美作战仿真建模技术的发展现状及应用前景——以仿真、集成和建模高级框架（AFSIM）为例

美作战仿真建模技术的发展现状及应用前景——以仿真、集成和建模高级框架（AFSIM）为例

缪昕，乔良

陆军工程大学  江苏南京 210000

摘要：

21世纪以来计算机技术的飞速发展对军事仿真系统的理论研究和技术创新产生了影响，以美军一款开源的仿真建模系统——仿真、集成和建模高级框架（AFSIM）为例，AFSIM的发展历程、设计理念、框架特点及其在以马赛克战为代表的新型作战概念中的应用效果等，都反映了先进理论技术对仿真建模系统的进一步发展有推动作用。未来，AFSIM在多层级作战实体模型集成、与指挥自动化系统的互连、新兴技术推动的建模仿真即服务以及智能作战决策等理论和技术方面有创新发展的趋势。基于此，我军应持续关注新兴技术、加强人工智能技术研究、建立广泛通用仿真建模平台。

关键词：军事仿真建模；仿真、集成和建模高级框架；新型作战概念；应用前景

Abstract:

Since the 21st century, the rapid development of computer technology has had a significant impact on the theoretical research and technological innovation of military simulation systems. Taking the open-source simulation modeling system of the U.S. military, the Advanced Framework for Simulation, Integration, and Modeling (AFSIM), as an example, its development, design philosophy, and framework characteristics reflect the role of advanced theories and technologies in further enhancing the effectiveness of simulation modeling systems. In the future, AFSIM is expected to show innovative development trends in aspects such as the integration of multi-level combat entity models, interconnection with command automation systems, modeling and simulation as a service driven by emerging technologies, and intelligent combat decision-making. Our country should continue to focus on emerging technologies, strengthen research in artificial intelligence, and establish a widely applicable military simulation modeling platform.

Keywords: Military Simulation Modeling; Advanced Framework for Simulation, Integration, and Modeling (AFSIM); New Combat Concepts; Application Prospects

1、研究背景

进入21世纪，随着计算机技术的飞速发展，军事仿真系统的规模和复杂性不断增加，技术水平也不断提高，逐渐取代了现代战场上的常规战斗力量，减少了军事技术操作人员的数量，改变了军事理论的研究方向和军事作战的理念架构。

目前，美军一款知名的军用开源软件“仿真、集成和建模高级框架（Advanced Framework for Simulation, integration, and Modeling，以下简称AFSIM）”即将为更好地适应美军新型作战理念而进行升级改造。以此为契机，对以AFSIM为代表的美军先进仿真建模系统的发展前景展开研究，获取军事仿真建模技术创新发展的宝贵经验和启示，以提升我军的作战仿真水平和作战效能。

2、美军作战仿真系统建设主要特点

2.1. 以作战需求为牵引

首先，美军的大多数作战仿真系统都是以国防部或各军兵种提出的军事需求为依据进行建设的。美军一直以“需求牵引系统、系统带动技术、技术促进系统、系统服务于应用”的方式，坚持“边建设、边使用、边部署、边改进”的策略，持续滚动推进体系仿真技术的发展。如在 JWARS 系统的建设之初，美国国防部就明确了其主要用于当前及今后军方在各种军事行动中进行联合作战分析。而在《2010 联合构想》和《2020 联合构想》颁布后，为遵从构想所提出的军队发展方向，美军各军兵种建设的仿真系统都开始向以自身军种为主，其他军种为辅的联合作战实验系统转型。

2.2 先进技术引领体系建设

其次，美军作战仿真系统的技术水平一直处于领先地位，发展过程中提出的多项技术体系、标准、框架都已成为作战仿真系统发展史上的里程碑。例如其提出的DIS、ALSP等互联和聚集协议，HL高层体系结构规范，多种分布交互式仿真技术，TENA 体系架构，以及美国国防分析研究所在最近的报告中指出的未来要利用面向服务的体系架构、网络中心的数据集成和具有无缝互操作能力的LVC（真实Live、虚拟Virtual、构造Constructed）仿真环境等。这些技术创新引领了作战仿真系统从单独系统到复杂、跨地域、跨军种、跨平台、多功能联合作战系统的跨越发展。

2.3注重军兵种融合和多域协同

随着新作战样式的出现，为解决联合作战环境与联合作战行动一体化建模的要求，美军注重建设多军兵种联合的作战仿真系统，通过新研或改造已有军用仿真系统，实现横向互联（联通陆、海、空、天、电等各个空间)、纵向贯通（覆盖战略、战役、战术等各个层级)的一体化集成。如 JLVC（(joint live, virtual, constructive) 联邦就是针对美陆、 海、空军已有的仿真系统、实兵系统，解决系统之间数据的相互识别，多系统联合运行的逻辑合理性和开放的自由组合性等问题而产生的。

2.4积极融入新兴理论技术

随着人工智能的发展，美军也在大力推进智能体、深度学习理论、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术及机器人和无人系统等新兴技术在仿真建模系统中的融入。如美军开发的“深绿”计划（Deep Green）利用智能体模拟士兵、指挥官或敌方单位的行为，规划飞行路径，模拟空战中的决策过程，显著提升了仿真的智能化水平；结合深度学习技术，提高仿真系统在图像识别、语音处理、自然语言理解等方面的能力，增强对复杂战场环境的感知和理解能力；使用AR和VR技术进行沉浸式训练，如“虚拟旗”（Virtual Flag）系列演习中，飞行员通过VR头盔和模拟器在虚拟环境中进行飞行训练；美军还将机器人和无人系统集成到仿真中，模拟其在真实战场环境中的应用，并通过自适应和学习能力不断提升仿真模型的准确性。这些技术的整合不仅提高了仿真训练的效率和真实性，而且增强了美军对未来战争的预测和适应能力。

3、AFSIM功能和特点

3.1 AFSIM发展历程

AFSIM最初由波音公司开发，2005年，波音提供了AFNES的基本脚本能力，可以提供灵活的压制敌对防空仿真系统能力；2006年，波音开始设计传感器和航迹管理能力，进一步提升其仿真计算的能力；2006-2008年，波音建成了集成的Navy IWARS模型并交付空军，成为一个标准仿真工具； 2013年，空军正式全权收购AFNES，并更名为AFSIM；2011年，美空军选择AFSIM作为其分析和技术建模于仿真工作的首选框架；2016年，空军接手AFSIM的所有及支持，包括所有代码和模型。随着技术的飞速发展和需求的不断变化，AFSIM框架经历了多次升级和改进，以适应不同领域的建模需求。截至目前，已有超过280个政府、行业和学术机构利用AFSIM 进行作战研究、装备论证、模拟训练等领域的仿真实践。

2018年，美国防部发布了《数字工程战略》，为未来美军的数字化转型指明了发展方向。基于其中的两大战略目标“建立开发、集成和使用模型的正式流程，为鞠策提供信息输入”和“注入能够提升工程实践的技术创新”，美军提出了AFSIM的升级改造计划，希望引入机器学习、蜂群作战、先进控制技术和数字孪生体等概念，构建更为高级的建模仿真与分析体系，以适应美军新型作战概念和数字化转型建设。

正如AFSIM产品经理Brian Birkmire所说，“在AFSIM之前，缺乏一个可以广泛分发并具有最小采用障碍的通用仿真框架，这导致许多项目上的工作重复”。AFSIM旨在解决现有传统仿真环境中存在的分析能力不足，并提供更现代的编程范式，它是一个面向国防建模与仿真整个社区的开放框架，其核心在于其模块化、面向对象、多领域、多分辨率的建模和仿真能力。

3.2 AFSIM设计理念和框架特点

将AFSIM的体系功能和美军广泛使用的多重仿真系统——扩展防空仿真系统（EADSIM）和我国开发的多用途仿真平台系统——MaxSIM平台三者的功能进行横向比较，总结AFSIM的设计理念和架构特点。

表1 AFSIM和同类平台功能对比

模块化与集成性：AFSIM系统展现了高度的模块化设计，支持插件集成、内嵌或联合仿真等多种外部模型灵活接入方式，这使得AFSIM能够适应不同层次的建模需求，无论是针对特定任务的局部模拟，还是针对整个战场的宏观战略规划，都能通过根据不同的仿真需求调整模块配置、集成相应的模型和工具来实现。这种设计允许系统灵活地扩展功能，体现了顶层设计的前瞻性和适应性。

融入先进理论基础的动态行为建模与仿真：AFSIM支持RIPR框架和Quantum tasker任务规划，这表明其在行为建模方面具有先进的理论基础。这种框架使得AFSIM能够模拟复杂的作战行为和任务规划，为作战模拟和决策生成提供了细致入微的分析能力。

实时数据同步与可视化：该系统支持3D态势展示，并且能够实现图形化与脚本实时同步，类似于MATLAB的开发模式。这种实时同步能力在作战方针中中是非常重要的，因为它提供了直观的仿真结果展示和快速的反馈机制，有助于在仿真过程中进行快速响应，为决策提供实时支持。

精细化模型与跨域应用：AFSIM提供了工程级、交战级、任务级三种不同精细度的模型，覆盖陆、海、空、天、网电全域，尤其在装备论证、作战试验方面具有显著优势。这种全面的设计使得AFSIM成为一个适应性强、灵活度高的建模工具，能够在不同场景下满足用户的多样化需求。

人在回路的原生支持：AFSIM在设计中充分考虑了人的作用，支持人在回路仿真，并提供丰富的导调控制能力，这使得系统不仅能够模拟自动化的作战场景，还能够模拟人在决策过程中的行为方式和思维模式，增加了仿真的真实性和有效性。

面向全用户的开源开发策略：AFSIM仿真框架非常重视开源方式的重要性。通过采用开源策略，AFSIM不仅促进了各个利益相关部门的二次开发，实现了AFSIM的“滚动式”发展，使AFSIM能够不断吸收新的技术和思想，形成了一个持续进化的平台,保持了其在建模与仿真领域的领先地位；开源策略也促进了与其他仿真平台的互操作性和集成性，使得用户能够更加方便地将AFSIM与其他仿真工具进行结合和应用；开源策略降低了技术门槛，使得更多的研究机构和专家能够参与到AFSIM的开发和改进中来，进一步推动了其在国防建模与仿真领域的应用和发展。

4、AFSIM在新兴作战概念中的应用前景

4.1 AFSIM在马赛克战概念中的应用前景

按照兰德对马赛克作战的描述，将来可以通过装备系统的“数字孪生体”，实时进行升级和维护。如果要实现马赛克作战的采办，美国国防部首要的问题就是测试和评估（Test & Evaluation），这也是保证装备系统质量的前提。那么引进现有的建模仿真及分析（Modeling，Simulation & Analysis，简称MS&A）工具和平台，模拟测试马赛克战的作战效能，就非常重要了。

作为一个高级建模框架，AFSIM广泛通用的全方位模拟功能、开放性和可扩展性的特点，及多任务快速响应的技术优势，为解决马赛克战中的技术性问题提供了一系列的方案。

4.1.1实现网络通信与互操作性

AFSIM的通信模型通过其先进的外部链接功能，能够在不同的平台间实现消息的发送和接收，无论是有线还是无线连接。这种设计不仅模拟了现实世界中的通信系统，还涵盖了信号传输的物理过程，为用户提供了一种高度逼真的仿真环境。通过分布式仿真接口，AFSIM遵循仿真互操作性的接口标准，确保了不同仿真系统之间的兼容性，这对于构建一个统一的、多系统协同工作的马赛克战场网络至关重要。此外，AFSIM的扩展和插件机制，使用户能够轻松集成新的通信协议和服务，从而适应不断演进的网络技术和作战需求。特别是在马赛克战这种强调分散作战单元快速协同的战术中，AFSIM能够模拟出高带宽和低延迟的网络连接，这对于实现实时数据共享和快速决策具有决定性的意义。

4.1.2实现自主系统协同性

马赛克战需要分散的、灵活的、可动态协同的作战能力，而AFSIM正是支持这种作战方式的理想工具。AFSIM可以为自主系统提供智能辅助决策工具，帮助自主系统更好地协同工作。同时，其开放式架构和可插拔组件的特性，使得不同系统和组件之间可以即插即用，实现跨平台和跨制造商的协同作战。这种灵活性使得AFSIM能够适应马赛克战中不断变化的战场环境，为指挥官提供有力的支持。

4.1.3实现传感器融合与信息共享

在马赛克战中，各种传感器需要协同工作，共享信息，以形成统一的战场感知。而AFSIM支持广泛的应用，包括传感器探测、跟踪、干扰、碰撞和通信等。这使得AFSIM可以处理传感器融合的关键技术，如建立一个可靠的信息共享网络，同时保护传感器数据免受敌方干扰和攻击。AFSIM通过模拟不同的传感器行为和交互，促进传感器之间的协同工作，有助于增强马赛克战的整体效能。

4.1.4实现标准化和可操作性

马赛克战需要多领域、多平台的协同作战，这就要求制定统一的通信和数据交换标准，以及搭建允许不同系统和组件之间即插即用集成的开放式架构。AFSIM的标准化和可操作性特性符合这一需求。它可以通过统一的数据格式和接口标准，实现不同系统和组件之间的无缝集成，提高协同作战的效率和效果。此外，AFSIM还提供了丰富的操作工具和接口，使得指挥官和操作人员能够轻松地使用和管理仿真系统，进一步提高了马赛克战的作战效率。

4.2 AFSIM仿真系统代表的创新发展方向

AFSIM在马赛克战新兴作战概念里的应用表现，向我们展示了美军应对未来更加复杂的军事对抗环境的需要，将对以AFSIM为代表的仿真建模技术展开以下研究和创新：

多层级作战实体模型的深度集成：AFSIM目前已经能够集成多层级的模型，但对于支撑复杂环境下的多域作战还是有点力不从心。随着作战仿真理论和计算机技术的发展，促进多层级作战实体模型的深度集将成为AFSIM及其他作战仿真系统的发展新趋势。

与指挥自动化系统的互连和互操作：与指挥自动化系统互连和互操作已成为对抗仿真系统的重要特征。AFSIM已实现了与C4ISR的深度互连，可对C4ISR系统影响武器装备完成作战任务的能力进行准确评估，评估网络信息技术对于武器体系达到预期作战任务的程度。

新兴技术推动的建模仿真即服务：大数据、云计算和人工智能技术在仿真系统中的应用越来越广泛，逐步形成了建模仿真即服务的概念。整合大数据和人工智能技术，开发面向部队和机关的作战仿真云端服务，用户仅需简单配置作战想定并选择武器装备，即可在云端进行作战仿真，并将仿真过程和结果作为对用户的响应。

智能作战决策：运用人工智能技术进行作战仿真，在作战模拟仿真过程中通过大数据提取信息，分析信息形成战场态势并生成作战模型，处理信息预测作战意图并 生成作战方案，智能化评估仿真结果，同时学习信息并更新作战体系知识。仿真模拟作战体系对抗过程中，可自主决策战场态势智能感知并进行有效评估，从而促进智能化作战推演更贴近战场实际。

4. 总结与展望

随着新兴科技的助力，以AFSIM技术为代表的美军用作战仿真建模工具将在美新型作战概念中拥有更广阔的应用前景，这为我军的仿真建模技术发展提出了更高的要求。虽然国内作战仿真平台发展较快，但在仿真建模的理论创新和技术革新方面，还未赶上美军的发展水平，在全域联合作战仿真体系建设方面存在标准不一致、互操作性和兼容性等问题。未来，我军应持续关注新兴技术的军用发展状态，如物联网、大数据、云计算等，以保持技术优势；应加大对人工智能技术的研究和应用，发展智能化武器系统和决策支持系统；在此基础上，还应通过建立和完善广泛通用的仿真建模平台，为军事训练和作战决策提供复杂战场环境的模拟，提高指挥员的决策能力和部队的战术响应能力。

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