AFSIM：AFRL主导的建模与仿真工具

AFSIM是一个通用的建模框架，由美国空军研究实验室（AFRL）开发和维护，能够构建典型的虚拟威胁环境和相关模型。为了获得政府和整个行业的认可，AFRL不仅构建了功能强大的产品，而且还免费向认证的用户提供软件，源代码和培训。迄今为止，AFRL已将AFSIM许可发给超过275个政府、行业和学术组织，并为1200多个用户提供了培训。AFRL的软件开发、发行、支持和治理的总体方法可以作为鼓励未来免费软件产品广泛采用的模型。

构建现实世界系统的逼真的数字模型的时代已经到来。美国众议院武装部队战术空军和陆军小组委员会最近为2020财年国防授权法案起草了指示材料，指示美国国防部长向委员会作简报，解释“F-35计划如何实施F-35系统企业的数字孪生技术”。

为了使F-35和其他武器系统的“数字孪生”成为主流，美国国防部（DoD）必须拥有有效、可用、负担得起且相对易于使用的建模框架。AFRL的仿真、集成和建模高级框架（AFSIM）是基于C++的模块化、面向对象、多领域、多分辨率的建模和仿真工具。作为一种军事模拟的框架，AFSIM侧重于分析，实验和作战，这几个方面都取得了明显进展。AFSIM用户社区已经涵盖275个组织（包括美国军方的所有分支机构）的1200多名受过培训的用户，以及其他美国政府机构、行业、学术界，包括美国的主要盟友。这个广泛的用户社区已经广泛使用AFSIM来评估和比较各种武器系统概念，针对最有前途的概念完善操作采购策略，并最终为AFRL和整个国防部内的武器系统投资决策提供信息。AFRL正在采取的措施步骤，目标是使得AFSIM在国防领域能够像MATLAB在学术界一样普遍应用和发展。

AFSIM迄今为止已经花费了5000万美元的投资，今后每年又有600万美元的投资，这并不是一个便宜的框架。在2003年至2013年之间，波音公司向所谓的网络使能系统分析框架（AFNES）投资了约3500万美元的独立研究与开发（IR＆D）资金，这是波音公司用来模拟威胁综合防空系统（IADS）的。AFRL当时对政府可用的专有，僵化的建模与仿真工具感到沮丧，因此AFRL在2011年进行了可用工具的技术选型，选择AFNES作为其多域作战空间分析、多目标决策/权衡和技术建模与仿真工作的首选框架。在2013年，波音公司将AFNES无限地转让给AFRL，AFRL随后将其更名为AFSIM。

AFSIM名称中的“AF”不代表空军。这反映了AFRL的信念，即AFSIM不仅应该是空军的内部工具，还应该是在整个国防建模与仿真社区中广泛使用的通用框架。这种命名选择也表明AFSIM不仅仅是模拟飞机的框架。它被设计为一个多域平台，这意味着它可以对陆、海、空和空基平台进行建模，从而使建模人员可以包括潜艇，海军舰艇，坦克，飞机，直升机，卫星甚至网络如果需要，可以在同一模拟中使用代理。

从一开始，AFSIM就被视为一个开放系统，利用“即插即用”模块来克服早期框架的扩展和兼容性约束。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）。同样，用户可以调整每个平台的保真度，以满足其特定的仿真需求。例如，飞机模型的逼真度可以在沿着预定义矢量移动的空间点与基于虚拟驾驶舱控制的位移改变速度，方向，高度等的完整六自由度模型之间变化。

AFSIM的模块化结构使AFRL可以在两个安全分类级别上分发代码，用户可以通过添加其他软件模块来适应其特定的安全要求。AFRL提供了该代码的非密和秘密两种变体。两种变体之间的主要区别只是所包含模型的数量、类型和保真度。要获得软件的秘密版本，承包商还必须提供最新安全认证。秘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。最终用户可以添加自己的模块，以合并其他感兴趣的平台模型以供其专用。由于AFSIM固有的军事用途，这两种变体都受《国际武器贸易条例》（ITAR）的限制，这意味着个人和组织可能因未经授权而发行或导出软件而受到罚款或起诉。由于这些限制，在AFRL可以向其发布AFSIM之前，学术机构必须具有经过批准的ITAR兼容环境。尽管有此限制，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，中央佛罗里达等大学已经是AFSIM主要研发应用组织成员。

AFSIM涵盖了广泛的军事模拟功能，支持工程、交战、任务和战役等仿真级别的作战仿真实验。如图1。

图1 作战仿真层次

工程级仿真包括子系统与其他子系统的交互仿真，例如射频（RF）发射机与接收机交互以识别子系统级别的功能和限制仿真。

交战级仿真由直接的冲突战斗仿真组成，即在AFSIM环境下两个实体或平台之间的对抗。例如，蓝方（友）机和红方（敌）机之间的导弹对抗将构成交战水平模拟。

任务级仿真模拟一次出击或执行任务期间，几个小时之内，多架红方和蓝方飞机之间进行了一系列的战斗。这种模拟最多可以包含数千个实体。

战役级仿真扩展仿真的范围，可能会在较长的一段时间（即几天甚至几个月）内包括给定区域中的所有红方和蓝方平台。

AFSIM的开发重点主要在交战和任务层面，最近的开发进展已经将AFSIM扩展到中小规模的战役仿真。

当需要更全面地探索工程或完整的战役模型时，可以结合其他仿真建模工具，例如空军研究、分析和评估办公室使用的综合战场作战研究模型（STORM），可在较长的一段时间（即几天甚至几个月）内，模拟给定区域中的所有红方和蓝方平台，仿真规模可达数千个实体以上。

AFSIM使用户能够将仿真实验方案伸缩到适当的仿真层次，以更好地研究感兴趣的项目。每个更高级别的仿真在逻辑上都建立在较低级别的仿真上，以此创建更复杂的仿真，以便分析在较简单的仿真中可能不显著的系统间关键属性。例如，在交战级或任务级，消耗弹药和燃料储备的战斗效果可能不明显，而在战役级别模拟中，可能是最关键因素，是游戏规则的改变者。

AFSIM仿真规模的大小和复杂性的限制因素仅来自是计算机平台的存储、内存和计算能力，以及运行仿真所需的实际时间。

为了达到平台类型、保真度和仿真类型的灵活性，AFSIM使用四个架构元素（属性，元素，组件和链接）来描述仿真中的每个平台，如图2所示。

图2 AFSIM架构要素

（1）Attributes属性，包括常规数据，例如平台名称，类型和从属关系。该子元素可以扩展为包含诸如雷达，光学和红外签名数据之类的任务唯一信息，以确定飞机是否容易被敌方传感器检测到。

（2）Elements信息元素，包含驻留在平台上的数据，以及有关接收者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种类（即高度，速度，航向，雷达指示等），以及驱动这些显示的大量原始数据。

（3）Components组件元素，由直接控制平台行为的各种模型组成。这些模型描述了平台如何在时空中运动，感知周围环境，处理其收集的信息，与其他平台进行通信以及将其动能和非动能武器库用于敌对平台，以及执行各种其他任务。最后，Links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。与其他平台进行通信，并利用其动能和非动能武器库对抗对手平台，并执行其他各种任务。

（4）Links链接元素，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。与其他平台进行通信，并利用其动能和非动能武器库对抗对手平台，并执行其他各种任务。最后，Links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。

AFSIM同时支持虚拟和构造仿真。在构造模拟中，模拟操作员控制模拟系统，例如，红方和蓝方玩家均由计算机控制的军事战斗。在虚拟模拟中，需要由真正的操作员来控制模拟系统，例如飞行员驾驶飞行模拟器。AFSIM可以有构造地用于进行军事能力的多目标决策/权衡大型空间探索，可能涉及成千上万以非实时方式执行的独特测试点。然后，可以将此类构造模拟活动的结果用于定义和执行实时运行的虚拟模拟，以调查较窄的交易空间（由构造模拟通知），以便在操作性飞行员参与下进行更集中的评估。这样就可以在构造仿真和虚拟仿真中使用相同的基础仿真模型，从而在两种环境中提供更一致的建模和分析。此外，AFSIM还可以链接到其他仿真或其他仿真器/仿真器，以提供真正的实时虚拟-构造（LVC）仿真功能。通过使用分布式交互式仿真（DIS）或其他受支持的通信协议，AFSIM可以与其他仿真或实时实验进行交互，以提供其他实体（虚拟和构造性），系统和子系统模型，威胁系统或其他可能的仿真功能。这使AFSIM可以通过附加功能来扩展和/或补充更大的仿真或实验环境。

AFRL已经采取了一些措施来扩大AFSIM的用户数量。首先，AFRL将产品赠送给政府和行业合作伙伴。根据谅解备忘录，可以轻松实现政府内部共享。但是，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仅允许与行业合作伙伴共享政府财产和信息，这是更大合同的一部分。

AFRL还选择在其俄亥俄州代顿的总部提供免费培训。AFRL当前提供两门课程：一门面向一般用户，一门面向代码开发人员。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。参加者的唯一费用是与旅行有关的费用。免费软件和免费培训的结合使AFSIM对于可能被迫使用昂贵的现成商业（COTS）产品以及与许可证续期，专门培训和产品支持相关的经常性费用的组织非常有吸引力。

为了进一步达成协议，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。该决定是由实验室自身对其他“黑匣子”软件工具的沮丧感所做出的，这些工具对工具如何将输入转化为输出的了解有限。AFRL认识到，提供源代码将使精明的用户可以自己查看每个AFSIM结果背后的逻辑，算法，方程式和相关假设。AFRL还意识到，访问源代码可以利用用户社区作为代码调试器，因为好奇的用户可能会深入源代码以了解异常结果，发现逻辑错误和错误的假设，可以在以后的软件更新中予以纠正。

AFSIM的主要用例之一是作为技术成熟的仿真平台。在过去的几年中，AFRL在使用AFSIM作为成熟的航空器自主性的试验台方面进行了大量投资。将AFSIM用作自治的模拟测试平台，为基础，应用研究和高级应用程序的开发，成熟和测试自治算法创建了一个统一的环境。事实证明，将AFSIM用作加速飞行器自主开发的虚拟试验台非常有效，以至于一些政府机构和行业合作伙伴也采用了AFSIM进行了类似的努力，包括国防高级研究计划局（DARPA），约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（ JHU APL），乔治亚理工学院（GTRI）和Leidos。AFRL还与空军生命周期管理中心（AFLCMC）和空军作战整合中心（AFWIC）合作，使AFSIM成为分析未来武器系统概念的替代品（AoA）的首选工具。此外，AFWIC已将AFSIM纳入其功能开发指南。AFRL还向其行业合作伙伴传达了AFSIM将成为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，这清楚地表明了行业正在倾听。开发AFSIM的前身的波音公司十多年来一直是忠实的用户。

AFRL认为国防部最终将通过使用AFSIM提前发现和纠正模糊的要求、无效的假设以及有缺陷的设计决策，减少进度延误和成本超支，最终收回投资。尽管存在一些缺陷，AFSIM已经为使AFSIM实用、可用、负担得起且易于使用而做出大量努力，增强了国防部“以模型为中心”的采购方法。