LVC技術(shù)發(fā)展及其啟示

梁意

摘要：隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展和仿真技術(shù)優(yōu)勢的凸顯，世界各國越來越意識到仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域的巨大作用，并已逐漸將軍用仿真領(lǐng)域的競爭視為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的“超前智能較量”。LVC仿真技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于虛擬戰(zhàn)場環(huán)境仿真、部隊(duì)訓(xùn)練仿真、作戰(zhàn)仿真、指揮決策仿真、武器平臺仿真等軍事領(lǐng)域，受到越來越多的重視。本文重點(diǎn)總結(jié)梳理了LVC技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)，并分析提出了對我軍建設(shè)發(fā)展的幾點(diǎn)啟示。

關(guān)鍵詞：LVC;仿真;發(fā)展;啟示

多年來，創(chuàng)建統(tǒng)一的“真實(shí)-虛擬-構(gòu)造”LVC集成架構(gòu)是建模和仿真領(lǐng)域的一個(gè)目標(biāo)。LVC可以快速集成模型和開展仿真，形成一個(gè)有效的LVC環(huán)境，LVC環(huán)境由多個(gè)建模和仿真環(huán)境組合構(gòu)成，通過LVC集成架構(gòu)進(jìn)行互操作，為不同級別的軍事人員提供適當(dāng)?shù)慕换ァ⒁恢滦院突ゲ僮餍?，用來開展飛行訓(xùn)練、制定作戰(zhàn)計(jì)劃、訓(xùn)練評估和技術(shù)測試驗(yàn)證等。LVC中的“真實(shí)（Live）”是指真實(shí)的人員操作真實(shí)的系統(tǒng)（或?qū)嵮b）;“虛擬（Virtual）”是指真實(shí)的人員操作模擬的系統(tǒng)，也稱人在回路的仿真模擬，或半實(shí)物仿真;“構(gòu)造（Constructive）”是指完全由計(jì)算機(jī)生成的全數(shù)字仿真，由模擬的人員操作模擬的系統(tǒng)，用于增強(qiáng)和加強(qiáng)真實(shí)/虛擬場景。

LVC技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)70年代，模擬仿真技術(shù)大量應(yīng)用于訓(xùn)練裝備，美軍各軍兵種建成了一系列虛擬模擬和推演模擬系統(tǒng)。1995年，美國國防部為促進(jìn)所有類型模型與模擬系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)之間的互操作性和模型的可重用性，提出了高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）規(guī)范，開始采用LVC技術(shù)開展聯(lián)合訓(xùn)練。美軍在本世紀(jì)初，為加快實(shí)施訓(xùn)練轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，頒布了《國防部訓(xùn)練轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略計(jì)劃》，將發(fā)展功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化LVC訓(xùn)練與任務(wù)推演環(huán)境和形成一個(gè)全球聯(lián)網(wǎng)、全軍通用的一體化訓(xùn)練、體系作為其戰(zhàn)略目標(biāo)之一。

經(jīng)過多年的發(fā)展，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家已越來越認(rèn)識到LVC集成技術(shù)在仿真與訓(xùn)練領(lǐng)域的重要性。通過LVC集成技術(shù)將實(shí)裝、仿真器、虛擬數(shù)字系統(tǒng)整合在一起，構(gòu)建更加逼真、更加復(fù)雜的訓(xùn)練和仿真任務(wù)環(huán)境，才能更好地模擬未來戰(zhàn)爭，應(yīng)對未來陸、海、空、天、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合作戰(zhàn)所面臨的各種挑戰(zhàn)。2018年，美軍及其盟國在LVC項(xiàng)目方面的資金投入加速增長。在新技術(shù)新需求推動(dòng)下，LVC體系架構(gòu)不斷拓展，提出LVC-IA（集成架構(gòu)）目標(biāo)是適應(yīng)陸軍訓(xùn)練需求，為士兵、部隊(duì)、指揮和執(zhí)行任務(wù)裝置提供網(wǎng)絡(luò)化、集成與互操作的訓(xùn)練支持能力;實(shí)況虛擬構(gòu)造和游戲（LVC-G）融合人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，將LVC和游戲整合到共同的訓(xùn)練環(huán)境中，使陸軍更容易管理陸、海、空、天和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的集體訓(xùn)練。

幾種典型的仿真體系結(jié)構(gòu)

高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）

HLA主要由三部分組成：規(guī)則、對象模型模板、接口規(guī)范說明。為了保證在仿真系統(tǒng)運(yùn)行階段各聯(lián)邦成員之間能夠正確交互，HLA規(guī)則定義了在聯(lián)邦設(shè)計(jì)階段必須遵守的基本準(zhǔn)則。HLA對象模型模板提供了一種標(biāo)準(zhǔn)格式，以促進(jìn)模型的互操作性和資源的可重用性。接口規(guī)范定義了聯(lián)邦成員與聯(lián)邦中其他成員進(jìn)行信息交互的方式，即RTI的服務(wù)。HLA是一個(gè)開放式的、支持面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)。它顯著的特點(diǎn)就是通過提供通用的、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分離;缺點(diǎn)是重用性差。HLA的基本思想是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉碓O(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的對象模型，以獲得仿真聯(lián)邦的高層次的互操作和重用。

基本對象模型（BOM）

由于HLA僅對聯(lián)邦和聯(lián)邦成員作出規(guī)范，而對更小粒度的仿真對象缺乏開發(fā)規(guī)范，導(dǎo)致仿真模型開發(fā)隨意性較強(qiáng)、重用性較差。為了解決這些問題，20世紀(jì)90年代后期，仿真互操作性標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了一種高效的仿真框架-基本對象模型，BOM主要包括模型識別信息、概念模型定義、模型映射和對象模型定義四個(gè)部分。其中，最基礎(chǔ)也是最難以解決的部分是概念模型設(shè)計(jì)，一般采用統(tǒng)一建模語言（UML）與元數(shù)據(jù)接口（XML）的思想。目前對BOM的應(yīng)用處在兩個(gè)層面上：一是接口層的應(yīng)用，即利用BOM花費(fèi)更少的時(shí)間開發(fā)出易于修改、靈活的FOM;另一個(gè)是功能層的應(yīng)用，利用BOM促進(jìn)仿真運(yùn)行模型的開發(fā)。

試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)（TENA）

雖然BOM的出現(xiàn)可以提高仿真模型的重用性，但BOM只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并未提供領(lǐng)域所需的具體基本對象模型。并且由于HLA要想支持各種領(lǐng)域系統(tǒng)的開發(fā)和集成，要能夠?qū)⒉煌愋偷姆抡婕善饋砘ゲ僮?，它必須非常靈活，特點(diǎn)是對具體應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)所施加的限制必須非常少，因此，僅有BOM標(biāo)準(zhǔn)和HLA并不能滿足具體應(yīng)用的特定需求。并且由于HLA不能用于實(shí)時(shí)應(yīng)用環(huán)境，而在裝備試驗(yàn)與訓(xùn)練領(lǐng)域，必須要把實(shí)際的測試設(shè)備加入到試驗(yàn)與訓(xùn)練系統(tǒng)，對實(shí)時(shí)性要求比較高，因此在該領(lǐng)域HLA的使用受到了很多限制。TENA提供了試驗(yàn)和訓(xùn)練所需的更多特定能力，并在通信機(jī)制、時(shí)間管理等方面也進(jìn)行了改進(jìn)，旨在提高在試驗(yàn)與訓(xùn)練中應(yīng)用建模與仿真技術(shù)時(shí)的互操作性、可重用性及可組合性。

模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)（MDA）

在BOM中僅僅給出了概念模型與HLA對象模型之間的映射規(guī)則，而僅有這些在實(shí)際應(yīng)用中還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楦拍钅Ｐ瓦€不是可運(yùn)行的程序，如果要運(yùn)行還必須轉(zhuǎn)換成與平臺相關(guān)的模型。但如果對同一個(gè)模型需要針對不同的平臺、不同的中間件、不同的語法采用手工轉(zhuǎn)換，也就無法實(shí)現(xiàn)真正的可重用和互操作了。為了解決該問題，在仿真領(lǐng)域采用了軟件工程中模型驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)（MDA）思想。MDA是用于改進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件的互操作性和可重用性，提高生產(chǎn)率，是基于元模型這種理念提出來的，其基本思想是首先要以元模型的形式給出一個(gè)能夠解決通用的、最本質(zhì)問題的概念模型，而不是直接給出程序或編碼來解決問題。其核心思想是使用一個(gè)通用的、穩(wěn)定的概念模型，該概念模型是與語言、開發(fā)商和中間件等無關(guān)，即將模型與特定平臺的實(shí)現(xiàn)分開。

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）

SOA是解決分布式作戰(zhàn)仿真紛亂復(fù)雜局面的有效手段，它克服了以往DIS、HLA等框架擴(kuò)展性、伸縮性差的不足。SOA和傳統(tǒng)方法不同，它以服務(wù)為中心進(jìn)行構(gòu)建，將仿真系統(tǒng)涉及的對象、數(shù)據(jù)、組件、業(yè)務(wù)流程、界面等從服務(wù)提供者和服務(wù)者的角度進(jìn)行層次化。SOA把系統(tǒng)分離成不同的服務(wù)，使用接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終達(dá)到整合系統(tǒng)的目的。SOA規(guī)范了將分散的、異構(gòu)的子系統(tǒng)集成為更大規(guī)模系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，它的最佳實(shí)踐是基于多層體系結(jié)構(gòu)、中間件技術(shù)以及軟件組件技術(shù)。而多層體系結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)靈活性擴(kuò)展性，中間件技術(shù)屏蔽了異構(gòu)系統(tǒng)之間的差異，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作，軟件組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模塊化和可組裝化。

DoDAF

DoDAF是美國國防部定義的用于國防和航空航天行業(yè)的架構(gòu)框架，可用于組織和共享大型、復(fù)雜的分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其8個(gè)視圖模型使相互關(guān)聯(lián)的，優(yōu)點(diǎn)是可從多個(gè)視圖對一個(gè)整體架構(gòu)進(jìn)行全面的定義，對系統(tǒng)的平臺進(jìn)行規(guī)范化描述，通過體系架構(gòu)的關(guān)聯(lián)讓各自獨(dú)立的系統(tǒng)有效協(xié)同，獲得能力。

LVC技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

總結(jié)國外仿真支撐環(huán)境與平臺技術(shù)的發(fā)展，有以下三個(gè)特點(diǎn)：

（1）基于LVC仿真與訓(xùn)練的重視程度越來越高，投資巨大，衍生出LVC-IA（集成架構(gòu)）、LVC-G（實(shí)況虛擬構(gòu)造和游戲）、SLATE（安全LVC高級訓(xùn)練環(huán)境）等擴(kuò)展架構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，LVC仿真支撐平臺發(fā)展前景廣闊。

（2）從國家層面倡導(dǎo)發(fā)展LVC仿真技術(shù)，LVC技術(shù)對武器裝備發(fā)展和部隊(duì)訓(xùn)練建設(shè)的支撐作用越來越凸顯，相關(guān)仿真工程支撐平臺技術(shù)向數(shù)字化、集成化、智能化高速發(fā)展。

（3）充分利用人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興戰(zhàn)略技術(shù)的新概念、新方法和新成果，布局新一代仿真支撐平臺體系結(jié)構(gòu)，牽引出仿真支撐環(huán)境和平臺新需求和新能力，持續(xù)提升仿真資源互操作、可重用和可組合能力。

對我軍發(fā)展的啟示

目前，我國針對LVC仿真系統(tǒng)的研究主要處于理論探索方面，相關(guān)的研究內(nèi)容和方法體系還不夠完善和成熟，分析研究美軍較為成熟的LVC技術(shù)，主要啟示如下：

一是LVC仿真基本對象模型研究。形成覆蓋仿真、試驗(yàn)、訓(xùn)練等方面的元數(shù)據(jù)、概念模型、基本接口對象模型和基本功能模型庫，為LVC仿真提供可重用和可組合的基礎(chǔ)資源庫。

二是LVC仿真通用中間件研究。建立能夠滿足L、V、C仿真運(yùn)行環(huán)境、通信機(jī)制、時(shí)間管理、位置外推等需求的運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施，為LVC仿真系統(tǒng)的運(yùn)行提供互操作支撐平臺。

三是LVC一體化集成平臺研究。建立能夠集成基本對象模型設(shè)計(jì)與管理、仿真成員的設(shè)計(jì)與管理、仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理的軟件工具集，為LVC仿真提供可視化的、能夠自動(dòng)生成仿真應(yīng)用程序的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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