面向组织演进的平行仿真技术

初 阳,吴章华,周玉芳

(江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

未来战争是体系与体系之间的跨域、多域联合作战,具有作战领域向多维空间拓展、作战要素向高度融合转变、指挥体制向高效扁平延伸等特征。指挥官需要高效精准分析战场数据,做出全局性、预见性、合理性的作战决策,并与各军兵种、各指挥节点共享信息、传递决策和同步行动,协同遂行多元化作战任务。以机器为主导的决策智能体、多分支快速态势预测等创新技术将成为未来辅助指挥作战的主要途径,因此,构建一个适用于决策智能体、态势预测实施和运行的平行仿真环境是指挥信息系统未来一个重点发展方向[1-2]。

平行仿真技术主要指构建与指挥信息系统平行运行的仿真镜像系统,通过与指挥信息系统的互联和信息交互,持续从实际指挥信息系统获取最新的战场态势信息,建立战场实体仿真模型。镜像系统与实际态势保持目标身份、状态等信息的一致性,支持多分支快速推演、智能决策AI运行、态势分析预测等的实施,为实现智能辅助决策提供支撑,见图1。国外最具代表性的是“深绿”(Deep Green)[3-5]计划,可以通过快速仿真推演主动生成多种合理的行动方案,支持作战指挥全过程的分析与决策,与平行仿真类似的还有“动态数据驱动应用系统(DDDAS)”等[6]。国内在平行仿真技术研究起步较晚,文献[7]提出了平行仿真的概念,研究了辅助决策对平行仿真系统构建的环境建设需求;文献[8]提出了情报数据驱动的平行仿真实体模型动态匹配框架,建立了面向指挥决策支持的平行仿真运行架构，如图1所示。

图1 平行仿真概念

1 体系建模仿真方法

体系建模仿真主要面向方案推演、装备论证、战法研究、模拟训练等,从仿真引擎推进、仿真模型演化方式上看,体系仿真可以分为基于兵力的仿真推进和基于组织的仿真推进两种。

1.1 基于兵力的仿真推进

在仿真推进过程中,所有的战场行为、状态演变都以战场仿真兵力实体为中心展开,仿真引擎自顶而下的调度兵力实体本身及其所搭载的传感器、武器、任务、目标特性等仿真组件模型,从而实现对整个模型体系的调度。在该种方式下,战场通信关系、指挥关系、编队运动等具备组织、群体特性的战场行为主要通过实体与实体间的信息传递来实现,如图2所示。

图2 基于兵力的仿真推进

许多战术级仿真系统或仿真测试系统、模拟训练系统都采用该种方式,通常在兵力实体内部采用典型的OODA环调度机制,按照感知、确认、决策、行动的顺序依次推进和传递,能够实现对单一作战实体探测、威胁判断、决策、行动等战场行为过程的模拟,由于实体间信息传递的无序性,导致该仿真模式很难反映大量自主行为主体参与所带来的涌现特征,如图3所示。

图3 兵力实体内部调度机制

基于兵力的仿真推进方式优点是仿真调度层层递进、逻辑清晰,可适用于时间步进和离散事件两种类型的仿真引擎,缺点是产生了大量的冗余调度,无法很好地体现体系对抗中多层指挥、复杂通信组网等特点,在实现具有复杂群体、组织关系行为的战场仿真时较为困难。

1.2 基于组织的仿真推进

以组织为中心的仿真演进通常是在大型、复杂仿真系统中常用的一种仿真推进方法,演进内容不局限在实体状态、探测、打击等常规战场行为,还包含指挥调度、通信组网、方面战决策、组群机动等复杂组织行为,仿真引擎通过调度各作战方的组织结构模型,实现以战场指挥关系、通信网络、方面任务等为主体的自动演进,并间接按需调度仿真实体模型,按需向实体请求信息,如图4所示。

图4 基于组织的仿真推进

该模式下，仿真实体不需要每周期都调度,只有当兵力状态、行为发生“意外”变化或有外部指令时才需要调度,作战行动过程也不仅是单层OODA环,而是多层互为嵌套的复杂OODA过程,能仿真出整个作战过程中各指挥实体间信息共享、指挥协同能力,如图5所示。

图5 组织内部调度机制

基于组织的仿真推进方式优点是仿真调度按需实施,极大提升引擎效率,能够体现体系对抗条件下多层指挥、复杂通信组网等复杂行为,不足是大多只能用于离散事件仿真引擎,不适合战术级仿真。

2 基于组织的平行仿真实现

基于兵力的仿真推进条件下的平行仿真在文献[9]中已提出相应方法,本文重点研究基于组织的仿真推进条件下平行仿真技术的实现方法。

2.1 平行仿真系统框架

平行仿真系统由战场实时态势接收处理、仿真模型动态构建/修正、实时/超实时仿真推演、辅助决策分析、高效仿真引擎等组成,如图6所示。

图6 平行仿真系统框架

战场实时态势接收与处理主要从指挥信息系统态势分系统持续接收实时态势,并对实时态势进行过滤和预处理,该模块是实现战场实体模型构建与修正功能的前提和基础;仿真模型动态构建与修正可以建立逼真的、随战场态势实时修正的战场实体仿真模型,用于战场态势仿真预测;实时/超实时仿真推演用于进行与实时态势平行的实时推演,辅助进行实时态势分析,并对作战计划进行超实时仿真推演与评估,支持人工指令的干预,支持人工智能参与运行;辅助决策分析可以实现专用的态势预测和态势分析产品;高效运行仿真引擎为系统运行与交互提供分布式仿真模型调度、负载均衡、多分支推演支持、仿真管理、运行控制等能力支撑。

2.2 仿真实体动态构建与修正

战场仿真模型动态构建与修正的目的是如何将态势数据中的动目标态势数据与战场实体仿真模型进行映射,具体表现在两个方面:

1)如何根据态势目标数据到模型库中匹配到相应的仿真模型,实现仿真模型实例的动态构建;

2)如何将态势目标数据与平行仿真中已建立的仿真实体模型进行匹配,实现仿真模型实例的动态修正。

如图7所示,主要从模型动态匹配、实体模型本体创建、实体模型关系创建、修正规则设计四方面实现。

图7 模型动态构建与修正

战场实体仿真模型匹配是实现平行仿真的关键所在,主要匹配过程为:接收实时战场态势数据,提取实时态势的特征数据,生成目标特征标识,并与仿真模型库、平行仿真环境进行匹配,主要方法包括特征匹配法[9]。

战场实体本体模型是指对仿真实体本身的建模,不包含其与其他兵力的关系。战场实体本体仿真模型是平行仿真系统运行的核心组成元素。与常规的仿真建模有区别,平行仿真模型是在仿真过程中动态创建,这就要求仿真模型具备动态变化的能力,如图8所示。

图8 传统仿真与平行仿真模型创建对比

2.2.1 实体模型关系创建

战场实体关系模型指战场实体与战场其他实体的关系模型,主要包含指挥关系、通信关系、编成关系等。为满足平行仿真快速推演、智能算法运行等的需求,对于仿真模型的修正或构建,不能仅仅开展仿真实体本体建模,还要对实体的关系进行构建。对战场实体关系模型动态构建将重点从指挥关系、通信关系、编成关系三个方面开展。下面将以指挥关系为例,阐述具体实现途径。

首先,开展指挥关系的业务分析,如图9所示。

图9 战场实体指挥关系

其次,对指挥关系类型进行分析,将各指挥机构按照职能、功能抽象为三类:组织级、方面任务级和平台级。其中，组织级对应顶层指挥所、各作战方向指挥等;方面任务级对应面向具体作战方向的任务指挥中心;平台级对应底层作战部队、作战平台等的指挥,因此,需要平行仿真系统构建编队、方面战、单平台三个层级的指挥模型。

第三,现代战争是以指挥为中心的体系对抗,其战场行为是由指挥体系整体决策的结果,任何单一的平台或指挥节点的行为决策都是不全面的。对三类指挥实体的对外关系进行分析:组织级指挥主要反映顶层指挥机构的决策行为,可以向下一级组织级、方面任务级或平台级指挥下发指挥命令;方面任务级只能向平台级指挥下发指挥命令。综合指挥类型、指挥关系的研究,建立三级指挥体系模型,如图10所示,通过一种树形的体系结构,将组织、方面任务和平台级联接起来,形成自顶而下的指令下发关系流和自底而上的态势上报关系流。

图10 战场实体指挥关系模型

最后,针对指挥关系树建立节点管理模块,构建节点删除、插入、修改的干预接口,满足推演过程中组织关系的变更需求。

2.2.2 修正规则设计

修正规则是判断平行仿真模型何时修正、如何修正的重要模块,借鉴“if-then规则”的典型ECA规则建模方法,构建基于特征分析的修正规则模型,模型结构如图11所示。

图11 战场实体仿真模型修正规则模型

基于特征分析的修正规则包括触发条件、准则和和响应三部分组成。

1)触发条件包括三方面,态势数据的新建、更新、删除;

2)准则依据特征分析模型拟分为六大类,分别是身份特征、物理特征、与其他目标关系、行动特征、状态特征、历史轨迹特征等,每一项都可作为态势过滤、筛选的准则或条件;

3)响应包括两方面:①用以描述是否进行修正,主要内容是模型修正阈值;②用以描述怎么修正,主要内容包括模型类别修正、模型参数项修正、子模型组合修正、实体模型关系修正四方面。模型类别通常用以描述模型本身性质发生变化的情况,如舰艇实体变成了飞机实体模型,通常需要删除重建;模型参数项通常用于描述模型数据、模型性能参数的改变,需要修改相应模型的数值;子模型组合通常描述模型内部的某个组件发生变化的情况,如直升机的挂载由鱼雷武器变更为吊放声呐;实体模型关系用于描述实体的外在关系发生了变化,如脱离了编队,空中机群指挥关系更新等。

由修正规则确定哪些实体模型需要更新,然后，启动相应的实体的本体、关系模型进行修正。

3 仿真实验验证

本文以某典型作战想定为应用背景,搭建平行仿真推演系统,组成如图12所示。

图12 平行仿真推演系统环境

设计不同规模的目标数量和任务类型开展仿真实验,根据面向组织演进的平行仿真方法,统计不同想定下的实体关系模型创建的完整率、仿真实体关系生成时间、修正时间等指标[10],如图13所示。

图13 平行仿真运行效果

实体关系模型创建的完整率如图14所示。

图14 实体关系模型创建的完整率

从图13中可以看出,实体关系模型创建完整率随目标数量的增大而增大,500批目标的实体关系完整率可以达到80%。仿真实体关系生成时间、修正时间指标，结果如图15所示。

图15 实体关系模型创建、修正时间

可以看出,实体关系模型创建和修正时间随目标数量的增加而增加,目标数量在50～100之间变化较为明显,500批目标的实体关系创建时间约700 ms,修正时间约500 ms。

4 结束语

平行仿真技术的核心是灵活、动态、快速地生成平行仿真实体及实体间的关系。本文首先分析了组织推进和兵力推进两种仿真演进方法的区别,并以组织推进仿真系统为背景,提出模型修正规则设计、三层指挥关系建模方法等,解决了基于组织演进的平行仿真中实体关系动态创建和修正不足的问题,通过仿真验证,本文方法能够大幅提升平行仿真实体模型演化的全面性,从而确保平行仿真系统的可信度。