數(shù)字孿生靶場總體框架設計與關鍵技術
摘要：隨著靶場向試驗訓練一體化的發(fā)展,靶場的職能從考核單一的武器裝備,向考核整個作戰(zhàn)體系轉變。為構建逼真體系級試驗訓練環(huán)境,在現(xiàn)有的靶場框架下引入數(shù)字孿生體的概念,提出了以構建完整的作戰(zhàn)體系數(shù)字鏡像為目標的數(shù)字孿生靶場的總體框架,分析了智慧測控、計算試驗、智能決策、作戰(zhàn)云等關鍵技術,并給出了水下攻防數(shù)字孿生靶場應用案例,為實現(xiàn)大規(guī)模、高頻次實兵對抗條件下的體系級試驗訓練提供參考。
隨著靶場向試驗訓練一體化的發(fā)展,靶場的職能從考核單一的武器裝備,向考核整個作戰(zhàn)體系轉變。體系的動態(tài)性和進化性要求構造一種動態(tài)模擬真實對抗環(huán)境和背景的試驗訓練環(huán)境;而體系效能具有整體性和不確定性,對其考核評估要求創(chuàng)造一個能夠自主運行、高頻度試驗訓練的環(huán)境。目前,靶場將可用于完成試驗訓練任務的真實和虛擬的資源,構建成為跨地域、跨靶場與試驗設施的試驗訓練的綜合體,也就是邏輯靶場,同時開展了大規(guī)模的仿真建設。然而由于武器裝備體系的復雜性,在仿真建設過程中,面臨著仿不真和無真可仿的問題,難以獲取作戰(zhàn)對手的真實信息以構建藍軍模型,難以對影響體系效能的環(huán)境因素進行建模仿真,難以對指揮員的行為決策進行建模,同時也缺乏足夠的手段來評價作戰(zhàn)指揮決策的效率和決策質量。體系級試驗訓練缺乏支撐手段。
將數(shù)字孿生體的概念引入靶場,采用大數(shù)據、云計算、人工智能等新技術構建物理域中作戰(zhàn)體系的數(shù)字鏡像,可針對上述問題給出解決方案,推進靶場發(fā)展成為更高階的形態(tài)。
1、數(shù)字孿生靶場基本概念
2002年美國密歇根大學教授Dr. Michael Grieves第一次提出了數(shù)字孿生概念,自2017 年以來,數(shù)字孿生體連續(xù)兩年入圍由全球領先的IT研究與顧問咨詢公司Gartner 發(fā)布的“十大戰(zhàn)略科技趨勢”。2017 年11 月,世界最大的國防承包商洛克希德·馬丁公司將數(shù)字孿生體列為未來幾年在國防和航天工業(yè)中發(fā)揮重要作用的六大頂尖技術之首。隨著物聯(lián)網技術、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生的形態(tài)和概念不斷豐富,逐步擴展到其他領域,2019年美海軍信息作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部為林肯號航母(CVN-72)建立首個“數(shù)字林肯”數(shù)字孿生體,以提高航母信息戰(zhàn)的能力,其最終目標是在所有平臺上構建數(shù)字孿生體。美空軍與波音公司合作構建了F-15C機體數(shù)字孿生體模型,開發(fā)了分析框架,可預測結構組件何時到達壽命期限,調整結構檢查、修改大修和替換的時間。
數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型,該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據而實時演化,從而與物理對象在全壽命周期保持一致。隨著信息化的不斷發(fā)展和推進,數(shù)字孿生的概念必然被引入靶場。數(shù)字孿生靶場不是構建單一靶場的數(shù)字鏡像,而是以構建完整的作戰(zhàn)體系鏡像為目標,在最大限度整合各靶場現(xiàn)有的資源以及可拓展作戰(zhàn)資源的基礎上,借助于大數(shù)據、人工智能技術,通過數(shù)字化的手段,對無法采用模擬方法構建的作戰(zhàn)元素對象,通過傳感器采集的大量數(shù)據,并借助大樣本庫,通過計算試驗反映其特征,為體系級的試驗、訓練提供高逼真度的環(huán)境。
數(shù)字孿生靶場首先要最大限度地開發(fā)利用和整合試驗訓練作戰(zhàn)資源,因此,具有網絡廣泛覆蓋,信息深度互聯(lián),資源協(xié)同共享的特點,同時還具有以下特征:
1)數(shù)據驅動:作戰(zhàn)體系運行中會產生海量的數(shù)據,數(shù)字孿生靶場能對這些數(shù)據進行智能處理,通過自主判斷和分類,對信息進行深加工,產生出各類裝備運用知識和作戰(zhàn)使用策略,通過數(shù)據的驅動實現(xiàn)物理靶場的資源優(yōu)化。
2)模型支撐:數(shù)字孿生的本質是實現(xiàn)物理域向信息域的等價映射,能夠大樣本完成仿真分析、數(shù)據計算和預測,因此,需要在靶場現(xiàn)有物理實體機理模型的基礎上進一步開發(fā)數(shù)據驅動模型,形成作戰(zhàn)體系和鏡像的虛實交互。
3)精準映射:一方面數(shù)字孿生靶場能夠通過智慧測控獲得的數(shù)據對靶場中物理實體進行仿真分析和運行狀態(tài)監(jiān)控,另一方面可利用作戰(zhàn)元素的真實數(shù)據完善數(shù)字孿生靶場的仿真分析算法。
4)智能優(yōu)化:數(shù)字孿生靶場以提升裝備作戰(zhàn)效能和體系效能為目標,通過開展裝備試驗和人在回路的對抗性訓練,將人工智能技術融入考核評估體系,對裝備體系持續(xù)運行和改進提供更精準的評估,實現(xiàn)體系能力的不斷優(yōu)化。
2、數(shù)字孿生靶場總體框架設計
通過運用大數(shù)據、云計算、人工智能等新技術,以構建完整的作戰(zhàn)體系鏡像為目標,我們設計數(shù)字孿生靶場的總體技術框架,在最大限度整合各靶場現(xiàn)有的資源以及可拓展作戰(zhàn)資源的基礎上,實現(xiàn)作戰(zhàn)體系中各類信息的廣泛感知、高效傳輸、協(xié)同共享、虛實映射和智能決策,構建一個對抗的作戰(zhàn)環(huán)境,實現(xiàn)逼真、大規(guī)模、低消耗、可重復、安全性強的試驗訓練演練,使模擬訓練向實兵實抗訓練轉變,同時考核評估各作戰(zhàn)元素的作戰(zhàn)效能,達到提升作戰(zhàn)能力優(yōu)化作戰(zhàn)體系的目的。數(shù)字孿生靶場的總體框架如圖1。
圖1 數(shù)字孿生靶場總體框架
1)虛擬藍軍:將作戰(zhàn)對手的情報和數(shù)據進行知識提取和機器學習,采用擾動分析的方法,逐步模擬逼近真實的藍軍,為試驗訓練提供對抗環(huán)境。
2)作戰(zhàn)體系鏡像:通過整合資源和建立作戰(zhàn)元素的數(shù)字鏡像,形成虛實融合的完整作戰(zhàn)體系,并且能夠按照作戰(zhàn)流程運行,可用于體系級實兵對抗訓練。
3)云平臺:利用云計算等技術手段,將資源“服務”化、集中存儲、共享計算,它是整個數(shù)字孿生靶場的各實體信息交互的核心,在訓練演練的過程中應以快速有效的方式聚集各種虛實資源,實現(xiàn)類似作戰(zhàn)云的云部署、云聚合、云攻擊(防御)、云消散的過程。
4)智慧測控層:具有超強的感知能力和智慧性,通過靶場測控裝備、偵察感知類作戰(zhàn)裝備以及在武器裝備上加裝的各種傳感器,對作戰(zhàn)體系及數(shù)字孿生靶場中各種實體的狀態(tài)進行感知,獲取狀態(tài)數(shù)據。
5)智能決策層:將作戰(zhàn)規(guī)則、專家經驗等數(shù)字化,存入知識庫,通過對敵我雙方態(tài)勢的推理和推演提供作戰(zhàn)指揮輔助決策、演練方案評估、作戰(zhàn)效能評估、決策效能質量評估等功能。
6)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境:包括自然戰(zhàn)場環(huán)境、復雜電磁環(huán)境、復雜水聲環(huán)境等。戰(zhàn)場環(huán)境涉及磁場、聲場等,很難建立機理模型,可以通過對大量的測量數(shù)據進行機器學習,建立數(shù)據驅動模型。
7)數(shù)字孿生靶場標準體系:是數(shù)字孿生靶場多系統(tǒng)協(xié)作、海量信息匯聚、融合和共享、多平臺協(xié)同、安全控制的基礎。
3、關鍵技術
3.1 智慧測控
物聯(lián)網、芯片納米化和5G/北斗網等技術的發(fā)展,使得靶場的測控不單單依賴傳統(tǒng)雷測、光測、遙測等外測設備以及地面、空中、有人、無人等各種偵察感知類裝備,物聯(lián)網技術推進了萬物互聯(lián)的發(fā)展,也奠定了萬物可測可控的基礎;芯片納米化使得在武器裝備各關鍵部位加裝射頻識別傳感設備變得容易可行,可實現(xiàn)裝備的識別跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測;5G/北斗網技術實現(xiàn)了傳感器、信息系統(tǒng)、智能終端設備的連接交互。最終人們可實現(xiàn)以全域裝備狀態(tài)感知,天、空、海、陸多維互聯(lián)和深度的數(shù)據融合為基礎的智慧測控。以水下試驗訓練測控為例,潛艇、自主無人航行器、魚雷、水聲對抗器材和潛標等加載水聲傳感器組成水下物聯(lián)網,將各試驗訓練節(jié)點的動態(tài)信息通過水下移動網關、水面網關浮標傳輸至海面,再通過衛(wèi)星通信傳輸至靶場主干測控網。
3.2 計算試驗
計算試驗是仿真模擬的升華,其核心在“試”,從“簡單一致”原則出發(fā),從對對象的基本認識出發(fā),不斷修改規(guī)則,輸入數(shù)據,使宏觀行為與真實對象之間在某種程度上趨于一致,從而實現(xiàn)對客觀的描述。試驗和訓練的目的就是在實戰(zhàn)的背景下,采用多種手段去發(fā)現(xiàn)和掌握一些制勝機理和規(guī)律性問題,而有些多輸入、多變量的問題,如敵我雙方的博弈規(guī)則、作戰(zhàn)態(tài)勢的演進規(guī)律和網絡擁塞過程等,可以通過基本規(guī)則的描述,從分析系統(tǒng)產生的現(xiàn)象入手,采用計算試驗的方法對規(guī)則進行修正和反演,漸進式逼近物理實體。物理實體也因此擁有更多發(fā)揮和改進的可能。在武器裝備體系試驗中,計算試驗可以在評估體系效能和裝備作戰(zhàn)運用中發(fā)揮重要作用,例如在新質作戰(zhàn)力量融入作戰(zhàn)體系過程中,由于不具備成熟的作戰(zhàn)運用模式,可以采用計算試驗的方法,探索各種作戰(zhàn)使用方法,最終得出一系列可行方案,在評估作戰(zhàn)效能的同時也可以為作戰(zhàn)運用提供建議。
3.3 數(shù)字孿生的概念
作戰(zhàn)人員的心理和智能因素是決定戰(zhàn)爭成敗的重要因素,決策指揮的效率和質量是體系級訓練中重要的考核指標。指揮員除了能對敵情、我情進行基本的判斷,對指揮流程、作戰(zhàn)時機要有精準的掌握,對裝備要能熟練地運用,最重要的是能夠對龐雜、不確定和不完整的戰(zhàn)場信息進行分析,并在這種不透明的戰(zhàn)場態(tài)勢下做出有利的決策。而智能決策是將作戰(zhàn)規(guī)則、裝備運用編成等指揮員的專業(yè)知識存入知識庫,在透明的藍方戰(zhàn)場態(tài)勢和戰(zhàn)場環(huán)境下,通過計算試驗對作戰(zhàn)過程進行計算,獲得作戰(zhàn)方案,然后調動整個數(shù)字孿生靶場中各種實體進行推演,獲取在不同作戰(zhàn)態(tài)勢下的最優(yōu)決策,這既可以用于對指揮員進行輔助決策,又可以用于對作戰(zhàn)指揮員的最終作戰(zhàn)指揮方案進行評估,從而提高指揮員的決策能力。智能決策過程如圖2所示。
圖2 數(shù)字孿生靶場智能決策過程圖
3.4 作戰(zhàn)云
作戰(zhàn)云是將“云計算”技術引入作戰(zhàn)過程而發(fā)展起來的,強調的是通過云計算技術和思想構成一種聚合能力更強、資源利用效率更高的聯(lián)合作戰(zhàn)體系,重點解決未來分布式殺傷和多域作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)力量整合問題。例如,在水下攻防作戰(zhàn)中,空、天、海、潛兵力在作戰(zhàn)云的支撐下,情報和目標數(shù)據高度融合,同時行動兵力經過整合,體系化運用,實施統(tǒng)一聯(lián)合行動,提高了作戰(zhàn)效能和規(guī)模效應,數(shù)字孿生靶場構建了作戰(zhàn)體系的數(shù)字鏡像,同樣采用作戰(zhàn)云優(yōu)化部署和利用全局性作戰(zhàn)資源,以快速有效的方式,使各種真實的、虛擬的、構造的作戰(zhàn)元素聚集成作戰(zhàn)體系。數(shù)字靶場中作戰(zhàn)云體系結構如圖3所示。
圖3 數(shù)字孿生靶場作戰(zhàn)云體系結構
4、水下攻防數(shù)字孿生靶場設計
4.1 4、水下攻防數(shù)字孿生靶場設計體系設計
水下攻防作戰(zhàn)空間廣泛,作戰(zhàn)要素復雜,作戰(zhàn)結構多維,在訓練過程中存在強敵對手引入不夠,體系運用戰(zhàn)法不足等問題。通過整合作戰(zhàn)資源和靶場仿真、測控等資源,形成完整的水下攻防作戰(zhàn)體系的數(shù)字鏡像,可用于體系級試驗和實兵對抗訓練,評估裝備體系效能和探索創(chuàng)新水下攻防研練模式。
水下攻防數(shù)字孿生靶場涵蓋某岸、海、空、潛等水下戰(zhàn)裝備,在數(shù)字孿生靶場建設標準指導下,通過云平臺將水下作戰(zhàn)體系實兵實裝的態(tài)勢數(shù)據和水下測量陣獲取的水中兵器彈道數(shù)據等信息引入內場仿真模型,仿真模型虛擬藍軍模擬敵潛艇與我方兵力實施攻防對抗,體系設計如圖4。
圖4 水下攻防數(shù)字孿生靶場體系設計圖
4.2 水下攻防數(shù)字孿生靶場運用
1)關鍵海域水下探測體系試驗
基于水下攻防數(shù)字孿生靶場, 構建由岸基聲吶、作戰(zhàn)艦船、反潛直升機、反潛巡邏機、潛艇、潛標和浮標組成的水下探測體系孿生系統(tǒng),并按照水下探測體系運行任務剖面,開展大樣本的仿真試驗。試驗想定中,我方海、天、空、潛等水下作戰(zhàn)兵力在某關鍵海域構建形成三層封控區(qū),敵潛艇按照強敵作戰(zhàn)樣式采取不同的航路和戰(zhàn)法,突破我方的水下封控,通過不同平臺的聲吶信號級模型計算我方兵力勢力范圍和對潛搜索概率,評估各水下節(jié)點裝備配置合理性、水下和?？招畔鬏斀换ユ溌返捻槙承浴Ⅲw系內不同要素組合后的作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)性、體系靈活重構能力、體系運行的可靠性和體系敏捷反應能力等指標。
2)水下攻防對抗研練
我方圍繞強敵在關鍵海域可能采取的作戰(zhàn)策略設計對抗行動。藍方派出核潛艇進入我方關鍵作戰(zhàn)海域執(zhí)行“情報偵察、威懾干預”作戰(zhàn)任務,紅方水下攻防作戰(zhàn)設置威脅源頭早期預警、海峽要道重點布控、廣域偵察搜索、協(xié)同接續(xù)跟蹤、近海嚴密監(jiān)控等訓練科目。水下攻防數(shù)字孿生靶場通過聲吶陣元域數(shù)據建模,模擬產生敵方潛艇噪聲或魚雷來襲等聲吶信號,提供類似實戰(zhàn)的水下攻防模擬訓練環(huán)境,水面艦艇作戰(zhàn)指揮員根據作戰(zhàn)方案和敵方態(tài)勢進行戰(zhàn)斗計算和指揮決策,智能決策系統(tǒng)通過計算試驗對作戰(zhàn)過程進行計算,評價指揮員的指揮決策能力,獲取最優(yōu)戰(zhàn)法。研練過程按照兵力行動—復盤評估—戰(zhàn)法總結的方式不斷迭代,提升水下攻防作戰(zhàn)能力。
5、結束語
數(shù)字孿生靶場蘊含了大數(shù)據、人工智能、云計算、機器學習、虛擬現(xiàn)實等多種先進的理論和方法,通過建立平行的軍事空間,開展平行的仿真試驗等軍事活動,促使物理域中的作戰(zhàn)體系能夠不斷進化發(fā)展。數(shù)字孿生靶場代表靶場未來發(fā)展的必然趨勢,是開展體系級試驗訓練的必然道路,也是技術和未來戰(zhàn)爭雙重驅動帶來的必然結果。
