Wir haben gesehen, in vorheriger Artikel, was ein Simulationsmodell ist und wie die Praxis der Modellierung und Simulation im Laufe der Zeit in verschiedenen Kontexten an Bedeutung gewonnen hat. Konzentrieren wir uns nun auf die aktuelle Verwendung von Modellierung & Simulationen in der Verteidigungswelt.
Warum werden Simulationen im Verteidigungsbereich eingesetzt?
Wir beginnen mit der Betrachtung der Zwecke der Simulation. Zusammenfassend können wir sagen, dass wir heute im Wesentlichen simulieren, um eines davon zu erreichen 4 Ziele:
A) Die Ausbildung des Militärpersonals
B) Erforschung und Entwicklung von Gewinnstrategien/Taktiken in bekannten Szenarien
C) Die Definition der Eigenschaften neuer Systeme
D) Die Validierung neuer Systeme
Sehen wir uns unten ("Abbildung 1") an, woraus die 4 oben aufgeführten Nutzungsdimensionen bestehen. Und um dies zu tun, betrachten wir eine generische Simulation, die eines Luftverteidigungssystems wie das im Diagramm (siehe folgendes Bild). Es ist eine sehr vereinfachte Schematisierung, die ein Modell eines Kommandos und einer Kontrolle (das erste links in der Abbildung), das Modell eines Raketenwerfers, eines Radars, einer Abfangrakete und einer möglichen Bedrohung (das letzte blaue Quadrat in die Figur ganz rechts). Diese Modelle realer Objekte sind in der Simulation durch eine Kommunikationsinfrastruktur (der orangefarbene Block in der Abbildung) verbunden, die in der Lage ist, sie miteinander kommunizieren zu lassen, um eine einzige kohärente Simulation einer Interaktion des Verteidigungssystems mit der Luft zu erstellen Gefahr.
Um zu verstehen, wie eine Simulation verwendet wird, um Ziel A zu erreichen, dieSchulung der Mitarbeiter1, können wir uns die Notwendigkeit vorstellen, einen Bediener des in der Beispielübung modellierten Waffensystems zu haben (siehe folgendes Bild "Abbildung 2"). Stellen wir uns vor, dass es direkt mit dem Führungsmodell interagiert, stellen wir uns vor, dass der Simulator mit den typischen Simulationsszenarien eines Angriffs auf eine feindliche Bedrohung gefüttert wird, und nehmen wir an, dass das System es ermöglicht, die Interaktionen des Bedieners und die Ergebnisse der Angriffsmission aufzuzeichnen für eine anschließende Nachanalyse des Verhaltens des Bedieners (wie viele feindliche Flugzeuge konnte er angreifen? Mit welchem Ergebnis? Welcher Bediener war für bestimmte Szenarien besser? Warum?). International ist dieses Ziel als Education, Training, Exercise and Evaluation (ETEE) bekannt.
Um zu verstehen, wie eine Simulation verwendet wird, um Ziel B zu erreichen, Erforschung und Entwicklung von Gewinnstrategien/Taktiken in bekannten Szenarien, müssen wir uns vorstellen, dass wir über Geheimdienstdaten verfügen, die es uns ermöglichen, ein neues Bedrohungsmodell zu modellieren. Es ist legitim zu fragen, wie es unter sonst gleichen Erwägungen angemessen ist, das System so zu konfigurieren, dass es auf diese Art von Bedrohung besser reagiert, dh effektiver ist: Wie werden die Trägerraketen angeordnet? Wie ordne ich die Radargeräte an? Welche Feuerlehre ist effektiver? Was ist das korrekteste Verhalten der Operatoren? Eine ähnliche Situation ist in der folgenden Abbildung ("Abbildung 3") schematisiert.
Um zu verstehen, warum eine Simulation verwendet wird, um Ziel C zu erreichen, d. h. la Definition der Eigenschaften neuer Systeme, können wir wieder auf ein Szenario wie das im vorherigen Bild verweisen ("Abbildung 3"). Angenommen, wir werden durch Geheimdienstdaten auf eine neue Bedrohung durch einen potenziellen Feind aufmerksam. Wir führen Simulationen mit den Modellen der uns zur Verfügung stehenden Waffensysteme durch und stellen fest, dass das uns zur Verfügung stehende System nicht geeignet ist, uns einen ausreichenden Schutz vor der neuen Bedrohung zu gewährleisten. Sich ein neues Waffensystem anschaffen oder das bestehende weiterentwickeln können, in welche Richtung bewegen wir uns? Kann ein leistungsstärkeres Radar ausreichen, das in der Lage ist, die Bedrohung früher und besser zu erkennen, oder eine wendigere Abfangrakete oder in der Lage, größere Höhen/Entfernungen im Vergleich zu der bestehenden zu erreichen? Um diese Fragen zu beantworten und anschließend eine Angebotsanfrage für ein fortschrittliches und optimiertes System auszuarbeiten, das den neuen Bedürfnissen der Streitkräfte entspricht, ist die Simulation ein sehr nützliches und oft unersetzliches Werkzeug.
Und schließlich versuchen wir uns vorzustellen, wie ein Simulationssystem nützlich sein kann, um Ziel D, d. h. la, zu erreichen Validierung neuer Systeme. Wenn wir das vorherige Beispiel fortsetzen, können wir versuchen, uns vorzustellen, dass wir tatsächlich ein verbessertes System (oder Subsystem) erhalten haben, um einer neuen Art von Bedrohung entgegenzuwirken. Unter der Annahme, dass das System, für dessen Anschaffung wir uns entschieden haben, ein neues Radar ist, können wir uns vorstellen, dass zusätzlich zum Radar selbst auch ein Modell des Radars bereitgestellt werden kann, ein Modell, das geeignet ist, Teil unserer Simulation zu sein2. Mit diesem Modell ist es möglich, die Simulation erneut auszuführen, um die Leistung des endgültigen verbesserten Systems zu überprüfen, und dann das System selbst zu validieren, um die effektive Übereinstimmung mit der Notwendigkeit sicherzustellen, der sich entwickelnden Bedrohung zu begegnen (siehe folgendes Bild „Abbildung 4“) ).
Ein weiterer Fall, der unter Ziel D fällt, ist die Integration eines komplexen Systems, das eine Neuentwicklung erfordert. Wenn wir ein völlig neues System entwerfen, beginnen wir normalerweise damit, eine globale Simulation des Systems selbst zu entwerfen, die darauf abzielt, die detaillierten Anforderungen zu optimieren und die Algorithmen jedes Subsystems zu entwickeln (genau die Situation des ersten Schemas des Artikels). Wenn nach Abschluss der Entwicklung die verschiedenen Subsysteme tatsächlich mit der realen HW (zumindest in Prototypenform) erstellt wurden, werden diese Prototypen zunächst einzeln ersetzt (siehe folgendes Bild "Abbildung 5"), dann nach und nach alle, zu den ursprünglich in der Simulation konzipierten Subsystemen. Mit anderen Worten, die Simulation wird in ein echtes Test-, Validierungs- und Integrationswerkzeug umgewandelt, das nützlich ist, um zu überprüfen, wie weit das erstellte Subsystem von dem ursprünglich konzipierten abweicht (Konzept von HW in the Loop).
Simulationsarten
Es gibt viele Möglichkeiten, die Arten von Simulationen zu unterscheiden, die in der Verteidigung verwendet werden. Eine klassische Unterscheidung ist zwischen konstruktiven, virtuellen und Live-Simulationen:
- Konstruktiv: eine Simulation, bei der sowohl Systeme als auch das Verhalten von Einheitsoperatoren (Operatoren, deren Verhalten durch Modelle repräsentiert wird) simuliert werden3. Das Simulationssystem wie das in "Abbildung 3" kann auf diese Art der Definition reagieren, wenn wir uns vorstellen, dass sich der menschliche Eingriff darauf beschränkt, das zu modifizieren, was als "Konfigurationsdaten" identifiziert wurde (zum Beispiel durch die Entscheidung über den Einsatz der Elemente auf dem Gelände oder um das Erscheinen zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Simulation einer Bedrohung zu bestimmen, die ein vorher festgelegtes Verhalten hat). Bei einer konstruktiven Simulation wird tatsächlich alles simuliert (normalerweise per Computer), und kein reales Element interagiert mit der Simulation.
- Assistent: In diesem Fall haben wir simulierte Systeme, die von echten Menschen gesteuert werden (Human in the Loop). Was in "Abbildung 2" beschrieben wird, kann ein gutes Beispiel sein.
- Live: In diesem Fall können wir neben dem virtuellen Fall auch reale Systeme haben (wie bereits erwähnt, ist das Konzept von HW in the Loop). Betrachten Sie zum Beispiel den Fall von "Abbildung 6" (folgendes Bild), in dem wir anstelle eines simulierten Radars ein echtes Radar haben, das Daten an die simulierte Befehls- und Kontrolleinheit senden und sowohl echte als auch simulierte (Sim über live).
Die soeben aufgedeckte Klassifizierung hat einen historischen Wert (sie erscheint auf den ersten Dokumenten des DOD USA aus den frühen 90er Jahren), aber heute erscheint sie in vielerlei Hinsicht veraltet. Es können jedoch einige Überlegungen zu den verschiedenen Konfigurationen angestellt werden.
Eine konstruktive Simulation sorgt sicherlich für wiederholbarere Ergebnisse, ist relativ billiger als die anderen (es gibt keine realen Objekte, alles wird am Computer simuliert) und eignet sich besser zum Studium des theoretischen Verhaltens des modellierten Systems (zum Beispiel: Definition der Anforderungen, Definition von Strategien, Bewertung von Schwachstellen). Die Genauigkeit hängt von der Genauigkeit der Modelle ab, die in der Simulation selbst verwendet werden.
Aber wenn nicht simulierte Elemente eingeführt werden (dh reale Bediener, wie im Fall der virtuellen Simulation; oder reale Systeme in der Live-Simulation), ist die Wiederholbarkeit der Simulation schwieriger, wenn nicht gar unmöglich zu erreichen. Andererseits verbessert die Repräsentativität die Simulation und macht sie geeigneter für verschiedene Ziele, wie z. B. die Validierung eines neuen Systems oder die Schulung von Bedienern.
Wir erwähnen auch kurz die Technologie der digitalen Zwillinge, wörtlich "digitale Zwillinge", die darin besteht, virtuelle und digitale Kopien realer Objekte zu erstellen, Kopien, die in der Lage sind, die statischen und dynamischen Aspekte angemessen zu modellieren. Solche digitalen Kopien sind natürlich in der Lage, die Simulation, in der sie agieren, zu beeinflussen, aber auch einige Effekte/Ergebnisse der Simulation auf das reale Objekt zu übertragen, von dem sie Kopien sind. Es ist eine Art Alternative zur Situation in "Abbildung 6": Anstatt die Simulation mit einem realen Objekt interagieren zu lassen und es in der realen Welt zu belassen, wird das reale Objekt in die simulierte Welt transponiert, indem es durch seinen "digitalen Zwilling" ersetzt wird. .
Abschließend ist zu überlegen, wie mit dem Vordringen neuester Technologien und mit dem Metaversum vor den Toren die Darstellung der „Figur 7“ (folgendes Bild) passt, die neben der traditionellen Klassifikation (unterer Teil der Abbildung), die Überschneidung von Konzepten der Mixed Reality, an die wir uns immer mehr gewöhnen müssen (für eine Diskussion über die Perspektiven des Metaversums ist es hilfreich, die Studie Ref. 2 zu lesen) .
Abbildung 1: Vergleich zwischen den Konzepten von Mixed Reality (Abschnitt a) und Simulationen (Abschnitt b). Quelle: Ref. 3
Interessant ist auch eine Klassifikation, die Simulationen anhand der hierarchischen Kategorie der simulierten Systeme unterscheidet. "Abbildung 8" (folgendes Bild, entnommen aus Lit. 3) stellt synthetisch eine Hierarchie der verschiedenen Arten von Simulationen dar, wobei die Aggregationsebenen, die Auflösung/Wiedergabetreue, der Bereich der simulierten Aktion hervorgehoben werden (und beispielsweise zeigen, einige bekannte Simulationen im US-Verteidigungsbereich).
Unser Beispiel „Abbildung 1“ würde auf der vorletzten Aggregationsebene, der „Mission“, platziert werden. Auf der untersten Ebene (Engagement) kann man sich das Modell eines einzelnen Abfangjägers oder eines Radars vorstellen. Auf einer noch niedrigeren Ebene (Engineering) gibt es die Subsystemmodelle (zum Beispiel: das Modell eines Suchenden4 einer Rakete).
Die weiter unten, in „Abbildung 8“, angesiedelten Ebenen eignen sich besser zur Erreichung der Ziele C und D (Definition der Anforderungen und Validierung) und werden deshalb als Ebene bezeichnet "Maschinenbau".
Die "Figur 8" führt uns auf natürliche Weise dazu, das Thema Interoperabilität anzusprechen. Interoperabilität ist ein weit gefasster Begriff und drückt die Fähigkeit eines Systems aus, korrekt mit anderen Systemen zu interagieren. Interoperabilität ist längst zu einer Anforderung geworden, die Waffensysteme erfüllen müssen, und sie ist eine Voraussetzung für netzwerkfähige Fähigkeiten und Multi-Domain-Operationen. Wenn auf der einen Seite die Waffensysteme miteinander interagieren müssen, so wird schon beim bloßen Betrachten von "Bild 8" ebenso deutlich, dass dies auch die Simulationen (oder besser gesagt: die den Simulationen zugrunde liegenden Modelle) tun müssen, sowohl für die Notwendigkeit der Aggregation verschiedener Modelle in einer Simulation, die verschiedene simulierte Systeme berücksichtigt, die interagieren, als auch für die Notwendigkeit der Wiederverwendung von Modellen5.
Ein leicht verständliches Beispiel ist die Modellierung der Objekte, die den Kampfraum beleben: Wenn ein System eine bestimmte Bedrohung sieht, muss ein in der Nähe eingesetztes System dieselbe Bedrohung sehen (es sei denn, die Sensoren unterscheiden sich).
Aus dieser Überlegung verstehen wir, dass die Notwendigkeit entsteht, a) eine Sprache für den Austausch von simulierten Daten und b) eine SW-Architektur zu definieren, die es den verschiedenen Simulationen ermöglicht, zusammenzuarbeiten. Um diese Art von Problemen zu lösen, wie z. B. die der Föderation von Objekten einer anderen hierarchischen Ebene, können wir nun sowohl die DIS (Verteilte interaktive Simulation, dem IEEE-Standard zur plattformübergreifenden Durchführung von Simulationen), dass der HLA (Architektur auf hohem Niveau, dem Architekturstandard für verteiltes Simulationsdesign).
(Fortsetzung)
Lesen Sie den ersten Teil "Was sind Simulationsmodelle: Ursprung und Evolution"
Lesen Sie den dritten Teil "Was sind Simulationsmodelle: Simulationszentren in Italien und auf der ganzen Welt"
Referenzen
1 EINFÜHRUNG IN MODELLIERUNG UND SIMULATION, Anu Maria
2 Metaverse und Nationale Sicherheit, Italienisches Institut für Strategische Studien, Fabio Vanorio
3 Offene Herausforderungen beim Aufbau von Kampfsimulationssystemen zur Unterstützung von Tests, Analysen und Schulungen, Wintersimulationskonferenz 2018 (WSC), Andreas Tolk – Raymond R. Hill – Douglas D. Hodson – Jeremy R. Millar
Note
1 Ein ähnlicher Begriff ist der im Englischen definierte Begriff „Mission Rehearsal“, also Nachweis der Mission
2 Verschiedene Versionen des Modells werden häufig beim Lieferanten in Auftrag gegeben, um den Fortschritt des Subsystemdesigns widerzuspiegeln. Auf diese Weise ist es möglich, vor der Freigabe des endgültigen Projekts Zwischenrückgaben zu haben, um die Gültigkeit der angeforderten Entwicklungen zu überprüfen und gegebenenfalls in der Entwurfsphase des neuen Produkts korrigieren zu können , wenn die Kosten für die Änderungen noch angemessen sind.
3 Das Verhalten der mit der Ausübung der Führungs- und Kontrollfunktion der abhängigen Einheiten beauftragten Kommandeure wird nicht simuliert
4 Das Zielverfolgungs-Subsystem
5 Es ist jedoch notwendig, bei der Wiederverwendung von Simulationsmodellen vorsichtig zu sein und den Leser zu warnen, dass es nicht immer möglich ist, Modelle wiederzuverwenden, die für zwei Simulationen verschiedener hierarchischer Ebenen oder sogar derselben hierarchischen Ebene erstellt wurden. Es gibt Probleme mit der Wiedergabetreue, Ausführungsanforderungen und mehr, die eine Wiederverwendung oft unmöglich machen. Dies wird entweder dadurch gelöst, dass das Modell vereinfacht oder neu gestaltet wird, oder auch einfach dadurch, dass die Daten aus der genaueren Simulation im Rahmen einer übergeordneten Simulation verwendet werden.
Foto: US Air Force / Autor
