靶場聯(lián)合試驗評估需求與應(yīng)用研究*

吉玉潔 吳 萌

（1.中國人民解放軍91336部隊 秦皇島 066326）（2.中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

我軍當前正處于由機械化向信息化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，聯(lián)合作戰(zhàn)、信息戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等作戰(zhàn)方式在未來的大量應(yīng)用中對武器裝備研制、試驗提出了多方位、深層次的挑戰(zhàn)，它需要基于異類、異構(gòu)、異地的各種測控資源之間實現(xiàn)互操作和可重用，為試驗和訓(xùn)練提供一種新的技術(shù)基礎(chǔ)。目前靶場各專業(yè)針對自己的試驗訓(xùn)練需求，已經(jīng)建立了多種模擬試驗訓(xùn)練系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)“煙囪式開發(fā)”狀況嚴重，各系統(tǒng)之間難以共享資源，相互操作。因此，為了形成整個靶場的聯(lián)合試驗訓(xùn)練與評估，迫切需要一種能夠充分利用靶場各種試驗訓(xùn)練資源，使各種資源之間實現(xiàn)互操作、可重用和可組合的機制。在平時就實現(xiàn)各試驗訓(xùn)練靶場設(shè)施、儀器儀表、模型與仿真系統(tǒng)的互連，在使用時根據(jù)具體目標按需“無縫集成”。從而使“煙囪化建設(shè)”的靶場變?yōu)橐惑w化聯(lián)合試驗訓(xùn)練的靶場聯(lián)合體［1～2］。

2 當前靶場試驗訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)在集成共享方面的缺陷

2.1 異類異構(gòu)異地仿真試驗訓(xùn)練系統(tǒng)綜合集成方面

2.1.1 異類仿真系統(tǒng)綜合集成方面

靶場現(xiàn)有的半實物仿真系統(tǒng)屬于硬實時系統(tǒng)，回路中硬件的狀態(tài)變化不可逆轉(zhuǎn)，對實時性的要求很嚴格，而HLA并沒有對此提出具體實現(xiàn)方法。為了保證仿真系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作、維護虛擬世界中正常的因果邏輯順序，HLA需要對聯(lián)邦進行嚴格的時間管理，而其復(fù)雜的時間管理算法保證了其時間邏輯的嚴格正確性但卻不利于實時仿真，這給半實物仿真系統(tǒng)與全數(shù)字仿真系統(tǒng)的綜合集成造成了一定的困難。目前，靶場使用的基于HLA的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)與半實物仿真系統(tǒng)沒有實現(xiàn)有效的聯(lián)合，只能夠分別單獨應(yīng)用。目前國外在將HLA與半實物仿真的結(jié)合方面已有不少典型的應(yīng)用，但是我國在該方面始終無法擺脫國外技術(shù)壟斷或敏感技術(shù)禁運等風險，技術(shù)上受到國外技術(shù)壁壘的嚴重限制。

2.1.2 異地仿真系統(tǒng)綜合集成方面

目前靶場現(xiàn)有的基于HLA的分布式系統(tǒng)基本均為基于局域網(wǎng)（LAN）的中小規(guī)模分布仿真系統(tǒng)，由于聯(lián)合試驗訓(xùn)練與評估的需求，急需在此基礎(chǔ)上進一步研究滿足建立在廣域網(wǎng)（WAN）上的大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)。很顯然，重新開發(fā)是費時費力的；重用已有的系統(tǒng)，實現(xiàn)多聯(lián)邦的互聯(lián)是快速擴大仿真規(guī)模的重要手段?？梢酝ㄟ^橋接成員來實現(xiàn)多聯(lián)邦的互聯(lián)，但這種方法對于整個聯(lián)邦系統(tǒng)仍缺乏有效的監(jiān)控和管理［6］。

HLA解決了模型重用和互操作問題，其運行時支撐系統(tǒng)RTI的一些具體實現(xiàn)（P-RTI、KD-RTI等）大量使用了組播技術(shù)，一方面提高了通訊性能，另一方面也限制了它們在目前條件下的廣域網(wǎng)上的應(yīng)用［7］。由于目前廣域網(wǎng)（除MBone網(wǎng)外）不支持組播通信這種方式，在局域網(wǎng)環(huán)境運行良好的分布式仿真系統(tǒng)，在廣域網(wǎng)上基于普通網(wǎng)絡(luò)連接方式，已無法將各仿真節(jié)點組織成一個仿真系統(tǒng)，更無法完成節(jié)點間的分布式交互。因此需要構(gòu)建新的平臺體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)基于廣域網(wǎng)的分布式仿真系統(tǒng)。

2.1.3 異構(gòu)仿真系統(tǒng)綜合集成方面

HLA只為分布仿真提供一個高層的體系結(jié)構(gòu)，不對具體的仿真應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)進行規(guī)范，因此目前出現(xiàn)了基于不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同仿真平臺和不同地域等特點的各種異構(gòu)仿真系統(tǒng)。在靶場，這一現(xiàn)象表現(xiàn)為基于HLA的分布式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)并不是基于同一種RTI下構(gòu)建的，所采用的RTI包括P-RTI、BH-RTI等。由于缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議標準、規(guī)范的仿真平臺框架，使這些仿真系統(tǒng)難以直接進行互聯(lián)，限制和降低了分布仿真的重用性和互操作性［3］。

各種應(yīng)用軟件需要在多種平臺之間進行移植，各個平臺也需要支持多種應(yīng)用軟件，這要求軟、硬件平臺和應(yīng)用系統(tǒng)之間能夠進行可靠和高效的數(shù)據(jù)傳遞或轉(zhuǎn)換，以保證各系統(tǒng)之間的協(xié)同性，在不同的技術(shù)之間共享資源［4］。因此需要實現(xiàn)一種獨立的中間件來實現(xiàn)這種要求。該中間件應(yīng)滿足以下特點：

1）能夠滿足大量仿真應(yīng)用的需要；

2）能夠運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺；

3）支持分布式計算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和操作系統(tǒng)平臺的交互功能；

4）支持標準的協(xié)議和接口。

2.2 仿真系統(tǒng)與靶場其他資源綜合集成方面

為了實現(xiàn)靶場試驗訓(xùn)練資源的充分利用，促進各種資源的互用性、重用性與組合型，以便能夠根據(jù)具體任務(wù)要求快速、高效地建立一個“邏輯靶場”［5］。除靶場的仿真試驗訓(xùn)練系統(tǒng)外，靶場的其他資源和能力（實裝設(shè)備、儀器儀表和高性能計算能力）也需要通過網(wǎng)絡(luò)集成起來。最終實現(xiàn)“邏輯靶場”各單元之間信息互聯(lián)互通，靶場資源靈活配置組合，試驗環(huán)境模擬，對抗訓(xùn)練環(huán)境模擬，時間統(tǒng)一，試驗訓(xùn)練信息實時采集，實時監(jiān)控指揮，試驗訓(xùn)練指揮輔助決策，試驗結(jié)果快速處理，訓(xùn)練效果分析評估，試驗訓(xùn)練仿真推演，試驗訓(xùn)練實時記錄，試驗訓(xùn)練過程重現(xiàn)和試驗訓(xùn)練信息安全保護等功能。

3 分布式聯(lián)合仿真平臺靶場工程應(yīng)用模式探討

目前，分布式仿真技術(shù)在靶場的應(yīng)用尚處于起步階段，應(yīng)充分利用靶場試驗數(shù)據(jù)資源豐富的優(yōu)勢，以試驗需求為牽引，實現(xiàn)分布式仿真技術(shù)在靶場試驗應(yīng)用中的突破，從應(yīng)用層面解決仿真技術(shù)靶場應(yīng)用問題［8］。通過對靶場目前主要訓(xùn)練、試驗事件的全生命周期以及靶場現(xiàn)有真實、虛擬與高性能計算資源調(diào)研，借鑒國內(nèi)外先進技術(shù)的研究成果，我們提出了基于本單位現(xiàn)有實裝、半實物與全數(shù)字仿真資源的幾種基于分布式聯(lián)合仿真支撐平臺的靶場試驗訓(xùn)練工程應(yīng)用模式。

3.1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗方案推演、優(yōu)化系統(tǒng)

靶場試驗方案是靶場試驗部門根據(jù)國軍標和技戰(zhàn)指標制訂的試驗方案，是試驗科技人員集體智慧的結(jié)晶，是歸靶場所有的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一類特殊產(chǎn)品。因此，可以之作為切入點，以試驗理論為基礎(chǔ)，以先進仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為手段，以被試艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)、參試設(shè)備、參試單位、靶場自然環(huán)境的數(shù)字模型為核心，實現(xiàn)一種基于分布式仿真技術(shù)的試驗方案推演優(yōu)化系統(tǒng)，完成試驗方案的設(shè)計、推演與優(yōu)化等全過程業(yè)務(wù)內(nèi)容，并提供測試設(shè)備類型選擇、布站優(yōu)化、冗余配置等輔助決策和分析方法。

下面以某型艦載指控系統(tǒng)試驗所采用的試驗方案推演、優(yōu)化仿真系統(tǒng)為例，具體闡述分布式聯(lián)合仿真技術(shù)在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗領(lǐng)域的試驗方案驗證、推演與優(yōu)化方面的作用。該試驗方案仿真驗證系統(tǒng)組成如圖1所示，由“模型封裝”、“模型管理”、“任務(wù)想定”、“仿真運行”、“綜合顯示”和“數(shù)據(jù)管理”等子系統(tǒng)構(gòu)成。各子系統(tǒng)功能如下所述：

1）模型封裝子系統(tǒng)

用于對外來非標準仿真算法模型進行基于本平臺標準的封裝，形成適合于本平臺使用的具有標準輸入輸出接口和規(guī)范化屬性表述的模型組件，并允許通過“模型注冊”過程注冊進入模型庫，形成被本平臺識別和使用的標準模型組件。

圖1 試驗方案推演、優(yōu)化仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2）模型管理子系統(tǒng)

用于提供將外來模型進行系統(tǒng)注冊的相關(guān)功能，即將外部標準模型通過導(dǎo)入、配置等方式變成本平臺的有機成員，供平臺根據(jù)“任務(wù)”內(nèi)容的需要尋找、連接至運行框架中，并與其他相關(guān)模型一起在運行框架的調(diào)度下形成實際仿真運行系統(tǒng)，實現(xiàn)仿真運算、交互，共同完成需要的仿真任務(wù)。

3）任務(wù)想定子系統(tǒng)

任務(wù)想定子系統(tǒng)用于對用戶的仿真需求進行錄入、編輯、配置、解析，生成“運行框架”配置文件，并與仿真模型組裝生成“運行系統(tǒng)配置文件”，供仿真引擎調(diào)用。

4）仿真運行子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)實現(xiàn)本平臺的核心功能，用于實現(xiàn)驗證任務(wù)描述的仿真進程，在任務(wù)框架的約束下，通過仿真運行框架調(diào)度、數(shù)據(jù)加載、模型解算、數(shù)據(jù)交互、仿真過程干預(yù)控制等過程完成用戶需要的仿真驗證。

5）綜合顯示子系統(tǒng)

用于形象化展示仿真運行過程數(shù)據(jù)與最終結(jié)果矩，展示的方式有二維圖形（GIS）、三維數(shù)字地球與圖表，將各個仿真實體的靜態(tài)與動態(tài)過程在二維地圖、三維地形圖和圖形化表格環(huán)境中進行實時顯示，滿足用戶直觀獲取、掌握、分析事物狀態(tài)和運動過程的需要。

6）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

用于對本平臺仿真過程與結(jié)果數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件進行日常管理和維護，消息日志管理，同時完成外部數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

3.2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗?zāi)M訓(xùn)練所涉及的先進分布式仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程技術(shù)等理論與技術(shù)都具有較高的成熟度，例如美國三軍作戰(zhàn)實驗室，已經(jīng)廣泛采用分布交互式仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)對不同武器及指揮、控制、情報、監(jiān)視和偵查系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練。同時，網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭游戲中的逼真三維動畫效果、強大的實時互動功能和特有的寓教于樂功效，也為受訓(xùn)者在逼真的虛擬環(huán)境中進行“試驗”訓(xùn)練提供了良好的借鑒。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)以軟件為主，在采用先進設(shè)計思想和體系結(jié)構(gòu)，并利用相關(guān)領(lǐng)域前沿技術(shù)手段的情況下，只需有限經(jīng)費支持就可以實現(xiàn)基于仿真技術(shù)的虛擬訓(xùn)練空間，為不同層次、不同崗位的指揮、操作、總體人員提供不同業(yè)務(wù)內(nèi)容的訓(xùn)練科目，進而推動“像訓(xùn)練一樣試驗”思想的實踐［9］。因此，基于分布式仿真技術(shù)實現(xiàn)對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗的模擬訓(xùn)練，是分布式仿真技術(shù)在靶場應(yīng)用一個很好的切入點。

以基于xx型指控系統(tǒng)實裝開展的艦艇指控系統(tǒng)仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為例，具體闡述分布式聯(lián)合仿真技術(shù)在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)訓(xùn)練領(lǐng)域的作用。全系統(tǒng)由xx型指控系統(tǒng)實裝、xx型電子對抗半實物模擬臺、xx型雷達半實物雷達臺以及其他配屬仿真模擬子系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)具體功能組成如圖2所示。

各子系統(tǒng)功能如下：

圖2 艦艇指控系統(tǒng)仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

1）指揮模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)基于xx型指控系統(tǒng)實裝，用于對本艦指控信息處理、各系統(tǒng)指揮進行訓(xùn)練。實現(xiàn)對系統(tǒng)指揮流程、應(yīng)急處置、輔助決策等指揮能力的訓(xùn)練和考核評估，同時擔負訓(xùn)練過程的組織、指揮與評估。

2）操作崗位模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括xx型電子對抗半實物模擬臺、xx型半實物雷達臺以及其他艦載配屬仿真模擬子系統(tǒng)，用于對雷達、導(dǎo)航、電子對抗、艦空導(dǎo)彈、主副炮系統(tǒng)等崗位操作人員的模擬仿真訓(xùn)練。實現(xiàn)對系統(tǒng)操作規(guī)程、故障處置、訓(xùn)練考核等進行模擬仿真訓(xùn)練。實現(xiàn)對系統(tǒng)指揮流程、應(yīng)急處置、輔助決策等指揮能力的訓(xùn)練和考核評估。

3）可視化子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于對試驗過程的二維、三維可視化。實現(xiàn)對艦艇運動、關(guān)鍵設(shè)備、控制與傳輸信號、設(shè)備操作與顯示界面系統(tǒng)的直觀演示。有利于增強受訓(xùn)者對艦艇指控原理的深入掌握，提升系統(tǒng)的訓(xùn)練水平。

4）數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)運行于仿真系統(tǒng)后臺，為前臺各類仿真應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)支持。用于對仿真模型、仿真數(shù)據(jù)、故障案例的管理；運行數(shù)學(xué)、電路原理的仿真計算；對整個仿真系統(tǒng)的運行進行運行調(diào)度。

3.3 艦艇指控系統(tǒng)試驗分布式仿真系統(tǒng)

鑒定定型是海軍武器裝備研制的重要環(huán)節(jié)。艦艇指控系統(tǒng)外場試驗具有場景構(gòu)設(shè)難、涉及兵力廣、業(yè)務(wù)流程多、組織協(xié)同繁等難點，同時由于指控系統(tǒng)的特殊性，指控系統(tǒng)試驗又具有信息交互雜、數(shù)據(jù)記錄多、試驗要素全等特點，這使得每進行一次指控系統(tǒng)外場試驗都需要動用大量的人力、物力［10］，而且部分極限條件下或者大容量試驗如果仍采用常規(guī)試驗方法和統(tǒng)計分析方法，勢必會影響鑒定結(jié)果的準確性。先進軍事大國（如俄、美等）已建立了先進的仿真中心，其中包括有實物仿真、數(shù)字仿真和混合仿真。他們用這些仿真系統(tǒng)對艦艇指控系統(tǒng)的全過程進行模擬，以達到加快設(shè)計研制的目的［11～12］。為了搞好艦艇指控系統(tǒng)的試驗與鑒定定型，有必要建立一個經(jīng)濟實用的數(shù)字仿真系統(tǒng)，來完成艦艇指控系統(tǒng)試驗任務(wù)。

艦艇指控系統(tǒng)試驗分布式仿真系統(tǒng)的研制思想如下：利用對艦載預(yù)警探測、電子對抗系統(tǒng)、艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)、近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)和各種測量系統(tǒng)所有驗前的參數(shù)模擬艦艇指控系統(tǒng)試驗時各系統(tǒng)可能發(fā)生的事件，分析各分系統(tǒng)影響試驗的關(guān)鍵部件的狀態(tài)測試參數(shù)，進行誤差分析，分離輸入誤差，并運用仿真方法估算出設(shè)計密集度，作出可靠性有關(guān)評定結(jié)果。該系統(tǒng)可通過加載指控實裝軟件作為參試兵力接入試驗回路，評定被試系統(tǒng)的戰(zhàn)技指標。

艦艇指控系統(tǒng)試驗分布式仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 艦艇指控系統(tǒng)試驗分布式仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

各子系統(tǒng)功能如下：

1）試驗監(jiān)管子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于實現(xiàn)對整個試驗系統(tǒng)的綜合控制，包括試驗想定加載、數(shù)據(jù)裝訂、系統(tǒng)運行控制、試驗流程控制、各系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和兵力行動及設(shè)備狀態(tài)顯示等。

2）兵力模擬子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在模型驅(qū)動下，對艦載指控系統(tǒng)試驗相關(guān)環(huán)境、本艦兵力和平臺兵力進行模擬，為指控系統(tǒng)試驗提供虛擬兵力平臺和裝備支持，并可在接入實裝，生成模擬數(shù)據(jù)，形成虛實結(jié)合的試驗環(huán)境。

3）被試系統(tǒng)內(nèi)場運行子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)通過加載不同指控實裝軟件分別各型指控系統(tǒng)，實現(xiàn)對四型指控系統(tǒng)的功能模擬，同時，通過接收兵力模擬子系統(tǒng)生成的各類模擬信息和數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)的試驗結(jié)果參數(shù)，得到被視系統(tǒng)內(nèi)場試驗結(jié)論。

4）數(shù)據(jù)采集處理與評估子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)試驗前完成驗前分布、驗前概率及驗前信息分析估計，實現(xiàn)對輸入誤差與試驗結(jié)果分離，完成驗前數(shù)據(jù)準備和試驗輸入?yún)?shù)過濾；試驗運行中實時采集試驗數(shù)據(jù)，完成對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和記錄；并可根據(jù)預(yù)設(shè)評估指標完成對試驗項目的檢驗。最終，可通過評定參數(shù)區(qū)間劃分和折合因子，對比分析采集內(nèi)場試驗系統(tǒng)和外場試驗數(shù)據(jù)差異，實現(xiàn)對內(nèi)場試驗的可靠性估計。

4 結(jié)語

我軍目前正在大力推進部隊轉(zhuǎn)型，在聯(lián)合環(huán)境下發(fā)展作戰(zhàn)能力是部隊轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容，聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境將是未來武器作戰(zhàn)的基本環(huán)境，如何使新研制的裝備在聯(lián)合環(huán)境中發(fā)揮最大效能，是目前試驗鑒定領(lǐng)域面臨的新課題與新挑戰(zhàn)?；诜植际铰?lián)合仿真支撐平臺構(gòu)建聯(lián)合試驗環(huán)境，能夠更高效地利用靶場資源，提高聯(lián)合試驗?zāi)芰?，最大程度地降低未來靶場運作的費用。與科研院所聯(lián)合攻關(guān)，自主開發(fā)我國自有知識產(chǎn)權(quán)的聯(lián)合仿真支撐平臺以及相關(guān)的各種核心軟件工具，并在靶場實現(xiàn)其具體應(yīng)用，是我們未來工作的重點內(nèi)容。