靶場聯合試驗評估需求與應用研究*

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型的關鍵時期，聯合作戰、信息戰、網絡中心戰等作戰方式在未來的大量應用中對武器裝備研制、試驗提出了多方位、深層次的挑戰，它需要基于異類、異構、異地的各種測控資源之間實現互操作和可重用，為試驗和訓練提供一種新的技術基礎。目前靶場各專業針對自己的試驗訓練需求，已經建立了多種模擬試驗訓練系統。但這些系統“煙囪式開發”狀況嚴重，各系統之間難以共享資源，相互操作。因此，為了形成整個靶場的聯合試驗訓練與評估，迫切需要一種能夠充分利用靶場各種試驗訓練資源，使各種資源之間實現互操作、可重用和可組合的機制。在平時就實現各試驗訓練靶場設施、儀器儀表、模型與仿真系統的互連，在使用時根據具體目標按需“無縫集成”。從而使“煙囪化建設”的靶場變為一體化聯合試驗訓練的靶場聯合體［1～2］。

2 當前靶場試驗訓練系統建設在集成共享方面的缺陷

2.1 異類異構異地仿真試驗訓練系統綜合集成方面

2.1.1 異類仿真系統綜合集成方面

靶場現有的半實物仿真系統屬于硬實時系統，回路中硬件的狀態變化不可逆轉，對實時性的要求很嚴格，而HLA并沒有對此提出具體實現方法。為了保證仿真系統的協調運作、維護虛擬世界中正常的因果邏輯順序，HLA需要對聯邦進行嚴格的時間管理，而其復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與全數字仿真系統的綜合集成造成了一定的困難。目前，靶場使用的基于HLA的仿真訓練系統與半實物仿真系統沒有實現有效的聯合，只能夠分別單獨應用。目前國外在將HLA與半實物仿真的結合方面已有不少典型的應用，但是我國在該方面始終無法擺脫國外技術壟斷或敏感技術禁運等風險，技術上受到國外技術壁壘的嚴重限制。

2.1.2 異地仿真系統綜合集成方面

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

HLA解決了模型重用和互操作問題，其運行時支撐系統RTI的一些具體實現（P-RTI、KD-RTI等）大量使用了組播技術，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上的應用［7］。由于目前廣域網（除MBone網外）不支持組播通信這種方式，在局域網環境運行良好的分布式仿真系統，在廣域網上基于普通網絡連接方式，已無法將各仿真節點組織成一個仿真系統，更無法完成節點間的分布式交互。因此需要構建新的平臺體系結構實現基于廣域網的分布式仿真系統。

2.1.3 異構仿真系統綜合集成方面

HLA只為分布仿真提供一個高層的體系結構，不對具體的仿真應用系統的設計和實現進行規范，因此目前出現了基于不同應用領域、不同仿真平臺和不同地域等特點的各種異構仿真系統。在靶場，這一現象表現為基于HLA的分布式仿真訓練系統并不是基于同一種RTI下構建的，所采用的RTI包括P-RTI、BH-RTI等。由于缺乏統一的通信協議標準、規范的仿真平臺框架，使這些仿真系統難以直接進行互聯，限制和降低了分布仿真的重用性和互操作性［3］。

各種應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用軟件，這要求軟、硬件平臺和應用系統之間能夠進行可靠和高效的數據傳遞或轉換，以保證各系統之間的協同性，在不同的技術之間共享資源［4］。因此需要實現一種獨立的中間件來實現這種要求。該中間件應滿足以下特點：

1）能夠滿足大量仿真應用的需要；

2）能夠運行于多種硬件和操作系統平臺；

3）支持分布式計算，提供跨網絡、硬件和操作系統平臺的交互功能；

4）支持標準的協議和接口。

2.2 仿真系統與靶場其他資源綜合集成方面

為了實現靶場試驗訓練資源的充分利用，促進各種資源的互用性、重用性與組合型，以便能夠根據具體任務要求快速、高效地建立一個“邏輯靶場”［5］。除靶場的仿真試驗訓練系統外，靶場的其他資源和能力（實裝設備、儀器儀表和高性能計算能力）也需要通過網絡集成起來。最終實現“邏輯靶場”各單元之間信息互聯互通，靶場資源靈活配置組合，試驗環境模擬，對抗訓練環境模擬，時間統一，試驗訓練信息實時采集，實時監控指揮，試驗訓練指揮輔助決策，試驗結果快速處理，訓練效果分析評估，試驗訓練仿真推演，試驗訓練實時記錄，試驗訓練過程重現和試驗訓練信息安全保護等功能。

3 分布式聯合仿真平臺靶場工程應用模式探討

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

3.1 艦艇作戰系統試驗方案推演、優化系統

靶場試驗方案是靶場試驗部門根據國軍標和技戰指標制訂的試驗方案，是試驗科技人員集體智慧的結晶，是歸靶場所有的具有自主知識產權的一類特殊產品。因此，可以之作為切入點，以試驗理論為基礎，以先進仿真技術、虛擬現實技術、網絡技術等為手段，以被試艦艇作戰系統、參試設備、參試單位、靶場自然環境的數字模型為核心，實現一種基于分布式仿真技術的試驗方案推演優化系統，完成試驗方案的設計、推演與優化等全過程業務內容，并提供測試設備類型選擇、布站優化、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試驗所采用的試驗方案推演、優化仿真系統為例，具體闡述分布式聯合仿真技術在艦艇作戰系統試驗領域的試驗方案驗證、推演與優化方面的作用。該試驗方案仿真驗證系統組成如圖1所示，由“模型封裝”、“模型管理”、“任務想定”、“仿真運行”、“綜合顯示”和“數據管理”等子系統構成。各子系統功能如下所述：

1）模型封裝子系統

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、優化仿真系統組成結構圖

2）模型管理子系統

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

3）任務想定子系統

任務想定子系統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“運行系統配置文件”，供仿真引擎調用。

4）仿真運行子系統

該子系統實現本平臺的核心功能，用于實現驗證任務描述的仿真進程，在任務框架的約束下，通過仿真運行框架調度、數據加載、模型解算、數據交互、仿真過程干預控制等過程完成用戶需要的仿真驗證。

5）綜合顯示子系統

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

6）數據管理子系統

用于對本平臺仿真過程與結果數據庫、數據文件進行日常管理和維護，消息日志管理，同時完成外部數據的格式轉換。

3.2 艦艇作戰系統試驗模擬訓練系統

艦艇作戰系統試驗模擬訓練所涉及的先進分布式仿真技術、虛擬現實技術、網絡技術、軟件工程技術等理論與技術都具有較高的成熟度，例如美國三軍作戰實驗室，已經廣泛采用分布交互式仿真技術與虛擬現實技術，實現對不同武器及指揮、控制、情報、監視和偵查系統的虛擬訓練。同時，網絡戰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，也為受訓者在逼真的虛擬環境中進行“試驗”訓練提供了良好的借鑒。艦艇作戰系統試驗模擬訓練系統以軟件為主，在采用先進設計思想和體系結構，并利用相關領域前沿技術手段的情況下，只需有限經費支持就可以實現基于仿真技術的虛擬訓練空間，為不同層次、不同崗位的指揮、操作、總體人員提供不同業務內容的訓練科目，進而推動“像訓練一樣試驗”思想的實踐［9］。因此，基于分布式仿真技術實現對艦艇作戰系統試驗的模擬訓練，是分布式仿真技術在靶場應用一個很好的切入點。

以基于xx型指控系統實裝開展的艦艇指控系統仿真模擬訓練系統為例，具體闡述分布式聯合仿真技術在艦艇作戰系統訓練領域的作用。全系統由xx型指控系統實裝、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組成，該系統具體功能組成如圖2所示。

各子系統功能如下：

圖2 艦艇指控系統仿真模擬訓練系統組成結構圖

1）指揮模擬訓練子系統

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

2）操作崗位模擬訓練子系統

該子系統包括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，用于對雷達、導航、電子對抗、艦空導彈、主副炮系統等崗位操作人員的模擬仿真訓練。實現對系統操作規程、故障處置、訓練考核等進行模擬仿真訓練。實現對系統指揮流程、應急處置、輔助決策等指揮能力的訓練和考核評估。

3）可視化子系統

該子系統用于對試驗過程的二維、三維可視化。實現對艦艇運動、關鍵設備、控制與傳輸信號、設備操作與顯示界面系統的直觀演示。有利于增強受訓者對艦艇指控原理的深入掌握，提升系統的訓練水平。

4）數據服務子系統

該子系統運行于仿真系統后臺，為前臺各類仿真應用提供數據服務支持。用于對仿真模型、仿真數據、故障案例的管理；運行數學、電路原理的仿真計算；對整個仿真系統的運行進行運行調度。

3.3 艦艇指控系統試驗分布式仿真系統

鑒定定型是海軍武器裝備研制的重要環節。艦艇指控系統外場試驗具有場景構設難、涉及兵力廣、業務流程多、組織協同繁等難點，同時由于指控系統的特殊性，指控系統試驗又具有信息交互雜、數據記錄多、試驗要素全等特點，這使得每進行一次指控系統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試驗方法和統計分析方法，勢必會影響鑒定結果的準確性。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、數字仿真和混合仿真。他們用這些仿真系統對艦艇指控系統的全過程進行模擬，以達到加快設計研制的目的［11～12］。為了搞好艦艇指控系統的試驗與鑒定定型，有必要建立一個經濟實用的數字仿真系統，來完成艦艇指控系統試驗任務。

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

艦艇指控系統試驗分布式仿真系統組成結構圖如圖3所示。

圖3 艦艇指控系統試驗分布式仿真系統組成結構圖

各子系統功能如下：

1）試驗監管子系統

該子系統用于實現對整個試驗系統的綜合控制，包括試驗想定加載、數據裝訂、系統運行控制、試驗流程控制、各系統運行狀態監控和兵力行動及設備狀態顯示等。

2）兵力模擬子系統

該子系統在模型驅動下，對艦載指控系統試驗相關環境、本艦兵力和平臺兵力進行模擬，為指控系統試驗提供虛擬兵力平臺和裝備支持，并可在接入實裝，生成模擬數據，形成虛實結合的試驗環境。

3）被試系統內場運行子系統

該子系統通過加載不同指控實裝軟件分別各型指控系統，實現對四型指控系統的功能模擬，同時，通過接收兵力模擬子系統生成的各類模擬信息和數據，獲取相應的試驗結果參數，得到被視系統內場試驗結論。

4）數據采集處理與評估子系統

該子系統試驗前完成驗前分布、驗前概率及驗前信息分析估計，實現對輸入誤差與試驗結果分離，完成驗前數據準備和試驗輸入參數過濾；試驗運行中實時采集試驗數據，完成對關鍵數據的采集和記錄；并可根據預設評估指標完成對試驗項目的檢驗。最終，可通過評定參數區間劃分和折合因子，對比分析采集內場試驗系統和外場試驗數據差異，實現對內場試驗的可靠性估計。

4 結語

我軍目前正在大力推進部隊轉型，在聯合環境下發展作戰能力是部隊轉型的重要內容，聯合作戰環境將是未來武器作戰的基本環境，如何使新研制的裝備在聯合環境中發揮最大效能，是目前試驗鑒定領域面臨的新課題與新挑戰。基于分布式聯合仿真支撐平臺構建聯合試驗環境，能夠更高效地利用靶場資源，提高聯合試驗能力，最大程度地降低未來靶場運作的費用。與科研院所聯合攻關，自主開發我國自有知識產權的聯合仿真支撐平臺以及相關的各種核心軟件工具，并在靶場實現其具體應用，是我們未來工作的重點內容。