數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展,靶場的職能從考核單一的武器裝備,向考核整個作戰體系轉變。為構建逼真體系級試驗訓練環境,在現有的靶場框架下引入數字孿生體的概念,提出了以構建完整的作戰體系數字鏡像為目標的數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、作戰云等關鍵技術,并給出了水下攻防數字孿生靶場應用案例,為實現大規模、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展,靶場的職能從考核單一的武器裝備,向考核整個作戰體系轉變。體系的動態性和進化性要求構造一種動態模擬真實對抗環境和背景的試驗訓練環境;而體系效能具有整體性和不確定性,對其考核評估要求創造一個能夠自主運行、高頻度試驗訓練的環境。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。

將數字孿生體的概念引入靶場,采用大數據、云計算、人工智能等新技術構建物理域中作戰體系的數字鏡像,可針對上述問題給出解決方案,推進靶場發展成為更高階的形態。

1、數字孿生靶場基本概念

2002年美國密歇根大學教授Dr. Michael Grieves第一次提出了數字孿生概念,自2017 年以來,數字孿生體連續兩年入圍由全球領先的IT研究與顧問咨詢公司Gartner 發布的“十大戰略科技趨勢”。2017 年11 月,世界最大的國防承包商洛克希德·馬丁公司將數字孿生體列為未來幾年在國防和航天工業中發揮重要作用的六大頂尖技術之首。隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術的不斷發展,數字孿生的形態和概念不斷豐富,逐步擴展到其他領域,2019年美海軍信息作戰系統司令部為林肯號航母(CVN-72)建立首個“數字林肯”數字孿生體,以提高航母信息戰的能力,其最終目標是在所有平臺上構建數字孿生體。美空軍與波音公司合作構建了F-15C機體數字孿生體模型,開發了分析框架,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。

數字孿生是物理對象的數字模型,該模型可以通過接收來自物理對象的數據而實時演化,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展和推進,數字孿生的概念必然被引入靶場。數字孿生靶場不是構建單一靶場的數字鏡像,而是以構建完整的作戰體系鏡像為目標,在最大限度整合各靶場現有的資源以及可拓展作戰資源的基礎上,借助于大數據、人工智能技術,通過數字化的手段,對無法采用模擬方法構建的作戰元素對象,通過傳感器采集的大量數據,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境。

數字孿生靶場首先要最大限度地開發利用和整合試驗訓練作戰資源,因此,具有網絡廣泛覆蓋,信息深度互聯,資源協同共享的特點,同時還具有以下特征:

1)數據驅動:作戰體系運行中會產生海量的數據,數字孿生靶場能對這些數據進行智能處理,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使用策略,通過數據的驅動實現物理靶場的資源優化。

2)模型支撐:數字孿生的本質是實現物理域向信息域的等價映射,能夠大樣本完成仿真分析、數據計算和預測,因此,需要在靶場現有物理實體機理模型的基礎上進一步開發數據驅動模型,形成作戰體系和鏡像的虛實交互。

3)精準映射:一方面數字孿生靶場能夠通過智慧測控獲得的數據對靶場中物理實體進行仿真分析和運行狀態監控,另一方面可利用作戰元素的真實數據完善數字孿生靶場的仿真分析算法。

4)智能優化:數字孿生靶場以提升裝備作戰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,對裝備體系持續運行和改進提供更精準的評估,實現體系能力的不斷優化。

2、數字孿生靶場總體框架設計

通過運用大數據、云計算、人工智能等新技術,以構建完整的作戰體系鏡像為目標,我們設計數字孿生靶場的總體技術框架,在最大限度整合各靶場現有的資源以及可拓展作戰資源的基礎上,實現作戰體系中各類信息的廣泛感知、高效傳輸、協同共享、虛實映射和智能決策,構建一個對抗的作戰環境,實現逼真、大規模、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元素的作戰效能,達到提升作戰能力優化作戰體系的目的。數字孿生靶場的總體框架如圖1。

1)虛擬藍軍:將作戰對手的情報和數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境。

2)作戰體系鏡像:通過整合資源和建立作戰元素的數字鏡像,形成虛實融合的完整作戰體系,并且能夠按照作戰流程運行,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,實現類似作戰云的云部署、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、偵察感知類作戰裝備以及在武器裝備上加裝的各種傳感器,對作戰體系及數字孿生靶場中各種實體的狀態進行感知,獲取狀態數據。

5)智能決策層:將作戰規則、專家經驗等數字化,存入知識庫,通過對敵我雙方態勢的推理和推演提供作戰指揮輔助決策、演練方案評估、作戰效能評估、決策效能質量評估等功能。

6)虛擬戰場環境:包括自然戰場環境、復雜電磁環境、復雜水聲環境等。戰場環境涉及磁場、聲場等,很難建立機理模型,可以通過對大量的測量數據進行機器學習,建立數據驅動模型。

7)數字孿生靶場標準體系:是數字孿生靶場多系統協作、海量信息匯聚、融合和共享、多平臺協同、安全控制的基礎。

物聯網、芯片納米化和5G/北斗網等技術的發展,使得靶場的測控不單單依賴傳統雷測、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,物聯網技術推進了萬物互聯的發展,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,可實現裝備的識別跟蹤和狀態監測;5G/北斗網技術實現了傳感器、信息系統、智能終端設備的連接交互。最終人們可實現以全域裝備狀態感知,天、空、海、陸多維互聯和深度的數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網,將各試驗訓練節點的動態信息通過水下移動網關、水面網關浮標傳輸至海面,再通過衛星通信傳輸至靶場主干測控網。

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,從對對象的基本認識出發,不斷修改規則,輸入數據,使宏觀行為與真實對象之間在某種程度上趨于一致,從而實現對客觀的描述。試驗和訓練的目的就是在實戰的背景下,采用多種手段去發現和掌握一些制勝機理和規律性問題,而有些多輸入、多變量的問題,如敵我雙方的博弈規則、作戰態勢的演進規律和網絡擁塞過程等,可以通過基本規則的描述,從分析系統產生的現象入手,采用計算試驗的方法對規則進行修正和反演,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運用中發揮重要作用,例如在新質作戰力量融入作戰體系過程中,由于不具備成熟的作戰運用模式,可以采用計算試驗的方法,探索各種作戰使用方法,最終得出一系列可行方案,在評估作戰效能的同時也可以為作戰運用提供建議。

作戰人員的心理和智能因素是決定戰爭成敗的重要因素,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場信息進行分析,并在這種不透明的戰場態勢下做出有利的決策。而智能決策是將作戰規則、裝備運用編成等指揮員的專業知識存入知識庫,在透明的藍方戰場態勢和戰場環境下,通過計算試驗對作戰過程進行計算,獲得作戰方案,然后調動整個數字孿生靶場中各種實體進行推演,獲取在不同作戰態勢下的最優決策,這既可以用于對指揮員進行輔助決策,又可以用于對作戰指揮員的最終作戰指揮方案進行評估,從而提高指揮員的決策能力。智能決策過程如圖2所示。

作戰云是將“云計算”技術引入作戰過程而發展起來的,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合作戰體系,重點解決未來分布式殺傷和多域作戰中的作戰力量整合問題。例如,在水下攻防作戰中,空、天、海、潛兵力在作戰云的支撐下,情報和目標數據高度融合,同時行動兵力經過整合,體系化運用,實施統一聯合行動,提高了作戰效能和規模效應,數字孿生靶場構建了作戰體系的數字鏡像,同樣采用作戰云優化部署和利用全局性作戰資源,以快速有效的方式,使各種真實的、虛擬的、構造的作戰元素聚集成作戰體系。數字靶場中作戰云體系結構如圖3所示。

水下攻防作戰空間廣泛,作戰要素復雜,作戰結構多維,在訓練過程中存在強敵對手引入不夠,體系運用戰法不足等問題。通過整合作戰資源和靶場仿真、測控等資源,形成完整的水下攻防作戰體系的數字鏡像,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新水下攻防研練模式。

水下攻防數字孿生靶場涵蓋某岸、海、空、潛等水下戰裝備,在數字孿生靶場建設標準指導下,通過云平臺將水下作戰體系實兵實裝的態勢數據和水下測量陣獲取的水中兵器彈道數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。

1)關鍵海域水下探測體系試驗

基于水下攻防數字孿生靶場, 構建由岸基聲吶、作戰艦船、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,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、潛等水下作戰兵力在某關鍵海域構建形成三層封控區,敵潛艇按照強敵作戰樣式采取不同的航路和戰法,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,評估各水下節點裝備配置合理性、水下和海空信息傳輸交互鏈路的順暢性、體系內不同要素組合后的作戰能力涌現性、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策略設計對抗行動。藍方派出核潛艇進入我方關鍵作戰海域執行“情報偵察、威懾干預”作戰任務,紅方水下攻防作戰設置威脅源頭早期預警、海峽要道重點布控、廣域偵察搜索、協同接續跟蹤、近海嚴密監控等訓練科目。水下攻防數字孿生靶場通過聲吶陣元域數據建模,模擬產生敵方潛艇噪聲或魚雷來襲等聲吶信號,提供類似實戰的水下攻防模擬訓練環境,水面艦艇作戰指揮員根據作戰方案和敵方態勢進行戰斗計算和指揮決策,智能決策系統通過計算試驗對作戰過程進行計算,評價指揮員的指揮決策能力,獲取最優戰法。研練過程按照兵力行動—復盤評估—戰法總結的方式不斷迭代,提升水下攻防作戰能力。

5、結束語

數字孿生靶場蘊含了大數據、人工智能、云計算、機器學習、虛擬現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體系能夠不斷進化發展。數字孿生靶場代表靶場未來發展的必然趨勢,是開展體系級試驗訓練的必然道路,也是技術和未來戰爭雙重驅動帶來的必然結果。