1.4 仿真的层次

人们对仿真研究中需要何种细节程度的模型、需要采用何种方法描述模型及仿真的作用等问题存在很多不同的观点。这主要是因为实际应用中存在众多不同类型的仿真，即使针对同一个仿真或模型，人们考虑的应用和问题也可能千差万别。一般来说，不同类型的仿真试验需要不同详细程度的模型和仿真以支持不同的仿真应用。这些模型和仿真形成了建模与仿真的层次。军用仿真领域就是一个典型的多层次的仿真领域。层次较高的建模与仿真涉及国家政策和兵力结构规划，而层次较低的仿真则可能包含实际的武器系统试验。美国国防部在仿真项目的管理和组织中将建模与仿真的层次进行了如图1.1所示的划分，其中包含了不同层次仿真需要考虑的兵力、武器实体和系统的分解结构，并说明了不同层次的仿真所对应的系统层次和分析层次。

图1.1 军用建模与仿真的层次划分

军用建模与仿真的层次包括如下几方面：

● 工程层次（Engineering）。用于武器装备的设计、费用计算、制造和保障领域，主要支持武器装备的性能评估MOP（Measures Of Performance）。

交战层次（Engagement）。用于评价对抗条件下的武器系统效能，主要支持武器装备的系统对系统的效能评估（Measures Of Effectiveness, MOE）。

使命/作战层次（Mission/Battle）。评价作战单元或多个平台执行一个特定使命的效能，主要支持兵力对兵力层次的效能评估（MOE）。

战区/战役层次（Theater/Campaign）。用于给出战区/战役层次作战中联合作战兵力的作战结果，可以在战役层次上进行作战兵力价值和作战方案评估，有时称为战果评估（Measures Of Outcome , MOO）。

1．工程层次

工程层次仿真模型是描述单件武器装备的性能模型，有时还需要描述该武器装备与作战平台、探测器、电子对抗系统、预警系统、指挥控制系统等之间的行为和信息接口关系。例如导弹模型、雷达模型、飞机模型、舰船模型、指挥控制装备模型等。工程层次仿真一般用来分析和评估单个武器装备（或其分系统和部件）的性能及与性能有关的其他指标。它们从物理学的基本原理出发，以较高的精度描述武器装备实体的内在物理性质，如电磁学、空气动力学、流体力学、刚体运动学和动力学特性，以及重量、尺寸、疲劳、腐蚀、断裂、热传导、毁伤、辐射、反射等特性。例如工程层次仿真系统的输入一般是武器装备的物理参数、控制参数及有关地理、气候、行星、大气的各种环境参数，输出包括武器装备或其分系统的性能参数，它们预示了系统性能，一般称为MOP，如脱靶量、探测距离、飞行时间、突防性能等。

广义的工程设计模型包括与武器装备性能评估有关的后勤模型和费用模型等，与性能、制造能力、保障能力、系统、子系统和零部件的费用相关，支持设计、制造、保障等领域的权衡分析。工程层次的建模与仿真提供了零部件、子系统和系统层次的设计权衡的基础，支持技术设计规范开发和试验与鉴定。费用模型提供了开发、制造、作战试验和保障费用。保障模型则包括可靠性、可用性和可维护性、维修等级和供应保障分析模型。制造模型和仿真能提供某种特定设计的可制造性信息及工厂流水线的工作流仿真并确定相关的生产设备需求。一般更高层次的建模与仿真中的系统表示应以工程层次的模型为基础，这些高层次的仿真可以依据武器系统性能对其作战效能进行评价。

2．交战层次

交战层次的模型与仿真用于评价单个平台或武器系统与一个特定目标或敌方系统进行对抗的效能，而交战仿真模型是描述一方火力单元攻击某一目标时另一方的火力单元对进攻武器实施反击的攻防对抗过程及其结果的模型。评估可以在单对单、少对少的条件下进行，有时也可以是多对多的。所谓少对少是指所考虑的火力点数量少于实战要求的数量，而多对多则是在数量上符合实战的要求。交战层次的仿真模型依赖于工程层次模型与仿真的系统性能、运动学特性和探测性能等数据。交战层次的模型与仿真可以提供生存能力、易损性和毁伤能力等系统效能指标，并可以用于更高层次的模型，也可能包含推进、战斗、传感器、制导和控制等子系统的更细层次的性能指标并对其对作战效能的影响进行评价。交战层次建模与仿真的输出结果预示了在一个交战条件下的系统和子系统的作战效能，一般称为MOE，如杀伤概率、作战损失、导弹突防概率等。采用交战层次的模型和仿真可以确定系统的效能和性能需求，支持使命需求文档（Mission Need Statement, MNS）和作战需求文档（Operational Requirements Document, ORD）的编制、费效分析（Cost and Operational Effectiveness Analyses, COEA）、系统层次的性能权衡分析、试验与鉴定及战术变更评价和新概念武器的需求开发与定义。

3．使命/作战层次

使命作战层次模型与仿真反映了包含多个平台的作战单元完成特定使命目标的能力，如夺取空中优势、空中遮断或持续几个小时的空中打击等，因此使命作战层次仿真模型则是描述一方执行特定作战任务，另一方实施反击的作战过程及其结果的模型。它可能由战斗机和电子战飞机组成；或是混合的装甲部队；或是与某个一体化防空系统对抗的包含飞机、舰船和战斗系统的、航母战斗群等。如果包含人机交互，使命作战层次仿真还可以用于作战模拟、作战训练和战术开发。使命作战层次仿真通常在少对单或多对多的条件下进行，并且明确火力单元之间的指挥、控制、通信和情报关系。使命作战仿真的输入通常需要借助工程设计仿真模型输出的各种总体性能指标和武器交战仿真模型输出的作战效能指标；使命作战层次模型与仿真的输出为MOE。MOE指标一般在作战单元层次而不是在单个作战平台和武器系统层次。MOE指标可能包括损失交换比、交战概率或一个特定使命的完成情况。采用使命作战层次模型与仿真可以支持MNS或ORD需求生成、COEA中的多方案作战效能分析、作战系统的互操作性和兼容性问题检查及武器系统的试验与鉴定。

4．战区/战役层次

战区/战役层次模型与仿真用于确定主要战区或战役层次作战的长期结果，而战区/战役层次仿真模型是描述一方武器装备体系在多军种作战兵力的役使下执行特定战役任务，另一方作战兵力使用其武器装备体系实施反击作战的战役冲突过程及其结果的模型。兵力通常表示为更低层次兵力和系统的聚集。这些模型和仿真能确定兵力结构和不同作战方案的主要能力缺陷。由于这些仿真通常包含长期的作战，所以它们更可能包括一些简化的模型表示以保证仿真的可计算性。这些模型通常需要低层模型和仿真（工程、交战、使命）的结果作为输入以产生聚集兵力层次的能力。一些系统甚至在输入体系中可能具备直接包含某个特定系统更详细模型的能力。在其他层次模型和仿真的支持下，战区/战役层次仿真可能包含人机交互。在基于交互的战区/战役仿真中，它们可以用于作战人员训练或战术开发的作战模拟工具。一般工程层次模型则用于确定零部件、子系统或系统的性能。高层次的模型用于产生发展趋势，确定主要因素并支持系统或体系的对比分析。战区/战役层次模型与仿真的指标有时称为战果，如兵力下降程度、作战集团的损失、空中优势的变化或地面部队的移动。战区/战役层次模型与仿真可以支持使命领域评估（Mission Area Assessments, MAA）中兵力层次的作战结果评估，进而引导MNS的开发，支持COEA，评价新的作战系统或作战概念对战役的影响。

上面的模型与仿真的层次结构表示了一个面向军事领域进行性能、效能、战术及作战分析的应用领域框架。该框架的每个层次都面向特定的问题并依赖于其他层次可获取的信息。表1.2总结了每个层次模型与仿真的主要属性和特点。

表1.2 不同层次模型与仿真的主要属性和特点