JATKOSODAN TAISTELU SIMULOINTIMALLISSA: SUOVANJÄRVEN

Puuttu

Computational methods for tactical simulations

Tämä taktiikan tutkimus keskittyy tietokoneavusteisen simuloinnin laskennallisiin menetelmiin, joita voidaan käyttää taktisen tason sotapeleissä. Työn tärkeimmät tuotokset ovat laskennalliset mallit todennäköisyyspohjaisen analyysin mahdollistaviin taktisen tason taistelusimulaattoreihin, joita voidaan käyttää vertailevaan analyysiin joukkue-prikaatitason tarkastelutilanteissa. Laskentamallit keskittyvät vaikuttamiseen. Mallit liittyvät vahingoittavan osuman todennäköisyyteen, jonka perusteella vaikutus joukossa on mallinnettu tilakoneina ja Markovin ketjuina. Edelleen näiden tulokset siirretään tapahtumapuuanalyysiin operaation onnistumisen todennäköisyyden osalta. Pienimmän laskentayksikön mallinnustaso on joukkue- tai ryhmätasolla, jotta laskenta-aika prikaatitason sotapelitarkasteluissa pysyisi riittävän lyhyenä samalla, kun tulokset ovat riittävän tarkkoja suomalaiseen maastoon. Joukkueiden mies- ja asejärjestelmävahvuudet ovat jakaumamuodossa, eivätkä yksittäisiä lukuja. Simuloinnin integroinnissa voidaan käyttää asejärjestelmäkohtaisia predictor corrector –parametreja, mikä mahdollistaa aika-askelta lyhytaikaisempien taistelukentän ilmiöiden mallintamisen. Asemallien pohjana ovat aiemmat tutkimukset ja kenttäkokeet, joista osa kuuluu tähän väitöstutkimukseen. Laskentamallien ohjelmoitavuus ja käytettävyys osana simulointityökalua on osoitettu tekijän johtaman tutkijaryhmän ohjelmoiman ”Sandis”- taistelusimulointiohjelmiston avulla, jota on kehitetty ja käytetty Puolustusvoimien Teknillisessä Tutkimuslaitoksessa. Sandikseen on ohjelmoitu karttakäyttöliittymä ja taistelun kulkua simuloivia laskennallisia malleja. Käyttäjä tai käyttäjäryhmä tekee taktiset päätökset ja syöttää nämä karttakäyttöliittymän avulla simulointiin, jonka tuloksena saadaan kunkin joukkuetason peliyksikön tappioiden jakauma, keskimääräisten tappioiden osalta kunkin asejärjestelmän aiheuttamat tappiot kuhunkin maaliin, ammuskulutus ja radioyhteydet ja niiden tila sekä haavoittuneiden evakuointi-tilanne joukkuetasolta evakuointisairaalaan asti. Tutkimuksen keskeisiä tuloksia (kontribuutio) ovat 1) uusi prikaatitason sotapelitilanteiden laskentamalli, jonka pienin yksikkö on joukkue tai ryhmä; 2) joukon murtumispisteen määritys tappioiden ja haavoittuneiden evakuointiin sitoutuvien taistelijoiden avulla; 3) todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttömahdollisuus vertailevassa tutkimuksessa sekä 4) kokeellisesti testatut tulen vaikutusmallit ja 5) toimivat integrointiratkaisut. Työ rajataan maavoimien taistelun joukkuetason todennäköisyysjakaumat luovaan laskentamalliin, kenttälääkinnän malliin ja epäsuoran tulen malliin integrointimenetelmineen sekä niiden antamien tulosten sovellettavuuteen. Ilmasta ja mereltä maahan -asevaikutusta voidaan tarkastella, mutta ei ilma- ja meritaistelua. Menetelmiä soveltavan Sandis -ohjelmiston malleja, käyttötapaa ja ohjelmistotekniikkaa kehitetään edelleen. Merkittäviä jatkotutkimuskohteita mallinnukseen osalta ovat muun muassa kaupunkitaistelu, vaunujen kaksintaistelu ja maaston vaikutus tykistön tuleen sekä materiaalikulutuksen arviointi.Tactical level war gaming using computational simulation is used in military analysis. In this study, computational methods have been developed in order to simulate brigade level scenarios for comparative studies. The brigade level does not allow analysis of all individual soldiers, because of increased number of entities and small time stepping (one second or less). Thus minute-level time stepping was selected, with a platoon or squad as the smallest entity or agent. The computational models of a platoon level unit use Markov chains and state machines. The platoon level unit is considered as a distribution of unit strengths in order to model the stochastic nature of war. Probabilistic risk analysis is possible as fault tree analysis combines platoon level success probabilities with overall operation success probability. Weapon system effects in the simulation are based on earlier studies adjusted for platoon level targets. Adaptive integration is used in the artillery model and the weapon selective predictor-corrector method to model phenomena within the selected longer time step. Field tests were also used to study the goodness of models and parameters. The computational models were tested and their usability as part of the simulation tool was proved by programming them in the Sandis software. The coding team was led by the author at the Finnish Defence Forces Technical Research Center (PVTT). The Sandis tool is used for comparative combat analysis from platoon to brigade level. The input comprises weapon and communication characteristics, units and their weapons, fault logic for units and operation success, map and user actions for units at the platoon level. The output is the operation success probability, probability of each unit being defeated, unit strength distributions, average combat losses and the killer-victim scoreboard, ammunition consumption, radio network availability and medical evacuation logistics and treatment capacity analysis. During the game, the man in the loop is responsible for tactical decisions. The contribution of this dissertation is a novel war gaming model including a success probability tree for brigade level scenarios and the computational models needed for platoon level units. The integration methods for the artillery model and predictor-corrector method are improvements to previous methods used in Finland. Infantry loss models have been created and a field test conducted. The state machines model the action of soldiers under fire and the secondary effects of combat casualties are studied using the resources needed during the evacuation of casualties. These are used in break point analysis instead of a (constant) break point loss percentage. The study is limited to computational models for creating the probabilistic values for platoon level units and their probabilistic use. Air and naval warfare are not part of the study. As another limitation, only open sources are used. Future studies could examine urban warfare, vehicle duel models and analysis of logistics

COMPARING SIMULATED RESULTS AND ACTUAL BATTLE EVENTS FROM 1944 – A case study using Sandis software

We used Sandis simulation tool to study a historical battle of Loimola in summer 1944. The first goal was to study war history and address a novel method in Finnish environment. The second goal is to publish the methods used in military analysis. Instead of the classified questions and scenarios in modern Finnish defense, the battle of Loimola 27th July 1944 was used to get a public example of the analysis method. As a third goal, this simulation is an example of the tens of historical simulation studies needed to validate simulation software. Sandis simulation tool has been used for cost-effect and tactical analysis in Finnish defense forces. With Sandis the human operator is responsible for tactical decisions during the scenario building phase. During the calculation phase the computer calculates the combat losses, platoon/squad states (operational, defeated or destroyed), ammunition consumption and also other values not used in this study. During the analysis phase, charts, tables and killer-victim scoreboards are created. Our case study focuses on the day of 27th July 1944, when the Soviets assaulted the Finnish defense lines near Lake Suovajärvi. The unit hierarchies, weapons, weapon parameters, positions and movements of the units were set as input. The results match the historical events: the Finnish losses were 30 according to the literature; simulated loss distribution (95%) was between 25 and 44, mean 35. In the simulations the attacking units are defeated and stopped as in literature. The ratio of losses caused by artillery and light infantry weapons did not conflict the values from larger area available from the literature. Thus in this case study, Sandis performed well. In future work, different historical battles could be simulated in order to get better insight of our history and key issues of war, helping to improve our future defense

Asejärjestelmien kustannustehokkuuden arviointi simulointi- ja systeemianalyysimenetelmin

Cost-effectiveness evaluation of weapon systems is needed to support acquisition planning of new systems to produce well-grounded allocation of resources to achieve the impact requirements. Evaluation of cost-effectiveness is often complicated by presence of multiple impact criteria, which may depend on other systems used and the operating situation. The cost-effectiveness analysis of weapon systems supports producing recommendations on how resources should be allocated between the acquisition of new systems and the service and maintenance of previously acquired systems. We develop methodologies based on portfolio and scenario analysis for the costeffectiveness evaluation of weapon systems to support acquisition planning. The cost-effectiveness of weapon system combinations (i.e. portfolios) is evaluated at different budget levels with regard to several impact criteria in multiple scenarios. The information about the impacts of weapon systems is captured from an independent battle simulator, which allows taking into account the interdependencies among weapon systems. The developed methodology admits incomplete information on the evaluation data and also multiple interpretations of impact criteria's importance in different scenarios. The developed methodology is applied in the cost-effectiveness evaluation of artillery systems, where impact data is captured from Sandis battle simulator developed by Finnish Defence Forces. The full text is in Finnish.Cost-effectiveness evaluation of weapon systems Cost-effectiveness evaluation of weapon systems is needed to support acquisition planning of new systems to produce well-grounded allocation of resources to achieve the impact requirements. Evaluation of cost-effectiveness is often complicated by presence of multiple impact criteria, which may depend on other systems used and the operating situation. The cost-effectiveness analysis of weapon systems supports producing recommendations on how resources should be allocated between the acquisition of new systems and the service and maintenance of previously acquired systems. We develop methodologies based on portfolio and scenario analysis for the costeffectiveness evaluation of weapon systems to support acquisition planning. The cost-effectiveness of weapon system combinations (i.e. portfolios) is evaluated at different budget levels with regard to several impact criteria in multiple scenarios. The information about the impacts of weapon systems is captured from an independent battle simulator, which allows taking into account the interdependencies among weapon systems. The developed methodology admits incomplete information on the evaluation data and also multiple interpretations of impact criteria's importance in different scenarios. The developed methodology is applied in the cost-effectiveness evaluation of artillery systems, where impact data is captured from Sandis battle simulator developed by Finnish Defence Forces. Artikkeli on suomeksi

Common Inflammation-Related Candidate Gene Variants and Acute Kidney Injury in 2647 Critically Ill Finnish Patients

Acute kidney injury (AKI) is a syndrome with high incidence among the critically ill. Because the clinical variables and currently used biomarkers have failed to predict the individual susceptibility to AKI, candidate gene variants for the trait have been studied. Studies about genetic predisposition to AKI have been mainly underpowered and of moderate quality. We report the association study of 27 genetic variants in a cohort of Finnish critically ill patients, focusing on the replication of associations detected with variants in genes related to inflammation, cell survival, or circulation. In this prospective, observational Finnish Acute Kidney Injury (FINNAKI) study, 2647 patients without chronic kidney disease were genotyped. We defined AKI according to Kidney Disease: Improving Global Outcomes (KDIGO) criteria. We compared severe AKI (Stages 2 and 3, n = 625) to controls (Stage 0, n = 1582). For genotyping we used iPLEX(TM) Assay (Agena Bioscience). We performed the association analyses with PLINK software, using an additive genetic model in logistic regression. Despite the numerous, although contradictory, studies about association between polymorphisms rs1800629 in TNFA and rs1800896 in IL10 and AKI, we found no association (odds ratios 1.06 (95% CI 0.89-1.28, p = 0.51) and 0.92 (95% CI 0.80-1.05, p = 0.20), respectively). Adjusting for confounders did not change the results. To conclude, we could not confirm the associations reported in previous studies in a cohort of critically ill patients.Peer reviewe

Heme oxygenase-1 repeat polymorphism in septic acute kidney injury

Acute kidney injury (AKI) is a syndrome that frequently affects the critically ill. Recently, an increased number of dinucleotide repeats in the HMOX1 gene were reported to associate with development of AKI in cardiac surgery. We aimed to test the replicability of this finding in a Finnish cohort of critically ill septic patients. This multicenter study was part of the national FINNAKI study. We genotyped 300 patients with severe AKI (KDIGO 2 or 3) and 353 controls without AKI (KDIGO 0) for the guanine-thymine (GTn) repeat in the promoter region of the HMOX1 gene. The allele calling was based on the number of repeats, the cut off being 27 repeats in the S-L (short to long) classification, and 27 and 34 repeats for the S-M-L2 (short to medium to very long) classification. The plasma concentrations of heme oxygenase-1 (HO-1) enzyme were measured on admission. The allele distribution in our patients was similar to that published previously, with peaks at 23 and 30 repeats. The S-allele increases AKI risk. An adjusted OR was 1.30 for each S-allele in an additive genetic model (95% CI 1.01-1.66; p = 0.041). Alleles with a repeat number greater than 34 were significantly associated with lower HO-1 concentration (p<0.001). In septic patients, we report an association between a short repeat in HMOX1 and AKI risk

Numeeriseen integrointiin perustuvista differentiaaliyhtälön ratkaisumenetelmistä ja niiden opettamisesta

Hakutermit: separoituva differentiaaliyhtälö, numeeriset menetelmät, numeeristen menetelmien opetus Tutkimuksessa tarkastellaan sekä numeeriseen integrointiin perustuvien menetelmien hyvyyttä differentiaaliyhtälön alkuarvo-ongelman numeerisessa ratkaisussa että mitä pitäisi opettaa differentiaaliyhtälöistä ja numeerisista menetelmistä suoraan peruskoulusta osa-aikaisesti it-alan työelämään siirtyville opiskelijoille. Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöiden ratkaisun tarkastelussa keskitytään separoituviin differentiaaliyhtälöihin ja lineaariseen differentiaaliyhtälöön, koska ne ratkeavat integroimalla. Separoituville differentiaaliyhtälöille esitetään Newtonin menetelmän ja numeerisen integroinnin yhdistävä ratkaisualgoritmi, joka on helposti toteutettavissa laskimen näppäilysarjana ja ohjelmointikielillä. Nopeusvertailujen perustella Gaussin integrointiin yhdistetty Newtonin menetelmä oli yleensä nopeampi kuin verrokkina käytetty Rungen-Kuttan menetelmä, kun integrointiin perustuvaa algoritmia on tuettu suppenemista ja integroinnin tarkkuutta ylläpitävillä kontrollirakenteilla. Ensimmäisen kertaluvun lineaariselle yhtälölle tunnetaan yleisesti analyyttinen integrointeihin perustuva ratkaisu, jonka numeerinen ratkaisu oli myös verrokkia nopeampi. Toisen kertaluvun yhtälöiden osalta tarkastellaan joitakin erikoistapauksia, mutta niissä ei yleisesti havaittu vastaavaa nopeusetua kuin ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöiden numeerisessa ratkaisemisessa. Tutkimuksessa kuvataan myös Päivölän kansanopiston matematiikkalinjan kesälukukauden osalta erityisesti sen numeerisiin menetelmiin keskittyvän viimeisen opiskeluviikon osalta. Teollisiin esimerkkien perustuvana opetuksen tavoitteena on yhtälön ja yhtälöryhmien ratkaiseminen, ratkaisujen tarkkuuden ja yksikäsitteisyyden osoitusmenetelmät, numeerisen integrointi, separoituvien differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen sekä analyyttisesti että numeerisesti ja antaa kyky ohjelmoida lausekkeita liukuluvuille mielekkäästi ja ohjelmoida numeeriset ratkaisut ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöille sekä ymmärtää askelpituuden muutoksen vaikutus Eulerin ja Rungen-Kuttan menetelmää soveltavia simulointimalleja käyttäessä

Numeeriseen integrointiin perustuvista differentiaaliyhtälön ratkaisumenetelmistä ja niiden opettamisesta

Hakutermit: separoituva differentiaaliyhtälö, numeeriset menetelmät, numeeristen menetelmien opetus Tutkimuksessa tarkastellaan sekä numeeriseen integrointiin perustuvien menetelmien hyvyyttä differentiaaliyhtälön alkuarvo-ongelman numeerisessa ratkaisussa että mitä pitäisi opettaa differentiaaliyhtälöistä ja numeerisista menetelmistä suoraan peruskoulusta osa-aikaisesti it-alan työelämään siirtyville opiskelijoille. Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöiden ratkaisun tarkastelussa keskitytään separoituviin differentiaaliyhtälöihin ja lineaariseen differentiaaliyhtälöön, koska ne ratkeavat integroimalla. Separoituville differentiaaliyhtälöille esitetään Newtonin menetelmän ja numeerisen integroinnin yhdistävä ratkaisualgoritmi, joka on helposti toteutettavissa laskimen näppäilysarjana ja ohjelmointikielillä. Nopeusvertailujen perustella Gaussin integrointiin yhdistetty Newtonin menetelmä oli yleensä nopeampi kuin verrokkina käytetty Rungen-Kuttan menetelmä, kun integrointiin perustuvaa algoritmia on tuettu suppenemista ja integroinnin tarkkuutta ylläpitävillä kontrollirakenteilla. Ensimmäisen kertaluvun lineaariselle yhtälölle tunnetaan yleisesti analyyttinen integrointeihin perustuva ratkaisu, jonka numeerinen ratkaisu oli myös verrokkia nopeampi. Toisen kertaluvun yhtälöiden osalta tarkastellaan joitakin erikoistapauksia, mutta niissä ei yleisesti havaittu vastaavaa nopeusetua kuin ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälöiden numeerisessa ratkaisemisessa. Tutkimuksessa kuvataan myös Päivölän kansanopiston matematiikkalinjan kesälukukauden osalta erityisesti sen numeerisiin menetelmiin keskittyvän viimeisen opiskeluviikon osalta. Teollisiin esimerkkien perustuvana opetuksen tavoitteena on yhtälön ja yhtälöryhmien ratkaiseminen, ratkaisujen tarkkuuden ja yksikäsitteisyyden osoitusmenetelmät, numeerisen integrointi, separoituvien differentiaaliyhtälöiden ratkaiseminen sekä analyyttisesti että numeerisesti ja antaa kyky ohjelmoida lausekkeita liukuluvuille mielekkäästi ja ohjelmoida numeeriset ratkaisut ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöille sekä ymmärtää askelpituuden muutoksen vaikutus Eulerin ja Rungen-Kuttan menetelmää soveltavia simulointimalleja käyttäessä

Tactical Size Unit as Distribution in a Data Farming Environment

In agent based models, the agents are usually platforms (individual soldiers, tanks, helicopters, etc.), not military units. In the Sandis software, the agents can be platoon size units. As there are about 30 soldiers in a platoon, there is a need for strength distribution in simulations. The contribution of this paper is a conceptual model of the platoon level agent, the needed mathematical models and concepts, and references earlier studies of how simulations have been conducted in a data farming environment with platoon/squad size unit agents with strength distribution