Что такое имитационные модели: оборонный контекст

(Ди Стефано Аволио)
16/02/23

Мы видели, в предыдущая статья, что такое имитационная модель и как с течением времени практика моделирования и симуляции приобретает все большее значение в различных контекстах. Давайте теперь сосредоточимся на текущем использовании моделирование и симуляции в оборонном мире.

Почему симуляции используются в оборонном секторе

Начнем с рассмотрения целей моделирования. В двух словах мы можем сказать, что сегодня мы, по сути, моделируем для достижения одного из этих Цели 4:

A) Подготовка военнослужащих

B) Исследование и разработка выигрышных стратегий/тактик в известных сценариях

C) Определение характеристик новых систем

D) Проверка новых систем

Давайте посмотрим ниже («рисунок 1»), из чего состоят 4 измерения использования, перечисленные выше. И для этого давайте рассмотрим общую симуляцию системы противовоздушной обороны, подобную той, что показана на диаграмме (см. следующее изображение). Это очень упрощенная схематизация, которая дает модель управления и контроля (первая слева на рисунке), модель ракетной установки, радара, ракеты-перехватчика и возможной угрозы (последний синий квадрат на рисунке). рисунок крайний справа). Эти модели реальных объектов связаны в симуляции коммуникационной инфраструктурой (оранжевый блок на рисунке), способной заставить их общаться друг с другом, чтобы построить единую связную симуляцию взаимодействия системы защиты с воздухом. угроза.

Чтобы понять, как моделирование используется для достижения цели А,обучение персонала1, мы можем представить себе необходимость иметь оператора системы вооружения, смоделированного в примере упражнения (см. следующее изображение «рисунок 2»). Давайте представим, что он взаимодействует непосредственно с моделью управления и контроля, давайте представим, что в симулятор загружаются типичные сценарии симуляции боя с враждебной угрозой, и давайте предположим, что система позволяет записывать взаимодействия оператора и результаты боевой задачи. для последующего пост-анализа поведения оператора (сколько вражеских самолетов он успел поразить? С каким результатом? Какой оператор был лучше для данного набора сценариев? Почему?). На международном уровне эта цель известна как «Образование, обучение, упражнения и оценка» (ETEE).

Чтобы понять, как моделирование используется для достижения цели B, исследование и разработка выигрышных стратегий/тактик в известных сценариях, мы должны представить, что у нас есть разведывательные данные, которые позволяют нам смоделировать новую модель угроз. Правомерно спросить, как, при прочих равных условиях, уместно настроить систему, чтобы она лучше реагировала, то есть была более эффективной, на этот тип угрозы: как расположить пусковые установки? Как расположить радары? Какая огневая доктрина более эффективна? Какое самое правильное поведение операторов? Аналогичная ситуация схематически изображена на следующем рисунке ("рисунок 3").

Чтобы понять, почему моделирование используется для достижения цели C, т.е. определение характеристик новых систем, мы снова можем обратиться к сценарию, подобному тому, что показан на предыдущем изображении («рисунок 3»). Предположим, нам стало известно благодаря данным разведки о новой угрозе со стороны потенциального противника. Мы проводим симуляции с моделями имеющихся в нашем распоряжении оружейных систем и обнаруживаем, что имеющаяся в нашем распоряжении система не подходит для обеспечения удовлетворительной степени защиты от новой угрозы. Имея возможность закупить себе новую систему оружия или развить существующую, в каком направлении мы движемся? Может быть достаточно более мощной РЛС, способной увидеть угрозу раньше и лучше, или более маневренной ракеты-перехватчика, или способной достигать больших высот/расстояний по сравнению с существующей? Чтобы ответить на эти вопросы, а затем разработать запрос на предложение усовершенствованной и оптимизированной системы, отвечающей новым потребностям вооруженных сил, моделирование является очень полезным и часто незаменимым инструментом.

И, наконец, попробуем представить, как система моделирования может быть полезна для достижения цели D, т.е. проверка новых систем. Продолжая предыдущий пример, можно попытаться представить, что мы действительно получили улучшенную систему (или подсистему) для противодействия угрозе нового типа. Предполагая, что система, которую мы решили приобрести, представляет собой новый радар, мы можем представить, что в дополнение к самому радару также может быть предоставлена ​​модель радара, модель, подходящая для использования в нашей симуляции.2. С помощью этой модели можно повторно запустить симуляцию, чтобы проверить производительность окончательной улучшенной системы, а затем проверить саму систему, чтобы убедиться в ее эффективном соответствии необходимости противостоять возникшей угрозе (см. следующее изображение «рисунок 4»). ).

Другой случай, подпадающий под задачу D, — это интеграция сложной системы, которая требует разработки с нуля. Обычно при проектировании совершенно новой системы мы начинаем с проектирования глобальной симуляции самой системы, направленной на тонкую настройку детальных требований и разработку алгоритмов каждой подсистемы (именно ситуация первой схемы статьи). После завершения разработки различные подсистемы будут фактически созданы с реальным HW (по крайней мере, в форме прототипа), эти прототипы заменяются, сначала по одному (см. Следующее изображение «рисунок 5»), затем постепенно все, к подсистемам, первоначально задуманным в моделировании. Другими словами, симуляция превращается в реальный инструмент тестирования, проверки и интеграции, полезный для проверки того, насколько сильно созданная подсистема отличается от изначально задуманной (концепция HW в цикле).

Типы моделирования

Есть много способов различать типы симуляций, используемых в защите. Классическое различие между конструктивным, виртуальным и живым моделированием:

  • созидательный: моделирование, в котором моделируются как системы, так и поведение единичных операторов (операторов, поведение которых представлено моделями).3. Система моделирования, подобная той, что изображена на «рис. 3», может соответствовать этому типу определения, если мы представим, что вмешательство человека ограничивается изменением того, что было определено как «данные конфигурации» (например, путем принятия решения о размещении элементов на обоснование или решение о появлении в определенный момент во время симуляции угрозы, которая имеет заранее установленное поведение). В конструктивном моделировании все фактически моделируется (обычно компьютером), и ни один реальный элемент не взаимодействует с моделью.
  • Виртуальный: В данном случае мы смоделировали системы, управляемые реальными людьми (Human in the Loop). То, что описано на «фиг.2», может быть хорошим примером.
  • Концерты: В этом случае, помимо Виртуального корпуса, у нас могут быть и реальные системы (как уже говорилось, концепция HW в цикле). Рассмотрим, например, случай «рис. 6» (следующее изображение), в котором вместо смоделированного радара у нас есть реальный радар, способный отправлять данные на смоделированный объект управления и контроля, а также способный принимать как реальные, так и смоделированные (Сим. в прямом эфире).

Только что изложенная классификация имеет историческую ценность (она фигурирует в первых документах Министерства обороны США с начала 90-х годов), но сегодня она представляется во многом устаревшей. Тем не менее, некоторые соображения относительно различных конфигураций могут быть сделаны.

Конструктивное моделирование, безусловно, обеспечивает более воспроизводимые результаты, относительно дешевле других (нет реальных объектов, все моделируется на компьютерах) и больше подходит для изучения теоретического поведения моделируемой системы (например: определение требований, определение стратегии, оценка слабых сторон). Верность зависит от точности моделей, используемых в самом моделировании.

Но по мере того, как вводятся не моделируемые элементы (например, реальные операторы, как в случае виртуальной симуляции, или реальные системы в симуляции в реальном времени), воспроизводимость симуляции становится все труднее, если не невозможной. Но репрезентативность, с другой стороны, улучшает и делает моделирование более подходящим для различных целей, таких как проверка новой системы или обучение операторов.

Кратко упомянем также технологию цифровых двойников, буквально «цифровых двойников», заключающуюся в создании виртуальных и цифровых копий реальных объектов, копий, способных соответствующим образом моделировать статические и динамические аспекты. Эти цифровые копии, конечно, способны влиять на симуляцию, в которой они действуют, но также и переносить некоторые эффекты/результаты симуляции на реальный объект, копиями которого они являются. Это своего рода альтернатива ситуации на «рисунке 6»: вместо того, чтобы заставить симуляцию взаимодействовать с реальным объектом, оставляя его в реальном мире, реальный объект переносится в симулируемый мир, заменяя его «цифровым двойником». .

Наконец, необходимо задуматься о том, насколько с развитием новейших технологий и с метавселенной у ворот уместно представление «цифры 7» (следующее изображение), которое показывает, наряду с традиционной классификацией (нижняя часть рисунок), наложение концепций смешанной реальности, к которым нам приходится все больше и больше привыкать (для обсуждения перспектив метавселенной полезно прочитать исследование Ref. 2) .

Рисунок 1: Сравнение концепций смешанной реальности (раздел а) и моделирования (раздел б). Источник: ссылка 3

Также представляет интерес классификация, которая различает моделирование на основе иерархической категории моделируемых систем. «Рисунок 8» (следующее изображение, взятое из ссылки 3) синтетически представляет иерархию различных типов симуляции, выделяя уровни агрегации, разрешение/верность, область симулируемого действия (и показывая, например, некоторые известные симуляции в области обороны США).

Наш пример «рисунка 1» будет помещен на предпоследний уровень агрегации, уровень «Миссия». На самом низком уровне (взаимодействии) можно представить себе модель одиночного перехватчика или радара. На еще более низком уровне (инженерном) находятся модели подсистем (например: модель ГСН4 ракеты).

Уровни, расположенные ниже, на «рисунке 8», больше подходят для достижения целей C и D (определение требований и проверка), и по этой причине они называются уровнями. «Инжиниринг».

«Восьмерка» естественным образом подводит нас к решению проблемы функциональной совместимости. Совместимость — это широкое понятие, выражающее способность системы корректно взаимодействовать с другими системами. Интероперабельность уже давно стала требованием, которому должны соответствовать системы вооружений, и она является предпосылкой для сетевых возможностей и многодоменных операций. Если, с одной стороны, системы оружия должны взаимодействовать друг с другом, то столь же ясно, даже просто взглянув на «рисунок 8», что симуляции (или, скорее, модели, на которых основаны симуляции) также должны это делать, как для необходимости агрегирования различных моделей при моделировании, которое рассматривает различные взаимодействующие смоделированные системы, так и для необходимости повторного использования модели5.

Простой для понимания пример — моделирование объектов, оживляющих боевое пространство: если система видит некую угрозу, система, развернутая поблизости, должна видеть ту же угрозу (если только не различаются характеристики сенсоров).

Исходя из этого, мы понимаем, что возникает необходимость определить а) язык для обмена смоделированными данными и б) архитектуру ПО, которая позволяет различным моделям взаимодействовать. Для решения такого типа задач, как объединение объектов разного иерархического уровня, мы теперь можем рассматривать как DIS (Распределенное интерактивное моделирование, стандарт IEEE для проведения моделирования на разных платформах), что HLA (Архитектура высокого уровня, который является архитектурным стандартом для проектирования распределенного моделирования).

(Продолжение)

Читать первую часть»Что такое имитационные модели: происхождение и эволюция"

Читать третью часть»Что такое симуляционные модели: симуляционные центры в Италии и мире"

Ссылки

1 ВВЕДЕНИЕ В МОДЕЛИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ, Ану Мария

2 Метавселенная и национальная безопасность, Итальянский институт стратегических исследований, Фабио Ванорио

3 Открытые вызовы в создании систем боевого моделирования для поддержки тестирования, анализа и обучения, Зимняя конференция по моделированию 2018 г. (WSC), Андреас Толк - Рэймонд Р. Хилл - Дуглас Д. Ходсон - Джереми Р. Миллар

Внимание

1 Аналогичное понятие определяется в английском термином «Репетиция миссии», то есть доказательство миссии.

2 Поставщик часто заказывает различные версии модели, предназначенные для отражения хода проектирования подсистемы. Таким образом, можно получить промежуточные результаты до того, как будет выпущен окончательный проект, чтобы иметь возможность проверить обоснованность запрошенных изменений и, при необходимости, иметь возможность исправить их на этапе проектирования нового продукта. , когда стоимость модификаций все еще разумна.

3 Поведение командиров, которым поручено осуществлять командование и управление зависимыми подразделениями, не моделируется.

4 Подсистема сопровождения цели

5 Однако необходимо соблюдать осторожность при повторном использовании имитационных моделей и предупредить читателя, что не всегда возможно повторно использовать модели, созданные для двух имитационных моделей на разных иерархических уровнях или даже на одном и том же иерархическом уровне. Существуют проблемы с уровнем точности, требованиями к исполнению и т. д., которые часто делают повторное использование невозможным. Это решается либо упрощением модели, либо ее перепроектированием, либо даже просто использованием данных более точного моделирования в контексте моделирования более высокого уровня.

Фото: ВВС США / автор