賴曉昌，舒健生，武 健，席鳴遠，楊新智

（火箭軍工程大學，西安 710025）

0 引言

導彈作戰(zhàn)指揮是一個復雜的決策過程，必須根據實時敵情、我情和戰(zhàn)場環(huán)境綜合考慮，才能作出科學決策。在實際作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場瞬息萬變，指揮決策常常需要預先對作戰(zhàn)進程中可能出現的各類情況進行預測，根據相應的情況制定針對性的預案，以期達到作戰(zhàn)目的。導彈作戰(zhàn)方案涉及作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)意圖、打擊目標、耗彈量計算、瞄準點選擇、作戰(zhàn)陣地確定、發(fā)射波次劃分，時間排序等關鍵問題，這些問題又受敵情、我情、戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)進程的影響［1］。

通過數字孿生技術構建與客觀戰(zhàn)場同步運行的在線仿真系統(tǒng)，實時收集戰(zhàn)場數據，動態(tài)匹配模型從而生成仿真實體進行仿真評估［2］，預測當前時機下作戰(zhàn)方案的優(yōu)劣，將有利于指揮員預測戰(zhàn)爭走向，掌握戰(zhàn)場主動權，實現“透視戰(zhàn)場”的目的［3-4］。

1 系統(tǒng)需求

1.1 戰(zhàn)場態(tài)勢捕獲并生成想定

戰(zhàn)場態(tài)勢捕獲并生成想定是在線仿真系統(tǒng)區(qū)別于其他仿真系統(tǒng)的最大特征，是整個仿真推演評估環(huán)節(jié)的基礎［5］。需要由情報系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)獲取態(tài)勢數據并融合處理后推送給仿真系統(tǒng)，供仿真系統(tǒng)進行態(tài)勢特征提取、仿真模型匹配和模型的動態(tài)組合，以生成仿真初始想定。

其中，仿真系統(tǒng)所包含的實時態(tài)勢信息應包含敵情態(tài)勢、戰(zhàn)場氣象水文信息、我方陣地部署、兵力編成情況等數據［6］，仿真系統(tǒng)將提取的特征數據作為仿真實體創(chuàng)建的依據，通過特征數據與仿真模型進行動態(tài)匹配，并根據不同的戰(zhàn)場實際將匹配的仿真模型進行關聯(lián)與動態(tài)組裝，動態(tài)生成仿真實體，生成標準化的仿真想定文件。

1.2 作戰(zhàn)方案實時導入

仿真系統(tǒng)需與指揮控制系統(tǒng)進行信息交互，通過數據接口實時獲取轉化指揮控制系統(tǒng)的火力計劃、行動計劃、保障計劃和協(xié)同計劃等作戰(zhàn)方案計劃，并能夠依據規(guī)則校核作戰(zhàn)方案數據，按照可以用于仿真推演的結構化模板分解和重新組合指揮控制系統(tǒng)的指令，形成一系列可驅動仿真實體運行的結構化指令數據，控制仿真系統(tǒng)實體開展作戰(zhàn)行動。

1.3 靈活高效的模型結構

由于戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，而在線仿真系統(tǒng)需根據當前階段的戰(zhàn)場實時態(tài)勢生成仿真實體進行仿真，模型生成和組裝的快速性顯得尤為重要［6］。以“搭積木”的方式快速構建種類多樣的仿真組件，通過將不同類型的組件進行組裝，形成不同的仿真實體，從而構建可重用、可移植仿真模型，在縮短開發(fā)周期的同時提升了仿真效率，使仿真系統(tǒng)易于擴展、測試、管理和維護［7-8］。

1.4 仿真回放和效能評估

采集仿真系統(tǒng)內各節(jié)點的仿真信息，包括作戰(zhàn)方案信息、想定信息、戰(zhàn)場態(tài)勢信息、實體狀態(tài)信息、對抗交戰(zhàn)信息、導控干預信息等，并對收集的數據進行預處理，將處理后的數據存儲到數據庫中，以支持仿真回放和分析評估。構建指標評估體系，建立評估模型，通過對仿真數據分析處理，最終以任務達成的程度，實現對指揮作業(yè)成果可行性、優(yōu)劣性的驗證，檢驗作戰(zhàn)方案質量。分析評估功能的構建不是一成不變的，應可按照不同的作戰(zhàn)場景和作戰(zhàn)對象，開展定制化設計，實現對指標的快速構建，方便指標的修改、刪除、添加和更新，滿足差異化需求。

2 系統(tǒng)框架

指揮員實時決策需要基于真實的戰(zhàn)場態(tài)勢分析和評估各種行動方案，預測各種方案對敵產生的效果，以及這些行動效果對敵指揮員下一步決策的影響，讓指揮員可以在決策實施前進行快速的行動方案分析，探索多種可能性，確定最有利的行動方案。為實現以上功能，設計了基于數字孿生的導彈部隊在線仿真系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)框架戰(zhàn)場情報預處理、實體模型動態(tài)生成與匹配、仿真推演、效能評估、仿真引擎和仿真支撐庫等6 個子系統(tǒng)構成［9］，如下頁圖1 所示。

圖1 基于數字孿生的導彈部隊在線仿真系統(tǒng)框架及接口示意圖Fig. 1 Schematic diagram of online simulation system framework and interfaces of missile force based on digital twin

偵察情報系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)是在線仿真系統(tǒng)的信息源，是在線仿真系統(tǒng)區(qū)別于離線仿真系統(tǒng)的關鍵部分。該部分是基于實時態(tài)勢的在線仿真推演系統(tǒng)與信息源進行交互的接口，是其特征和關鍵環(huán)節(jié)。由于來自偵察情報系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)的實時態(tài)勢數據樣式與仿真系統(tǒng)不同，且數據種類多、數量大，因此，需要對戰(zhàn)場態(tài)勢數據進行預處理后對目標進行模型匹配，并通過查閱裝備性能數據庫初始化仿真實體的參數。仿真系統(tǒng)持續(xù)將實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息創(chuàng)建成相應的仿真實體，自動生成并更新調整想定文件，實現仿真系統(tǒng)與現實戰(zhàn)場相一致。仿真實體在作戰(zhàn)規(guī)則的約束下和系統(tǒng)指令的驅動下，經仿真引擎中間件的調度，實現部隊行動、對抗交戰(zhàn)等環(huán)節(jié)的仿真推演。效能評估子系統(tǒng)依據先前構建的評估指標體系從數據庫提取數據，進行數據預處理后開展底層指標模型解算，形成分析報告。

1）戰(zhàn)場情報預處理子系統(tǒng)負責從偵察情報系統(tǒng)接口接收敵情態(tài)勢、戰(zhàn)場氣象水文數據，從指揮控制系統(tǒng)接口接收我方陣地部署、兵力編成情況等數據，對敵情、我情和戰(zhàn)場環(huán)境數據進行解析，獲取戰(zhàn)場實體的特征數據。將解析后的特征數據進行格式化以及分類存儲，以支持戰(zhàn)場實體模型的動態(tài)生成。

2）實體模型動態(tài)生成與匹配子系統(tǒng)負責實體模型的實例化生成與模型的動態(tài)修正和調整。一方面，將戰(zhàn)場實體的特征數據與仿真模型庫中實體模型進行匹配與關聯(lián)，并進行實體模型實例化，將實體模型加載到平行仿真系統(tǒng)中。另一方面，根據實時更新的戰(zhàn)場實體特征數據，進行仿真實體模型類別和參數的調整更新。

3）仿真推演子系統(tǒng)對當前戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)方案進行實時仿真。一方面系統(tǒng)可預測未來戰(zhàn)場可能出現的態(tài)勢，預測敵方目標可能的行動計劃，對敵方實體的作戰(zhàn)意圖以及下一步的作戰(zhàn)行動進行推演。另一方面，在戰(zhàn)前和戰(zhàn)中階段，對指揮控制系統(tǒng)下達的多套火力計劃和行動方案進行仿真推演，輸出實時仿真數據，作為效能評估模塊的數據輸入。為指揮員提供“戰(zhàn)場透視”和“戰(zhàn)爭預測”功能。

4）效能評估子系統(tǒng)從作戰(zhàn)指揮控制效能、主戰(zhàn)部隊作戰(zhàn)效能和保障部隊作戰(zhàn)效能3 個方面考慮，構建層次化的指標體系。在導入仿真推演數據的基礎上，依據構建的評估指標體系，從數據庫提取數據并進行預處理后，對仿真推演數據進行多粒度、多層面的歸納、解算與綜合。根據評估指標體系的層次關系、評估需求以及數據類型，將各指標數據逐級向上聚合，以文本、圖表的形式輸出評估報告［10］。建立的指標體系如下頁圖2 所示。

5）仿真引擎子系統(tǒng)作為驅動平行仿真系統(tǒng)中各類仿真模型運行的核心部件，提供事件管理、仿真時間推進管理、仿真進程控制管理、仿真模型動態(tài)調度、數據記錄管理、仿真快照管理、仿真克隆管理等功能，控制平行仿真系統(tǒng)的運行與仿真時間推進。

6）仿真支撐庫子系統(tǒng)為戰(zhàn)場實體模型動態(tài)更新、實體行為意圖分析、戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)方案推演等提供運行支撐，包括歷史情報數據庫、實時情報庫、仿真模型庫、目標實體特征庫、交戰(zhàn)規(guī)則庫、作戰(zhàn)知識庫、作戰(zhàn)方案庫和評估模型庫等。其中，作戰(zhàn)知識庫存儲戰(zhàn)場目標實體的行為規(guī)則、目標行動規(guī)律、目標運行狀態(tài)特征等知識，用于匹配與識別戰(zhàn)場目標實體行為意圖等，支撐仿真模型的構建與態(tài)勢預測；交戰(zhàn)規(guī)則庫存儲戰(zhàn)場對抗環(huán)境中紅藍雙方之間各種交戰(zhàn)行為的規(guī)則，包括對作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)方式的限制、交戰(zhàn)判定等規(guī)則。

3 關鍵技術設計

3.1 戰(zhàn)場態(tài)勢特征提取和模型匹配

戰(zhàn)場態(tài)勢特征提取和模型匹配是普通作戰(zhàn)推演仿真軟件所不具備的功能，是整個系統(tǒng)進行仿真推演的基礎，其工作流程如圖3 所示。

圖3 戰(zhàn)場態(tài)勢特征提取和模型匹配工作流程圖Fig. 3 Work flow chart of battlefield situation feature extraction and model matching

圖4 EATI 建模原理圖Fig. 4 Modeling principle diagram of EATI

系統(tǒng)仿真實體依據注入的實時情報數據，并與仿真模型匹配后動態(tài)生成，仿真運行過程中隨著情報數據不斷積累，由不同時刻匹配的仿真模型動態(tài)組合后構成完整的平行仿真實體，具體可分為3 個環(huán)節(jié)：戰(zhàn)場情報特征提取、仿真模型匹配、仿真模型動態(tài)組合［11］。其中，戰(zhàn)場情報特征提取負責接收實時注入的敵情態(tài)勢、戰(zhàn)場氣象水文信息、我方陣地部署、兵力編成情況等數據，提取實時情報的特征數據，作為仿真模型匹配的依據。仿真模型匹配是指仿真系統(tǒng)根據提取的特征數據，與仿真模型進行動態(tài)匹配。仿真模型動態(tài)組合環(huán)節(jié)完成不同仿真時刻匹配的仿真模型關聯(lián)與動態(tài)組裝，動態(tài)生成平行仿真實體。

從偵察情報系統(tǒng)中導入的數據種類多、數量大，在生成仿真實體之前應進行過濾篩選，例如將海面商船、民用車輛等目標有選擇性地從數據庫中剔除。將保留的目標信息經提取相關特征后，在仿真環(huán)境中進行匹配，若已存在相應仿真實體，則用該時刻的態(tài)勢信息更新實體參數，若不存在相應實體，則調用裝備性能數據庫，創(chuàng)建相應仿真實體。

由于偵察技術手段和戰(zhàn)場傳輸條件的限制，目標的具體型號、參數往往無法完全捕獲，導致可能匹配多個仿真模型，甚至無法匹配，此時需要結合歷史態(tài)勢數據庫進行進一步的分析。例如在某時刻捕獲到海面航行的驅逐艦，但由于技術手段的限制，無法探明其具體舷號和部署武器。此時即可提取該未知目標的已知參數，例如航速、航向、坐標等信息，結合該海域的歷史船舶航行記錄等信息推測艦船舷號，進一步推測其搭載的火力單元和反導武器部署情況，從而從模型庫中匹配相應的仿真實體。當匹配率不滿足要求時，則生成通用模型仿真實體［12］。

3.2 基于EATI 的模型結構

為保證從偵察情報系統(tǒng)導入的態(tài)勢信息和從指揮控制系統(tǒng)導入的作戰(zhàn)方案計劃能夠滿足仿真系統(tǒng)需求，采用EATI 模板（entities，actions，tasks and interaction，即實體、行動、任務和交互）方法，從導入數據中提取所需信息，構建作戰(zhàn)指令的實體元模型、動作元模型、任務元模型和交互元模型，形成不同要素對應的結構化模板。

3.2.1 模型構建

EATI 方法核心是建立實體、動作、任務和交互等4 類元模型。如以發(fā)射單元的機動為例，其元模型構建為：

實體元模型

EN：：＝＜N，TE，AT，AC＞

N（實體名稱）——任務發(fā)射單元；

TE（實體執(zhí)行的任務）——導彈發(fā)射任務；

AT（實體屬性的集合）——AT：：={編號、型號、車輛長寬高、最大速度、最大加速度、最小轉彎半徑、燃料容量、最低公路等級要求、目標特性、易損性等}；

AC（實體的動作集合）——CT：：={機動運行、戰(zhàn)術隱蔽、損壞修復等}。

動作元模型

AC：：＝＜N，EN，SC，IC，EC＞

N（動作名稱）——機動運行；

EN（執(zhí)行實體）——任務發(fā)射單元；

SC（開始條件）——接收到機動命令，且自身狀態(tài)滿足機動要求等；

IC（中斷條件）——被擊毀等；

EC（結束條件）——{收到隱蔽偽裝命令、到達宿營地、到達目的地等}。

任務元模型

TS∷＝＜TN，EN，XN，AX，AR，EC＞

TN（任務名稱）——導彈發(fā)射任務；

EN（執(zhí)行任務實體）——任務發(fā)射單元；

XN（相關實體）——指揮機構，保障分隊等；

AX（任務所包括的動作集）——{機動運行、戰(zhàn)術隱蔽、損壞修復等}；

AR（動作執(zhí)行順序和調度規(guī)則）——按計劃實施機動，如遭遇特情，按行動規(guī)則進行戰(zhàn)術隱蔽、修復等行動；

EC（任務結束條件）——到達待機庫；

交互元模型

IA∷＝＜IN，FN，JN，JR＞

IN（交互名稱）——機動命令；

FN（發(fā)送實體）——指揮所；

JN（接收實體集）——任務發(fā)射單元；

JR（交互內容）——{機動命令}。

3.2.2 模型組合

在模型的快速組裝能力方面，采用組件化的設計思路，將各級作戰(zhàn)模型對象進行分解，按照交戰(zhàn)規(guī)則，模型行動規(guī)則，將每個作戰(zhàn)單元特性的物理特征分解成若干個具有獨立功能的子模塊，即組件，通過對具有相同特征的組件進行統(tǒng)一描述，可以最大程度地實現組件重用，從而達到模型重用的目的［13］。

模型組合包括組件模型的組裝、實體模型的裝配，如將平臺組件、通信組件、武器系統(tǒng)組件等進行組合形成發(fā)射車實體模型，發(fā)射車實體模型與機動任務模型、故障及處理任務模型、發(fā)射行動任務模型、導彈轉載任務模型等進行裝配，形成發(fā)射單元分隊模型。如圖5 所示。

圖5 組件化模型生成示意圖Fig. 5 Schematic diagram of modularization model generation

4 結論

圍繞如何在瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境下提升指揮員的超前預測與戰(zhàn)場“透視”能力，提出了基于數字孿生的導彈部隊在線仿真系統(tǒng)設計方案，基于實時的敵情、我情和戰(zhàn)場環(huán)境，通過導入作戰(zhàn)方案進行仿真預測，輸出戰(zhàn)爭評估結果，從而提升指揮決策的科學性和準確性。

在提出系統(tǒng)功能需求的基礎上，設計了在線仿真系統(tǒng)的總體框架和內、外接口關系，將仿真系統(tǒng)具體分成戰(zhàn)場情報預處理、實體模型動態(tài)生成與匹配、仿真推演、效能評估、仿真引擎和仿真支撐庫6個子系統(tǒng)，提出每個子系統(tǒng)的功能組成和運行原理，同時闡述了基于數字孿生的在線仿真系統(tǒng)構建與運行的兩項關鍵技術，分別說明了關鍵技術的具體原理和實現方法，為仿真系統(tǒng)的實現提供了方法指引。