1 января, 2006

Виртуальные воздушные войны

Математическое моделирование как инструмент для обоснования перспектив развития ПВО

Использование иерархической системы моделирования, позволяющей эффективно преодолевать трудности исследования сложных систем сочетается при этом с комплексом экспериментальных методов, позволяющих получать исходные данные, которые невозможно с достаточной степенью достоверности получить теоретическими методами.

В 2 ЦНИИ МО РФ разработана и функционирует система моделирования для анализа и синтеза группировок ПВО. Система моделирования обеспечивает проведение исследований по обоснованию тактико-технико-экономических характеристик вооружения ПВО, количественного состава средств и построения группировок ПВО, оценки их боевой эффективности и расчет экономических показателей.

В основу формирования и развития системы моделирования положены следующие основные принципы:

1. Cоответствие структуры системы моделей структуре направлений и задач исследований, проводящихся в интересах обоснования перспектив развития вооружения и научно-технического сопровождения этих разработок.

2. Структурно-функциональное подобие, т. е. ориентация моделей на системы (образцы) вооружения и организационные единицы ВВС-ПВО. При этом каждое звено решает присущие ему задачи с требуемым уровнем обобщения на основе соответствующей информации, получаемой от нижестоящих структур и взаимодействующих систем.

Указанные принципы предопределяют иерархическую структуру всей системы моделирования и ее классификацию по отдельным подсистемам.

В структуре системы моделирования можно выделить подсистемы, которые охватывают предметную область исследовательских задач одного уровня в рамках всей системы:

1. Оценка и прогнозирование характеристик, форм и способов боевого применения СВН.
2. Оперативно-стратегические исследования проблем ПВО.
3. Моделирование боевых действий группировок войск в зоне (районе) ПВО.
4. Моделирование боевого применения соединений (частей) родов войск и специальных войск.
5. Моделирование боевого применения образцов ВВТ и их подсистем.
6. Военно-экономическое обоснование системы вооружения ПВО.

В свою очередь указанные подсистемы моделирования состоят из подсистем моделирования более низкого уровня иерархии, комплексов математических моделей и отдельных моделей.

Важнейшее место в системе моделирования занимают интерактивные имитационные системы моделирования, обеспечивающие возможность исследования сценариев форм крупномасштабного применения СВН и группировок ПВО в виде игрового имитационного машинного эксперимента.

Для комплексной оценки эффективности боевых действий (операций) группировок ПВО применяется имитационный комплекс математических моделей (КММ) "Замысел-2". В 1994 г. КММ "Замысел-2" утвержден начальником Генерального штаба ВС РФ в качестве основного инструмента оперативно-стратегических исследований проблем противовоздушной (воздушно-космической) обороны. После проведенных доработок, "Замысел-2" эксплуатируется на интегрированном сервере IBM-360, который заменил ЭВМ ЕС-1066.

В настоящее время во 2-м ЦНИИ МО РФ разрабатывается КММ "Селигер", который является дальнейшим развитием "Замысла-2", на основе использования новых информационных технологий.

Создание такого рода комплексов моделей осуществляется научными коллективами в течение длительного времени. В этой связи такие комплексы должны обеспечивать решение широкого круга задач, связанных с получением количественных оценок эффективности группировок ПВО оперативно-стратегического уровня.

В крупном плане к этим задачам можно отнести следующие. Это обоснование системы вооружения ПВО, в процессе которого оценивается вклад предлагаемых к разработке (модернизации) образцов ВВТ в эффективность группировки ПВО в целом. Это обоснование состава и построения группировок ПВО на различных операционных направлениях (в регионах конфликтов). Две эти задачи решаются в тесной взаимосвязи с использованием критерия "эффективность-стоимость".

Моделирующие комплексы могут применяться при проведении мероприятий оперативной подготовки – военных игр, командно-штабных и войсковых учений и тренировок, а также при планировании боевых действий.

Использование КММ "Селигер" в Главном штабе ВВС, а также в объединениях и соединениях ВВС при планировании боевых действий позволит обеспечить методическое единство при проведении комплексных оценок эффективности.

В своем составе КММ "Селигер" имеет:

систему ввода исходных данных;
базу данных (БД) и процедуры работы с ней;
модель формирования плана удара СВН (ударной авиации ВВС);
модель боевых действий группировки ПВО по отражению удара СВН;
систему отображения и документирования хода и результатов моделирования.

Комплекс имеет симметричный характер и обеспечивает возможность имитации двустороннего конфликта, в котором учитываются системы объектов сторон, их группировки ПВО и группировки СВН.

Система ввода исходных данных комплекса обеспечивает задание в интерактивном режиме информации для моделирования. Информация, используемая в КММ, по содержанию представляет собой совокупность количественных данных, характеризующих исходную обстановку во всех ее аспектах (оперативных, тактических, технических, временных и т.д.), которые учитываются при моделировании.

Вся входная информация по способу ее использования условно делится на постоянную и переменную. По структуре входная информация представляет собой формализованные таблицы, хранящиеся в базе данных.

К переменной информации относятся данные, характеризующие состав и построение удара СВН, применяемые ими меры по преодолению системы ПВО, а также состав и построение группировки ПВО, состояние ее боевой готовности и обеспеченности боеприпасами.

Задание переменной информации осуществляется оператором с использованием графических средств на фоне цифровой карты района боевых действий. Реализованный в комплексе человеко-машинный интерфейс обеспечивает представление информации в удобной форме, включая ее визуализацию и документирование. Интерфейс базы данных обеспечивает также задание, хранение и редактирование постоянной информации по ТТХ средств ПВО и ЛТХ СВН.

Модель формирования плана удара СВН (авиации ВВС) позволяет в интерактивном режиме формировать план удара по обороняемым объектам с учетом противодействия группировки ПВО противника.

Эффективная работа КММ обеспечивается при размещении его компонентов на нескольких ПЭВМ, объединенных в локальную вычислительную сеть. Кроме того, при необходимости комплекс может быть размещен и на одной ПЭВМ, обладающей необходимым объемом памяти и приемлемым быстродействием.

Программное обеспечение модели разработано на основе принципов объектно-ориентированного проектирования на объектно-ориентированном языке высокого уровня.

Ядро КММ – модель боевых действий группировки ПВО по отражению удара СВН. Модель является имитационной и в ней воспроизводится динамика изменения пространственно-временной картины развития боевых действий. При этом в ходе боя учитывается динамика прямых и обратных связей огневых, информационных средств и средств управления противоборствующих сторон, динамика помеховой обстановки с фиксацией событийной информации в процессе моделирования.

Модель боевых действий создана на принципах открытой архитектуры. Это обеспечивает возможность изменения типажа, состава средств и способов взаимодействия между ними. Это позволяет использовать частные модели и блоки моделей различной степени детализации. Это также обеспечивает возможность его наращивания и совершенствования.

В составе удара СВН могут задаваться нестратегические ракетные средства нападения различных классов.

В составе группировки ПВО имитируются действия средств всех родов войск (ИА, ЗРВ, РТВ) и специальных войск (РЭБ-С), а также функционирование КСА КП системы управления группировки ПВО. Учитываются различные способы боевых действий и управления средствами ПВО. Так, например ИА может действовать из положения "дежурство на аэродроме" или "дежурство в воздухе" методами командного наведения, бортового наведения и бортового поиска (полуавтономные и автономные боевые действия).

Проблема адекватности модели решается на основе ее структурно-функционального подобия реальной системе и калибровки частных моделей ее элементов и подсистем на детальных моделях более низкого иерархического уровня.

О степени подробности представления СВН и средств ПВО в модели можно судить по следующим примерам.

При описании пилотируемого самолета ударной авиации имитируются отдельными объектами: самолет – как носитель, его бортовая радиолокационная станция (БРЛС), система навигации, комплексы РЭБ, находящиеся на его борту, различные средства поражения.

При описании ЗРК средней дальности имитируются отдельными объектами: стрельбовая РЛС, РЛС целеуказания, пункт боевого управления, зенитные управляемые ракеты.

В объектной структуре комплекса присутствуют объекты с разной степенью обобщения описания. Есть типовые объекты, обеспечивающие имитацию множества реальных средств разных типов путем задания соответствующих исходных данных. Есть также объекты, алгоритмы работы которых воспроизводят специфику работы специализированных (уникальных) средств ПВО.

Модель боевых действий КММ "Селигер" является процессно-ориентированной. Объекты моделируемой системы представляются процессами, выполнение и взаимодействие которых имитирует изменения, происходящие в реальной системе. Процесс – это объект, функционирование которого представляется в виде последовательности активных фаз – событий. Этой последовательности соответствует неубывающая последовательность моментов системного времени. При реализации события системное время не изменяется, преобразование состояния модели осуществляется мгновенно. Для упорядочивания моментов будущих событий используется управляющий список, в который уведомления о событиях заносятся в хронологическом порядке. Количество процессов и их взаимосвязи могут меняться в ходе работы модели. Это позволяет моделировать динамику системы СВН-ПВО с переменной структурой и сложными механизмами самокорректирования.

В модели используется универсальный, так называемый, комбинированный способ продвижения системного времени. При этом способе для одних объектов системы может применяться пошаговый метод корректировки их состояния, а для других объектов – пособытийный. Причем величина временного шага для объектов различных классов может быть различной. Такой подход обеспечивает гибкость формализации описания динамики работы системы и минимальные затраты машинного времени при проведении вычислительных экспериментов на модели.

Важнейшей характеристикой модели является степень детализации описания процессов в ней. Общие соображения по этому вопросу даны в книге Р.Шеннона "Имитационное моделирование систем – искусство и наука". В ней приведены кривые, показывающие на качественном уровне соотношение между степенью детализации (точностью) модели и показателем выгода/затраты. При этом указывается, что "…точность модели можно представить в виде числа на шкале от 0 до 1, где 0 означает абсолютно неточную модель, а 1 – абсолютно точную. С ростом точности модели возрастает ее стоимость, но возрастает и ее ценность для исследователя, хотя, скорее всего, и с убывающей скоростью. В большинстве случаев соответствующие кривые имеют вид, показанный на рис. Таким образом, отношение выгода/затраты будет, по-видимому, достигать максимума в точке, которая лежит ближе к началу координат, чем точка, соответствующая наиболее обоснованной модели, которую только можно построить не щадя средств".

Выбор целесообразной степени детализации в рассматриваемой модели имеет свою специфику. Это, в первую очередь, касается перспективных – разрабатываемых или предлагаемых к разработке, образцов ВВТ ПВО.

На ранних этапах разработки, когда еще окончательно не определен облик образца и его ТТХ, алгоритмическое описание этого образца в модели может и должно выполняться на упрощенном логико-событийном уровне его функционирования. По мере продвижения разработки и уточнения ТТХ описание образца в модели будет детализироваться и усложняться.

Важными факторами при определении целесообразной степени детализации в данной модели являются также следующие. Во-первых, как правило, на моделях проводятся расчеты в интересах получения сравнительных оценок показателей эффективности для различных вариантов исходных данных. Во-вторых, кроме затрат времени и ресурсов на разработку, избыточное увеличение степени детализации (точности) вызывает увеличение времени счета на модели.

Вместе с тем, оперативность применения модели является немаловажным фактором при использовании ее как в исследовательских целях, так и при проведении мероприятий оперативной подготовки, в том числе, в составе соответствующей компоненты АСУ. В обоих случаях, как правило, возникает необходимость в проведении многовариантных расчетов для отладки исходных данных (в части переменной информации) и собственно для получения показателей эффективности в интересах решения поставленной задачи. Проведение многовариантных расчетов в сжатые сроки, позволяющее видеть реакцию модели на изменения в исходных данных, способствует повышению степени доверия к ней пользователя как к инструменту исследования.

Учитывая вышесказанное, при разработке рассматриваемой модели, при достаточно высокой степени ее детализации, и, с учетом роста производительности ПЭВМ, выполняется следующее требование. Время счета одного варианта при максимальном для воздушного направления составе группировки ПВО и удара СВН не должно превышать 2 часов.

В процессе имитации формируется протокол работы модели, содержащий информацию о всех событиях, происходящих в системе. Протокол сохраняется в базе данных КММ. Данные протокола обеспечивают, при необходимости, проведение детального ретроспективного анализа результатов моделирования боевых действий группировок войск (сил) сторон с выявлением причинно-следственных связей и закономерностей динамики моделируемого процесса.

Модель обеспечивает возможность расчета комплекса (системы) показателей, характеризующих эффективность (боевые возможности) группировки по отражению удара СВН (ударной авиации ВВС). Основными из них являются:

математическое ожидание числа уничтоженных целей каждого типа из состава удара по типам средств ПВО, по направлениям, рубежам и т.д.;

ожидаемые потери обороняемых объектов и средств группировки ПВО (зрдн, рлр, аэродромы, КП и др.);

ожидаемый расход боеприпасов.

Модель позволяет также рассчитывать частные показатели, характеризующие качество работы подсистем группировки ПВО и отдельные наиболее существенные стороны моделируемого процесса (характеристики помеховой обстановки и т.п.).

Следует отметить, что эволюционный характер процесса конструирования имитационной модели неизбежен и желателен и он не сводится к построению одного единственного базового варианта модели. Этот процесс, при котором начинают с построения простой модели, а затем усложняют ее, имеет ряд преимуществ с точки зрения применения модели.

По мере того, как достигаются цели и решаются поставленные задачи, ставятся новые задачи либо возникает необходимость достижения большего соответствия между моделью и реальной системой, что приводит к доработке модели. Однако, если не принять при этом соответствующих мер, модель усложняется и разрастается с каждой такой модификацией. Анализ чувствительности может подсказать пути упрощения модели. Например, где-то можно перейти от методов Монте-Карло просто к использованию среднего значения переменной.

Одним из наиболее трудоемких этапов подготовки исходных данных при проведении оценок эффективности боевых действий смешанных группировок войск является задание удара средств воздушного нападения. Это обусловлено тем, что, во-первых, необходимо задание большого количества исходных данных, а во-вторых, большая часть задаваемых данных требует проведения трудоемких расчетов. Проведение необходимых расчетов вручную, для среднего по количеству СВН удара, около 150 ударных групп, может потребовать от нескольких недель до нескольких месяцев напряженных вычислений. Для автоматизации процессов проведения подобных расчетов была разработана модель формирования плана удара СВН.

Модель формирования плана удара предназначена для автоматизации построения удара СВН по группировке противника и обороняемым ею объектам с учетом возможности двусторонних боевых действий. Основным достоинством модели является то, что она позволяет пользователю оперировать укрупненными категориями исходных данных, например: оперативно-стратегическое направление, базы СВН, район боевых действий и т.п. Это позволяет сформировать удар СВН при минимальных затратах времени на подготовку исходных данных.

Планирование удара является творческим процессом и включает ряд этапов, не поддающихся формализации.

Вначале осуществляется определение возможных целей и задач удара на основе сценария военного конфликта и замысла воздушной операции противника. Затем проводится выбор совокупности объектов, поражение которых обеспечивает достижение поставленных целей. Далее определяется возможный состав сил воздушного нападения противника, привлекаемых для нанесения удара.

Конкретизация замысла удара осуществляется пользователем путем задания исходных данных по одному или нескольким направлениям удара. Под направлением в рассматриваемой модели понимается определенная часть средств воздушного нападения из состава его группировки выделенная для решения поставленной задачи в пределах одного или нескольких заданных районов.

Для направления удара задается состав СВН (типы и количество) и их дислокация (пункты базирования), перечень объектов и (или) классов объектов удара, а также границы районов – одного или нескольких, в пределах которых они расположены. Могут быть, кроме того, указаны границы районов (зон), запрещенных для полетов и начальные участки полета групп СВН. Объекты и классы объектов удара указываются в порядке убывания их приоритета.

Затем в модели, последовательно для каждого из заданных направлений, решаются следующие задачи.

Анализируются выделенные для нанесения удара силы воздушного нападения и их дислокация. Анализ заключается в последовательном переборе аэродромов базирования (ПУ для КР) и типов СВН и определении возможности их применения по конкретным объектам для направления. Для этого оцениваются возможности СВН каждого типа по досягаемости, наличию необходимого боекомплекта и возможности формирования боевого наряда, исходя из численности СВН этого типа на аэродроме базирования.

По результатам анализа принимается решение о возможности использования СВН того или иного типа с аэродромов базирования по конкретным объектам удара.

Затем осуществляется анализ средств противодействующей группировки ПВО и прикрываемых ею объектов. В ходе анализа проводятся предварительные оценки влияния огневых средств группировки ПВО на потенциальные потери в ударе СВН. Кроме того, производится ранжирование объектов, по которым планируется удар, по приоритетности.

Далее рассчитываются маршруты групп СВН к объектам удара. В процессе расчета производится построение оптимальных маршрутов полета СВН через боевые порядки противодействующей группировки ПВО, обеспечивающих минимум потенциальных воздействий ее огневых средств.

После этого осуществляется оптимальное назначение групп СВН на объекты удара. Оптимальное распределение СВН заключается в решении задачи выбора объектов удара, типов СВН и маршрутов полета таким образом, чтобы достигалась максимальная эффективность удара. Это обеспечивается выбором объектов удара в порядке убывания приоритетности и назначением на объект той группы СВН из числа возможных, потенциальные воздействия по которой средств ПВО минимальны.

При равенстве потенциальных воздействий по нескольким группам различных типов СВН, для назначения на объект выбирается группа, имеющая меньшую численность полигонного наряда. Таким образом, обеспечивается минимальные потери СВН при нанесении удара по максимальному числу объектов с учетом их приоритетности.

После завершения назначений СВН по объектам для всех направлений, производится распределение истребителей сопровождения по ударным группам СВН. При этом выделенное количество истребителей распределяется по ударным группам пилотируемой авиации в интересах снижения потерь в ударе. Затем осуществляется формирование полетных заданий для всех групп СВН удара.

Завершающим этапом подготовки плана удара является определение (уточнение) временного графика удара, которое выполняется пользователем с помощью специального интерфейса в интерактивном режиме.

Таким образом, на выходе модели формирования плана удара выдается совокупность полетных заданий тактических целевых групп СВН, участвующих в ударе. Тактическая целевая группа состоит из СВН одного типа, имеющих общую боевую задачу и следующих по маршруту в едином боевом порядке. В полетном задании ударной группы указываются: тип и количество СВН в группе, вооружение и объект удара, координаты опорных точек маршрута и режимы полета (высота и скорость) между опорными точками. Для групп истребителей сопровождения модель формирует полетные задания, содержащие информацию о маршрутах полета, участках сопровождения и номерах сопровождаемых ударных групп. При необходимости любое из полетных заданий может быть скорректировано пользователем вручную.

Система отображения комплекса обеспечивает воспроизведение на экране мониторов с заданной скоростью пространственной картины развития боевых действий за группировку и удар в целом и по родам войск до подразделения включительно.

В обосновании системы вооружения ВВС (в части ПВО) необходимо отметить особую значимость разработанных на экспериментально-лабораторной базе (ЛЭБ) 2 ЦНИИ МО РФ полунатурных моделей прогнозирования уязвимости и эффективной поверхности рассеивания существующих и перспективных летательных аппаратов. Основная часть ЛЭБ аттестована, имеет Государственный сертификат.

Результаты, полученные на средствах ЛЭБ, используются, в частности, в качестве исходных данных в КММ "Замысел-2" и "Селигер".