航空通信平行仿真系統(tǒng)研究

摘要：針對(duì)未來(lái)多域協(xié)同體系級(jí)作戰(zhàn)下的航空通信動(dòng)態(tài)規(guī)劃需求,根據(jù)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化的系統(tǒng)目標(biāo),提出了平行仿真系統(tǒng)在航空通信裝備作戰(zhàn)效能提升、裝備內(nèi)場(chǎng)增量式集成測(cè)試驗(yàn)證、裝備智能健康管理以及虛實(shí)結(jié)合的試飛訓(xùn)練等方向的應(yīng)用構(gòu)想,建立了一種面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)架構(gòu),給出了系統(tǒng)組成,分析了系統(tǒng)涉及的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、多分支并行仿真推演和基于人工智能的態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)與智能決策等關(guān)鍵技術(shù)難題,為平行仿真技術(shù)在航空通信領(lǐng)域的具體應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是陸、海、空、天、網(wǎng)多域協(xié)同體系級(jí)作戰(zhàn),戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變,作戰(zhàn)節(jié)奏大大加快,戰(zhàn)前的作戰(zhàn)計(jì)劃無(wú)法適應(yīng)戰(zhàn)斗過(guò)程中的臨機(jī)變化。針對(duì)戰(zhàn)前無(wú)法預(yù)料的作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),需要利用有限的作戰(zhàn)資源,快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、靈活地構(gòu)建殺傷鏈,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)空間中廣域分布的傳感器和射手之間的實(shí)時(shí)連接,獲取信息優(yōu)勢(shì)、決策優(yōu)勢(shì)、響應(yīng)優(yōu)勢(shì),縮短觀察、判斷、決策、行動(dòng)(Observation Orientation Decision Action,OODA)及殺傷鏈閉環(huán)時(shí)間。殺傷鏈快速構(gòu)建的基本條件是多平臺(tái)之間的互聯(lián)互通,互聯(lián)互通的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是通信數(shù)據(jù)鏈。在航空通信領(lǐng)域,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,機(jī)載通信數(shù)據(jù)鏈基本具備了指揮控制、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同等作戰(zhàn)能力,但根據(jù)未來(lái)對(duì)抗強(qiáng)敵作戰(zhàn)需求,機(jī)載數(shù)據(jù)鏈還存在一些明顯的短板弱項(xiàng),主要體現(xiàn)在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、組網(wǎng)傳輸、運(yùn)維管理等方面。一些差距必須通過(guò)研制新裝備來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ),另一些差距可以通過(guò)優(yōu)化作戰(zhàn)使用進(jìn)行改進(jìn),平行仿真就是實(shí)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化作戰(zhàn)使用來(lái)提升裝備作戰(zhàn)效能的途徑之一。

目前,航空通信系統(tǒng)是基于地面預(yù)先規(guī)劃的通信計(jì)劃進(jìn)行工作的,在作戰(zhàn)過(guò)程中如果出現(xiàn)意外情況,導(dǎo)致無(wú)法正常通信時(shí),才會(huì)被動(dòng)切換通信方式,切換通信方式時(shí)由于不知道無(wú)法通信的具體原因,僅能根據(jù)地面規(guī)劃計(jì)劃進(jìn)行,導(dǎo)致信息效率低下,殺傷鏈無(wú)法快速構(gòu)建。

本文在研究平行系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上,提出了面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)。利用平行仿真系統(tǒng),人們可實(shí)現(xiàn)實(shí)體裝備在虛擬空間的映射,通過(guò)物理裝備與數(shù)字孿生模型的虛實(shí)交互,支撐航空通信系統(tǒng)與平行仿真系統(tǒng)的平行運(yùn)行,依據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、裝備狀態(tài)等數(shù)據(jù),在平行仿真系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行超實(shí)時(shí)的模擬演化試驗(yàn)分析和智能決策,指導(dǎo)或控制實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信規(guī)劃,殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化及戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建等能力,以提升數(shù)據(jù)鏈裝備的作戰(zhàn)效能。

1 平行仿真基本概念

2004年,國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了基于人工系統(tǒng)的平行系統(tǒng)概念,包含人工系統(tǒng)(Artificial Systems,A)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(Computational Experiments,C)和平行執(zhí)行(Parallel Execution,P)三部分。實(shí)際系統(tǒng)和人工系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),即人工系統(tǒng)能夠體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的主要特性,在人工系統(tǒng)中,基于虛擬場(chǎng)景,利用自適應(yīng)演化等方法驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn),評(píng)估各類參數(shù)配置、技術(shù)方案的效果。通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)與人工虛擬系統(tǒng)協(xié)同演化、閉環(huán)反饋和雙向引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的目標(biāo)優(yōu)化,如圖1所示。

圖1 平行系統(tǒng)概念

Fig.1 Concept of parallel system

平行仿真是平行系統(tǒng)概念在仿真領(lǐng)域的應(yīng)用。平行仿真是指利用復(fù)雜系統(tǒng)智能科學(xué)和建模仿真等理論,構(gòu)建與實(shí)際系統(tǒng)相似且平行運(yùn)行的仿真系統(tǒng),平行仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地接收來(lái)自實(shí)際系統(tǒng)的各類信息,采用計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方法在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn),演化修正仿真模型,提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,逐步逼近實(shí)際系統(tǒng),同時(shí),平行仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行超實(shí)時(shí)的模擬演化試驗(yàn)分析,將仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)地反饋給實(shí)際系統(tǒng),指導(dǎo)或控制實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行,如圖2所示。

圖2 平行仿真系統(tǒng)基本概念

Fig.2 Basic concept of parallel simulation system

平行仿真系統(tǒng)在作戰(zhàn)、訓(xùn)練和仿真驗(yàn)證等過(guò)程中,與實(shí)際系統(tǒng)平行運(yùn)行,用于支撐作戰(zhàn)指揮決策和裝備運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化。平行仿真系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)運(yùn)行模式和超實(shí)時(shí)運(yùn)行模式。在實(shí)時(shí)運(yùn)行模式中,平行仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場(chǎng)/裝備態(tài)勢(shì),實(shí)現(xiàn)與實(shí)際系統(tǒng)的同速率演化;在超實(shí)時(shí)模式中,平行仿真系統(tǒng)基于模型進(jìn)行演化分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的指導(dǎo)或控制。同時(shí),平行仿真系統(tǒng)與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)的另一區(qū)別在于仿真模型的構(gòu)建方式,平行仿真模型具備動(dòng)態(tài)演化的能力,仿真模型的真實(shí)性和仿真結(jié)果的可信度在仿真過(guò)程中可逐漸提高。

以虛實(shí)映射、實(shí)時(shí)同步、共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化為目標(biāo),平行仿真系統(tǒng)需要具備平行運(yùn)行能力、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)獲取能力、模型動(dòng)態(tài)演化能力、超實(shí)時(shí)評(píng)估預(yù)測(cè)能力和對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力,如圖3所示。

圖3 平行仿真系統(tǒng)能力組成

Fig.3 Capability composition of parallel simulation system

平行運(yùn)行能力

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)大多是串行運(yùn)行,通過(guò)事前假想的仿真場(chǎng)景進(jìn)行模擬推演,或者事后對(duì)實(shí)際系統(tǒng)/裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行回放仿真分析。平行仿真系統(tǒng)的平行運(yùn)行在于仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)形成一種虛實(shí)共生的結(jié)構(gòu),平行仿真系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間一致、狀態(tài)一致。

實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)獲取能力

平行仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)共生且實(shí)時(shí)同步平行運(yùn)行,需要仿真系統(tǒng)中的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)與實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)一致,只有虛擬態(tài)勢(shì)與真實(shí)態(tài)勢(shì)同步關(guān)聯(lián),仿真推演才是有效的。實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)獲取能力包含環(huán)境數(shù)據(jù)采集、裝備數(shù)據(jù)采集、指揮決策數(shù)據(jù)采集以及態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)理解等子能力,并將實(shí)時(shí)獲取的態(tài)勢(shì)信息在仿真系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn),作為模型演化、推演評(píng)估的數(shù)據(jù)輸入。

模型的動(dòng)態(tài)演化能力

平行仿真系統(tǒng)與其他仿真系統(tǒng)相比,仿真結(jié)果的可信度更高,實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)勢(shì)的原因在于平行仿真系統(tǒng)的仿真模型具有動(dòng)態(tài)演化的能力。以往仿真系統(tǒng)的仿真模型側(cè)重于一次性構(gòu)建, 即仿真系統(tǒng)運(yùn)行后模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)不再改變,模型輸出也不再校正。平行仿真系統(tǒng)中的仿真模型是可演化的仿真模型,實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際裝備信息調(diào)整自身模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)及校正模型輸出,使得仿真模型輸出不斷逼近相應(yīng)的實(shí)際裝備信息,提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

超實(shí)時(shí)評(píng)估預(yù)測(cè)能力

在平行仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)平行運(yùn)行的同時(shí),平行仿真系統(tǒng)通過(guò)超實(shí)時(shí)的仿真推演預(yù)測(cè)及評(píng)估,實(shí)現(xiàn)將戰(zhàn)場(chǎng)上所有可能的戰(zhàn)果以及每種戰(zhàn)果發(fā)生的概率推演出來(lái),輔助作戰(zhàn)人員或無(wú)人系統(tǒng)做裝備運(yùn)用或作戰(zhàn)決策。

對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力

平行仿真系統(tǒng)完成超實(shí)時(shí)推演后,通過(guò)將評(píng)估預(yù)測(cè)的態(tài)勢(shì)結(jié)果推送給飛行員,作戰(zhàn)人員可根據(jù)態(tài)勢(shì)結(jié)果或推薦的作戰(zhàn)方案進(jìn)行指揮決策;對(duì)于無(wú)人系統(tǒng),平行仿真系統(tǒng)通過(guò)互操作控制能力,直接控制武器裝備的使用。

2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

平行仿真系統(tǒng)概念由國(guó)內(nèi)首先提出,根據(jù)其理念和系統(tǒng)能力,在國(guó)外與之對(duì)應(yīng)的是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用系統(tǒng)(Dynamic Data Driven Application System,DDDAS)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)是一種全新的系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測(cè)量模式,旨在將系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測(cè)量有機(jī)結(jié)合起來(lái),使得系統(tǒng)應(yīng)用可以在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地從系統(tǒng)測(cè)量中接收數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。美國(guó)空軍自2005年以來(lái),圍繞“實(shí)時(shí)行動(dòng)方案分析”相繼開(kāi)展了一系列研究,目的是輔助決策人員在作戰(zhàn)級(jí)對(duì)抗環(huán)境下超實(shí)時(shí)評(píng)估己方基于效果的行動(dòng)方案。將態(tài)勢(shì)信息實(shí)時(shí)反饋給反映真實(shí)世界實(shí)情的鏡像仿真系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前最新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),超實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)未來(lái),以緊耦合對(duì)抗方式動(dòng)態(tài)制定行動(dòng)方案,對(duì)行動(dòng)方案進(jìn)行超實(shí)時(shí)分析與評(píng)估,為指揮員提供戰(zhàn)役與戰(zhàn)術(shù)級(jí)實(shí)時(shí)決策支持。2007年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了“深綠計(jì)劃”,旨在構(gòu)建一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策支持仿真系統(tǒng),將仿真系統(tǒng)嵌入指揮控制系統(tǒng),可支持作戰(zhàn)行動(dòng)的在線仿真評(píng)估分析和提高指揮員的作戰(zhàn)指揮能力。深綠計(jì)劃使得仿真評(píng)估分析對(duì)作戰(zhàn)決策的支持模式發(fā)生改變,從基于仿真的離線作戰(zhàn)決策向基于仿真的在線作戰(zhàn)決策轉(zhuǎn)變。2008年,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)時(shí)決策支持系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)總結(jié),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)作戰(zhàn)方案的制定。2010年至2018年之間,美軍又相繼提出了數(shù)字孿生、數(shù)字工程等理念和戰(zhàn)略,促進(jìn)美軍的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)物理世界在虛擬世界復(fù)現(xiàn)及驗(yàn)證,利用仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔?提高實(shí)際系統(tǒng)的研制、使用效能。2019年,美軍推進(jìn)了天空博格人(Skyborg)項(xiàng)目,Skyborg項(xiàng)目以具備人工智能能力的無(wú)人機(jī)平臺(tái)為主,開(kāi)發(fā)人工智能無(wú)人機(jī)綜合系統(tǒng),通過(guò)態(tài)勢(shì)獲取與理解、智能輔助決策、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、高效人機(jī)交互等技術(shù),為有人機(jī)/無(wú)人機(jī)智能協(xié)同作戰(zhàn)提供強(qiáng)大的作戰(zhàn)管理與指揮控制支持。目前,Skyborg項(xiàng)目已被納入美國(guó)空軍最新的未來(lái)十年即2030年戰(zhàn)略規(guī)劃。在仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的互操作方面,國(guó)際仿真互操作標(biāo)準(zhǔn)組織(Simulation Interoperation Standard Orgnization,SISO)于2020年在聯(lián)合作戰(zhàn)管理語(yǔ)言(Coalition Battle Management Language,C-BML)和軍事想定定義語(yǔ)言(Military Scenario Definition Language,MSDL)的基礎(chǔ)上,提出了指揮控制系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)互操作標(biāo)準(zhǔn)(Command and Control Systems to Simulation Systems Interoperation,C2SIM),支持系統(tǒng)之間進(jìn)行信息互操作,為決策支持奠定了一定的互操作基礎(chǔ)。近年來(lái),雖然美國(guó)并未再明確地提出動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用系統(tǒng)等概念,但是在美軍的人工智能等技術(shù)和項(xiàng)目中,處處體現(xiàn)了與實(shí)裝結(jié)合的仿真系統(tǒng)在其裝備使用中的重要性。

在國(guó)內(nèi),基于平行系統(tǒng)理論,部分學(xué)者對(duì)平行仿真系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用做了一系列研究,包括面向電子戰(zhàn)、多UAV實(shí)時(shí)任務(wù)規(guī)劃的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真系統(tǒng)等,以及聯(lián)合通信指揮平行系統(tǒng)、反導(dǎo)指揮控制平行系統(tǒng),面向C4ISR系統(tǒng)決策支持的平行仿真概念及框架、面向指揮決策支持的平行仿真系統(tǒng)概念、飛機(jī)編隊(duì)指控平行仿真、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的平行仿真推演方法,以及裝備平行仿真框架及技術(shù)研究等。

作為仿真前沿技術(shù),平行仿真系統(tǒng)相關(guān)理念在國(guó)外已經(jīng)得到了部分實(shí)裝驗(yàn)證,相比美軍,我國(guó)對(duì)平行仿真系統(tǒng)的研究大多都停留在理論研究方面,在航空通信領(lǐng)域,平行仿真系統(tǒng)的應(yīng)用研究近乎空白。

3 航空通信平行仿真系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)想

圖4 裝備作戰(zhàn)效能提升應(yīng)用

Fig.4 Application of equipment combat effectiveness improvement

除應(yīng)用于提升裝備作戰(zhàn)效能之外,航空通信平行仿真系統(tǒng)還可應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈裝備內(nèi)場(chǎng)集成測(cè)試驗(yàn)證、外場(chǎng)試飛訓(xùn)練以及裝備健康管理。

在內(nèi)場(chǎng)裝備集成測(cè)試驗(yàn)證方面,如圖5所示,平行仿真系統(tǒng)與實(shí)裝系統(tǒng)及配套測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,接收裝備在集成測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài),在平行仿真系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)現(xiàn),并通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,包括虛擬友方、虛擬敵方和虛擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)裝備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的全任務(wù)流程驗(yàn)證。

圖5 裝備內(nèi)場(chǎng)增量式集成測(cè)試驗(yàn)證

Fig.5 Infield incremental integration and verification of equipment

在外場(chǎng)試飛訓(xùn)練方面,由于資源限制和安全考慮,無(wú)法啟用太多的真機(jī),但是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性,以及裝備功能的測(cè)試需求,需要大規(guī)模對(duì)抗試飛與訓(xùn)練,平行仿真系統(tǒng)通過(guò)與實(shí)裝系統(tǒng)的平行運(yùn)行和信息交互,可實(shí)現(xiàn)模擬虛擬作戰(zhàn)場(chǎng)景,構(gòu)建大規(guī)模作戰(zhàn)條件,支撐開(kāi)展基于真實(shí)、虛擬、構(gòu)造(Live Virtual Constructive,LVC)的虛實(shí)結(jié)合的試飛/訓(xùn)練,如圖6所示。

圖6 虛實(shí)結(jié)合的試飛訓(xùn)練支撐

Fig.6 Virtual and real combined flight training

在裝備健康管理方面,如圖7所示,平行仿真系統(tǒng)通過(guò)與通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平行運(yùn)行,采集通信系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),利用故障診斷、預(yù)測(cè)等算法,實(shí)現(xiàn)健康管理預(yù)案的提前啟動(dòng),在故障發(fā)生之前或故障發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行處理,避免由于裝備故障修復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致作戰(zhàn)效能的下降。

圖7 智能化裝備健康管理

Fig.7 Intelligent equipment health management

4 航空通信平行仿真系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)基本平行仿真系統(tǒng)能力和組成,結(jié)合航空通信應(yīng)用需求,航空通信平行仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖8所示,包括外部接入代理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、多分支推演子系統(tǒng)、裝備模型演化子系統(tǒng)、決策支撐子系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)可視化子系統(tǒng)、互操作支撐子系統(tǒng)和虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)。

圖8 航空通信平行仿真系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

Fig.8 Logical architecture of parallel simulation for aviation communication

外部接入代理子系統(tǒng)

外部接入代理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與真實(shí)戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的總線集成,實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈原型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈裝備的接口適配,支撐從作戰(zhàn)平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息以及裝備狀態(tài)信息,支持將虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練過(guò)程中的虛擬目標(biāo)信息、評(píng)估裁決結(jié)果以及智能決策的互操作指令傳輸至真實(shí)平臺(tái)和裝備。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從平行仿真系統(tǒng)接入代理獲取實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)解析、融合、同化等技術(shù),提取態(tài)勢(shì)要素特征數(shù)據(jù),生成平行仿真系統(tǒng)需要的、可識(shí)別的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。一方面存儲(chǔ)于平行仿真系統(tǒng)運(yùn)行支撐庫(kù)中,累積形成戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體的航跡、活動(dòng)規(guī)律等知識(shí),另一方面,作為模型演化和態(tài)勢(shì)推演預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

多分支推演子系統(tǒng)

多分支推演子系統(tǒng)是航空通信平行仿真系統(tǒng)的核心推演子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)根據(jù)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)構(gòu)建仿真場(chǎng)景,并通過(guò)仿真克隆管理生成多個(gè)仿真樣本,利用docker、Kubernetes等容器云技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真的分布式并行執(zhí)行,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行效能評(píng)估。

裝備模型演化子系統(tǒng)

裝備模型演化子系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及仿真推演的結(jié)果數(shù)據(jù),對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,根據(jù)結(jié)果誤差,進(jìn)行仿真模型參數(shù)、算法的動(dòng)態(tài)演化,并將演化后的仿真模型用于下一次的仿真推演,如此迭代,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈裝備仿真模型的可信度提高。

決策支撐子系統(tǒng)

決策支撐子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能決策的功能,根據(jù)超實(shí)時(shí)仿真推演的結(jié)果,通過(guò)智能優(yōu)化算法進(jìn)行殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化、戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建、實(shí)時(shí)通信規(guī)劃以及裝備健康管理。

態(tài)勢(shì)可視化子系統(tǒng)

態(tài)勢(shì)可視化子系統(tǒng)包括二、三維態(tài)勢(shì)顯示和機(jī)載顯控顯示,支撐仿真推演過(guò)程以及仿真推演結(jié)果的可視化展示,以及智能決策的結(jié)果,如推薦的通信規(guī)劃方案實(shí)時(shí)推送給飛行員。

互操作支撐子系統(tǒng)

互操作支撐子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取決策子系統(tǒng)的智能決策結(jié)果,根據(jù)智能決策的結(jié)果進(jìn)行消息格式的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)與真實(shí)平臺(tái)、裝備的軟適配,生成互操作指令,支撐實(shí)時(shí)控制裝備參數(shù)等能力。

虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)

虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)作為外場(chǎng)試飛訓(xùn)練的支撐系統(tǒng),根據(jù)仿真場(chǎng)景,為真實(shí)訓(xùn)練飛機(jī)平臺(tái)模擬虛擬目標(biāo),在真實(shí)平臺(tái)與虛擬平臺(tái)的對(duì)抗過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)評(píng)估裁決;虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練支撐子系統(tǒng)還包括真實(shí)平臺(tái)與仿真系統(tǒng)之間的傳輸設(shè)備,如外掛通信吊艙或利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸端機(jī),實(shí)現(xiàn)虛實(shí)信息交互。

為保證系統(tǒng)具備“開(kāi)發(fā)、解耦、服務(wù)”能力,系統(tǒng)采用分層解耦設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、功能和應(yīng)用的分層解耦,如圖9所示,平行仿真系統(tǒng)總體框架由基礎(chǔ)資源層、數(shù)據(jù)支撐層、仿真模型層、仿真支撐層、能力生成層、應(yīng)用層以及標(biāo)準(zhǔn)支撐7部分組成。

圖9 航空通信平行仿真系統(tǒng)分層架構(gòu)

Fig.9 Layered architecture of parallel simulation for aviation communication

基礎(chǔ)資源層是實(shí)現(xiàn)平行仿真系統(tǒng)的各種軟硬件環(huán)境,包括承載各種軟件和數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、顯示設(shè)備,以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中臺(tái)和支撐分布式部署的云環(huán)境等。

數(shù)據(jù)支撐層包括支撐平行仿真系統(tǒng)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù),具體為戰(zhàn)場(chǎng)/裝備數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、目標(biāo)實(shí)體特征數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)知識(shí)數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)、推演結(jié)果數(shù)據(jù)、交戰(zhàn)規(guī)則數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和政治因素等。

仿真模型層包括平行仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種裝備數(shù)字模型、環(huán)境模型等,其中,裝備數(shù)字模型包括平臺(tái)模型、裝備模型、系統(tǒng)模型等,環(huán)境模型包括地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣象環(huán)境等,此外,還包括計(jì)算模型和行為模型等。

仿真支撐層是平行仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需的引擎及各種系統(tǒng)工具,包括外部接入代理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、多分支推演子系統(tǒng)、裝備模型演化子系統(tǒng)、態(tài)勢(shì)可視化子系統(tǒng)互操作支撐子系統(tǒng)、虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練子系統(tǒng)和決策支撐子系統(tǒng)等。

能力生成層指基于平行仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)、模型和支撐工具實(shí)現(xiàn)的平行運(yùn)行,實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)獲取,模型動(dòng)態(tài)演化,超實(shí)時(shí)評(píng)估預(yù)測(cè)及對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的指導(dǎo)與控制能力,以達(dá)到平行仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)虛實(shí)映射,實(shí)時(shí)同步,共生演進(jìn)和閉環(huán)優(yōu)化的目標(biāo)。

應(yīng)用層包括平行仿真系統(tǒng)在殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化,戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建,實(shí)時(shí)通信規(guī)劃,數(shù)據(jù)鏈裝備運(yùn)用和裝備健康管理等方面的應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)支撐定義了平行仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、集成和應(yīng)用需要遵循的一系列標(biāo)準(zhǔn),包括數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、模型集成標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)、互操作語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境描述標(biāo)準(zhǔn)和可視化標(biāo)準(zhǔn)等。

5 航空通信平行仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

航空通信平行仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、仿真想定場(chǎng)景自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)、多樣本仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù)、多分支并行仿真推演技術(shù)和基于人工智能的智能決策技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建技術(shù)

模型可演化是平行仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)之一,基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建技術(shù)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可演化建模功能的關(guān)鍵技術(shù),包括仿真模型構(gòu)建技術(shù)和仿真模型評(píng)估修正技術(shù)。仿真模型構(gòu)建技術(shù)首先明確對(duì)模型的分類,如實(shí)體模型、計(jì)算模型、行為模型、環(huán)境模型等;針對(duì)每一類模型,研究模型的模板屬性,如識(shí)別屬性、基礎(chǔ)屬性、交互屬性和配置屬性等,按每個(gè)屬性進(jìn)行不同粒度的建模,對(duì)于平行仿真系統(tǒng),仿真模型在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行模型動(dòng)態(tài)演化,因此對(duì)模型的建模準(zhǔn)確度的要求并不高,但對(duì)復(fù)雜度、粒度要求較高;最后,按組件化的建模方式,將模型進(jìn)行組裝。在平行仿真系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中,隨著戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)進(jìn)程的推進(jìn),結(jié)合實(shí)時(shí)的實(shí)體機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)等,對(duì)平行仿真系統(tǒng)的仿真模型推演結(jié)果進(jìn)行比對(duì)評(píng)估,按評(píng)估結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)化校準(zhǔn),逐漸逼近戰(zhàn)場(chǎng)真實(shí)實(shí)體,涉及模型的類型修正、運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)修正、行為意圖修正、計(jì)算模型的修正、交互關(guān)系的修正等。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

航空通信平行仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)際系統(tǒng)平行運(yùn)行,實(shí)時(shí)采集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)一致的關(guān)鍵之一。在提升數(shù)據(jù)鏈裝備作戰(zhàn)效能方面,需要完成仿真系統(tǒng)與戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的總線集成,如何從平臺(tái)獲取裝備的狀態(tài)信息;在虛實(shí)結(jié)合的試飛訓(xùn)練支撐方面,需要完成如何將模擬的虛擬目標(biāo)送顯到戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)的顯控,或作為雷達(dá)探測(cè)等設(shè)備的輸入,以及真實(shí)平臺(tái)的操作信息如何傳輸?shù)狡叫蟹抡嫦到y(tǒng)中,將平行仿真系統(tǒng)評(píng)估采集后的結(jié)果傳輸?shù)秸鎸?shí)平臺(tái)。

仿真想定場(chǎng)景自動(dòng)構(gòu)建技術(shù)

平行仿真系統(tǒng)重點(diǎn)功能之一為輔助決策,由于決策的時(shí)效性要求較高,仿真想定場(chǎng)景的構(gòu)建和實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)變化需要及時(shí)進(jìn)行。與傳統(tǒng)的仿真不同,平行仿真想定場(chǎng)景的構(gòu)建不再是人工構(gòu)建的方式,需要根據(jù)作戰(zhàn)人員制定的作戰(zhàn)方案和場(chǎng)景描述,自動(dòng)地識(shí)別方案、場(chǎng)景文件中的實(shí)體信息、時(shí)間信息、位置信息、作戰(zhàn)目標(biāo)等關(guān)鍵仿真因素,通過(guò)想定場(chǎng)景構(gòu)建功能實(shí)現(xiàn)想定場(chǎng)景的自動(dòng)構(gòu)建,并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的時(shí)間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)推演,根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)仿真場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。

多樣本仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù)

平行仿真系統(tǒng)的智能決策的工作過(guò)程之一為針對(duì)某個(gè)作戰(zhàn)目標(biāo),進(jìn)行多種不同的作戰(zhàn)方案的超實(shí)時(shí)仿真推演,對(duì)每種推演結(jié)果進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估,選取最優(yōu)的作戰(zhàn)方案,因此,如何針對(duì)同一目標(biāo),自動(dòng)地構(gòu)建多種不同的作戰(zhàn)方案是研究重點(diǎn)之一。多樣本仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建技術(shù)研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求制定實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真作戰(zhàn)想定進(jìn)行樣本化研究的功能,通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)因子,生成不同的想定樣本,涉及實(shí)驗(yàn)因子的分類和自動(dòng)匹配研究、因子修改算法研究等。

多分支并行仿真推演技術(shù)

在平行仿真系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)基于智能體Agent的分布式仿真推演,針對(duì)每個(gè)實(shí)體進(jìn)行模型的實(shí)例化,模型實(shí)例化后的分布式部署和調(diào)用是實(shí)現(xiàn)平行仿真系統(tǒng)仿真推演的關(guān)鍵之一,并且,針對(duì)多仿真方案的并行仿真,每個(gè)仿真想定并行運(yùn)行,涉及如何部署多個(gè)樣本的問(wèn)題,因此多分支并行仿真推演技術(shù)是實(shí)現(xiàn)推演預(yù)測(cè)與智能決策的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)多分支,傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是采用虛擬機(jī)的形式,虛擬多個(gè)厚重的系統(tǒng),造成資源的浪費(fèi)。在平行仿真系統(tǒng)中,考慮采用Docker加Kubernetes的輕量化部署形式,各個(gè)仿真模型或仿真樣本之間獨(dú)立運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)多分支并行仿真推演。

基于人工智能的態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)與智能決策技術(shù)

將人工智能應(yīng)用于平行仿真系統(tǒng),能夠有效地增強(qiáng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的預(yù)測(cè)和對(duì)作戰(zhàn)指揮的智能決策。人工智能技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)分析、數(shù)據(jù)處理、運(yùn)籌分析、任務(wù)規(guī)劃、方案制定方面能夠極大地提高作戰(zhàn)人員指揮現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和作戰(zhàn)行動(dòng)的智能化水平?；谌斯ぶ悄艿膽B(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)與智能決策技術(shù)研究人工智能如何在平行仿真系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用,包括人工智能的算法研究、數(shù)據(jù)處理等。

除了以上關(guān)鍵技術(shù)之外,還包括仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)互操作技術(shù)、高性能仿真引擎構(gòu)建技術(shù)、平臺(tái)嵌入式可視化技術(shù)以及平行仿真系統(tǒng)軍事知識(shí)構(gòu)建技術(shù)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)必將是信息化、智能化、無(wú)人化的戰(zhàn)爭(zhēng),航空通信系統(tǒng)也將具有自主的數(shù)據(jù)挖掘、態(tài)勢(shì)感知、智能決策能力,形成由信息系統(tǒng)輔助人向智能系統(tǒng)代替人的深度融合和轉(zhuǎn)變。在航空通信中引入平行仿真技術(shù),根據(jù)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)、裝備態(tài)勢(shì),通過(guò)超實(shí)時(shí)的仿真推演,預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間的態(tài)勢(shì)變化,提供作戰(zhàn)和裝備運(yùn)用決策支持,有利于實(shí)現(xiàn)殺傷鏈構(gòu)建優(yōu)化、戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建、實(shí)時(shí)通信規(guī)劃和裝備智能健康管理,能極大地提高航空通信裝備的作戰(zhàn)效能。

本文提出了面向航空通信的平行仿真系統(tǒng)架構(gòu)、組成以及部分關(guān)鍵技術(shù),可為實(shí)現(xiàn)平行仿真在航空通信領(lǐng)域具體應(yīng)用中的落地奠定理論基礎(chǔ)。

作 者：廖尚志

審核編輯：湯梓紅