La version française de cet article est disponible après le texte anglais.

by George Nikolakakos and Maude Amyot-Bourgeois  

“Shall we play a game?” – WOPR supercomputer in the 1983 film WarGames

In 1983, as movie theaters were screening the popular fictional film WarGames, the U.S. Lawrence Livermore National Laboratory was quietly in the process of transferring the world’s first ever near-real-time, interactive combat simulation software to the U.S. Army. Named Janus, the computer wargame made it possible for two military interactors to each lead an opposing simulated Army team using private computers that were housed in separate rooms. The simulated soldiers and vehicles were displayed as icons on a two-dimensional digitized map of the battlefield and were controlled via keyboard commands.

In the ensuing years, the U.S Army used Janus as an operational planning tool prior to both the invasion of Panama in 1989 and Operation Desert Storm which followed shortly after. U.S. Army leaders credited the Janus simulations with having saved lives.

In 1988, the Canadian Army received funding to acquire its own copy of the Janus combat simulation tool. Starting in 1990, the Army, supported by scientists from the Operational Research Division (now known as the Centre for Operational Research and Analysis (CORA)), began using Janus as a research tool to conduct experimental studies.

Janus studies typically commenced with a tabletop map-based wargame exercise which assisted in establishing the tactics and scenarios that would be implemented in the Janus software. After the scenario was designed and programmed into the Janus tool, military interactors played through the simulated battle and data such as the number of enemy forces eliminated, the number of friendly forces lost, and the amount of ammunition used were collected. The same scenario was played out a number of times by the interactors to gather data for statistical analysis. The quantitative results generated during the simulated Janus runs were usually accompanied by observational judgement and insights provided by the military players.

Janus research studies, conducted until the tool was retired in 2004, explored a wide range of military problems including assessing the potential effectiveness of new combat systems and vehicles, analyzing alternative force structures, aiding in the development of tactical doctrine, and evaluating the potential impact of emerging new technologies. Combat simulation was unlike any other operational research method as it provided essential battlefield context that could be directly related to Army operations.

As the Canadian Army adapted to the changing nature of the conflicts that they were engaged in, so too did the combat simulation tools used to support them. In 2004, the CORA Land Forces Operational Research Team began to use the UK Defence Science and Technology Laboratory-developed Close Action Environment (CAEn) model as a stop-gap measure. CAEn was specifically designed for conducting urban-warfare research studies that were in demand by the Army at the time. CAEn was successfully used until 2015 when the Canadian Army’s research combat simulation capability was quietly shut down due to budgetary constraints. Despite continued interest from senior military personnel, the capability has remained dormant for a number of years.

With several upcoming Army equipment acquisition and upgrade projects now funded and undergoing options analysis, there is a pressure to have the research combat simulation capability restored. To that end, the Canadian Army Operational Research and Analysis Team (CA ORAT) within CORA has been exploring potential options for reinvigorating this critical capability. The recently published Defence Research and Development Canada scientific report titled, “An Examination of the Past, Present, and Future Canadian Army Tactical-Level Combat Simulation Capability,” details the history of combat simulation and modelling within the Army and proposes a new path forward.

Two soldiers from the King’s Own Calgary Regiment work with VBS simulation during Exercise King’s Command 2019. Photo: DND

The sections that follow provide a brief description of some of the research combat simulation initiatives that the team is currently undertaking. More details can be found in the full report.

Constructive simulation with OneSAF

Constructive simulation tools are elaborate computer software packages in which users control simulated people and equipment in synthetic environments. In a practical sense, this typically resembles something like a computer game version of the board game Risk. Users are provided with an overhead digitized map of the battlefield and moveable icons on the screen represent soldiers or vehicles. A simulation database contains detailed information about the simulated soldiers, vehicles and weapons such as their vulnerability to different types of ammunition, their range of visibility in different environmental conditions, and their movement speed over different types of terrain. Simulated combat engagements are decided based on these characteristics.

The team is currently exploring the use of the U.S. Army-developed simulation One-Semi-Automated Forces (OneSAF) for studies. OneSAF is the natural evolution of past combat simulation tools such as Janus, featuring high-fidelity, physics-based models as well as a highly customizable equipment database and simulation environment.

Agent-based modelling with MANA

Agent-based models (ABMs) are non-interactive constructive simulation tools. But unlike traditional high-fidelity combat simulation tools such as Janus and OneSAF, they aim to simplify the simulation process by abstracting many of the detailed physical models (e.g., the representation of terrain might be greatly simplified if it’s not a critical component of the study being conducted). Simulated entities in ABMs interact with each other autonomously based only on a set of internal criteria and information about their surrounding environment and other entities. This removes the need for users to assign specific detailed behavioural decision-trees to each entity, greatly reducing setup times.

The relative simplicity and quick setup times offered by ABM tools allows for rapid generation of vast volumes of data covering a wide parametric range in the options spaces (a method termed data farming). This can include for instance incrementally increasing the range of a weapon or sensor system to evaluate the relative impact of ranges on battlefield success. Data farming allows analysts to examine a broad spectrum of simulated outcomes in a quick and efficient way, providing important information that can be further applied to higher-fidelity combat simulation studies using more traditional tools.

The team is currently in the process of conducting experimentation and analysis using the Map Aware Non-uniform Automata (MANA) ABM tool that was developed by the New Zealand Defence Technology Agency.

Virtual simulation with Virtual Battlespace

Virtual simulation describes real people using simulated equipment in a simulated environment. Traditional examples include a flight simulator or a tank simulator in which computer systems and monitors represent the control panel and external view of a real vehicle. Borrowing heavily from modern first-person-shooter videogame technology, military virtual simulation tools have become increasingly immersive. The Virtual Battlespace (VBS) series is a popular virtual simulation tool that’s currently used by militaries across the world, including the Canadian Armed Forces, for training and mission rehearsal.

Recent advancements to the software have also made VBS an attractive tool for conducting experimentation and analysis. The CA ORAT experienced this first-hand in late 2019 when they participated in the UK-led Experiment Virtual Eagle, a large-scale virtual simulation experiment which consisted of approximately 180 serving U.K. military personnel conducting high-fidelity simulated battles using VBS on networked laptops.

The team is currently exploring ways of combining Canadian Army virtual simulation training exercises with experimentation objectives using VBS. This would allow for the effectiveness of different equipment options to be evaluated while simultaneously considering the relevant tactics, techniques, and procedures being employed in a simulation environment that is more immersive and directly applicable to real operations when compared to traditional constructive simulation tools.

Exploration of commercial-off-the-shelf (COTS) wargames

While traditional constructive simulation tools offer an effective means for conducting experimental analysis, it’s recognized that they are difficult to maintain and operate, and typically require significant set up times. Additionally, they are often visually unappealing, making it challenging for non-experts to easily interpret the simulation output.

Commercial-off-the-shelf (COTS) wargames are recreational computer games that have been modified for analytical use. They are easier to learn and use and offer a more intuitive and visually appealing interface. Already used extensively by some allied defence agencies, the use of COTS wargames could complement other Army combat simulation tools by providing rapid preliminary insights that could aid in guiding more detailed experimentation using traditional tools. Additionally, they could boost collaboration and improve engagement between scientific analysts and military personnel.

The team is currently in the process of examining COTS wargames such as Command: Modern Operations and the Combat Missions series to determine their potential applicability to Army studies.

Experimentation using combat simulation is currently being applied to a number of high-priority Army upgrade and acquisition projects such as the Ground-Based Air Defence project, the Anti-Tank Guided Missile Replacement project, and the Land Force Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance project. As this critical CORA capability continues to rapidly mature, it is once again being positioned at the forefront of procurement projects. And unlike in the sci-fi classic WarGames, the only winning move in this case is to play.  

Dr. George Nikolakakos is an experimental physicist with Defence Research and Development Canada’s Centre for Operational Research and Analysis (DRDC CORA) and a member of the Canadian Army Operational Research and Analysis Team (CA ORAT). Maude Amyot-Bourgeois is an experimental physicist in DRDC CORA and a member of the CA ORAT.

Simulation de combat : comment l’Armée revitalise une capacité d’expérimentation essentielle

par George Nikolakakos et Maude Amyot-Bourgeois

« On fait une partie? » – Le superordinateur WOPR dans le film « Jeux de guerre » (WarGames) en 1983

En 1983, alors que les salles de cinéma projetaient le populaire film de fiction « Jeux de guerre » (WarGames), le laboratoire national américain Lawrence Livermore procédait discrètement au transfert du tout premier logiciel de simulation de combat interactif en temps quasi réel à l’armée américaine. Baptisé Janus, ce jeu de guerre sur ordinateur permettait à deux interacteurs militaires de diriger chacun de son côté une équipe contrôlant par simulation une armée ennemie en utilisant des ordinateurs privés qui se trouvaient dans des pièces séparées. Les militaires et les véhicules simulés étaient affichés sous forme d’icônes sur une carte numérisée en deux dimensions du champ de bataille et contrôlés à l’aide de commandes entrées à partir d’un clavier.

Au cours des années qui ont suivi, l’armée américaine a utilisé Janus comme outil de planification opérationnelle en vue de l’invasion du Panama en 1989 et de l’opération Tempête du désert qui a suivi peu de temps après. Selon les dirigeants de l’armée américaine, les simulations faites sur Janus ont permis de sauver des vies.

En 1988, l’Armée canadienne a reçu des fonds pour faire l’acquisition de sa propre version de l’outil de simulation de combat Janus. À partir de 1990, l’Armée, avec le soutien de scientifiques de la Division de la recherche opérationnelle (qui porte maintenant le nom de Centre d’analyse et de recherche opérationnelle [CARO]), a commencé à utiliser Janus comme outil de recherche afin de réaliser des études expérimentales.

Les études utilisant Janus commençaient habituellement par un exercice de simulation de guerre sur table utilisant des éléments cartographiques. Cet exercice contribuait à établir les tactiques et scénarios qui allaient être mis en œuvre dans le logiciel Janus. Une fois le scénario de simulation de bataille établi et programmé dans l’outil Janus, les interacteurs militaires l’exécutaient jusqu’au bout, ce qui permettait de recueillir différentes données comme le nombre de forces ennemies éliminées, le nombre de forces amies perdues et la quantité de munitions utilisées. Le même scénario était rejoué plusieurs fois par les interacteurs afin de recueillir des données à des fins d’analyse statistique. Les résultats quantitatifs produits durant les séances de simulation sur Janus étaient habituellement accompagnés de jugements basés sur des observations et des commentaires des militaires participants.

Les travaux de recherche utilisant Janus, qui se sont poursuivis jusqu’au retrait de l’outil en 2004, ont exploré une vaste gamme de problèmes d’ordre militaire, y compris l’évaluation de la possible efficacité de nouveaux systèmes et véhicules de combat, l’analyse de certaines structures de force de remplacement, ce qui a contribué à l’élaboration de doctrine tactique et à l’évaluation des répercussions possibles des technologies émergentes. La simulation de combat se distingue de toutes les autres méthodes de recherche opérationnelle, car elle fournit le contexte essentiel du champ de bataille qui peut être directement lié aux opérations de l’Armée.

À mesure que l’Armée canadienne s’adaptait à la nature changeante des conflits auxquels elle participait, les outils de simulation de combat utilisés pour lui venir en aide ont également évolué. En 2004, l’Équipe de recherche opérationnelle de la Force opérationnelle du CARO a commencé à utiliser, à titre de mesure provisoire, le modèle de l’environnement de combat rapproché (Close Action Environment [CAEn]) mis au point par le Laboratoire de science et technologie de défense (Defence Science and Technology Laboratory) du Royaume-Uni. Le CAEn était conçu spécifiquement dans le but de réaliser des recherches sur la guerre en zone urbaine, un thème qui intéressait particulièrement l’Armée à cette époque. Le CAEn a été utilisé avec succès jusqu’en 2015, moment où la capacité de recherche sur la simulation de combat de l’Armée canadienne a été discrètement fermée en raison de restrictions budgétaires. Malgré un intérêt constant de la part du personnel militaire supérieur, la capacité est demeurée inactive durant un certain nombre d’années.

Alors que plusieurs projets d’acquisition et de modernisation d’équipement de l’Armée étant désormais financés et rendus à l’étape de l’analyse des options, des pressions ont commencé à être exercées pour que la capacité de recherche sur la simulation de combat soit remise en fonction. À cette fin, l’Équipe d’analyse et de recherche opérationnelle de l’Armée canadienne (EARO AC) du CARO a exploré différentes options pouvant être adoptées pour revigorer cette capacité essentielle. Le rapport scientifique récemment publié de Recherche et développement pour la défense Canada, intitulé « An Examination of the Past, Present, and Future Canadian Army Tactical-Level Combat Simulation Capability » (Un examen de la capacité de simulation de combat au niveau tactique passée, actuelle et future de l’Armée canadienne), présente en détail l’histoire de la simulation de combat et de la modélisation dans l’Armée et propose une nouvelle voie à suivre.
Deux membres du King’s Own Calgary Regiment travaillent avec le système de simulation virtuelle de combat VBS durant l’exercice KING’S COMMAND 2019. Photo : MDN
Les sections suivantes présentent de brèves descriptions de certaines des initiatives de recherche sur la simulation de combat que l’équipe réalise actuellement. Le rapport complet contient des renseignements supplémentaires.

Canadian soldiers utilize an Indirect Fire Trainer during an all-arms call for fire simulation system training for Exercise Allied Spirit IV at the Joint Multinational Readiness Center in Hohenfels, Germany, in 2016. Photo: Cpl Nathan Moulton

Simulation constructive avec l’outil OneSAF

Les outils de simulation constructive sont des progiciels perfectionnés qui permettent aux utilisateurs de contrôler des personnes et de l’équipement simulés dans des environnements synthétiques. Concrètement, cela ressemble habituellement à quelque chose comme la version électronique du jeu de plateau Risk. On fournit aux utilisateurs une carte aérienne numérisée du champ de bataille et des icônes pouvant être déplacées à l’écran représentent les soldats ou les véhicules. Une base de données de simulation contient des renseignements détaillés sur les soldats, les véhicules et les armes simulés, notamment sur leur vulnérabilité à différents types de munitions, leur portée visuelle selon différentes conditions météo et leur vitesse de déplacement selon différents types de terrain. L’issue des combats simulés se décide en fonction de ces caractéristiques.

L’équipe explore actuellement la possibilité d’utiliser l’outil de simulation One-Semi-Automated Forces (OneSAF) développé par l’armée américaine pour ses études. L’outil OneSAF est l’évolution naturelle des outils de simulation de combat précédents, comme Janus. Il fait appel à des modèles aux comportements fondés sur la physique qui reproduisent très fidèlement la réalité, ainsi qu’à une base de données d’équipement et un environnement de simulation hautement personnalisables.

Modélisation basée sur des agents avec MANA

Les modèles basés sur les agents (ABM) sont des outils de simulation constructive non interactive. Cependant, contrairement aux outils traditionnels de simulation de combat reproduisant très fidèlement la réalité, tels que Janus et OneSAF, ils visent à simplifier le processus de simulation en faisant abstraction d’un grand nombre de modèles physiques détaillés (p. ex., la représentation du terrain pourrait être largement simplifiée s’il ne s’agit pas d’un élément essentiel de l’étude). Les entités simulées dans les ABM interagissent entre elles de manière autonome uniquement en fonction d’un ensemble de critères internes et de renseignements sur le milieu environnant et d’autres entités. Pour les utilisateurs, cette façon de faire élimine le besoin d’attribuer des arbres de décision comportementale détaillés à chaque entité, ce qui réduit énormément le temps d’installation.

La simplicité relative des outils des ABM et le peu temps nécessaire à leur installation permettent la collecte rapide de grandes quantités de données portant sur une vaste plage paramétrique dans les espaces d’options (une méthode qui porte le nom de « génération de données » [data farming]). Par exemple, cela peut comprendre l’accroissement incrémentiel de la portée d’une arme ou d’un système de système de capteur afin d’évaluer les répercussions relatives de ces portées sur la réussite de la mission sur le champ de bataille. La génération de données permet aux analystes d’examiner un large spectre de résultats simulés d’une manière rapide et efficace, ce qui fournit des renseignements importants qui peuvent être aussi utilisés dans les études sur la simulation de combat de plus haute-fidélité en utilisant des outils plus classiques.

L’équipe travaille actuellement sur la réalisation d’expérimentations et d’analyses à l’aide de l’outil ABM MANA (Map Aware Non-uniform Automata), qui a été mis au point par le Defence Technology Agency de la Nouvelle-Zélande.

Simulation virtuelle à l’aide de Virtual Battlespace

La simulation virtuelle décrit de vraies personnes utilisant de l’équipement simulé dans un environnement de simulation. Parmi les exemples classiques de cette technologie, on retrouve notamment les simulateurs de vol et les simulateurs de chars de combat, qui font appel à des systèmes informatiques et à des écrans pour représenter le panneau de commande et la vue externe d’un véritable véhicule. Tirant largement parti de la technologie des jeux vidéo modernes de tir à la première personne (first-person shooter), les outils de simulation virtuelle militaires sont devenus de plus en plus immersifs. La série Virtual Battlespace (VBS) est l’outil de simulation virtuelle actuellement utilisé par les armées du monde entier, y compris les Forces armées canadiennes, pour l’entraînement et les répétitions de mission.

Les progrès récents apportés aux logiciels ont également fait de VBS un outil attrayant pour la réalisation d’expérimentations et d’analyses. L’EARO AC l’a vécu de première main à la fin de 2019, lors de sa participation à l’expérimentation Virtual Eagle, dirigée par le R. U. Il s’agissait d’une expérimentation de simulation virtuelle à grande échelle regroupant environ 180 militaires du R. U. en service actif qui ont mené des combats simulés en mode haute-fidélité en utilisant VBS sur des ordinateurs portables connectés en réseau.

L’équipe explore actuellement différentes façons de combiner les exercices d’entraînement de simulation virtuelle de l’Armée canadienne aux objectifs de l’expérimentation en utilisant VBS. Cela permettrait d’évaluer l’efficacité de différentes options d’équipement qui seront évaluées tout en tenant simultanément compte des tactiques, techniques et procédures pertinentes qui sont utilisées dans un environnement de simulation qui est plus immersif et directement applicable aux opérations réelles si on les compare aux outils de simulation constructive classiques.

Exploration des jeux de guerre disponibles sur le marché

Bien que les outils de simulation constructive classiques offrent un moyen efficace d’effectuer des analyses expérimentales, il est bien connu qu’il est difficile de les tenir à jour, de les utiliser et qu’il faut habituellement beaucoup de temps pour les installer. De plus, ils sont souvent visuellement peu attrayants, ce qui rend difficile pour les profanes d’interpréter facilement les résultats de la simulation.

Les jeux de guerre commerciaux sont des jeux informatiques récréatifs qui ont été modifiés afin de pouvoir les utiliser à des fins d’analyse. Leur apprentissage et leur utilisation sont plus faciles et leur interface est plus intuitive et visuellement plus agréable. Déjà largement utilisés par certains organismes de défense alliés, les jeux de guerre commerciaux pourraient compléter d’autres outils de simulation de combat de l’Armée, car ils permettent de faire rapidement des observations préliminaires qui peuvent aider à faire des choix éclairés concernant la tenue d’expérimentations plus détaillés utilisant des outils classiques. De plus, ils peuvent également grandement favoriser la collaboration et améliorer l’engagement entre les analystes scientifiques et le personnel militaire.

L’équipe examine actuellement les jeux de guerre commerciaux comme « Command: Modern Operations » et la série « Combat Missions » afin de déterminer s’ils pourraient être utilisés dans le cadre d’études de l’Armée.

Une expérimentation faisant appel à la simulation de combat est actuellement appliquée à un certain nombre de projets d’amélioration et d’acquisition hautement prioritaires de l’Armée, par exemple le projet de défense aérienne de la composante terrestre, le projet de remplacement du missile antichar et le projet de renseignement, surveillance, acquisition d’objectifs et reconnaissance de la Force terrestre. Alors que cette capacité essentielle du CARO continue d’évoluer rapidement, elle est une fois de plus placée au premier rang des projets d’acquisition. Et contrairement au film de science-fiction « Jeux de guerre », dans ce cas la seule façon de gagner est de jouer.

George Nikolakakos est physicien-expérimentateur au Centre d’analyse et de recherche de Recherche et développement pour la Défense Canada (CARO RDDC) et membre de l’Équipe d’analyse et de recherche opérationnelle de l’Armée canadienne (EARO AC). Maude Amyot-Bourgeois est physicienne-expérimentatrice au CARO RDDC et membre de l’EARO AC.