基于HLA的艦載嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

徐遠(yuǎn)新，林平，徐海剛

(海軍兵種指揮學(xué)院，廣東 廣州510431)

1 引言

艦艇軍事訓(xùn)練按實(shí)施場(chǎng)所可分為:岸基訓(xùn)練、駐泊操演和航行訓(xùn)練。岸基訓(xùn)練一般采用模擬訓(xùn)練方式來(lái)組織實(shí)施，包括實(shí)物模擬訓(xùn)練、半實(shí)物模擬訓(xùn)練和計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練。例如，在訓(xùn)練中心實(shí)施的損管訓(xùn)練就是一種實(shí)物模擬訓(xùn)練的例子。模擬艦橋的“艦艇操縱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”是一種半實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其人機(jī)接口采用實(shí)際裝備，由計(jì)算機(jī)生成海上視景，并模擬艦艇的操縱性能。駐泊操演是指艦艇停泊在港口或錨地所進(jìn)行的各種訓(xùn)練，包括設(shè)備操作訓(xùn)練和部署操演。航行訓(xùn)練是在海上進(jìn)行的訓(xùn)練，在真實(shí)的航行環(huán)境中進(jìn)行各種科目的訓(xùn)練，例如對(duì)海攻擊訓(xùn)練、反潛訓(xùn)練等。岸基模擬具有組織實(shí)施簡(jiǎn)單、器材損耗小、訓(xùn)練效益高(一次施訓(xùn)可以訓(xùn)練幾十人)的優(yōu)點(diǎn)，但也存在仿真度難以完全和實(shí)際情況一致，操作使用的設(shè)備不完全和真實(shí)設(shè)備一致，重訓(xùn)流程輕練技能的缺點(diǎn)。駐泊訓(xùn)練和航行訓(xùn)練目前仍然是軍事訓(xùn)練的最重要的組織手段之一，是形成關(guān)鍵技能、提高指揮官戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)的最重要途徑，具有針對(duì)性強(qiáng)、訓(xùn)練逼真、訓(xùn)戰(zhàn)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，但也具有組織實(shí)施復(fù)雜、裝備器材損耗多的缺點(diǎn)。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，結(jié)合這兩類訓(xùn)練方式的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展了嵌入式模擬訓(xùn)練技術(shù)。

嵌入式模擬訓(xùn)練是指將模擬訓(xùn)練設(shè)備連接到實(shí)際的系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)、控制和優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行，以達(dá)到訓(xùn)練系統(tǒng)操作人員和艦艇指揮員的目的。美國(guó)海軍的艦艇訓(xùn)練激勵(lì)系統(tǒng)(OBTS)就是一種嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，它連接到指揮控制系統(tǒng)中，能生成訓(xùn)練海區(qū)虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和敵我態(tài)勢(shì)，作為數(shù)據(jù)源送入指揮控制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

我軍也研制了類似系統(tǒng)，但訓(xùn)練功能單一，偏向戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練和流程訓(xùn)練，模型的仿真度相對(duì)較低，并且缺乏對(duì)單系統(tǒng)/設(shè)備操作級(jí)訓(xùn)練的支持。本文提出一種能滿足單系統(tǒng)/設(shè)備操作級(jí)訓(xùn)練、多系統(tǒng)協(xié)同訓(xùn)練以及多艦艇戰(zhàn)術(shù)協(xié)同訓(xùn)練的新型嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案。

2 艦載嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)需求分析

嵌入式模擬訓(xùn)練必須從兩個(gè)方面支持艦艇訓(xùn)練。一是必須支持單系統(tǒng)/設(shè)備操作級(jí)訓(xùn)練，二是支持艦上所有系統(tǒng)(特別是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng))的協(xié)同訓(xùn)練。

2.1 單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備需求分析

單設(shè)備操作級(jí)操作訓(xùn)練在艦艇訓(xùn)練中占有很重要的地位，它是一種基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練。只有在完成單設(shè)備操作級(jí)操作訓(xùn)練之后，才能實(shí)施系統(tǒng)級(jí)協(xié)同訓(xùn)練。涉及作戰(zhàn)指揮控制的艦上設(shè)備包括:指控系統(tǒng)臺(tái)、傳感器(雷達(dá)、聲納、電子偵察設(shè)備、敵我識(shí)別器)、武器系統(tǒng)(導(dǎo)彈、火炮、魚(yú)雷、反雷武器、火箭深彈、無(wú)源干擾等)、導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)鏈)。

單設(shè)備操作級(jí)操作訓(xùn)練對(duì)仿真模型的仿真度要求很高。例如，對(duì)雷達(dá)操作手進(jìn)行培訓(xùn)的嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，除了要模擬出不同性質(zhì)目標(biāo)的雷達(dá)回波特性之外，還要模擬出地形、海浪和不同氣象下的雜波，以及我方和敵方實(shí)施電子干擾對(duì)該雷達(dá)的影響。只有設(shè)計(jì)出這樣的訓(xùn)練系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)“訓(xùn)戰(zhàn)一致”，鍛煉雷達(dá)操作手的技能。

單設(shè)備操作級(jí)操作訓(xùn)練應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)艦員的自我培訓(xùn)，也就是說(shuō)，無(wú)需在教練員的指導(dǎo)下開(kāi)展訓(xùn)練。這需要模擬訓(xùn)練設(shè)備實(shí)現(xiàn)人員操作識(shí)別、診斷、提示和評(píng)估功能。

2.2 本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備需求分析

通過(guò)模擬訓(xùn)練設(shè)備生成與訓(xùn)練科目相符合的海戰(zhàn)場(chǎng)虛擬環(huán)境，包括:水文氣象條件、地理環(huán)境、各類實(shí)體目標(biāo)以及電磁目標(biāo)。其中實(shí)體目標(biāo)具有一定的智能行為，能根據(jù)敵我的態(tài)勢(shì)、環(huán)境以及戰(zhàn)術(shù)要求對(duì)自身的機(jī)動(dòng)、火力運(yùn)用進(jìn)行自主決策。

生成的態(tài)勢(shì)應(yīng)與實(shí)際作戰(zhàn)完全一致。傳感器模擬軟件接收態(tài)勢(shì)信息，根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果，將能發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)以實(shí)際的報(bào)文格式，經(jīng)實(shí)際作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指揮控制臺(tái)。

模擬訓(xùn)練設(shè)備應(yīng)獲取指揮員以及設(shè)備操作人員的操作，如下達(dá)目指、撤銷目指、傳感器操作管理等。同時(shí)，還應(yīng)給出命令輸入界面，用于響應(yīng)指揮員的指揮口令。模擬訓(xùn)練設(shè)備模擬武器的打擊效果，以及機(jī)動(dòng)規(guī)避的效果，用來(lái)對(duì)指揮員的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用情況進(jìn)行評(píng)估。

模擬訓(xùn)練設(shè)備應(yīng)具有導(dǎo)調(diào)能力。首先，具備想定管理能力，包括想定的編輯、生成和顯示預(yù)覽能力;其次，具備對(duì)目標(biāo)(實(shí)體目標(biāo)和電磁目標(biāo))的干預(yù)能力，包括增加、修改和刪除目標(biāo)，并且能干預(yù)實(shí)體目標(biāo)的自主決策行為。

3 設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)以上的模擬訓(xùn)練需求，提出以下的設(shè)計(jì)方案。

3.1 單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備方案

在作戰(zhàn)系統(tǒng)中，單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練是指對(duì)單個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，其訓(xùn)練對(duì)象包括:各型雷達(dá)操作手、電子戰(zhàn)系統(tǒng)操作手、水聲系統(tǒng)操作手、艦艦彈系統(tǒng)操作手、艦空彈系統(tǒng)操作手、魚(yú)雷武器系統(tǒng)操作手等。

以雷達(dá)系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練為例，實(shí)現(xiàn)單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練通常有兩種方案。

第一種為由專門的模擬訓(xùn)練設(shè)備實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)模擬功能，并根據(jù)雷達(dá)性能參數(shù)，經(jīng)過(guò)模型解算將能被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)參數(shù)以數(shù)據(jù)報(bào)文方式送真實(shí)雷達(dá)顯示。這種方式下，模擬訓(xùn)練設(shè)備的數(shù)據(jù)以作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一格式向真實(shí)雷達(dá)設(shè)備的處理機(jī)發(fā)送，真實(shí)雷達(dá)接收到目標(biāo)數(shù)據(jù)后，在雷達(dá)熒幕上顯示出目標(biāo)的回波。雷達(dá)的探測(cè)模型由模擬訓(xùn)練設(shè)備運(yùn)行，一個(gè)模擬訓(xùn)練設(shè)備可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)幾部雷達(dá)，但不能實(shí)現(xiàn)雜波模擬以及雷達(dá)受干擾時(shí)候的回波模擬。

第二種方案與的一種方案類似，只是模擬訓(xùn)練設(shè)備向真實(shí)雷達(dá)發(fā)送的不是數(shù)字報(bào)文，而是專門的雷達(dá)視頻脈沖信號(hào)。這種方式下，模擬訓(xùn)練設(shè)備上必須安裝專門的雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器，由它生成雷達(dá)視頻脈沖信號(hào)送真實(shí)雷達(dá)的回波處理器。雷達(dá)的后續(xù)處理與真實(shí)設(shè)備完全一致，最終也在雷達(dá)的熒幕上顯示目標(biāo)的回波。只要在模擬訓(xùn)練設(shè)備上運(yùn)行雜波模擬模塊和電子干擾效果模擬模塊，則在這種方式下可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)雜波模擬以及雷達(dá)受干擾時(shí)候的回波模擬。這種方案適合雷達(dá)設(shè)備參與全艦系統(tǒng)訓(xùn)練，不適合單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練。

為實(shí)現(xiàn)既能分訓(xùn)，又能合訓(xùn)的需求，本文提出一種新的方案。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該方案將單設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練分為兩個(gè)軟件配置項(xiàng):態(tài)勢(shì)生成與訓(xùn)練管理，雷達(dá)仿真器。

其中，態(tài)勢(shì)生成與訓(xùn)練管理為一個(gè)HLA聯(lián)邦成員，主要功能包括:雷達(dá)訓(xùn)練想定的編輯、保存和管理，雷達(dá)訓(xùn)練態(tài)勢(shì)的生成與控制，獲取設(shè)備操作評(píng)估結(jié)果，進(jìn)行人員訓(xùn)練管理。

雷達(dá)仿真器為一個(gè)HLA聯(lián)邦成員，主要功能包括:接收態(tài)勢(shì)信息，運(yùn)行雷達(dá)仿真模型，記錄操作手按鍵操作，進(jìn)行操作步驟正確性診斷和操作能力評(píng)估。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，態(tài)勢(shì)生成與訓(xùn)練管理聯(lián)邦成員既可運(yùn)行于一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備(例如運(yùn)行于作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓(xùn)練設(shè)備之上)，也可作為一個(gè)獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行于真實(shí)雷達(dá)的信息處理機(jī)中。雷達(dá)仿真模型應(yīng)包含雜波模擬模型和干擾效果模擬模型，仿真模型輸出為真實(shí)雷達(dá)的視頻回波，由真實(shí)雷達(dá)按實(shí)際的處理流程進(jìn)行信號(hào)處理。

3.2 本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備方案

本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備要為艦艇長(zhǎng)提供一個(gè)逼真的訓(xùn)練環(huán)境，包括:與科目訓(xùn)練內(nèi)容協(xié)調(diào)一致的訓(xùn)練想定，使用與實(shí)際作戰(zhàn)完全一致的操作環(huán)境，符合假想敵戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用原則的藍(lán)方兵力行動(dòng)模擬，符合裝備性能的探測(cè)效果模擬，以及符合實(shí)際的武器使用效果模擬。

本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備提供兩種訓(xùn)練方式:一是實(shí)現(xiàn)指揮員個(gè)人訓(xùn)練的作戰(zhàn)室訓(xùn)練方式;二是全艦協(xié)同訓(xùn)練方式。

3.2.1 本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備與其他設(shè)備關(guān)系

當(dāng)實(shí)施全艦協(xié)同訓(xùn)練時(shí)，作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的所有設(shè)備均可參與訓(xùn)練，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 全艦協(xié)同訓(xùn)練示意圖

圖2 中，每類作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)備都有一個(gè)仿真器參與模擬訓(xùn)練，該仿真器與設(shè)備級(jí)的仿真器完全一致。虛線部分表示的是作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)際的報(bào)文聯(lián)系，遵循作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文交互協(xié)議;而實(shí)線指的是仿真器和模擬訓(xùn)練設(shè)備之間通過(guò)HLA的RTI進(jìn)行聯(lián)系。模擬訓(xùn)練設(shè)備通過(guò)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文交互協(xié)議與作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行交互。

仿真器和模擬訓(xùn)練設(shè)備之間采用HLA協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，是為了方便實(shí)現(xiàn)分練和合練，無(wú)需進(jìn)行軟件修改，設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練的仿真器只要加入本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練聯(lián)邦，就可以參加全艦協(xié)同訓(xùn)練。

3.2.2 本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備軟件功能劃分

本艦戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)圖

其中，訓(xùn)練管理模塊實(shí)現(xiàn)以下功能:想定顯示、編輯、修改和保存，想定數(shù)據(jù)管理，仿真運(yùn)行態(tài)勢(shì)顯控，仿真模型調(diào)度管理，訓(xùn)練干預(yù)界面，HLA聯(lián)邦成員管理、聯(lián)邦運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)分發(fā)管理，訓(xùn)練記錄和重演，訓(xùn)練效果評(píng)估。

仿真模型運(yùn)行模塊實(shí)現(xiàn)仿真的核心功能，當(dāng)執(zhí)行指揮員個(gè)人訓(xùn)練時(shí)，包含仿真模型全集，包括:航海相關(guān)計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等通用計(jì)算模型，艦艇、飛機(jī)、潛艇、導(dǎo)彈、魚(yú)雷等實(shí)體機(jī)動(dòng)性模擬模型，雷達(dá)、聲納、目力觀察等觀測(cè)手段功能模擬模型(全艦協(xié)同訓(xùn)練時(shí)不需運(yùn)行)，火炮、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等兵器攻擊效果模擬模塊，藍(lán)方兵力行動(dòng)模擬模型，訓(xùn)練效果評(píng)估模型。

作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)接口模塊包括以下功能:與本艦指揮控制系統(tǒng)接口，與時(shí)統(tǒng)設(shè)備接口，與導(dǎo)航系統(tǒng)接口，與武器系統(tǒng)接口。

RTI接口模塊包括RTI運(yùn)行平臺(tái)和各成員的FOM(聯(lián)邦對(duì)象模型)、SOM(聯(lián)邦成員對(duì)象模型)以及交互類模型，主要實(shí)現(xiàn)全艦協(xié)同訓(xùn)練方式下，模擬訓(xùn)練設(shè)備與作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中各設(shè)備仿真器之間的交互。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)水面艦艇嵌入式模擬訓(xùn)練的需求，提出了設(shè)備操作級(jí)模擬訓(xùn)練和全艦協(xié)同訓(xùn)練概念，并提出實(shí)現(xiàn)這兩種訓(xùn)練模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用HLA規(guī)范實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)仿真器與本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬訓(xùn)練設(shè)備的互聯(lián)，不僅可以實(shí)現(xiàn)單設(shè)備仿真器的分訓(xùn)，而且可以參與全艦協(xié)同訓(xùn)練，還可以實(shí)現(xiàn)整艦與其他艦艇進(jìn)行編隊(duì)協(xié)同訓(xùn)練。

1 徐軍.艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)嵌入式模擬訓(xùn)練技術(shù)研究［J］.指揮控制與仿真，2008(6):110-113.

2 唐劍峰.艦艇嵌入式編隊(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［C］//劉新華.作戰(zhàn)輔助決策與軍事系統(tǒng)工程.北京:海潮出版社，2007.

3 胡斌.基于自然語(yǔ)言理解的文本標(biāo)圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005(2):132-136.

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