CC BY
544
УДК 355.424:518.5 Дата подачи статьи: 17.08.15
DOI: 10.15827/0236-235X.113.160-165
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОТИВОБОРСТВА В ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОЙ СФЕРЕ
О.А. Богданов, д.т.н., начальник НИЦ; А.А. Смирнов, к.т.н., начальник отдела; Д.В. Ковалев, начальник отдела, [email protected] (Научно-исследовательский центр Центрального научно-исследовательского института войск Воздушно-космической обороны Минобороны России, наб. Афанасия Никитина, 32, г. Тверь, 1 70026, Россия)
Для процессов и систем, имеющих сложный и многоаспектный характер поведения, каковыми являются и процессы вооруженной борьбы, при отсутствии возможности математической формализации, обеспечивающей аналитическое решение задачи, единственным подходом к исследованию является использование методов моделирования, в частности, методов имитационного моделирования. Важнейшее место в системе моделирования занимают интерактивные имитационные комплексы моделирования, обеспечивающие возможность исследования сценариев форм крупномасштабного применения средств воздушно-космического нападения и группировок воздушно-космической обороны (противовоздушной обороны) в виде игрового имитационного машинного эксперимента.
В конце 90-х годов в 2 ЦНИИ МО РФ (г. Тверь) началась разработка имитационного моделирующего комплекса «Селигер» на основе новых информационных технологий. В настоящее время разработана и проходит опытную эксплуатацию базовая версия этого комплекса. ПО разработано на языке С++ с использованием библиотеки QT, что делает его кроссплатформенным программным продуктом.
Имитационный моделирующий комплекс «Селигер» обеспечивает возможность имитации двустороннего конфликта, в котором учитываются системы объектов сторон, их группировки воздушно-космической обороны и ударных средств, а также расчета системы показателей, характеризующих эффективность группировки воздушно-космической обороны по отражению удара средств воздушно-космического нападения.
Рассмотрены направления развития комплекса, основными из которых являются его наращивание блоками модулей имитации систем разведки и предупреждения о воздушном нападении, а также ракетно-космической обороны.
Ключевые слова: имитационное моделирование, имитационный моделирующий комплекс, БД, среда программирования, геоинформационная система, боевые действия, воздушно-космическая оборона, противовоздушная оборона, средства воздушно-космического нападения, ракетно-космическая оборона, система разведки и предупреждения о воздушном нападении, тактико-технические характеристики.
В настоящее время даже самый мощный аппарат современной математики позволяет аналитически адекватно описывать поведение только относительно простых систем для ограниченного множества внешних условий. При исследовании сложных систем приходится идти на существенное и нередко неоправданное упрощение аналитических выражений, что не позволяет изучить все необходимые аспекты их поведения в конкретных условиях. Прямой натурный эксперимент над ними долог, дорог, часто опасен или попросту невозможен, так как многие из этих систем либо еще не существуют, либо единичны, а цена ошибок и просчетов в обращении с ними недопустимо высока.
Таким образом, для процессов и систем со сложным и многоаспектным характером поведения, каковыми являются и процессы вооруженной борьбы, при отсутствии возможности математической формализации, обеспечивающей аналитическое решение задачи, единственным подходом к исследованию является использование методов моделирования, в частности, методов имитационного моделирования [1-3].
Важнейшее место в системе моделирования занимают интерактивные имитационные комплексы
моделирования, обеспечивающие возможность исследования сценариев форм крупномасштабного применения средств воздушно-космического нападения (СВКН) и группировок ВКО (ПВО) в виде игрового имитационного машинного эксперимента.
Сетецентрические войны третьего тысячелетия будут представлять собой вооруженную борьбу высокоточных систем вооружений в едином информационно-коммуникационном пространстве при доминирующей роли средств воздушно-космического нападения, что, в свою очередь, потребует адекватного совершенствования средств и систем ВКО. В данных условиях обоснование решений по облику, составу и структуре ВКО РФ, формирование требований к перспективным средствам и системам ВКО немыслимы без использования передовых компьютерных технологий и проведения необходимых расчетов на основе математического моделирования, при котором исследуемый объект (боевые действия) представляется имитационной моделью и исследуется с использованием тех или иных математических методов [4].
Двойной термин «имитационное моделирование» означает, что имеют место такие модели, в рамках которых нельзя заранее вычислить и пред-
сказать результат. Поэтому для изучения поведения реальных образцов вооружения и военной техники (ВВТ) необходим эксперимент или имитация их функционирования на модели при заданных исходных данных. Другими словами, в отличие от аналитических моделей в данном случае осуществляется прогон имитационных моделей, а не их решение. Это означает, что имитационная модель не способна формировать свое собственное решение в том виде, в каком это имеет место при использовании аналитических моделей, а служит в качестве средства и источника информации для анализа поведения образцов ВВТ и принятия решений относительно их эффективности в конкретных условиях боевой обстановки.
Таким образом, имитационная модель оценки эффективности ВКО является инструментом поддержки принятия решения в различных звеньях управления при планировании боевых действий в конкретном военном конфликте по дислокации и эшелонированию группировок сил и средств, организации взаимодействия между родами войск и видами ВС, порядку применения различных средств в различных тактических ситуациях и др.
Кроме того, имитационная модель может эффективно использоваться при обосновании программ развития вооружений с учетом прогнозов развития военной техники иностранных государств, форм и способов ее боевого применения [5, 6].
Необходимость построения таких моделей требует разработки системы принципов и подходов, позволяющих получать в необходимом объеме достоверные результаты, уменьшить вероятность появления трудно устранимых впоследствии ошибок и снизить затраты на разработку модели.
Основные принципы построения имитационной модели применения СВКН и группировок ВКО (ПВО):
- функциональное подобие;
- предметность и комплексность;
- целеполагание и интерактивность при определяющей роли человека в формировании сценариев конфликтов, планировании и реализации форм и способов боевых действий сторон;
- учет иерархичности структуры управления силами и средствами вооруженной борьбы;
- пространственно-временное построение боевых действий;
- рациональная детализация и чувствительность к изменению характеристик основных процессов вооруженного противоборства сил и средств ВКО и воздушно-космического нападения;
- симметричность;
- учет возможного целенаправленного противодействия вскрытию замысла действий нападающей стороны (рефлексивного управления действиями противника);
- удобство подготовки и ввода исходной информации и отображение хода и результатов моделирования боевых действий с использованием электронных карт местности.
Создание такого рода комплексов моделей осуществляется научными коллективами в течение длительного времени.
В конце 90-х годов в 2 ЦНИИ МО РФ началась разработка имитационного моделирующего комплекса (ИМК) «Селигер», который является дальнейшим развитием комплекса математического моделирования, на основе использования новых информационных технологий. В настоящее время разработана и проходит опытную эксплуатацию базовая версия этого комплекса (рис. 1). ПО ИМК разработано на языке C++ с использованием библиотеки QT, что делает его кроссплатформенным программным продуктом [7, 8].
Комплекс реализует имитацию двустороннего конфликта, в котором учитываются системы объектов сторон, их группировки ПВО и ударных средств [2].
Система ввода исходных данных комплекса обеспечивает задание в интерактивном режиме информации для моделирования. Информация, используемая в ИМК, 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, хранящаяся в БД комплекса [9], по способу использования условно делится на постоянную и переменную. Постоянная информация включает данные по тактико-техническим и летно-техническим характеристикам средств группировок противоборствующих сторон и готовится заблаговременно.
Переменная информация включает данные, характеризующие состав и построение удара средств воздушного нападения (СВН), применяемые ими меры по преодолению системы ПВО, а также состав и построение группировки ВКО, состояние ее боевой готовности и обеспеченности боеприпасами. Переменная информация задается оператором с использованием графических средств на фоне цифровой карты района боевых действий.
Для формирования БД геоинформационной системы (рис. 2) используют сертифицированные электронные карты местности и матрицы высот.
БД ИМК «Селигер» функционирует под управлением СУБД PostgreSQL [10, 11].
Модель формирования плана удара СВН позволяет в интерактивном режиме задавать план удара по обороняемым объектам с учетом противодействия группировки ВКО (рис. 3).
Ядром ИМК является модель боевых действий группировки ПВО по отражению удара СВН, в ко-
Рис. 1. Структурная схема ИМК «Селигер» Fig. 1. A flow chart of imitation modeling complex "Seliger"
торой воспроизводится динамика изменения пространственно-временной картины развития боевых действий. При этом в ходе боя учитываются динамика прямых и обратных связей огневых, информационных средств и объектов управления противоборствующих сторон, изменяемая помеховая обстановка 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, позволяет использовать частные модели и блоки моделей различной степени детализации, а также обеспечивает возможность ее наращивания и совершенствования.
В составе группировки ВКО имитируются подсистемы разведки и предупреждения о воздушно -космическом нападении, поражения и подавления сил и средств воздушно-космического нападения, управления. В составе удара СВН могут моделироваться аэродинамические летательные аппараты различных классов, а также баллистические нестратегические ракетные средства нападения [2].
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.
Рис. 2. БД геоинформационной системы Fig. 2. A geoinformation system database
В объектной структуре комплекса присутствуют типовые объекты, обеспечивающие имитацию множества реальных средств разных типов путем использования соответствующих исходных данных, а также объекты, воспроизводящие специфику работы специализированных средств ПВО.
Выбор целесообразной степени детализации в рассматриваемой модели имеет свою специфику. Прежде всего это касается перспективных, разрабатываемых или предлагаемых к разработке образцов ВВТ ВКО.
Пока окончательно не определены облик образца и его тактико-технические характеристики (ТТХ), алгоритмическое описание этого образца в модели выполняется на упрощенном логико-событийном уровне. В дальнейшем описание образца в модели детализируется и усложняется по мере продвижения его разработки и в соответствии с уточнением ТТХ.
Информация обо всех событиях, происходящих в системе, сохраняется в протоколе работы модели в процессе имитации. Данные протокола обеспечивают проведение ретроспективного анализа результатов моделирования с выявлением причинно-следственных связей и закономерностей динамики моделируемого процесса.
Комплекс обеспечивает возможность расчета системы показателей, характеризующих эффективность группировки ВКО по отражению удара
СВН. Основными из них являются математическое ожидание числа уничтоженных целей каждого типа из состава удара средствами ВКО различных типов и ожидаемые потери средств группировки ВКО и обороняемых объектов.
Комплекс позволяет также рассчитывать частные показатели, характеризующие качество работы подсистем группировки ВКО и отдельные наиболее существенные стороны моделируемых процессов. Система отображения комплекса обеспечивает воспроизведение на экране монитора с заданной скоростью пространственной картины развития боевых действий. Результаты моделирования представляются в табличной и графической формах (см. на сайте http://www.swsys.ru/uploaded/ image/2016-1/2016-1-dop/1jpg).
ИМК «Селигер» используется для решения широкого круга задач при выполнении НИР, военно-научного сопровождения НИОКР, директивных заданий командования, при проведении командно-штабных и исследовательских учений. Наиболее полно возможности комплекса реализуются при решении следующих задач:
- оценка результатов нанесения ударов противником по обороняемым объектам;
- моделирование боевых действий противоборствующих сторон на различных стратегических направлениях в рамках подготовки к проведению командно-штабных учений;
Рис. 3. Формирование плана удара СВН
Fig. 3. Aerospace attack weapon plan formation
- исследования по разработке (уточнению) норм ожидаемых безвозвратных потерь ВВТ;
- оценка эффективности боевых действий региональных группировок ПВО в Западном, Юго-Западном, Дальневосточном регионах РФ.
Следует отметить, что по мере того, как достигаются цели и решаются поставленные задачи, ставятся новые задачи либо возникает необходимость достижения большего соответствия между моделью и реальной системой, а это приводит к доработке модели.
В настоящее время продолжаются работы по совершенствованию ИМК «Селигер» [2] в части наращивания базовой версии ИМК блоками модулей имитации системы разведки и предупреждения о воздушном нападении (СРПВН) и командных пунктов высших звеньев управления, а также дальнейшего развития в составе ИМК компонентов ракетно-космической обороны и отладки ее взаимодействия с базовой версией ИМК (компонентой ПВО).
Блок моделей СРПВН включает следующие основные модели:
- модель для определения соотношения сил; обеспечивает расчет степени превосходства одной из сторон над другой и потребности в средствах ПВО и (или) ударной авиации для реализации заданного ЛПР соотношения;
- модель прогнозирования распределения СВН по воздушным направлениям и рубежам боевых действий;
- модель ранжирования объектов; обеспечивает определение количественных значений вклада каждого объекта ВС, экономики и инфраструктуры в регионе конфликта в обеспечение обороноспособности страны;
- модель развития обстановки; имитирует проведение мероприятий по подготовке к началу воздушного нападения;
- модель функционирования радиоразведки; имитирует вскрытие мероприятий по подготовке к воздушному нападению и полетов СВН противника;
- модель РЛС загоризонтного обнаружения (см. на сайте http://www.swsys.ru/uploaded/image/ 2016-1/2016-1-dop/2jpg); функционирует как при проведении противником мероприятий по подготовке к воздушному нападению, так и во время боевых действий.
Вторым основным направлением развития ИМК «Селигер» является его наращивание компонентой РКО.
Базовая версия компоненты РКО включает следующие блоки моделей:
- блок задания сценариев ударов СВКН;
- блок моделей имитации целевой и помехо-вой обстановки;
- блок моделей системы контроля космического пространства и противокосмической обороны;
- блок моделей стратегической противоракетной обороны.
В заключение необходимо отметить следующее. В обосновании системы вооружения ВКО особую значимость имеют разработанные на лабо-раторно-экспериментальной базе НИЦ (г. Тверь) ЦНИИ Войск ВКО Минобороны России полунатурные модели прогнозирования уязвимости, эффективной площади рассеивания, оптической за-метности существующих и перспективных летательных аппаратов.
При проведении исследований по проблемам ПВО (ВКО) в НИЦ активно используется уникальная экспериментально-лабораторная база в составе одиннадцати измерительно-испытательных комплексов и лабораторий.
Результаты, полученные на средствах лабора-торно-экспериментальной базы, используются, в частности, в качестве исходных данных в ИМК «Селигер».
С использованием ИМК «Селигер» в 2012 году были успешно проведены эксперименты по оценке возможностей противовоздушного прикрытия олимпийских объектов в г. Сочи. В 2013 году применение ИМК «Селигер» в качестве основного инструмента для оценки эффективности боевых действий группировок ВКО в составе программно-алгоритмического комплекса создающегося Национального центра управления обороной Российской Федерации получило одобрение министра обороны РФ.
Литература
1. Сирота А.А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем. М.: Техносфера, 2006. 280 с.
2. Ягольников С.В., Смирнов А.А. Имитационное моделирование ВКО. Искусство и наука // Воздушно-космическая оборона. 2013. № 4. С. 44-51.
3. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. М.: Мир, 1978. 424 с.
4. Афонин А.М., Царегородцев Ю.Н., Петрова А.М., Ефремова Ю.Е. Теоретические основы разработки и моделирования систем автоматизации: учеб. пособие. М.: Форум, 2011. 192 с.
5. Диалектика технологий воздушно-космической обороны; [под ред. В.Н. Минаева]. М.: Столичная энциклопедия, 2011. 366 с.
6. Сирота А.А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем. М.: Техносфера, 2006. 280 с.
7. Шлее М. QT 4.8. Профессиональное программирование на С++. СПб: БХВ-Петербург, 2012. 894 с.
8. Хорев П.Б. Объектно-ориентированное программирование. М.: Академия, 2011. 448 с.
9. Коннолли Т., Бегг К. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика. М.: Вильямс, 2003. 3-е изд. 1436 с.
10. Карвин Б. Программирование баз данных SQL. Типичные ошибки и их устранение. М.: Рид Групп, 2011. 336 с.
11. Когаловский М.Р. Перспективные технологии информационных систем. М.: ДМК Пресс; Компания АйТи, 2003. 288 с.
DOI: 10.15827/0236-235X.113.160-165 Received 17.08.15
IMITATION MODELING FOR AEROSPACE CONFRONTATION
Bogdanov O.A., Dr.Sc. (Engineer), Chief of the Research Center;
Smirnov A.A., Ph.D. (Engineer), Head of Department;
Kovalev D. V., Head of Department, [email protected]
(Scientific and Research Center of Central Scientific and Research Institute of Air and Space Defense Troops of Ministry of Defense of Russia, Afanasy Nikitin Embankment 32, Tver, 170026, Russian Federation)
Abstract. Armed fight processes possess a complex and multiaspect performance character. When there's no possibility of the mathematical formalization providing mathematical solving of a task, the only approach to research such processes and system is to use modeling methods, in particular imitation modeling methods. Interactive imitation modeling complexes are very important in the imitation system. They provide an opportunity to research form scenarios for large-scale application of aerospace assault weapon and aerospace defense dispositions in the form of imitation computer experiment.
At the end of 90s the 2nd Research Center of the Ministry of Defence of the Russian Federation started developing of an imitation modeling complex "Seliger" based on new information technologies. Nowadays a basic version of this complex is under operation testing. The software is developed using C++ and QT library. As a result, it became a crossplatform software product.
Imitation modeling complex "Seliger" provides an opportunity to imitate a bilateral conflict taking into account object systems of both sides, their aerospace defense dispositions and assault weapons. It can also calculate system factors that characterise the efficiency of aerospace defense dispositions.
The article also considers the directions of complex development. The main is building up imitation models blocks of surveillance and air attack warning.
Keywords: simulation modeling, simulation complex, data base, computer programming environment, geographic information system (GIS), warfare, aerospace defense, air defense, aerospace attack weapon, space and missile defense, intelligence system and air attack warning system, tactical and technical characteristics (aspects).
References
1. Sirota A.A. Kompyuternoe modelirovanie i otsenka effektivnosti slozhnykh sistem [Computer modeling and efficiency assessment of complex systems]. Moscow, Technosphere Publ., 2006, 280 p.
2. Yagolnikov S.V., Smirnov A.A. Aerospace defense simulation modeling. Art and science. Vozdushno-kosmi-cheskaya oborona [Aerospace defense]. 2013, no. 4, pp. 44-51 (in Russ.).
3. Shannon R. Systems simulation: the art and science. Prentice Hall Publ., 368 p. (Russ. ed.: Moscow, 1978, 424 p.).
4. Afonin A.M., Tsaregorodtsev Yu.N., Petrova A.M., Efremova Yu.E. Teoreticheskie osnovy razrabotki i mod-elirovaniya sistem avtomatizatsii [Theoretical basis of developing and modeling automation systems]. Study guide. Moscow, Forum Publ., 2011, 192 p.
5. Minaev V.N. Dialektika tekhnology vozdushno-kosmaicheskoy oborony [Dialectics of aerospace defence technologies]. Moscow, Stolichnaya entsiklopedia Publ., 2011, 366 p.
6. Sirota A.A. Kompyuternoe modelirovanie i otsenka effektivnosti slozhnykh system [Computer modeling and estimation of complex system efficiency]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2006, 280 p.
7. Shlee M. Professionalnoe programmirovanie na C++ [Professional C++ programming]. St. Petersburg, BKhV-Peterburg Publ., 2012, 894 p.
8. Khorev P.B. Obyektno-orientirovannoe programmirovanie [Object-based programming]. Moscow, 2011, 448 p.
9. Connolly T.M., Begg C.E. Database systems: a practical approach to design, implementation, and management. Addison Wesley Publ., 3rd ed., 2001, 1236 p. [Russ. ed.: Moscow, Vilyams Publ., 2003, 1436 p.].
10. Karvin B. Programmirovanie baz dannykh SQL. Tipichnye oshibki i ikh ustranenie [SQL Database programming. Typical errors and their corriction]. Rid Group Publ., 2011, 336 p.
11. Kogalovsky M.R. Perspektivnye tekhnologii informatsionnykh system [Information system advanced technologies]. Moscow, DMK Press, Kompanij AiTi, 2003, 288 p.
