シミュレーション モデルとは: 防御のコンテキスト

(へ ステファノ・アヴォリオ)
16/02/23

私たちは見てきました 前の記事、シミュレーション モデルとは何か、また、時間の経過とともに、モデリングとシミュレーションの実践がさまざまな状況で重要性を増してきた方法について説明します。 現在の使用に焦点を当てましょう モデリングとシミュレーション 防衛の世界で。

防衛分野でシミュレーションが使用される理由

まず、シミュレーションの目的を検討します。 一言で言えば、今日、私たちは本質的にこれらのいずれかを達成するためにシミュレートしていると言えます 4ゴール:

A) 軍人の訓練

B) 既知のシナリオにおける勝利戦略/戦術の研究と開発

C) 新しいシステムの特性の定義

D) 新しいシステムの検証

以下 (「図 1」) で、上に挙げた 4 つの用途の次元が何で構成されるかを見てみましょう。 これを行うために、図のような防空システムの一般的なシミュレーションを考えてみましょう (次の図を参照)。 これは非常に単純化された図式化であり、コマンド アンド コントロールのモデル (図の左側の最初のもの)、ミサイル ランチャー、レーダー、迎撃ミサイル、および考えられる脅威のモデル (図の最後の青い四角) を提供します。図、一番右)。 これらの現実のオブジェクトのモデルは、シミュレーションでは、防衛システムと空気との相互作用の単一の一貫したシミュレーションを構築するために、相互に通信できる通信インフラストラクチャ (図のオレンジ色のブロック) によって接続されています。脅威。

目標 A を達成するためにシミュレーションがどのように使用されるかを理解するには、スタッフトレーニング1、サンプル演習でモデル化された武器システムのオペレーターが必要であることが想像できます(次の画像「図2」を参照)。 指揮統制モデルと直接対話することを想像してみましょう。シミュレーターに敵対的脅威との交戦の典型的なシミュレーション シナリオが供給されることを想像してみましょう。また、システムがオペレーターの対話と交戦任務の結果を記録できると仮定しましょう。その後のオペレーターの行動の事後分析 (彼は何機の敵機と交戦できたのか? どのような結果が得られたのか? 与えられた一連のシナリオに対してどちらのオペレーターが優れていたのか? その理由は?) 国際的には、この目標は教育、訓練、運動、評価 (ETEE) として知られています。

シミュレーションを使用して目的 B を達成する方法を理解するには、 既知のシナリオでの勝利戦略/戦術の研究と開発、新しい脅威モデルをモデル化できるインテリジェンスデータがあると想像する必要があります。 他の考慮事項が同じである場合、この種の脅威に対してより適切に応答するように、つまりより効果的になるようにシステムを構成するにはどうすればよいでしょうか? ランチャーをどのように配置するか? レーダーの配置方法は? どちらの消防教義がより効果的ですか? オペレーターの最も正しい動作は何ですか? 同様の状況が次の図 (「図 3」) に図式化されています。

目的 C、つまり la を達成するためにシミュレーションが使用される理由を理解する 新しいシステムの特性の定義、前の画像 (「図 3」) のようなシナリオを再び参照できます。 諜報データを通じて、潜在的な敵からの新しい脅威に気付いたとします。 私たちは自由に使える武器システムのモデルを使ってシミュレーションを実行し、私たちが自由に使えるシステムは、新しい脅威からの十分な保護を保証するのに適していないことを発見しました. 新しい武器システムを手に入れることができるか、それとも既存の武器システムを進化させることができるか、どちらの方向に進みますか? より高性能なレーダーで十分で、脅威をより早くよりよく見ることができますか、それともより機動的な迎撃ミサイル、または既存のものと比較してより高い高さ/距離に達することができますか? これらの質問に答え、軍の新たなニーズに対応するための高度で最適化されたシステムの提供依頼を精緻化するために、シミュレーションは非常に便利で、多くの場合かけがえのないツールです。

最後に、シミュレーション システムが目的 D、つまり la 新しいシステムの検証. 前の例を続けると、新しいタイプの脅威に対抗するために、改良されたシステム (またはサブシステム) を実際に受け取ったと想像することができます。 取得することを決定したシステムが新しいレーダーであると仮定すると、レーダー自体に加えて、シミュレーションの一部として適したモデルであるレーダーのモデルも提供できると想像できます。2. このモデルを使用すると、シミュレーションを再実行して、最終的に改善されたシステムのパフォーマンスを検証し、システム自体を検証して、進化した脅威に直面する必要性に効果的に準拠しているかどうかを確認できます (次の図「図 4」を参照)。 )。

目的 D に該当するもう 5 つのケースは、ゼロからの開発が必要な複雑なシステムの統合のケースです。 通常、完全に新しいシステムを設計するときは、詳細な要件を微調整し、各サブシステムのアルゴリズムを開発することを目的として、システム自体のグローバル シミュレーションを設計することから始めます (記事の最初のスキームの状況とまったく同じです)。 開発が完了すると、さまざまなサブシステムが実際の HW で実際に作成され (少なくともプロトタイプの形で)、これらのプロトタイプは、最初は一度に XNUMX つずつ置き換えられ (次の図の「図 XNUMX」を参照)、徐々にすべてが置き換えられます。シミュレーションで最初に考案されたサブシステムに。 言い換えると、シミュレーションは、作成されたサブシステムが最初に考えられたもの (ループ内のハードウェアの概念) からどの程度逸脱しているかを検証するのに役立つ、実際のテスト、検証、および統合ツールに変換されます。

シミュレーションの種類

防衛で使用されるシミュレーションの種類を区別するには、さまざまな方法があります。 従来の違いは、建設的、仮想、およびライブ シミュレーションの違いです。

  • コンストラクティブ: システムとユニット オペレーター (モデルによって動作が表現されるオペレーター) の動作の両方がシミュレートされるシミュレーション3. 「図 3」のようなシミュレーション システムは、人間の介入が「構成データ」として識別されたものを変更することに制限されていると想像する場合 (たとえば、構成データ上の要素の展開を決定することによって)、このタイプの定義に対応できます。または、事前に確立された動作を持つ脅威のシミュレーション中の特定の瞬間に出現を決定します)。 建設的シミュレーションでは、すべてが実際にシミュレートされ (通常はコンピューターによって)、実際の要素がシミュレーションと相互作用することはありません。
  • バーチャル: この場合、実際の人 (Human in the Loop) によって制御されるシミュレートされたシステムがあります。 「図 2」で説明されていることは、その良い例です。
  • ライブ: この場合、仮想ケースに加えて、実際のシステムを使用することもできます (前述のように、概念はループ内のハードウェアです)。 たとえば、シミュレートされたレーダーの代わりに、シミュレートされたコマンドとコントロールにデータを送信できる実際のレーダーがあり、実際のレーダーとシミュレートされたレーダーの両方を受信できる「図 6」(次の画像) の場合を考えてみます (Simオーバーライブ)。

公開されたばかりの分類には歴史的な価値があります (90 年代初頭の DOD USA の最初の文書に記載されています) が、今日では多くの点で時代遅れになっているように見えます。 ただし、さまざまな構成に関するいくつかの考慮事項を作成できます。

建設的シミュレーションは確かに再現性の高い結果を保証し、他のものよりも比較的安価であり (実際のオブジェクトはなく、すべてがコンピューター上でシミュレートされます)、モデル化されたシステムの理論的な動作を研究するのにより適しています (例: 要件の定義、戦略の定義、弱点の評価)。 忠実度は、シミュレーション自体で使用されるモデルの精度に依存します。

しかし、シミュレートされていない要素 (つまり、仮想シミュレーションの場合のような実際のオペレーター、またはライブ シミュレーションの実際のシステム) が導入されると、シミュレーションの再現性は達成が完全に不可能ではないにしても、より困難になります。 しかし一方で、代表性はシミュレーションを改善し、新しいシステムの検証やオペレーターのトレーニングなど、さまざまな目的により適したものにします。

また、デジタル ツインの技術、文字通り「デジタル ツイン」について簡単に説明します。これは、実際のオブジェクトの仮想コピーとデジタル コピーを作成することで構成され、静的および動的側面を適切にモデル化できるコピーです。 これらのデジタルコピーは、もちろん、それらが作用するシミュレーションに影響を与えることができますが、シミュレーションのいくつかの効果/結果を、それらがコピーされている実際のオブジェクトに転送することもできます. これは、「図 6」の状況に対する一種の代替手段です。シミュレーションを実際のオブジェクトと相互作用させて現実世界に残す代わりに、実際のオブジェクトを「デジタル ツイン」に置き換えることで、シミュレーションの世界に置き換えます。 .

最後に、最新技術の進歩とゲートでのメタバースにより、従来の分類 (図の下部図)、私たちがますます慣れなければならない混合現実の概念の重複 (メタバースの視点に関する議論については、研究参考文献 7) を読むことが役立ちます。

図 1 : Mixed Reality (セクション a) とシミュレーション (セクション b) の概念の比較。 出典: 参考文献 3

また、シミュレートされたシステムの階層カテゴリに基づいてシミュレーションを区別する分類も興味深いものです。 「図 8」(次の図、参考文献 3 から取得) は、さまざまなタイプのシミュレーションの階層を総合的に表しており、集約のレベル、解像度/忠実度、シミュレートされたアクションの領域を強調しています (たとえば、米国の防衛分野におけるいくつかの既知のシミュレーション)。

「図 1」の例は、最後から XNUMX 番目の集計レベルである「ミッション」に配置されます。 最も低いレベル (交戦) では、単一の迎撃機またはレーダーのモデルを想像できます。 さらに下位レベル (エンジニアリング) には、サブシステム モデルがあります (例: シーカーのモデル4 ミサイルの)。

「図 8」のさらに下に位置するレベルは、目標 C および D (要件の定義と検証) の達成により適しているため、レベルと呼ばれます。 "エンジニアリング".

「8の字」は、自然な形で相互運用性の問題に対処することを示しています。 相互運用性は広い概念であり、システムが他のシステムと正しく相互作用する能力を表します。 相互運用性は長い間、兵器システムが満たさなければならない要件となっており、ネットワーク対応機能とマルチドメイン運用の前提条件となっています。 一方では、武器システムが相互に作用しなければならない場合、単純に「図 8」を見ただけでも、シミュレーション (または、シミュレーションの基になっているモデル) もそうしなければならないことは明らかです。相互作用するさまざまなシミュレートされたシステムを考慮するシミュレーションでのさまざまなモデルの集約の必要性、両方のモデルの再利用の必要性5.

理解しやすい例は、戦闘空間をアニメートするオブジェクトのモデリングです。システムが特定の脅威を検出した場合、近くに配置されたシステムは同じ脅威を検出する必要があります (センサーの特性が異なる場合を除く)。

この考察から、a) シミュレートされたデータを交換するための言語、および b) さまざまなシミュレーションの相互運用を可能にする SW アーキテクチャを定義する必要性が生じることがわかります。 異なる階層レベルのオブジェクトをフェデレートする問題など、この種の問題を解決するために、DIS (分散インタラクティブシミュレーション、プラットフォーム間でシミュレーションを実行するための IEEE 標準) である HLA (高レベルのアーキテクチャ、分散シミュレーション設計のアーキテクチャ標準です)。

(続き)

最初の部分を読んでください」シミュレーションモデルとは:起源と進化"

第三部を読む」シミュレーション モデルとは: イタリアおよび世界中のシミュレーション センター"

リファレンス

1 モデリングとシミュレーションの紹介、アヌ・マリア

2 メタバースと国家安全保障、イタリア戦略研究所、ファビオ・ヴァノリオ

3 Open Challenges In Building Combat Simulation Systems To Support Test, Analysis And Training、2018 Winter Simulation Conference (WSC)、Andreas Tolk - Raymond R. Hill - Douglas D. Hodson - Jeremy R. Millar

Note

1 同様の概念は、英語で「Mission Rehearsal」という用語で定義されているものです。つまり、ミッションの証明です。

2 サブシステム設計の進捗状況を反映することを目的として、さまざまなバージョンのモデルがサプライヤから委託されることがよくあります。 このようにして、最終プロジェクトがリリースされる前に、要求された進化の有効性を検証し、必要に応じて、新製品の設計段階でそれらを修正できるようにするために、中間返品を行うことができます。 、変更のコストがまだ妥当な場合。

3 従属部隊の指揮統制機能を行使するために割り当てられた指揮官の行動はシミュレートされていません

4 ターゲット追跡サブシステム

5 ただし、シミュレーション モデルの再利用には注意が必要であり、異なる階層レベルまたは同じ階層レベルの XNUMX つのシミュレーション用に作成されたモデルを常に再利用できるとは限らないことを読者に警告する必要があります。 忠実度レベルの問題、実行要件などがあり、再利用が不可能になることがよくあります。 これは、モデルを単純化するか、モデルを再設計するか、より高レベルのシミュレーションのコンテキストでより正確なシミュレーションのデータを使用することによって解決されます。

写真:米空軍/著者