仿真——当今科技集成的尖端领域

在高度电子化、信息化、智能化、数据化发展的今天,仿真技术日益受到重视。仿真技术是一门多学科的综合性技术,它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础,以计算机和专用设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。

仿真技术是一项国防关键技术,对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用,已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。在我国当前提出的“科技强军”中,仿真技术的发展和应用具有相当的核心价值。

大数据时代的发展,实际上已经完全改变传统仿真的概念。特别在军事高科技产品研制方面,仿真可以应用于产品研制的完整寿命周期中,从需求的分析、论证到设计、原理样机研制、生产、检测、维护等各阶段。在模拟实践中预先发现问题、缺陷,避免在时间、资金及决策中的损耗和失误。不仅加快了武器系统的研制进度,也缩短了新武器形成战斗力的时间。

军事训练方面,仿真技术同样大有用武之地。未来战争的战场环境将是多维度的海陆空天联合作战模式。战区集中了大量的武器装备,作战单元,形成实体、虚拟间错综复杂的关系。同时充满各种变量和参数的变化,即时产生不同的结果。演练中对所有这些数据的分析、判断和决策,只有仿真能满足这样的需求。现代高科技仿真,可以使目标和对象真正达到包罗万象,包括:从地理环境到自然生态;从气候环境到空间环境;从兵器装备到各种虚拟干扰;从单兵操演到联合作战模式;从单一火力到立体合成火力发射,全面打造出未来战场平台。

更需要重视的是,仿真作为综合技术及对各种数据的掌握、运用,在国家层级及全球大战略的构想、评估、推演等方面也越来越具有“先知先觉”的潜力和意义。

在民用方面,仿真技术同样有着广阔及实用的发展前景。仿真技术得以发展的主要原因,是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面,采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。利用飞行仿真器在地面训练飞行员,不仅节省大量燃料和经费(其经费仅为空中飞行训练的十分之一),而且不受气象条件和场地的限制,培养飞行员应付故障的能力。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障,一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域,而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域,如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统,很难在真实的系统上进行实验。因此,利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。

仿真技术目前一个重要的发展趋势是将仿真技术和人工智能结合起来,产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都将不断地增长,有效性和置信度的研究也将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。

现代战场与仿真应用

合成环境(SE)仿真:由于大量科技成果被首先应用于未来战场,未来即使是传统意义的微小局部战场,也可以形成上至太空下至海底的天、空、陆、海、潜的多维立体,同时在不同层次亦形成电、光、磁、化学及传统火药的多种干扰、杀伤、闭锁等实体和虚拟对抗。在非战情况下很难进行未来战场的实际演练。合成环境(SE)仿真最为出彩的地方是其针对复杂现实的合成性和突出的廉价性。正是由于这种合成性,英国皇家空军(RAF)计划于2020年前使其50%的飞行员训练都运用这种技术。

反过来,仿真的发展演进也扩展了合成环境技术领域的应用深度和广度。这一通用性能够使得许多不同的仿真要素在虚拟世界之中产生联系,高层体系架构(HLA)和分布式交互仿真(DIS)正是两个颇具代表性的例子。这两种技术都用于保证组件与其共享平台、系统与分系统厂商间的互操作性,进而使其能够共用各自的软件模型。高层体系架构(HLA)更有利于实现环境、模型和仿真要素之间的信息交换。

现代战场仿真技术的四大类:现场性、虚拟性和建设性(LVC)的开发方法中最为重要的理念就是这种完全的兼容性。LVC开发方法覆盖军事训练的全过程,包括野外训练、交互式虚拟作战和纯计算机仿真。对复杂武器系统生产商而言,LVC模型可运用于增强规划设计的方方面面。LVC仿真可依据人类活动参与的保真度和层可次进行定义。

    现场性(Live):建模仿真参与最少的仿真过程。合成环境(SE)可以使用测试弹药的遥测记录数据来重演、重放整个过程。

    虚拟性(Virtual):实时仿真过程中的一部分,包括一系列人类和软件行为的组合,如决策制定和控制行为。这一点可以用来评估导弹系统作战中人的作用。

    建设性(Construction):人类活动参与最少的仿真过程,这其中的结果是精准确定的。典型的建设性仿真用于将规划指导和航空动力学、机械力学模型一起融合在虚拟“构设”的场景中进行检验。

仿真的第四大类也可定义为LVC三大类中两个或三个方法的组合运用,即LVC混合仿真,有时也被称为“硬件在环仿真”,这是典型的使用硬件回应合成环境(SE)变化的方法。这种方法被广泛地运用于控制实验室中导弹导引头的设计研发,其跟踪算法的弹性和灵敏度全部都能够描述清楚,导引头通过使用计算机生成的地域交通态势,进而分析其行动轨迹。飞行模拟器可以指示空军的机动轨迹,这些轨迹通过“六自由度”仿真模型实时计算生成。

合成环境在检测评估:不管现实情况的任何元素由设备、软件算法或数学模型来取代,这些东西必须都能够真实的反映该元素的特点。测试评估准确度最终还是需要对实际的投射情况进行遥测,以确定实际情况是否与模型匹配。因此,实际测试与软件模型之间就存在一种互相提供数据的天然依赖关系。如果能够提供复杂武器系统故障点的数量,那么许多的受检测武器就能够恢复性能。但是,通过这种方式来收集这么大量的数据,不仅代价昂贵并且有时还很难实现。至少对于常规武器而言,射程越远代价就越昂贵,对于核武器而言这些数据就直接跟本没有。合成环境在检测评估中的优势在于其分系统能够在虚拟现实中的隔绝集成环境下得到检验,这就能够降低技术风险并展现系统级组件的独立性。

(文章对合成环境的论述主要借鉴英国皇家联合军种国防研究所(RUSI)的研究分析员本·图默(Ben Toomer)所撰写的研究文章《仿真的力量》)