一種水面艦艇作戰信息交換仿真模擬系統設計與實現?

姚 撼 李勝勇 陳佳俊 尤俊郎

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

水面艦艇作戰系統由各種作戰子系統按照一定的指揮關系、組織關系和運行機制構成，是現代戰爭的重要支撐，通常具有較為復雜的體系結構［1］。

利用網絡模型分析水面艦艇作戰活動過程及信息交互關系，是當前作戰建模仿真領域研究的熱點和難點問題。國內外相關研究最早可追溯至20世紀60年代，當前主要集中在體系結構分析、作戰力量編組、復雜系統建模、作戰效能評估等方面。如美軍先后提出權力邊緣［2］、敏捷性優勢［3］等先進作戰理念，并依托ELICIT實驗平臺，圍繞作戰網絡開展體系融合、動態控制、深度協作等研究，以成功應對動態和不確定環境的各種挑戰；美國Jeff Cares［4］解析了分布式網絡化作戰的結構特點，建立了信息時代的戰斗網絡模型；滕克難等［5］建立了水面艦艇反導作戰網絡，并對網絡化組織作戰過程進行度量。

水面艦艇作戰系統［6］是對作戰體系組成部分的結構、相互關系的模型化描述。信息流描述了水面艦艇作戰體系中信息的傳遞過程及活動特征，是對作戰流程的有效反映［7］。本系統旨在優化艦船指揮控制系統的設計，提高其協調工作能力；利用全面的信息交互分析［8］，提供更加全面的系統交互數據內容，提高輔助決策的能力；提供從系統工程的角度思考水面艦艇信息化系統的整體設計，強調系統之間的協同工作。基于上述，設計與研制一套模擬系統對水面艦艇信息系統體系形成以及體系作戰能力生成具有重要意義。

2 系統總體設計

選擇信息流［9］作為切入點，研究作戰活動過程，分析信息交互關系，理清信息類型、內容及流向，能夠有效降低建模問題的復雜度，較好地解決作戰過程分析和信息交互研究中系統性、層次性和針對性不足的問題［10］，并從機動數據模擬、平臺狀態信息處理、作戰相關系統狀態發布、不同作戰系統之間信息交互、信息交互展示五個主要功能進行了設計。

2.1 系統架構設計

軟件的總體架構分為三層：基礎層、服務層、應用層。在該體系架構中，每一層承擔兩個角色，為上層提供服務和利用下層提供服務。其中，基礎層由服務器及網絡設備、操作系統及程序編譯運行環境組成：服務層提供公共的基礎服務，主要包括公共函數庫、UDP/DDS報文結構；應用層實現作戰相關系統的模擬以及人機交互界面，模擬系統包括本艦作戰指揮控制系統模擬、艦載直升機作戰指揮系統模擬、航空管制系統模擬、綜合導航系統模擬、綜合氣象水文系統模擬、武器系統狀態模擬。作戰信息交換仿真模擬器總體框架圖如圖1所示。

圖1 作戰信息交換仿真模擬系統架構圖

2.2 系統流程設計

使用面向數據流的方法對作戰信息交換仿真模擬軟件的各功能子系統處理流程進行分析。

1）作戰任務與各個作戰系統流程

根據作戰平臺下達的作戰任務，聯動各個作戰系統，對本艦作戰指揮控制系統模擬、艦載直升機作戰指揮系統模擬、航空管制系統模擬、綜合導航系統模擬、綜合氣象水文系統模擬、武器系統狀態模擬等模擬，提供在不同作戰任務下，各個作戰系統的聯動信息。

2）各作戰系統與平臺信息交互模擬軟件信息交互流程

在作戰任務下達的時候，各作戰指揮系統需要獲得動力監控系統、電力監控系統、損管監控系統的信息，根據不同的作戰任務，不同的作戰指揮系統，獲取不同系統的信息，對不同的信息內容交互信息進行展示。

3）各作戰系統之間的信息交互流程

下達作戰任務的時候，不同的作戰任務需要不同作戰系統之間信息交互。

該作戰信息交換仿真模擬系統的工作原理是通過任務驅動，當艦船下達作戰任務如反潛作戰任務時，各作戰指揮系統需要獲取相關平臺信息如動力監控系統、電力監控系統、損管監控系統等數據，作戰仿真模擬系統動態地顯示作戰任務驅動方式下的作戰指揮控制系統與水面平臺信息系統的信息交互情況。作戰信息交換仿真模擬系統數據流圖如圖2所示。

圖2 作戰信息交換仿真模擬系統數據流程圖

作戰仿真模擬系統在運行過程中需要獲取采集到的動力、電力、損管等系統的數據，同時，模擬系統需要和平臺進行交互。

3 軟件模塊設計

3.1 軟件功能分解

作戰信息交換仿真模擬系統從總體上考慮主要分為五個軟件功能模塊：機動數據模擬模塊、平臺狀態信息處理模塊、作戰相關系統狀態發布模塊、不同作戰系統之間信息交互模塊、信息交互展示模塊。圖3給出了系統具體分層結構。

3.2 系統功能模塊描述

1）機動數據模擬模塊

機動數據模擬模塊是指模擬幾種典型戰場態勢下，作戰系統向平臺發送的機動數據，由平臺信息交互模擬軟件接收執行。

2）平臺狀態信息處理模塊

圖3 系統分層結構

該模塊主要實現的功能是接收平臺信息交互模擬軟件提供的動力監控系統、電力監控系統、損管監控系統的信息，并轉發至本艦作戰指揮控制系統。

3）作戰相關系統狀態發布模塊

該模塊主要是將武器系統、艦載直升機作戰指揮系統、綜合導航系統、綜合氣象水文系統的狀態信息發送至平臺信息交互模擬系統。

4）不同作戰系統之間信息交互模塊

該模塊主要是實現不同作戰系統之間的信息以UDP/DDS格式進行交互，通過配置信息格式類型完成不同作戰系統之間的信息交互。

5）信息交互展示模塊

信息交互展示模塊主要是展示在一個作戰任務下達后，不同作戰系統之間以何種格式發送哪些信息。給用戶展示一個動態的信息交互界面，并提供相應的數據配置接口。

4 系統實現

4.1 系統運行環境

作戰信息交換仿真模擬系統采用在Windows下開發，管理平臺和子系統操作平臺基于HTML5+CSS3+JAVASCRIPT開發，服務器基于Spring+Struts+Hibernate框架使用JAVA語言開發完成。數據庫使用MySQL數據庫。

4.2 系統場景部署

開發環境所采用的硬件設備為1臺標準刀片服務器，搭載TC2600、HPBL460C服務器10臺，存儲容量5T，VMwarevSphere（5.5）做支撐軟件，用JA?VA作為開發語言，軟件環境為WindowsServer2003/2008，ApacheActiveMQ，Tomcat、SpringFramework、HibernateJPA，數據庫使用MySQL數據庫。

4.3 系統指揮流程及信息交換

水面艦艇作戰任務較多，這里用比較具有代表性的末端防空反導作為典型例子進行分析。水面艦艇末端防空反導的目標主要是突破我層層攔擊的敵方反艦導彈［11］，其行動分為觀察警戒、跟蹤識別、干擾抗擊三個步驟［12］。在具體實施過程中，由水面艦艇在編隊指揮所的意圖下負責指揮。如圖4所示。

1）觀察警戒

水面艦艇開啟主動對空探測設備時，同時對目標來襲方向進行主動探測，加強對掠海飛行或采用高空彈道臨空后垂直向下攻擊的反艦導彈的觀察警戒。在收到上級指揮所或相關方向水面艦艇群指揮所通過數據鏈或其他方式通報的目標信息后，綜合使用本艦的各型對空搜索警戒雷達與光電探測設備對該目標進行驗證，發現并獲取目標的精確位置及運動要素等信息。

2）跟蹤識別

水面艦艇發現來襲目標后，保持對目標的跟蹤監視，快速查明目標位置及其飛行方向、高度、速度，確定其威脅等級，并據此制定相應的電子干擾與火力抗擊方案。

圖4 水面艦艇末端防空反導指揮流程示意圖

3）干擾抗擊

當目標即將進入水面艦艇的防空作戰區時，水面艦艇按照本艦防空作戰方案向相關武器系統下達目標指示，及時引導對目標進行電子干擾與火力抗擊。水面艦艇在末端防空反導中，以火力抗擊為主；對于電視成像、紅外成像等高智能、高精度制導的反艦導彈，積極組織光電干擾；對于雷達末制導反艦導彈，視情進行沖淡干擾，一般不進行質心干擾。

水面艦艇在實施電子干擾與火力抗擊過程中，觀察作戰效果。如果目標在我干擾與抗擊下或由于自身問題對我失去威脅，將戰果上報上級指揮所，并迅速完成彈藥裝填、裝備檢拭和人員調整等作戰間隙的戰斗準備，以利再戰；如果我遭目標襲擊受損，立即進行損害管制，力爭自救，并積極依靠編隊救援力量進行戰斗力恢復。

在末端防空反導作戰態勢下，使用電子對抗手段，通過實現無源/光電干擾手段，本艦需要開展規避動作，需要調整本艦的姿態，向平臺發送包括本艦航向、本艦航速、本艦機動時刻等機動參數。電子對抗態勢下的機動數據通過UDP方式發送到平臺信息交互模擬軟件，由平臺信息交互模擬軟件根據相應的機動數據參數返回相應的機動數據給水面艦艇作戰指揮系統。其信息交換時序圖如圖5所示。

圖5 末端防空反導各系統間信息交換時序圖

4.4 系統任務仿真效果

該系統可以針對當前已有任務進行管理，包括顯示任務信息和啟動任務，如圖6和7所示。

當任務模擬的時候，且相關系統在任務狀態界面，在特定步驟發生時，相應狀態表中將會接收數據，并填上接收到的相應內容，如圖8所示。

圖6 末端防空反導任務簡介及流程圖

圖7 系統任務仿真效果圖

圖8 任務模擬

5 結語

本系統的設計解決了各作戰系統之間的數據交互、數據配置圖形化的顯示以及平臺模擬軟件信息的及時反饋，但在復雜信息交互環境下該系統與實船所搭載系統還存在一定差距，設計的流程只是按照常規流程進行設計，遇到特殊情況時系統將無法進行模擬。為進一步提高作戰效率下一步還將對該系統進行任務的細化，在任務的定制上考慮更多可能出現的情況，將展示效果做得更加簡潔直觀，方便決策者做出判斷。

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