國內外反水雷裝備模擬訓練系統綜述

楊振宇，唐君超杰

（1.海軍研究院，北京 100161；2.中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

為了更好地熟悉和掌握武器性能、戰術戰法，實裝演練是目前應用廣泛的一種訓練方法。然而，隨著越來越多的高、精、尖武器裝備的投入使用，實裝演練費用高昂、規模受限等缺點也越發明顯，特別是對于反水雷裝備這種集多載體、多目標為一體的復雜系統，實裝演練不僅成本高昂、準備工作復雜，并且還存在較高的安全風險。隨著信息技術的發展，反水雷裝備模擬訓練正逐步取代實裝，成為各國研究的重點。模擬訓練是指利用模擬訓練系統實現的模擬作戰環境、作戰過程和武器裝備作戰效應下，所進行的操作技能訓練、軍事訓練、軍事作戰演習、戰法研究演練等全過程。因其具有安全、經濟、高效、可控、可重復、不受場地天氣限制等優勢，目前受到了廣泛關注[1]，特別是反水雷模擬訓練系統，作為海軍模擬訓練系統的重要組成部分，近年來成為了國內外研究的熱點[2-3]。

在研究外軍典型反水雷裝備模擬訓練系統的組成、功能、使用方式、特點規律的基礎上，通過與國內現有的反水雷模擬訓練系統進行對比分析，為國內反水雷裝備模擬訓練系統的發展提供參考和借鑒。

1 國外典型反水雷模擬訓練系統分析

1.1 美國反水雷模擬訓練系統

美國是世界上最早開展模擬訓練研究和應用的國家之一，其技術和裝備一直處于國際領先地位。美軍配有MCM級反水雷艦和MHC級沿岸獵雷艇，為解決反水雷訓練成本高昂的問題，AN/SSQ-94（V）反水雷模擬訓練裝置應運而生。該模擬訓練裝置可模擬 AN/SLQ-48滅雷系統、AN/SQQ-32獵雷聲吶、AN/SNN-2（V）精確綜合導航系統以及AN/SYQ-13（V）導航指控系統的控制臺，可供MCM級和MHC級艦的作戰信息中心人員單獨訓練或分組訓練。此外，AN/SSQ-94（V）還提供了六自由度的艦艇水動力模型以真實地模擬艦艇的運動，供船員進行艦艇操縱訓練；訓練地點不限于艦上的作戰系統控制臺，可以在碼頭進行；在訓練中還可引入不同難度的訓練任務以及作戰系統故障，以測試個人或分隊在系統性能下降的環境下的反應；訓練場景結束時，系統還會提供總成績和任務總結，以便進行復盤分析[4]。

1.2 歐洲反水雷模擬訓練系統

歐洲各國的模擬訓練系統數據格式規范、模型可移植性高、系統接口技術統一、軟件模型易于擴展，各軍兵種模擬訓練系統兼容性、互操作性較強。

1.2.1 法國 ECA公司的無人反水雷系統模擬器（UMSS）

法國 ECA公司的無人反水雷系統模擬器（UMSS），其目的是比較不同反水雷裝備（獵雷艦、無人反水雷系統）在不同作戰模式下（如兩棲攻擊、港口保護、隱蔽作戰等）清除水雷的時間或清除效果等。通過使用該模擬器，ECA公司可以調整無人反水雷信息系統（UMIS）的研發方向。此外，通過在 UMIS中集成 UMSS，ECA公司可以為客戶提供有效的反水雷作戰規劃輔助工具，能根據任務區域的實際情況（如天氣、海流等）快速調整應對策略。

1.2.2 比利時-荷蘭厄格明水雷戰學校的水雷戰模擬裝置（MWSIM）

水雷戰模擬裝置（MWSIM）于1994年2月3日在比利時-荷蘭厄格明水雷戰學校舉行落成儀式，該模擬設備包括1個教官室、9個小室（3個用于獵雷，6個用于掃雷）和 1個任務匯報室。9個小室具備與大多數型號的反水雷艦艇上配備的裝置相同的設備，并配備有通用的檢測設備工作站。MWSIM設計的目的是對北約各國的各級工作人員包括指揮官和水雷戰參謀人員進行水雷戰的基礎和復習訓練、演習和戰術訓練以及作戰步驟的訓練。由于北約各國海軍的水雷戰艦艇都裝備有獨特的傳感器和戰術裝置，因此該模擬裝置的關鍵在于無論是對于艦艇還是傳感器，都應由數據庫驅動，并且學員控制臺應該是通用設計的，以便能有效地摸擬北約各國海軍中現有的各種聲吶、雷達和導航控制臺。根據目前的設置，該模擬裝置已可以模擬“的黎波利”型、“圣當”級、“復仇者”級、“勒里希”級和“頓”級等的獵掃雷艦艇[5]。

1.2.3 伯明翰大學的反水雷模擬系統（MCMSIM）

MCMSIM 的目的是用于訓練海軍反水雷潛水員。MCMSIM 的開發使用了一種開源的三維建模及動畫工具和游戲引擎Blender碼，其軟件界面同時還支持同期的三維建模與模擬工具/游戲開發工具。Blender游戲引擎利用Bullet實時物理引擎進行剛體及軟體模擬碰撞檢測，該系統還應用了虛擬現實技術。利用Blender游戲引擎和虛擬現實技術，MCMSIM 不僅能提供與現實海底世界接近的逼真訓練體驗，還可顯示受訓人員的表現記錄，包括模擬總時長、發現每個目標的時間、正確和不正確目標數量、丟失目標、發現目標百分比等，從而能夠向參與人員提供更好的反饋。

1.3 外軍反水雷模擬訓練系統特點

1.3.1 注重反水雷模擬訓練系統聯合訓練

外軍重視反水雷模擬訓練系統的頂層規劃和體系化的系統建設工作，使訓練范圍能夠覆蓋從技能訓練到指揮與控制訓練，從單個掃雷兵訓練到掃雷艦整體、掃雷艦聯合訓練。此外，通過制定模擬訓練系統數據、模型、接口、軟件研制的開發規范，實現大規模試訓一體化仿真支撐平臺。最終，依托分布式交互聯網模擬技術，把分散在不同地點的模擬器、實裝設備及有關人員聯系起來，在人工合成的電子環境中形成一個在時間和空間上相互耦合、同時共享的虛擬作戰環境，從而實現掃雷艦隊聯合訓練，甚至反水雷戰的跨域多軍兵種聯合訓練。

1.3.2 注重反水雷模擬訓練系統的逼真度

一直以來，外軍致力于虛擬現實技術的研究，并嘗試將其應用于反水雷訓練系統，以應對日益復雜的水雷戰形勢。此外，外軍還通過大力發展嵌入式模擬訓練技術，將模擬訓練與實裝訓練相結合，將模擬訓練功能嵌入到真實反水雷武器平臺中，利用真實反水雷武器系統如反水雷操控臺、水雷引信等進行訓練，從而提高訓練的逼真度。

1.4 外軍反水雷模擬訓練系統面臨的問題

1.4.1 綜合戰場模擬技術有待加強

目前外軍的反水雷模擬訓練系統中少有對戰場環境的精細建模。然而，隨著信息化技術的發展，戰場環境變得越來越復雜。具體到水雷戰中，聲、磁、電等環境干擾越來越大，將嚴重影響反水雷武器的工作。未考慮環境干擾的反水雷模擬訓練系統跟實際的水雷戰有著較為明顯的差距。因此，在反水雷模擬訓練系統中，建立復雜戰場環境模型是必然的趨勢。

1.4.2 模擬訓練評估技術有待完善

雖然目前外軍的反水雷模擬訓練系統中，已有一些針對訓練結果的總結，但仍未形成系統的分析評估體系。完整的分析評估體系應包括分析庫的建立，對重大事件、狀態改變分析。在反水雷模擬訓練系統中，重大事件主要是指水雷爆炸，要對引起水雷爆炸的電、磁、聲各場，以及掃雷艦此時的狀態（包括相對水雷的距離、方位，和水雷爆炸對其影響等）進行分析，最后給出詳細的分析評估報告。

2 國內反水雷裝備模擬訓練系統發展啟示

2.1 國內反水雷模擬訓練系統分析

華中科技大學與國防科技大學于2002年聯合推出了水雷反水雷武器仿真對抗軟件[6]。該軟件是基于國防科技大學DIS-LINK開發的分布交互式仿真軟件。其中，實物包括水雷組合引信、磁場模擬器、聲場電信號模擬器、水壓場模擬器、全磁場掃雷模擬器和聲振動測量儀；仿真模擬包括掃雷艦、獵雷艦、掃雷具、各型水雷、物理場（聲、磁、水壓場）和有關戰術軟件。該軟件建立了水雷武器和反水雷武器的仿真模型，并加載到分布交互式仿真系統中進行對抗，實現了水雷非觸發引信和非接觸掃雷武器試驗的仿真，以及水雷戰（包括布雷作戰和反水雷作戰）仿真試驗。

文獻[7]中針對非接觸式掃雷仿真技術進行了研究，并建立了半實物對抗仿真系統。該仿真系統由水雷引信供電電源、水雷電子引信系統、目標背景（掃雷信號）實時生成系統、多路信號衰減裝置、仿真監控機管理軟件模塊、接口裝置以及引信動作及效能評估軟件組成。通過建立艦船輻射噪聲模型、艦船水壓場信號、艦船磁場信號等目標艦船物理場信號以及聲掃雷信號、磁掃雷信號等反水雷模型，可實現以下功能：仿真模擬現代智能水雷打擊目標的水聲物理場特性，檢驗并考核水雷對目標的探測及打擊能力；模擬掃雷兵器產生的水聲物理場，并將之耦合進行水雷引信，考核掃雷兵器對水雷的掃除性能，以及水雷的抗掃能力。

此外，水雷戰還深受海洋環境影響，海軍蚌埠士官學校對此進行了研究，提出了水雷戰場環境仿真系統[8]。該仿真系統包括水深、潮汐仿真，海流要素仿真，海浪、噪聲要素仿真，海洋溫度、鹽密度仿真，海水透明度仿真，海洋生物群仿真，海洋地質地形仿真。該仿真系統能為外部提供兩種環境服務：一是通過環境調控與分發軟件向相關模擬訓練器、綜合導控評估系統周期發送環境仿真數據，按需向綜合導控或模擬訓練器發送視景生成支持數據；二是通過數據管理為相關綜合導控臺與模擬訓練器提供數據查詢。

2.2 國內反水雷模擬訓練系統發展啟示

綜上所述，反水雷模擬訓練系統涉及水雷武器引信模型、反水雷武器物理場模型以及海洋環境模型等，是一種較為復雜的模擬訓練系統。國內的反水雷模擬訓練系統主要以研究性課題成果進行推廣應用，雖然在反水雷訓練中發揮了一定的作用，但與外軍相比，仍然存在缺少系統規劃、系統逼真度不足、編隊功能欠缺等問題。基于目前反水雷模擬訓練系統的現狀及需求，結合外軍反水雷模擬訓練系統的特點，分析國內反水雷模擬訓練系統亟需解決的技術，并總結如下。

2.2.1 加強反水雷模擬訓練系統頂層規劃

一方面，通過制定訓練系統配套方案和研制計劃，制定已有模擬訓練系統改造升級計劃和方案，并在此基礎上開展模擬訓練技術體系梳理工作，明確模擬訓練技術體系架構、技術方向，促進模擬訓練技術體系的快速建立，加強軍用模擬訓練體系頂層規劃與設計。另一方面，建立反水雷模擬訓練系統標準規范體系，系統地制定各類反水雷模擬訓練系統研制開發規范，包括軟件、模型、接口等開發規范，為各類反水雷模擬訓練系統集成，實現“分布式”多兵種聯合訓練奠定基礎。

其中涉及的關鍵技術包括以下2種。

1）系統標準化技術：做到統一規范數據類型和技術框架，加強各類模型、數據庫的開放性和擴展性，做好各類數據庫數據的收集工作，從而實現反水雷模擬訓練系統的系列化、通用化和標準化。

2）分布式仿真技術：運用分布式網絡系統，把分散在不同地點的軟件、硬件設備及有關人員聯系起來，從而減少部隊調動、降低訓練費用。

2.2.2 加強反水雷模擬訓練系統逼真度

加強虛擬現實技術的研究，并將其應用于反水雷模擬訓練系統中，提高反水雷模擬訓練系統的逼真度。此外，通過發展反水雷模擬訓練的嵌入式技術，重點解決嵌入式訓練與操作控制之間的安全切換、嵌入式復雜可視化戰場設計、嵌入式評估等問題，將真實反水雷武器系統如反水雷操控臺、水雷引信等與模擬訓練相結合，提高模擬訓練系統的逼真度。目前水雷戰中，海洋環境對反水雷武器裝備作戰效能影響越來越大，因此，建立虛擬戰場環境和復雜干擾環境（如電、磁、聲、熱等干擾）背景下的模擬訓練系統也成為一種重要發展趨勢。

其中涉及的關鍵技術包括以下幾種。

1）虛擬現實技術：一方面，發展新一輪的更高逼真度的虛擬現實技術系統；另一方面，虛擬現實技術的針對性和適用性更強，安全性和經濟性更好，滲透到反水雷模擬訓練系統的各層次、各階段、各環節中。

2）嵌入式技術：利用嵌入式模擬訓練技術，將模擬訓練與實況訓練相結合，將反水雷操控臺、水雷引信等武器裝備實物應用于反水雷模擬訓練系統中，從而提高訓練的逼真度，減少訓練投入及訓練場地依賴度。

3）綜合戰場模擬技術：考慮戰場環境因素的影響，對電、磁、聲等干擾因素進行建模，使反水雷模擬訓練系統的仿真環境更接近于現實戰場環境。

3 結束語

本文首先介紹了美國的AN/SSQ-94（V）反水雷模擬訓練系統、法國ECA公司的無人反水雷系統模擬器、比利時-荷蘭厄格明水雷戰學校的水雷戰模擬裝置以及伯明翰大學的反水雷模擬系統。基于上述反水雷模擬訓練系統，總結外軍反水雷模擬訓練系統的特點為注重聯合訓練與逼真度，同時指出其主要問題包括戰場環境模擬技術及模擬訓練評估技術等需要加強。通過與國內已有的幾種反水雷模擬訓練系統進行分析對比，得到國內反水雷模擬訓練系統建設發展啟示，主要包括加強反水雷模擬訓練系統頂層規劃以及加強反水雷模擬訓練的逼真度2方面，也從中指出國內反水雷模擬訓練系統亟需解決的關鍵技術，包括系統標準化技術、分布式仿真技術、虛擬現實技術、嵌入式技術以及綜合戰場模擬技術。