數(shù)字孿生靶場總體框架設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

摘要：隨著靶場向試驗(yàn)訓(xùn)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(gè)作戰(zhàn)體系轉(zhuǎn)變。為構(gòu)建逼真體系級試驗(yàn)訓(xùn)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(gòu)建完整的作戰(zhàn)體系數(shù)字鏡像為目標(biāo)的數(shù)字孿生靶場的總體框架,分析了智慧測控、計(jì)算試驗(yàn)、智能決策、作戰(zhàn)云等關(guān)鍵技術(shù),并給出了水下攻防數(shù)字孿生靶場應(yīng)用案例,為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高頻次實(shí)兵對抗條件下的體系級試驗(yàn)訓(xùn)練提供參考。

隨著靶場向試驗(yàn)訓(xùn)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(gè)作戰(zhàn)體系轉(zhuǎn)變。體系的動(dòng)態(tài)性和進(jìn)化性要求構(gòu)造一種動(dòng)態(tài)模擬真實(shí)對抗環(huán)境和背景的試驗(yàn)訓(xùn)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(gè)能夠自主運(yùn)行、高頻度試驗(yàn)訓(xùn)練的環(huán)境。目前,靶場將可用于完成試驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)的真實(shí)和虛擬的資源,構(gòu)建成為跨地域、跨靶場與試驗(yàn)設(shè)施的試驗(yàn)訓(xùn)練的綜合體,也就是邏輯靶場,同時(shí)開展了大規(guī)模的仿真建設(shè)。然而由于武器裝備體系的復(fù)雜性,在仿真建設(shè)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(shí)信息以構(gòu)建藍(lán)軍模型,難以對影響體系效能的環(huán)境因素進(jìn)行建模仿真,難以對指揮員的行為決策進(jìn)行建模,同時(shí)也缺乏足夠的手段來評價(jià)作戰(zhàn)指揮決策的效率和決策質(zhì)量。體系級試驗(yàn)訓(xùn)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(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)構(gòu)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(jìn)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(xué)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(lǐng)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(shù)之首。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(kuò)展到其他領(lǐng)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(gè)“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(biāo)是在所有平臺上構(gòu)建數(shù)字孿生體。美空軍與波音公司合作構(gòu)建了F-15C機(jī)體數(shù)字孿生體模型,開發(fā)了分析框架,可預(yù)測結(jié)構(gòu)組件何時(shí)到達(dá)壽命期限,調(diào)整結(jié)構(gòu)檢查、修改大修和替換的時(shí)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(jù)而實(shí)時(shí)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(jìn),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(gòu)建單一靶場的數(shù)字鏡像,而是以構(gòu)建完整的作戰(zhàn)體系鏡像為目標(biāo),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(chǔ)上,借助于大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù),通過數(shù)字化的手段,對無法采用模擬方法構(gòu)建的作戰(zhàn)元素對象,通過傳感器采集的大量數(shù)據(jù),并借助大樣本庫,通過計(jì)算試驗(yàn)反映其特征,為體系級的試驗(yàn)、訓(xùn)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(yàn)訓(xùn)練作戰(zhàn)資源,因此,具有網(wǎng)絡(luò)廣泛覆蓋,信息深度互聯(lián),資源協(xié)同共享的特點(diǎn),同時(shí)還具有以下特征:

1)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng):作戰(zhàn)體系運(yùn)行中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),數(shù)字孿生靶場能對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理,通過自主判斷和分類,對信息進(jìn)行深加工,產(chǎn)生出各類裝備運(yùn)用知識和作戰(zhàn)使用策略,通過數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)實(shí)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(zhì)是實(shí)現(xiàn)物理域向信息域的等價(jià)映射,能夠大樣本完成仿真分析、數(shù)據(jù)計(jì)算和預(yù)測,因此,需要在靶場現(xiàn)有物理實(shí)體機(jī)理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,形成作戰(zhàn)體系和鏡像的虛實(shí)交互。

3)精準(zhǔn)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(jù)對靶場中物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控,另一方面可利用作戰(zhàn)元素的真實(shí)數(shù)據(jù)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(biāo),通過開展裝備試驗(yàn)和人在回路的對抗性訓(xùn)練,將人工智能技術(shù)融入考核評估體系,對裝備體系持續(xù)運(yùn)行和改進(jìn)提供更精準(zhǔn)的評估,實(shí)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(shè)計(jì)

通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù),以構(gòu)建完整的作戰(zhàn)體系鏡像為目標(biāo),我們設(shè)計(jì)數(shù)字孿生靶場的總體技術(shù)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(chǔ)上,實(shí)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(shí)映射和智能決策,構(gòu)建一個(gè)對抗的作戰(zhàn)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)逼真、大規(guī)模、低消耗、可重復(fù)、安全性強(qiáng)的試驗(yàn)訓(xùn)練演練,使模擬訓(xùn)練向?qū)嵄鴮?shí)抗訓(xùn)練轉(zhuǎn)變,同時(shí)考核評估各作戰(zhàn)元素的作戰(zhàn)效能,達(dá)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。

1)虛擬藍(lán)軍:將作戰(zhàn)對手的情報(bào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行知識提取和機(jī)器學(xué)習(xí),采用擾動(dòng)分析的方法,逐步模擬逼近真實(shí)的藍(lán)軍,為試驗(yàn)訓(xùn)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(shí)融合的完整作戰(zhàn)體系,并且能夠按照作戰(zhàn)流程運(yùn)行,可用于體系級實(shí)兵對抗訓(xùn)練。

3)云平臺:利用云計(jì)算等技術(shù)手段,將資源“服務(wù)”化、集中存儲、共享計(jì)算,它是整個(gè)數(shù)字孿生靶場的各實(shí)體信息交互的核心,在訓(xùn)練演練的過程中應(yīng)以快速有效的方式聚集各種虛實(shí)資源,實(shí)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(qiáng)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(shí)體的狀態(tài)進(jìn)行感知,獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)。

5)智能決策層:將作戰(zhàn)規(guī)則、專家經(jīng)驗(yàn)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(zhì)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(fù)雜電磁環(huán)境、復(fù)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(jī)理模型,可以通過對大量的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí),建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。

7)數(shù)字孿生靶場標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)、芯片納米化和5G/北斗網(wǎng)等技術(shù)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(shè)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(wǎng)技術(shù)推進(jìn)了萬物互聯(lián)的發(fā)展,也奠定了萬物可測可控的基礎(chǔ);芯片納米化使得在武器裝備各關(guān)鍵部位加裝射頻識別傳感設(shè)備變得容易可行,可實(shí)現(xiàn)裝備的識別跟蹤和狀態(tài)監(jiān)測;5G/北斗網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器、信息系統(tǒng)、智能終端設(shè)備的連接交互。最終人們可實(shí)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(jù)融合為基礎(chǔ)的智慧測控。以水下試驗(yàn)訓(xùn)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(biāo)等加載水聲傳感器組成水下物聯(lián)網(wǎng),將各試驗(yàn)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)信息通過水下移動(dòng)網(wǎng)關(guān)、水面網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)傳輸至海面,再通過衛(wèi)星通信傳輸至靶場主干測控網(wǎng)。

計(jì)算試驗(yàn)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(rèn)識出發(fā),不斷修改規(guī)則,輸入數(shù)據(jù),使宏觀行為與真實(shí)對象之間在某種程度上趨于一致,從而實(shí)現(xiàn)對客觀的描述。試驗(yàn)和訓(xùn)練的目的就是在實(shí)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(jī)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(jìn)規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)擁塞過程等,可以通過基本規(guī)則的描述,從分析系統(tǒng)產(chǎn)生的現(xiàn)象入手,采用計(jì)算試驗(yàn)的方法對規(guī)則進(jìn)行修正和反演,漸進(jìn)式逼近物理實(shí)體。物理實(shí)體也因此擁有更多發(fā)揮和改進(jìn)的可能。在武器裝備體系試驗(yàn)中,計(jì)算試驗(yàn)可以在評估體系效能和裝備作戰(zhàn)運(yùn)用中發(fā)揮重要作用,例如在新質(zhì)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(yùn)用模式,可以采用計(jì)算試驗(yàn)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(shí)也可以為作戰(zhàn)運(yùn)用提供建議。

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(zhì)量是體系級訓(xùn)練中重要的考核指標(biāo)。指揮員除了能對敵情、我情進(jìn)行基本的判斷,對指揮流程、作戰(zhàn)時(shí)機(jī)要有精準(zhǔn)的掌握,對裝備要能熟練地運(yùn)用,最重要的是能夠?qū)嬰s、不確定和不完整的戰(zhàn)場信息進(jìn)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(yùn)用編成等指揮員的專業(yè)知識存入知識庫,在透明的藍(lán)方戰(zhàn)場態(tài)勢和戰(zhàn)場環(huán)境下,通過計(jì)算試驗(yàn)對作戰(zhàn)過程進(jìn)行計(jì)算,獲得作戰(zhàn)方案,然后調(diào)動(dòng)整個(gè)數(shù)字孿生靶場中各種實(shí)體進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

作戰(zhàn)云是將“云計(jì)算”技術(shù)引入作戰(zhàn)過程而發(fā)展起來的,強(qiáng)調(diào)的是通過云計(jì)算技術(shù)和思想構(gòu)成一種聚合能力更強(qiáng)、資源利用效率更高的聯(lián)合作戰(zhàn)體系,重點(diǎn)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(bào)和目標(biāo)數(shù)據(jù)高度融合,同時(shí)行動(dòng)兵力經(jīng)過整合,體系化運(yùn)用,實(shí)施統(tǒng)一聯(lián)合行動(dòng),提高了作戰(zhàn)效能和規(guī)模效應(yīng),數(shù)字孿生靶場構(gòu)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(shí)的、虛擬的、構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

水下攻防作戰(zhàn)空間廣泛,作戰(zhàn)要素復(fù)雜,作戰(zhàn)結(jié)構(gòu)多維,在訓(xùn)練過程中存在強(qiáng)敵對手引入不夠,體系運(yùn)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(yàn)和實(shí)兵對抗訓(xùn)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下,通過云平臺將水下作戰(zhàn)體系實(shí)兵實(shí)裝的態(tài)勢數(shù)據(jù)和水下測量陣獲取的水中兵器彈道數(shù)據(jù)等信息引入內(nèi)場仿真模型,仿真模型虛擬藍(lán)軍模擬敵潛艇與我方兵力實(shí)施攻防對抗,體系設(shè)計(jì)如圖4。

1)關(guān)鍵海域水下探測體系試驗(yàn)

基于水下攻防數(shù)字孿生靶場, 構(gòu)建由岸基聲吶、作戰(zhàn)艦船、反潛直升機(jī)、反潛巡邏機(jī)、潛艇、潛標(biāo)和浮標(biāo)組成的水下探測體系孿生系統(tǒng),并按照水下探測體系運(yùn)行任務(wù)剖面,開展大樣本的仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)想定中,我方海、天、空、潛等水下作戰(zhàn)兵力在某關(guān)鍵海域構(gòu)建形成三層封控區(qū),敵潛艇按照強(qiáng)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(jì)算我方兵力勢力范圍和對潛搜索概率,評估各水下節(jié)點(diǎn)裝備配置合理性、水下和?？招畔鬏斀换ユ溌返捻槙承?、體系內(nèi)不同要素組合后的作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)性、體系靈活重構(gòu)能力、體系運(yùn)行的可靠性和體系敏捷反應(yīng)能力等指標(biāo)。

2)水下攻防對抗研練

我方圍繞強(qiáng)敵在關(guān)鍵海域可能采取的作戰(zhàn)策略設(shè)計(jì)對抗行動(dòng)。藍(lán)方派出核潛艇進(jìn)入我方關(guān)鍵作戰(zhàn)海域執(zhí)行“情報(bào)偵察、威懾干預(yù)”作戰(zhàn)任務(wù),紅方水下攻防作戰(zhàn)設(shè)置威脅源頭早期預(yù)警、海峽要道重點(diǎn)布控、廣域偵察搜索、協(xié)同接續(xù)跟蹤、近海嚴(yán)密監(jiān)控等訓(xùn)練科目。水下攻防數(shù)字孿生靶場通過聲吶陣元域數(shù)據(jù)建模,模擬產(chǎn)生敵方潛艇噪聲或魚雷來襲等聲吶信號,提供類似實(shí)戰(zhàn)的水下攻防模擬訓(xùn)練環(huán)境,水面艦艇作戰(zhàn)指揮員根據(jù)作戰(zhàn)方案和敵方態(tài)勢進(jìn)行戰(zhàn)斗計(jì)算和指揮決策,智能決策系統(tǒng)通過計(jì)算試驗(yàn)對作戰(zhàn)過程進(jìn)行計(jì)算,評價(jià)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(dòng)—復(fù)盤評估—戰(zhàn)法總結(jié)的方式不斷迭代,提升水下攻防作戰(zhàn)能力。

5、結(jié)束語

數(shù)字孿生靶場蘊(yùn)含了大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種先進(jìn)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(yàn)等軍事活動(dòng),促使物理域中的作戰(zhàn)體系能夠不斷進(jìn)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(yàn)訓(xùn)練的必然道路,也是技術(shù)和未來戰(zhàn)爭雙重驅(qū)動(dòng)帶來的必然結(jié)果。