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河北仿真军用气模【原创】2017年军用建模仿真技术领域发展综述

来源: 发布时间:2021-06-06 252 次浏览

  2017年,各国通过运用云计算、大数据、人工智能、建模与仿真(Modelling and Simulation Centre of Excellence,M&S)技术等综合集成构建的人机智能推演和创新系统,推动建模仿真在基础理论与方法、顶层架构、装备全生命周期、军事演习、作战训练与保障等诸多方面取得重要进展,建模仿真应用能力不断提升、军事应用不断深化。

  2017年,美国防部不断加大新兴技术研发的投入,人工智能、量子计算、仿真军用气模【原创】2017年军用建模仿真技术领域发展综述虚拟现实和机器学习等技术研发经费都有较大增长,2017财年美国国防部在云计算、大数据和人工智能技术等方面的投入就高达74亿美元。

  云计算是美国国防部明确的改革重点工作之一,采用云基础设施和平台服务为变革国防部使用信息技术服务的方式、发展先进能力、释放机敏计算资源的力量以及开展先进数据分析奠定基础。其关注的技术重点为弹性计算、数据管理与分析、网络安全和机器学习等。2017年国防部已采取两项行动,推进云计算改革。9月13日,下发《加速采用企业云》备忘录,成立云执行指导小组(Cloud Executive Steering Committee,CESG),加快国防部机构和各军种部向云计算迁移的步伐。11月27日, CESG发布国防部云信息征询书,确保尽快实现云基础设施和平台服务的运营优势,为非密、机密和绝密分级信息提供支持。

  人工智能技术被列为国防部获取长期军事优势和威慑战略的“技术基石”之一,成为未来作战发展新方向与新途径。

  “算法战”利用人工智能技术,从大数据中快速获取军事情报,大幅提高军事决策的速度和效率。2017年4月26日,美国国防部设立“算法战跨部门小组” (Algorithmic Warfare Cross Functional Team,AWCFT)。10月24日,宣称AWCFT已开发出款用于嵌入式武器系统和传感器处理器的紧凑型智能算法,该算法将成为武器系统的一个关键要素。工作重点是MQ-9和MQ-19无人机平台的全动态视频传感器数据,任务包括文件开发、采集管理、战争博弈、建模和仿线日,评估该项目的个算法。12月26日,该算法将融入陆海空三军“分布式通用地面系统(Distributed Common Ground Systems,DCGS)”。

  应用人工智能技术实现多领域创新。2017年8月8日,美国空军决策数据的机器学习项目利用人工智能技术实现识别和建模高阶模式,以改进企业级决策、资源分配情报、态势预测和优化操作来降低运营成本。10月9日,美国Engility公司演示“即插即用”的人工智能程序——“综合分析”,以改善多种任务的作战效能,比现有自动化程序快400倍。11月1日,美国国防创新单元实验室(Defense Innovation Unit Experimental,DIUx)授予C3 IoT公司一份多年采办合同,提供基于人工智能的预测性维护解决方案,先集成到F-16战机及E-3“哨兵”空中警戒和控制系统飞机上,实现将人工智能、自动化和机器学习应用于更大平台的工作方向。而同时,俄罗斯官员则表示人工智能将取代战场上士兵和飞行员。

  基础科学上的建树是从根本上赢得战略对抗的主动与先机。2017年,在基础创新研究中增强现实技术和基础软件方面取得突破,加速建模仿线日,罗克韦尔•柯林斯公司推出国防训练领域的首创系统——聚结混合现实系统(Coalescence Mixed Reality System),将真实世界与合成环境相融合,提供了一个无缝增强的混合现实,提高学习和训练的效果。5月2日,美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)启动“高性能快速计算挑战”(High Performance Fast Computing Challenge,HPFCC),寻找将FUN3D程序在昴宿星超级计算机上的运算速度提高十倍到一万倍而不降低计算精度的方法。7月24日,麻省理工学院的计算机科学与人工智能实验室(Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory,CSAIL)和哥伦比亚大学的研究人员设计开发的InstantCAD插件,优化计算机辅助设计(Computer-Aided Design,CAD)模型工具,基于云平台实现多个几何评估和仿真并行计算,节省工程师数天或数周时间。11月17日,洛克希德•马丁公司将“数字孪生”列为2018年技术之首,正将“数字孪生”技术整合到某个产品生产的初级阶段,实现从一个概念贯穿到一个具体产品的全过程。也是世界上将“数字孪生”技术运用到深空探测领域。11月30日,美国国防研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)开展“世界建模师(World Modelers)”项目,研究使分析人员能够快速开发出分析安全态势模型的技术,预测类模型将能分析不同的场景和各种干预策略。12月4日,亚利桑那大学光学科学学院研制出了虚拟物品与真实物品可互相遮挡的增强现实显示器原型,从而确认虚拟物品的线日,美国海军称将在明年2月测试宙斯盾“虚拟双机(Virtual Twin)”作战系统,基于模型的系统工程将彻底改变海军的装备设计和测试。

  高性能计算及高性能计算机是近年来多国竞争的焦点。2017年美、英、日等国聚焦量子计算,开展了多项研发活动。高性能计算的不断突破,加速推进仿真应用在作战理论及新概念验证、武器装备研发与试验等领域的应用与实践。

  2017年3月6日,IBM公司推出全球商业“通用”量子计算服务IBM Q。10月24日,IBM宣布成功利用一台超级计算机模拟了56量子比特的量子计算机,打破了“量子霸权”的断言。而谷歌发布执行量子电路模拟的Open Fermion开源软件。11月24日,IBM公司成功研发50量子位的量子计算原型机,并突破性地将量子计算机的平均相干时间从50微秒提升至90微秒,同时推进量子计算在美国“军事云”的应用,为美军取得非对称优势提供强大算力保障。11月20日,日本成功研发提高交通网、无线通信等网络效率的超高性能的量子计算机。

  2017年3月27日,美国防部在实验室研究、测试、计算机仿真等领域部署SOL工程有限责任公司软件实现和实时测试并应用于高性能计算现代化项目(High Performance Computing Modernization Program,HPCM)。8月8日, DIUx授予SparkCognition公司量子计算阶段项目,以量化的方式增加高层决策,将“彻底改变空军以及潜在的国防部整体开展业务的方式”。8月11日,美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)与IBM合作开发使用64位TrueNorth芯片的神经突触系统阵列以及感官处理和模式识别工具的超级计算机,该芯片有助于提升基于人工智能的防御系统能力。7月3日,源讯公司(Atos)获得英国原子武器研究所(Atomic Weapons Establishment,AWE)合同,安装一台新的Bull Sequana超级计算机,为英国国防提供高性能计算解决方案,模拟“三叉戟”核弹头爆炸的建模与仿真,以促进下一代科学建模。

  2017年举办的M&S会议多达17场,各国通过汇集学术界、工业界、国防和政府的研究与实践,致力于解决军用M&S系统开发与应用中不断涌现的各类关键问题,完成新标准新体系的制定与完善及其相适应的政策实施,以应对未来复杂环境战场的挑战。

  2017年8月17日,美国国防部在网络安全与信息系统信息分析中心(Cyber Security & Information Systems Information Analysis Center,CSIAC)的研讨会上概述M&S战略愿景和目标,其目标之一是“促进整个国防部企业工具、数据和信息共享”,以实现模型、仿真和相关数据的重用和互操作性,提供国防部企业建模和仿真资源的可视化。美国国防部建模与仿真协调办公室建立了国防M&S目录支持可视化、资源共享及重用,补充了国防企业元数据卡建造资源(Enterprise Metacard Builder Resource,EMBR)工具并发布EMBR 2.0版本,提供更多的增强功能便于用户灵活管理资源。

  美国空军一直致力于实现其训练系统的通用性,宣布将于2018年4月发布仿真器通用架构要求和标准(Simulator Common Architecture Requirements and Standards,仿真军用气模仿真军用气模SCARS)的征询方案,旨在开发能适应并响应动态网络安全环境的训练体系结构。2017年11月29日,为最初的远程扫描和架构概念发布了11个探路者合同模块。最终SCARS将使40多个独特的复杂器基线得到更有效地支撑。为支持SCARS计划并增强仿真和训练服务领域竞争优势,10月3日,CAE美国公司表示闭环训练(Closed-Loop Training)和通用数据库等技术是未来成功的基础,闭环训练过程的目标是使用大数据来分析个人的学习情况,通用数据库补充了训练系统标准化趋势。

  自北约开始使用信息技术以来,建模与仿真系统为培训、教育、决策、采购、概念开发、实验及其他领域提供了支撑。至今为止,北约并未对北约和人员规划和管理这些系统的使用资格进行正式授权。2017年7月11日,北约建模与仿真小组(Modelling and Simulation Group,MSG)MSG 152推出“北约建模与仿真职业团队发展”活动,旨在开发专业的M&S教育和训练组合,更有效地支持北约和建模和仿真需求认证。

  (四)澳大利亚国防部推进国防核心仿线日,澳大利亚国防部的联合项目9711——国防核心仿真能力(Core Simulation Capability,CSimC)项目要求开发网络训练能力,在全国基础设施上对仿真器进行网络仿真,并提供与美国仿真网络联合军演的能力,以确保在空天、电磁和网络等领域建立联网的未来联合部队。而6月的“钻石雷霆”演习(Exercise Diamond Thunder)强调了这一意图。7月17日,选择由诺斯罗普•格鲁曼公司和洛克希德•马丁公司领导的两支团队来实现该项目。12个月内将选出最终承包商。其阶段包括系统开发和集成、测试和评估,以及核心系统的校核与验证。

  2017年3月,美国防部发布《2016财年研制试验鉴定年度报告》,对2016财年美军研制试验鉴定和试验资源管理重点工作进行了全面总结,对国防部各部门提交的研制试验鉴定自评报告进行了综合评估,并对40个采办项目的研制试验鉴定工作进行了重点审查。2016财年,美军重点关注研制鉴定框架、可靠性试验鉴定、网络安全试验鉴定、互操作性试验鉴定等领域的研制试验鉴定工作,并有效监督和指导了国防部试验鉴定资源的评估与战略规划工作。

  支撑武器装备研制与评估仿真系统是辅助决策者论证武器装备发展的量化工具。武器装备建设和发展必须在动态、对抗和整体的作战仿真环境下,才能准确分析武器装备在装备体系中的地位与作用,解决未来联合作战条件下武器装备的总体优化发展和作战能力提高问题。

  美国导弹防御局2018财年高度关注建模与仿线财年国防预算申请,其中导弹防御局预算申请总额为79亿美元,多个项目涉及建模与仿真应用。“宙斯盾”系统试验项目将对“宙斯盾”系统进行建模仿真和地面试验,使导弹防御局和作战司令部掌握“宙斯盾”系统的作战能力;先进概念与系统评估项目主要对先进技术概念进行建模、仿真和性能评估,为机载先进传感器、杀伤器模块化开发体系架构试验床、事先和事后性能预测和评估等数字仿真和人在回路试验设施提供资金支持;弹道导弹防御传感器试验项目涉及试验前的数字和半实物仿真;一体化弹道导弹防御系统项目中,导弹防御局采用建模仿真的方法对弹道导弹防御系统进行评估,在特殊想定场景下验证弹道导弹防御系统应对复杂威胁目标的能力;利用系统与组件级的试验、建模和仿真来验证系统的性能与能力;并继续改善系统级的数学仿真以及一体化系统级的地面试验仿线

  导弹防御局寻求高保线日,仿真军用气模美国导弹防御局寻求能够仿真敌方导弹的公司,以帮助政府和工业界更好地改进弹道导弹防御系统和使能技术。导弹防御局关注不断演变、扩散且日益复杂的敌方导弹系统,致力于导弹威胁目标建模与仿真,用于开发威胁规范、威胁模型、特征描述、情景和轨迹数据。

  2017年8月23日,陆军研究与发展司令部联手训练与条令司令部和陆军游戏工作室联合打造“作战高手”(Operation Overmatch)的游戏环境,作为“早期合成样机”(Early Synthetic Prototyping)项目的一部分,项目旨在建立科学家、士兵和工程师的理念与武器样机、设备和战术之间的联系,未来将允许士兵测试武器和战术,并通过对游戏的分析提供即时反馈和数据。在线月进入beta测试阶段。

  支撑半实物仿线日,美国空军研究实验室授予Engility控股有限公司一份为期5年、价值4900万美元的不定交付不定量合同,用于继续支持美国空军研究实验室的动能杀伤半实物仿真研究技术(Kinetic Kill Hardware-in-the-loop(KHILS)Simulation Technology for Advanced Research,KSTAR)项目,发展多光谱和多模态现象学建模能力,以帮助空军通过使用集成制导仿真来过渡武器系统。

  军用仿真系统已成为当前军事训练的支撑手段、作战分析的决策依据。各国通过不断推进各类训练、演习,探索、实践、验证未来作战能力。2017年,建模与仿真技术在军事训练与军演方面的应用持续深入。

  (一)各国军演不断深化仿线年,各国涉及M&S军演就多达17场,有媒体称今年为“演习年”,重点涉及多种技术的融合支持作战训练,重点演习有:美国海军研究局的“斯巴达新兴技术与创新周”演习,增强战场指挥官在多变的战场环境下快速知情决策能力;美国空军“红旗”演习、两次“太空旗帜”演习、太空网络挑战赛、“网络卫士”、第11次“施里弗”演习等,演示、验证“多域战”能力;

  美国海军陆战队闪电剑训练演习验证了在实时战术无线电操作人员和集中式演习训练人员间建立联网语音通信能力;

  北约波罗的海作战演习、“锁定盾牌2017”演习、“联合勇士互操作性探索、实验、评估和演习”(Coalition Warrior Interoperability eXploration、eXperimentation、eXamination、eXercise,CWIX)2017”演习、“强大盾牌”海上训练演习等,不断探索和验证北约防御任务、网络防御、M&S重点领域、综合防空和导弹防御能力等方面的作战能力;

  英国“红风筝”分布式训练演习、仿真军用气模铁龙演习、英国联合作战司令部“一站式”发展战略演习等,推进双向分布式综合训练及分布式合成空地训练(Distributed Synthetic Air Land Training,DSALT)能力,验证“一站式”发展战略以及英国联合作战司令部训练目标。

  洛克希德•马丁公司针对“多域战”概念进行一系列作战演习,以探索反介入/区域拒止(Anti-Access/Area Denial,A2/AD)的作战战略、运用相应的作战概念和武器。2017年4月11日和11月27日,洛克希德•马丁公司先后开展了2次“多域战”推演。推演活动着眼于军方在构建“综合任务指令”(Integrated Tasking Order,ITO)时所面临的挑战。演习所使用的武器系统包括Panopticon的可视化工具,智能空间(iSpace)系统,美国空中分布式通用地面系统(Distributed Common Ground System,DCGS)、战区作战管理核心系统(Theater Battle Management Core System ,TBMCS),指挥与控制、作战管理与通信(Command and Control、Battle Management and Communications,C2BMC)系统以及下一代空中任务管理系统(Air Tasking Order Management System,ATOMS)。演习活动的主体由扮演多域战联合作战部队和扮演传统作战部队的两支团队组成。演习中,洛克希德•马丁公司探讨了如何跨域指挥和控制,提高美军空中、太空以及网络领域的协同作战能力,重点研究了如何使作战人员更好地嵌入到作战决策回路中。

  2017年11月14日,美国DARPA向BAE系统公司授予价值高达1280万美元的合同,用于开发数字化实验室,帮助美国军事指挥官为外空作战做好准备,帮助美军“快速评估和整合太空指挥和控制技术”。该项目称为“霍尔马克测试平台”(Hallmark Testbed),将建立一个虚拟的太空战区,协助美军领导人更好地了解太空环境和潜在的威胁。还允许美军领导人练习如何开展“多域”作战,以便对在太空、陆海空或网络中收集的数据进行整合和分析,为同时开展的空间和地面任务提供支持。该项目的阶段称为“霍尔马克软件试验台”(Hallmark Software Testbed,Hallmark-ST),侧重于态势感知和指挥控制技术;项目的下一个阶段是在弗吉尼亚北部建立“霍尔马克空间评估和分析能力”中心,用于太空指挥控制软件和程序的开发、集成、建模、仿真和现实测试。

  仿真行业技术发展的持续进展将有助于实现训练领域所需的变革。美国防部下一代训练战略提出,集成实况-虚拟-构造(Live、Virtual and Constructive,LVC)能力和提升驻地联合训练等主流训练手段的精度水平将作为建立平衡多样化联合作战部队的重要组成部分。

  2017年3月3日,在空军协会的年度空战研讨会上,美国空军高层表示将运用LVC技术帮助飞行员做好应对未来多领域、跨学科的融合作战准备。该作战模式将把陆、海、空、天、仿真军用气模网等领域的所有力量融合在一起。美国空军希望在采办前开展更多试验,以充分发挥LVC技术诸多优势,如空军正寻求利用LVC技术的一种商业化的近距空中支援方案,即OA-X。

  合成训练环境(Synthetic Training Environment,STE)是一项增强现实训练,旨在提高士兵在各种环境中的战备能力。这些仿真旨在通过利用一个世界地形(One World Terrain,OWT)建立多种场景来训练现役和预备役部队。OWT研究项目将为基于地理空间数据的仿真创建三维地形,以模拟现实环境。2017年8月21日,陆军研究实验室、南加州大学创新技术研究所、联合兵种中心仿真、训练和仪器训练和项目执行办公室正在研发该项目。STE是前期材料开发决策阶段。7月12日,Elbit系统公司使用标准协议的综合训练提供不同类型和不同地点的多种设备在可信网络和安全的云环境中进行集体训练,完成了基于云仿真环境下一代集体训练开发的阶段。总的来说,军事和国防部对增强现实和虚拟现实训练的投资在十年内持续增长,预测指出到2020年,几乎所有的训练活动将包括某种混合现实组件。虚拟训练项目体上更便宜,受训人员更安全,仿真军用气模来自海军研究所的研究表明,VR训练有助于缩短战备差距。

  LVC综合训练所能提供的优势非常引人注目,特别是在许多军队面临预算限制的情况下。仿真军用气模这种类型的训练允许根据需要进行多次场景练习。此外,由于成本和/或安全因素,在实训环境中难以复制的情景可以在综合环境中有效地进行规划和演练。

  2017年11月28日,CAE仿真和培训公司与罗克韦尔•柯林斯公司在2017跨军种/工业界训练、仿真与教育会议(Interservice/Industry Training、Simulation and Education Conference,I / ITSEC)展会上进行两场实况-虚拟-构造集成域(Integrated-Live、Virtual and Constructive,I-LVC)演示活动。演示活动将汇集海军作战系统仿真器(Naval Combat System Simulators,NCSS)和远程驾驶飞机(Remotely Piloted Aircraft,RPA)桌面训练系统等虚拟元素,以及包括攻击直升机和地空导弹在内的构造实体。爱荷华大学操作员性能实验室将运行一台现实生活中线飞机。CAE强调此次演示使用不同的图像生成器、不同的计算机生成兵力、混合分布交互式仿真和高层体系结构以及“展示如何使用美国安全局在四个安全飞地的领域守卫,为演习提供四个级别的网络安全。”

  2017年12月7日,CAE与罗克韦尔•柯林斯公司合作,推进LVC分布式训练演习能力。演习采用罗克韦尔•柯林斯公司新一代双座吊舱,该吊舱包含足够的带宽向飞行器发送虚拟和构造威胁,然后以相对较低的延迟实时发送导弹和飞机位置等数据。推进LVC的重要性对于F-35等第五代飞机上的先进武器和传感器系统至关重要。

  从世界仿真技术发展的趋势来看,以美国为代表的仿真技术优势,在紧缩开支、消减兵力、需求多样、威胁不确定、必须依靠创新保持优势等大背景下,建模与仿真技术高效、可重用、节约成本、安全可靠、积极推动创新等优势必将进一步凸显,美军等战略规划、作战分析、装备采办、军事训练、后勤保障、技术研发等对建模与仿真技术的依赖将进一步加强,建模与仿真技术将更广泛深入渗透到军事国防的各领域。