車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)研究

陳祥斌，史 蕓，劉亞東，李 超

(1.軍事交通學院 裝備保障系，天津300161;2.軍事交通學院 汽車指揮系，天津300161)

軍事模擬訓練系統(tǒng)就是利用先進的計算機模擬仿真技術(shù)對未來各種作戰(zhàn)環(huán)境進行模擬，在模擬的作戰(zhàn)環(huán)境中進行訓練，輔助進行戰(zhàn)法、訓法研究和作戰(zhàn)指揮輔助決策的研究［1］。軍事模擬訓練系統(tǒng)作為部隊信息化建設(shè)的重要部分越來越受到各國的重視，應用模擬訓練系統(tǒng)進行軍事訓練，是部隊進行軍事訓練的重要形式，也是適應未來高技術(shù)條件下作戰(zhàn)的一種重要的訓練手段，對提高部隊軍事訓練的質(zhì)量效益具有重要作用。

車輛裝備作為我軍編配數(shù)量最大、分布最廣泛、動用最頻繁的大型裝備，長期以來由于受裝備數(shù)量、訓練場地、訓練環(huán)境等因素的制約，利用實裝進行訓練的傳統(tǒng)訓練方法，難以達到預期的作戰(zhàn)訓練目的和要求。模擬訓練的出現(xiàn)在很大程度上彌補了實裝訓練存在的不足，特別是利用現(xiàn)代仿真技術(shù)，開發(fā)模擬訓練器材和軟件平臺，在軍地裝備維修技能培訓和指揮人才培養(yǎng)方面都取得了良好的效果。目前，我軍車輛裝備保障模擬訓練器材和軟件平臺開發(fā)還遠落后于地方和軍隊通用裝備其他專業(yè)。因此，研究車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)，形成符合我軍車輛裝備保障訓練體制編制與部隊實際的總體規(guī)劃，對推動我軍車輛裝備保障模擬訓練器材和軟件開發(fā)、促進模擬訓練的全面展開，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 模擬訓練系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 外軍發(fā)展與現(xiàn)狀

20 世紀后期，世界主要軍事強國在軍事訓練領(lǐng)域中大力開展模擬化訓練，其本質(zhì)核心就是運用以計算機為基礎(chǔ)的現(xiàn)代模擬技術(shù)實現(xiàn)軍事訓練的躍升。20 世紀80 年代初期，美軍就開始利用模擬技術(shù)進行模擬訓練;20 世紀90 年代，美軍成立了美軍國家模擬中心，專門負責研制、開發(fā)、管理模擬訓練系統(tǒng)，用以支持美軍的模擬訓練，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和分布交互仿真技術(shù)的應用，極大地推動了美軍計算機模擬訓練的廣泛應用［2］;目前，美軍的模擬訓練系統(tǒng)已經(jīng)在院校教學、武器裝備操作訓練、復雜專業(yè)技術(shù)訓練、指揮決策訓練、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)訓練乃至戰(zhàn)略訓練得到全面普及［3］。

1.2 我軍的發(fā)展與現(xiàn)狀

在學習、借鑒外軍先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合我軍特點研制了一批應用于不同層次、不同軍兵種的指揮模擬訓練系統(tǒng)，形成了適合我軍實際的指揮模擬訓練系統(tǒng)的模型設(shè)計規(guī)范和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互標準，實現(xiàn)了指揮模擬訓練演習場地的遠程異地開設(shè)和同步模擬，使作戰(zhàn)指揮模擬訓練從過去單一軍兵種訓練發(fā)展為多軍兵種聯(lián)合訓練，為我軍指揮模擬訓練器材走向?qū)嵱没~出堅實的一步。在裝備保障領(lǐng)域中，裝甲專業(yè)已經(jīng)建立了較為完整的模擬訓練與仿真體系，在教學訓練中發(fā)揮了重要的作用。同時，也應看到我軍目前的模擬訓練系統(tǒng)多數(shù)是面向戰(zhàn)術(shù)層次開發(fā)的，由于缺乏頂層規(guī)劃，難以發(fā)揮綜合效力，還存在與各級自動化作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)缺乏聯(lián)系的問題。

2 模擬訓練系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 總體框架

從總體框架上考慮，車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)主要由仿真中心、保障模擬訓練中心、虛擬戰(zhàn)場3 部分組成(如圖1 所示)。

圖1 車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

其中，仿真中心負責整個推演模擬訓練系統(tǒng) 的導調(diào)監(jiān)控、指揮調(diào)度、命令下達、組織協(xié)調(diào)、考核評估;保障模擬訓練中心負責車輛裝備保障模擬訓練，并將模擬訓練情況向仿真中心匯報;虛擬戰(zhàn)場主要負責生成虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和進行戰(zhàn)場態(tài)勢顯示，構(gòu)造保障訓練過程中不同的虛擬環(huán)境。

2.2 邏輯結(jié)構(gòu)

車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上可分為人員組織層、功能層和資源服務層(如圖2 所示)。人員組織層由車輛裝備保障指揮機關(guān)、部(分)隊人員、相關(guān)人員及終端構(gòu)成，終端實際上是一種計算機用戶環(huán)境;功能層為用戶提供各種車輛裝備保障指揮模擬訓練功能;資源及服務層由車輛裝備保障模擬訓練總控系統(tǒng)和各種數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫，以及各種公共服務平臺、仿真系統(tǒng)協(xié)調(diào)程序等組成。

圖2 車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)邏輯體系結(jié)構(gòu)

2.3 模塊設(shè)計

車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)模塊主要包括導調(diào)監(jiān)控子系統(tǒng)、指揮作業(yè)子系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境仿真子系統(tǒng)、輔助決策子系統(tǒng)以及輔助功能模塊等(如圖3 所示)。

(1)導控想定子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要實現(xiàn)訓練想定的生成、運行過程的自動運算求解、訓練過程的人為干預、訓練過程數(shù)據(jù)的跟蹤記錄及態(tài)勢的顯示等。主要用于導調(diào)監(jiān)控人員對訓練課目、訓練條件、訓練過程的控制與監(jiān)視，記錄運行過程與結(jié)果數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)可用于訓練的再現(xiàn)，以及訓練方式、訓練過程出現(xiàn)問題的仿真研究。

(2)指揮作業(yè)子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由受訓人員操控，實現(xiàn)車輛裝備保障指揮受訓人員的訓練，主要包括指揮控制、文電傳輸、作業(yè)支持、信息查詢等功能模塊。該子系統(tǒng)接收導調(diào)系統(tǒng)的訓練課目，需要戰(zhàn)場環(huán)境子系統(tǒng)的支持，還可采用輔助決策子系統(tǒng)幫助完成訓練課目，同時還可用于車輛裝備保障指揮的研究。

(3)戰(zhàn)場環(huán)境仿真子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)為指揮作業(yè)子系統(tǒng)提供虛擬的二維或三維戰(zhàn)場環(huán)境，主要具有戰(zhàn)場環(huán)境、三維標繪及態(tài)勢實時顯示等功能。考慮到車輛裝備保障任務的多樣性，需要建立各種作戰(zhàn)環(huán)境的地理、天候、人文等數(shù)據(jù)庫，以滿足多樣化軍事任務條件下車輛裝備保障指揮訓練的需求。

(4)輔助決策子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要由決策支持知識庫、決策支持模型庫、保障信息資源數(shù)據(jù)等模塊構(gòu)成。主要用來協(xié)助受訓人員(車輛裝備保障部(分)隊指揮員角色)分析判斷情況、擬制保障計劃和制訂保障方案。系統(tǒng)以人工智能、軍事運籌學和信息處理技術(shù)為工具，以數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)和數(shù)學模型為基礎(chǔ)，通過計算、推理和仿真等手段輔助受訓人員擬制保障計劃，制訂保障方案。通過輔助決策，可對各種保障方案進行比較，篩選 出較為科學合理的方案。

圖3 車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)模塊設(shè)計示意

(5)系統(tǒng)輔助功能。該系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)管理、維護、數(shù)據(jù)安全與備份，是保證系統(tǒng)正常運行的輔助功能，是保證系統(tǒng)實現(xiàn)功能拓展與更新的必須功能，也是進行車輛裝備保障仿真研究的必備功能。

2.4 運行過程

車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)的運行過程可劃分為準備、模擬和分析3 個階段(如圖4 所示)。

圖4 車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)運行過程示意

(1)準備階段。主要完成:①根據(jù)訓練的任務與目標，按照模擬系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，選取合適構(gòu)件完成系統(tǒng)的組裝;②利用系統(tǒng)提供的工具完成訓練想定的開發(fā)與數(shù)據(jù)準備。

(2)模擬階段。主要完成:①根據(jù)訓練想定生成訓練環(huán)境;②想定系統(tǒng)依據(jù)想定為受訓人員出情況;③受訓人員分析判斷情況，利用作業(yè)系統(tǒng)展開作業(yè)，并將作業(yè)結(jié)果輸入模擬系統(tǒng);④輔助決策系統(tǒng)接收指令，調(diào)度相關(guān)模型，完成相關(guān)活動模擬，并將系統(tǒng)運行結(jié)果反饋給受訓人員，重復③的動作;⑤導控系統(tǒng)完成模擬數(shù)據(jù)收集，記錄模擬訓練過程，監(jiān)控模擬訓練狀態(tài)，根據(jù)訓練需要發(fā)出干預指令，重復②的動作，或直接干預模型運行，重復④的動作;⑥環(huán)境仿真系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)為整個模擬訓練過程提供軟硬件技術(shù)支持。如此反復進行，直至達到訓練目標，結(jié)束模擬訓練。

(3)分析階段。主要是根據(jù)模擬階段收集的數(shù)據(jù)、記錄的過程對整個訓練過程進行分析。分析結(jié)果的主要用途:①檢驗、評估模擬訓練效果，驗證、探討模擬訓練理論;②形成訓練模擬歷史數(shù)據(jù)，可用于模擬重演和指導下一次的訓練模擬;③發(fā)現(xiàn)訓練模擬中存在的問題，為車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)的完善提供依據(jù)。

3 模擬訓練系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 體系結(jié)構(gòu)以及標準、規(guī)范技術(shù)

為了建立一個規(guī)范且開放的典型系統(tǒng)，使其適用各層次訓練，應借鑒國外在分布交互仿真系統(tǒng)中的先進經(jīng)驗，采用分布交互仿真高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)及其信息交換和運行管理機制。在HLA框架下，成員通過RTI 構(gòu)成一個開放性的分布式作戰(zhàn)模擬訓練系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有可擴充性，其中成員可以是真實仿真系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系統(tǒng)以及一些輔助性的仿真應用，使訓練系統(tǒng)符合通用化、系列化、組合化要求［4］。在系統(tǒng)組成方面，以分布交互仿真系統(tǒng)的標準和規(guī)范為基礎(chǔ)，構(gòu)建滿足車輛裝備保障訓練需求的應用標準和規(guī)范，以提高模擬訓練系統(tǒng)的標準規(guī)范性。

3.2 建模仿真技術(shù)

仿真模型及其建模方法是研制訓練系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是利用建模工具和預定義的接口協(xié)議進行有機合作的共同建模過程，明確建模各個階段的內(nèi)容以及相互之間的轉(zhuǎn)化方法，把軍事概念模型與程序模型緊密地聯(lián)系在一起，建立模型與程序之間的映射機制，實現(xiàn)軍事概念模型與程序代碼之間的轉(zhuǎn)化。車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)中涉及的模型非常多，包括指揮中心(所)模型、實體模型、環(huán)境模型、傳感器模型、作戰(zhàn)模型、裝備模型、數(shù)據(jù)處理和效能評估模型等。為保證模型的準確性，提高仿真模型的開發(fā)效率，應首先對各種模型的機理進行研究分析，然后借助于目前成熟的建模工具來完成各類仿真模型的建立。同時，隨著裝備保障理論的不斷創(chuàng)新，仿真模型內(nèi)容必須隨之不斷變化才能與客觀實際相符。因此，可利用模型模板引導工具將填寫好的模板引入一體化建模平臺，當新的仿真應用需要已有的模型加入時，只需針對新的仿真平臺開發(fā)一套模型程序映射關(guān)系即可，從而實現(xiàn)模型的可重用。

3.3 數(shù)據(jù)庫建模技術(shù)

為了實現(xiàn)模擬訓練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和管理，模擬訓練系統(tǒng)中應構(gòu)建相應的數(shù)據(jù)存儲庫，如地理目標數(shù)據(jù)庫、裝備性能數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)斗編成數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)斗想定數(shù)據(jù)庫、作戰(zhàn)計劃數(shù)據(jù)庫和各種模型數(shù)據(jù)庫等;同時，還要保存仿真方案、仿真日志和保存記錄等管理信息。因此，為發(fā)揮各類數(shù)據(jù)在模擬訓練中的作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)建設(shè)與模型建設(shè)的互動發(fā)展，確保各類數(shù)據(jù)實用、管用、可靠，必須構(gòu)建科學合理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，從而形成完備實用的數(shù)據(jù)工程體系，為車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)研發(fā)提供必要的基礎(chǔ)條件。

3.4 戰(zhàn)場環(huán)境視景顯示技術(shù)

綜合戰(zhàn)場態(tài)勢顯示主要為參訓人員提供近似實戰(zhàn)的綜合戰(zhàn)場顯示效果，要能根據(jù)實際需要進行二三維態(tài)勢顯示切換。三維態(tài)勢顯示主要基于多分辨率戰(zhàn)場地形顯示基礎(chǔ)，準確運用模擬訓練的實時態(tài)勢數(shù)據(jù)，全面、清晰、形象直觀地顯示戰(zhàn)場綜合態(tài)勢。將車輛裝備保障訓練的動態(tài)變化過程和結(jié)果數(shù)據(jù)以及所處的多維戰(zhàn)場空間環(huán)境，以環(huán)境特征、抽象符號、三維模型、戰(zhàn)斗特效、文字和圖表的方式綜合顯示，在本地進行計算處理后將結(jié)果數(shù)據(jù)顯示在本地屏幕上，全面、準確地展示模擬訓練過程中的局部細節(jié)及整體態(tài)勢。三維態(tài)勢顯示功能可作為獨立軟件嵌入模擬訓練環(huán)境仿真系統(tǒng)中，實時獲得實體對象與交換對象信息，在訓練模擬系統(tǒng)的支撐運行控制下，實現(xiàn)模擬訓練運行過程的同步顯示。

3.5 訓練效果評估技術(shù)

車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)，其重要作用就是通過系統(tǒng)對訓練效果進行客觀公正的評估。訓練效果評估應根據(jù)模擬訓練對象和內(nèi)容，從模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的深層次入手，以長期積累的模擬訓練數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將模型背后的數(shù)據(jù)關(guān)系加以理論提煉，通過典型化、數(shù)理化與模型化的數(shù)學提煉，在數(shù)學層面展開模擬訓練數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性研究，間接展開模型檢驗方法的應用研究，用于檢驗衡量仿真模型和仿真數(shù)據(jù)的可靠性，揭示模擬訓練反映的部分隱形規(guī)律。同時，系統(tǒng)需要提供輸出結(jié)果生成與分析工具，由導控分析人員來分析模擬系統(tǒng)所輸出的評估結(jié)果。

4 結(jié) 語

車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)作為作戰(zhàn)模擬技術(shù)在裝備保障中的應用，將為受訓者提供一個逼真的訓練環(huán)境和指揮作業(yè)平臺，既可達到訓練目的，又可在平時演練戰(zhàn)時，而且經(jīng)濟效益好。同時，車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)也是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及領(lǐng)域廣、技術(shù)難題多。本文圍繞模擬系統(tǒng)的總體框架、邏輯結(jié)構(gòu)、功能模塊、運行過程以及關(guān)鍵技術(shù)進行了先期的研究，初步建立了車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)的理論框架，為下一步我軍車輛裝備保障模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)與運用提供了理論支撐。

［1］ 周曉宇.軍事訓練研究［M］. 北京:國防大學出版社，2014:122-123.

［2］ 梁志平，唐川.美軍模擬訓練經(jīng)驗淺析［J］. 外國軍事學術(shù)，2010(12):70-71.

［3］ 吳敏文，孟詳春. 美軍模擬訓練發(fā)展研究［J］. 外國軍事學術(shù)，2005(1):48-51.

［4］ 李軻，楊金展，許慶峰，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軍用車輛維護仿真訓練系統(tǒng)研究［J］. 軍事交通學院學報，2013，15(9):39-42.