模型驱动的装备数字化试验方法研究

2024-04-26陈小凤商尧军初琛肖伟

环境技术 2024年3期

陈小凤，商尧军，初琛，肖伟

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

数字化驱动装备转型升级，智能化引领装备创新发展。随着数字化设计、虚拟仿真和数字孪生等技术的发展和应用过程，产生了数字样机、数字装备、数字仿真平台等。数字装备是物理装备的数字化表达，涉及“几何-物理-行为-规则”多维度数字化模型构建和“机-电-液-热-力-磁”等多学科模型融合,应与物理实体装备同步交付,满足试验训练、体系运用推演、保障行动规划等应用要求[1]。

装备数字化试验是在数字空间构建装备测试环境，采用虚实结合的试验测试方法，综合利用数字仿真平台、数字模型、实录数据，通过设计实战化、体系化试验场景，对装备性能进行全面检验，从而解决当前实装试验验证手段存在的效率低、成本高等问题，破解现实开展大规模、体系化、实战化试验的局限。

1 装备数字化试验发展

2018 年 6 月，美军发布数字工程战略，旨在将美军采办流程由以文档为中心转变为以数字模型为中心，完成以模型和数据为核心谋事做事的范式转移。2019 年3 月，美海军利用“虚拟宙斯盾”系统控制真实的舰载AN/SPY-1 雷达,成功进行“标准-2”导弹目标拦截试验，验证了“虚拟宙斯盾”系统作为真实“宙斯盾”系统的数字孪生，可以替代实物装备参与实战测试；美海军信息战司令部完成了首个数字孪生模型“数字林肯”开发，在系统交付前通过数字空间对解决方案进行仿真评估，提前发现问题，缩短研制周期，节约研制成本。2021 年9 月，受美国国防部作战试验鉴定局委托，美国国家学院（NASEM）发布了《确保美防务系统作战优势的国防部靶场能力：未来战斗的测试（2021）》评估报告，提到借助数字工程战略推动试验鉴定由实装向数字化转型，在一体化试验鉴定工作中引入基于模型的系统工程、动态数据驱动应用系统等新概念，从而在实现武器系统快速部署的同时保证风险可控[2]。

我国在《“十四五”数字经济发展规划》中提出，要深入实施智能制造工程，大力推动装备数字化。装备数字化试验作为装备数字化建设中不可或缺的一环，可以推动装备数字化设计、数字化装配和数字化制造，实现国防工业降低成本、加快试验进程、缩短周期，推动全面实现武器装备数字化建设转型。装备数字化试验也是信息化背景下提升装备质量、完善装备试验流程的重要手段,对装备整体建设具有重要意义[3]。

2 装备数字试验仿真系统架构

装备数字化试验仿真系统架构如图1 所示，由数字仿真平台和仿真应用两部分构成，支持单装数字化试验和装备体系试验。面对装备数字化建设这一新的挑战，装备数字化试验还存在着仿真基础软件国产化率不高、数字模型全流程贯通传递困难、数字化试验方法和规程缺乏等问题。

图1 装备数字化试验仿真系统架构

3 数字化试验仿真平台

装备数字化试验仿真平台是依托计算、存储、网络和仿真服务等基础环境，支撑装备试验数字仿真应用运行的通用平台，具备试验规划设计、仿真想定编辑、装备及行为建模、试验分析评估、仿真运行管理、数据采集与回放等能力，实现对试验数据资源的集中管控、按需配置、动态调用和共享使用，支持分布式部署和异构仿真系统接入。

目前，数字仿真平台软件研发主要基于COMMAND、VBS、Xsim、Maxsim 和AFsim 等通用仿真平台进行拓展和定制，下面从适用范围、模型开发调试和人在回路支持等方面对几种通用仿真平台进行了对比分析，详见表1。

表1 通用仿真平台软件对比分析

CMANO：该平台是美国Matrix 公司开发的Command Modern Air/Naval Operation Pro（指挥：现代海空行动专业版，简称CMANO），2016 年被美国空中机动司令部、海军战争学院以及其他多个国家军事学院采纳作为模拟推演训练工具[4]。北京华戍防务开发的墨子联合作战推演系统，涵盖了平台的大部分模型和内容，针对陆海空天电多军种联合作战行动，仿真颗粒度达到战役级和任务级。

VBS：该平台是每个BISim 公司开发的沉浸式虚拟作战系统（Virtual Battle System，简称VBS）。在美国陆军合成训练环境（STE）中提供核心功能，支持进行现实的、多军种多领域的联合武器机动和任务指挥、集体训练；新西兰陆军也已选择VBS4 进行战术指挥和控制训练。

Xsim：该平台由北京华如科技自主研发，采用基于智能体的建模仿真方法，融合了面向对象、组件化、参数化等建模手段，提供仿真运行引擎和多种建模工具，基于统一的框架+插件的软件架构可自由拓展模型体系与仿真服务[5]。满足装备论证、模拟训练和试验鉴定领域仿真应用需求。

Maxsim：该平台由北京神舟智汇自主研发，采用先进黑板（GBB）技术进行交互，基于多Agent 建模思想实现一个具有开放性的分布式仿真系统。可应用于陆海空天电等各军兵种的战术模拟训练仿真、作战实验和装备论证，支持各种二次开发和定制服务[6]。

AFsim：该平台由美国空军研究实验室（AFRL）开发和维护，基于 C++的模块化、面向对象方法实现多领域、多分辨率的建模和仿真框架，通过插件可以对框架进行扩展并集成新开发的平台组件模型、新扩展的平台功能，以及新扩展的仿真服务。

4 装备模型构建

装备试验模型按试验要素维度，可分为被试装备模型、陪试装备模型、试验环境模型、试验设备设施模型、蓝军模型、作战规则/行为模型等，这些要素形态上通常表现为实物、半实物和数字模型。本文以“基于AFsim 的空中平台红蓝对抗仿真”为例，探讨数字化实体模型设计、行为仿真建模和数字化试验环境构设。

4.1 装备实体参数建模

装备实体模型以平台、武器、传感器等进行组件化建模，提高模型复用率。以某虚拟无人战斗机（Uninhabited Combat Aerial Vehicle，简称UCAV）为例，该平台设计上配备左右各1 套SAR 雷达装备、1 套ESM 电子侦察装备，并携带美制GBU-38 导弹。基于AFsim 的装备实体模型设计如图2 所示。

图2 某虚拟无人战斗机（UCAV）实体装备模型设计示例

图3 AFsim 平台行为树结构定义示意

图中：WSF_AIR_MOVER 空中机动平台模型、WSF_SAR_SENSOR 雷达装备模型、WSF_ESM_SENSOR 电子侦察装备模型、WSF_EXPLICIT_WEAPON 显性武器装备模型、WSF_GUIDED_MOVER 导弹机动平台模型、WSF_AERO 空气动力特性模型等为AFsim 平台的基础通用实体模型；从这些基础模型可拓展出具体型号无人战斗机（UCAV）装备的实体模型，根据型号作战需求对实体模型组成、性能参数以及基本行为进行建模设计。实体模型性能参数如SAR 雷达传感器实体模型的探测范围、雷达和ESM 的收/发天线模式、弹的威力特性以及弹平台的空气动力特性等。Afsim 仿真建模脚本示意如下：

platform_type UCAV WSF_PLATFORM # 定义名为UCAV 类型的虚拟无人战斗机

icon UCAV

mover WSF_AIR_MOVER #定义装备空中机动平台属性

default_radial_acceleration 1.5 g

at_end_of_path remove

end_mover

sensor esm UCAV_ESM #装备挂载一个UCAV_ESM类型的传感器

……

end_sensor

sensor sar_left SAR_RADAR #装备左边挂载一个SAR_RADAR 类型的雷达

……

end_sensor

sensor sar_right SAR_RADAR #装备右边挂载一个SAR_RADAR 类型的雷达

……

end_sensor

weapon gbu-38 GBU-38 #装备挂载一个GBU-38 类型的导弹

……

quantity 2 end_weapon

processor task_mgr WSF_TASK_PROCESSOR # 定义装备行为

……

end_processor

end_platform_type

4.2 行为仿真建模

行为仿真建模包括装备行为仿真建模和作战行为仿真建模。

“装备行为仿真建模”是基于装备的战技术指标性，分解出侦察、打击、机动、通信等行为，可构建不同环境下的装备行为模型。空中飞行平台横滚行为建模是典型的“装备行为仿真建模”，用于测试验证装备的机动性能。横滚是飞机以机头和机尾所形成的轴线做陀螺运动，过程中飞行运动方向不发生改变。在战机格斗中如果本机航速比敌机快导致即将错过敌机，可采用横滚行为来减慢速度从而保持良好的攻击位置；或当敌机处于本机6 点位置且距离很近时，采用横滚使敌机错过本机从而进行防御。

“作战行为仿真建模”聚焦动态因素，面向不同实体和环境，以试验/作战目标为驱动,构建在战场环境约束下的编组协同、战场感知、联合火力打击、抢救抢修等战术行为模型，通常采用联合作战仿真模式。以无人战机双边截击行为建模为例，我方两架飞机沿着敌方航向角方向的两个垂直方向飞行，当到达敌方雷达探测区域外时，或者超过友方最远救援距离时，或敌方首先发起进攻时，停止切向飞行，转为防守策略进行攻击。

AFsim 采用了基于行为树的行为建模方法。行为树由根节点和逻辑节点构成，如3图所示。根节点（advanced_behavior_tree）以一定频率向其子节点发送使能信号，通过逻辑节点逐层传递给动作节点或条件节点，并接收节点的返回结果；逻辑节点包括选择节点、序列节点、并行节点、随机节点和行为节点等。

行为树上几类逻辑节点执行说明如下：

1）序列节点（sequence）：依次执行所有子节点，任何子节点的前置条件执行失败，则序列执行失败；

2）并行节点（parallel）：所有子节点不分先后同时执行；

3）选择节点（selector）：选择执行某一个子节点，任何子节点执行成功，其它所有子节点将被跳过；

4）优先级选择节点（priority_selector）：选择执行分值最高的子节点，子节点分值由其先决条件（precondition）决定；

5）随机节点（weighted_random）：加权随机方式选择执行某一个子节点；

6）行为节点（behavior_node）：通常是行为树的叶节点，用于定义某动作或任务的功能节点，由平台模型（platform_type）定义的处理器（processor）解析并执行。

以飞机横滚机动行为为例，Afsim 仿真建模脚本如下：

advanced_behavior horizontal_roll # 定义装备的横滚机动行为

script_variables #定义行为函数使用的变量

……

end_script_variables

precondition #定义执行该行为的条件

…… #如本机航速过快，与敌机距离近，即将错过敌机

end_precondition

execute #定义横滚行为具体实现方式

……#如按一定的节拍转变

end_execute

end_advanced_behavior

以双边截击作战行为树为例，Afsim 仿真建模脚本如下：

processor DOUBLE_SIDE_BEHAVIOR_TREE WSF_QUANTUM_TASKER_PROCESSOR

advanced_behavior_tree #定义双边截击作战行为树

……

selector # 双边策略

selector

……

selector

behavior_node evade_of_double_side # 置尾

behavior_node cut_of_double_side # 切向机动

behavior_node horizontal_roll # 横滚机动

end_selector

behavior_node attack_target_of_double_side # 发射

behavior_node go_home # 返航

end_selector

end_advanced_behavior_tree

end_processor

4.3 试验环境构设

为提高装备数字化试验真实性，并对装备潜在的和客观存在的性能进行动态研究，试验环境构设以分布式逻辑靶场为基础，统筹数字模拟器、半实物仿真系统、环境模拟系统等试验资源，基于L（真实）-V（虚拟）-C（构造）仿真体系架构，打造贴近实战、逼真的一体化联合仿真试验[7]。试验环境模型体系主要包括以试验想定目标区域为主构建场景模型（山地/河谷/海岸/机场/港口/建筑物等）、场模型（气象/海洋/云雾/电磁等）、流模型（水流/风沙等）、设施模型（地面设施/核生化地带/障碍物等）等。

基于AFsim 的试验想定中环境作为全局参数（global_environment）进行设定。地貌（land_cover）设置支持城市环境、牧场草原、灌木草地、落叶林、针叶林、湿地森林、无林湿地、荒野沙漠、水环境等；地形（land_formation）设置支持起伏、倾斜、丘陵、陡峭、山脊等；海面状态（sea_state）设置参照国际海洋波高等级划分标准，支持无浪、微浪、小浪、轻浪、中浪、大浪、巨浪等；并支持设置风速、风向、云水密度、降雨强度、沙城暴能见度等环境变量。装备模型构建过程中需结合装备自身特性开展环境相关影响分析和设计，才能确保数字化试验中充分开展装备性能验证。

5 模型驱动的装备数字化试验

5.1 模型驱动的单装数字化试验

数字装备的交付物包括面向装备运用仿真应用的功能清单、不同环境和使用条件下的使用性能、不同环境条件下的目标特性、图纸图样、技术手册、使用手册等，以及能够在数字平行战场环境开展仿真推演的装备数字仿真模型。交付物表现形式主要为结构化文本文件、算法/参数集、IETM 和仿真程序。单装数字化试验是围绕特定使命任务目标，结合试验环境和试验条件，基于装备数字仿真模型开展的试验测试工作，主要对数字装备的功能性能、作战效能和适用性进行考核评估。

以UCAV 装备试验为例，在试验仿真想定中设定海面环境和风速风向，增加一个UCAV 类型的对象100_ucav，该对象在预设时间按照指定航线和途径点飞行，并在指定条件下进行横滚飞行试验。Afsim想定脚本如下。

global_environment #试验环境

sea_state 2 #海面轻微小浪

wind_speed 10 m/s #风速

wind_direction 270 deg #风向

end_global_environment

platform 100_ucav UCAV #对象名称100_ucav

side blue #阵营--蓝方

commander SELF #单装试验

creation_time 10.0 min #

position 38:16:36n 116:19:48w altitude 35000 ft msl #起始位置#

route #定义航线

navigation #定义航线途径点

position 38:16:36n 116:19:48w altitude 35000 ft msl #途经点1

speed 460 kts #速度

……

end_navigation

end_route

heading 259.6 deg #航向

end_platform

想定脚本执行仿真效果如图4。

图4 UCAV 装备横滚机动行为仿真效果示意

5.2 装备体系数字化试验

装备体系数字化试验是在数字平行战场环境中，按照特定任务典型作战流程，考核装备体系效能和适用性，检验评估装备体系完成特定任务能力的试验活动。开展装备体系数字化试验正逐步成为装备体系试验工作中必不可少的一个重要环节,可以缓解实际情况中装备体系试验时间周期长、不易展开的现实压力。以2V2 红方防守进攻、蓝方交叉进攻的交战仿真为例，Afsim 部分红方想定脚本如下：

platform red_ground_leader FLIGHT_LEAD #红方虚拟地面指挥所

side red

commander SELF

position 00:00:00n 05:00:00w altitude 0 ft agl #指挥所位置

end_platform

platform Red_1 FJ_Z_ZD_J #红方虚拟战机1

side red

heading 90 deg

commander red_ground_leader #指定上级指挥所

route #指定航线和途经点

position 00:00:00n 02:00:00w altitude 30000 ft speed 450 kts

……