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「模式模擬」要跟上「國機國造」與「國艦國造」的隊伍

2018年9月28日在高雄舉辦的第二屆台灣國際海事展上,中科院配合國艦國造政策,首次展示所設計的輕巡防艦模型。(Photo by DTM)

「模式模擬」要跟上「國機國造」與「國艦國造」的隊伍

作者:趙嘉琦

一、引言

2016年之後,政府大力推動「國機國造」、「國艦國造」政策,其力道較以往更增強,但仍有不同意見,所持理由並非全然無據。武器系統自製或外購,利弊各半,爭議多年,皆有所本。贊成者多強調國防「造兵」自主,反對者則堅持軍事「用兵」為先。立場不同並非排斥國貨,往往因洋貨確有優異之處,恰如「物美」與「價廉」,衝突中何者最有利於國防建設成為價值判斷。國造武器系統之環境囿於資源與能力,無法一步登天,宜採「小步快跑」,不追求高端「物美」與迎合低端「價廉」,取其折衷,市場區隔定位為「貨真價實服務好」。這「貨真」除保證硬體性能確實,軟體還要能接軌「戰訓國際化」、「測評合成化」及「模擬模式化」之潮流、趨勢與進化。最佳作法就是同步積極發展「模式模擬」,列入測評主計畫,於「研發測評」中即要求同步運用。

二、潮流

        近30年來,美軍全力發展模擬、測試、評估程序,運用於實際戰場,從科索沃到阿富汗、伊拉克,皆獲得重大勝利,使軍事事務革新有了新一代準據【1、2、3】。自由世界國家在美國主導下,已將合成化戰區作戰研究模式(Synthetic Theater Operation Research Model,STORM)用為戰區層級模擬系統,可模擬空對空、地對空、海上作戰、地面作戰,及後勤、指管、情監偵等重要作戰行動。STORM已成指揮軍事作戰與評估武器效益之訊息包裹,更為軍事溝通對話之專門鏈路。其藉模式模擬應用之經驗技術,發展整合為關鍵情報資訊,導入作戰分析任務工具與方法論,構建成國際化聯合作戰訓練之資訊平台。

       STORM系統為美國Group W公司開發之高司「用兵」模擬系統,具有指管指令功能的介面、資料庫管理及共通分析模擬架構與參數管理等功能,美軍現役者為2.7版,升級之2.8及2.9版已在演習驗證中。美國領導統合全球藍隊(Blue Team)軍事力量,透過美軍及盟軍共同加入使用STORM系統,進行指揮構聯與情報判斷,平日增進多邊合作關係,戰時協調發揮統一火力。其為達成資料庫之轉換,並求取作業最佳化而設計之共通性分析模擬架構系統(Common Analytic Simulation Architecture,CASA),利於指揮官分析判斷後下達決心,即時向上戰情回報,友軍間交換情報及資料互換,CASA 架構與組成如下二圖。STORM系統資料庫龐大、綿密、精細,雖不斷改良精進,惟對操作非美造武器裝備軍隊而言,擷取資料執行紅藍敵我戰損(耗)分析仍有盲點。姑不論盟國部隊兵力結構編制互有差異,各作戰地區環境條件及風俗民情迥異外,最大問題為非美造武器裝備之參數輸入問題。國造武器裝備性能在水準以上,不在話下,惟乏模擬用數學模式,常借類比美軍同等級武器換算建置參數、性能諸元等資料,輸入STORM系統接受程度仍待考驗,未落實國際接軌使用需求【4、5、6】。

圖: CASA 架構示意

圖: CASA 組成示意

三、趨勢

       30年前,武器系統複雜程度較低,故僅發展相關測試作業,即能掌握武器性能。最先美國陸軍供應司令部(U. S. Army Materiel Command)編篡各種測試方法(Test Methods)、測試程序 (Test Procedures) 手冊,集成AMCR叢書(Army Materiel Command Regulation, AMCR)。後由美國陸軍測試評估指揮部(U. S. Army Test and Evaluation Command)擴充成TECOM手冊(Test and Evaluation Command Pamphlet, TECOM Pam),內容詳盡,包含各式各樣之TOP(Test Operation Procedures)測試操作程序手冊。然而隨武器系統日益複雜,單獨依賴測試作業,已無法滿足各方需要,再將測試作業擴展為測試評估作業。其內涵除保留原有測試作業外,增加計畫、分析、模擬、作戰、訓練等項目作業,作業時間拉長為整個武器系統生命週期,應用範疇也擴增為整合系統。

      現今測評藉系統化測試流程,確保武器裝備滿足使用者需求。包含系統整合性、相互關聯性、可靠度、維護度、整體後勤、軟/硬體測試及訓練等相關測試,與使用過程中所發現的問題,並執行後續作戰測試及相關裝備性能提升測試。美國各軍種均有測評專責單位(陸軍:OPTEC-Operational Test & Evaluation Command/海軍:OPTEVFOR-Operational Test & Evaluation Force/空軍:AFOTEC-Air Force Operation Test & Evaluation Center)執行是項任務,藉此測試評估之執行方式,有效提升測試評估能量。

      測試包含軟、硬體、後勤、彈道、適應性、飛試、原型、系統及人為測試等等種類。評估是從瞭解使用者需求(作戰需求)開始,經過測評主計畫(Test and Evaluation Master Plan, TEMP)、研發測評(Development Test and Evaluation, DT&E)、作戰測評(Operational Test and Evaluation, OT&E)、產品接收測評(Production Acceptance Test and Evaluation, PAT&E),評估是否符合用兵需求。藉由研發測評來檢視科技研發是否符合技術需求,作戰測評來查驗裝備是否符合戰場威脅,產品接收測評鑑定產品是否合格。

圖:測評分項內涵示意

圖:測評分項時程示意

圖:測評流程迴路

       測評適用範圍則包含計畫與執行等不同層級,如以用兵角度則區分為戰略、戰術、戰鬥、戰技等。如以用途區分為「分析」、「武器獲得」與「訓練考核」等。測評實施方式為聯網模擬,種類主要以人與系統(含武器、裝備、部隊組織等等)的互動方式,區分為四類,包括:「實兵操作模擬的系統」、「實兵操作真實的系統」、「模式帶入模擬的系統」以及「模式帶入真實的系統」等。

     此種區分方式係以自動化程度加以界定的,其間的界線並非百分之百的絕對。模擬器、實兵接戰裁判、電腦兵棋等建構測評所需模擬環境,屬分散交互模擬 (Distributed Interactive Simulation, DIS)之應用領域,就是由電腦所模擬出之虛擬戰場,藉網際網路整合並連結分散在各地、性質不同之模擬器與作戰模擬系統(分不同層次及細度,意即深度與廣度),不會受到空間分佈及時差因素影響,能在一個虛擬合成之模擬環境中整合運作。評估並將不同性質之單一模擬器實施系統規劃與整合,融入可能形成之作戰環境及共同的作戰指裁單位,完成橫向縱向鏈結,使原來單一模擬器,提升至有組織、有系統、有完整背景資料,使部隊能夠依照層級分別實施測評考合,其成效可以透過「裁判系統」瞭解全般狀況以明優劣。

      此外測評進入網網相連時代,最主要的動力來自「效率」的需求,效率為制敵機先的致勝要件,為古今中外兵家一致追求且推崇的。現代化武器系統發展耗時,亦受到環境變數的牽制,網路的輔助可提供充分的資訊使指揮官及參謀群成竹在胸。複雜精密的現代化武器系統,需要高度協調來發揮其效力,唯有借重網路提供的環境,才能滿足現代軍事需求。再者為數龐大且種類繁多的武器,戰術上的運用往往需突破昔日的窠臼,各種彈性組合推陳出新,網路提昇了作業的方便。作戰效益分析也需藉網路來促進回饋效率,及時反映測評結果與最終報告。研發、作戰、與產品接收,此三層次之測評相互輝映,各層次可卓然獨立各司其職,當三者緊密結合後,環環相扣的效果更勝於加成,無盡的回饋使訓練累積成經驗,而重新詮釋軍事測評的新生命【7、8、9】。

四、進化

工具的發明促成軍事作戰之進化!電腦科學飛快的進步促使軍事計量科學更有大幅發揮之空間,電腦輔助工程技術解決數世紀以來無法解決之問題,軍事科學家及武器工程師大量運用數學模式實施軍事模擬。其利用作業研究及資訊工程之理論,以現代計算方法及資料快速交換運用,使軍事計量科學成為作戰運籌帷幄的利器,根植於各種軍事活動,以及廣泛的戰爭現象研究。當面對此新一代戰爭之際,「模式模擬」之研究成為重點且須前瞻創新,發展模式暨運用先進的電腦計算模擬技術,使得「模式模擬」在更堅實的理論基礎上,展現模擬預測之效力、提昇致勝的機率。「模式模擬」應加速產官學研工作的進行、落實「藏力於學」的生根及應用,係「全民國防」作戰成功與成就的關鍵【10~13】。無法跟隨時代潮流及趨勢一同演化,生物學上證明,某些物種滅絕!

      「模擬」是什麼?言人人殊。原因是「模擬」一詞包羅萬象,幾乎是無事不可模擬,無處不存模擬,無時不在模擬。大至戰爭要靠事前的模擬(演習,打野外),小至參加學測,也要經過無數次的模擬考。如果去查字典,則「模擬」一詞含有偽裝、假冒等等含意。因此在研究發展測評這一行裡,用「以假代真」一詞可以概括一切的含意了。「模式」是什麼?簡言之,在實驗室或先導工廠研製武器時,亟需瞭解系統動態性能。動態是指物件受外在作用所生的運動。如作廣義的解釋,凡能用微分方程式表示的物理現象,均適用之。從這一觀點而推廣,可以說「模式」是以數學方式表現便真實世界的一種手法。

圖:模擬由簡入繁示意

模擬使用數學模式將物理現象數位化,數位資料經由網路可同步操作,即稱為分散互動式模擬,模擬器間按照通訊協定法則,以資料封包交換訊息,身處異地的系統皆能掌握工作環境內的動態,共處於彼此交織合成的環境,也稱作虛擬戰場。互動式模擬更延伸至電腦想定與實兵操演的領域,在深度與廣度的並行發展,構建敵我互動功能,多元化的內涵在及時性反應下,使參演者如獲身歷其境的感受。

圖:模式模擬運用示意,來源:陸軍裝甲兵季刊

五、數學模式為基礎

      「模式模擬」乃依工程理論、客觀世界、歷史經驗、社會需求、知識背景等因素決定軍事科技活動發展的方向。凡事若非與時推移、則執守不變,於變動中而能不變者乃線性非時變中真實的狀態。「模式模擬」先從不變的科學的本質,不變的科學方法探索,再逐步往時變非線性方向擴充發展。基於此,將科學的特質即複雜的物理現象予以簡化而使用較簡單的數學模式描述之,使得現有的計算機能力足以分析該數學模式,進而解釋、預測或控制實際物理現象。數學模式之型態將依使用者需求特性而有不同程度的複雜性,因此建立數學模式之真正目的並不在於找到一個完全正確描述該物理現象的數學模式,因為該模式可能過於複雜而不合實用,而是找出一個適度簡化卻不失代表性的數學模式。數學模式之建立可藉由系統識別技巧、實驗處理或現存物理現象之輸入、輸出觀測值來完成。

      模擬的方法應用於聯戰指揮與測評等作業上,首先必須對參加作戰的武器、過程、場景……等建立模式,基礎數學模式沒有建立,則模擬無法進行。簡單地說,模擬就是運用模式進行實驗。就模式而言,它是對實際的事物或過程的模仿,以縮小實體、數學符號或電腦程式流程的描述。即指實際物件(包含模擬器、原型機及相關裝備)、系統(包括相關軟、硬體)或過程,以物理、數學或其他合乎邏輯方法,對於部分屬性做抽象的表示或模仿,而非對該事務做全部屬性之複製。模式是基礎靜態的,模擬為延伸動態的!

空軍防空砲兵所使用的國造20mm(公厘)T82雙聯裝機砲。(Photo by DTM)

       舉一個為強化艦艇對低空慢速目標之防禦,發展 國造20mm(公厘)T82海用雙聯裝機砲為例。真實系統安裝於艦艇,海況複雜,實施射手追瞄之狀況,精度甚差。為求改善,乃發展伺服穩定、射手帶砲。過程中同步建立數學模式,經驗證與真實系統動態相仿。進而以模擬取代大部分海試,最終獲得原型,並獲國內外專業期刊刊登【14、15】,成為測評、作訓之代表佳作。

圖:國造20mm(公厘)T82海用雙連裝機砲迴旋數學模式

圖:國造20mm(公厘)T82海用雙連裝機砲俯仰數學模式

       在戰機研製過程中,載具飛控模式非常重要。Minneapolis-Honeywell公司發展的MH-90適應控制系統,即先通過數學模式、硬品迴路模式於俄亥俄州美國空軍理工學院(Air Force Institute of Technology, Wright-Patterson AFB, Ohio)航空系(Aeronautical System Division)飛行控制實驗室(Flight control laboratory)驗證後,實用於1950年代的F-101巫毒式(voodoo)戰機,現仍應用於教學及其他實驗研究,極富盛名【16】。

 美國空軍F-101巫毒式(voodoo)戰機。

 

圖: F-101戰機用MH-90飛控系統模式

     潛艦潛航控制的動態方程式頗為特殊,與飛機、飛彈相去甚遠,原因主要因水中浮力效應影響。在潛航速度v=25ft/sec時,數學模式如下【17】:

圖:潛艦潛航數學模式說明

六、人工智慧為目標

      這是一個smart這個,smart那個的時代。聲勢最大的,大概就是一改夕陽化趨勢的智能網路(smart grid)。以往軍事科學家深信人造的,只要沒有形成自主進化的生命特性,理論上來說就一定smart不過人,且這是毫無疑問的。然而適應性理論逐步改變這一觀點,從創建遺傳演算法,分類器系統(classifier system)、回聲模型(Echo)到邊界與信號模型(boundary and signals),依循「適應性」這個主題,利用「積木」(building blocks)的概念則貫穿之中,也就是通過適應性來構建複雜性的關鍵點。

       在遺傳演算法中,把生物遺傳的概念引入電腦程式,給出了「積木」在通過種群交叉變異的演化過程中數量變化的「圖式定理」,讓電腦開始具有通過「繁衍」而適應以及學習的機制。電腦通過適應來學習具有無比的重要性,歸功遺傳演算法成為一種通用的計算機最佳法則和搜索方法,並得到廣泛應用。遺傳演算工作是進化計算領域的一個重大成就,但是遺傳演算法對付不了複雜的「解結構」(Structure of Solutions),特別是具有層級與規則的解結構。無數之努力,「分類器系統」為電腦搭建了一個精巧而又具有適應性且基於規則的專家系統。和以往傳統專家系統不一樣的是,這個分類器系統允許相互矛盾的規則共存並通過機制來競爭,通過「水桶演算法」(或稱桶子排序法,Bucket Sort)強化學習來改善系統的性能,並且結合遺傳演算法不斷生成新規則。這個體系的構建是如此的獨特和巧妙!這個系統可以對非常複雜的問題進行求解,是目前能看到的結構最靈活、讓計算機具有最大限度的創造力的演算法框架,具有巨大的潛力。

舉凡無人艦艇、無人機、機器人戰士等,人工智慧模式在軍事領域的應用越來越成功。美國辛辛那提大學(Cincinnati University)研發名為 ALPHA的空戰人工智慧模式,係為無人戰機作戰分析而製,以模糊邏輯的程式為基礎。在2015年10月一個模擬空中格鬥中,擊敗美國退役空軍空戰教官李吉恩(Gene Lee)上校,他擁有豐富的空中作戰經驗,絕對不是一個普通的對手。

圖: 美國退役空軍空戰教官李吉恩在辛辛那提大學與ALPHA無人駕駛模式進行空戰對抗。(Photo by University of Cincinnati )

      美國國防先進研究計畫署(DARPA) 於2018年初將海獵人(Sea Hunter)反潛無人艦(Anti-Submarine Warfare Continuous Trail Unmanned Vessel,ACTUV)正式移交給海軍研究實驗室,可望在內服役。其最大航速50公里/時、具備7級海況(sea state)的行駛能力,高達70天/1萬海浬的驚人續航力,可以偵測及自主跟蹤水下18公里深度安靜航行的柴油潛艦。

圖:海獵人(Sea Hunter)反潛無人艦。(Photo by DARPA)

       美國海軍於2017年10日分別和洛克希德馬丁公司(LM)簽訂4320萬美元(約13億台幣)和波音公司4230萬美元(約12.8億台幣)合約,分頭設計的虎鯨(orca)超大無人潛航器(Extra Large Unmanned Undersea Vehicle (XLUUV)的研發工作,等美國政府選定設計後,贏家將著手製造5艘虎鯨原型,並於2020年交付以供海試。

        這種無人潛航器可以攜帶大量的作戰武器,同時可以潛伏在海底很長時間,對敵方水面艦或潛艦形成巨大的威脅。航程至少要達2,000海里(3700公里),而這足以從菲律賓到上海或香港往返一趟。而虎鯨無人潛航器的大尺寸,長航程與有效載重量,都讓它得以發揮驚人的多用途。例如,它可以執行佈雷任務,數百英里遠的地方投放水雷後,可以再返回基地載運更多水雷。此外,它還能偵察敵方艦隊或海岸線,部署能偵測電磁放射的天線,以供日後分析數據。同時它還能攻擊敵方水面戰艦,或甚至與美國海軍潛艇合作,緊盯敵方潛艦,並充當誘餌,讓攻擊潛艇似乎伏擊。關於它用途的唯一限制,就是海軍想像力的極限。

圖:波音公司設計的虎鯨無人潛航器,(Photo by Boeing)

七、模式模擬要落地生根

經過前述導入介紹說明,可知現今軍事行動與武器發展均以模式模擬來表達意念及傳遞訊息,才能「把話說到心窩裏」。以往指揮所開設、作戰地區分析、情報判斷、作戰計畫、作戰命令,藉兵棋或沙盤推演時。如使用「口語」表達,各參謀群皆能口沫橫飛,意見具申,絕不冷場。進一步要求使用「軍語」或「術語」,則場面頓時冷清不少,約剩參二、三部門能應對自如。更進一步要求使用「文字」或「符號」完成相關配布,僅剩少數完成指參教育人員能應付。若此時要求以「算式」或「程式」輸入數位設備,能勝任者寥寥無幾,大部分人員根本不知如何以「算式」或「程式」,將攻防描寫的精密有序。把軍事作戰之戰具、戰法等透過「學理」精簡有效地訴諸「算式」或「程式」,就是模式模擬之作用。這些學理都隱藏在實際軍事行動中,透過許多研發測試細節,即造兵與用兵實際經驗,產生智慧結晶,輸入數位設備,達成指揮官之決心。

但哪個學理不是由研發與測試細節中產生呢?萬丈高樓平地起?

       學理是經過分析之後得到的東西,能提供軍事作業的大原則,得知應有的「戰略」,但是學理不見得應用為「戰術」與「戰鬥」。許多學理也就因此,成了紙上談兵。同樣的道理,「國機國造」與「國艦國造」在執行時亦須留心。大量投資於硬體計畫,擴充廠房機具,使工作人員忙於建廠試車與生產,對於國外技術轉移後後消化程度,未能轉化為本身之模式模擬。如同只引進「指物成金」的一大塊金塊,而沒有獲得手指頭,模式模擬技術更可說是金手指頭。國造武器發展集國家尖端人才之智慧而成,人類智慧之極致為抽象思考。模式模擬工作即是以抽象符號重現具象的「真實世界」,進而探討其不可觀之狀態,因此模式模擬工作是國防自主中最高度的心智表現。急起直追並落地生根後,量身打造自身模式才是有意義的國防自主,名符其實「國造」。

八、結語-從研發測評做起

      模式模擬在美軍受到高度重視,以「模式模擬主計畫(M&S Master Plan)」律定各武獲專案中模式模擬相關活動。國軍起步較晚,並無相關準則依循。他山之石,美軍處世界裁軍趨勢下,產生人力結構與作戰資源均縮減的情況,但已克服並有效率地處理此一困難問題。其藉模式模擬的發展並於武器裝備研發和後續作戰訓練中一貫應用,促成研發模擬與作戰模擬的「整合環境」,使武器研發與演訓資源不重複,做最大且有彈性的投資。借用美軍經驗,模式模擬需要大量驗證,「模擬、測試與評估的過程步驟必須是測評主計畫(TEMP)中絕對必要的部份」。模式模擬成為研發計畫與評估過程中為最經濟而有效的方法與工具,故納入測評主計畫,亦為一可行策略地圖。機艦國造工作能否成功,計畫能否順利推行,端賴於對系統是否有足夠的瞭解,並能轉化系統為模式,再利用模式為模擬,然後產生有用之模擬結果,並對結果進行分析,選擇最佳方案。建議模式模擬相關活動均應納TEMP計畫管制,早於研發測評時即實施,從頭發展武器數學模式。作戰測評時,發展人機介面、人員操作等模式。產品接收測評時,裝備模式模擬技術文件必須包含模式模擬資料與參數。測評三主要階段均要求納入模式模擬活動,模式模擬即測即評暨驗證!

圖:美軍模式模擬主計畫【18】

捌、參考文獻

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