AFSIM： AFRL主導的建模與仿真工具

A FSIM是一個(gè)通用的建?？蚣?，由美國空軍研究實(shí)驗室（AFRL）開(kāi)發(fā)和維護，能夠構建典型的虛擬威脅環(huán)境和相關(guān)模型。為了獲得政府和整個(gè)行業(yè)的認可，AFRL不僅構建了功能強大的產(chǎn)品，而且還免費向認證的用戶(hù)提供軟件，源代碼和培訓。迄今為止，AFRL已將AFSIM許可發(fā)給超過(guò)275個(gè)政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)組織，并為1200多個(gè)用戶(hù)提供了培訓。AFRL的軟件開(kāi)發(fā)、發(fā)行、支持和治理的總體方法可以作為鼓勵未來(lái)免費軟件產(chǎn)品廣泛采用的模型。

構建現實(shí)世界系統的逼真的數字模型的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。美國眾議院武裝部隊戰術(shù)空軍和陸軍小組委員會(huì )最近為2020財年國防授權法案起草了指示 材料，指示美國國防部長(cháng)向委員會(huì )作簡(jiǎn)報，解釋“F-35計劃如何實(shí)施F-35系統企業(yè)的數字孿生技術(shù)”。

為了使F-3 5和其他武器系統的“數字孿生”成為主流，美國國防部（DoD）必須擁有有效、可用、負擔得起且相對易于使用的建?？蚣?。AFRL的仿真、集成和建模高級框架（AFSIM）是基于C++的模塊化、面向對象、多領(lǐng)域、多分辨率的建模和仿真工具。作為一種軍事模擬的框架，AFSIM側重于分析，實(shí)驗和作戰，這幾個(gè)方面都取得了明顯進(jìn)展。AFSIM用戶(hù)社區已經(jīng)涵蓋275個(gè)組織（包括美國軍方的所有分支機構）的1200多名受過(guò)培訓的用戶(hù)，以及其他美國政府機構、行業(yè)、學(xué)術(shù)界，包括美國的主要盟友。這個(gè)廣泛的用戶(hù)社區已經(jīng)廣泛使用AFSIM來(lái)評估和比較各種武器系統概念，針對最有前途的概念完善操作采購策略，并最終為AFRL和整個(gè)國防部?jì)鹊奈淦飨到y投資決策提供信息。AFRL正在采取的措施步驟，目標是使得AFSIM在國防領(lǐng)域能夠像MATLAB在學(xué)術(shù)界一樣普遍應用和發(fā)展。

AFSIM迄今為止已經(jīng)花費了5000萬(wàn)美元的投資，今后每年又有600萬(wàn)美元的投資，這并不是一個(gè)便宜的框架。在2003年至2013年之間，波音公司向所謂的網(wǎng)絡(luò )使能系統分析框架（AFNES）投資了約3500萬(wàn)美元的獨立研究與開(kāi)發(fā)（IR＆D）資金，這是波音公司用來(lái)模擬威脅綜合防空系統（IADS）的。AFRL當時(shí)對政府可用的專(zhuān)有，僵化的建模與仿真工具感到沮喪，因此AFRL在2011年 進(jìn)行了可用工具的技術(shù)選型，選擇AFNES作為其多域作戰空間分析、多目標決策/權衡和技術(shù)建模與仿真工作的首選框架。在2013年，波音公司將AFNES無(wú)限地轉讓給AFRL，AFRL隨后將其更名為AFSIM。

AFSIM名稱(chēng)中的“AF”不代表空軍。這反映了AFRL的信念，即AFSIM不僅應該是空軍的內部工具，還應該是在整個(gè)國防建模與仿真社區中廣泛使用的通用框架。這種命名選擇也表明AFSIM不僅僅是模擬飛機的框架。它被設計為一個(gè)多域平臺，這意味著(zhù)它可以對陸、海 、空和空基平臺進(jìn)行建模，從而使建模人員可以包括潛艇，海軍艦艇，坦克，飛機，直升機，衛星甚至網(wǎng)絡(luò )如果需要，可以在同一模擬中使用代理。

從一開(kāi)始，AFSIM就被視為一個(gè)開(kāi)放系統，利用“即插即用”模塊來(lái)克服早期框架的擴展和兼容性約束。這種模塊化方法允許建模者（而不是AFSIM程序員）為模擬中使用的模型確定適當的保真度（即模擬基礎物理的程度）。同樣，用戶(hù)可以調整每個(gè)平臺的保真度，以 滿(mǎn)足其特定的仿真需求。例如，飛機模型的逼真度可以在沿著(zhù)預定義矢量移動(dòng)的空間點(diǎn)與基于虛擬駕駛艙控制的位移改變速度，方向，高度等的完整六自由度模型之間變化。

AFSIM的模塊化結構使AFRL可以在兩個(gè)安全分類(lèi)級別上分發(fā)代碼，用戶(hù)可以通過(guò)添加其他軟件模塊來(lái)適應其特定的安全要求。AFRL提供了該代碼的非密和秘密兩種變體。兩種變體之間的主要區別只是所包含模型的數量、類(lèi)型和保真度。要獲得軟件的秘密版本，承包商 還必須提供最新安全認證。秘密版本還標配了國家航空航天情報中心（NASIC）批準的許多威脅系統模型，以及國家地理空間情報局（NGA）數字地形高程數據（DTED）模型。最終用戶(hù)可以添加自己的模塊，以合并其他感興趣的平臺模型以供其專(zhuān)用。由于A(yíng)FSIM固有的軍事用途，這兩種變體都受《國際武器貿易條例》（ITAR）的限制，這意味著(zhù)個(gè)人和組織可能因未經(jīng)授權而發(fā)行或導出軟件而受到罰款或起訴。由于這些限制，在A(yíng)FRL可以向其發(fā)布AFSIM之前，學(xué)術(shù)機構必須具有經(jīng)過(guò)批準的ITAR兼容環(huán)境。盡管有此限制，學(xué)術(shù)用戶(hù)的數量仍在增長(cháng)。佐治亞理工學(xué)院，普渡大學(xué)，俄亥俄州，中央佛羅里達等大學(xué)已經(jīng)是AFSIM主要研發(fā)應用組織成員。

AFSIM涵蓋了廣泛的軍事 模擬功能，支持工程、交戰、任務(wù)和戰役等仿真級別的作戰仿真實(shí)驗。如圖1。

圖1 作戰仿真層次

工程級仿真包括子系統與其他子系統的交互仿真，例如射頻（RF）發(fā)射機與接收機交互以識別子系統級別的功能和限制仿真。

交戰級仿真由直接的沖突戰斗仿真組成，即在A(yíng)FSIM環(huán)境下兩個(gè)實(shí)體或平臺之間的對抗。例如，藍方（友）機和紅方（敵）機之間的導彈對抗將構成交戰水平模擬。

任務(wù)級仿真模擬一次出擊或執行任務(wù)期間，幾個(gè)小時(shí)之內，多架紅方和藍方飛機之間進(jìn)行了一系列的戰斗。這種模擬最多可以包含數千個(gè)實(shí)體。

戰役級仿真擴展仿真的范圍，可能會(huì )在較長(cháng)的一段時(shí)間（即幾天甚至幾個(gè)月）內包括給定區域中的所有紅方和藍方平臺。

AFSIM的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)主要在交戰和任務(wù)層面，最近的開(kāi)發(fā)進(jìn)展已經(jīng)將AFSIM擴展到中小規模的戰役仿真。

當需要更全面地探索工程或完整的戰役模型時(shí)，可以結合其他仿真建模工具，例如空軍研究、分析和評估辦公室使用的綜合戰場(chǎng)作戰研究模型（STORM），可在較長(cháng)的一段時(shí)間（即幾天甚至幾個(gè)月）內，模擬給定區域中的所有紅方和藍方平臺，仿真規?？蛇_數千個(gè)實(shí)體以上。

AFSIM使用戶(hù)能夠將仿真實(shí)驗方案伸縮到適當的仿真層次，以更好地研究感興趣的項目。每個(gè)更高級別的仿真在邏輯上都建立在較低級別的仿真上，以此創(chuàng )建更復雜的仿真，以便分析在較簡(jiǎn)單的仿真中可能不顯著(zhù)的系統間關(guān)鍵屬性。例如，在交戰級或任務(wù)級，消耗彈藥和燃料儲備的戰斗效果可能不明顯，而在戰役級別模擬中，可能是最關(guān)鍵因素，是游戲規則的改變者。

AFSIM仿真規模的大小和復雜性的限制因素僅來(lái)自是計算機平臺的存儲、內存和計算能力，以及運行仿真所需的實(shí)際時(shí)間。

為了達到平臺類(lèi)型、保真度和仿真類(lèi)型的靈活性，AFSIM使用四個(gè)架構元素（屬性，元素，組件和鏈接）來(lái)描述仿真中的每個(gè)平臺，如圖2所示。

圖2 AFSIM架構要素

（1）Attributes屬性，包括常規數據，例如平臺名稱(chēng)，類(lèi)型和從屬關(guān)系。該子元素可以擴展為包含諸如雷達，光學(xué)和紅外簽名數據之類(lèi)的任務(wù)唯一信息，以確定飛機是否容易被敵方傳感器檢測到。

（2）Elements信息元素，包含駐留在平臺上的數據，以及有關(guān)接收者如何感知這些數據的詳細信息。對于飛機，這將包括將顯示給飛行員的數據種類(lèi)（即高度，速度，航向，雷達指示等），以及驅動(dòng)這些顯示的大量原始數據。

（3）Components組件元素，由直接控制平臺行為的各種模型組成。這些模型描述了平臺如何在時(shí)空中運動(dòng)，感知周?chē)h(huán)境，處理其收集的信息，與其他平臺進(jìn)行通信以及將其動(dòng)能和非動(dòng)能武器庫用于敵對平臺，以及執行各種其他任務(wù)。最后，Links元素協(xié)調平臺上各個(gè)子系統之間的數據交換以及與其他平臺的通信。與其他平臺進(jìn)行通信，并利用其動(dòng)能和非動(dòng)能武器庫對抗對手平臺，并執行其他各種任務(wù)。

（4）Links鏈接元素，協(xié)調平臺上各個(gè)子系統之間的數據交換以及與其他平臺的通信。與其他平臺進(jìn)行通信，并利用其動(dòng)能和非動(dòng)能武器庫對抗對手平臺，并執行其他各種任務(wù)。最后，Links元素協(xié)調平臺上各個(gè)子系統之間的數據交換以及與其他平臺的通信。

AFSIM同時(shí)支持虛擬和構造仿真。在構造模擬中，模擬操作員控制模擬系統，例如，紅方和藍方玩家均由計算機控制的軍事戰斗。在虛擬模擬中，需要由真正的操作員來(lái)控制模擬系統，例如飛行員駕駛飛行模擬器。AFSIM可以有構造地用于進(jìn)行軍事能力的多目標決策/權衡 大型空間探索，可能涉及成千上萬(wàn)以非實(shí)時(shí)方式執行的獨特測試點(diǎn)。然后，可以將此類(lèi)構造模擬活動(dòng)的結果用于定義和執行實(shí)時(shí)運行的虛擬模擬，以調查較窄的交易空間（由構造模擬通知），以便在操作性飛行員參與下進(jìn)行更集中的評估。這樣就可以在構造仿真和虛擬仿真中使用相同的基礎仿真模型，從而在兩種環(huán)境中提供更一致的建模和分析。此外，AFSIM還可以鏈接到其他仿真或其他仿真器/仿真器，以提供真正的實(shí)時(shí)虛擬-構造（LVC）仿真功能。通過(guò)使用分布式交互式仿真（DIS）或其他受支持的通信協(xié)議，AFSIM可以與其他仿真或實(shí)時(shí)實(shí)驗進(jìn)行交互，以提供其他實(shí)體（虛擬和構造性），系統和子系統模型，威脅系統或其他可能的仿真功能。這使AFSIM可以通過(guò)附加功能來(lái)擴展和/或補充更大的仿真或實(shí)驗環(huán)境。

AFRL已經(jīng)采取了一些措施來(lái)擴大AFSIM的用戶(hù)數量。首先，AFRL將產(chǎn)品贈送給政府和行業(yè)合作伙伴。根據諒解備忘錄，可以輕松實(shí)現政府內部共享。但是，與行業(yè)合作伙伴共享軟件最初被證明是棘手的，因為現有的合同機制僅允許與行業(yè)合作伙伴共享政府財產(chǎn)和信息，這是更大合同的一部分。

AFRL還選擇在其俄亥俄州代頓的總部提供免費培訓。AFRL當前提供兩門(mén)課程：一門(mén)面向一般用戶(hù)，一門(mén)面向代碼開(kāi)發(fā)人員。用戶(hù)課程每月提供一次，而開(kāi)發(fā)人員課程每隔一個(gè)月提供一次。參加者的唯一費用是與旅行有關(guān)的費用。免費軟件和免費培訓的結合使AFSIM對于可能被迫使用昂貴的現成商業(yè)（COTS）產(chǎn)品以及與許可證續期，專(zhuān)門(mén)培訓和產(chǎn)品支持相關(guān)的經(jīng)常性費用的組織非常有吸引力。

為了進(jìn)一步達成協(xié)議，AFRL還選擇為用戶(hù)和開(kāi)發(fā)人員提供框架和所有支持工具的源代碼。該決定是由實(shí)驗室自身對其他“黑匣子”軟件工具的沮喪感所做出的，這些工具對工具如何將輸入轉化為輸出的了解有限。AFRL認識到，提供源代碼將使精明的用戶(hù)可以自己查看每個(gè)AFSIM結果背后的邏輯，算法，方程式和相關(guān)假設。AFRL還意識到，訪(fǎng)問(wèn)源代碼可以利用用戶(hù)社區作為代碼調試器，因為好奇的用戶(hù)可能會(huì )深入源代碼以了解異常結果，發(fā)現邏輯錯誤和錯誤的假設，可以在以后的軟件更新中予以糾正。

AFSIM的主要用例之一是作為技術(shù)成熟的仿真平臺。在過(guò)去的幾年中，AFRL在使用AFSIM作為成熟的航空器自主性的試驗臺方面進(jìn)行了大量投資。將AFSIM用作自治的模擬測試平臺，為基礎，應用研究和高級應用程序的開(kāi)發(fā)，成熟和測試自治算法創(chuàng )建了一個(gè)統一的環(huán)境。事實(shí)證明，將AFSIM用作加速飛行器自主開(kāi)發(fā)的虛擬試驗臺非常有效，以至于一些政府機構和行業(yè)合作伙伴也采用了AFSIM進(jìn)行了類(lèi)似的努力，包括國防高級研究計劃局（DARPA），約翰·霍普金斯大學(xué)應用物理實(shí)驗室（ JHU APL），喬治亞理工學(xué)院（GTRI）和Leidos。AFRL還與空軍生命周期管理中心（AFLCMC）和空軍作戰整合中心（AFWIC）合作，使AFSIM成為分析未來(lái)武器系統概念的替代品（AoA）的首選工具。此外，AFWIC已將AFSIM納入其功能開(kāi)發(fā)指南。AFRL還向其行業(yè)合作伙伴傳達了AFSIM將成為評估其提案的關(guān)鍵工具。洛克希德·馬丁公司最近宣布將向其AFSIM基礎設施投資500萬(wàn)美元，這清楚地表明了行業(yè)正在傾聽(tīng)。開(kāi)發(fā)AFSIM的前身的波音公司十多年來(lái)一直是忠實(shí)的用戶(hù)。

AFRL認為國防部最終將通過(guò)使用AFSIM提前發(fā)現和糾正模糊的要求、無(wú)效的假設以及有缺陷的設計決策，減少進(jìn)度延誤和成本超支，最終收回投資。盡管存在一些缺陷，AFSIM已經(jīng)為使AFSIM實(shí)用、可用、負擔得起且易于使用而做出大量努力，增強了國防部“以模型為中心”的采購方法。