空中作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉東洋，孫 鵬，張杰勇

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077)

作戰(zhàn)仿真[1]是開展作戰(zhàn)問題研究的重要手段之一。早在1979年，著名科學(xué)家錢學(xué)森提出了“作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室”的概念，系統(tǒng)闡述了作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的原理、手段、作用及重要軍事意義[2]。美軍也認(rèn)為，通過作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)，能夠把錯(cuò)綜復(fù)雜的戰(zhàn)略問題簡單化、條理化，輔助決策人員進(jìn)行對策研究[3-4]。

本文根據(jù)空中作戰(zhàn)問題研究的實(shí)際需求出發(fā)，構(gòu)建了一套功能齊全、規(guī)模適度、符合空中作戰(zhàn)問題研究特點(diǎn)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以有計(jì)劃地改變作戰(zhàn)想定中紅藍(lán)雙方作戰(zhàn)規(guī)模、力量部署，設(shè)置戰(zhàn)法和作戰(zhàn)環(huán)境等條件，以定量和定性研究相結(jié)合的方法考察空中作戰(zhàn)平臺(tái)的綜合運(yùn)用規(guī)律，為決策者實(shí)施空中作戰(zhàn)提供科學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和決策依據(jù)，對提高空中平臺(tái)作戰(zhàn)效能具有重要參考意義。

1 仿真平臺(tái)構(gòu)建

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

為保證平臺(tái)在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中更好地滿足戰(zhàn)術(shù)推演的功能與性能需求，應(yīng)遵循以下原則[5]：(1)功能模塊化：模塊化設(shè)計(jì)的構(gòu)件清晰地定義了輸入與輸出，而且每個(gè)構(gòu)件都有明確規(guī)定的目的；(2)數(shù)據(jù)一致性：對系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行分類編碼，減少數(shù)據(jù)冗余[6]；(3)可靠性及容錯(cuò)性：可靠性直接決定了軟件健壯與否，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)，消除單點(diǎn)失效，同時(shí)，在用戶誤操作時(shí)，應(yīng)能夠及時(shí)糾正提示；(4)易操作易維護(hù)性：平臺(tái)應(yīng)提供協(xié)調(diào)一致、便于操作的工作環(huán)境，有效控制仿真的運(yùn)行，并記錄仿真運(yùn)行日志，提高故障發(fā)現(xiàn)及定位能力，便于排查；(5)復(fù)用性與實(shí)用性：采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)良好的封裝與復(fù)用，縮短開發(fā)周期。并充分考慮仿真平臺(tái)應(yīng)具有的功能特性，確保仿真軟件切實(shí)的使用價(jià)值。

1.2 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮平臺(tái)工作的實(shí)際條件和環(huán)境[7]，確保系統(tǒng)技術(shù)可行、先進(jìn)，功能適用。仿真平臺(tái)采用分布式跨平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，劃分為基礎(chǔ)環(huán)境層、數(shù)據(jù)支撐層、業(yè)務(wù)邏輯層和人機(jī)交互層四層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

(1)基礎(chǔ)環(huán)境層：提供仿真平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境，及HLA-RTI等運(yùn)行中間件[8-10]。分布式并行仿真引擎負(fù)責(zé)底層的時(shí)間、對象、事件管理等任務(wù)；

(2)數(shù)據(jù)支撐層：負(fù)責(zé)對平臺(tái)運(yùn)行過程所需相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)、武器裝備數(shù)據(jù)、仿真實(shí)體模型庫、目標(biāo)信息數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫及效能評估模型庫等；

(3)業(yè)務(wù)邏輯層：負(fù)責(zé)仿真實(shí)驗(yàn)前后的業(yè)務(wù)處理，以及仿真推演過程中在時(shí)間空間上進(jìn)行的決策判斷，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)層與人機(jī)交互層之間的數(shù)據(jù)交互工作；

(4)人機(jī)交互層：負(fù)責(zé)人機(jī)交互相關(guān)操作，包括圖形化的推演控制、想定管理、模型管理、效能評估等用戶操作軟件界面。

圖1 空中作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

1.3 平臺(tái)開發(fā)環(huán)境

為實(shí)現(xiàn)分布式交互仿真(DIS)[11]，保持平臺(tái)良好的兼容性、模塊可重用性，提高開發(fā)效率，借助高級開發(fā)工具是加快仿真應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一種有效方式。根據(jù)平臺(tái)建設(shè)的實(shí)際需求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，仿真平臺(tái)建模工具采用LabWorks，RTI采用pRTI，開發(fā)軟件采用VC++6.0、Qt 5，地理信息系統(tǒng)采用MapX，飛行動(dòng)力學(xué)模型采用開源的JSBSim[12]模型框架。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)空中平臺(tái)作戰(zhàn)特點(diǎn)及指揮控制流程要求，仿真平臺(tái)應(yīng)具有以下主要功能。

(1)作戰(zhàn)想定管理：想定是激勵(lì)各仿真實(shí)體運(yùn)行的環(huán)境，根據(jù)作戰(zhàn)背景、作戰(zhàn)規(guī)模、作戰(zhàn)任務(wù)，通過人機(jī)操作界面完成作戰(zhàn)力量的部署；

(2)推演控制管理：對作戰(zhàn)想定任務(wù)進(jìn)行推演，能夠控制仿真系統(tǒng)的初始化、時(shí)鐘同步、啟動(dòng)、暫停、恢復(fù)，設(shè)置仿真步長、仿真速率等；

(3)戰(zhàn)場態(tài)勢感知：通過各種地面及機(jī)載探測裝備模擬器對空中目標(biāo)信息實(shí)施探測，結(jié)合其他仿真數(shù)據(jù)識(shí)別紅藍(lán)屬性；

(4)情報(bào)融合處理：對獲取的各類情報(bào)進(jìn)行融合處理，形成準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、一致、可靠的空情態(tài)勢，為指揮員作戰(zhàn)指揮及空中平臺(tái)作戰(zhàn)行動(dòng)提供可靠的情報(bào)支持；

(5)三維飛行模擬：以三維方式顯示空中作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)，并實(shí)時(shí)發(fā)送自身的位置及狀態(tài)信息；

(6)空情態(tài)勢顯示：顯示空戰(zhàn)場態(tài)勢信息，以及戰(zhàn)場地理地形及氣象等環(huán)境信息；

(7)仿真模型管理：用于管理裝備實(shí)體模型、行為決策模型、效能評估模型和戰(zhàn)場環(huán)境模型等四大類模型；

(8)仿真記錄重演：記錄仿真過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行規(guī)格化分類處理后存入數(shù)據(jù)庫。仿真數(shù)據(jù)可用于仿真重演，也可用于作戰(zhàn)效能評估分析；

(9)作戰(zhàn)效能評估：在評估指標(biāo)體系[13-14]、作戰(zhàn)效能評估模型[15]支持下，對作戰(zhàn)仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，圖形化顯示評估結(jié)果，綜合計(jì)算戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力、情報(bào)融合處理能力、指揮控制引導(dǎo)能力等。

根據(jù)功能需求分析，仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)如圖2所示。通過HLA服務(wù)器將各功能單元以聯(lián)邦成員的形式實(shí)現(xiàn)緊密耦合，系統(tǒng)具有良好的互操作性、可重用性和擴(kuò)展性。

圖2 空中作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

2.2 平臺(tái)模型框架設(shè)計(jì)

模型是構(gòu)造作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的基本元素，它們是構(gòu)造作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境必不可少的“磚塊”，能夠在軟、硬件基礎(chǔ)設(shè)施之上按需構(gòu)造出復(fù)雜、多樣的虛擬任務(wù)環(huán)境和真實(shí)的流程。仿真平臺(tái)將作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚16]規(guī)劃為裝備實(shí)體模型、行為決策模型、效能評估模型和戰(zhàn)場環(huán)境模型4種類型，如圖3所示。

(1)裝備實(shí)體模型：依據(jù)武器平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行建模，武器平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型與行為決策模型共同構(gòu)成仿真主體；

(2)行為決策模型：包括一般意義上的戰(zhàn)場行為模型和具有一定智能的仿真實(shí)體，可根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)送各種決策指令；

(3)效能評估模型：根據(jù)作戰(zhàn)效果，依據(jù)能力數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行量化評估；

(4)戰(zhàn)場環(huán)境模型：構(gòu)建戰(zhàn)場地形、氣象等自然環(huán)境。

圖3 空中作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型框架

構(gòu)建模型時(shí)，需注意3個(gè)主要問題：(1)模型不能過于復(fù)雜。無需過分追求模型的逼真度，應(yīng)適當(dāng)簡化，清楚反映模型中各要素的因果關(guān)系，優(yōu)先考慮仿真效率；(2)模型應(yīng)準(zhǔn)確描述其指控關(guān)系。不能過于理想化地模擬指控過程，避免作戰(zhàn)一方不現(xiàn)實(shí)地獲取對方的位置、能力和意圖，應(yīng)該把C4I的模擬放在首要位置；(3)模型應(yīng)具有開放性。模型參數(shù)可通過外部方式進(jìn)行修改，以便對作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)輸入?yún)⒘窟M(jìn)行靈活調(diào)整。

為便于對模型的有效管理，建立了模型庫管理系統(tǒng)，如圖4所示，設(shè)置存取管理和運(yùn)行管理兩個(gè)模塊，系統(tǒng)管理模塊通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。

圖4 模型庫管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 平臺(tái)工作流程設(shè)計(jì)

一次仿真實(shí)驗(yàn)的基本工作流程設(shè)計(jì)如圖5所示，可以分為如下4個(gè)階段：(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)想定方案，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)，完成仿真成員規(guī)劃、生成及部署，并將實(shí)驗(yàn)相關(guān)文件上傳至仿真服務(wù)器；(2)仿真準(zhǔn)備階段：推演控制席位從服務(wù)器下載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢測仿真網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)仿真成員全部加入后，向各成員發(fā)送仿真初始化信息；(3)仿真運(yùn)行階段：推演控制席位向所有仿真成員發(fā)送啟動(dòng)命令，開始執(zhí)行仿真推演，所有仿真過程數(shù)據(jù)以文本格式文件實(shí)時(shí)記錄保存，推演結(jié)束后，仿真過程數(shù)據(jù)文件自動(dòng)被上傳至服務(wù)器；(4)效果評估階段：作戰(zhàn)效能評估軟件依據(jù)評估模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，計(jì)算各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)能力，供實(shí)驗(yàn)者決策參考。

圖5 仿真平臺(tái)基本工作流程

3 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

仿真平臺(tái)開發(fā)過程中要解決想定制作與生成、仿真時(shí)間同步、數(shù)據(jù)通信和作戰(zhàn)效能評估等關(guān)鍵技術(shù)。

(1)想定制作與生成。利用XML技術(shù)[17-18]對作戰(zhàn)任務(wù)場景進(jìn)行描述、定義、設(shè)置規(guī)則，生成XMLSchema.xsd想定模板文件。在想定管理程序中使用圖形化方法進(jìn)行兵力部署，利用XSD模板，生成XML格式文件保存至本地，并提交至服務(wù)器指定路徑以物理文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并將想定信息存入數(shù)據(jù)庫；

(2)仿真時(shí)間同步。針對分布式仿真系統(tǒng)時(shí)空一致性問題，要求各仿真成員與服務(wù)器之間在一個(gè)共同的仿真時(shí)間下相互作用，因此，仿真平臺(tái)采用了一種基于真實(shí)時(shí)間的時(shí)間同步方法。首先，服務(wù)器向各成員發(fā)送本地時(shí)間t0，停頓2 s，然后每隔500 ms發(fā)送一次本地時(shí)間(記為tn)，共10次；仿真成員首先將收到的t0(有延遲)設(shè)置為本地時(shí)間，然后，記錄每次收到服務(wù)器時(shí)間時(shí)的本地時(shí)間(記為Tn)，計(jì)算Tn與tn的差值，取各次差值的平均值作為成員與服務(wù)器的時(shí)差，并調(diào)整本地時(shí)間，計(jì)算公式為

(1)

(3)數(shù)據(jù)通信。在各仿真成員計(jì)算機(jī)部署通信代理程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。通信代理包含Socket通信管理和緩沖區(qū)管理，利用Socket套接字實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。緩沖區(qū)管理設(shè)置“出緩沖區(qū)隊(duì)列”用于存放仿真成員產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，“入緩沖區(qū)隊(duì)列”用于存放仿真成員接收的數(shù)據(jù)。仿真過程中，Socket通信模塊不斷地從仿真成員接收數(shù)據(jù)，存入“出緩沖隊(duì)列”，通信代理每隔一定時(shí)間調(diào)用Socket通信模塊接口將數(shù)據(jù)取走。通信代理訂閱到網(wǎng)絡(luò)上其他仿真成員的數(shù)據(jù)后調(diào)用接口將訂閱到的數(shù)據(jù)送入“入緩沖隊(duì)列”，Socket通信模塊定時(shí)檢查“入緩沖隊(duì)列”，如果有數(shù)據(jù)達(dá)到，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給仿真成員；

(4)作戰(zhàn)效能評估。在評估指標(biāo)體系的支持下，一種方法是采用層次分析法(AHP)[19]對作戰(zhàn)評估的幾種能力進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，歸一化處理，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算矩陣最大特征根λmax，求解一致性指標(biāo)CI，進(jìn)而對作戰(zhàn)效能進(jìn)行量化評估，計(jì)算公式為

(2)

另一種方法是通過計(jì)算最大期望值進(jìn)行評估，公式為

(3)

其中，Oij為第i種作戰(zhàn)模型在戰(zhàn)場Sj下的空戰(zhàn)效果值；E(Ai)為指控模型Ai的后果期望值，Pj為戰(zhàn)場態(tài)勢Sj出現(xiàn)的概率。

3.2 仿真效果

仿真效果如圖6和圖7所示，圖6左側(cè)為武器管理，雙擊圖標(biāo)可對武器基本參數(shù)進(jìn)行編輯；拖動(dòng)武器圖標(biāo)至右側(cè)地圖界面，可進(jìn)行戰(zhàn)場兵力部署；雙擊圖標(biāo)可編輯詳細(xì)參數(shù)，例如紅藍(lán)屬性、位置等；點(diǎn)擊“保存”按鈕完成想定方案制作。圖7上方地圖界面顯示空中作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)時(shí)推演情況；右下角圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)檢測、仿真啟動(dòng)、暫停、停止等操作；主機(jī)狀態(tài)窗口可監(jiān)視各仿真成員網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

圖6 想定管理席

圖7 推演控制席

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

想定設(shè)計(jì)如表2所示，紅方部署兩架飛機(jī)、兩部地面雷達(dá)，藍(lán)方部署兩架飛機(jī)，并設(shè)定了初始航線。其中，Lon表示經(jīng)度；Lat表示緯度；V表示速度(km/h)；H表示高度(m)；h表示雷達(dá)海拔高度(m)。

表2 某次作戰(zhàn)仿真想定設(shè)計(jì)

根據(jù)表2中的信息，仿真推演結(jié)束后，利用效能評估模型計(jì)算紅藍(lán)兩架飛機(jī)的相對優(yōu)勢，得到優(yōu)勢變化曲線，如圖8所示。

圖8 不同時(shí)刻雙方飛機(jī)優(yōu)勢對比曲線

分析圖8可知，隨著時(shí)間的推移，在0～142時(shí)間段，紅方處于優(yōu)勢狀態(tài)，優(yōu)勢系數(shù)在0.36～0.98之間變化；在142～197時(shí)間段，藍(lán)方處于優(yōu)勢狀態(tài)，優(yōu)勢系數(shù)在0.54～0.9之間變化。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了基于HLA的空中作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，建立仿真平臺(tái)4層結(jié)構(gòu)，并采用LabWorks、pRTI等開發(fā)工具完成了仿真平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)、模型框架的設(shè)計(jì)與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)等工作。該仿真平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)人員研究如何提升空中作戰(zhàn)平臺(tái)的作戰(zhàn)能力提供了有效的仿真環(huán)境。實(shí)踐表明，該平臺(tái)具有仿真模型可重用性好、參數(shù)配置方式靈活、各仿真成員可按需剪裁部署、通用性強(qiáng)和易于擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。在引入完整精確的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)支撐下，能夠更加準(zhǔn)確地反映空中平臺(tái)的作戰(zhàn)能力。