Nous avons vu, dans article précédent, ce qu'est un modèle de simulation et comment, au fil du temps, la pratique de la modélisation et de la simulation a gagné en importance dans divers contextes. Intéressons-nous maintenant à l'utilisation actuelle de modélisation & simulations dans le monde de la défense.
Pourquoi les simulations sont-elles utilisées dans le secteur de la défense
Commençons par examiner les objectifs de la simulation. En un mot, nous pouvons dire qu'aujourd'hui, nous simulons essentiellement pour réaliser l'un de ces Les objectifs 4:
A) La formation du personnel militaire
B) Recherche et développement de stratégies/tactiques gagnantes dans des scénarios connus
C) La définition des caractéristiques des nouveaux systèmes
D) La validation de nouveaux systèmes
Voyons ci-dessous ("figure 1") en quoi consistent les 4 dimensions d'utilisation listées ci-dessus. Et pour ce faire, considérons une simulation générique, celle d'un système de défense aérienne comme celui du schéma (voir image suivante). C'est une schématisation très simpliste qui propose un modèle de commandement et de contrôle (le premier à gauche, sur la figure), le modèle d'un lanceur de missiles, un radar, un missile intercepteur et une éventuelle menace (le dernier carré bleu de la figure, tout à droite). Ces modèles d'objets réels sont reliés, dans la simulation, par une infrastructure de communication (le bloc orange sur la figure) capable de les faire communiquer entre eux afin de construire une simulation unique et cohérente d'une interaction du système de défense avec l'air menace.
Pour comprendre comment une simulation est utilisée pour atteindre l'objectif A, lela formation du personnel1, on peut imaginer la nécessité d'avoir un opérateur du système d'arme modélisé dans l'exemple d'exercice (voir image suivante "figure 2"). Imaginons qu'il interagisse directement avec le modèle de commandement et de contrôle, imaginons que le simulateur soit alimenté avec les scénarios de simulation typiques d'un engagement d'une menace hostile et supposons que le système permette d'enregistrer les interactions de l'opérateur et les résultats de la mission d'engagement pour une post-analyse ultérieure du comportement de l'opérateur (combien d'avions hostiles a-t-il réussi à engager ? Avec quel résultat ? Quel opérateur était le meilleur pour un ensemble de scénarios donnés ? Pourquoi ?). À l'échelle internationale, cet objectif est connu sous le nom d'éducation, d'entraînement, d'exercice et d'évaluation (ETEE).
Pour comprendre comment une simulation est utilisée pour atteindre l'objectif B, recherche et développement de stratégies/tactiques gagnantes dans des scénarios connus, nous devons imaginer que nous disposons de données de renseignement qui nous permettent de modéliser un nouveau modèle de menace. Il est légitime de se demander comment, toutes choses égales par ailleurs, il convient de configurer le système pour mieux répondre, c'est-à-dire pour être plus efficace, à ce type de menace : comment disposer les lanceurs ? Comment disposer les radars ? Quelle doctrine du feu est la plus efficace ? Quel est le comportement le plus correct des opérateurs ? Une situation similaire est schématisée dans la figure suivante ("figure 3").
Pour comprendre pourquoi une simulation est utilisée pour atteindre l'objectif C, c'est-à-dire la définition des caractéristiques des nouveaux systèmes, on peut à nouveau se référer à un scénario comme celui de l'image précédente ("figure 3"). Supposons que nous prenions conscience, grâce à des données de renseignement, d'une nouvelle menace provenant d'un ennemi potentiel. Nous effectuons des simulations avec les modèles des systèmes d'armes dont nous disposons et nous découvrons que le système dont nous disposons n'est pas apte à nous assurer un degré satisfaisant de protection contre la nouvelle menace. Pouvoir se procurer un nouveau système d'arme, ou pouvoir faire évoluer l'existant, dans quelle direction va-t-on ? Un radar plus performant peut-il suffire, capable de voir la menace plus tôt et mieux, ou un missile intercepteur plus maniable, ou capable d'atteindre des hauteurs/distances accrues par rapport à l'existant ? Pour répondre à ces questions, puis élaborer une demande d'offre de système avancé et optimisé pour répondre aux nouveaux besoins de l'armée, la simulation est un outil très utile et souvent irremplaçable.
Et enfin, essayons d'imaginer comment un système de simulation peut être utile pour atteindre l'objectif D, c'est-à-dire la validation de nouveaux systèmes. En reprenant l'exemple précédent, on peut essayer d'imaginer qu'on a effectivement reçu un système (ou sous-système) amélioré afin de contrer un nouveau type de menace. En supposant que le système que nous avons décidé d'acquérir soit un nouveau radar, nous pouvons imaginer qu'en plus du radar lui-même, un modèle du radar peut également être fourni, un modèle apte à faire partie de notre simulation2. Avec ce modèle, il est possible de relancer la simulation pour vérifier les performances du système amélioré final, puis de valider le système lui-même afin de vérifier la conformité effective avec la nécessité de faire face à la menace évoluée (voir image suivante "figure 4" ).
Un autre cas qui relève de l'objectif D est celui de l'intégration d'un système complexe qui nécessite un développement à partir de zéro. Habituellement, lors de la conception d'un système complètement nouveau, nous commençons par concevoir une simulation globale du système lui-même visant à affiner les exigences détaillées et à développer les algorithmes de chaque sous-système (exactement la situation du premier schéma de l'article). Une fois, terminé le développement, les différents sous-systèmes auront effectivement été créés avec le matériel réel (au moins sous forme de prototype), ces prototypes sont remplacés, un à la fois (voir image suivante "figure 5"), puis progressivement tous, aux sous-systèmes initialement conçus en simulation. En d'autres termes, la simulation se transforme en un véritable outil de test, de validation et d'intégration utile pour vérifier dans quelle mesure le sous-système créé s'écarte de celui initialement conçu (notion de HW dans la boucle).
Types de simulation
Il existe de nombreuses façons de différencier les types de simulations utilisées en Défense. Une différenciation classique se fait entre les simulations constructives, virtuelles et en direct :
- Constructif: une simulation dans laquelle les systèmes et le comportement des opérateurs unitaires (opérateurs dont le comportement est représenté par des modèles) sont simulés3. Le système de simulation comme celui de la "figure 3" peut répondre à ce type de définition, si l'on imagine que l'intervention humaine se limite à modifier ce qui a été identifié comme des "données de configuration" (par exemple en décidant du déploiement des éléments sur le sol ou décider de l'apparition à un certain moment de la simulation d'une menace au comportement préétabli). Dans une simulation constructive, tout est réellement simulé (généralement par ordinateur), et aucun élément réel n'interagit avec la simulation.
- Salle de conférence virtuelle: Dans ce cas, nous avons des systèmes simulés contrôlés par de vraies personnes (Human in the Loop). Ce qui est décrit dans la "figure 2" peut être un bon exemple.
- En ligne: Dans ce cas, en plus du cas virtuel, nous pouvons également avoir des systèmes réels (comme déjà mentionné, le concept est de HW dans la boucle). Considérons, par exemple, le cas de la "figure 6" (image suivante) dans laquelle au lieu d'un radar simulé, nous avons un radar réel capable d'envoyer des données au commandement et contrôle simulé, et capable de recevoir à la fois réel et simulé (Sim en direct).
La classification qui vient d'être exposée a une valeur historique (elle apparaît sur les premiers documents du DOD USA dès le début des années 90) mais aujourd'hui elle apparaît, à bien des égards, dépassée. Cependant, certaines considérations sur les différentes configurations peuvent être faites.
Une simulation constructive assure certes des résultats plus répétables, est relativement moins chère que les autres (il n'y a pas d'objets réels, tout est simulé sur ordinateur) et est plus adaptée à l'étude du comportement théorique du système modélisé (par exemple : définition des besoins, définition des stratégies, évaluation des faiblesses). La fidélité dépend de la précision des modèles utilisés dans la simulation elle-même.
Mais à mesure que des éléments non simulés sont introduits (c'est-à-dire des opérateurs réels, comme dans le cas de la simulation virtuelle ; ou des systèmes réels dans la simulation en direct), la répétabilité de la simulation est plus difficile, voire carrément impossible à réaliser. Mais la représentativité, en revanche, s'améliore et rend la simulation plus adaptée à différents objectifs, comme ceux de valider un nouveau système ou de former des opérateurs.
Nous évoquons aussi brièvement la technologie des jumeaux numériques, littéralement « jumeaux numériques », qui consiste à créer des copies virtuelles et numériques d'objets réels, copies capables de modéliser convenablement les aspects statiques et dynamiques. De telles copies numériques sont capables d'influencer la simulation dans laquelle elles agissent, bien sûr, mais aussi de transférer certains effets/résultats de la simulation sur l'objet réel dont elles sont des copies. C'est une sorte d'alternative à la situation de la « figure 6 » : au lieu de faire interagir la simulation avec un objet réel en le laissant dans le monde réel, l'objet réel est transposé dans le monde simulé en le remplaçant par son « jumeau numérique » .
Enfin, il faut réfléchir à quel point, avec l'avancée des dernières technologies et avec le métavers aux portes, la représentation du « chiffre 7 » (image suivante) s'impose, ce qui montre, à côté de la classification traditionnelle (partie inférieure du figure), l'imbrication des concepts de Réalité Mixte auxquels il faut de plus en plus s'habituer (pour une discussion sur les perspectives du métavers il est utile de lire l'étude Réf. 2) .
Figure 1 : Comparaison entre les concepts de réalité mixte (section a) et de simulations (section b). Source : Réf. 3
Une classification qui différencie les simulations en fonction de la catégorie hiérarchique des systèmes simulés est également intéressante. La "Figure 8" (image suivante, extraite de la Réf. 3) représente de manière synthétique une hiérarchie des différents types de simulation, mettant en évidence les niveaux d'agrégation, la résolution/fidélité, la zone d'action simulée (et montre, par exemple, certaines simulations connues dans le domaine de la défense américaine).
Notre exemple de "figure 1" serait placé à l'avant-dernier niveau d'agrégation, celui de la "Mission". Au niveau le plus bas (engagement) on peut imaginer le modèle d'un seul intercepteur, ou d'un radar. A un niveau encore plus bas (ingénierie) il y a les modèles de sous-systèmes (par exemple : le modèle d'un chercheur4 d'un missile).
Les niveaux positionnés plus bas, dans la "figure 8", sont plus adaptés à l'atteinte des objectifs C et D (définition des exigences et validation) et pour cette raison ils sont appelés niveau "Ingénierie".
Le "chiffre 8" nous introduit, de manière naturelle, à aborder la question de l'interopérabilité. L'interopérabilité est un concept large qui exprime la capacité d'un système à interagir correctement avec d'autres systèmes. L'interopérabilité est depuis longtemps devenue une exigence à laquelle les systèmes d'armes doivent répondre, et c'est une condition préalable pour les capacités réseau et les opérations multi-domaines. Si d'une part les systèmes d'armes doivent interagir entre eux, il est également clair, ne serait-ce qu'en regardant la "figure 8", que les simulations (ou plutôt : les modèles sur lesquels se basent les simulations) doivent également le faire, à la fois pour le besoin d'agrégation de différents modèles dans une simulation qui considère différents systèmes simulés qui interagissent, à la fois pour le besoin de réutilisation des modèles5.
Un exemple facile à comprendre est celui de la modélisation des objets qui animent l'espace de combat : si un système voit une certaine menace, un système déployé à proximité doit voir la même menace (sauf les caractéristiques différentes des capteurs).
De cette considération, nous comprenons qu'il est nécessaire de définir a) un langage pour l'échange de données simulées et b) une architecture logicielle permettant aux différentes simulations d'interopérer. Pour résoudre ce type de problèmes, comme ceux de fédérer des objets d'un niveau hiérarchique différent, on peut désormais considérer à la fois le DIS (Simulation interactive distribuée, la norme IEEE pour la réalisation de simulations sur plusieurs plates-formes) que le HLA (Architecture de haut niveau, qui est la norme architecturale pour la conception de simulation distribuée).
(continua)
Lire la première partie"Que sont les modèles de simulation : origine et évolution"
Lire la troisième partie"Que sont les modèles de simulation: centres de simulation en Italie et dans le monde"
Références
1 INTRODUCTION À LA MODÉLISATION ET À LA SIMULATION, Anu Maria
2 Métaverse et sécurité nationale, Institut italien d'études stratégiques, Fabio Vanorio
3 Défis ouverts dans la création de systèmes de simulation de combat pour prendre en charge les tests, l'analyse et la formation, Conférence de simulation d'hiver 2018 (WSC), Andreas Tolk - Raymond R. Hill - Douglas D. Hodson - Jeremy R. Millar
Notes
1 Une notion similaire est celle définie en anglais par le terme "Mission Rehearsal", c'est-à-dire la preuve de la mission
2 Différentes versions du modèle sont souvent commandées au fournisseur, destinées à refléter l'avancement de la conception du sous-système. De cette manière, il est possible d'avoir des retours intermédiaires, avant la sortie du projet final, afin de pouvoir vérifier la validité des évolutions demandées et, le cas échéant, de pouvoir les corriger en phase de conception du nouveau produit , lorsque le coût des modifications est encore raisonnable.
3 Le comportement des commandants chargés d'exercer la fonction de commandement et de contrôle des unités dépendantes n'est pas simulé
4 Le sous-système de suivi des cibles
5 Dans tous les cas, il convient d'être prudent quant à la réutilisation des modèles de simulation, et d'avertir le lecteur qu'il n'est pas toujours possible de réutiliser des modèles créés pour deux simulations de niveaux hiérarchiques différents, voire de même niveau hiérarchique. Il existe des problèmes de niveau de fidélité, des exigences d'exécution, etc., qui rendent souvent la réutilisation impossible. Ceci est résolu soit en simplifiant le modèle, soit en le reconcevant, soit même simplement en utilisant les données de la simulation la plus précise dans le cadre d'une simulation de niveau supérieur.
Photo : US Air Force / auteur
