中国指挥与控制学会会刊 
战中作战任务规划是作战任务规划的重要组成部分,是对预先作战计划的重要调整和补充,是快速、高效指挥控制部队行动的重要依据[1-2]。战中作战任务规划是指在战役实施过程中,根据作战进程和实时战场态势,对预先作战计划或者临战计划进行修订,快速制定当前行动计划,规划后续行动,形成情况处置方案,确保作战任务规划方案适应战场态势变化[3-4]。战中作战任务规划一般依托任务规划系统(mission planning system,MPS)[5-6]实施,然而随着战场复杂度的提升和战场态势的瞬息万变,战中作战任务规划问题变得十分复杂,加之战中作战任务规划对作战任务规划方案实时性和准确性的双重要求,现有任务规划系统面临严峻挑战。
1 战中作战任务规划存在的问题
(1)规划模型静态,无法动态调整
任务规划过程涉及的建模要素复杂,现有任务规划系统所用仿真模型大都是固定的,即在模型性质上属于静态模型,缺乏模型在线选择和模型动态演化能力,无法根据战场态势情况进行实时调整,难以实现战场态势预测结果和作战任务规划方案的自适应修正,即建模要素没有模型演化能力,不能适应战争进程的快速变化,是制约战场态势预测精度和作战任务规划方案准确性的重要因素。
(2)实时规划能力弱,在线规划困难
信息化战场的复杂性使得战场态势复杂多变、不确定性强,特别是作战任务规划方案对实时性要求高,迫切要求根据最新的战场态势规划作战任务,但是,现有作战任务规划系统实时规划能力弱。作战任务规划实时性的问题主要集中于仿真模型的实时更新与快速解算,根据战场态势研究具有自更新能力的作战任务规划方法,为指挥人员及时作出任务规划决策提供依据,成为当前作战任务规划研究的难点。
(3)态势预测手段不足,规划准确度不高
准确预测战场态势是实现准确作战任务规划的前提,如何将信息优势转化为任务规划方案优势是影响战斗力提升的重要因素。然而现有的预测手段如时空维度分析、模糊聚类分析等,在战场布势、敌方意图识别以及敌方作战计划等战场态势预测方面偏差较大,“态势”分离偏现象较为普遍,难以支持科学的任务规划方案制定。
(4)重规划需求强烈,推演评估难以支撑
随着战争复杂度的提升,瞬息万变的战场态势使得预规划方案时效性大大减弱,必须及时进行任务重规划,任务重规划过程涉及规划方案的在线评估。评估过程一般采用传统的仿真推演或者专家经验判断法,前者推演实时性弱,无法展开并行推演,后者主观性强,存在误判风险,二者已无法满足战中任务规划对准确性和快速性的要求。
2 面向战中作战任务规划的平行仿真概念及特点
2.1 面向战中作战任务规划的平行仿真概念
面向战中作战任务规划的平行仿真概念如图1所示。
面向战中作战任务规划的平行仿真(以下简称任务规划平行仿真)是一种新的仿真应用模式,旨在构建与实际任务规划系统平行运行的仿真系统,任务规划系统和仿真系统互联在一起,仿真系统动态地接收来自任务规划系统的信息,用于在线演化仿真模型,提高仿真模型逼真度和模型输出的准确性,在此基础上,辅助指挥人员制定多种任务规划方案,通过多方案并行推演仿真,在线评估任务规划方案的优劣,将任务规划方案评估结果动态地反馈给任务规划系统,指导、控制部队作战行动和装备作战运用,提高作战效能。以这种模式运行的仿真系统称为任务规划平行仿真系统(简称平行仿真系统)。
平行仿真系统主要通过以下5个步骤完成对战中作战任务规划的支持:
步骤1:战场态势数据接收与处理。实际任务规划系统通过战场感知手段,实时获取战场态势数据,并注入平行仿真系统,平行仿真系统实时接收战场态势数据并进行数据处理,得到仿真系统能理解的态势信息。
步骤2:战场实体平行仿真模型动态生成。平行仿真系统根据态势信息与战场实体仿真模型库中的实体模型进行匹配,得到战场实体平行仿真模型并执行模型实例化,加载至平行仿真系统,实现战场实体平行仿真模型的动态生成。
步骤3:战场实体平行仿真模型动态演化。基于最新战场态势信息,采用一致性度量分析方法,执行战场实体平行仿真模型动态演化,具体包括战场实体平行仿真模型类别修正、参数调整和实体行为意图更新等,为基于平行仿真的战场态势预测提供最新的仿真模型。
步骤4:基于平行仿真的战场态势预测。根据最新的战场实体平行仿真模型,基于智能化仿真克隆技术生成多态势分支,执行多分支态势并行推演,根据仿真节点的运行负载以及仿真推演粒度进行复杂度降阶,仿真生成未来一段时间战场态势预测结果,反馈给实际任务规划系统。
步骤5:任务规划方案“虚拟执行”。实际任务规划系统根据战场态势预测结果,生成多套任务规划方案,并发送给平行仿真系统;平行仿真系统依托仿真推演引擎进行多套任务规划方案并行推演与评估,并将评估结果反馈给实际任务规划系统,为最优任务规划方案的选择提供依据;实际任务规划系统依据最优任务规划方案对部队和装备进行指令控制,即最优任务规划方案的“实际执行”,完成设定的作战任务。
2.2 面向战中作战任务规划的平行仿真特点
根据任务规划平行仿真的概念可知,与以往仿真技术相比,任务规划平行仿真在结构组成、建模方式、运行机理等方面具有以下特点:
(1)虚实共生
任务规划平行仿真中,“虚”和“实”分别指平行仿真系统和实际任务规划系统。实际任务规划系统和平行仿真系统通过特定的接口设备(如接入网关)连接在一起,在作战任务执行过程中实际任务规划系统和平行仿真系统相互交互信息,形成物理上的共生结构。在共生结构下,仿真系统不仅仅是对实际任务规划系统的嵌入式分析,而是一种平行再现。
(2)双向交互
一方面,平行仿真系统利用传感器和虚实接口从实际任务规划系统获取战场态势数据,用于动态演化战场实体平行仿真模型,并根据实际任务规划系统实时态势数据和平行仿真模型输出结果进行推演仿真,得到仿真预测结果;另一方面,平行仿真系统将仿真结果反馈给实际任务规划系统,可为战中作战任务规划提供实时、可靠的态势预测数据支持。
(3)模型动态演化
任务规划平行仿真中,仿真模型突破了以往侧重于一次性构建的情况,一方面模型构建时要求与战场实体当前运行的特点及状态/行为尽量逼近,另一方面在仿真运行过程中通过与实际任务规划系统交互信息,不断调整模型参数或实体状态、行为意图即开展可演化建模[9],使得模型输出发生适应性变化,达到校正模型输出和提高仿真逼真度的效果,进而利用可演化仿真模型对战场实体的未来状态/行为进行预测,为任务规划方案制定提供数据支撑。
此外,任务规划平行仿真属于典型的实际态势数据驱动的仿真范式,在执行战场态势预测过程中,平行仿真系统一般采用超实时方式运行,以减少态势预测所需时间,确保仿真的实时性。
3 面向战中作战任务规划的平行仿真系统设计
根据面向战中作战任务规划的平行仿真概念,本文提出面向战中作战任务规划的平行仿真系统架构,该架构紧密结合任务规划平行仿真思想和战中作战任务规划需求,在分析架构设计目标的基础上进行设计。
3.1 面向战中作战任务规划的平行仿真系统设计目标
本文面向战中作战任务规划的平行仿真系统设计目标可归纳如下:
(1)实时接收和处理战场态势数据
平行仿真系统作为和实际任务规划系统平行执行的仿真系统,其运行过程中会持续接收实际任务规划系统传送的战场态势数据,以驱动仿真模型运行和动态演化,因此,平行仿真系统需具备实时接收和处理战场态势数据的能力。
(2)战场实体平行仿真模型动态演化
无模型不仿真,在任务规划平行仿真具有模型动态演化特征条件下,一方面,首先要解决模型的“有无”问题,即根据实际任务规划系统的战场态势数据构设模型,另一方面,要解决模型类别修正、参数调整和行为意图更新等问题,实现仿真模型“随势而动”,为基于平行仿真的战场态势预测提供可靠模型支持。
(3)平行仿真系统与任务规划系统的互操作
在双向交互方面,平行仿真系统不仅需要从实际任务规划系统持续获取战场态势数据进行仿真模型动态演化、仿真预测和多方案并行仿真推演,还要将战场态势预测结果和方案推演评估结果反馈给实际任务规划系统和指挥人员,进而对部队和装备进行控制;在异构系统互联方面,实际任务规划系统和平行仿真系统属于异构系统,需要确保二者对信息理解的一致性,因此,平行仿真系统需要具备与任务规划系统互操作的能力。
(4)高效快速运行
预测和决策实时性是面向战中作战任务规划平行仿真的技术要求,预测实时性和决策实时性主要从系统运行支撑方面进行保证,以支持战场态势数据的快速接收和处理、多态势分支推演预测、任务规划方案的并行推演和任务规划方案评估结果的快速反馈,因此,平行仿真系统需要具备高效计算和快速运行能力。
3.2 面向战中作战任务规划的平行仿真系统架构
为实现系统设计目标,任务规划平行仿真系统架构设计如图2所示。
(1)战场态势注入与处理模块
战场态势注入与处理模块将接收实际任务规划系统传送的战场态势数据,包括陆、海、空、天、电等态势数据,对态势数据进行特征提取,得到反映战场实体目标特征的数据,并将特征数据进行格式化处理和存储,为驱动战场实体平行仿真模型动态演化提供实时数据支持,数据处理过程包括战场态势数据获取、异常值处理、降噪处理、目标特征提取等。
(2)平行仿真实体模型动态生成与演化模块
平行仿真实体模型动态生成模块根据战场态势注入与处理模块提供的战场实体目标特征数据,从模型库中匹配适宜仿真模型,生成战场实体平行仿真模型,并对模型进行实例化与初始化,即设置模型参数,从而将仿真模型加载至平行仿真系统中,完成模型部署。
平行仿真实体模型动态演化模块以获取的战场实体目标特征数据为数据驱动源,自适应调整仿真模型类别,修正模型参数,更新行为意图,校正模型输出,使得仿真输出不断逼近战场实体真实状态/行为,提高模型准确度,从而减少预测误差,提高仿真预测准确性。
(3)基于平行仿真的战场态势预测模块
基于平行仿真的战场态势预测模块根据最新的战场实体目标特征数据,智能化生成若干态势分支,并对各态势分支进行超实时仿真,通过战场实体平行仿真模型的运行,预测未来一段时间的战场态势,包括敌方可能的行动计划、作战意图等,为实际任务规划系统和指挥人员反馈准确的战场态势预测结果,为制定和更新任务规划方案提供可靠、即时数据支撑。
(4)任务规划方案仿真推演与评估模块
任务规划方案仿真推演与评估模块,一方面,接收实际任务规划系统传送的多任务规划方案,以平行仿真引擎模块为支撑,提供多任务规划方案仿真推演支持;另一方面,根据仿真推演结果,通过调用任务规划平行仿真系统运行支撑库模块的方案评估模型和作战规则,评估各任务规划方案的优劣,为指挥人员临机选择任务规划方案提供可靠评估结果。
(5)任务规划平行仿真系统运行支撑库模块
任务规划平行仿真系统运行支撑库模块是指支撑平行仿真系统运行以及开展作战任务规划的资源库,包含模型库、历史战场态势数据库、实时战场态势数据库、战场实体特征库、任务规划知识库、任务规划方案库、作战规则库、评估模型库等,给战场实体平行仿真模型构建、模型动态演化、战场态势预测、任务规划方案并行推演提供模型、数据、案例支撑。
(6)任务规划平行仿真引擎模块
任务规划平行仿真引擎模块主要包括支撑平台运行和各功能要素交互的核心机制,提供系列化平行执行管理工具,如时钟管理、模型调度管理、仿真控制管理、仿真克隆管理、数据分发管理、模型存储、引擎管理、异常管理等,保证平行仿真系统与实际任务规划系统始终同时运行、虚实互动。
此外,平行仿真系统的底层通信功能为系统提供强实时、低时延的数据传输服务、高性能计算服务以及大规模数据存储服务。底层通信功能将仿真执行过程与底层数据传输、高性能计算(high performance computing, HPC)、数据存储等功能进行分离,使得以上功能对用户透明,确保底层资源的共享性和稳定性。
4 任务规划平行仿真运行过程模型
运行过程模型是面向战中作战任务规划平行仿真运行的核心机制,旨在通过建立平行仿真系统各组成模块与实际任务规划系统实时战场态势数据的交互关系,为后续关键技术研究和原型系统设计提供基本依据。本文提出由战场实体平行仿真模型动态生成过程模型、战场实体平行仿真模型动态演化过程模型和态势多分支超实时并行推演过程模型组成的运行过程模型。
4.1 战场实体平行仿真模型动态生成过程模型
战场实体平行仿真模型动态生成过程模型如图3所示。
平行仿真系统首先接收实际任务规划系统传送的实时战场态势数据,包括敌情态势数据(如目标类别、目标编号、目标位置、目标速度、目标航向等)、我情态势数据和战场环境态势数据,将其作为战场实体平行仿真模型动态生成的数据驱动源。
以实时战场态势数据为驱动力,战场实体平行仿真模型动态生成过程如下:
(1)战场态势数据特征提取
战场态势数据维数高,信息量大,不能直接用于驱动任务规划平行仿真系统运行,需要在数据降噪等预处理基础上提取能反映战场实体特征的基本属性和行为属性。基本属性主要指类别、级别、属方、物理尺寸、位置等信息,其中,类别、级别、属方等属于实体标签属性,物理尺寸、初始位置等属于实体物理属性。行为属性是战场实体的重要特征,是驱动任务规划平行仿真模型演化的主要数据源,可细化为实体状态属性、能力属性和历史属性3类。实体状态属性是反映实体“在哪里、在干什么”的主要数据,比如陆上实体的当前位置、速度、方向等信息,海上实体的当前位置、航向、速度(节)等信息,空中实体的当前位置、姿态、角速度、高度、速度等信息等;能力属性是约束实体作战能力的主要特征数据,比如陆上侦察探测类实体的探测距离、反应时间,海上驱护舰类实体的防空范围、反舰距离等;历史属性是战场态势预测的重要支撑,主要指经过长期侦察情报手段获取的敌实体出动时长、活动范围、典型航迹等。
(2)战场实体平行仿真模型匹配
按照“先静态匹配、后动态匹配”的思路,以提取得到的战场态势特征数据为驱动,采用逐级匹配、精准定位的方法,先后进行模型类别匹配、模型辨识匹配和模型行为匹配,完成战场实体平行仿真模型构设,实现仿真模型“依势而定”。模型类别匹配通过建立“特征数据-实体类型”映射表,确定战场实体所属类型,如侦察类、武器类、通信类、设施类等,解决仿真模型“属于什么”的问题。模型辨识匹配通过对标签属性和关键词等的相似度度量,解决仿真模型“是什么”的问题。以战场实体平行仿真模型的关键词匹配为例,其可采用语义相似度匹配法进行模型匹配。
设关键词Core1包括s11,s12,…,s1r等r个语义,关键词Core2包括s21,s22,…,s2t等t个语义,那么Core1和Core2的相似度即为二者语义相似度的最大值,即有
SimiCore(Core1,Core2)= [Simis(s1i,s2j)]
式中,SimiCore表示模型关键词相似度,Simis表示语义相似度。
模型行为匹配是指通过对战场态势数据特征中状态属性、能力属性以及历史属性等数据与模型描述信息表中数据进行匹配,进一步匹配适宜的战场实体平行仿真模型。若以上分类属性、识别特征以及行为特征等任一匹配过程出现不匹配的情况,平行仿真系统则动态调用粗粒度通用战场实体仿真模型。经以上逐级匹配过程获取战场实体平行仿真模型后,对其参数进行赋值,得到实例化的战场实体平行仿真模型。
(3)战场实体平行仿真模型动态组合
在不同的仿真时刻,平行仿真系统会根据实时战场态势特征数据匹配出适宜的战场实体平行仿真模型,并以不同时刻匹配得到的战场实体平行仿真模型为基础进行拼接组装,得到更高层次的战场实体平行仿真模型并加载至平行仿真系统,这就是战场实体平行仿真模型的动态组合过程。
此过程拟采用基于仿真中间件的战场实体平行仿真模型动态组合方法,主要涉及战场实体平行仿真模型组件信息交互关系设置和组件装配两个步骤。前者的前提是构建信息交互关系表,用以描述战场实体平行仿真模型组件间的信息交互关系。
信息交互关系包括两类,一类是组件与组件之间的信息交互关系,另一类是组件与战场实体平行仿真模型间的信息交互关系。设战场实体平行仿真模型M1有u1,u2,…,un等n个组件,战场实体平行仿真模型M2有v1,v2,…,vm等m个组件,并设rel(ui,uj)表示组件ui与uj间的信息交互关系,则有
rel(ui,uj)=
在式(2)基础上,战场实体平行仿真模型间的信息交互关系为
Map(M1)n×n=
式中,Map(M1)表示战场实体平行仿真模型M1内组件间的信息交互关系矩阵,是一个n×n方阵。
Map(M1,M2)n×m=
式中,Map(M1,M2)表示战场实体平行仿真模型M1与战场实体平行仿真模型M2之间的信息交互关系矩阵,是一个n×m矩阵。
信息交互关系建立后,平行仿真系统根据实际任务规划系统传送的最新战场态势数据,利用仿真中间件更新信息交互关系,并对不同时刻匹配的战场实体平行仿真模型进行动态组合。
4.2 战场实体平行仿真模型动态演化过程模型
战场实体平行仿真模型动态演化,旨在提高战场实体平行仿真模型精度,减小战场实体平行仿真模型输出误差,通过战场实体平行仿真模型的持续动态演化,达到实际任务规划系统与任务规划平行仿真系统的平行状态,即此时的任务规划平行仿真系统能够平行地反映实际任务规划系统,可利用任务规划平行仿真系统对战场态势进行预测。战场实体平行仿真模型动态演化过程模型如图4所示。
平行仿真系统通过遍历战场实体平行仿真模型,对战场态势特征数据和战场实体平行仿真模型输出数据进行一致性度量,主要从模型类别、模型参数和实体模型行为意图3个方面进行一致性度量,通过判断以上3个方面的符合度,确定是否对战场实体平行仿真模型的类别、参数以及行为意图进行更新。
战场实体平行仿真模型动态演化的主要内容如下:
(1)战场实体平行仿真模型类别调整
通过比较战场实体仿真模型类别与真实实体类别,确定模型类别是否一致。若一致,则转入战场实体平行仿真模型参数与战场态势数据的比较;若不一致,则重新执行战场实体仿真模型多级匹配过程,完成原有匹配模型的删除,实现战场实体平行仿真模型的增删。
(2)战场实体平行仿真模型参数修正
通过比较战场实体平行仿真模型参数与战场态势数据,确定模型参数是否一致。若一致,则转入战场实体仿真平行模型意图与真实实体意图的比较;若不一致,则确定战场实体平行仿真模型参数修正项,进行战场实体平行仿真模型参数修正。
(3)战场实体平行仿真模型行为意图更新
通过比较战场实体平行仿真模型意图与真实实体意图,确定模型行为意图是否一致。若一致,则转入继续遍历战场实体平行仿真模型;若不一致,则更新战场实体平行仿真模型行为意图,进行意图分支增删以及意图概率更新,比如某战场实体仿真模型的原有行为意图概率分别为80%的攻击概率、10%的巡航概率以及10%的威慑概率,经过行为意图更新后,其行为意图概率分别为60%的攻击概率、20%的巡航概率、10%的威慑概率以及10%的返航概率。
完成以上3个方面的模型动态演化过程后,判断是否已遍历完毕所有模型,若未完成遍历,则继续执行下一战场实体平行仿真模型的演化;若完成遍历,则已实现所有战场实体平行仿真模型的动态演化。
4.3 态势多分支超实时并行推演过程模型
态势多分支超实时并行推演过程模型如图5所示。
态势多分支超实时并行推演过程由两个时间空间组成,分别是实际任务规划系统时间和平行仿真系统时间。实际任务规划系统时间包括一个时间轴,记为R(t);平行仿真系统时间包括Z(t)和U(t)两个时间轴,Z(t)是以实时仿真的形式向前推进的时间轴,U(t)是以超实时仿真的形式向前推进的时间轴。
对于时间轴R(t),对应实时战场态势和预测战场态势两类战场态势,实时战场态势是任务规划系统获取的当前天文时间的真实战场态势,具备实时获取和更新能力;预测战场态势是以R(t)上当前的实时战场态势为基础,经超实时仿真获取的未来一段时间的预测态势信息,如R(t2)时刻的蓝色圆框表示R(t2)时刻的实时战场态势,以R(t2)时刻的当前态势为基础获取的预测战场态势在R(t2+a)时刻得到,用紫色圆框表示,其表示未来R(t2+b)时刻的预测战场态势,满足b≫a。
对于时间轴Z(t),对应实时仿真态势和演化后仿真态势两类战场态势,实时仿真态势是平行仿真系统利用实际任务规划系统注入的实时战场态势更新仿真状态所得到的态势信息,用于跟踪实时战场态势,是战场实体平行仿真模型演化前的模型输出状态,用橙色方块表示;演化后仿真态势是战场实体平行仿真模型演化后的模型输出状态,此时平行仿真系统中战场实体的位置、运动特性、行为意图等都已完成更新,用绿色方块表示。
时间轴U(t)表示对当前战场态势进行超实时仿真的时间轴,即基于演化后的仿真态势,执行多仿真态势分支、多样本的仿真过程,从统计的角度推演各仿真态势分支的走向结果,如时刻U(t2)处存在仿真态势分支1、仿真态势分支2等f个态势分支,其中,仿真态势分支f包括样本1、样本2等g个样本,可执行仿真f_1、仿真f_2等g个仿真过程。
根据以上对R(t)、Z(t)和U(t)三个时间轴的深入分析,以时刻Z(t2)为时间起点,提出态势多分支超实时并行推演过程如下:
(1)时刻Z(t2)处演化后仿真态势的获取:以时刻Z(t1)处演化后仿真态势某一分支为基础,根据R(t1)至R(t2)范围内实际任务规划系统传送的实时战场态势,经过战场态势数据处理和战场实体平行仿真模型动态生成与演化,得到战场实体平行仿真模型的输出状态,即得到时刻Z(t2)处演化后的仿真态势;
(2)时刻R(t2+b)处战场态势预测结果的获取:在时刻U(t2),根据获取的时刻Z(t2)处演化后仿真态势,经过多仿真态势分支的在线生成,得到若干仿真态势分支,经过对不同分支、多个样本的超实时并行仿真,得到各仿真分支、各样本的仿真结果,进而得到战场态势预测结果,记仿真执行时间和仿真推演时间长度分别为a和b,则在时刻R(t2+a)获取时刻R(t2+b)处战场态势预测结果;
(3)战场态势预测结果的可视化:实际任务规划系统于时刻R(t2+a)处接收平行仿真系统获取的时刻R(t2+b)处战场态势预测结果,进行态势预测结果的可视化展现,给指挥人员提供直观的战场态势预测结果;
(4)重复以上三个过程,持续进行态势多分支超实时并行推演,得到战场态势预测结果,为实际任务规划系统制定作战任务规划方案提供依据。
5 结束语
本文以战中作战任务规划问题为牵引,构建战场实时态势数据驱动的战中作战任务规划平行仿真系统,通过研究面向战中作战任务规划的平行仿真理论概念及特点、平行仿真系统的架构设计以及运行过程模型,探索系统工程化实施思路,为战中作战任务规划提供新质辅助系统支撑手段。后续将在以下两个方面开展研究工作:
一是任务规划平行仿真的运行支撑技术研究。如何确保实际任务规划系统和平行仿真系统在双向交互条件下高效运行是面向战中作战任务规划平行仿真的底层逻辑,应当具体研究仿真推演技术[10]、仿真引擎设计、超实时仿真技术、并行处理技术等,在运行支撑技术层面破解多分支并行推演等典型技术难题。
二是特定应用场景下任务规划平行仿真技术研究。本文侧重于研究通用性较强的战中任务规划平行仿真技术框架,研究内容以由“实”到“虚”为主,属于一类“小”平行研究,还未涉及仿真系统向实际任务规划系统的反馈研究,下一步应结合特定应用场景,打通由“虚”到“实”的研究链路,为特定场景下战中作战任务规划提供实时性强、准确度高的任务规划方案。