面向作战的侦察情报数据仿真系统设计*

戴礼灿

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



面向作战的侦察情报数据仿真系统设计*

戴礼灿**

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

针对作战对抗环境下侦察情报数据仿真模拟需求，重点从组件化仿真建模与多维想定编辑入手，提出了一种灵活、可配置的侦察情报数据仿真系统设计及其实现方法。从装备与行为两方面对侦察实体进行抽象，建立组件化仿真模型；并结合实战应用场景从组织、任务、空间、时间与信息交互等多个维度开展侦察行动预案设计，驱动仿真引擎加载相关的规则模型进行仿真推演与解算，输出最终的仿真模拟结果。仿真模拟试验结果证明了该方法的实用性与有效性。

侦察情报模拟；仿真建模；想定编辑；动态推演

1 引 言

作为指挥、控制、通信、计算机、情报、侦察、监视(Command,Control,Communications,Computers,Intelligence,Surveillance & Reconnaissance,C4ISR)系统的重要组成部分，情报侦察监视[1]是实施一体化联合作战，夺取战场信息优势的关键；在未来的高科技战争中，对作战进程乃至战争结局起着关键性作用。但是，由于情报领域特殊性，出于安全保密以及业务管理需要，地方科研院所很难获取真实对抗环境下的侦察情报数据，导致在指标论证、技术攻研与联调测试过程中缺乏足够的测试数据与训练样本，制约了情报侦察监视装备性能的进一步提高[2]。因此，如何通过仿真模拟技术快速搭建仿真运行环境，以软件方式仿真情报作战行动，模拟战场信息环境，按照实际应用需要生成相应的侦察情报数据，成为情报领域必须面对的一个重要课题。

近年来，国内不少科研机构针对特定应用场景开展了数据仿真相关理论技术研究[3-4]，并根据目标特征属性[5]，结合传感器功能原理建立了具有某些目标、某类传感器数据模拟功能的仿真试验环境[6-7]，能够模拟相应的数据场景支持装备功能流程验证。但已有的仿真建模多局限在传感器功能层面，对更高层次的任务行为涉及较少，对复杂战场尤其是对抗环境下的情报业务逻辑刻画得不够充分，难以支撑模式识别、机器学习等算法模型训练、学习与评估、优化。此外，随着数据中心战略相继规划实施，通过数据直接驱动的作战应用不断涌现，传统为每类应用场景构建特定仿真运行环境的方式无论在效率还是成本上都难以持续，系统柔性可扩展能力亟需加强。

本文在分析、归纳仿真模拟对象特点、难点基础上，提出了一种基于多维想定与组件化模型的侦察情报数据模拟仿真思路，开展了系统架构、功能流程以及仿真组件模型框架设计，分别给出了装备、行为组件仿真建模以及多维想定编辑的基本方法，并开发了相应原型系统用于实际应用效果验证。与传统方法相比，所提方法无论在灵活性、可操作性以及模拟数据的真实、有效性上都有较大程度的提升。

2 模拟对象分析

2.1 目标对象模拟

情报侦察[1]的目的是尽量“透视”整个战场空间，其关注重点首先是战场上的目标实体，因此目标对象模拟是本文的重要研究内容。考虑目标对象多样性、复杂性，为使仿真模拟的侦察情报数据更加贴近实战应用场景，目标对象模拟需要重点考虑以下方面：

(1)目的性、机动性。情报关注的目标实体天然具备任务属性，需要充分考虑目标状态随着作战进程不断变化，以及在特定战场空间驻、泊以及机动的能力。

(2)隐蔽与反侦察性。真实场景下的侦察对抗往往伴随着隐蔽与欺骗。以通信为例，敌方通信装备不可能长时间持续工作，引起目标状态改变的可能是随机因素或故意欺骗[8]。

(3)自主性、规则性。目标对象具备在执行任务过程中自主改变或放弃执行任务，并根据作战规则调整作战行动的能力，强调敌我双方侦察对抗行动有法可依、有据可循。

2.2 侦察行动模拟

侦察行动模拟是本文研究核心，为了使最终构建的仿真系统柔性可重构，提高其在应对不同任务需求中可继承、扩展的能力，侦察行动建模仿真过程应充分考虑以下方面：

(1)通用性。遵循统一的标准框架以及分类方法，能够对典型应用场景下的通用情报侦察监视行动进行仿真模拟，满足一般仿真应用系统对互操作的要求。

(2)灵活性。仿真模型开放、可配置，具备扩展灵活、规则参数可以动态调配的能力，能够适应不同层次、不同任务背景下的侦察情报仿真模拟需求。

(3)可视化。采用图形界面方式对仿真模型参数及其背后的行为逻辑进行可视化展示，提供便捷、友好的交互方式对规则参数进行管理、维护，方便仿真过程中的干预、控制。

3 系统方案设计

3.1 总体思路

针对模拟对象特点，本文采用想定加组件化模型驱动的方式，搭建仿真系统完成数据的模拟生成。仿真建模方面，不仅考虑装备功能，还对战场实体的行为逻辑进行抽象，以反映其任务特性以及自主对抗等能力。装备、行为组件模型的灵活装配能有效应对目标对象的多样性、复杂性问题，而基于XML的想定文件，格式规范，信息标准，能够确保侦察情报数据仿真的通用与互操作性。为了最大程度地逼近实战应用场景，考虑从组织、任务、空间、时间以及信息交互等多个维度对侦察行动预案进行编排设计，按需生成想定脚本，以驱动仿真引擎加载相关规则模型，并根据预案脚本推进仿真时钟，周期性地组织模型解算，完成目标状态更新以及侦察信息获取、处理与交互；按照作战对抗环境下的因果逻辑完成侦察行动模拟与情报数据生成。

为进一步提高灵活性、交互性，在系统功能设计上引入实时干预与数据可视化，方便用户根据实际模拟输出，以人在回路的方式对仿真模拟进程实施实时监视、控制，确保按照实际的应用需求生成最终仿真模拟结果。

3.2 系统架构

系统采用开放式体系结构，在通用的仿真运算服务基础上以组件化、构件化方式开发仿真模型与应用软件，支撑侦察行动模拟与情报数据生成等系统功能应用。

仿真模拟系统架构如图1所示，逻辑上由基础资源层、运行支撑层、应用构件层、模型组件层和系统应用层等部分组成。

图1 仿真模拟系统架构Fig.1 The simulation system architecture

基础资源与运行支撑是仿真系统集成运行的基础，包括系统运行、管理、维护所需的软硬件环境与数据资源等。其中，数据资源主要包括存储目标特征、规律的目标信息数据库，模拟量化地理气象等环境信息所需的战场环境数据库，存储临时状态的过程数据库，以及各阶段仿真模拟输出的侦察情报数据库；运行支撑则主要包括系统集成、运行所需要的仿真引擎、时间管理、地理信息与数据分发服务等公共支撑环境。

应用构件与模型组件是整个系统的核心，其中应用构件主要包括满足系统仿真应用所需的功能软件集合，包括模型装配、想定编辑、实时干预、数据采集与可视化等，为用户按照实际应用需求开展侦察情报数据仿真提供必要的软件工具支撑；模型组件主要包括根据模拟对象的类别和功能，按照组件化建模思路设计并开发的一系列装备、行为与其他组件模型等，为仿真引擎完成场景解析与推演提供所需的规则和算法。

系统应用层主要面向应用提供典型系统功能配置，方便用户按照相关使用规范制定仿真作业流程，完成系统的快速搭建，开展应用场景下的侦察行动模拟与情报数据生成。

3.3 工作流程

仿真系统典型工作流程如图2所示，从侦察情报数据仿真应用背景出发，历经模拟准备、仿真运行与分析评估3个阶段；实际运用过程中，各阶段之间存在状态转换，即可以根据仿真过程的实时评估结果对仿真模型与应用构建的配置参数进行动态调整以满足真实应用需求。

图2 仿真系统典型工作流程Fig.2 Workflow of the simulation system

其中，模拟准备阶段主要基于军事作战概念完成仿真组件的设计、开发，并根据实际应用需求完成模型的组装、配置，形成可部署的战场实体仿真模型；同时利用想定编辑软件根据模拟试验方案加载相关模型，完成实体编成部署、任务及实施条件设置、机动路线与信息交互规划等，形成结构化的想定文件。仿真运行阶段则主要根据想定预案，结合模型定义的算法规则，配置仿真引擎的时间管理与事件调度机制，驱动模型周期性解算，输出模拟结果。记录的过程数据主要包括目标状态参数、传感器侦获数据、通信交互信息、数据处理结果等。而分析评估阶段主要根据应用需求建立评估指标，对仿真输出结果进行分析评估，为仿真系统干预控制以及最终侦察情报数据采集生成提供参考。

4 关键技术

4.1 组件化建模

组件化仿真建模主要采用面向对象的思想[9]，通过自顶向下分解与自底向上归纳相结合的方式对战场目标实体装备与行为进行拆解、归类，然后抽象建立仿真组件模型，让一个完备的作战实体通过多个组件模板组合而成，最大程度地提高仿真模型的专业性和复用性。

统筹战场环境下敌我双方侦察对抗行动仿真模拟需求，本文建立如表1所示的侦察情报仿真组件模型框架，主要包括装备组件、行为组件两大类。

表1 侦察情报仿真组件模型框架Tab.1 The architecture of reconnaissance and intelligence simulation component model

其中,装备组件主要从物理结构与功能组成角度对仿真实体进行拆解，包括目标平台、通信设备、武器弹药与侦察传感器等；行为组件则侧重反映目标任务计划与事件处理逻辑等，强调目标通过行为对其他实体与战场环境施加影响，并且与其他实体发生信息交互，接受其行为影响改变自身状态的能力，包括预警侦察、搜索发现、数据处理、电磁干扰与侦察指挥协同等。装备与行为组件共同作用完成战场实体的仿真建模，通过对其物理功能、运行流程、行为准则模拟，仿真其在战场环境中侦察对抗能力与活动流程等。仿真推进所需的裁决、评估等其他模型并非本文的重点，在此不予赘述。

不失一般性，下面分别以雷达与侦察指挥协同为例阐述如何设计让计算机理解并执行的装备与行为组件仿真模型的具体方法。

4.1.1 雷达模型

按照组件化建模思想，雷达可进一步拆分出天线、接收机与信号处理等装备组件。本节侧重于建模方法、流程介绍，因此直接将通用雷达作为装备组件建模的基本对象单元。

具体地，装备组件建模主要包括属性与方法设计两部分。通过对属性赋值在信息域构建虚拟的装备实体，属性改变反映状态的改变，如设备开关机等，方法则表征通过属性控制装备的能力生成过程；两者共同作用反映不同装备之间能力差异。针对战场通用雷达，其属性设计重点考虑发射功率、频率、天线高度、增益、视场、探测范围、接收机带宽、最小可检测功率、抗干扰系数等，而方法则需要对雷达通过发射特定功率电磁波对目标进行照射并接受回波，分析出目标距离、速度、高度等信息整个过程进行抽象。下面给出仿真雷达通用探测方法的伪代码程序:

输入：雷达属性参数与战场实体及其状态数据集合M。

输出：雷达可探测目标句柄与探测目标数据集合N。

Step 1 fori=1,2,…,m,遍历战场空间实体：

(1)对每个实体进行距离门限检查：

if目标实体处于雷达探测范围内next，

else continue；

(2)对每个实体进行视场检查：

if雷达是矩形视场&目标在矩形视场内next，

else if雷达是圆形视场&目标在圆形视场内next，

else continue；

(3)对每个实体进行地形遮蔽检查：

if目标实体在雷达的视距范围内next，

else if目标实体与雷达天线之间的连线不被起伏的地形遮蔽 next，

else continue；

(4)根据雷达方程计算目标回波功率：

if雷达不被干扰&回波功率≥最小检测功率next，

else if雷达被干扰&目标实体仍处于被干扰后雷达的可探测范围 next，

else continue；

(5)通过上述系列检查后：

目标句柄加入雷达可探测的目标实体队列。

Step 2 fori=1,2,…,n,遍历雷达可探测目标实体队列：

根据目标实时状态，结合雷达性能参数，计算目标探测结果，更新探测目标数据集合N。

Step 3 根据探测数据更新情况输出最终结果，程序结束。

4.1.2 侦察指挥协同

相较于装备组件建模，行为组件建模除了属性与方法外还需要重点关注事件程序的设计，即何种条件下触发何种方法进行何种战术反应。

以侦察指挥协同行为建模为例，其行为实体主要是情报指挥所。行为实质是在侦察指挥过程中，由于不同传感器功能原理、部署位置与实际工作状态等差异，对特定目标、区域的侦察效能以及侦获特征参数的类型各有侧重；为实现目标信息全截获，提高传感器利用效率，指挥所下达指令，控制其下属同类或者异类多传感器之间相互协同，开展协同侦察。侦察指挥协同行为逻辑规则的抽象主要考虑以下内容：

(1)行为实体接收上级下达以及下级请求的目标、区域侦察任务，加入任务队列，并进行目标威胁评估与任务优先级排序。

(2)达到行为实体自主指挥下级实施侦察任务条件时，首先判断是否存在固定常规兵力能够对目标区域侦察覆盖；若存在则计算常规兵力最优组网侦察方案，完成目标分配，并指挥相关兵力按照计划方案实施组网协同侦察。

(3)上述条件不成立，判断是否存在可临机调配的机动兵力能够对目标区域侦察覆盖，如存在则计算最优的机动侦察预案，包括出动架次、时间、传感器搭载、接续与航线规划等，并指挥相关机动兵力开展机动侦察。

(4)在机动兵力实施侦察过程中，遍历友方的所有战场实体，判断是否存在实体可为机动兵力提供信息支援，若存在则指挥该实体与机动兵力进行组网，对机动兵力实施引导支援。

(5)不断更新任务队列，并对任务状态进行分析判断，若不具备任务实施条件，直接报告上级指挥所，无任何应对行为；若任务完成或者出现目标驶离任务区域等任务终止情况时，指挥相关兵力终止侦察任务。

值得一提的是，上述建模过程中的威胁评估准则、目标分配原则、任务实施条件等均可编辑配置；模型提供通用关联要素和优化算法供用户根据应用需求灵活组装配置以提高行为组件模型柔性可重构的能力。

4.2 多维想定编辑

想定[10]是驱动仿真推演的计划脚本，是确保最终仿真结果真实可信的重要前提。结合侦察情报数据仿真模拟特点，本文提出从组织、任务、时间、空间与信息交互等多个维度开展想定的协同设计，确保最终能够形成时间上先后有序、能力上相互补充、行动上整体协调的侦察行动预案，最大程度地逼近实战应用场景。

(1)组织维度：根据仿真模拟的目标对象组织编成关系，通过仿真实体的编成、指控、编队与搭载关系等设置，完成组织维度上的编排设计。

(2)任务维度：根据不同兵力在侦察对抗行动仿真模拟中角色分配，通过加载预警侦察、搜索发现、电磁干扰与数据处理等行为组件，以及任务实施条件等规则参数设置，完成任务维度上的编排设计。

(3)空间维度：根据仿真的作战应用场景下敌我双方兵力布势，结合不同兵力任务性质，通过不同地理空间中的仿真实体部署、机动路线、编队队形、活动区域，以及实体属性改变与任务状态转移对空间的依赖等设置，完成空间维度上的编排设计。

(4)时间维度：根据作战行动计划，结合不同兵力任务性质，通过仿真实体搭载设备工作时间、各时间段的行动计划和任务安排，以及实体属性改变与任务状态转移对时间的依赖等设置，完成时间维度上的编排设计。

(5)信息交互：根据仿真实体任务属性，结合任务对空间、时间的依赖关系，通过仿真实体搭载通信设备开关机、数据处理方式、信息交互对象与内容等设置，完成信息交互上的编排设计。

5 原型试验

为了验证本文提出的侦察情报数据模拟仿真方法的实用性与有效性，基于成熟商业仿真引擎搭建了侦察情报数据仿真原型系统。设计、开发并集成相关侦察情报装备与行为组件模型，以及想定编辑、数据采集与可视化等基础构件，并以组织我方通信侦察、电子侦察与雷达等多种手段对特定海空区域内敌方目标展开协同侦察、获取侦察情报数据，完成标准格式封装并输出最终结果为作战应用场景，从组织、任务、空间、时间以及信息交互等多个维度制作想定预案，并加载相关仿真模型驱动原型试验。

图3和图4分别展示了设计、开发的雷达装备组件模型属性参数以及想定编辑过程中信息交互设置等原型功能界面。其中,雷达属性除了装备的基本功能、特性定义外，还加入了部分状态参数设置，比如是否对空、是否对海与是否考虑地形遮蔽等。通过参数赋值、状态勾选，以及与其他装备、行为组件组合搭配，能够灵活装配出观通站、雷达站、预警机等战场实体以满足侦察情报数据仿真需要。图4重点展示了仿真系统在想定编辑过程中的信息交互设置功能，包括数据分发对象、数据类型、内容灵活选择与配置等，图例给出了仿真实体向电子对抗飞机分发某方向综合态势数据的信息交互设置。

图3 雷达组件模型属性参数Fig.3 The parameters of radar simulation model

图4 想定编辑过程中信息交互设置Fig.4 Information interaction set in scenario editing

图3、图4证明了基于本文方法构建的仿真系统具有良好的开放性与柔性可重构能力，能够有效应对情报侦察数据仿真多样性、复杂性问题。

图5给出了仿真系统在应用想定驱动下加载相关模型进行仿真推演，生成的侦察数据与情报事件记录。具体地，当前仿真时刻，实体加载的装备、行为组件能够对目标或信号实现侦获，则按照模型定义的规则、方法计算模拟的侦察情报数据输出，并按指挥编成关系上报，形成“上传”事件记录。从图中可以看出，同一时刻不同仿真实体侦察到的目标情况不同，短波能够侦察覆盖的目标数量更多。图5右侧同时给出了仿真实体的侦察数据输出，包括目标类型、名称、信号频率以及目标位置等，这与短波信号侦测系统作用距离远，以及所具备的特征参数测量、信号交会定位与目标类型识别等能力、特性一致。这充分证明了基于本文提出的组件化建模方法构建仿真模型的有效性。此外，通过想定编辑过程中信息交互对象灵活设置，我们可以看到情报处理中心接收多种手段侦察情报数据上报，包含不同手段针对同一目标或者不同目标的多种侦察数据，这为情报数据处理仿真给予了充分自由；而处理结果向机动平台的自动“分发”则体现了加载的行为组件通过控制引导信息的自主分发实现侦察指挥协同模拟仿真，这进一步证明了本文提出的行为组件模型以及多维想定编辑思路对提高侦察情报数据模拟真实性、全面性的重要价值。

图5 仿真推演过程中信息交互事件与仿真数据展示Fig.5 Information interaction event and data record in the simulating process

6 结束语

本文从侦察情报数据仿真需求出发，研究了实战应用背景下侦察情报装备、行为组件化仿真建模与多维度想定编辑方法，设计并实现了侦察情报数据仿真系统，为多样化侦察情报作战应用仿真提供了工程化实践方法，为仿真运行环境下开展侦察预案研究以及数据挖掘、机器学习等新算法评估优化提供了有力支撑。今后将在此基础上进一步细化相关装备与行为规则模型，并通过仿真探索情报与作战如何有机协同，在工程实践中提高系统的鲁棒性与适应性。

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Design of an Operation-oriented Reconnaissance and Intelligence Simulation System

DAI Lican

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

For the application of reconnaissance and intelligence simulation in operational environment,a new strategy is proposed in which users are allowed to build the simulation models and edit scenarios in a more flexible way. Specifically,the strategy simulates the entities both from their equipment and behavior,and edits the simulation scenarios with a complete plan of organization structure,mission,space,time and information interaction,which can directly drive the simulation engine to load the required models and output reasonable results. The simulation experiment results demonstrate the new method’s practicality and effectiveness.Key words：reconnaissance and intelligence simulation;simulation modeling;scenario editor;dynamic deduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.013

戴礼灿.面向作战的侦察情报数据仿真系统设计[J].电讯技术，2017,57(7):806-812.[DAI Lican.Design of an operation-oriented reconnaissance and intelligence simulation system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):806-812.]

2017-02-27；

2017-06-05 Received date:2017-02-27；Revised date：2017-06-05

TN971;TP391.9

A

1001-893X(2017)07-0806-07

戴礼灿(1985—)，男，四川绵阳人，2013年于中国科学技术大学获工学博士学位，现为工程师，主要从事系统总体设计与信息处理工作。

Email：253383769@qq.com

**通信作者：253383769@qq.com Corresponding author：253383769@qq.com