基于VBS3的裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 帥，王 瑞，張宏江，魏永勇

(1. 航天工程大學(xué)研究生院，北京 100141；2. 陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心，北京 100072；3. 中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

1 引言

新時(shí)期武器裝備體系設(shè)計(jì)、體系建設(shè)、體系運(yùn)用、體系評(píng)估特征日益明顯，這對裝備試驗(yàn)鑒定提出了更高要求，需要以裝備體系為評(píng)估對象，注重體系對抗檢驗(yàn)。裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)就是從體系對抗這一關(guān)鍵因素出發(fā)，以聯(lián)合作戰(zhàn)為背景，以檢驗(yàn)裝備體系作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)適用性，發(fā)現(xiàn)裝備體系短板弱項(xiàng)為主要目的，成建制、成體系的裝備試驗(yàn)鑒定活動(dòng)，是檢驗(yàn)裝備體系設(shè)計(jì)能否滿足戰(zhàn)爭需要、新研裝備能否有效融入作戰(zhàn)體系的重要手段[1-3]。

在裝備的論證、設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)與評(píng)估中廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)和仿真，已成為武器裝備研究與軍事技術(shù)發(fā)展的趨勢[4-8]。裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)具有成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、樣本少以及對抗考核難等諸多特點(diǎn)，需要采取實(shí)裝試驗(yàn)和仿真模擬相互補(bǔ)充、相互支撐的方式，利用實(shí)裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)、演訓(xùn)數(shù)據(jù)等持續(xù)校驗(yàn)裝備和作戰(zhàn)行動(dòng)模型，通過高頻度仿真獲取海量數(shù)據(jù)，依托緊耦合評(píng)估模型生成評(píng)估結(jié)果，形成可信度高的裝備體系作戰(zhàn)效能、體系貢獻(xiàn)率、建設(shè)效費(fèi)比等評(píng)估結(jié)論，切實(shí)對裝備體系改進(jìn)升級(jí)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效支撐，加速提升裝備體系作戰(zhàn)能力生成。

本文以合成部隊(duì)裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)為背景，針對其試驗(yàn)體系化、對抗化特征，提出了基于VBS3(Virtual Battlespace 3)仿真平臺(tái)構(gòu)建一套裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)的構(gòu)想，用于支撐合成部隊(duì)裝備體系對抗仿真、體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估、建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等工作，提升新形勢下裝備體系建設(shè)論證與試驗(yàn)評(píng)估能力。

2 VBS3仿真平臺(tái)簡介

VBS3是一款適用于軍事模擬、實(shí)驗(yàn)、任務(wù)預(yù)演、虛擬培訓(xùn)環(huán)境等的仿真應(yīng)用和開發(fā)平臺(tái)。作為仿真應(yīng)用平臺(tái)，該平臺(tái)具有10000多種專業(yè)的模型，結(jié)合了大量內(nèi)容庫、實(shí)時(shí)/離線場景創(chuàng)建編輯工具以及行動(dòng)審查功能，擁有先進(jìn)的仿真運(yùn)行引擎和高效的建模工具，支持開發(fā)人員通過提供的框架和工具套件來定制和擴(kuò)展平臺(tái)功能，具有良好的開放性能和完整的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，圍繞仿真工作流程，提供了組件開發(fā)、模型與場景創(chuàng)建、想定編輯與管理、數(shù)據(jù)記錄、管理控制、場景顯示、統(tǒng)計(jì)分析等一系列工具[9]，能夠很好地支持裝備體系作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域的開發(fā)和定制服務(wù)。

3 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)功能

開展典型作戰(zhàn)任務(wù)場景下的裝備體系仿真評(píng)估工作，需要構(gòu)建與試驗(yàn)評(píng)估任務(wù)相符合的裝備體系仿真評(píng)估環(huán)境，支撐裝備體系評(píng)估工作的開展。

3.1 仿真引擎支撐功能

基于VBS3平臺(tái)核心仿真引擎，能夠支撐紅藍(lán)裝備體系對抗構(gòu)造仿真，滿足實(shí)體級(jí)仿真精度要求。平臺(tái)核心仿真引擎包括物理引擎、渲染引擎、聲音引擎、網(wǎng)絡(luò)引擎及AI引擎等。其中，物理引擎能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體與環(huán)境、實(shí)體之間的碰撞與毀傷等交互功能；渲染引擎能夠?qū)Χ?、三維態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染和顯示；網(wǎng)絡(luò)引擎能夠?qū)崿F(xiàn)仿真實(shí)體間的組網(wǎng)通信及互聯(lián)互通互操作，同時(shí)支持以DIS、HLA等協(xié)議與異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)交互；AI引擎能夠?qū)崿F(xiàn)紅方和藍(lán)方作戰(zhàn)規(guī)則的編輯及驅(qū)動(dòng)，支持基于規(guī)則的仿真實(shí)體自主感知、決策和行動(dòng)；聲音引擎能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)場音效效果及語音指揮效果仿真。系統(tǒng)的公共基礎(chǔ)功能服務(wù)以平臺(tái)提供的仿真運(yùn)行框架作為實(shí)體管理器，加載組件化的仿真模型，根據(jù)作戰(zhàn)試驗(yàn)想定文件生成仿真實(shí)體、維護(hù)仿真實(shí)體池，提供查詢仿真實(shí)體和存儲(chǔ)仿真實(shí)體數(shù)據(jù)等功能；仿真引擎應(yīng)具備仿真周期設(shè)置、仿真模型運(yùn)行調(diào)度、模型內(nèi)部和外部應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互、暫停、繼續(xù)、退出等運(yùn)行控制功能。

3.2 仿真對抗推演功能

進(jìn)行紅藍(lán)裝備體系對抗仿真，仿真模型至關(guān)重要，因此需要在構(gòu)建試驗(yàn)部隊(duì)及作戰(zhàn)對手裝備/人員實(shí)體的三維模型、數(shù)據(jù)模型、毀傷模型，武器平臺(tái)戰(zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型、班組戰(zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型、群隊(duì)?wèi)?zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型，虛擬地理環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)仿真想定，依托計(jì)算機(jī)生成兵力進(jìn)行作戰(zhàn)過程仿真。計(jì)算機(jī)生成兵力能夠自主地對虛擬戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行感知，對自身狀態(tài)和其它實(shí)體的狀態(tài)做出合理的反應(yīng)，能自動(dòng)模擬實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員或武器裝備的作戰(zhàn)行為，實(shí)現(xiàn)其在裝備體系仿真對抗中的角色和職能，并提供二維態(tài)勢和三維態(tài)勢的聯(lián)動(dòng)顯示，按照評(píng)估任務(wù)的需要，采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫。

3.3 數(shù)據(jù)分析評(píng)估功能

由于試驗(yàn)評(píng)估數(shù)據(jù)來源的多樣性、多元性，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的挖掘處理、量綱歸一處理、專家經(jīng)驗(yàn)量化處理、結(jié)果數(shù)據(jù)管理等功能。能夠根據(jù)不同裝備體系使命任務(wù)和評(píng)估側(cè)重點(diǎn)，構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)能力與仿真數(shù)據(jù)、裝備性能參數(shù)等的關(guān)聯(lián)映射，形成系統(tǒng)能夠采集、量化的指標(biāo)體系。能夠支持單裝聚合、體系效能、任務(wù)貢獻(xiàn)率等不同評(píng)估算法的具體計(jì)算，通過裝配多層級(jí)、多維度的評(píng)估模型，以支持不同仿真數(shù)據(jù)輸入前提下的評(píng)估，并提供評(píng)估參數(shù)設(shè)置、評(píng)估模型管理、評(píng)估結(jié)果輸出等服務(wù)。

4 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)體系架構(gòu)

4.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

系統(tǒng)體系架構(gòu)是對仿真評(píng)估系統(tǒng)組成及其相互關(guān)系的描述，結(jié)合仿真建模、運(yùn)行與試驗(yàn)評(píng)估全過程服務(wù)的要求[10]，裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)以作戰(zhàn)仿真技術(shù)為依托，以虛擬軍事仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過對武器系統(tǒng)單裝單平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化建模，在構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中推演作戰(zhàn)行動(dòng)，驗(yàn)證作戰(zhàn)效果，為裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)提供有效的對抗仿真驗(yàn)證手段，為裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、裝備體系貢獻(xiàn)率評(píng)估和建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等提供數(shù)據(jù)支持。為了使系統(tǒng)功能更完善、結(jié)構(gòu)更清晰、開發(fā)更方便、擴(kuò)展更靈活，采用分層體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[11]，系統(tǒng)在總體架構(gòu)上主要區(qū)分為基礎(chǔ)層、模型層、服務(wù)層、功能層和應(yīng)用層5個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

4.1 基礎(chǔ)層

主要提供武器裝備、作戰(zhàn)人員、地理環(huán)境等與仿真資源相關(guān)的三維模型構(gòu)建和管理工具，建設(shè)裝備體系仿真和評(píng)估相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

4.2 模型層

基于高精度仿真引擎和基礎(chǔ)層中的模型構(gòu)建和配置工具，構(gòu)建仿真系統(tǒng)中所需的作戰(zhàn)人員、武器裝備、戰(zhàn)場環(huán)境等三維實(shí)體模型，對各種戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)進(jìn)行仿真建模，并提供仿真計(jì)算所需的毀傷計(jì)算和評(píng)估分析涉及到的指標(biāo)賦權(quán)計(jì)算、評(píng)估算子計(jì)算和評(píng)估聚合計(jì)算等模型。

4.3 服務(wù)層

主要提供地理信息服務(wù)、三維場景渲染服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信互聯(lián)服務(wù)、物理仿真服務(wù)、三維顯示控制服務(wù)、仿真推進(jìn)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫訪問服務(wù)組件、多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行控制服務(wù)、綜合評(píng)估服務(wù)、評(píng)估指標(biāo)關(guān)聯(lián)映射和權(quán)重服務(wù)、評(píng)估結(jié)果可視化組件服務(wù)和評(píng)估報(bào)告生成服務(wù)等。

4.4 功能層

開發(fā)或利用資源管理、仿真規(guī)劃、仿真管控、仿真運(yùn)行和評(píng)估分析等軟件工具，提供相應(yīng)的功能服務(wù)，滿足裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估任務(wù)需求。

4.5 應(yīng)用層

面向裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)需求，試驗(yàn)人員可靈活開展針對相關(guān)試驗(yàn)部隊(duì)裝備體系的對抗仿真，進(jìn)行試驗(yàn)部隊(duì)裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估及裝備體系建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估分析等。

5 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)在VBS3仿真支撐平臺(tái)及其已有基礎(chǔ)軟件模塊的支撐下，根據(jù)裝備體系仿真要求，對相關(guān)功能模塊和軟件工具進(jìn)行改造或定制開發(fā)，以完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)管控、試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估分析，系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

模型系統(tǒng)模塊主要是基于Agent的裝備智能行為建模技術(shù)進(jìn)行定制開發(fā)，根據(jù)仿真需要實(shí)現(xiàn)對相關(guān)環(huán)境、裝備及行為模型的調(diào)度管理，支持實(shí)時(shí)推演及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式。

模型構(gòu)建模塊主要是基于平臺(tái)自帶的裝備建模工具、行為建模工具以及環(huán)境建模工具，構(gòu)建滿足仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需要的各類模型資源。

想定編輯模塊主要是對平臺(tái)自帶的想定編輯工具加以改造，提供圖形化人機(jī)界面進(jìn)行仿真想定的創(chuàng)建、編輯等功能，將仿真的作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)場環(huán)境以及包括敵我雙方的作戰(zhàn)編組、作戰(zhàn)部署及行動(dòng)計(jì)劃等與作戰(zhàn)想定相關(guān)的內(nèi)容錄入到系統(tǒng)中，形成作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)。

態(tài)勢顯示模塊主要是依托平臺(tái)自帶的態(tài)勢顯示、顯示控制以及態(tài)勢回放等工具，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)二、三維時(shí)空一致的綜合戰(zhàn)場態(tài)勢。

運(yùn)行管控模塊主要是依托平臺(tái)自帶的仿真引擎以及運(yùn)行支撐服務(wù)、運(yùn)行綜合管控、想定監(jiān)控與管理、作戰(zhàn)行動(dòng)仿真模型解算等工具，對系統(tǒng)的運(yùn)行方式、運(yùn)行模式等進(jìn)行管理設(shè)置。

資源管理模塊主要是基于平臺(tái)自帶的模型與數(shù)據(jù)管理工具，實(shí)現(xiàn)對各類基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)資源的導(dǎo)入、編輯、維護(hù)、備份等管理功能。

數(shù)據(jù)采集模塊主要是依托平臺(tái)自帶的仿真數(shù)據(jù)采集工具，對仿真過程的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。

評(píng)估分析模塊需要定制開發(fā)相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)評(píng)估分析軟件工具，能夠?qū)ο到y(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)不同的評(píng)估目的確定評(píng)估方案，主要包括確定數(shù)據(jù)、建立評(píng)估指標(biāo)體系、確定評(píng)估模型、進(jìn)行分析評(píng)估并形成評(píng)估報(bào)告等。

6 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)組成

裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)組成如圖3所示。主要由兩大分系統(tǒng)組成，分別是裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)和裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)。其中，裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)想定實(shí)現(xiàn)仿真推演，并產(chǎn)生、采集、傳輸和存儲(chǔ)仿真數(shù)據(jù)，主要由仿真規(guī)劃與管控、模型構(gòu)建、想定編輯、資源管理、仿真運(yùn)行與控制、態(tài)勢顯示、數(shù)據(jù)采集等7個(gè)子系統(tǒng)組成；裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)是在仿真分系統(tǒng)產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)評(píng)估目標(biāo)，確定評(píng)估指標(biāo)，選擇相應(yīng)的評(píng)估模型與算法，進(jìn)行評(píng)估分析，最終生成評(píng)估報(bào)告，主要由作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估、建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等3個(gè)分系統(tǒng)組成。

圖3 仿真評(píng)估系統(tǒng)組成框圖

7 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)關(guān)系

在裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)部，裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)與評(píng)估分系統(tǒng)各自的功能以及相互之間的關(guān)系，如圖4所示。裝備體系仿真分系統(tǒng)產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，并將仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，具體存儲(chǔ)的仿真數(shù)據(jù)內(nèi)容可以根據(jù)評(píng)估指標(biāo)設(shè)定，同時(shí)支持裝備體系作戰(zhàn)仿真回放檢驗(yàn)；裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中訪問相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行體系效能、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估等，生成裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)分析評(píng)估報(bào)告。

圖4 仿真評(píng)估系統(tǒng)關(guān)系圖

8 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程

裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程

8.1 仿真準(zhǔn)備階段

仿真準(zhǔn)備階段圍繞裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估需要，將作戰(zhàn)想定中涉及的具體裝備型號(hào)、編配體制，擔(dān)負(fù)的主要作戰(zhàn)任務(wù)、紅藍(lán)雙方的作戰(zhàn)部署、行動(dòng)計(jì)劃及特定戰(zhàn)場環(huán)境錄入到系統(tǒng)中，并對試驗(yàn)要素、試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對試驗(yàn)開始時(shí)間、試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束條件、推演次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)按照格式化模板生成仿真方案數(shù)據(jù)，提交給仿真運(yùn)行與控制子系統(tǒng)，進(jìn)入仿真運(yùn)行階段。

8.2 仿真運(yùn)行階段

仿真運(yùn)行階段根據(jù)仿真規(guī)劃子系統(tǒng)生成的仿真方案數(shù)據(jù)，在分布交互仿真環(huán)境中由仿真控制模塊來控制試驗(yàn)方案運(yùn)行次數(shù)、開始、暫停等，由作戰(zhàn)行動(dòng)仿真模型解算模塊實(shí)時(shí)生成對抗環(huán)境中的仿真實(shí)體，按照作戰(zhàn)計(jì)劃和要求完成作戰(zhàn)任務(wù)，由綜合態(tài)勢顯示子系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成二、三維戰(zhàn)場態(tài)勢信息，并生成態(tài)勢回放數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)記錄仿真過程數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)實(shí)體狀態(tài)數(shù)據(jù)，為仿真評(píng)估分析提供數(shù)據(jù)支撐。

8.3 評(píng)估分析階段

評(píng)估分析階段以仿真數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)分析評(píng)估目標(biāo)和評(píng)估對象依次進(jìn)行能力分解映射、指標(biāo)體系構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重賦值、多層級(jí)評(píng)估模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包含去噪、無量綱化、關(guān)聯(lián)計(jì)算后，按評(píng)估流程開展分析評(píng)估計(jì)算。

8.4 評(píng)估結(jié)果展示階段

評(píng)估結(jié)果展示階段主要對分析評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行可視化展示，包括不同裝備體系能力對比分析，不同作戰(zhàn)方案的任務(wù)戰(zhàn)損比、物資消耗比、完成效率、作戰(zhàn)效能，裝備體系貢獻(xiàn)率綜合評(píng)估，典型裝備的建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等，提供多種樣式的圖、表等可視化方式以展示評(píng)估結(jié)果，并結(jié)合不同仿真數(shù)據(jù)生成不同評(píng)估目標(biāo)的評(píng)估報(bào)告，供不同用戶參考使用。

9 結(jié)論

本文提出了一種基于VBS3仿真平臺(tái)的裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路方法，針對系統(tǒng)開發(fā)過程中的主要功能設(shè)計(jì)、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)、仿真流程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，給出了設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)立足于當(dāng)前裝備體系化、對抗化試驗(yàn)評(píng)估現(xiàn)實(shí)需求，能夠?yàn)楹铣刹筷?duì)裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估手段建設(shè)提供支撐，可提升聯(lián)合作戰(zhàn)背景下裝備體系化設(shè)計(jì)論證、檢驗(yàn)評(píng)估與建設(shè)優(yōu)化能力，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義與參考價(jià)值。