装备作战试验高性能仿真解决方案

赵宇亮 李谨 季利春

(湖南星河云程信息科技有限公司,湖南长沙 410003)

0 引言

在装备列装定型前开展作战试验是装备试验鉴定的必然要求。为了逼近真实的作战环境,开展装备作战试验,采用仿真技术将是主要解决手段之一。而随着我军战略转型,武器装备正在进行快速的更新换代,为确保武器装备实战适用性,需要深入开展装备作战试验工作,充分利用先进仿真技术进行支撑。

1 高性能仿真技术

高性能仿真技术是一门快速发展的多学科交叉领域技术,融合高性能计算、建模与仿真方法学等,主要利用高性能计算和仿真能力来更好地理解和解决重大复杂问题。高性能仿真技术主要通过高性能计算并行执行来充分利用计算资源提高仿真运行的效率。

在美国等发达国家,高性能仿真技术已在国家与国防战略研究、武器装备体系规划及需求分析、装备技术性能与作战效能评估等军事领域得到广泛应用。它对于开展装备战标优化论证、评估装备作战效能、理解复杂军事问题、寻找出符合目标的优化结果等具有十分重要的作用。从20世纪90年代初期即开始了基于高性能计算平台的并行离散事件仿真建模及运行支撑技术研究,先后推出了SPEEDES、GTW、Charm++等多种基于高性能计算机的仿真支撑环境。然而,目前国外推出的高性能并行仿真支撑平台大都对我军采取技术封锁,并不能为我军直接使用。

目前,我军装备作战试验仿真正处于快速发展阶段,国内多家单位已经或正在建立装备体系仿真实验室。但是由于历史原因,国内许多单位的解决方案主要基于HLA/RTI实现。而随着仿真应用的不断深入,这种解决方案已越来越不能满足仿真对时效性的需求。

2 装备作战试验高性能仿真解决方案

2.1 装备作战试验仿真需求

装备作战试验仿真涉及装备体系的各个型号及其不同作战使用模式,其模型和数据需要充分反映装备的技术特征、装备作战使用过程以及装备与装备之间的各种信息铰链与控制关系。其涉及的模型非常复杂,详细度要求很高,计算量大;仿真过程中实体、要素非常多,规模非常大,交互频繁。因此,装备作战试验仿真对计算资源利用和仿真运行效率的要求非常高。

为了模拟装备在不同作战样式和环境下的运行情况,需要对各种参数因素进行综合考虑,充分探索参数组合空间。同时,体系仿真涉及随机数仿真,所以需要反复大量的迭代运算才能使研究更充分更有效,确保作战试验的可信度。因此,装备作战试验仿真需要构建大量的仿真样本进行推演,并对产生的大量结果数据进行收集、整理和分析。

为了逼近真实作战环境,除了能够快速构建被试装备模型之外,还需要与之协同的红方模型体系以及与之对抗的蓝方模型体系进行支撑。往往根据试验目的的不同,所需使用的模型及模型间交互关系也并不一致,对整个模型体系的可扩展性和可组装性都有比较高的要求。因此,装备作战试验仿真系统需要构建要素完整、扩展灵活、快速组装的模型体系进行支撑[1]。

2.2 高性能仿真解决方案架构设计

高性能仿真解决方案是以并行离散事件仿真为基础,为装备作战试验仿真的开发、集成、运行、监控管理、想定制作、试验设计和事后分析评估等提供一体化的高效支持。其架构层次为:底层为自主可控高效能计算资源,包括各类高效能计算机集群、服务器、超级计算机等;在计算工具层上是高性能仿真支撑环境,包括可重用模型设计、仿真应用可视化开发以及支持并行计算的高性能仿真引擎;在支撑环境层上是可重用可组合模型体系,包括海陆空天电实体、环境、行为、战术、战法等仿真模型;在模型体系层上是装备作战试验仿真应用,用户只需编辑作战想定进行试验设计,即可开展相关的作战试验仿真[2]。具体如图1所示。

图1 高性能仿真解决方案架构层次图Fig.1 High-performance simulation solution architecture hierarchy diagram

2.3 自主可控高效能计算资源

装备作战试验仿真往往涉及到装备、作战等大量的军队核心机密,采用国外的计算芯片等软硬件系统不仅在关键时刻可能受制于人,而且存在着极大的安全风险。同时,目前高性能计算正在向“高产出、低功耗、高可靠、高可用”的高效能方向发展,以进一步解决高性能计算技术中的“内存墙、功耗墙、编程墙、扩展性墙”等问题。

2.4 高性能仿真支撑环境

高性能仿真支撑环境主要为装备作战试验仿真可重用可组合模型体系搭建、应用快速开发、集成和升级以及高效透明并行执行提供技术支持。主要包括:可重用模型设计工具、并行仿真可视化开发环境和高性能仿真引擎[3]。

2.4.1 可重用模型设计工具

可重用模型设计工具可以根据可重用可组合仿真模型开发规范,为用户提供一个可视化的模型设计、开发和封装环境,以便于用户快速高效的设计开发可重用可组合仿真模型。

2.4.2 并行仿真可视化开发环境

并行仿真可视化开发环境采用先进软件技术和可视化编程技术,通过直观易用的拖拉方式实现并行仿真应用的可视化开发,以提高并行仿真应用的开发效率,降低开发难度,满足应用建模人员利用计算模型直观便捷地组装仿真应用、支持仿真应用灵活重组和配置的迫切需求。

采用并行仿真可视化开发环境,应用开发人员只需专注其所涉及的仿真模型开发,在模型开发好的情况下,应用开发人员无需编写其他代码,只需通过连线及设置参数对模型进行组装,即可完成仿真应用的开发,自动生成并行仿真应用代码。

并行仿真可视化开发环境可以提高装备作战试验仿真应用的开发效率,降低集成难度,实现快速迭代和升级[4]。

2.4.3 高性能仿真引擎

高性能仿真引擎根据并行离散事件仿真原理,将面向对象的事件建模和高性能计算相结合,通过并行运行仿真实体来快速驱动仿真应用,提供高效的建模框架、透明高效的时间同步策略、高效的自动回滚机制、多种事件调度策略、通信优化机制以及透明的共享内存、MPI及TCP/IP自适应通讯支持,支持仿真对象实例的自动与手动分发,支持国产操作系统,可运行于自主可控高效能计算机上。

2.5 可重用可组合模型体系

装备作战试验仿真系统往往是由装备组件、装备实体等模型组合集成而构建,模型结构组成和行为逻辑都十分复杂,并且呈现出动态演化的特征,对模型体系的可扩展性、可重用性及互操作性等提出了更高的要求。

可重用可组合模型体系以基于模板的建模技术为基础,按照可重用可组合仿真模型开发规范构建了装备作战试验仿真所需的海陆空天电实体、环境、行为、战术、战法等齐全的模型模板及相关的模型体系。

可重用可组合模型体系可为装备作战试验仿真提供要素齐全、灵活扩展以及快速组装的体系级武器装备模型,能有效支持各类作战任务下的想定构建,方便作战试验人员快速开展相关仿真。

2.6 装备作战试验仿真应用

装备作战试验仿真应用层用户可以直接在军事地图上按照装备作战试验目的选择模型体系中的装备模型进行作战仿真想定编辑,并对需要重点关注的因素进行试验设计,生成多样本仿真试验文件,通过将多样本文件和仿真应用程序分发到高效能计算资源上,利用高性能仿真支撑环境可对仿真应用进行并行快速推演,得到仿真结果数据,可对数据进行分析和评估。主要包括:仿真想定编辑工具、仿真试验设计工具、仿真运行配置管理工具和仿真结果分析评估工具[5]。

2.6.1 仿真想定编辑工具

仿真想定编辑工具主要支持作战试验人员编辑仿真想定文件。仿真想定文件是为后续的模型计算和应用问题分析等提供核心、关键的驱动数据。在编辑仿真想定的过程中,可以将作战预案、作战计划等作为系统输入(依据),也可以直接用本工具设计仿真想定(适用于无作战预案或作战计划的情况)。

2.6.2 仿真试验设计工具

仿真试验设计工具主要根据试验目的,以想定编辑工具得到的仿真想定为基础,进行多样本参数规划,生成具有代表性的多样本想定文件,提供给仿真系统进行多样本仿真计算,以实现多维参数空间条件下的高效的仿真评估。该工具主要为作战试验仿真应用提供一套完整的参数规划解决方案,以支持用户根据试验目的,高效率地探索想定空间,以进行作战试验。

2.6.3 仿真运行配置管理工具

仿真运行配置管理工具主要用来对多样本仿真运行进行参数配置和运行过程的监控与管理,实现仿真应用样本级的并行执行,提高仿真应用多样本运行效率,保证仿真的顺利进行。

2.6.4 仿真结果分析评估工具

仿真结果分析评估工具基于作战试验仿真结果,为武器装备作战效能评估、影响因素分析等提供软件支撑。该工具将为预估装备及其系统在不同作战背景和条件下的效能,探索和发现对效能具有重要影响的因子及其影响规律,分析和改进装备及系统设计方案等提供技术支持。

2.7 优势特点

装备作战试验高性能仿真解决方案将高性能计算技术与仿真技术有机结合,具有易使用(系统完备的标准体系、先进实用的技术体系、直观好用的工具体系,用户可直接快速开展各类仿真)、效率高(运行效率国内最快:提高数十倍至数百倍)、结果可信(先进的模型模板技术为基础,全面的模型校核验证技术为保障)、安全可控(国内唯一支持国产芯片、国产操作系统的高性能仿真实验平台,从底层引擎到顶层应用全国产)等优势特点。

3 结语

本文根据装备作战试验仿真对高效性、可扩展性、易用性以及自主可控性等方面的需求,结合高性能仿真技术,从仿真应用、模型体系、仿真支撑及计算资源等多层次提供了一体化完整解决方案。通过该方案用户只需在仿真应用上编辑作战想定,确定关键因素选择试验方法,即可自动高效地进行仿真推演,得到结果数据,进行可视化的分析评估,为武器装备作战试验工作的开展提供有力支持。