面向战斗机云作战的构造型仿真平台架构

田永亮，王永庆，熊培森，郭宇，武哲

（1.北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京100083； 2.沈阳飞机设计研究所，沈阳110035）

对于现代战争来说，争夺制空权、制海权、陆地控制权，都离不开对敌方信息的获取与压制，尤其是在联合体系对抗与复杂体系战场环境下，更需要对传统的作战方式进行改变，以在信息对抗中获得新的优势。然而在实际的体系对抗中，信息主要存在3个方面的问题：①信息孤岛问题，同类型武器平台难以实现态势共享；②信息融合问题，不同类型武器平台的数据格式差异大；③信息备份问题，获取信息的存储如何安全可靠。

大数据、云计算、物联网、移动互联网等信息技术与现代军事应用相结合，形成了适用于现代复杂战争环境的云作战体系解决方案，通过作战云能够实现体系对抗中的态势共享，跨域系统能力，解决了信息孤岛、信息融合和信息备份等问题。

2014年8月，美国《航空周刊》发表了云作战的构想图，描述了“作战己方的空中优势空域云”的发展远景：在轨太空侦察/通信/导航卫星、空中预警机、F-15/16等四代机、海面航母战斗群，以及深入敌方纵深空域的F-22/35隐身战机、RQ-180无人侦察机和新型远程隐身轰炸机等多维作战单元，在作战云的联结下形成一个高度融合的作战体系［1-3］。

作战云是指综合运用网络通信技术、虚拟化技术、分布式计算技术及负载均衡技术将分散部署的作战资源进行有机重组而形成的一种弹性、动态的作战资源池［4-5］，其采用面向服务的模式，为指挥决策、部队行动、武器打击提供按需、便捷、快速的专业、权威的数据和应用服务。作战云是一种通过战场通信网络互联的弹性作战资源集群，是云计算理念在军事领域的全新运用［6］。

云作战是指基于作战云提供的各项服及相应保障技术形成的全新作战模式，其依靠作战云提供的已被池化的作战资源、基于云计算技术对资源池中大数据的分析处理结果及战场中先进高效的数据链等高效信息传输技术和信息融合技术，使连入作战云中的各终端之间实现信息共享和跨域协同，从而提高作战效率。

云作战体系相比于以往的作战样式，具有动态虚拟资源池、资源融合、分布式云杀伤链等独特的特征和优势［7-9］。云作战采用类似云计算技术，从体系层面实现陆、海、空、天各作战域的战场资源整合，汇聚成云，完成战场数据的网状交互，具备全域性、分布式、网络化特点，将对未来的空战体系产生深远影响。多种作战飞机在执行任务过程中组成的作战云，可以改变作战飞机传统的作战样式，使其能够在作战云的支持下与作战体系中的各种资源结合在一起，真正实现信息融合和态势共享，并在更高的层面上进行作战。具体的作战样式包括云攻击样式、云射击样式、群控制样式、云制导样式［10-15］。本文在作战云与云作战概念的基础上，结合云作战体系仿真流程，提出了云作战构造型仿真平台框架，为战斗机云作战样式研究与应用提供参考。

1 云作战体系仿真流程

常规仿真通常包含5个步骤：构建仿真框架，建立目标分析，创建仿真场景，运行仿真模型，分析仿真结果。本文在此基础上进行扩展，结合云作战体系的具体特点，考虑设计空间的范围、体系的随机性、体系的作战决策智能控制等，分解云作战体系的能力，最终形成能力识别、任务构建、模型构建、策略映射、智能控制、设计实验、样本分析等7个步骤。

云作战体系仿真的业务逻辑如图1所示。

1）能力识别

能力识别是构建相应体系的前提，也是基于体系研究武器装备性能的基础。针对不同的作战能力，体系任务不同，构成体系的武器装备也有区别。识别将要进行体系仿真的能力，主要是指武器装备和设施的能力，具体包括战斗机的打击能力、行动能力、响应能力，以及导弹的打击能力，雷达的反应能力等。只有准确识别这些能力，才能良好地进行任务场景的构建，执行相应观察—调整—决策—行动（OODA）循环中涉及的武器系统。

2）任务构建

任务构建步骤不同于模型构建，主要为整个仿真设定一个战争脚本，具体为6个方面的脚本设定：①任务使命，是仿真任务背景，包括斩首行动或时敏打击等；②相关环境，是仿真的外部环境，包括天气因素、地理因素和地形因素等；③双方环境，包括红方情形、红方行为能力、蓝方情形、蓝方防御能力等；④决策制定，定义时间、地点、方式、行动，为打击的总体过程设定总体方案；⑤红方预测，对比分析红方可能采取的决策方案，为各种替代方案的分析过程；⑥蓝方预测，分析蓝方可能采取的防御方案，预测蓝方可能采取的行动。

3）模型构建

模型构建步骤先简化现实环境，构建红蓝双方的仿真模型。对仿真来说，并非所有的现实信息对于仿真分析都是有用的，因此，通过分析简化过程，先筛除一部分对仿真分析影响很小的现实信息，再通过解释演绎过程，将实际过程抽象为概念模型，最后通过检验和验证，确定构建的模型能够满足仿真的需要，完成模型构建。

4）策略映射

策略映射步骤实际为仿真的具体操作步骤。以空军打击策略为例，建模时，设定的逻辑会有“优先攻击敌方的核心目标”，其是空军力量的优势所在，再开始实验，探索仿真结果是否与预想的一样并进行调整，最终关键分析蓝方目标的重要度与威胁度，以及能力评估和仿真任务的关系系数，利用质量功能配置形成打击序列表，即将宏观的打击能力映射为可操作的打击行为。

5）智能控制

智能控制步骤为基于智能体（agent）对整个任务进行仿真控制，初步想法包括红方控制中心、蓝方控制中心、双方的武器装备，类型为智能体，能够对战场态势进行智能自主控制。也就是说，对各种装备进行智能体模型构建后，就要将其纳入到仿真控制的模块中来，这样才能使得智能体在仿真过程中实现一步步的逻辑。

6）设计实验

设计实验步骤为从设计空间中选择不同的指标数据，云体系环境下，输入变量并非一个固定的值，而是在一定的上界和下界内变动，由此形成设计空间，从设计空间中随机抽样，进行设计实验，将能够尽量覆盖所有的输入情况，使仿真更为全面完整。

7）样本分析

样本分析步骤是对大样本数据点的分析过程，建立输入空间与输出空间的关系，研究同样输入环境下，随机性对体系效能的影响，为指标的优化和技术的评估提供参考。

2 云作战构造型仿真平台框架设计

2.1 总体框架设计

在云作战体系仿真流程研究的基础上，设计了云作战构造型仿真平台的框架（见图2），并研究了不同模块的具体功能及相互关系。在获取大量试验数据的基础上，进行云作战效能评估与分析，为作战体系的改进提供依据。

云作战构造型仿真平台框架主要由两部分组成：①仿真系统，主要包括任务想定模块、任务仿真模块、效能分析模块、数据管理模块；②仿真支撑平台，主要为仿真系统提供构建的平台，集成常用的建模命令，提供方便的操作界面，并能够支持多种想定的仿真建模与分析工作。

建模与仿真是一系列的活动，进行这一系列的活动需要一个支撑环境或支撑平台。仿真系统与仿真支撑平台有不同的概念，仿真系统具有应用针对性，是一个独立完整的系统，而仿真支撑平台具有通用性、服务性和资源共享性，在仿真支撑平台上可以研究、开发、建立、运行仿真系统。

仿真系统中各个模块之间的关系如下：

1）任务想定模块主要负责：①任务体系任务目标的设定，包括任务背景、任务要求、打击目标等；②双方战力设定，包括红方蓝方的武器装备状况、红方蓝方地理位置等；③任务约束的设定，包括任务范围、任务持续时间、任务可消耗的各项最大资源。

2）任务仿真模块主要为根据任务想定，基于输入变量生成设计空间，执行仿真任务，并输出仿真结果。

3）效能分析模块主要针对任务仿真模块的数据样本，将数据可视化，对输出数据进行进一步的分析。

4）数据管理模块负责存储和管理三大任务模块的数据，为任务的设定和分析提供支持。

2.2 仿真系统功能设计

2.2.1 任务想定模块

任务想定模块主要从用户角度出发，为用户提供针对体系任务的各种想定，包括任务背景、任务要求、打击目标、双方战力、双方战场及任务约束等6个方面的内容。

1）任务背景。需要设定任务的执行原因、任务的具体性质和任务所属类型，如针对敌方的斩首行动或者针对整个敌方设施的时敏打击。

2）任务要求。需要设定执行任务所必须相关要素和程序，如针对地方地面目标的时敏打击，必须出动远程打击轰炸机还是需要多架战机共同完成。

3）打击目标。需要设定该完成不同类型任务所必须进行打击的目标，不同类型的任务所需要打击的目标种类和数量有所区别。

4）双方战力。需要设定一次体系任务中，红方蓝方可能出动的战机类型、数量，携带的导弹类型、数量，防御系统的类型、数量等。

5）双方战场。需要设定体系任务中，战场的地理地貌、双方基地的地理位置、敌方目标及防御系统的地理位置等。

6）任务约束。需要设定该次任务持续的时间、任务涉及的地理范围、任务所能够消耗的最大资源等。

2.2.2 任务仿真模块

任务仿真模块的研究内容主要从体系的建模与仿真出发，具体包括模型的封装、算法的封装、设计空间的扩展、样本点的随机抽样、设计实验等5个方面。

1）模型封装。主要用于封装仿真可能用到的所有元素资源，如战斗机物理模型、导弹的物理模型、敌方地面目标的物理模型等。

2）算法封装。主要用于封装体系中的智能体的各种规则，如指挥中心的武器选择，战斗机的目标搜寻、锁定、打击等行为。

3）设计空间的扩展。主要用于仿真运行前，扩展研究的体系变量的范围，如扩展战斗机起飞重量的上界下界、扩展战斗机的RCS范围等。

4）样本点随机抽样。主要用于从设计空间中抽取输入点，进行仿真，此处选定蒙特卡罗随机抽取设计空间内的样本点，尽可能覆盖整个设计空间。

5）设计实验。主要为体系的仿真运行，其中由于体系的随机性，每个样本点需要重复运行多次，充分考虑体系环境的各种情况，得到输出空间。

2.2.3 效能分析模块

效能分析模块的研究内容主要从体系效能的数据分析角度出发，具体包括样本筛选、样本可视化、变量影响分析和指标反向设计等4个方面。

1）样本筛选。需要能够根据需求对样本进行筛选，如筛选任务完成项，或者筛选出动一定架次飞机情况下任务完成项。

2）样本可视化。需要根据需求对样本进行可视化输出，如生成柱状图、曲线图等。

3）变量影响分析。为根据体系的输入变量及输入变量对应的体系效能，研究两者的影响关系。

4）指标反向设计。为根据变量与体系效能的影响关系生成的响应面或者包络图，反向优化设计指标。

2.2.4 数据管理模块

数据管理模块的研究内容主要从体系仿真产生的大量数据出发，具体包括数据项维护、实例应用、任务想定数据库、运行仿真数据库和效能评估数据库等5个方面。

1）数据项维护。包含数据分类及数据库建立与维护。

2）实例应用。查阅浏览所建立及入库的实例数据。

3）任务想定数据库。对应于任务想定模块数据。

4）运行仿真数据库。对应于任务仿真模块数据。

5）效能评估数据库。对应于效能分析模块数据。

3 云作战构造型仿真示例

3.1 任务想定

在云作战构造型仿真平台框架设计的基础上，考虑到战场复杂性、模型颗粒度、参数实验要求等因素，选择Anylogic进行云作战构造型仿真示例，并根据第1节所述构造型仿真平台的构建流程，针对战斗机传统作战样式与战斗机云作战样式搭建相应的仿真模型。为了能够清楚地说明问题，采用控制变量的对比方式进行建模，即2种作战样式中的基础设施、作战机群和携带的武器均相同，但二者的作战逻辑不同。

示例场景设置（见图3）如下：①红方出动1架有人机和4架无人机；②蓝方在2个位置部署防空导弹系统（雷达+SAM）；③红方作战机群携带雷达干扰设备和JDAM 空对地导弹；④红方需要摧毁蓝方2处防空导弹系统和2处军事建筑。

3.2 传统作战样式仿真

3.2.1 传统作战样式流程

1）1架有人机与4架无人机在接到作战命令后从我方军用基地起飞，4架无人机每架携带1枚JDAM空对地导弹在机群前方飞行，有人机紧随其后。

2）当发现敌方雷达时，有人机立即减速并对敌方雷达实施电子压制，使雷达失效。

3）继续飞行，有人机利用自身携带的探测设备对敌方区域进行探测，当发现敌方的SAM防空导弹发射车时，立即派出1架无人机。

4）第1架无人机进入作战模式，并采用机载探测设备对目标进行探测，当其发现目标时，需向地面指挥中心（CAOC）进行任务的确认。

5）接到“允许攻击”的指令后，立即对目标进行攻击，导弹由卫星制导，同时有人机对目标进行图像获取，并最终确认其被摧毁。

由于每架无人机在仿真模型中只携带1枚JDAM 空对地导弹，所以当摧毁目标后立即返回基地。

该作战机群对敌方目标的另外1个防空导弹系统和2个军事建筑均采用这种作战形式对其进行攻击。即由有人机探测得到目标信息并派出1架无人机执行任务，无人机在利用机载探测设备发现目标后，需向地面指挥中心进行确认，然后对敌方目标进行攻击，有人机实时获取敌方目标的影像，并确认其被摧毁。

3.2.2 传统作战样式OODA循环

传统作战样式的OODA循环过程如图4所示。首先，无人机向有人机提供的敌方目标方向飞行，并利用机载探测设备对敌方目标进行观察（observe）；然后，当探测到敌方目标后，向地面指挥中心请求指令，地面指挥中心协助无人机完成调整（orient）和决策（decide）过程；最后，无人机接到指令后对目标进行攻击，即为行动（act）阶段。

由此可知，在每个OODA循环过程中，无人机参与观察和行动阶段，地面指挥中心辅助其完成调整和决策阶段。传统作战样式的总作战时间即为4架无人机的OODA循环之和。

图4 传统作战样式的OODA循环示意图Fig.4 Schematic of OODA circles of traditional combat style

3.3 云作战样式仿真

3.3.1 云作战样式流程

1）云作战样式的初始阶段与传统作战样式相同，均为1架有人机与4架无人机从我方基地出发，但不同的是，只有1架无人机携带4枚JADM空对地导弹，2架无人机负责对战场的探测，1架无人机负责生成被摧毁敌方目标的影像。

2）在飞行过程中，2架侦查无人机以较快的飞行速度飞向战场，并对敌方目标进行探测。当侦查无人机发现敌方雷达时，立即将雷达的信息传回给有人机，有人机随即对雷达实施电子干扰。

3）在使敌方雷达失效的同时，有人机根据侦查无人机传回的数据对战场进行态势分析，并制定相应的作战方案，指挥携带JADM 空对地导弹的无人机对目标进行攻击。

4）无人机接到攻击指令后，立即发射导弹，并在导弹的飞行过程中由有人机对其进行制导，使其准确命中目标。敌方目标被摧毁后，由最后1架无人机对其获得图像，确认目标被摧毁。

3.3.2 云作战样式OODA循环

云作战样式的OODA循环过程如图5所示。首先，由2架无人机完成观察阶段，快速深入敌方探测敌方目标信息，并将有效信息传回有人机；然后，有人机完成调整阶段和决策阶段，有人机对无人机传回的大量信息进行分析，并根据敌我双方的作战态势形成决策指令，并下达给携带有武器的后方无人机；最后，后方的2架无人机完成行动阶段，根据收到的指令及目标的相关信息，发射机载导弹对目标进行攻击。

由此可知，有人机利用其优秀的信息融合能力，真正实现了云作战样式中的跨域共享和多平台协同，有人机不仅可以将威胁锁定，还可以对战场信息做出快速反应，指挥无人机有序地完成任务。云作战的这种优势，可以大大缩短每一个OODA循环的过程，而且可以避免战场资源的浪费。

云作战样式的优势在于：对战场进行侦查的无人机由于飞行速度较快，可以对敌方目标实施快速探测，在短时间内获得大量敌方目标的信息，并将这些信息传送给有人机进行处理。这种情况下，有人机对敌方雷达的电子压制距离明显增长。

3.3.3 云作战样式的仿真体现

1）战场态势共享

有人机作为交战过程中的指挥平台，实时接收其他作战单位的信息，掌握战场中敌我双方的态势，并将态势与相关决定共享给局部网络中的其他作战单位，如图6所示。

2）云攻击样式

云攻击作战样式主要强调无人机的重要作用，即在OODA作战循环中无人机为全过程的主要参与者。在案例中，无人机从出发就与有人机进行实时通信，并且无人机在从发现目标到击毁目标的整个作战过程中，参与程度很高。如高空侦查无人机对敌方目标进行侦查，携带导弹的无人机对敌方目标进行攻击，最后方的无人机实时观测敌方目标并返回敌方目标的状态，如图7所示。案例中的这种作战样式体现了云攻击作战样式。

3）云射击样式

云射击作战样式主要强调机群采用信息共享的方式，依靠群体对目标发动攻击。在案例中，对每一个敌方目标的打击过程均需依靠高空侦察无人机的探测能力、有人机的电子压制能力、携带导弹无人机的攻击能力和后方无人机的观测能力，各个作战单位均能实现数据共享，如图8所示。案例中的这种作战样式体现了云射击作战样式。

图6 基于有人机的云数据链Fig.6 Cloud data link based on manned fighter

图7 案例中云攻击样式的体现Fig.7 Demonstration of“cloud attack”style in example

图8 案例中云射击样式的体现Fig.8 Demonstration of“cloud shooting”style in example

4）群控制样式

群控制作战样式主要强调战斗机对多个无人作战单位的指挥。在案例中，有人机在出发时即与4个无人机实现通信链接，并指挥具有不同作战能力的无人机执行不同的作战任务，这种控制过程一直持续到结束任务并返回基地，如图9所示。案例中的这种作战样式体现了群控制作战样式。

5）云制导样式

云制导作战样式主要强调武器在攻击过程中其他作战单位对其进行导航控制，使其能够精确打击目标。案例中，在无人机发射导弹直到导弹击毁目标的过程中，作战机群的每一个作战单位就能与导弹实现信息共享，并为导弹提供目标的位置信息，从而精确打击目标，如图10所示。案例中的这种作战样式体现了云制导作战样式。

图9 案例中群控制样式的体现Fig.9 Demonstration of“group control”style in example

图10 案例中云制导样式的体现Fig.10 Demonstration of“cloud guidance”style in example

3.4 效能分析

战斗机作战对抗可以看作是敌我双方互相较量谁能更迅速地完成OODA循环。因此，可将OODA循环用时作为战斗机作战效能分析的指标。对比分析2种作战样式攻击同一个目标的作战时间，当无人机到达起飞地点与目标的中点位置时，即进入OODA循环的起点。2种作战样式的OODA循环用时对比如图11所示。

图11 两种作战样式OODA循环用时对比Fig.11 OODA circle time comparison between two combat styles

传统作战样式中，观察阶段的时间为从循环起点到无人机发现目标的时间，调整阶段的时间为从发现目标到有人机使敌方雷达失效的时间，决策阶段的时间为雷达失效后到地面指挥中心确认目标并指挥无人机发射导弹的时间，行动阶段的时间为从导弹发射到导弹摧毁目标的时间。

云作战样式中，观察阶段的时间为从循环起点到无人机发现目标的时间，调整阶段的时间为从发现目标到有人机开始对敌方雷达进行电子压制的时间，决策阶段的时间为开始压制敌方雷达到无人机发射导弹的时间，行动阶段的时间为从导弹发射到导弹摧毁目标的时间。

两者对比可以看出，在云作战样式中，当有人机接收到目标信息时，可以立即命令无人机发射导弹，在导弹飞行的过程中形成作战指令，并实时对导弹进行制导，这样先发射再制导的形式可以大大节约导弹的瞄准时间，使得OODA循环的时间缩短。

4 结 论

新的作战样式与作战体系一直是军事领域的研究热点，信息技术的迅猛发展与广泛应用也为军事创新提供了强劲动力。云作战是大数据、云计算、物联网、移动互联网等信息技术下的全新作战样式，通过信息共享和跨域协同，能够有效提高作战效率，不仅将改变空天作战样式，也将改变装备的发展路径，对未来的空战体系产生深远的影响。

本文提出的云作战仿真流程与云作战构造型仿真平台框架，仅仅是通过仿真的手段进行云作战体系研究的初步探索。关于云作战的应用还面临着不同来源信息的可靠性、云端系统的安全性、多平台的融合性、信息提取的高效性等诸多方面的挑战，需要进一步深入研究。