军事电子信息系统建模与仿真技术

军事电子信息系统建模与仿真技术摘要：仿真是一种模仿行为。

建模与仿真就是利用模型进行的一种试验。

所谓模型就是对实际系统的一种抽象的、本质的描述。

军事电子信息系统的建模与仿真技术，是以控制理论、相似原理、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴多学科综合性技术。

是用来研究军事电子信息系统的先期开发工作及系统的检验与评估的一种有效手段。

其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费极小的并允许多次重复的试验手段。

建模与仿真技术可极为有效而经济地用于科研、设计、训练及系统的试验。

它以其高效、优质及低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。

它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动科学技术进步的战略技术。

它渗透于军事电子信息系统的规划、设计、研制、应用及训练等各个阶段。

建模是指利用物理的或数字的方法对需要仿真的实际系统进行描述获得近似的数学模型。

这是进行数字仿真或半实物仿真必不可少的步骤。

建模是仿真的基础，亦是仿真的结果，研究新型建模仿真方法是其首要任务。

军事电子信息系统的建模与仿真技术是用于研究系统在特定条件下攻击特定目标的有效性、反应时间；研究指挥员的决策预案、优化操作程序；研究作战软件，并对多目标攻击状况下多武器平台协同作战进行决策方案的分析。

数据库技术、综合环境表征技术、联网技术、软件工程、人的行为描述、仪器设备、图形功能描述及计算机硬件等关键技术领域是建模与仿真的基础。

[相关技术]多媒体技术；人工智能技术；分布处理技术；网络技术；虚拟现实技术目录（一）技术难点 (3)(二)国外概况 (3)（四）一个军事电子信息系统的全寿命周期通常包含的几个阶段 (4)（五）影响 (5)（六）参考文献 (7)一、技术难点军事电子信息系统的建模与仿真存在着如下技术难点：（１）、未来军事电子信息系统仿真面临的主要技术难点是对复杂的指挥控制系统（尤其是动态作战管理系统）的理解和建模十分困难。

（２）、由于指挥控制过程中有许多具有智慧和主动性的人参与决策，故开发决策者模型并非易事。

（３）、仿真模型的确认。

军事电子信息系统结构的可重组性及应用的不确定性，使得仿真模型的正确验证成为一大技术难点。

由于仿真模型确认的理论和方法迄今尚未达到完善的程度，仍有可能出现不同仿真模型都能得到确认的情况。

故改进仿真模型的确认方法使之更趋于定量化，仍是系统仿真一项重大的研究课题。

（４）、最为突出的技术难点是军事电子信息系统的性能和作战效能仿真及仿真结果验证的逼真度和可信度问题，目前几乎尚未有程序或工具来评估其逼真度和可信度。

如何引入新颖思想和方法，既要考虑军事电子信息系统各项性能的影响，又能结合系统的作战使命且简化繁杂的战争模拟，这是众多军事电子信息系统效能评估研究部门正在从事的热门课题。

二、国外概况建模与仿真技术的发展与军事需求密切相关。

从40年代的火炮仿真，50年代的飞行器仿真，60年代的导弹仿真，70年代各种武器系统装备的仿真，直至近些年发展起来的作战仿真及综合性防御系统的性能仿真，充分说明了军事需求对建模与仿真技术的推动作用。

80年代国外对军事电子信息系统和武器装备的建模与仿真工作开发得十分广泛和深入，既有方法论的研究，又有实战的仿真。

90年代以来，世界各国十分重视分布式交互仿真（DIS）的发展。

DIS是在飞行仿真器网络（SIMNET）技术的基础上发展起来的，它以通信网络为基础，又包含多个武器平台及各种虚拟作战环境的交互作用。

美国是发展DIS最早的国家，目前技术水平及应用水平处于世界领先地位。

先进分布式仿真（ADS）是美国目前正在发展之中的DIS更高级阶段，它是实现建模与仿真之间及其与C4I之间的互操作性，以及支撑建模与仿真组件的重用。

引入高层体系结构（HLA）旨在使所建立的体系结构可将ADS扩展至国防部各个部门内。

HLA技术是建模与仿真的发展方向，它将大大推动仿真向高度集成化、标准化、规范化、一体化、自动化和智能化方向发展。

它最终取代DIS并进而发展成为解决C4I互操作性关键问题的国际性标准。

目前，在高技术条件下局部战争"体系与体系对抗"的需求牵引下，建模与仿真技术正向体系对抗的方向发展。

建模与仿真之最新技术成果往往被率先应用于军事领域。

军事需求促进系统仿真向更高、更全面的方向发展。

21世纪军事科技的发展更为依赖于建模与仿真技术。

同时亦必将对建模与仿真技术提出日趋增高的要求。

三、军事电子信息系统仿真的3种模式（1）计算机仿真（Computer Simulation），其特点是系统由严格的数学模型、图形方式或计算机程序来表示。

无需采用实际系统的任何部件，是个纯软件系统，但由于人的决策过程是系统中不可缺少的环节，应用数学或计算机程序难以成功地仿真这一环节，故有其局限性。

目前不少人试图采用人工智能等技术来改善这一环节的仿真质量，但迄今尚未成熟。

该仿真模式抽象程度最高，仿真费用最省，所花时间最短，做各种变量控制试验亦最简便。

但其致命弱点是仿真结果可信度较差。

（2）系统原型（System Prototypes），这是一种物理仿真方式，特点是全部采用实际系统的分系统或部件，仅删掉其中一些次要部分或无需进一步做研究试验的部分。

由于主要与次要仅相对而言，故系统原型可随意接近最终的系统配置。

该仿真模式恰好相反，由于它与实际系统最接近，仿真结果最可信，但费用高，所花时间长，做变量控制试验不太方便。

（3）系统试验床（System Test Beds ），又称半实物仿真。

该仿真模式仅采用部分与实际系统相同或相近的实物，其他部分则采用计算机仿真方式。

为系统演示、操作方式试验及作战效能仿真服务的系统试验床，通常将实际的指挥控制设备用于仿真系统中，而将战场环境（包括威胁环境）、指挥系统及通信系统等部分用计算机程序来模仿。

半实物仿真模式正处于上述两种模式之间，兼有两者的优点，是一种应用颇为广泛的仿真模式。

20多年来，建模与仿真技术在军事电子信息系统研制中的应用已有了飞速的发展，从单项装备的仿真发展到对整个军事电子信息系统的仿真；从单一功能仿真发展到多功能综合仿真；从传统仿真发展到多媒体仿真、并行仿真、分布式交互仿真、先进分布式仿真和智能仿真；从某一阶段应用发展到全过程的应用。

现代建模与仿真系统的建立与完善已成为军事电子信息系统从研制到装备不可缺少的重要组成部分。

四、一个军事电子信息系统的全寿命周期通常包含的几个阶段（1）可行性论证；（2）方案论证；（3）工程设计和试制；（4）飞行试验；（5）鉴定和定型；（6）批量生产；（7）部署使用。

前5个阶段都属于研制性仿真。

迄今军事电子信息系统仿真已从研制性仿真发展至全寿命周期仿真。

当然，研制性仿真仍然是极为重要的组成部分。

所谓全寿命周期是指从研究确定战术技术指标开始直至装备部队使用的全过程。

随着科学技术的飞速发展，建模与仿真技术已日渐发展成为独立于理论研究、实验与试验研究的一种基本科学活动。

假若没有建模与仿真技术的支持,各种军事电子信息系统的发展便不会像当今这样迅速。

尤其是经过在海湾战争中的应用，证实了仿真试验的重要作用，证明建模与仿真技术给制定与修改作战方案带来明显卓著的效果，使美国军方在战后对建模与仿真技术的发展愈加重视，并采取了一系列政策、措施，增强对建模与仿真技术发展的领导、协调与管理，将建模与仿真作为七大技术推动力之一，且要求在原有基础上，建立更为先进、高效和高度一体化的建模与仿真设施。

近10年来，建模与仿真技术受到发达国家的高度重视，尤其是美国和日本。

美国国防部一直将建模与仿真技术作为"国防关键技术计划"的重点项目，尤其是经海湾战争实战验证后，更增强了对该方面的组织领导，1992年不仅颁布了"国防建模及仿真倡议"，批准了"建模与仿真管理计划"，新组建了"国防建模与仿真办公室"，还提出了新的建模与仿真的投资战略。

1992年7月，美国国防部颁布的"国防科学技术战略"将综合仿真环境列为现代高技术局部战争的七大需求之一。

建模与仿真技术亦是1994财年美国国防部预研工作的七大重点之一。

1995年美国国防部提出的国防建模与仿真总计划（MSMP）制订出一系列的目标。

在1997财年国防技术规划中，建模与仿真被列为军事电子信息系统与技术领域中重要的一项技术。

近年来，世界发达国家正以综合仿真环境作为发展重点，建造多种复杂的、大型的建模与仿真试验设施，并将其组成建模与仿真试验网。

最终将会出现一个以网络为基础的"模拟战场"，可用于仿真任一时间任一地点的各种类型的作战。

五、影响建模与仿真技术属于国防高科技发展的重要领域，迄今已成为开发研制大型军事电子信息系统和复杂武器装备的重要工具。

它作为人类认识客观世界和改造客观世界的有效手段正愈益发挥着重要的作用。

建模与仿真技术也是一种面向21世纪重要的军民两用技术，有着宽阔的发展前景。

军事电子信息系统的研制，属于一项颇为复杂的系统工程。

它包括多个系统，每一系统又包含若干层次；它涉及众多的专业技术领域，而有些领域又属于首次工程应用。

随之而来的问题是：如何对其进行技术分析？如何对分析结果进行确认？通常的办法是通过实物试验。

但实物试验不仅周期长、费用高，而且有些内容是实物试验难以实现的。

如某些总体性能指标具有统计性，少数几次试验给出的结果其置信度较低。

建模与仿真技术的应用为解决上述这些问题提供了一种有效的技术手段。

1. 建模与仿真可有效地确定武器系统的作战空域，实现省弹、省钱和省时根据国外对三种不同类型的爱国者、罗兰特及尾剌型地空导弹研制过程中的情况统计分析，可得到如下结论：由于采用建模与仿真技术，使靶试实弹数减少了30～60%；研制费用节省了10～40%；研制周期缩短了30～40%，其效益颇高。

此外，还可弥补靶场试验的局限性，减少技术途径的风险与失误。

2. 建模与仿真能为技术和管理决策提供依据由于拥有充分而可信的仿真信息，从而减少了盲目性和不确定因素，使决策正确、合理、及时并有依据，因此建造一个贯穿于系统研究、生产和部署的，能为各阶段决策服务的建模与仿真系统是必需的。

3. 建模与仿真具有颇高的经济效益从管理上看仿真的根本效益可节省资源，从技术上讲可加深对所研制的系统的理解并充分发挥系统的有效性。

据美国陆军估计，由于从方案论证开始到使用维护，几乎全部研制生产过程都在综合性仿真环境中进行仿真，可使改进型Ｍ－１坦克的作战试验由原先采用实体试验需用24个月、4000万美元，减至3个月、640万美元。