包括作战计划与实施、兵力评估研究、系统采办分析及概念与条令开发等；联合仿真系统(JSIMS)可以对国家战略、联合作战乃至战术层内容(包括兵力机动、部署、作战、补给等任务)进行仿真；联合建模与仿真系统(JMASS)则是应用于战术和工程设计层次上的建模与仿真系统；联合战役级仿真系统(JTLS)是计算机辅助的交互式模拟系统，最多可模拟10方参加的空战、海战、陆战、后勤、特种部队作战和情报支援等行动；联合半自动兵力系统(JSAF)是美军联合作战试验和训练的重要工具，支持测试与评估、训练、试验等多种应用；战士仿真系统(WARSIM 2000)是美陆军的推演训练仿真系统，能够为在联合作战或合成作战的作战想定下进行训练的营到战区级的指挥员和参谋人员提供较为真实的仿真训练环境；扩展防空仿真系统(EADSIM)是一个集分析、训练和作战规划于一体的多功能仿真系统。

3.2 军事仿真系统分类与设计

军事仿真系统按用途可分为测试仿真、训练仿真和分析仿真等。测试仿真主要用于装备采办，特别是作战环境下武器装备的鉴定定型和新概念武器先期技术演示等。训练仿真又可分为装备使用训练和指挥人员训练，主要用于训练人与装备的有机结合，提升部队战斗力。分析仿真主要用于新概念武器与技术应用研究、作战理论研究、条令/条例制定、部队战斗力评估、作战方案优化与作战计划分析评估、武器装备体系论证和战技指标论证等。

军事仿真分析评估系统是军事仿真系统的重要内容，按照完成的使命空间，可分为：用于粗粒度模型作战方案推演优化(如探索性分析仿真)，用于作战计划的检验、统计评估与分析，用于在线辅助决策支撑、军事能力建设(如人事、装备、保障体系等)。因此，在仿真系统设计时，首先必须面向对象建模，从原来的可静态配置到既可静态配置又可动态组合，这也是从根本上确保了仿真组件的即插即用；其次要考虑仿真分析系统互操作内容，包括人-机互操作、机-机互操作、作战实体之间的互操作等；最后，为满足仿真运行效率，还要考虑高速计算的要求。

军事仿真分析评估系统的设计内容主要包括：仿真系统框架、仿真引擎和仿真实体(即仿真模型、数据等)。仿真系统框架可分为集中式、分布式等，需同时具有可靠性、扩展性、兼容性等；仿真引擎必须按使用需求分类进行设计，分为连续仿真、离散仿真、混合仿真、认知推理仿真；仿真实体主要包括按功能分类的模型体系，如指控模型、装备模型、设施模型、环境模型和评估模型等。军事仿真分析评估系统集成运行结构如图1所示。

图1 军事仿真分析评估系统集成运行结构示意图

4 建模与仿真技术

4.1 面临挑战

尽管建模与仿真技术已在军事领域得到广泛应用，但具有史无前例规模的复杂系统的出现、数据如洪水泛滥般增长、基础计算平台的革命性变化等仍给建模与仿真带来了巨大的挑战。主要表现在：一是概念建模方面；二是计算方面；三是不确定性方面；四是建模与仿真重用方面。

装备效能仿真模型在仿真系统中的核心地位越来越重要。围绕仿真分析评估系统的应用，已形成不同层次的仿真模型。按照模型分辨率由高到低的顺序，可将装备效能仿真模型划分为四个层次：工程仿真层、交战仿真层、使命仿真层和体系仿真层。

以美军的联合作战仿真系统(JWARS)和联合建模与仿真系统(JMASS)为例，为了检验和评估武器系统在体系条件下的作战效能，通常两个系统会采取联合仿真运行方式，相互支持，满足不同层次、不同分辨率的分析与评估需求。在作战训练中，联合冲突战术仿真系统(JCATS)与联合战役级仿真系统(JTLS)进行HLA联邦集成，构成JTLS-JCATS联邦以支持应急响应训练等。

4.2 跨层次仿真建模技术

跨层次仿真建模的基本思想可以归纳为分层次仿真与跨层次聚合。分层次仿真是指将当前所研究的复杂仿真评估系统由高到低分解为若干仿真层次，并建立高层仿真对低层仿真的指导关系。跨层次聚合则是指将低层仿真的结果聚合到高层仿真中，并建立低层仿真对高层仿真的支持关系。

图2 装备系统效能评估仿真跨层次建模示意图

跨层次仿真建模技术的核心是建构、解构、拟合与聚合四个活动，它们之间相互依赖——解构建立在建构基础上，拟合建立在解构基础上，聚合则建立在拟合基础上。通过建构、解构、拟合、聚合的递进过程，一方面可降低模型复杂度，提高对多维不确定性空间的探索性，有利于促进方案的稳健设计；另一方面可建立不同层次的仿真系统间的有机联系，使得高层次仿真约束低层次仿真，低层次仿真反过来又支撑高层次仿真。

图3给出了在工程仿真、专题仿真、交战仿真、使命仿真与战役仿真等层次间应用跨层次仿真建模技术的参考模型实例。图中既表达了特定仿真层次上的“建模—实验—评估”过程，也表达了跨仿真层次间的“建构—解构—拟合—聚合”过程。图中SES表示系统实体结构，MF表示模型框架，EF表示实验框架。

4.3 多分辨率仿真建模技术

以复杂电磁环境下装备作战能力检验评估仿真为例，论述基于元模型的多分辨率统一建模技术。复杂电磁环境下的元模型建模参考框架，如图4所示。

图3 跨层次仿真建模技术参考模型实例

图4 复杂电磁环境的元模型建模参考框架

通过确定需要仿真的装备体系对抗环境范围及组成，并对其进行描述，提取出关注的模型(属性、行为等)及交互(约束)，最终对装备体系对抗作战环境进行元模型建模，即实现模型、属性、行为、交互和约束等的元模型建模。利用元模型建模参考框架，可获知建立元模型的基本需求和过程，也为元模型的建模粒度提供了指导。基于元模型的仿真建模技术，有利于仿真模型的统一开发与集成，提高了模型可重用性。

为满足不同层级的仿真需求，复杂电磁环境下仿真建模粒度可分为能力级模型、功能级模型和信号级模型。

能力级模型以分解的元模型为基础，是一组顶层的、概念化的仿真模型，以装备系统/体系的整体作战能力要素为表征，同时附带主要战技参数的形式呈现。该层级仿真建模可全面反映装备作战能力，又易于扩展，其主要用于支持作战概念设计、战法理论研究和装备顶层设计等。能力级模型通常可采取表格化、参数化的设计，以XML可扩展的语言进行描述。

功能级模型是对客观实体的功能抽象，同样以分解的元模型为基础，以逻辑和数学表达的方式来描述元模型系统功能及其相互关系，整体体现元模型的外在功能和交互影响。复杂电磁环境下的功能级仿真按元模型框架可分为实体元模型、指挥元模型、行为元模型和环境元模型等。

信号级模型是以装备辐射的电磁信号和信号处理模块(元模型)为建模对象，通过对信号参数化描述、信号PDW描述，最终以数字化中频输出(如图5所示)来实现对信号的产生和处理过程，主要用于装备局部、细粒度的信号处理、抗干扰性能和复杂电磁环境适应性等性能仿真研究。

图5 复杂电磁环境信号级仿真建模示意图

5 结束语

着眼未来实战化训练和装备发展需求，需加强军用仿真系统和仿真技术体系的顶层规划与设计，尽快论证和确立军用仿真系统的发展总体规划，并结合不同军种和应用层次的作战训练、装备发展需要，制定预研、研制、改造及配套的仿真系统方案与研制计划，在此基础上开展军用仿真技术体系梳理，明确军用仿真技术体系架构、技术方向和发展重点等，促进仿真技术体系的快速建立。同时还需完善军用仿真系统的研制开发标准规范，为系统的互联互通奠定基础。

从电子对抗装备能力评估仿真建模技术角度，应加强仿真支撑技术研究与应用，构建综合一体化仿真环境，进一步加强装备多分辨率建模技术、复杂电磁环境建模技术、行为建模技术、仿真分析评估技术、虚拟现实技术、人工智能技术、嵌入式仿真技术等军用仿真支撑技术，尽快构建可联合内外靶场、多军兵种适用，集合装备试验、作战训练和效能评估于一体化的综合仿真实验/试验环境。■