AFSIM：使数字孪生体成为武器系统开发主流概念

仿真、集成和建模框架 (AFSIM) 背后的想法是一个通用建模框架，在具有共同威胁布局的通用环境中使用通用模型。为了鼓励政府和行业的认可，空军研究实验室（AFRL） 不仅构建了强大的产品，而且还向获得批准的用户免费提供软件、源代码和培训。

迄今为止，AFRL 已将 AFSIM 授权给超过 275 个政府、行业和学术组织，并为 1200 多个用户提供了培训。AFRL 对软件开发、分发、支持和治理的整体方法可以作为鼓励未来免费软件产品广泛采用的模型。

数字孪生技术无所不在

可以说，一个新兴的技术概念或能力即将被广泛使用和接受的一个迹象是它进入美国国会记录。对于数字孪生体，构建真实世界系统的逼真数字模型的概念，那一刻已经到来。众议院军事委员会的战术空军和陆军小组委员会最近起草了 2020 财年国防授权法案的措辞，指示美国国防部长向委员会提供简报，解释“F-35 计划如何实施使用F-35 系统企业的数字孪生技术”。

为了将 F-35 和其他武器系统的有效“数字孪生体”主流化，美国国防部必须拥有一个有效、可用、负担得起且相对易于使用的建模框架。国防部还必须有一种接受这些数字模型产生的结果的文化。AFRL凭借其先进的AFSIM在两个方面取得了明显进展，AFSIM 是一种基于 C++ 的模块化面向对象、多域、多分辨率建模仿真军事模拟框架侧重于分析、实验和兵棋推演。

AFSIM 社区已经包含来自 275 个组织的 1200 多名训练有素的用户，其中包括美国军队的所有分支机构、其他美国政府机构、行业、学术界以及我们最亲密的五个盟友。这个基础广泛的社区已经广泛使用 AFSIM 来评估和比较各种武器系统概念，改进最有前途的概念的作战使用策略，并最终为 AFRL 和整个国防部的武器系统投资决策提供信息。

AFSIM简要介绍

由于当时政府可用的专有的、不灵活的建模仿真工具感到沮丧，AFRL 在 2011 年对可用工具进行了正面交锋，选择 AFNES 作为其贸易空间分析和技术成熟建模仿真工作的首选框架。2013 年，波音将 AFNES 以无限权利转让给 AFRL，AFRL 随后更名为 AFSIM。

请注意，AFSIM 名称中的“AF”不代表空军。这反映了 AFRL 的信念，即 AFSIM 不应只是空军的内部工具，而应是整个国防建模仿真社区广泛使用的通用框架。这种命名选择也意味着 AFSIM 不仅仅是一个模拟飞机的框架。它被设计为一个多域平台，这意味着它可以对陆基、海基、空基和天基平台进行建模，使建模者能够包括潜艇、海军舰艇、坦克、飞机、直升机、卫星，甚至网络如果需要，代理在同一模拟中。

从最早的概念开始，AFSIM 也被设想为一个开放系统，利用“即插即用”模块来克服早期框架的扩展和兼容性限制。这种模块化方法允许建模者，而不是 AFSIM 程序员，为模拟中使用的模型确定适当的保真度（即模拟基础物理的程度）。用户可以调整每个平台的保真度以满足他们特定的模拟需求。例如，飞机模型的保真度可能会在空间中沿预定义矢量移动的点到基于虚拟驾驶舱控件的位移改变速度、方向、高度等的完整六自由度模型之间变化。模块化方法还可以在不更改核心 AFSIM 代码的情况下重用和/或修改各种平台的现有模型。

AFSIM 的模块化结构使 AFRL 能够在两个安全分类级别分发代码，用户可以通过添加额外的软件模块来适应其特定的安全要求。AFRL 提供未分类和分类（美国机密）代码的变体。两种可用变体之间的主要区别只是包含模型的数量、类型和保真度。

要接收软件的机密变体，承包商还必须提供最新的、经过认证的 DD 表格 254 合同安全分类规范。机密版本还标配了国家航空航天情报中心 (NASIC) 批准的许多威胁系统模型，以及国家地理空间情报局 (NGA) 数字地形高程数据 (DTED) 模型。然后，最终用户可以添加他们自己的模块，以合并其他感兴趣的平台模型以供他们专门使用。给定 AFSIM 实例的整体分类不仅由软件的初始变体驱动，还由添加到该实例的模块分类驱动。

由于其固有的军事用途，这两种变体都受到国际武器贸易条例 (ITAR) 的限制，这意味着个人和组织可能会因未经授权发布或出口软件而受到罚款或起诉。由于这些限制，在 AFRL 向学术机构发布 AFSIM 之前，学术机构必须拥有经过批准的符合 ITAR 的环境。尽管有这种限制，学术用户的数量仍在增长。佐治亚理工学院、普渡大学、俄亥俄州立大学、中佛罗里达大学、位于亨茨维尔的阿拉巴马大学和伊利诺伊大学香槟分校已经是 AFSIM 大家庭的一部分。

AFSIM 涵盖广泛的军事模拟，包括通过分析兵棋推演和实验进行的工程、交战、任务和“轻度战役”级别。工程级别包括与其他子系统的短期子系统交互。这方面的一个例子可能是射频 (RF) 发射器与接收器交互以识别子系统级别的能力和限制。交战级别包括两个实体或平台之间的简短交流，用 AFSIM 方言。例如，蓝色（朋友）和红色（敌人）飞机之间的导弹交换将构成交战级别模拟。下一个复杂级别将是任务级别，例如模拟，在一次出击或任务期间，多架红蓝飞机之间的一系列战斗交流，名义上是几个小时。这些模拟可以包含多达数千个实体。活动级别的参与进一步扩展了这一点，可能会在一段较长的时间内（即几天甚至几个月）包括给定区域内的所有红色和蓝色平台。

AFSIM 开发的重点主要是在交战和任务层面，最近的发展通过分析兵棋推演将 AFSIM 扩展到包括“轻度战役”能力。当需要更全面地探索工程或完整战役建模时，可以利用其他建模仿真工具，例如空军研究、分析和评估办公室 (AF/A9) 使用的合成战区作战研究模型 (STORM)。

表 1：兵棋推演模拟的级别

AFSIM 使其用户能够将场景缩放到适当的模拟级别，以最好地研究感兴趣的项目。每个后续级别逻辑上都建立在较低级别上，以创建更复杂的模拟，以便识别在更简单的模拟中可能不明显的系统间紧急属性。例如，消耗弹药和燃料储备的战斗效果在交战或任务级别可能不明显，但在战役级别模拟中完全改变了游戏规则。AFSIM 模拟的大小和复杂性的限制因素是主机平台的存储、内存和计算能力 - 以及运行模拟所需的相关挂钟时间。

AFSIM 允许用户通过调整与平台相关的各种参数和行为，在处理时间和输出保真度之间设置所需的平衡。

为了实现上述平台类型、保真度、模拟类型的灵活性，AFSIM 使用四个架构元素（属性、元素、组件和链接）来描述模拟中的每个平台，如图 1 所示。属性包括标准数据，如平台名称、类型和从属关系。该子元素可以扩展为包括任务独特的信息，例如雷达、光学和红外特征数据，以确定飞机容易被敌方传感器检测到的脆弱性。

信息元素包含驻留在平台上的数据，以及有关接收这些数据的人如何感知这些数据的详细信息。对于飞机，这将包括将显示给飞行员的数据类型（即高度、速度、航向、雷达指示等），以及驱动这些显示的无数原始数据。

模块元素由各种模型组成，这些模型直接控制平台的行为方式。这些模型描述了平台如何在时空中移动、感知周围环境、处理它收集的信息、与其他平台通信、使用其动能和非动能武器库对抗对手平台，以及执行各种其他任务。最后，连接元素协调平台上各个子系统之间的数据交换，以及与其他平台的通信。与其他平台通信，并使用其动能和非动能武器库对抗敌方平台，并执行各种其他任务。最后，连接元素协调平台上各个子系统之间的数据交换，以及与其他平台的通信。

图 1：AFSIM 架构元素

另一个值得注意的 AFSIM 是它对虚拟和建设性模拟的支持。在建设性模拟中，模拟操作员控制模拟系统——例如一场军事战斗，其中红色和蓝色玩家都由计算机控制。在虚拟模拟中，您有真实的操作员控制模拟系统——例如驾驶飞行模拟器的飞行员。

AFSIM 可以建设性地用于对军事能力进行大型贸易空间探索，可能涉及以非实时方式执行的数以万计的独特测试点。然后可以利用此类建设性模拟活动的结果来定义和进行实时运行的虚拟模拟，以调查更狭窄的交易空间（由建设性模拟提供信息），以便在操作飞行员参与的情况下进行更集中的评估。这允许在建设性模拟和虚拟模拟中使用相同的底层模拟模型，从而在两种环境中提供更一致的建模和分析。

此外，AFSIM 还可以链接到其他模拟或其他模拟器/模拟器，以提供真正的实时-虚拟-构造 模拟功能。使用分布式交互仿真 (DIS) 或其他支持的通信协议，AFSIM 可以与其他仿真或实时实验交互，以提供额外的实体（虚拟和建设性）、系统和子系统模型、威胁系统或其他潜在的模拟能力。这使 AFSIM 能够通过附加功能来增强和/或补充更大的模拟或实验环境，根据需要最好地实现任何给定的测试和分析目标。

利用其 Warlock 图形用户界面，AFSIM 同样允许“操作员在循环”执行以促进分析兵棋推演。具体来说，Warlock使操作员能够触发各种场景事件，控制单个平台，甚至从平台内部体验任务——就像飞行模拟器一样。

Warlock 还促进了运营商“单元”的创建，例如，友好平台运营商的 Blue Cell 和敌方平台运营商的 Red Cell，每个运营商都只能访问由该单元平台收集的虚拟信息。换句话说，Red Cell 和 Blue Cell 各自拥有关于对方的不完美信息。AFSIM 可以通过降低同一单元成员之间的信息流来进一步增加兵棋的真实性。Warlock 还支持创建一个 White Cell（裁判员），他们拥有关于所有平台的完美信息，他们利用这些信息来控制整个兵棋推演的流程。

然而，在执行任何类型的 AFSIM 模拟之前，用户必须定义各种平台和组件模型，然后制作兵棋推演场景。为了促进这一过程，AFRL 分发了向导，AFSIM 的集成开发环境，作为支持工具（如 Warlock）。与现代软件开发 集成开发环境非常相似，Wizard 用作编辑场景文件的单个应用程序；编写AFSIM脚本；以图形方式操作场景布局；运行软件可执行文件（即在 AFSIM 中运行场景）；并查看结果输出或错误消息。它还突出显示文件语法、标记未知命令并提供上下文相关文档。向导甚至带有自动完成功能和脚本调试器，以最大限度地减少开发和调试模型和场景所需的时间。

让AFSIM无所不在的方法

AFRL 认识到广泛采用更有可能利用激励措施而不是强制要求，因此采取了几个步骤来增加 AFSIM 的追随者。

首先，AFRL 决定将产品赠送给政府和行业合作伙伴。根据谅解备忘录，政府内部共享可以轻松实现。然而，与行业合作伙伴共享软件最初被证明是棘手的，因为现有的合同机制只允许作为更大合同的一部分与行业合作伙伴共享政府财产和信息。F-22 飞机项目可以将软件借给洛克希德-马丁公司作为更大的 F-22 合同的一部分，但与政府提供的财产相关的规则集意味着该软件只能用于 F-22 合同范围内的 M&S 工作,并且该软件必须在该合同结束时返还给政府。

为了克服这一障碍，AFRL 创建了一种新型的合同协议，即信息传输协议 ，它使行业合作伙伴可以完全访问该软件，而不会将其使用限制为单个程序。

AFRL 还选择在其俄亥俄州代顿总部提供免费培训。AFRL 目前提供两门课程：一门针对普通用户，一门针对代码开发人员。用户课程每月提供一次，而开发人员课程每隔一个月提供一次。与会者的唯一费用是与旅行相关的费用。免费软件和免费培训的结合使 AFSIM 对那些可能被迫使用昂贵的现成产品以及与许可证续订、专业培训和产品支持相关的经常性费用的组织非常有吸引力。

为了进一步促进交易，AFRL 还选择为用户和开发人员提供框架和所有支持工具的源代码。这个决定是因为实验室自己对其他“黑匣子”软件工具感到沮丧，这些工具对工具如何将输入转换为输出提供了有限的洞察力。

AFRL 认识到，提供源代码将使精明的用户能够亲眼看到每个 AFSIM 结果背后的逻辑、算法、方程和相关假设。AFRL 还意识到源代码访问可以利用用户社区作为代码调试器，因为他们知道好奇的用户可能会深入研究源代码以了解异常结果、发现逻辑错误和错误假设，这些可以在未来的软件更新中得到纠正。

有意的社区参与也是 AFRL AFSIM 战略的核心要素。除了积极征求用户体验的反馈并利用它们来发现和修复小的编码问题外，AFRL 还将用户社区纳入其治理模型，建立了八个以领域为中心的工作组（传感器、空间、威胁和场景、动能武器） 、定向能源、标准化、虚拟模拟和兵棋推演、网络/C3），以帮助建立每个组各自领域内的能力发展愿景。

每个工作组都是一个自组织实体，其领导结构更多地由该组的主题专家的共识而不是 AFRL 决定。近一半的团体由非 AFRL 人员领导，一些由其他军事部门领导。一个中央项目管理团队整合并优先考虑每个小组的投入，以便在可用资金限制内制定年度执行计划。

随着 AFSIM 社区的发展，也需要扩展 AFSIM 软件的开发和维护工作。AFSIM 软件团队现在由 40 多名全职开发人员和分析师组成，负责维护 Windows 和 Linux 变体。两种变体的软件增量均以六个月为周期发布，并为最新版本和一个先前版本提供用户支持和错误修复。这种方法使尖端功能源源不断，同时为不需要最新版本的用户提供长期稳定性。AFSIM 的每个版本都有一年的支持窗口。

在撰写本文时，AFSIM 2.3 是“稳定”版本，AFSIM 2.4 是最新版本，2.5 正在开发中。AFSIM 开发团队与网络审批机构密切合作，以确保有权在跨一系列安全分类的多个政府系统上运行。为促进这些网络批准，开发团队采用持续集成和构建流程，其中包括自动构建、静态代码分析、回归测试和严格的漏洞扫描。

AFSIM 的主要用例之一是作为技术成熟的模拟平台。在过去几年中，AFRL 在使用 AFSIM 作为成熟的飞行器自主性测试平台方面进行了大量投资。利用 AFSIM 作为自主模拟测试平台，为基础和应用研究以及高级应用的自主算法的开发、成熟和测试创造了一个单一、统一的环境。使用 AFSIM 作为加速飞行器自主开发的虚拟测试平台已被证明非常有效，以至于一些政府机构和行业合作伙伴也将其用于类似的努力，包括国防高级研究计划局、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、佐治亚理工学院。AFRL 还与空军生命周期管理中心 (AFLCMC) 和空军作战集成中心 (AFWIC) 合作，使 AFSIM 成为分析未来武器系统概念的备选方案的首选工具。

此外，AFWIC 已将 AFSIM 纳入其能力发展指南。AFRL 还向其行业合作伙伴表示，AFSIM 将成为其用于评估其提案的关键工具。洛克希德-马丁公司最近宣布将向其 AFSIM 基础设施投资 500 万美元，这清楚地表明行业正在倾听。波音公司开发了 AFSIM 的前身，十多年来一直是忠实用户。

结论

迄今为止，AFSIM 的投资额为 5000 万美元，在可预见的未来每年还有 600 万美元，AFSIM 并不是一个便宜的框架。然而，AFRL 认为，国防部将通过更早地识别和纠正模糊的需求、无效的假设和有缺陷的设计决策来减少进度延迟和相关的成本超支，最终收回这项投资。

尽管存在缺陷，AFSIM 已经在加强国防部的“以模型为中心”的采购方法。AFRL 为使 AFSIM 有用、可用、负担得起和用户友好而做出的认真努力无疑在这方面有所帮助。AFRL 相信 AFSIM 将是帮助空军部长实现她的愿景的关键，即建立一支“支配时间、空间、以及所有作战领域未来冲突的复杂性，以投射力量和保卫国土”。

AFSIM 最终会帮助空军实现这一目标吗？只有时间会给出答案。