基于虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)研究

孫海闊, 趙 田, 張 煒

(1. 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 101416； 2. 91867部隊； 3. 裝備學院 裝備指揮系， 北京 101416)

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基于虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)研究

孫海闊1,2, 趙 田1, 張 煒3

(1. 裝備學院 研究生管理大隊， 北京 101416； 2. 91867部隊； 3. 裝備學院 裝備指揮系， 北京 101416)

針對信息化條件下開展裝備保障實戰(zhàn)化訓練的難題，將虛實一體的訓練理念和訓練方法應用于裝備保障訓練領域，著重從內(nèi)涵作用、總體設計、關鍵問題3個方面進行研究。首先，運用演繹歸納法對裝備保障訓練虛實一體的內(nèi)涵和作用進行了分析；其次，在研究系統(tǒng)用戶需求的基礎上，借鑒系統(tǒng)工程理論從層次結構、系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)交互3個方面對裝備保障訓練模擬系統(tǒng)進行了總體框架設計；最后，運用信息工程技術對裝備保障訓練模擬系統(tǒng)與指揮信息系統(tǒng)對接互聯(lián)和虛實兵力交互與感知2項關鍵問題進行了研究。

裝備保障訓練；虛實一體；訓練模擬系統(tǒng)

近年來，為適應信息化戰(zhàn)爭對裝備保障提出的新要求，裝備保障訓練正在由機械化條件下基于類別的分業(yè)訓練(分專業(yè)訓練)向信息化條件下基于信息系統(tǒng)的全要素集成訓練轉(zhuǎn)變[1]，這一轉(zhuǎn)變必然對裝備保障訓練的方法與手段提出了更高要求。“虛實一體”在本文中是指實兵實裝訓練與模擬訓練相結合的一種訓練方式，它通過構建要素齊全、戰(zhàn)訓一致的訓練環(huán)境，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，進一步縮小訓練與實戰(zhàn)之間的差距[2]。開展信息化條件下裝備保障實戰(zhàn)化訓練，深入研究“虛實一體”的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)，是當前亟待解決的重要問題。

1 虛實一體裝備保障訓練的內(nèi)涵與作用

虛實一體的裝備保障訓練，是指采用實兵實裝與仿真模擬相結合的手段組織開展的裝備保障訓練。我軍早在“聯(lián)合99”工程時就已經(jīng)探索過實兵實裝與模擬手段相結合的裝備保障訓練方式，并形成了初步的研究成果。近年來，信息技術及模擬技術的飛速發(fā)展為虛實一體裝備保障訓練賦予了更深層次的內(nèi)涵。具體來說，主要表現(xiàn)在3個方面：一是從訓練環(huán)境的構成上看，“虛實一體”是指現(xiàn)實環(huán)境與虛擬戰(zhàn)場環(huán)境融合一體，營造更加貼近實戰(zhàn)的戰(zhàn)場環(huán)境[3]；二是從戰(zhàn)訓銜接的角度上看，“虛實一體”是指模擬訓練系統(tǒng)與裝備保障指揮信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，裝備指揮機構使用實際指揮信息系統(tǒng)能夠?qū)嵄约疤摂M兵力同時進行指揮控制；三是從演練兵力的組成上看，“虛實一體”是指系統(tǒng)中的演練兵力既包括計算機生成的作戰(zhàn)與保障兵力，又包括實際參訓的裝備保障力量，兩者交互一體，為參訓裝備保障部(分)隊提供更加逼真的戰(zhàn)爭體驗，如圖1所示。

圖1 虛實一體的裝備保障訓練內(nèi)部關系

“虛實一體”構想在裝備保障訓練中的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是虛實結合，有利于營造更加貼近實戰(zhàn)的訓練條件和環(huán)境。高技術條件下的戰(zhàn)場，通常是陸、海、空、天、電五維一體，高新技術裝備大量使用，作戰(zhàn)樣式頻繁轉(zhuǎn)換，指揮對象多元，協(xié)同關系極其復雜。裝備保障訓練涉及的領域與要素眾多，而作為專項訓練不可能面面俱到，僅僅依靠現(xiàn)實環(huán)境和實兵實裝難以營造出如此龐大復雜的戰(zhàn)爭場面，因而利用“虛實一體”的方法能夠為參訓者提供更加貼近實戰(zhàn)和豐富全面的訓練條件和訓練環(huán)境。

二是戰(zhàn)訓銜接，有利于在裝備指揮手段上保持戰(zhàn)訓一致。指揮信息系統(tǒng)在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著核心作用，是機械化戰(zhàn)爭邁向信息化戰(zhàn)爭的標志之一。裝備保障指揮信息系統(tǒng)是實現(xiàn)一體化、精確化裝備保障的基本條件，是生成基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)裝備保障能力的關鍵。虛實一體的裝備保障訓練強調(diào)使用實際指揮信息系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)互聯(lián)，確保訓練最大限度地貼近作戰(zhàn)，使兩者在指揮手段上保持了一致。

三是活導活演，有利于突出受訓者在訓練中的主導地位。在戰(zhàn)爭中部隊是作戰(zhàn)行動的主體，而在以往的演習與演練過程中，導演人員往往過多的主導演練進程。在組織裝備保障演練時，組訓者需要準備翔實的想定方案與導調(diào)文書，并提前確定想定基本案，這在客觀上已經(jīng)為演練準備好了標準“劇本”，也就容易造成“演習就是演戲”的情況發(fā)生。而在虛實一體的裝備保障訓練過程中，由計算機模型仿真的結果自動生成態(tài)勢變化以及導調(diào)文書，并依此推動演練的進程，能夠充分體現(xiàn)戰(zhàn)爭的復雜性和不確定性，從而實現(xiàn)活導活演，真正把演練的主導權還給受訓部隊。

四是精簡靈活，有利于降低訓練的組織難度[4]。由于擔負日常保障任務、戰(zhàn)備任務等原因，在組織裝備保障實戰(zhàn)化訓練時，很難把所涉及的部隊、裝備等裝備保障要素召集齊全，例如上級支援的保障力量與防衛(wèi)力量、地方支前保障力量以及戰(zhàn)區(qū)倉庫等。而且對于非重點訓練對象也沒有必要全部使用實兵和實裝。在這種情況下，由計算機模擬生成的虛擬兵力就起到了很好的補充與替代作用，使組訓者可以利用少量實兵實裝就能模擬更大規(guī)模的訓練活動，既可以降低組訓難度，同時又能充分發(fā)揮裝備保障訓練的最大效益。

2 虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)總體設計

裝備保障訓練模擬系統(tǒng)是構建虛實一體的訓練條件與訓練環(huán)境的核心與關鍵。基于虛實一體的訓練理念，從系統(tǒng)的用戶需求、層次結構、功能組成以及數(shù)據(jù)交互關系等方面，對裝備保障訓練模擬系統(tǒng)的框架進行總體設計。

2.1 系統(tǒng)用戶需求

用戶需求是從系統(tǒng)的使用者角度對系統(tǒng)提出的具體功能要求，是系統(tǒng)對外部應具備的功能及屬性。裝備保障訓練模擬系統(tǒng)用戶包括導調(diào)人員、受訓保障部(分)隊以及實際指揮信息系統(tǒng)。需要說明的是，由于裝備保障指揮機構使用實際的指揮信息系統(tǒng)開展訓練，因此受訓指揮人員是系統(tǒng)的間接用戶，指揮信息系統(tǒng)才是訓練模擬系統(tǒng)的直接用戶。系統(tǒng)用戶的構成如圖2所示。

圖2 裝備保障訓練模擬系統(tǒng)與外界的關系

1) 導調(diào)人員的用戶需求。導調(diào)人員包括導演與調(diào)理員，是訓練的組織者。其中，導演人員由總導演、副導演、執(zhí)行導演等人員構成；調(diào)理員則包括負責訓練系統(tǒng)后臺操作的后臺調(diào)理員，負責調(diào)理參訓指揮機構行動的前臺調(diào)理員，以及負責調(diào)理裝備保障實兵行動的隨隊調(diào)理員。導調(diào)人員在組織演練時，需要系統(tǒng)具備想定情況錄入、演練席位設置、文電傳輸、態(tài)勢顯示、演練監(jiān)控、系統(tǒng)管理、模型控制以及實兵調(diào)理支持等一系列功能。

2) 裝備保障部(分)隊的用戶需求。能夠?qū)⒂栄b備保障部(分)隊的位置和狀態(tài)信息采集到訓練系統(tǒng)中，以保障生成相應的實兵映射模型；實兵映射模型能夠與其他模型進行交互，其交互結果能夠以多種表述形式反饋參訓部隊。

3) 受訓指揮機構與指揮信息系統(tǒng)的用戶需求。受訓指揮機構人員能夠運用指揮信息系統(tǒng)，按照作戰(zhàn)要求指揮部(分)隊實施作戰(zhàn)裝備保障。指揮信息系統(tǒng)，一方面要求訓練系統(tǒng)能夠識別其發(fā)送的指揮命令，并直接驅(qū)動相應計算機生成兵力模型的運行；另一方面要求能夠接收訓練系統(tǒng)的態(tài)勢數(shù)據(jù)和情況報告文件，為參訓指揮人員提供信息反饋。

另外，計算機仿真模型是虛實一體裝備保障訓練模擬系統(tǒng)3種用戶的共同需求，主要實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)行動及裝備保障行動的仿真模擬。

2.2 系統(tǒng)層次結構

從層次上劃分，裝備保障訓練模擬系統(tǒng)在層次結構上可劃分為網(wǎng)絡層、操作系統(tǒng)層、公共平臺層和功能層。其層次結構如圖3所示。

圖3 裝備保障訓練模擬系統(tǒng)的層次結構

1) 網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層負責系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)網(wǎng)絡尋址、鏈接維護和物理傳輸?shù)裙δ堋Ｓ捎诨谔搶嵰惑w的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)需要實現(xiàn)對實兵的遠程監(jiān)控功能，因此系統(tǒng)的網(wǎng)絡層不僅包括有線的TCP/IP網(wǎng)絡，還包括無線寬帶網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等多種通信網(wǎng)絡。

2) 操作系統(tǒng)層。操作系統(tǒng)層負責系統(tǒng)對計算機硬件和底層軟件資源的控制管理，需要實現(xiàn)設備管理、存儲管理、文件管理和進程管理等功能。

3) 公共平臺層。公共平臺層是仿真系統(tǒng)運行的基礎環(huán)境，提供數(shù)據(jù)倉庫服務、仿真運行管理、綜合信息交互總線等基礎服務，為應用層的功能構件提供可供調(diào)用的基礎函數(shù)庫和系統(tǒng)運行支撐環(huán)境。由于“公共平臺”把訓練模擬系統(tǒng)的各種功能組件與操作系統(tǒng)隔離，使仿真系統(tǒng)擺脫了對Windows資源的限制[5]，這也為下一步裝備保障訓練模擬系統(tǒng)向國產(chǎn)操作系統(tǒng)移植創(chuàng)造了條件。

4) 功能層。功能層由裝備保障訓練模擬系統(tǒng)所需的各種仿真應用構件組成，構件是建立在公共平臺基礎上，系統(tǒng)提供給用戶使用的具有某一類功能的程序集合。例如裝備保障模型在系統(tǒng)中的實現(xiàn)形式就是裝備保障模型構件，系統(tǒng)的態(tài)勢顯示功能由二維/三維態(tài)勢顯示構件提供。

2.3 系統(tǒng)功能組成

按照系統(tǒng)各組成部分功能的不同可以將裝備保障訓練模擬系統(tǒng)逐層分解為子(分)系統(tǒng)、模塊、單元等基本組成部分，良好的系統(tǒng)功能模塊劃分不僅能夠提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，同時也能夠提高系統(tǒng)各功能部件的重用性和可維護性。

根據(jù)需求分析的結果，將用戶功能需求進行歸類可以將裝備保障訓練模擬系統(tǒng)分為導控子系統(tǒng)、模型子系統(tǒng)、實兵控制子系統(tǒng)以及與指揮系統(tǒng)對接子系統(tǒng)4個組成部分。其中，導控子系統(tǒng)是導演部及其調(diào)理人員對演練全過程實施控制的功能模塊，主要實現(xiàn)調(diào)理功能和監(jiān)控功能；模型子系統(tǒng)是裝備保障訓練模擬系統(tǒng)的核心，提供首長機關指揮演練的戰(zhàn)場仿真功能，以及首長機關帶實兵的虛實一體的綜合戰(zhàn)場仿真功能；實兵控制子系統(tǒng)負責采集實兵行動數(shù)據(jù)并生成實兵映射模型，并將模型交互的結果反饋裝備保障部(分)隊；與指揮系統(tǒng)對接子系統(tǒng)是訓練系統(tǒng)與實際指揮信息系統(tǒng)互聯(lián)應用時必不可少的對接中間件，負責實現(xiàn)與指揮信息系統(tǒng)之間的信息識別與數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 數(shù)據(jù)交互關系

以上4個子系統(tǒng)都建立在公共平臺仿真運行支撐環(huán)境之上，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間通過信息交互總線進行數(shù)據(jù)交互。裝備保障訓練模擬系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間，以及子系統(tǒng)與系統(tǒng)用戶之間的數(shù)據(jù)交互關系，如圖4所示。

圖4 裝備保障訓練模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互關系

子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互關系為：導控子系統(tǒng)通過對接子系統(tǒng)向裝備指揮所發(fā)布演練想定與導調(diào)文書，指揮所經(jīng)過綜合分析與決策，通過實際指揮信息系統(tǒng)向參演裝備保障部(分)隊(或下級指揮所)下達裝備保障指令，其中發(fā)送給計算機虛擬兵力的保障指令通過對接子系統(tǒng)發(fā)送給模型子系統(tǒng)執(zhí)行。參演的裝備保障部(分)隊在接到指令后執(zhí)行保障行動，實兵的位置和狀態(tài)信息通過實兵控制子系統(tǒng)采集到系統(tǒng)，形成的實兵映射模型可以與其他實兵映射模型或計算機生成兵力模型進行交互，模型交互的結果一方面通過對接子系統(tǒng)發(fā)回給參演指揮所，另一方面模型交互結果通過實兵控制子系統(tǒng)反饋給參演部隊。在演練過程中，導演部通過導控子系統(tǒng)實時監(jiān)控整個演練的情況，如果有必要進行干預和調(diào)理的，可以利用導控子系統(tǒng)向模型子系統(tǒng)發(fā)布干預命令，或者通過對接子系統(tǒng)以及實兵控制子系統(tǒng)分別對指揮機構以及裝備保障部(分)隊發(fā)布調(diào)理指令。系統(tǒng)在運行過程中數(shù)據(jù)傳輸多路閉合，從而將實兵、實裝、計算機模型構成了訓練的整體。

3 虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)構建關鍵問題

3.1 與指揮信息系統(tǒng)對接互聯(lián)

如何與指揮信息系統(tǒng)實現(xiàn)對接[6]，是基于虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)需要重點研究的問題之一。兩大系統(tǒng)需要對接的內(nèi)容主要包括態(tài)勢、指令以及文件等數(shù)據(jù)。由于訓練模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議主要根據(jù)模型以及仿真系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸需求而制定，必然與主要用于指揮、控制、通信和情報數(shù)據(jù)的指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式及交互協(xié)議產(chǎn)生很大差異。為了實現(xiàn)訓練模擬系統(tǒng)與指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接，雙方必然需要做相應的調(diào)整，而底層數(shù)據(jù)的改動將必然影響原有系統(tǒng)功能。為了解決這一難題，采用“對接代理+對接數(shù)據(jù)庫”的方式能夠最大限度地減少底層數(shù)據(jù)的改動。實現(xiàn)兩大系統(tǒng)交互對接子系統(tǒng)的框架結構，如圖5所示。

圖5 對接子系統(tǒng)結構框架

“對接代理+對接數(shù)據(jù)庫”的基本工作原理是：當指揮信息系統(tǒng)向訓練系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，指揮信息系統(tǒng)發(fā)送的計劃及指令等信息首先經(jīng)過指揮系統(tǒng)對接代理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而后存儲到對接數(shù)據(jù)庫中；訓練系統(tǒng)對接代理實時監(jiān)控對接數(shù)據(jù)庫的變動，當發(fā)現(xiàn)有新指令寫進對接數(shù)據(jù)庫時，訓練系統(tǒng)對接代理即讀取相關指令并發(fā)送給裝備保障訓練系統(tǒng)。當訓練系統(tǒng)向指揮信息系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，訓練系統(tǒng)對接代理首先將待交互數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，然后存儲到對接數(shù)據(jù)庫中，指控系統(tǒng)對接代理讀取數(shù)據(jù)變動后發(fā)送給指揮信息系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)的對接和轉(zhuǎn)換都是自動完成的，因此對接過程不會對各自系統(tǒng)的使用帶來影響。

3.2 虛實兵力的交互與感知

虛實兵力的交互與感知，是基于虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)需求實現(xiàn)的核心功能。由于實兵與虛兵存在于現(xiàn)實與虛擬2個完全不同的環(huán)境中，因此必須將兩者置于相同的時空條件下才能相互感知與交互。與虛實兵力在現(xiàn)實世界進行交互的方法相比，將實兵映射到模擬系統(tǒng)與計算機生成兵力統(tǒng)一于虛擬環(huán)境中進行交互，是當前技術條件下更加可行的實現(xiàn)途徑。因此，建立實體映射模型是實現(xiàn)虛實兵力相互感知與交互的基礎。

實兵映射模型是參訓實際兵力實體在仿真系統(tǒng)中的“替身”，負責代替實兵實體與虛擬實體進行仿真交互。實兵映射模型與同類別的虛擬實體模型的區(qū)別是：(1) 實兵映射模型在現(xiàn)實世界有與之對應的實體，而虛擬實體模型則沒有對應實體；(2) 實兵映射模型的運行受到實兵行動采集數(shù)據(jù)和模型交互結果兩方面的影響，而虛擬實體模型狀態(tài)的改變是模型自身的仿真運行的結果。2種模型雖然有些區(qū)別，但是由于2種模型需要在仿真系統(tǒng)中相互識別與交互，因此同類別實兵映射模型與對應的虛擬實體模型具有相同的屬性參數(shù)，2種模型通過“虛實屬性”的取值不同進行標識。

虛實兵力相互感知包括虛兵感知實兵與實兵感知虛兵2個方面。通過將實兵映射到仿真系統(tǒng)生成實兵映射模型的方法，能夠讓虛擬兵力模型感知實兵實體的存在并與之發(fā)生交互作用。

1) 參訓裝備指揮人員對虛兵的感知。由于裝備指揮人員使用實際指揮信息系統(tǒng)開展指揮活動，因此虛兵情報數(shù)據(jù)也需要通過指揮系統(tǒng)向指揮人員發(fā)布。對于敵方作戰(zhàn)虛擬兵力，一方面經(jīng)過情報模型的仿真，當發(fā)現(xiàn)敵方作戰(zhàn)虛擬兵力實體時，情報模型向我方指揮系統(tǒng)發(fā)送報告文電；另一方面通過態(tài)勢對接，將敵方作戰(zhàn)虛擬兵力在態(tài)勢圖上進行標識。對于我方虛擬兵力實體，一方面在發(fā)布初始演練想定時就向參訓指揮人員發(fā)布；另一方面我方虛擬兵力實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及行動報告，通過對接系統(tǒng)由仿真模型向指揮系統(tǒng)發(fā)送。

2) 參訓裝備保障部(分)隊對虛兵的感知。對于敵方作戰(zhàn)虛擬兵力，一是依靠裝備指揮人員向裝備保障部(分)隊發(fā)送的情況通告感知虛兵；二是導調(diào)人員根據(jù)導調(diào)文書向部隊發(fā)布空襲、炮兵火力襲擊等信息，間接讓部隊感知虛兵的存在。另外也可以研制專門的音響、煙霧仿真器材，依據(jù)模型仿真結果自動播放炮彈爆炸的聲響、制造煙霧等。對于我方虛擬兵力實體，一方面通過指揮文電和態(tài)勢信息進行感知，另一方面導調(diào)人員現(xiàn)場發(fā)布的信息也是參訓裝備保障部(分)隊感知我方虛擬兵力的補充手段。

4 結 束 語

基于虛實一體的裝備保障訓練模擬系統(tǒng)，是軍事理論、軍事技術創(chuàng)新發(fā)展的產(chǎn)物，在面向未來戰(zhàn)爭的模擬訓練中具有重要的實用價值和廣闊的應用前景。本文在“虛實一體”的訓練理念基礎上完成了裝備保障訓練模擬系統(tǒng)的總體設計，為解決裝備保障訓練實戰(zhàn)化難題提供了一種系統(tǒng)解決方案。下步將拓展研究思路，在現(xiàn)有成果基礎上，重點對實兵感知虛兵的方法和相關技術進行深入研究。

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(編輯：李江濤)

Equipment Support Training Simulation System Based on Virtual-real Training Integration

SUN Haikuo1,2， ZHAO Tian1， ZHANG Wei3

(1. Department of Graduate Management， Equipment Academy， Beijing 101416， China;2. 91867 Troops， China；3. Department of Equipment Command， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

To overcome the obstacles brought by the equipment support, warfighting training under informationization context, the training philosophy and method, featuring virtual-real training integration are introduced to the equipment support training field in this paper. Accordingly, the paper conducts study in three respects: connotation and role, overall design and key issues. Firstly, it analyzes the connotation and role of the virtual-real training integration of equipment support with inductive and deductive methods; secondly, on the basis of researching demands of system users, it designs the overall framework of the equipment supporting training simulation system in three respects: hierarchical structure, system composition and data interaction; finally, it discusses two key issues: the interfacing and interconnection between equipment support training simulation system and command information system, and the interaction and perception between virtual force and real force with information engineering technology.

equipment support training; virtual-real training integration; training simulation system

2016-03-30

孫海闊(1984-)，男，碩士研究生，主要研究方向為裝備保障模擬仿真。sunhaikuo613@163.com 張 煒，男，教授，博士生導師。

E92

2095-3828(2016)06-0036-05

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.008