陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王欽釗， 鮑君瀟， 郭傲兵， 萬 琳

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院信息通信系， 北京 100072)

隨著新軍事變革的深入發(fā)展，陸戰(zhàn)分隊(duì)的作戰(zhàn)樣式逐步向擇要突擊、機(jī)動(dòng)制權(quán)、引打結(jié)合、協(xié)同行動(dòng)的方向發(fā)展。分隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的評估也不再是武器性能的簡單累加，更加突出了合成、協(xié)同、一體化、聯(lián)合及體系的要求，這就需要武器裝備試驗(yàn)系統(tǒng)由單一裝備、單一系統(tǒng)、單一平臺向多類型、多功能、多平臺裝備系統(tǒng)及裝備體系試驗(yàn)轉(zhuǎn)型，由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的試驗(yàn)向“實(shí)戰(zhàn)”環(huán)境下的試驗(yàn)轉(zhuǎn)型[1]。目前，我軍對現(xiàn)有陸戰(zhàn)裝備單項(xiàng)性能試驗(yàn)的研究與發(fā)展較為成熟，但分隊(duì)級的作戰(zhàn)試驗(yàn)多以實(shí)裝結(jié)合仿真技術(shù)的形式開展，存在試驗(yàn)準(zhǔn)備周期長、成本高、靈活性差以及難以多次重復(fù)等問題。而運(yùn)用仿真試驗(yàn)法構(gòu)建全要素陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，能為解決以上問題提供新的思路。仿真試驗(yàn)法是通過計(jì)算機(jī)模擬的形式完成陸戰(zhàn)分隊(duì)的作戰(zhàn)環(huán)境、武器裝備、作戰(zhàn)行為建模及作戰(zhàn)過程模擬的“實(shí)戰(zhàn)”試驗(yàn)法，可結(jié)合仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成對分隊(duì)整體作戰(zhàn)效能的評估。仿真試驗(yàn)雖然不能完全代替實(shí)裝試驗(yàn)，但憑借安全、靈活、高效、魯棒、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可為實(shí)裝試驗(yàn)規(guī)劃、預(yù)演、效果評估提供較為科學(xué)、全面的參考與功能延伸。為此，筆者根據(jù)陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)的實(shí)際需求，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，將RV游戲引擎引入軍事仿真中進(jìn)行二次開發(fā)，研究設(shè)計(jì)一套能夠滿足陸戰(zhàn)分隊(duì)在裝備論證階段的演示驗(yàn)證、裝備研制階段的作戰(zhàn)試驗(yàn)、裝備運(yùn)用階段的戰(zhàn)法研究的作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，并通過裝甲分隊(duì)網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)，對系統(tǒng)的科學(xué)性與實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自新型陸軍建設(shè)以來，大力發(fā)展作戰(zhàn)試驗(yàn)既是提高裝備體系作戰(zhàn)能力的保證和研究裝備作戰(zhàn)運(yùn)用的支撐，也是優(yōu)化裝備體系結(jié)構(gòu)的手段[2]。因此，陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)功能應(yīng)涵蓋分隊(duì)作戰(zhàn)的多個(gè)方面，逼真地呈現(xiàn)“實(shí)戰(zhàn)”環(huán)境、作戰(zhàn)背景、武器裝備性能參數(shù)和作戰(zhàn)過程。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)以信息化背景下的分隊(duì)對抗為基本作戰(zhàn)主題，構(gòu)設(shè)一個(gè)近似實(shí)戰(zhàn)的虛擬戰(zhàn)場，通過靈活配置多種條件下的“人在環(huán)”仿真系統(tǒng)進(jìn)行分隊(duì)作戰(zhàn)對抗仿真試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，供研究人員分析評估。陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能特點(diǎn)如圖1所示。

該系統(tǒng)是一種“人在環(huán)”的分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)層級的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，仿真粒度最小到分隊(duì)作戰(zhàn)人員，可通過想定編輯靈活調(diào)整對抗陣營的編制配置，既能對分隊(duì)裝備的作戰(zhàn)適用性進(jìn)行模擬試驗(yàn)，也能通過戰(zhàn)術(shù)模擬對抗演練，檢驗(yàn)作戰(zhàn)分隊(duì)編制結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和協(xié)同戰(zhàn)術(shù)的有效性，進(jìn)一步探索和論證新的分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)組訓(xùn)方法。

1.2 系統(tǒng)功能組成

分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)采用虛擬戰(zhàn)場技術(shù)、高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)和運(yùn)行支撐系統(tǒng)(Run Time Infrastructure，RTI)，具備相應(yīng)的功能模塊，以保證作戰(zhàn)試驗(yàn)的實(shí)施，由作戰(zhàn)試驗(yàn)中央控制臺、作戰(zhàn)試驗(yàn)仿真通用資源、計(jì)算機(jī)兵力(Computer Generated Forces，CGF)、作戰(zhàn)試驗(yàn)仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(HLA/RTI)和“人在環(huán)”試驗(yàn)裝備仿真節(jié)點(diǎn)組成。以裝甲分隊(duì)為例，其作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖2所示。

一個(gè)典型的作戰(zhàn)對抗模擬系統(tǒng)一般由紅、藍(lán)、白3方組成，各系統(tǒng)成員均按照HLA/RTI體系結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)搭建[3]。其中，白方的作戰(zhàn)試驗(yàn)中央控制臺是仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)者和管理者，具體職責(zé)是：試驗(yàn)前期的想定編輯和節(jié)點(diǎn)配置，試驗(yàn)實(shí)施階段的進(jìn)程管理、戰(zhàn)場態(tài)勢導(dǎo)調(diào)與試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，試驗(yàn)后期的仿真數(shù)據(jù)處理與效能評估?！叭嗽诃h(huán)”仿真節(jié)點(diǎn)由作戰(zhàn)試驗(yàn)中央控制臺設(shè)置各節(jié)點(diǎn)所屬陣營和裝備種類，可柔性地適應(yīng)不同試驗(yàn)內(nèi)容的需求?？傮w來說，紅、藍(lán)兩方的編制配置均是在白方的統(tǒng)一管理控制下，根據(jù)試驗(yàn)背景展開作戰(zhàn)仿真對抗，以達(dá)到在“實(shí)戰(zhàn)”中檢驗(yàn)待試驗(yàn)技術(shù)在分隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)中適用性的目的。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 作戰(zhàn)裝備模型仿真

陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)涉及的武器裝備種類繁多，實(shí)際過程又會受到環(huán)境和戰(zhàn)場行為的影響。為了提高系統(tǒng)的靈活性，應(yīng)根據(jù)一定邏輯構(gòu)建較為全面的仿真實(shí)體對象模型體系。本文將實(shí)體分為裝備實(shí)體、行為實(shí)體和環(huán)境實(shí)體，部分具體內(nèi)容如圖3所示。

在模型體系中，上層模型作為下層模型的父類，為下層模型提供標(biāo)準(zhǔn)化的模型結(jié)構(gòu)；下層模型先集成父類的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行擴(kuò)充和修改。圖4為坦克/步戰(zhàn)車標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要對某一未定型坦克進(jìn)行建模時(shí)，只需繼承坦克實(shí)體class Tank，并對其進(jìn)行修改和補(bǔ)充即可。

本系統(tǒng)利用RV游戲引擎自帶的實(shí)體建模套裝軟件Oxygen2對武器裝備進(jìn)行建模與渲染，運(yùn)用細(xì)節(jié)層次法(Level Of Detail，LOD)[4]對模型進(jìn)行不同細(xì)節(jié)層次的視覺效果設(shè)計(jì)，同時(shí)定義和設(shè)置模型的部分功能物理特性，建模效果如圖5所示。

作戰(zhàn)裝備的模型仿真還需對視景、火控系統(tǒng)、激光測距、裝甲裝備毀傷概率和瞄準(zhǔn)角等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究與建模[5]。

對于“人在環(huán)”仿真節(jié)點(diǎn)乘員席位的硬件設(shè)置，利用計(jì)算機(jī)分別將其作為駕駛員、炮長和車長的仿真節(jié)點(diǎn),其中，車長節(jié)點(diǎn)占用2臺計(jì)算機(jī)，進(jìn)行車長視景仿真顯示和車長指控終端仿真軟件運(yùn)行。單車節(jié)點(diǎn)仿真硬件設(shè)置如圖6所示。

2.2 通用CGF模型

CGF模型庫作為作戰(zhàn)試驗(yàn)仿真通用資源的一部分，是真實(shí)戰(zhàn)場在虛擬環(huán)境中的最直接反映。RV游戲引擎已開發(fā)出包括主戰(zhàn)坦克、武裝直升機(jī)和反坦克炮等多兵種裝備的CGF模型，可以根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢自主完成戰(zhàn)斗編隊(duì)、巡邏和分隊(duì)進(jìn)攻等作戰(zhàn)任務(wù)[6]。但為了增強(qiáng)CGF的通用性，提高作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的靈活性、高效性和魯棒性，應(yīng)在原CGF模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)支持用戶自定義的通用CGF模型，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

通用CGF模型就是在原CGF模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，保留其自主作戰(zhàn)行動(dòng)能力，并將裝備的關(guān)鍵戰(zhàn)技參數(shù)設(shè)計(jì)為用戶可自定義，從而滿足不同試驗(yàn)任務(wù)對CGF模型的需求。從接口的便捷性和參數(shù)可量化的角度，可以得到坦克關(guān)鍵性能參數(shù)，如表1所示。如:原CGF模型對象機(jī)動(dòng)性能定義如圖8所示，若要提高某型坦克CGF機(jī)動(dòng)性能，則在原CGF模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，如圖9所示。具體操作如下：首先，在原機(jī)動(dòng)性能類中構(gòu)建一個(gè)新的子類class DIYMotorCapability，將“平均越野速度”和“最大機(jī)動(dòng)速度”屬性獨(dú)立；然后，新建子類的構(gòu)造函數(shù)，為以上2項(xiàng)數(shù)據(jù)成員初始化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)用戶的自定義輸入，輸入設(shè)置在想定編輯界面選擇完成。

表1 坦克關(guān)鍵性能參數(shù)

2.3 作戰(zhàn)試驗(yàn)想定編輯

作戰(zhàn)試驗(yàn)想定模塊主要是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹贫ǚ抡嬖囼?yàn)的實(shí)施計(jì)劃，根據(jù)已有的裝備實(shí)體模型配置試驗(yàn)所需的初始戰(zhàn)場態(tài)勢，并將其轉(zhuǎn)化為想定腳本分發(fā)到各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用可拓展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language，XML)進(jìn)行想定描述，運(yùn)用XML Schema技術(shù)生成想定腳本[7]，實(shí)現(xiàn)想定編輯的快速化、可視化和想定文件的高效管理。系統(tǒng)想定XML描述框架如圖10所示。

以CGF想定編輯為例，利用XML元素循環(huán)嵌套的特點(diǎn)，對CGF進(jìn)行較為詳細(xì)準(zhǔn)確的描述，具體如圖11所示。

2.4 分隊(duì)指揮控制模塊

指揮控制仿真系統(tǒng)作為戰(zhàn)場的“效能倍增器”，采用扁平化的指揮結(jié)構(gòu)模式，設(shè)置指揮控制中心作為戰(zhàn)場信息處理的中心，并配有分隊(duì)智能化作戰(zhàn)輔助決策模塊、戰(zhàn)場態(tài)勢顯示模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，能實(shí)現(xiàn)指揮控制仿真系統(tǒng)的可拓展，可為分隊(duì)新型戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法提供試驗(yàn)平臺。指揮控制仿真模塊結(jié)構(gòu)如圖12所示。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄功能可為作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)態(tài)勢復(fù)盤和研究人員評估試驗(yàn)對象提供直接依據(jù)，其數(shù)據(jù)記錄的種類和范圍也與試驗(yàn)對象的特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康挠兄苯雨P(guān)系。因此，基于HLA的仿真系統(tǒng)需要記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括對象類實(shí)例的屬性值、時(shí)間戳，以及交互類實(shí)例的參數(shù)值、時(shí)間戳[8]。交互類實(shí)例主要包括聯(lián)邦各成員之間的事件交互，如坦克炮擊發(fā)事件、摧毀事件等。記錄對象類的實(shí)體屬性信息具體定義如圖13所示。

3 系統(tǒng)工作流程與運(yùn)行實(shí)例分析

3.1 系統(tǒng)工作流程

陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要對分隊(duì)在作戰(zhàn)準(zhǔn)備、作戰(zhàn)實(shí)施和作戰(zhàn)結(jié)束階段進(jìn)行試驗(yàn)，通過仿真模擬整個(gè)作戰(zhàn)指揮與行動(dòng)來組織實(shí)施。根據(jù)作戰(zhàn)試驗(yàn)的試驗(yàn)規(guī)劃、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)實(shí)施、試驗(yàn)總結(jié)的過程[9]，將作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)分為仿真前期、中期和后期3個(gè)階段。其中：仿真前期可將試驗(yàn)總?cè)蝿?wù)分解為多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，形成不同的試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施方案并編輯想定文件；仿真中期主要由各功能模塊協(xié)調(diào)工作，共同完成作戰(zhàn)進(jìn)程仿真；仿真后期主要根據(jù)作戰(zhàn)仿真進(jìn)程中采集的數(shù)據(jù)，由專家觀看態(tài)勢回放文件并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)效能的評估工作。陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)工作流程如圖14所示。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

以裝甲分隊(duì)網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)為試驗(yàn)對象，通過制定想定方案、編輯想定文件和進(jìn)行作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)等內(nèi)容，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的合理性及戰(zhàn)場適用性，進(jìn)而檢驗(yàn)陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)性與實(shí)用性。

3.2.1 試驗(yàn)需求

通過分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)級的仿真試驗(yàn)，考察網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的戰(zhàn)場適用性、作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)軟件的人-機(jī)交互合理性，檢驗(yàn)裝甲分隊(duì)的作戰(zhàn)效能。

3.2.2 試驗(yàn)想定

作戰(zhàn)想定設(shè)置如表2所示，根據(jù)該設(shè)置在可視化編輯界面編輯后的戰(zhàn)場二維初始態(tài)勢如圖15所示。

表2 作戰(zhàn)想定設(shè)置

3.2.3 試驗(yàn)預(yù)期

裝甲分隊(duì)網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的應(yīng)用，旨在提升分隊(duì)的戰(zhàn)場感知能力、火力打擊自主性和智能性，可明顯提高分隊(duì)指揮控制的科學(xué)性和火力打擊的高效性。

3.2.4 試驗(yàn)運(yùn)行

當(dāng)參加試驗(yàn)人員就位后，系統(tǒng)導(dǎo)調(diào)人員啟動(dòng)系統(tǒng)，分發(fā)想定腳本至各仿真節(jié)點(diǎn)，通過二、三維觀測器監(jiān)管試驗(yàn)的運(yùn)行，并根據(jù)試驗(yàn)方案安排和“人在環(huán)”兵力的支援請求控制戰(zhàn)場事件的發(fā)生，如提供火力支援等。試驗(yàn)運(yùn)行三維態(tài)勢如圖16所示。

3.2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取與分析

在紅方指揮控制系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的情況下，根據(jù)想定方案中由研究人員提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需求，仿真系統(tǒng)操作人員按需進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取，通過計(jì)算處理后得到紅方試驗(yàn)運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 紅方試驗(yàn)運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)(配置技術(shù)后)

在紅方指揮控制系統(tǒng)未配置網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)的情況下，以相同想定設(shè)置進(jìn)行對照作戰(zhàn)試驗(yàn)，獲得紅方試驗(yàn)運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 紅方試驗(yàn)運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)(配置技術(shù)前)

對比表3、4可以看出：配置網(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)前后的紅方陣營絕大多數(shù)指標(biāo)值差別明顯，尤其是平均打擊時(shí)間間隔相差較大，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化火力打擊分配技術(shù)能大大縮短坦克炮手對目標(biāo)的搜索與瞄準(zhǔn)時(shí)間，此結(jié)果較符合試驗(yàn)預(yù)期，從而驗(yàn)證了作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)性與實(shí)用性。

4 結(jié)論

針對陸戰(zhàn)分隊(duì)發(fā)展需求和合成營編制下的分隊(duì)智能化作戰(zhàn)技術(shù)在實(shí)裝試驗(yàn)中存在的實(shí)際問題，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和RV游戲引擎設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的作戰(zhàn)試驗(yàn)方法相比，該系統(tǒng)具有較好的可拓展性與功能多樣性，在裝甲裝備從技術(shù)預(yù)研到作戰(zhàn)應(yīng)用研究的全周期作戰(zhàn)試驗(yàn)中均有較大的實(shí)用價(jià)值。下一步，將在全要素陸戰(zhàn)分隊(duì)作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的效能評估體系構(gòu)建方面開展研究。