面向組織演進(jìn)的平行仿真技術(shù)

初 陽(yáng),吳章華,周玉芳

(江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061)

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是體系與體系之間的跨域、多域聯(lián)合作戰(zhàn),具有作戰(zhàn)領(lǐng)域向多維空間拓展、作戰(zhàn)要素向高度融合轉(zhuǎn)變、指揮體制向高效扁平延伸等特征。指揮官需要高效精準(zhǔn)分析戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),做出全局性、預(yù)見(jiàn)性、合理性的作戰(zhàn)決策,并與各軍兵種、各指揮節(jié)點(diǎn)共享信息、傳遞決策和同步行動(dòng),協(xié)同遂行多元化作戰(zhàn)任務(wù)。以機(jī)器為主導(dǎo)的決策智能體、多分支快速態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)等創(chuàng)新技術(shù)將成為未來(lái)輔助指揮作戰(zhàn)的主要途徑,因此,構(gòu)建一個(gè)適用于決策智能體、態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)實(shí)施和運(yùn)行的平行仿真環(huán)境是指揮信息系統(tǒng)未來(lái)一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向[1-2]。

平行仿真技術(shù)主要指構(gòu)建與指揮信息系統(tǒng)平行運(yùn)行的仿真鏡像系統(tǒng),通過(guò)與指揮信息系統(tǒng)的互聯(lián)和信息交互,持續(xù)從實(shí)際指揮信息系統(tǒng)獲取最新的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,建立戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體仿真模型。鏡像系統(tǒng)與實(shí)際態(tài)勢(shì)保持目標(biāo)身份、狀態(tài)等信息的一致性,支持多分支快速推演、智能決策AI運(yùn)行、態(tài)勢(shì)分析預(yù)測(cè)等的實(shí)施,為實(shí)現(xiàn)智能輔助決策提供支撐,見(jiàn)圖1。國(guó)外最具代表性的是“深綠”(Deep Green)[3-5]計(jì)劃,可以通過(guò)快速仿真推演主動(dòng)生成多種合理的行動(dòng)方案,支持作戰(zhàn)指揮全過(guò)程的分析與決策,與平行仿真類似的還有“動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)(DDDAS)”等[6]。國(guó)內(nèi)在平行仿真技術(shù)研究起步較晚,文獻(xiàn)[7]提出了平行仿真的概念,研究了輔助決策對(duì)平行仿真系統(tǒng)構(gòu)建的環(huán)境建設(shè)需求;文獻(xiàn)[8]提出了情報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的平行仿真實(shí)體模型動(dòng)態(tài)匹配框架,建立了面向指揮決策支持的平行仿真運(yùn)行架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 平行仿真概念

1 體系建模仿真方法

體系建模仿真主要面向方案推演、裝備論證、戰(zhàn)法研究、模擬訓(xùn)練等,從仿真引擎推進(jìn)、仿真模型演化方式上看,體系仿真可以分為基于兵力的仿真推進(jìn)和基于組織的仿真推進(jìn)兩種。

1.1 基于兵力的仿真推進(jìn)

在仿真推進(jìn)過(guò)程中,所有的戰(zhàn)場(chǎng)行為、狀態(tài)演變都以戰(zhàn)場(chǎng)仿真兵力實(shí)體為中心展開(kāi),仿真引擎自頂而下的調(diào)度兵力實(shí)體本身及其所搭載的傳感器、武器、任務(wù)、目標(biāo)特性等仿真組件模型,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模型體系的調(diào)度。在該種方式下,戰(zhàn)場(chǎng)通信關(guān)系、指揮關(guān)系、編隊(duì)運(yùn)動(dòng)等具備組織、群體特性的戰(zhàn)場(chǎng)行為主要通過(guò)實(shí)體與實(shí)體間的信息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖2所示。

圖2 基于兵力的仿真推進(jìn)

許多戰(zhàn)術(shù)級(jí)仿真系統(tǒng)或仿真測(cè)試系統(tǒng)、模擬訓(xùn)練系統(tǒng)都采用該種方式,通常在兵力實(shí)體內(nèi)部采用典型的OODA環(huán)調(diào)度機(jī)制,按照感知、確認(rèn)、決策、行動(dòng)的順序依次推進(jìn)和傳遞,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單一作戰(zhàn)實(shí)體探測(cè)、威脅判斷、決策、行動(dòng)等戰(zhàn)場(chǎng)行為過(guò)程的模擬,由于實(shí)體間信息傳遞的無(wú)序性,導(dǎo)致該仿真模式很難反映大量自主行為主體參與所帶來(lái)的涌現(xiàn)特征,如圖3所示。

圖3 兵力實(shí)體內(nèi)部調(diào)度機(jī)制

基于兵力的仿真推進(jìn)方式優(yōu)點(diǎn)是仿真調(diào)度層層遞進(jìn)、邏輯清晰,可適用于時(shí)間步進(jìn)和離散事件兩種類型的仿真引擎,缺點(diǎn)是產(chǎn)生了大量的冗余調(diào)度,無(wú)法很好地體現(xiàn)體系對(duì)抗中多層指揮、復(fù)雜通信組網(wǎng)等特點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜群體、組織關(guān)系行為的戰(zhàn)場(chǎng)仿真時(shí)較為困難。

1.2 基于組織的仿真推進(jìn)

以組織為中心的仿真演進(jìn)通常是在大型、復(fù)雜仿真系統(tǒng)中常用的一種仿真推進(jìn)方法,演進(jìn)內(nèi)容不局限在實(shí)體狀態(tài)、探測(cè)、打擊等常規(guī)戰(zhàn)場(chǎng)行為,還包含指揮調(diào)度、通信組網(wǎng)、方面戰(zhàn)決策、組群機(jī)動(dòng)等復(fù)雜組織行為,仿真引擎通過(guò)調(diào)度各作戰(zhàn)方的組織結(jié)構(gòu)模型,實(shí)現(xiàn)以戰(zhàn)場(chǎng)指揮關(guān)系、通信網(wǎng)絡(luò)、方面任務(wù)等為主體的自動(dòng)演進(jìn),并間接按需調(diào)度仿真實(shí)體模型,按需向?qū)嶓w請(qǐng)求信息,如圖4所示。

圖4 基于組織的仿真推進(jìn)

該模式下，仿真實(shí)體不需要每周期都調(diào)度,只有當(dāng)兵力狀態(tài)、行為發(fā)生“意外”變化或有外部指令時(shí)才需要調(diào)度,作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程也不僅是單層OODA環(huán),而是多層互為嵌套的復(fù)雜OODA過(guò)程,能仿真出整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程中各指揮實(shí)體間信息共享、指揮協(xié)同能力,如圖5所示。

圖5 組織內(nèi)部調(diào)度機(jī)制

基于組織的仿真推進(jìn)方式優(yōu)點(diǎn)是仿真調(diào)度按需實(shí)施,極大提升引擎效率,能夠體現(xiàn)體系對(duì)抗條件下多層指揮、復(fù)雜通信組網(wǎng)等復(fù)雜行為,不足是大多只能用于離散事件仿真引擎,不適合戰(zhàn)術(shù)級(jí)仿真。

2 基于組織的平行仿真實(shí)現(xiàn)

基于兵力的仿真推進(jìn)條件下的平行仿真在文獻(xiàn)[9]中已提出相應(yīng)方法,本文重點(diǎn)研究基于組織的仿真推進(jìn)條件下平行仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 平行仿真系統(tǒng)框架

平行仿真系統(tǒng)由戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)接收處理、仿真模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建/修正、實(shí)時(shí)/超實(shí)時(shí)仿真推演、輔助決策分析、高效仿真引擎等組成,如圖6所示。

圖6 平行仿真系統(tǒng)框架

戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)接收與處理主要從指揮信息系統(tǒng)態(tài)勢(shì)分系統(tǒng)持續(xù)接收實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì),并對(duì)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)進(jìn)行過(guò)濾和預(yù)處理,該模塊是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體模型構(gòu)建與修正功能的前提和基礎(chǔ);仿真模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建與修正可以建立逼真的、隨戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)修正的戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體仿真模型,用于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)仿真預(yù)測(cè);實(shí)時(shí)/超實(shí)時(shí)仿真推演用于進(jìn)行與實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)平行的實(shí)時(shí)推演,輔助進(jìn)行實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)分析,并對(duì)作戰(zhàn)計(jì)劃進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真推演與評(píng)估,支持人工指令的干預(yù),支持人工智能參與運(yùn)行;輔助決策分析可以實(shí)現(xiàn)專用的態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)和態(tài)勢(shì)分析產(chǎn)品;高效運(yùn)行仿真引擎為系統(tǒng)運(yùn)行與交互提供分布式仿真模型調(diào)度、負(fù)載均衡、多分支推演支持、仿真管理、運(yùn)行控制等能力支撐。

2.2 仿真實(shí)體動(dòng)態(tài)構(gòu)建與修正

戰(zhàn)場(chǎng)仿真模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建與修正的目的是如何將態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)中的動(dòng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)與戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體仿真模型進(jìn)行映射,具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面:

1)如何根據(jù)態(tài)勢(shì)目標(biāo)數(shù)據(jù)到模型庫(kù)中匹配到相應(yīng)的仿真模型,實(shí)現(xiàn)仿真模型實(shí)例的動(dòng)態(tài)構(gòu)建;

2)如何將態(tài)勢(shì)目標(biāo)數(shù)據(jù)與平行仿真中已建立的仿真實(shí)體模型進(jìn)行匹配,實(shí)現(xiàn)仿真模型實(shí)例的動(dòng)態(tài)修正。

如圖7所示,主要從模型動(dòng)態(tài)匹配、實(shí)體模型本體創(chuàng)建、實(shí)體模型關(guān)系創(chuàng)建、修正規(guī)則設(shè)計(jì)四方面實(shí)現(xiàn)。

圖7 模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建與修正

戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體仿真模型匹配是實(shí)現(xiàn)平行仿真的關(guān)鍵所在,主要匹配過(guò)程為:接收實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù),提取實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的特征數(shù)據(jù),生成目標(biāo)特征標(biāo)識(shí),并與仿真模型庫(kù)、平行仿真環(huán)境進(jìn)行匹配,主要方法包括特征匹配法[9]。

戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體本體模型是指對(duì)仿真實(shí)體本身的建模,不包含其與其他兵力的關(guān)系。戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體本體仿真模型是平行仿真系統(tǒng)運(yùn)行的核心組成元素。與常規(guī)的仿真建模有區(qū)別,平行仿真模型是在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)創(chuàng)建,這就要求仿真模型具備動(dòng)態(tài)變化的能力,如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)仿真與平行仿真模型創(chuàng)建對(duì)比

2.2.1 實(shí)體模型關(guān)系創(chuàng)建

戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體關(guān)系模型指戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體與戰(zhàn)場(chǎng)其他實(shí)體的關(guān)系模型,主要包含指揮關(guān)系、通信關(guān)系、編成關(guān)系等。為滿足平行仿真快速推演、智能算法運(yùn)行等的需求,對(duì)于仿真模型的修正或構(gòu)建,不能僅僅開(kāi)展仿真實(shí)體本體建模,還要對(duì)實(shí)體的關(guān)系進(jìn)行構(gòu)建。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體關(guān)系模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建將重點(diǎn)從指揮關(guān)系、通信關(guān)系、編成關(guān)系三個(gè)方面開(kāi)展。下面將以指揮關(guān)系為例,闡述具體實(shí)現(xiàn)途徑。

首先,開(kāi)展指揮關(guān)系的業(yè)務(wù)分析,如圖9所示。

圖9 戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體指揮關(guān)系

其次,對(duì)指揮關(guān)系類型進(jìn)行分析,將各指揮機(jī)構(gòu)按照職能、功能抽象為三類:組織級(jí)、方面任務(wù)級(jí)和平臺(tái)級(jí)。其中，組織級(jí)對(duì)應(yīng)頂層指揮所、各作戰(zhàn)方向指揮等;方面任務(wù)級(jí)對(duì)應(yīng)面向具體作戰(zhàn)方向的任務(wù)指揮中心;平臺(tái)級(jí)對(duì)應(yīng)底層作戰(zhàn)部隊(duì)、作戰(zhàn)平臺(tái)等的指揮,因此,需要平行仿真系統(tǒng)構(gòu)建編隊(duì)、方面戰(zhàn)、單平臺(tái)三個(gè)層級(jí)的指揮模型。

第三,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是以指揮為中心的體系對(duì)抗,其戰(zhàn)場(chǎng)行為是由指揮體系整體決策的結(jié)果,任何單一的平臺(tái)或指揮節(jié)點(diǎn)的行為決策都是不全面的。對(duì)三類指揮實(shí)體的對(duì)外關(guān)系進(jìn)行分析:組織級(jí)指揮主要反映頂層指揮機(jī)構(gòu)的決策行為,可以向下一級(jí)組織級(jí)、方面任務(wù)級(jí)或平臺(tái)級(jí)指揮下發(fā)指揮命令;方面任務(wù)級(jí)只能向平臺(tái)級(jí)指揮下發(fā)指揮命令。綜合指揮類型、指揮關(guān)系的研究,建立三級(jí)指揮體系模型,如圖10所示,通過(guò)一種樹(shù)形的體系結(jié)構(gòu),將組織、方面任務(wù)和平臺(tái)級(jí)聯(lián)接起來(lái),形成自頂而下的指令下發(fā)關(guān)系流和自底而上的態(tài)勢(shì)上報(bào)關(guān)系流。

圖10 戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體指揮關(guān)系模型

最后,針對(duì)指揮關(guān)系樹(shù)建立節(jié)點(diǎn)管理模塊,構(gòu)建節(jié)點(diǎn)刪除、插入、修改的干預(yù)接口,滿足推演過(guò)程中組織關(guān)系的變更需求。

2.2.2 修正規(guī)則設(shè)計(jì)

修正規(guī)則是判斷平行仿真模型何時(shí)修正、如何修正的重要模塊,借鑒“if-then規(guī)則”的典型ECA規(guī)則建模方法,構(gòu)建基于特征分析的修正規(guī)則模型,模型結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體仿真模型修正規(guī)則模型

基于特征分析的修正規(guī)則包括觸發(fā)條件、準(zhǔn)則和和響應(yīng)三部分組成。

1)觸發(fā)條件包括三方面,態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的新建、更新、刪除;

2)準(zhǔn)則依據(jù)特征分析模型擬分為六大類,分別是身份特征、物理特征、與其他目標(biāo)關(guān)系、行動(dòng)特征、狀態(tài)特征、歷史軌跡特征等,每一項(xiàng)都可作為態(tài)勢(shì)過(guò)濾、篩選的準(zhǔn)則或條件;

3)響應(yīng)包括兩方面:①用以描述是否進(jìn)行修正,主要內(nèi)容是模型修正閾值;②用以描述怎么修正,主要內(nèi)容包括模型類別修正、模型參數(shù)項(xiàng)修正、子模型組合修正、實(shí)體模型關(guān)系修正四方面。模型類別通常用以描述模型本身性質(zhì)發(fā)生變化的情況,如艦艇實(shí)體變成了飛機(jī)實(shí)體模型,通常需要?jiǎng)h除重建;模型參數(shù)項(xiàng)通常用于描述模型數(shù)據(jù)、模型性能參數(shù)的改變,需要修改相應(yīng)模型的數(shù)值;子模型組合通常描述模型內(nèi)部的某個(gè)組件發(fā)生變化的情況,如直升機(jī)的掛載由魚(yú)雷武器變更為吊放聲吶;實(shí)體模型關(guān)系用于描述實(shí)體的外在關(guān)系發(fā)生了變化,如脫離了編隊(duì),空中機(jī)群指揮關(guān)系更新等。

由修正規(guī)則確定哪些實(shí)體模型需要更新,然后，啟動(dòng)相應(yīng)的實(shí)體的本體、關(guān)系模型進(jìn)行修正。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以某典型作戰(zhàn)想定為應(yīng)用背景,搭建平行仿真推演系統(tǒng),組成如圖12所示。

圖12 平行仿真推演系統(tǒng)環(huán)境

設(shè)計(jì)不同規(guī)模的目標(biāo)數(shù)量和任務(wù)類型開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn),根據(jù)面向組織演進(jìn)的平行仿真方法,統(tǒng)計(jì)不同想定下的實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建的完整率、仿真實(shí)體關(guān)系生成時(shí)間、修正時(shí)間等指標(biāo)[10],如圖13所示。

圖13 平行仿真運(yùn)行效果

實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建的完整率如圖14所示。

圖14 實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建的完整率

從圖13中可以看出,實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建完整率隨目標(biāo)數(shù)量的增大而增大,500批目標(biāo)的實(shí)體關(guān)系完整率可以達(dá)到80%。仿真實(shí)體關(guān)系生成時(shí)間、修正時(shí)間指標(biāo)，結(jié)果如圖15所示。

圖15 實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建、修正時(shí)間

可以看出,實(shí)體關(guān)系模型創(chuàng)建和修正時(shí)間隨目標(biāo)數(shù)量的增加而增加,目標(biāo)數(shù)量在50～100之間變化較為明顯,500批目標(biāo)的實(shí)體關(guān)系創(chuàng)建時(shí)間約700 ms,修正時(shí)間約500 ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

平行仿真技術(shù)的核心是靈活、動(dòng)態(tài)、快速地生成平行仿真實(shí)體及實(shí)體間的關(guān)系。本文首先分析了組織推進(jìn)和兵力推進(jìn)兩種仿真演進(jìn)方法的區(qū)別,并以組織推進(jìn)仿真系統(tǒng)為背景,提出模型修正規(guī)則設(shè)計(jì)、三層指揮關(guān)系建模方法等,解決了基于組織演進(jìn)的平行仿真中實(shí)體關(guān)系動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和修正不足的問(wèn)題,通過(guò)仿真驗(yàn)證,本文方法能夠大幅提升平行仿真實(shí)體模型演化的全面性,從而確保平行仿真系統(tǒng)的可信度。