|
Развитие систем компьютерного моделирования в вооружённых силах США
Капитан 1 ранга Н. Резяпов, кандидат военных наук
В арсенал инструментария всех звеньев руководства ВС США уже довольно давно и прочно вошло компьютерное моделирование, то есть реализованное с помощью ЭВМ приближенное описание реального процесса, системы или явления. Сфера компьютерного моделирования является одной из немногих приоритетных областей, с которой уже не одно десятилетие связывается повышение эффективности строительства и применения вооруженных сил, а значит, и обеспечения политических целей руководства страны. Вместе с тем объективные закономерности возрастания роли информации в современном мире, а также экспансионистский характер американской политики предопределяют стремление Соединенных Штатов любой ценой удержать информационное превосходство. Этим объясняются устойчивые и высокие темпы развития области, внедрение передовых технологий, увеличивающиеся объемы финансирования.
Динамизм развития вычислительной техники, технологий программирования, науки в сфере моделирования различных реальных процессов, в том числе связанных с вопросами создания интеллектуальных систем на рубеже веков, обозначили огромный прорыв США в области создания моделей и разнообразных имитационных систем, а следовательно, и в сферах их основного применения - оперативной и боевой подготовке (ОБП), процессе приобретения нового ВВТ, планировании военных действий, выработке концепций боевого применения сил и средств, тактики и оперативного искусства и других.
Интенсивные попытки использования математических моделей военного назначения в США предпринимались, начиная с 50-х годов прошлого столетия. Однако практическое использование моделей и полученных на основе моделирования результатов было незначительным.
60-е годы характеризуются активизацией работы в этой области. Развиваются преимущественно модели боевых действий тактического уровня, материально-технического обеспечения, использования стратегических ядерных сил и стратегического развертывания ВС. Появляется первое поколение моделей стратегических операций разнородных группировок ВС на ТВД. Расширяется сфера их применения: НИОКР, учения, командно-штабные игры. В 70-е годы моделирование становится обязательным инструментом военных исследований. Широкое развитие получают имитационные модели, которые начинают находить применение в военном планировании.
В 80-е годы модели становятся повседневным рабочим инструментом в военном планировании, в непосредственном обеспечении деятельности руководства МО и министерств видов ВС. Унифицируется информационное обеспечение моделей (базы данных). Проектируются иерархические системы моделей боевых действий различного уровня. Все более широкое распространение получает использование моделей в АСУ военного назначения. В ходе учений АСЕ-89 в Германии впервые реально была задействована система, объединившая модели различных уровней (DWS - Distributed Wargaming System).
90-е годы характеризуются еще более масштабными проектами внедрения моделирования в повседневную деятельность с охватом всех видов ВС США. В начале прошлого десятилетия были созданы органы, обеспечивающие централизованное руководство разработкой и применением моделирования МО США, координацию соответствующих работ как между видами ВС, так и в рамках какого-либо одного из направлений применения моделирования1. Совершенствование средств имитации и моделирования в этот период ведется по пути интеграции моделей между собой и с состоящими на вооружении ВВТ, а также в направлении увеличения числа военнослужащих, выполняющих учебно-боевые задачи с использованием тренажерных комплексов. Первым этапом стало создание и принятие на вооружение распределенной сети имитации и моделирования SIM-NET для отработки общей учебно-боевой задачи в рамках единой моделируемой обстановки подразделениями, дислоцирующимися не только в различных районах Американского континента, но и в Европе. Значительно возросло количество учений различного уровня с использованием автоматизированных систем моделирования боевой обстановки. С середины 90-х годов командование американских ВС начало использовать новую форму проведения маневров — компьютерные учения с ограниченным привлечением войск и штатного ВВТ.
С начала 2000-х годов Пентагон при формировании военно-технической политики включил средства имитации и моделирования боевых действий в число приоритетных технологий.
 |
|
Функциональные компоненты моделей
|
В настоящее время в МО США действует классификация моделей на основе трех групп характеристик, определяющих назначение модели, объекты и процессы, метод моделирования.
По назначению американские специалисты также выделяют три группы моделей: используемые в целях анализа и оценки (обеспечение оперативной работы); применяемые в сфере создания ВВТ; предназначенные для обучения личного состава, ОБП войск и штабов. В последнее время в ряде официальных документов военного ведомства предлагается более подробное подразделение моделей с выделением семи функциональных сфер моделирования:
1. Оценка эффективности действий формирований в самостоятельных, совместных и объединенных операциях видов и родов сил.
2. Доктрина (военно-научные исследования и разработка концепций в области строительства ВС и их боевого применения).
3. Боевое обеспечение или поддержка операций (разведка, РЭБ и др.).
4. Создание ВВТ (снижение стоимости новых образцов и сокращение времени их создания, включая сферу НИОКР и закупок).
5. Испытания и оценка (потребностей ВС, повышение качества принимаемых решений в сфере планирования и разработки бюджетных программ, оценка эффективности новых образцов ВВТ).
6. Тыловое обеспечение.
7. ОБП, обучение личного состава. При этом отмечается, что резкой границы
между данными группами нет. Эти категории моделей имеют свою собственную сложную структуру. Например, модели, предназначенные для анализа и оценки, в свою очередь, подразделяются на две подгруппы - исследовательские модели (используемые в ходе НИОКР), с помощью которых добываются новые сведения, и модели, обеспечивающие оперативную работу штабов, где моделирование связано с многократным проигрыванием известных ситуаций для привития определенных навыков, в частности, в оценке обстановки и принятии решений.
| Годы |
Расходы |
Годы |
Расходы |
| 1992 |
110,964 |
2000 |
410,491 |
| 1993 |
218,856 |
2001 |
408,441 |
| 1994 |
318,309 |
2002 |
543,846 |
| 1995 |
374,220 |
2003 |
508,417 |
| 1996 |
353,141 |
2004 |
299,546 |
| 1997 |
388,358 |
2005 |
560,312 |
| 1998 |
412,985 |
2006 |
631,006 |
| 1999 |
390,464 |
2007 |
611,229 |
|
 |
|
Оценка суммарных расходов по основным программам создания систем моделирования и имитации ВС США (текущие цены, млн долларов)
|
Научно-технический совет МО США с начала 90-х годов ввел свой вариант классификации моделей, выделив три основные их вида: натурные, виртуальные и конструктивные, подчеркивая различие в степени и характере участия человека в процессе моделирования.
К натурным системам (live) относятся традиционные войсковые и командно-штабные учения с привлечением штатной техники и личного состава. В настоящее время отмечается тенденция к сокращению масштабов натурного моделирования и, напротив, расширяется использование других видов моделирования и имитации, особенно это касается виртуальных систем.
Виртуальные системы (virtual) представляют собой человеко-машинные системы, в которых совмещается натурное и компьютерное моделирование. В первую очередь это применяемые для обучения различные тренажеры ВВТ. В настоящее время в большинстве виртуальных систем некоторые из компонент представлены в натурном виде, например реальными образцами вооружения и военной техники, а также обслуживающим их персоналом. В качестве весьма перспективной разновидности виртуальной имитирующей системы может рассматриваться концепция так называемого виртуального прототипа. В таких системах предполагается полная замена реального оборудования его компьютерной имитацией. Данный подход широко используется при создании систем ВВТ.
Среди конструктивных систем (constructive) есть как полностью автономные (процесс моделирования не требует участия человека), так и интерактивные человеко-машинные системы. Большинство используемых моделей являются именно конструктивными. Здесь предметная область, характерные для нее объекты и процессы представляются с помощью математического (алгоритмического) описания и соответствующего программ-
ного обеспечения. Термин применяется главным образом, чтобы подчеркнуть отличие этого класса моделей от натурных и так называемых виртуальных моделей. К конструктивным относятся разного рода имитационные модели.
В целом анализ свидетельствует, что по отношению к предметной области моделирования в МО США сложились такие направления, как операции разнородных группировок войск (сил) на ТВД, боевые действия с применением ОМП, переброски войск и грузов, применение сил и средств ПВО, оптимизация структуры ВС и другие. Уже сейчас моделирование с успехом применяется в качестве способа проведения оперативной оценки новых доктринальных положений, организационно-штатных структур и военно-технических систем, как средство отработки новых тактических приемов и нормативов, для определения приоритетности разработки и закупки ВВТ, а также в качестве одного из наиболее действенных инструментов повышения эффективности ОБП войск.
Архитектура систем моделирования на современном этапе стандартизирована. Она включает библиотеки стандартных программных модулей - генерирования случайных чисел, форматирования специфических докладов, выполнения сложных математических вычислений, управления ходом моделирования и др.
Генератор сценария обеспечивает ввод данных в модель. Выходные данные анализируются стандартной системой анализа данных. Запуск модели, выполнение и остановка производятся через управляющий интерфейс. Интерфейс обеспечения обучения личного состава, ОБП позволяет организовать интерактивное взаимодействие пользователей с моделью. Сетевой интерфейс обеспечивает взаимодействие различных компьютеров
в составе моделирующего комплекса, в том числе разнородных моделей, а также распределенное моделирование на базе одной модели.
Продолжаются работы по развитию объектно-ориентированной архитектуры моделей, призванной обеспечить более эффективное взаимодействие моделей и их использование. Такая архитектура позволяет создать инфраструктуру моделирования, которая может быть многократно использована в рамках разработки множества проектов создания моделей. При этом потребуется лишь добавить новую функциональность, реализующую решение новой задачи (описание новой среды функционирования или концептуальной схемы реального мира). По расчетам американских специалистов в этой области, возможно сокращение времени разработки моделей на 90 проц.
Одним из примеров, реализованным на объектно-ориентированной архитектуре, является система JSIMS (Joint Simulation System), развитие которой осуществлялось с 1994 по 2004 год на базе единой системы распределенного моделирования. JSIMS базируется именно на объектно-ориентированной эшелонированной архитектуре, обеспечивающей независимость от аппаратной платформы и программной операционной среды (связующим звеном между ОС компьютера и моделью служит блок системной абстракции). Блок объектных сервисов обеспечивает распределение объектов моделирования, ход времени в модели и запись данных о процессе моделирования (протоколирование). Причем программисты -разработчики конкретной модели могут даже не иметь представления о механизме функционирования этого блока. Блок обеспечивающих сервисов обеспечивает объектно-ориентированное представление всех функционирующих в модели объектов, а также порядок их взаимодействия. Расширения классов объектов используются для реализации специфики моделей каждого компонента системы ВВТ. Этот блок реализует механизм трансляции для обмена данными между моделью и внешними системами, например компьютерами реальной системы боевого управления, расположенными на пунктах управления ВС. Блок приложения включает специфические модели и инструменты системы. В рамках данной модели сделана попытка объединить модели военных игр штабов СВ, ВВС, ВМС и МП с системами разведки от тактического до стратегического уровня.
Важным направлением деятельности МО США в сфере военного моделирования является оценка, подтверждение и сертификация моделей (VV&A-Validation, Verification and Accreditation). Данные процедуры основаны на существовании концептуальной модели реального мира как промежуточной между реальным миром и программной реализацией модели. Оценка предполагает установление степени соответствия концептуальной модели процессам реального мира. Подтверждение - это определение соответствия содержания процессов, описываемых программным моделирующим комплексом, концептуальной модели. В ходе сертификации устанавливается применимость модели для решения специфических задач. Тем самым очерчиваются круг проблем или специфические условия существования проблем, для решения которых применима данная модель.
Процесс создания и эксплуатации моделей военного назначения в различных предметных областях предполагает объединение компонентов МО США (виды ВС, командования, самостоятельные управления военного ведомства и КНШ) в так называемые сообщества моделирования. Американские специалисты выделяют следующие сообщества в областях:
1. Анализа - курируется директором анализа и оценки программ МО, а также КНШ.
2. Апробации новейших тенденций — курируется экспериментальным управлением объединенного командования единых сил.
3. Планирования применения ВС - курируется КНШ и заместителем министра обороны по вопросам политики.
4. Приобретения и технологий - курируется заместителем министра обороны по приобретению ВВТ и технологиям.
5. Войсковых испытаний - курируется начальником управления по проведению войсковых испытаний и оценке и заместителем министра обороны по приобретению ВВТ и технологиям.
6. Обучения личного состава, ОБП-курируется заместителем министра обороны по личному составу и боеготовности.
В 90-е годы сложились технологические и организационные предпосылки для создания и внедрения в практику объединенных систем моделирования и имитации, к которым относится и вышеописанная система JSIMS. Это связано в том числе и с тенденцией «объединенности» в реформировании строительства и боевого применения вооруженных сил США. Это так называемые модели межвидового сообщества (Joint M&S). Уже много лет ОШ КНШ обеспечивает взаимодействие между разработчиками и пользователями межвидовых моделей, причем сам ОШ КНШ и штабы ОК являются главными пользователями моделей, в то время как виды ВС и некоторые центральные управления МО - основными их разработчиками.
Основные направления модернизации объединенных систем моделирования и имитации «межвидового сообщества» связаны в первую очередь с необходимостью создания новых моделей, а также с совершенствованием существующих систем. Дефицит моделей, вызванный динамизмом и глобальностью изменений в мире, а также появлением новых предметных областей, в значительной степени преодолен за последние годы. Тем не менее актуализация исследований применения ВС США в локальных конфликтах и различного рода «невоенных», операциях, например при осуществлении миротворчества, в борьбе с терроризмом и наркобизнесом и т. п., требуют разработки таких моделей, в которых был бы отражен значительно расширившийся спектр возможного применения ВС США. По оценкам, выполненным в ОШ КНШ, «межвидовому сообществу» срочно требуются новые модели для использования в следующих предметных областях: системы управления, связи, вычислительные системы и разведка; применение систем ПРО; радиоэлектронная борьба; применение оружия нелетального воздействия; роботизированные комплексы и системы; специальные операции; миротворческие операции, борьба с терроризмом и наркобизнесом и другие.
Высказывается мнение, что для нового поколения моделей требуется более полный учет взаимодействия многих военных, политических, экономических, этнических, религиозных и некоторых иных факторов, так или иначе влияющих на глобальную и региональную безопасность в современных условиях.
Перспективы моделирования в ВС США связываются с развитием таких ключевых направлений развития науки и технологий, как высокопроизводительные вычисления, компьютерные сети, визуализация, системы виртуальной реальности, распределенные системы моделирования. Благодаря программе МО США по высокопроизводительным вычислениям (НРС - High Performance Computing) суперкомпьютерные ресурсы становятся все более доступными для имитации через вычислительные сетевые ресурсы.
Так, в рамках программы CASCADE планируется создать гибридную архитектуру, совмещающую различные высокопроизводительные процессорные технологии и высокоскоростные сети. Для ее реализации управление перспективных исследований МО США DARPA (Defense Research Projects Agency) заключило в конце 2006 года с компаниями IBM и «Крэй» контракт для разработки суперкомпьютеров на сумму около 500 млн долларов. В результате должны быть созданы суперЭВМ, которые будут в 100 раз мощнее современных машин этого класса, но проще в плане администрирования и программирования. Корпорация IBM получит около половины этой суммы за разработку процессора POWER7, операционной системы AIX и другого программного обеспечения.
Успехи ВС США в развитии систем компьютерного моделирования подтверждаются 90-процентным задействованием вычислительных ресурсов научно-исследовательского центра (НИЦ) СВ США (Army Research Laboratory), оснащенного сетью высокопроизводительных суперЭВМ.
В 2000 году вычислительные мощности НИЦ расширены, установлены первые кластеры на основе 16 узлов из процессоров Compaq Alpha и восьми - из Intel. Далее, в 2003-м, закуплен кластер из 256 узлов на базе процессоров Linux Networx (модификация Intel Xeon). В 2004 году поставлены еще три кластера, включая систему JVN (John Von Nuemann) из 2 048 процессоров Linux Networx. JVN занимала тогда 13-е, а сегодня 33-е место в списке из 500 наиболее мощных суперЭВМ в мире. В мае 2005 года JVN продемонстрировала быстродействие, равное 10,65 Тфлопс (трлн опер./с).
В 2006 году для НИЦ закуплены четыре суперсистемы суммарным быстродействием 100 Тфлопс2:
- кластер из 1 024 узлов на базе процессоров Intel Woodcrest производительностью более 50 Тфлопс;
- кластер из 842 узлов из процессоров Intel Dempsey производительностью 21,5 Тфлопс;
- кластер из 64 узлов, выполняющий задачи обработки графической информации и отображения.
Данные суперЭВМ используются для решения таких задач, как моделирование погодных условий на поле боя, имитация тактических сетей связи, обеспечение фундаментальных исследований в области физики, математики и информатики. Усилия специалистов НИЦ концентрируются также на выполнении программ исследований в области технологии создания современного оружия и двигателей для боевых платформ, боевых роботов, новых источников энергии и систем обнаружения, которые требуют миллионов часов масштабируемых параллельных вычислений.
Комплексное программное обеспечение сети суперЭВМ НИЦ включает инструменты разработки программ, программы генерации вычислительных сетей, пакеты параллельных вычислений и другие. Среди них — пакеты обработки графической информации и отображения Total view и Vampir, а также инструменты ANSYS, СТН, ICEPIC, MATLAB, Monocode, CDF++, Fluent и Pro/engineer.
Пакет CDF++ использовался на суперЭВМ JVN для моделирования аэродинамики управляемого ракетного оружия и аэротермодинамики гиперскоростных боеприпасов. Пакеты ICEPIC и Monocode (также на суперЭВМ JVN) применялись для моделирования электромагнитных взаимодействий, механики проникающих боеприпасов и динамики жидкостей.
Один из последних проектов с использованием пакета ICEPIC потребовал более 1 млн ч процессорного времени в течение нескольких месяцев для разработки мощного микроволнового источника излучения, предназначенного для вывода
из строя (нарушения функционирования) радиоэлектронных систем противника. Другой проект на базе Monocode предполагал решение задачи усовершенствования метода оценки эффективной поверхности рассеивания наземных мобильных объектов в миллиметровом диапазоне излучения РЛС.
Уже сегодня практически реализована принятая в начале 90-х годов в США концепция построения распределенных сетей имитации и моделирования, которая объединила в рамках единого замысла разнотипные модели, тренажерные комплексы и реально действующие системы оружия, максимально приближая при этом моделируемую боевую обстановку к реальной по пространственно-временному размаху и количеству привлекаемых сил и средств. Технической основой данной концепции являются высокоскоростные сети передачи данных, а также высокопроизводительные вычислительные комплексы. Ожидается дальнейшее глобальное комплексирование моделей и внедрение систем виртуальной реальности (искусственного многомерного боевого пространства) на базе телекоммуникационных сетей, призванных обеспечить доступ пользователей как к оперативной, так и физической моделируемой среде, стандартизированным моделям и базам данных, а также к различного рода сценариям.
В соответствии с принятой во второй половине 90-х годов программой НИОКР продолжается развитие единой высокоуровневой архитектуры (HLA- High Level Architecture) построения систем моделирования и имитации, средств адаптивной генерации сценариев, базы моделей высокой степени разрешения, способов и методов представления окружающей действительности, компьютерного моделирования живой силы и боевой техники, а также базы данных земной поверхности и Мирового океана с динамически меняющейся степенью разрешения. Кроме того, предполагается сформулировать HLA-архитектуру в терминах нашедшего широкое распространение объектно-ориентированного подхода к проектированию и разработке моделей.
Таким образом, развитие систем моделирования и имитации в США рассматривается как один из основных факторов обеспечения эффективности строительства и применения ВС, Громадный потенциал, накопленный в данный области, уже сейчас оценивается как значительно опережающий возможности других стран мира в этой сфере. Передовые результаты исследований позволяют ожидать скорого прорыва ВС США в области создания и применения вычислительных моделей,
1Для устранения растущего несоответствия между масштабами и важностью моделирования, с одной стороны, и слабым управлением со стороны МО США - с другой, по инициативе конгресса руководством МО США в 1991 году было образовано управление моделирования МО США, а на уровне видов ВС, в объединенном штабе (ОШ) КНШ и ряде центральных управлений МО определены ответственные за координацию программ, связанных с моделированием.
2Первые две системы входят в число 15 наиболее производительных суперЭВМ в мире, а с помощью третьей установлено несколько мировых рекордов.
Зарубежное военное обозрение №6 2007 с 17-23
Смотрите также
|
