面向聯合防空的平行推演系統構建及應用設想

周金鵬，陸志灃，賴鵬，姚方競，杜向南

（上海機電工程研究所，上海 201109）

現代戰爭是體系與體系之間的跨域聯合作戰，以信息為主導，戰場環境要素涉及陸?？仗祀娋W等多維空間實體目標，態勢不確定性因素多以及迷霧大［1］，且現代作戰節奏日益加快、協同日漸精準、指揮日趨復雜、數據日益龐大，涉及的是一個復雜系統［2］?，F有指揮決策支持系統中戰場態勢預測大多以定性分析為主，輔助決策模型多為靜態，缺乏動態調整、演化與行為預測功能，難以滿足未來戰場態勢的瞬息變化與快節奏作戰需求［3］。

目前，建模仿真技術在裝備論證評估、裝備考核鑒定、裝備體系試驗、指揮訓練方面已得到很好的應用。隨著建模與仿真向人工系統計算實驗發展，面向輔助決策的應用亦將日益廣泛。相對傳統仿真建模應用，用于輔助決策的人工系統要求快速構建以及與真實系統有更高的相似性。因此，人工系統的高效、高平行度構建問題將引起廣泛關注［4］。

用于指揮決策的平行推演仿真是指采用建模與仿真推演技術，通過與實裝指揮控制系統進行虛實互聯與信息交互，接收實裝指揮控制系統實時戰場情報，動態映射并構建戰場實體模型，生成與真實戰場平行運行的人工戰場環境（平行推演系統），通過平行推演系統的超實時仿真推演，生成下一時刻的戰場預測結果及方案評估，輔助指揮員快速“透視”和預測未來戰場態勢，動態生成或臨機調整預定作戰行動方案［5］。

平行推演仿真與傳統仿真相比，其在仿真模型構建、模型調用、模型演化及系統運行模式等方面均有所不同，具有動態演化、雙向交互、超實時計算預測等特點［6］，其角色從主動變被動、靜態變動態、離線變在線，將成為指揮控制系統的重要組成部分。

本文主要面向聯合防空作戰輔助決策，提出平行推演系統構建方法，并結合聯合防空作戰需求，提出平行推演系統支撐聯合防空作戰應用設想，為后續平行推演系統構建及支撐作戰應用提供理論探索。

1 平行系統概念及進展

平行系統概念最初由中科院王飛躍教授提出，指由某個自然的現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統組成的共同系統［7］，通過實際系統與人工系統的相互連接，對二者間行為進行對比和分析，完成對各自未來狀況的借鑒和預估，并相應調節各自管理與控制方式，達到有效解決方案的目的。王飛躍教授提出了ACP（Artificial societies，Computational experiments，Parallel execution）的學術概念，為解決復雜系統的建模、分析、控制及組織管理提供了新的思路與方法論。采用ACP 方法形成的平行系統運行基本框架如圖1所示。

圖1 平行系統運行的基本框架Fig.1 Basic framework for parallel system operation

ACP 首先通過人工系統或人工社會建模方法在計算機中建立虛擬的復雜系統；其次，在人工社會或人工系統的基礎上利用復雜系統計算實驗方法，研究與設計各類真實環境下的復雜社會行為與行動實驗，對復雜系統的各種影響因素進行“量化”分析和估計；最后，將虛擬復雜系統與實際系統進行同步推進和相互補充分析，通過對各自未來發展和演化狀況的“借鑒”和“預估”，相應地調節實際系統的管理與控制方式，完成復雜系統的計算實驗與平行執行的一體化［8］。

王飛躍教授在提出平行系統概念后，率先將平行系統理念與指揮控制相結合，提出了新一代的智能指揮控制體系——指揮與控制5.0［9］，其核心理念為虛實互動的平行思想，可以根據“過去”、現實的真實數據，通過仿真得到“未來”的結果，非常適用于軍事作戰指揮決策支持，能夠替指揮員實現對戰場態勢的超前預測和處置。

國防科技大學邱曉剛教授于2013 年提出了平行軍事體系概念，將平行系統理念引入軍事領域［10］。平行軍事體系的實質是軍事知識、信息和數據的集成，是基于知識進行計算實驗產生新知識，實現對實際軍事體系的研究、輔助管理和控制。邱曉剛教授在分析輔助決策對平行系統需求的基礎上，提出了面向輔助決策的平行系統概念，給出了平行仿真系統構建面臨的關鍵問題及其相應的解決途徑［11］。

中電二十八所毛少杰等人在通用平行系統研究的基礎上，提出了面向指揮決策支持的平行仿真系統概念，建立了基于戰場行為預測的平行仿真系統的體系架構、運行原理和構建方法［3，6，12］。

目前，國外對于指揮決策支持系統的研究雖然并沒有“平行推演系統”的提法，但提出了與平行推演概念類似的“動態數據驅動應用系統”及“共生仿真系統”等概念。美國空軍研究實驗室研制的基于“動態數據驅動應用系統”的實時決策支持系統［13-14］，目的是通過構建與戰場客觀環境同步運行的平行仿真系統，通過預先存儲的歷史數據和實時注入的情報數據來推演與預測未來可能的戰場態勢，輔助戰場指揮員提前做出預案，形成戰前與戰中于一體、方案制定與分析評估于一體的作戰決策支持系統。

2007年，美國國防部高級研究計劃局提出了“深綠”計劃，旨在探索智能化的指揮與決策輔助系統，其核心是平行系統直接從指揮控制系統獲取信息，及時更新仿真系統中的戰場態勢和目標狀態，并進行超實時仿真分析與評估，通過仿真推演評估結果不斷匹配、優選、調整和補充未來作戰方案，幫助指揮員提前進行思考，縮短制定行動方案的時間。該計劃強調建模與仿真作為一種面向指揮員的輔助決策手段和工具，是嵌入式/平行仿真技術在指揮信息系統中的典型應用。

2 平行推演系統構建設想

2.1 功能需求

面向聯合防空作戰的平行推演系統構建，需要基于建模仿真技術，在人工系統中構設與物理戰場空間平行的虛擬戰場空間，提供戰場態勢變化場景，在有限的決策時間內多方案、多樣本的推演評估，實現對聯合防空作戰指控系統的輔助決策，其主要功能需求包括：

（1）具備戰場環境、戰場態勢、戰場實體等建模仿真及平行同步更新功能，構建與真實物理戰場空間平行的人工戰場。

（2）具備在線接入指揮決策系統，支持實時戰場態勢驅動下的戰前作戰方案優化及戰中輔助決策。

（3）能夠提供高效的計算實驗方法，支持面向作戰輔助決策的多批次、大樣本的快速推演仿真。

（4）能夠不斷積累經驗數據，在應用中通過人機結合不斷豐富數據類型、層次，實現虛實互動的學習成長。

（5）具備靈活開放的仿真實驗環境，適應不同類型、不同層次、不同用途的用戶開展平行推演。

2.2 組成架構

基于平行系統的研究基礎及面向聯合防空作戰的輔助決策需求，提出了虛實互動、預測解析、輔助決策、平行執行的系統組成架構，為面向聯合防空作戰輔助的平行推演仿真系統構建提供支撐，具體如圖2所示。

圖2 平行推演系統組成架構Fig.2 Composition and architecture of parallel deduction system

平行推演系統可分為平行推演支撐工具、平行推演支撐數據、平行推演仿真模型、平行戰場構建等4 個部分，具體組成及功能如下：

（1）平行推演支撐工具。平行推演支撐工具主要為真實態勢驅動下的作戰方案快速推演評估提供底層支撐工具，包括仿真引擎、仿真運行控制、多方案推演管理、模型調度管理、作戰方案評估等工具，實現平行推演系統的運行與推進。

（2）平行推演支撐數據。平行推演支撐數據主要為戰場實體行為意圖預測、多方案推演提供基礎支撐數據，包括靜態、歷史或非實時的裝備性能參數、情報數據庫、交戰規則庫、作戰方案庫等。

（3）平行推演仿真模型。平行推演仿真模型主要為平行推演提供戰場情報數據驅動的仿真模型，包括情報數據處理模型、戰場實體模型、態勢預測模型、裝備模型、評估模型等仿真模型，各類模型能夠依據實時獲取的情報數據動態生成，并在運行過程中進行動態調整與修正。

（4）平行戰場構建。平行戰場構建主要基于真實戰場，利用仿真建模技術映射出與真實戰場平行的人工戰場，并通過與實裝指揮決策系統的實時交互反饋，實現真實戰場與人工戰場的同步推進。

2.3 工作原理

平行推演系統基于歷史積累的情報數據、作戰知識、交戰規則等數據資料，形成決策知識庫，并據此構建紅/藍方裝備數據模型，建立模型描述模板，形成推演模型庫。同時，通過對實時戰場數據的不斷積累與學習，不斷更新決策知識庫和推演模型庫。

真實作戰時，平行推演系統在線接入真實戰場指揮控制系統，從真實戰場不斷獲取實時戰場態勢，開展對情報態勢進行數據預處理、目標特征提取，通過與推演模型的動態匹配，動態生成藍方實體模型，同時加載紅方參戰兵力裝備模型。隨著真實戰場不斷推進，基于情報數據不斷修正戰場紅/藍方實體模型；根據實時情報數據，基于決策知識庫進行匹配分析，實現藍軍作戰意圖估計與識別，并上報指揮決策人員，指揮決策人員據此確定輔助決策點，同時實現未來態勢的預測，指揮決策人員根據態勢預測制定作戰方案，并形成多分支推演方案；平行推演系統對推演方案進行遍歷，利用并行仿真技術進行多分支超實時并行推演仿真，同時根據實時獲取的目標特征數據與推演仿真結果進行匹配對照，同步對推演仿真分支進行裁剪調整；最后，通過推演仿真對作戰方案進行評估，生成輔助決策方案，并反饋至真實作戰系統中。

平行推演系統工作原理如圖3所示。

圖3 平行推演系統工作原理Fig.3 Working principle for parallel deduction system

3 聯合防空作戰輔助決策應用設想

聯合防空作戰是聯合作戰指揮機構指揮控制所屬的航空兵、地導、雷達、艦艇等部隊，防御敵方對我重要區域內重要目標、地區實施空襲的聯合作戰任務。聯合防空作戰中，敵方態勢具有來襲目標種類多、作戰樣式復雜、戰場態勢變化快、對抗性強等特點，如何輔助指揮員快速準確判斷并分析敵方態勢，支撐指揮員制定作戰方案與決策，有效組織力量完成“偵、控、籌、打、評、?！钡茸鲬瓠h節，實現聯合防空作戰“快速反應、高效指揮、精確打擊、化被動為主動”具有重要作用。

圖4 是平行推演系統在聯合防空作戰指揮控制系統中的應用設想。

圖4 平行推演系統在聯合防空指揮控制系統中應用Fig.4 Application of parallel deduction system in joint air-defense command and control system

聯合防空指揮控制系統面向指揮員主要包括作戰任務規劃、戰場態勢感知、協同指揮控制、一體化火力控制等作戰應用，平行推演系統可作為一項服務，嵌入聯合防空指揮控制系統，輔助指揮員開展聯合防空作戰應用，具體包括：

（1）作戰任務規劃：平行推演系統可為作戰任務規劃提供規劃預案、作戰計劃推演評估，給出評估結果，并提出優化方案建議。

（2）戰場態勢感知：平行推演系統可為戰場態勢感知提供態勢評估、作戰意圖識別、態勢預測等，并通過推演仿真提供傳感器任務規劃，為戰場態勢感知反饋態勢預測、傳感器任務等。

（3）協同指揮控制：平行推演系統可為系統指揮控制提供指揮方案推演評估，給出方案評估結果及輔助決策指令。

（4）一體化火力控制：平行推演系統可根據下屬火力裝備能力及狀態，為聯合防空殺傷鏈的高效構建提供優化方案。

4 關鍵技術

4.1 實時數據驅動的藍方目標動態建模技術

平行推演系統在線接入聯合防空作戰指揮控制系統實現平行推演仿真，關鍵是實時戰場態勢與平行推演系統仿真實體的同步關聯，完成藍方目標仿真實體的動態構建。傳統仿真中，仿真實體生成基于仿真想定，通過配置加載模型方式實現，實體模型通過建模手段，盡可能真實準確地貼近真實系統的功能、性能、工作原理、行為規則等屬性來構建，仿真運行中實體模型不發生變化；平行推演仿真中，藍方實體模型基于戰場情報數據動態生成，通過實時數據與仿真模型庫中實體模型進行匹配，實現模型實例化。實體模型通?；跉v史數據采用規則約束下的參數化構建，并能夠根據實時接收到的情報數據動態修正調整模型，逐漸貼近實際實體。如何在情報態勢無法識別、冗余、缺失等情況下完成仿真實體模型的匹配，實現仿真態勢與真實態勢的一致關聯是平行推演仿真的關鍵及難點。

針對藍方目標動態建模與匹配難點，可根據藍方典型目標類型及工作體制，基于組建化建模思想，建立一套藍方裝備實體模型體系。藍方實體模型基于歷史數據及規則進行構建。同時，構建藍方實體模型描述模板，包括仿真模型的名稱、關鍵詞、實體屬性等信息。實時推演時，根據實時戰場情報提取藍方目標的標志特征、狀態特征及行為特征，并基于特征參數實現實體模型的匹配，完成戰場實體與仿真實體模型的映射。同時，根據情報數據的不斷注入，更新戰場實體目標特征，完成藍方實體模型類別修正、模型參數調整以及實體行為意圖識別結果的更新。

4.2 藍方態勢超實時仿真預測技術

平行推演仿真中，如何“透視”未來一段時間的戰場演變情況，使指揮員能夠“看見”未來并理解軍事行動的展開，通過最新的態勢進行超實時仿真分析與評估，是平行推演支持聯合防空輔助決策的關鍵。傳統仿真中主要基于當前態勢進行指揮決策并完成仿真運行，平行仿真中需要對當前戰場態勢超實時仿真并預測戰場可能的態勢，為指揮員提供戰場預測結果?；谧钚虑閳髷祿乃{方態勢預測，實現基于各種可能的行動方案快速推演評估是平行推演輔助決策的難點。

針對藍方態勢超實時仿真預測難點，在藍方目標實體模型匹配構建的基礎上，結合藍方裝備性能參數、歷史經驗數據和作戰規則等，判斷藍方作戰意圖，通過匹配計算，獲得藍方目標可能的行動計劃，并基于實體模型，通過超實時仿真，預測未來一段時間內藍方目標可能的運動航跡及狀態行為，同時根據實時情報數據不斷注入，實時修正藍方目標預測結果。

4.3 基于關鍵決策點的多分支快速推演技術

傳統作戰方案推演評估主要基于蒙特卡羅方法，通過隨機種子生成大量樣本實現作戰方案的仿真評估分析，缺少對實際作戰過程中實時情報數據的校核驗證。平行推演主要是基于態勢預測實現作戰方案推演評估，如何在戰場態勢預測情況下，確定藍方目標可能的決策點、我方指揮決策關鍵點及作戰方案，制定平行推演方案，并完成多分支快速推演是平行推演與作戰方案評估的關鍵及難點。

針對多分支快速推演難點，可根據藍方態勢作戰意圖估計及態勢預測結果，建立戰場實體的關鍵決策點，確定戰場態勢可能存在的多種分支。仿真推演時，通過并行仿真技術對多分支進行并行推演，同時基于關鍵決策點實時克隆分支副本進行同步推演，基于實時目標情報數據與推演結果對比裁剪推演分支，并不斷與指揮控制系統交互，不斷修正推演進程，最終通過超實時快速推演將態勢預測及作戰方案評估結果反饋給指揮員。

5 結論

圍繞提高聯合防空作戰輔助決策能力，本文在平行系統基礎理念上，歸納聯合防空作戰功能需求，提出了平行推演系統組成架構、工作原理及構建方法，結合聯合防空作戰流程及典型特征，探索了平行推演系統在聯合防空作戰的應用，并討論了構建平行推演系統涉及的關鍵技術。本文對平行推演系統的構建提出了初步構想，下一步將圍繞平行推演系統的具體建設，著重開展數據驅動裝備建模、平行推演引擎等方面研究。