一種水面艦艇作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

姚 撼 李勝勇 陳佳俊 尤俊郎

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)由各種作戰(zhàn)子系統(tǒng)按照一定的指揮關(guān)系、組織關(guān)系和運(yùn)行機(jī)制構(gòu)成，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要支撐，通常具有較為復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)［1］。

利用網(wǎng)絡(luò)模型分析水面艦艇作戰(zhàn)活動過程及信息交互關(guān)系，是當(dāng)前作戰(zhàn)建模仿真領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。國內(nèi)外相關(guān)研究最早可追溯至20世紀(jì)60年代，當(dāng)前主要集中在體系結(jié)構(gòu)分析、作戰(zhàn)力量編組、復(fù)雜系統(tǒng)建模、作戰(zhàn)效能評估等方面。如美軍先后提出權(quán)力邊緣［2］、敏捷性優(yōu)勢［3］等先進(jìn)作戰(zhàn)理念，并依托ELICIT實(shí)驗(yàn)平臺，圍繞作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)開展體系融合、動態(tài)控制、深度協(xié)作等研究，以成功應(yīng)對動態(tài)和不確定環(huán)境的各種挑戰(zhàn)；美國Jeff Cares［4］解析了分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了信息時代的戰(zhàn)斗網(wǎng)絡(luò)模型；滕克難等［5］建立了水面艦艇反導(dǎo)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)化組織作戰(zhàn)過程進(jìn)行度量。

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)［6］是對作戰(zhàn)體系組成部分的結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系的模型化描述。信息流描述了水面艦艇作戰(zhàn)體系中信息的傳遞過程及活動特征，是對作戰(zhàn)流程的有效反映［7］。本系統(tǒng)旨在優(yōu)化艦船指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高其協(xié)調(diào)工作能力；利用全面的信息交互分析［8］，提供更加全面的系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高輔助決策的能力；提供從系統(tǒng)工程的角度思考水面艦艇信息化系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)之間的協(xié)同工作。基于上述，設(shè)計(jì)與研制一套模擬系統(tǒng)對水面艦艇信息系統(tǒng)體系形成以及體系作戰(zhàn)能力生成具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選擇信息流［9］作為切入點(diǎn)，研究作戰(zhàn)活動過程，分析信息交互關(guān)系，理清信息類型、內(nèi)容及流向，能夠有效降低建模問題的復(fù)雜度，較好地解決作戰(zhàn)過程分析和信息交互研究中系統(tǒng)性、層次性和針對性不足的問題［10］，并從機(jī)動數(shù)據(jù)模擬、平臺狀態(tài)信息處理、作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互、信息交互展示五個主要功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件的總體架構(gòu)分為三層：基礎(chǔ)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。在該體系架構(gòu)中，每一層承擔(dān)兩個角色，為上層提供服務(wù)和利用下層提供服務(wù)。其中，基礎(chǔ)層由服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)及程序編譯運(yùn)行環(huán)境組成：服務(wù)層提供公共的基礎(chǔ)服務(wù)，主要包括公共函數(shù)庫、UDP/DDS報文結(jié)構(gòu)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)的模擬以及人機(jī)交互界面，模擬系統(tǒng)包括本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬器總體框架圖如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

使用面向數(shù)據(jù)流的方法對作戰(zhàn)信息交換仿真模擬軟件的各功能子系統(tǒng)處理流程進(jìn)行分析。

1）作戰(zhàn)任務(wù)與各個作戰(zhàn)系統(tǒng)流程

根據(jù)作戰(zhàn)平臺下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)，聯(lián)動各個作戰(zhàn)系統(tǒng)，對本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬等模擬，提供在不同作戰(zhàn)任務(wù)下，各個作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)動信息。

2）各作戰(zhàn)系統(tǒng)與平臺信息交互模擬軟件信息交互流程

在作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)的時候，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲得動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，不同的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，獲取不同系統(tǒng)的信息，對不同的信息內(nèi)容交互信息進(jìn)行展示。

3）各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互流程

下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)的時候，不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互。

該作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)的工作原理是通過任務(wù)驅(qū)動，當(dāng)艦船下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)如反潛作戰(zhàn)任務(wù)時，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲取相關(guān)平臺信息如動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)動態(tài)地顯示作戰(zhàn)任務(wù)驅(qū)動方式下的作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)與水面平臺信息系統(tǒng)的信息交互情況。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要獲取采集到的動力、電力、損管等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時，模擬系統(tǒng)需要和平臺進(jìn)行交互。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能分解

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)從總體上考慮主要分為五個軟件功能模塊：機(jī)動數(shù)據(jù)模擬模塊、平臺狀態(tài)信息處理模塊、作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊、信息交互展示模塊。圖3給出了系統(tǒng)具體分層結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)功能模塊描述

1）機(jī)動數(shù)據(jù)模擬模塊

機(jī)動數(shù)據(jù)模擬模塊是指模擬幾種典型戰(zhàn)場態(tài)勢下，作戰(zhàn)系統(tǒng)向平臺發(fā)送的機(jī)動數(shù)據(jù)，由平臺信息交互模擬軟件接收執(zhí)行。

2）平臺狀態(tài)信息處理模塊

圖3 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

該模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是接收平臺信息交互模擬軟件提供的動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。

3）作戰(zhàn)相關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊

該模塊主要是將武器系統(tǒng)、艦載直升機(jī)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合氣象水文系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送至平臺信息交互模擬系統(tǒng)。

4）不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊

該模塊主要是實(shí)現(xiàn)不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息以UDP/DDS格式進(jìn)行交互，通過配置信息格式類型完成不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互。

5）信息交互展示模塊

信息交互展示模塊主要是展示在一個作戰(zhàn)任務(wù)下達(dá)后，不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間以何種格式發(fā)送哪些信息。給用戶展示一個動態(tài)的信息交互界面，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)配置接口。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)采用在Windows下開發(fā)，管理平臺和子系統(tǒng)操作平臺基于HTML5+CSS3+JAVASCRIPT開發(fā)，服務(wù)器基于Spring+Struts+Hibernate框架使用JAVA語言開發(fā)完成。數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。

4.2 系統(tǒng)場景部署

開發(fā)環(huán)境所采用的硬件設(shè)備為1臺標(biāo)準(zhǔn)刀片服務(wù)器，搭載TC2600、HPBL460C服務(wù)器10臺，存儲容量5T，VMwarevSphere（5.5）做支撐軟件，用JA?VA作為開發(fā)語言，軟件環(huán)境為WindowsServer2003/2008，ApacheActiveMQ，Tomcat、SpringFramework、HibernateJPA，數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。

4.3 系統(tǒng)指揮流程及信息交換

水面艦艇作戰(zhàn)任務(wù)較多，這里用比較具有代表性的末端防空反導(dǎo)作為典型例子進(jìn)行分析。水面艦艇末端防空反導(dǎo)的目標(biāo)主要是突破我層層攔擊的敵方反艦導(dǎo)彈［11］，其行動分為觀察警戒、跟蹤識別、干擾抗擊三個步驟［12］。在具體實(shí)施過程中，由水面艦艇在編隊(duì)指揮所的意圖下負(fù)責(zé)指揮。如圖4所示。

1）觀察警戒

水面艦艇開啟主動對空探測設(shè)備時，同時對目標(biāo)來襲方向進(jìn)行主動探測，加強(qiáng)對掠海飛行或采用高空彈道臨空后垂直向下攻擊的反艦導(dǎo)彈的觀察警戒。在收到上級指揮所或相關(guān)方向水面艦艇群指揮所通過數(shù)據(jù)鏈或其他方式通報的目標(biāo)信息后，綜合使用本艦的各型對空搜索警戒雷達(dá)與光電探測設(shè)備對該目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)并獲取目標(biāo)的精確位置及運(yùn)動要素等信息。

2）跟蹤識別

水面艦艇發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)后，保持對目標(biāo)的跟蹤監(jiān)視，快速查明目標(biāo)位置及其飛行方向、高度、速度，確定其威脅等級，并據(jù)此制定相應(yīng)的電子干擾與火力抗擊方案。

圖4 水面艦艇末端防空反導(dǎo)指揮流程示意圖

3）干擾抗擊

當(dāng)目標(biāo)即將進(jìn)入水面艦艇的防空作戰(zhàn)區(qū)時，水面艦艇按照本艦防空作戰(zhàn)方案向相關(guān)武器系統(tǒng)下達(dá)目標(biāo)指示，及時引導(dǎo)對目標(biāo)進(jìn)行電子干擾與火力抗擊。水面艦艇在末端防空反導(dǎo)中，以火力抗擊為主；對于電視成像、紅外成像等高智能、高精度制導(dǎo)的反艦導(dǎo)彈，積極組織光電干擾；對于雷達(dá)末制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈，視情進(jìn)行沖淡干擾，一般不進(jìn)行質(zhì)心干擾。

水面艦艇在實(shí)施電子干擾與火力抗擊過程中，觀察作戰(zhàn)效果。如果目標(biāo)在我干擾與抗擊下或由于自身問題對我失去威脅，將戰(zhàn)果上報上級指揮所，并迅速完成彈藥裝填、裝備檢拭和人員調(diào)整等作戰(zhàn)間隙的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備，以利再戰(zhàn)；如果我遭目標(biāo)襲擊受損，立即進(jìn)行損害管制，力爭自救，并積極依靠編隊(duì)救援力量進(jìn)行戰(zhàn)斗力恢復(fù)。

在末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)態(tài)勢下，使用電子對抗手段，通過實(shí)現(xiàn)無源/光電干擾手段，本艦需要開展規(guī)避動作，需要調(diào)整本艦的姿態(tài)，向平臺發(fā)送包括本艦航向、本艦航速、本艦機(jī)動時刻等機(jī)動參數(shù)。電子對抗態(tài)勢下的機(jī)動數(shù)據(jù)通過UDP方式發(fā)送到平臺信息交互模擬軟件，由平臺信息交互模擬軟件根據(jù)相應(yīng)的機(jī)動數(shù)據(jù)參數(shù)返回相應(yīng)的機(jī)動數(shù)據(jù)給水面艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。其信息交換時序圖如圖5所示。

圖5 末端防空反導(dǎo)各系統(tǒng)間信息交換時序圖

4.4 系統(tǒng)任務(wù)仿真效果

該系統(tǒng)可以針對當(dāng)前已有任務(wù)進(jìn)行管理，包括顯示任務(wù)信息和啟動任務(wù)，如圖6和7所示。

當(dāng)任務(wù)模擬的時候，且相關(guān)系統(tǒng)在任務(wù)狀態(tài)界面，在特定步驟發(fā)生時，相應(yīng)狀態(tài)表中將會接收數(shù)據(jù)，并填上接收到的相應(yīng)內(nèi)容，如圖8所示。

圖6 末端防空反導(dǎo)任務(wù)簡介及流程圖

圖7 系統(tǒng)任務(wù)仿真效果圖

圖8 任務(wù)模擬

5 結(jié)語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)配置圖形化的顯示以及平臺模擬軟件信息的及時反饋，但在復(fù)雜信息交互環(huán)境下該系統(tǒng)與實(shí)船所搭載系統(tǒng)還存在一定差距，設(shè)計(jì)的流程只是按照常規(guī)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，遇到特殊情況時系統(tǒng)將無法進(jìn)行模擬。為進(jìn)一步提高作戰(zhàn)效率下一步還將對該系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的細(xì)化，在任務(wù)的定制上考慮更多可能出現(xiàn)的情況，將展示效果做得更加簡潔直觀，方便決策者做出判斷。

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