水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何永前 陳海岳

（中國人民解放軍海軍湛江航保廠 廣東 湛江 524002）

0 引言

隨著現(xiàn)代武器技術(shù)的發(fā)展，武器的威力和精度不斷提高，武器功能日益完善，其全壽命費(fèi)用也隨之日益增加。目前，大型武器系統(tǒng)的高額費(fèi)用已成為當(dāng)今各國武器發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。因此，以某種經(jīng)濟(jì)有效的方式進(jìn)行軍事研究、訓(xùn)練就成了各國軍方的必由之路。國際上一致認(rèn)為:“仿真是迄今為止最有效的、經(jīng)濟(jì)的綜合集成方法，是推動(dòng)科技進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)”。 水雷反水雷武器系統(tǒng)是一個(gè)集多載體、多雷種的復(fù)雜系統(tǒng)，其中的水雷和艦艇數(shù)量、種類不定，為有效地進(jìn)行武器性能檢驗(yàn)和戰(zhàn)術(shù)有效性檢驗(yàn)，新型武器研究、訓(xùn)練、教學(xué)服務(wù)，需開發(fā)水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)，最終建立水雷反水雷武器仿真試驗(yàn)室。

1 水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)、人在回路的、半實(shí)物、連續(xù)局域網(wǎng)仿真，仿真計(jì)算機(jī)采用通用微機(jī)，操作系統(tǒng)是Windows XP,網(wǎng)絡(luò)是10M以太網(wǎng)，以VC++6.0作為編程語言，以國防科技大學(xué)開發(fā)的DIS_LINK為分布交互式仿真技術(shù) （Distributed Interactive Simulation，簡稱DIS）為支撐軟件，以Access作數(shù)據(jù)庫開發(fā)。實(shí)物有水雷組合引信、磁場模擬器、聲場電信號(hào)模擬器、水壓場模擬器、全磁場掃雷模擬器和聲振動(dòng)測量儀。仿真模型有掃雷艦、獵雷艦、掃雷具、各型水雷、物理場（聲、磁、水壓場）和有關(guān)戰(zhàn)術(shù)軟件。水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)的組成如圖1。

2 軟件結(jié)構(gòu)

整個(gè)水雷反水雷武器系統(tǒng)從角色劃分上采用紅、蘭、白三方的結(jié)構(gòu)。其中紅、蘭方為仿真對(duì)抗雙方，分別是艦艇、水雷、反水雷武器。白方為管理方，負(fù)責(zé)整個(gè)DIS系統(tǒng)從仿真演練前的規(guī)劃準(zhǔn)備，仿真演練開始時(shí)的初始化，仿真演練運(yùn)行階段的管理與監(jiān)控，直至仿真演練結(jié)束后的分析與重演。在本系統(tǒng)中，根據(jù)仿真劇情的不同，紅蘭雙方的組成成員可以動(dòng)態(tài)組合，能實(shí)現(xiàn)武器性能仿真和戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的水雷戰(zhàn)、反水雷戰(zhàn)的仿真。下面列出了典型的仿真劇情，并簡要列出各個(gè)劇情中紅蘭雙方的成員。

圖1

2.1 水雷武器性能驗(yàn)證

紅方:水雷組合引信

蘭方:各種物理場模擬器(模擬器的激勵(lì)信號(hào)可以是實(shí)測數(shù)據(jù)，也可以是物理場仿真模型的計(jì)算結(jié)果)

紅、蘭雙方的交互數(shù)據(jù)采用實(shí)物連接方式交換（將水雷組合引信直接置于物理場中），并不上網(wǎng)傳輸。

2.2 掃雷具武器性能驗(yàn)證

紅方:水雷組合引信或其(計(jì)算機(jī)仿真)模型

蘭方:掃雷具模型，物理場模型或物理場模擬器。

紅方中的水雷可用實(shí)物，也可以用軟件模型實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用紅方軟件模型實(shí)現(xiàn)時(shí)，蘭方不需要物理場模擬器。這種“純虛擬”仿真方式，在進(jìn)行新水雷反水雷武器研制時(shí)特別有用，它的結(jié)果能為后續(xù)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)提供有力的支持。

2.3 掃雷戰(zhàn)術(shù)仿真

紅方:水雷陣模型

蘭方:戰(zhàn)術(shù)軟件，掃雷艦?zāi)Ｐ?，獵雷艦?zāi)Ｐ停瑨呃拙吣Ｐ汀?/p>

對(duì)于大規(guī)模的戰(zhàn)術(shù)實(shí)驗(yàn),如果真刀真槍地進(jìn)行,重復(fù)實(shí)驗(yàn)所需的資金、人員、器材龐大,組織難度大。而采用DIS仿真技術(shù),在建好模型的前提下,仿真規(guī)模、仿真重復(fù)次數(shù)都不是大問題,并且仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)性意義,可以為制訂戰(zhàn)術(shù)提供依據(jù)。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 演練規(guī)劃

在演練開始之前，要根據(jù)作戰(zhàn)想定和目標(biāo)以及可用的仿真資源進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，明確紅、藍(lán)雙方的作戰(zhàn)配置、作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)規(guī)則，生成相應(yīng)的劇情。具體包括:

1）演練區(qū)域規(guī)劃

演練區(qū)域規(guī)劃指確定演練區(qū)域、地圖投影和格式、地圖范圍和建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。

2）環(huán)境規(guī)劃

環(huán)境規(guī)劃包括對(duì)地形、海洋、大氣、人文等環(huán)境因素的規(guī)劃。根據(jù)水雷反水雷作戰(zhàn)的特點(diǎn)，對(duì)河流（沿海）、天氣等環(huán)境因素進(jìn)行規(guī)劃。

3）兵力裝備規(guī)劃

兵力裝備規(guī)劃是指為參演實(shí)體選擇實(shí)體模型和初始條件、確定實(shí)體的類型、名稱、標(biāo)識(shí)符、能力、角色、武器配置等。在水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)中，包括水雷、反水雷裝備和目標(biāo)艦船。

水雷:根據(jù)區(qū)域和環(huán)境的規(guī)劃確定水雷的布放方式（飛機(jī)布雷、水面艦艇布雷或潛艇布雷），并根據(jù)作戰(zhàn)目的（防御或進(jìn)攻，打擊何種艦船）和己方情況，選擇雷陣以及應(yīng)布放何種水雷。

反水雷裝備:根據(jù)所獲得的敵方水雷資料，以及己方情況（掃雷能力）確定用于掃雷的艦船，并選擇相應(yīng)掃雷裝備。

目標(biāo)艦船:根據(jù)作戰(zhàn)目的，選擇要打擊的艦船類型，如戰(zhàn)斗艦艇、潛艇、運(yùn)輸艦船或者貨輪等等。

4）演練監(jiān)控規(guī)劃

演練監(jiān)控規(guī)劃主要是選擇要監(jiān)控的對(duì)象(如數(shù)據(jù)、參數(shù)、設(shè)備等)、監(jiān)控的形式。在此系統(tǒng)中監(jiān)控的對(duì)象有艦船（航線，以及水雷爆炸對(duì)艦船的影響）、各種場在各個(gè)水雷處的值。

5）演練顯示規(guī)劃

演練顯示規(guī)劃是指確定二維態(tài)勢顯示、三維場景顯示、數(shù)據(jù)/曲線/表格顯示等。

根據(jù)水雷戰(zhàn)和反水雷戰(zhàn)特點(diǎn)，對(duì)作戰(zhàn)態(tài)勢進(jìn)行二維顯示，對(duì)掃雷裝備和海洋的聲場、磁場、水壓場使用曲線和表格，并結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

6）劇情規(guī)劃

劇情規(guī)劃確定演練標(biāo)識(shí)符、演練開始的仿真時(shí)間、演練開始的真實(shí)時(shí)間、劇情名、DIS UDP端口號(hào)、DIS版本號(hào)、DIS缺省設(shè)置值，并最終形成劇情文件。本系統(tǒng)中，劇情文件包括水雷、艦船、掃雷裝備以及環(huán)境（包括環(huán)境場）的初始參數(shù)。

3.2 初始化設(shè)置

初始化設(shè)置階段的功能是將任務(wù)規(guī)劃階段形成的劇情分別加載到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并初始化各仿真實(shí)體，具體包括:

1）分解劇情

由于各個(gè)實(shí)體僅與劇情的一部分有關(guān)所以要分解劇情，而且不同實(shí)體對(duì)數(shù)據(jù)格式有不同的要求，所以分解的劇情要進(jìn)行相應(yīng)格式轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)首先生成劇情，然后分解劇情，為每個(gè)仿真應(yīng)用程序生成一個(gè)兵力文件。

2）加載劇情

白方以文件傳輸?shù)姆绞桨迅鱾€(gè)兵力文件通過網(wǎng)絡(luò)傳送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的劇情加載。

3）初始化實(shí)體

通過讀兵力文件，對(duì)各節(jié)點(diǎn)上的實(shí)體進(jìn)行初始化。實(shí)體初始化有兩部分的數(shù)據(jù):一般實(shí)體信息和初始參數(shù)。一般實(shí)體信息描述了仿真實(shí)體在DIS演練中所扮演的角色，包括:

（1）實(shí)體類型(它包括實(shí)體種類、領(lǐng)域、國家、類、子類、特有信息、額外信息七個(gè)域)。

（2）實(shí)體兵力標(biāo)識(shí)符(敵方、友方、中立方)

（3）實(shí)體外觀

（4）實(shí)體標(biāo)識(shí)符(場所ID、應(yīng)用ID和實(shí)體ID)

（5）實(shí)體名

（6）實(shí)體初始位置、方位和速度

（7）實(shí)體模型

初始參數(shù)的內(nèi)容由具體模型決定。水雷反水雷武器仿真系統(tǒng)中各模型的初始參數(shù)內(nèi)容大致如下:

環(huán)境:根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)流速、風(fēng)速、海況、海深等因素進(jìn)行設(shè)定。

水雷:確定水雷引信工作制，設(shè)置各個(gè)水雷的定時(shí)，定次；

反水雷裝備:根據(jù)環(huán)境和水雷情況，確定掃雷艦船的航速、航線，掃雷裝備的工作制。

4）時(shí)鐘同步

對(duì)各仿真節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步。在DIS演練中，每個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)都具有自已的局部時(shí)間，由于DIS演練是通過PDU的交換來推進(jìn)的，而每個(gè)PDU中都帶有時(shí)戳值，因而時(shí)鐘同步對(duì)于保證虛擬世界的時(shí)間一致性是至關(guān)重要的。時(shí)鐘同步的好壞不僅關(guān)系到DIS演練的啟動(dòng)、重放和數(shù)據(jù)的集成和分析，而且直接影響DIS演練的邏輯結(jié)果的正確性。例如節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B開火后認(rèn)為節(jié)點(diǎn)B被擊中，它發(fā)出一個(gè)爆炸PDU，并在其中蓋上節(jié)點(diǎn)A的時(shí)戳 (比如GMT時(shí)間六點(diǎn))，如果節(jié)點(diǎn)A、B未經(jīng)過時(shí)鐘同步，那么節(jié)點(diǎn)B接到爆炸PDU后，它根據(jù)自己的局部時(shí)鐘的時(shí)間，比如說GMT時(shí)間七點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)它會(huì)吃驚地發(fā)現(xiàn)，它早在一小時(shí)之前就已被摧毀壞了，而它摧毀后還存活了一個(gè)小時(shí)！時(shí)間一致性問題是DIS的基本問題，時(shí)鐘同步是解決時(shí)間不一致的基礎(chǔ)。

3.3 管理與控制

在管理與控制階段，DIS演練已經(jīng)開始，DIS仿真管理系統(tǒng)主要是監(jiān)控演練的情況，必要時(shí)還要干預(yù)演練進(jìn)程，它具有如下功能:

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)時(shí)記錄PDU數(shù)據(jù)和非PDU數(shù)據(jù)(如命令、話音、環(huán)境數(shù)據(jù)等)，數(shù)據(jù)記錄器具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾的功能。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控

對(duì)數(shù)據(jù)、參數(shù)和有關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。包括各種場信號(hào)，水雷引信動(dòng)作值，以及艦船的狀態(tài)（航速、航線等）等。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控為網(wǎng)絡(luò)管理員提供了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)性能的信息，比如負(fù)載、延時(shí)、錯(cuò)誤等。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的PDU發(fā)送速率很大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載就大，相應(yīng)的就有可能引起PDU丟失、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大。以測定網(wǎng)上PDU的發(fā)送速率來定量描述網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，在編程實(shí)現(xiàn)上，借鑒熟悉的Windows中的PING程序。對(duì)于PDU丟失情況，目前只能針對(duì)重要PDU，不能監(jiān)控所有種類的PDU（如狀態(tài)PDU）。PDU丟失監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法:每個(gè)DIS仿真應(yīng)有程序在發(fā)出重要的PDU時(shí)（如爆炸PDU），作一個(gè)發(fā)送記錄。實(shí)時(shí)PDU紀(jì)錄器在受到PDU時(shí)，也作一個(gè)接收紀(jì)錄。通過事后比對(duì)這兩個(gè)記錄，可以了解本次系統(tǒng)仿真的PDU丟失情況。這種方法并不是一種實(shí)時(shí)監(jiān)控方法。如果DIS系統(tǒng)的性能降級(jí)了，可以通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控盡早發(fā)現(xiàn)問題并干預(yù)。

3）實(shí)時(shí)態(tài)勢和場景顯示

利用顯示手段觀察演練進(jìn)程。態(tài)勢顯示是對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場情況的匯總:戰(zhàn)場的兵力分布情況、水雷的位置和作戰(zhàn)狀態(tài)、艦艇的運(yùn)動(dòng)情況以及報(bào)告戰(zhàn)場事件 （戰(zhàn)場事件可以自己定義，如水雷爆炸）。采用MapInfro軟件結(jié)合DIS_LINK進(jìn)行開發(fā)，利用MapInfro加載戰(zhàn)區(qū)海圖，利用DIS_LINK搜集戰(zhàn)場情況。前面說過，DIS的“分布”是指維護(hù)虛擬世界狀態(tài)的方式是是分布式的:由各個(gè)DIS仿真應(yīng)用程序發(fā)布自己的狀態(tài)PDU，由實(shí)體狀態(tài)表搜集所有的狀態(tài)PDU，即可“拼湊”出虛擬世界的一般狀態(tài)。對(duì)于戰(zhàn)場事件，通過設(shè)置PDU過濾器，接收感興趣的PDU，如爆炸PDU，就可以得到戰(zhàn)場事件。

4）演練終止

使DIS演練有序地終止。

3.4 分析與重演

DIS演練完成之后，需要對(duì)DIS演練進(jìn)行分析，得出評(píng)估結(jié)果。此階段的功能包括:

1）演練重演

利用數(shù)據(jù)記錄器重演DIS演練。

2）演練分析

建立分析庫，對(duì)重大事件、狀態(tài)改變等進(jìn)行分析。在本系統(tǒng)中，重大事件主要是指水雷爆炸，要對(duì)引起水雷爆炸的各場，以及掃雷艦此時(shí)的狀態(tài)（包括相對(duì)水雷的距離、方位，和水雷爆炸對(duì)其影響等）進(jìn)行分析，另外還要對(duì)各戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行分析。

3）演練評(píng)估

根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)水雷、掃雷艦船和裝備以及戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行性能評(píng)估和效能評(píng)估，給出評(píng)估報(bào)告。

4 結(jié)束語

該仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具要有良好的可擴(kuò)展性、靈活性,適應(yīng)實(shí)時(shí)、半實(shí)物、人在回路的仿真特點(diǎn)，可適應(yīng)不同的仿真試驗(yàn),并為將來留下進(jìn)一步發(fā)展留下余地。該系統(tǒng)已向部隊(duì)、科研院所推廣使用，為有效地進(jìn)行武器性能檢驗(yàn)、戰(zhàn)術(shù)有效性檢驗(yàn)、新型武器研究、訓(xùn)練、教學(xué)等方面發(fā)揮著重要的作用。

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