基于云架構(gòu)的一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真體系

齊和平 ，丁 瑋 ，王學(xué)文 ，田 川 ，侯海宏

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究所，北京 100080）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，信息主導(dǎo)成為制勝關(guān)鍵，體系對(duì)抗成為基本形態(tài)，精確作戰(zhàn)成為主要方式，全域機(jī)動(dòng)成為必備能力，網(wǎng)絡(luò)空間成為嶄新戰(zhàn)場(chǎng)。新的戰(zhàn)爭(zhēng)制勝機(jī)理賦予了實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練新的本質(zhì)內(nèi)涵。

實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練主導(dǎo)形式是全系統(tǒng)全要素聯(lián)合訓(xùn)練。全系統(tǒng)全要素聯(lián)合訓(xùn)練，是依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)，按照“作戰(zhàn)要素全、作戰(zhàn)單元全和作戰(zhàn)系統(tǒng)全”的要求，將陸、海、空、天、電等各種作戰(zhàn)力量高度融合的整體訓(xùn)練。聯(lián)合訓(xùn)練是有機(jī)融合諸軍兵種作戰(zhàn)能力的高級(jí)訓(xùn)練形式，一體化聯(lián)合訓(xùn)練需要引領(lǐng)各層次訓(xùn)練，聚合各類作戰(zhàn)單元、各種作戰(zhàn)要素，帶動(dòng)軍事訓(xùn)練整體水平的提高。加強(qiáng)諸軍兵種的聯(lián)合訓(xùn)練，有利于將軍隊(duì)信息化建設(shè)中取得的潛在作戰(zhàn)能力轉(zhuǎn)化為實(shí)際戰(zhàn)斗力，全面帶動(dòng)軍事訓(xùn)練整體水平的提高。為適應(yīng)大規(guī)模、廣地域、多軍兵種的聯(lián)合訓(xùn)練需要，就需要將現(xiàn)有分散的各軍兵種、各類型訓(xùn)練系統(tǒng)集成起來(lái)，就需要建立一體化聯(lián)合作戰(zhàn)［1］訓(xùn)練支撐體系。

聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練支撐體系提供各軍兵種聯(lián)合訓(xùn)練系統(tǒng)所需的集成平臺(tái)、訓(xùn)練仿真引擎、仿真資源庫(kù)和工具集等軟件構(gòu)建，是訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，能提高各類訓(xùn)練仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通互操作水平，是滿足軍隊(duì)一體化模擬訓(xùn)練的需要。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外仿真平臺(tái)現(xiàn)狀

國(guó)外現(xiàn)在使用較多的商業(yè)貨架產(chǎn)品主要包括PRESAGIS系列產(chǎn)品、MAK系列產(chǎn)品和FLAMES等，軍用工具主要為CSC、OneSAF、VBS等。Thales工具主要針對(duì)用戶的二次開(kāi)發(fā)需求，提供了軍事仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)CSC（通用仿真核心平臺(tái)），具備虛擬場(chǎng)景快速生成、動(dòng)態(tài)地形生成、天候氣象模擬、裝備建模、動(dòng)力學(xué)仿真、人物仿真、戰(zhàn)場(chǎng)效果仿真等功能。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和差距

國(guó)家在“十二五”期間啟動(dòng)的若干訓(xùn)練仿真相關(guān)的研究課題，對(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真技術(shù)的研制起到了帶動(dòng)作用，作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真技術(shù)的整體水平得到了一定的提高。但目前國(guó)內(nèi)的軍用仿真訓(xùn)練工具和平臺(tái)還是以引進(jìn)居多，主要產(chǎn)品有:XSIM、DWK、VMS、VIRSPACE等。

目前，我國(guó)在仿真技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面與國(guó)外先進(jìn)軍事強(qiáng)國(guó)還存在較大的差距。突出表現(xiàn)在以下方面:

1）尚無(wú)原創(chuàng)的仿真技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如分布式交互仿真技術(shù)還是照搬美軍的 HLA［2-4］、DIS、TENA 等標(biāo)準(zhǔn)。

2）軟件的水平參差不齊。當(dāng)前對(duì)視景仿真［5］、虛擬現(xiàn)實(shí)［6］、網(wǎng)絡(luò)仿真、軍事仿真模型體系、虛擬化等技術(shù)的研究在理論上有一定的深度，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些工具軟件，但是，模型的逼真度和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的沉浸感還有待提高。

3）實(shí)兵實(shí)裝尚不具備。在實(shí)兵訓(xùn)練方面，大量采用嵌入式模擬訓(xùn)練技術(shù)，既可以達(dá)到很高的逼真度，又可以進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，而且可以大大節(jié)約訓(xùn)練成本［7］。但是實(shí)兵實(shí)裝尚不具備“與生俱來(lái)”的嵌入式戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練能力。

4）缺乏云計(jì)算［7］和大數(shù)據(jù)等新型信息技術(shù)的應(yīng)用。目前模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在演練過(guò)程中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但是在對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理過(guò)程中并沒(méi)有用到云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)［8-9］，以至于不能為監(jiān)控和評(píng)估提供很好的數(shù)據(jù)支撐。

2 基于云架構(gòu)的一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真體系

2.1 一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真技術(shù)體系

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練要求的不斷提高，訓(xùn)練仿真平臺(tái)的一體化、虛實(shí)化、紅藍(lán)化已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真體系這樣一個(gè)復(fù)雜體系，在設(shè)計(jì)上如何“化繁為簡(jiǎn)”，構(gòu)建一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)高效的體系架構(gòu)至為關(guān)鍵。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，從“聯(lián)合云”到“虛擬業(yè)務(wù)云”+“訓(xùn)練資源”的抽象邏輯結(jié)構(gòu)，將各種服務(wù)和資源通過(guò)云端進(jìn)行整合、匹配、規(guī)劃為不同的訓(xùn)練系統(tǒng)，如下頁(yè)圖1所示。構(gòu)建的一體化仿真平臺(tái)，將公用功能集成于一個(gè)平臺(tái)上供多個(gè)不同的項(xiàng)目二次開(kāi)發(fā)使用，并使平臺(tái)具有可擴(kuò)展性、可組構(gòu)性、可伸縮性的技術(shù)特點(diǎn)。

聯(lián)合訓(xùn)練云［10-11］由地理上分布在全國(guó)各地的數(shù)據(jù)中心利用虛擬控制技術(shù)構(gòu)成，為平臺(tái)提供可用的資源池和信息服務(wù)、仿真服務(wù)等。訓(xùn)練資源包括實(shí)裝、裝備模擬器、半實(shí)物仿真設(shè)備等。訓(xùn)練資源指的是各種訓(xùn)練系統(tǒng)中用于組訓(xùn)的導(dǎo)調(diào)控制終端、運(yùn)行管理終端，用于參訓(xùn)人員的各種模擬器、模擬指揮［12］和實(shí)裝節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)不同的訓(xùn)練任務(wù)，基于現(xiàn)有的訓(xùn)練資源，為用戶進(jìn)行作戰(zhàn)訓(xùn)練準(zhǔn)備以及執(zhí)行作戰(zhàn)訓(xùn)練提供定制的虛擬業(yè)務(wù)云平臺(tái)，所有給用戶展示的服務(wù)都基于虛擬云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。利用訓(xùn)練云搭建的訓(xùn)練系統(tǒng)，以獨(dú)占或者協(xié)作的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)可以通過(guò)訓(xùn)練云平臺(tái)了解到訓(xùn)練的整個(gè)進(jìn)程和情況。

虛擬業(yè)務(wù)云為用戶提供各種通用及專用應(yīng)用軟件服務(wù)。當(dāng)用戶通過(guò)云終端發(fā)出軟件服務(wù)請(qǐng)求后，在確認(rèn)是安全用戶及合法操作后，云將調(diào)取軟件服務(wù)模塊，完成虛擬機(jī)配置、平臺(tái)配置、軟件配置等操作，而后啟動(dòng)應(yīng)用軟件供用戶操作使用。例如當(dāng)用戶提出訓(xùn)練想定生成服務(wù)請(qǐng)求后，呈現(xiàn)在用戶眼前的就如同在個(gè)人終端上打開(kāi)一個(gè)應(yīng)用軟件一樣，只需輸入必要的想定參數(shù)，虛擬訓(xùn)練云所提供的想定生成軟件就會(huì)調(diào)用云中存儲(chǔ)的我方以及敵方的情報(bào)信息進(jìn)行分析和計(jì)算，而后得出想定方案提供給用戶。

2.2 一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)集成架構(gòu)

系統(tǒng)集成架構(gòu)劃分為資源、基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)環(huán)境、服務(wù)環(huán)境和應(yīng)用四層，其中基礎(chǔ)環(huán)境、數(shù)據(jù)環(huán)境和服務(wù)環(huán)境構(gòu)成聯(lián)合訓(xùn)練云的架構(gòu)，如圖2所示。

圖1 聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)技術(shù)體系架構(gòu)

圖2 平臺(tái)集成架構(gòu)

基礎(chǔ)環(huán)境，通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，集中管理所有物理資源、虛擬化資源，構(gòu)成統(tǒng)一的邏輯資源池；為各類聯(lián)合訓(xùn)練系統(tǒng)提供云主機(jī)和系統(tǒng)托管服務(wù)，支持申請(qǐng)服務(wù)、恢復(fù)備份服務(wù)等；提供統(tǒng)一高效的計(jì)算存儲(chǔ)、系統(tǒng)運(yùn)維、容災(zāi)備份等服務(wù)。

數(shù)據(jù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)池化管理，支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的統(tǒng)一管理和訪問(wèn)，為結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)、訪問(wèn)、管理、分析等全生命周期服務(wù)。

服務(wù)環(huán)境，分為核心服務(wù)和功能服務(wù)兩個(gè)部分。核心服務(wù)提供各類服務(wù)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、集成功能，針對(duì)各種不同訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)部分服務(wù)高性能和高穩(wěn)定性要求，提供高實(shí)時(shí)服務(wù)的支持。核心服務(wù)客戶端作為“端”的基本安裝環(huán)境，可以按照不同登陸身份，根據(jù)任務(wù)為用戶從云端下載不同的訓(xùn)練平臺(tái)信息環(huán)境。功能服務(wù)主要分為信息服務(wù)、仿真服務(wù)、導(dǎo)調(diào)管理服務(wù)和應(yīng)用支撐服務(wù)4類。信息服務(wù)建立信息資源的共享和交換平臺(tái)，提供信息發(fā)布、目錄查找訂閱推送、信息門戶、信息聚合［13］、信息轉(zhuǎn)換等一系列信息服務(wù)功能。仿真服務(wù)，提供訓(xùn)練仿真平臺(tái)在仿真活動(dòng)過(guò)程中所需的所有仿真相關(guān)服務(wù)，包含仿真引擎服務(wù)、視景引擎服務(wù)、仿真模型服務(wù)、仿真開(kāi)發(fā)服務(wù)、仿真運(yùn)行服務(wù)等主要服務(wù)，通過(guò)仿真開(kāi)發(fā)服務(wù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化仿真模型，在仿真引擎服務(wù)與仿真運(yùn)行服務(wù)支撐下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)視景引擎，為一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真提供仿真平臺(tái)服務(wù)。導(dǎo)調(diào)管理服務(wù)主要用于為訓(xùn)練組織管理人員提供訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行管理、導(dǎo)調(diào)控制等相關(guān)支持服務(wù)，包括系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、管理維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、想定生成、分析評(píng)估［14-16］等主要服務(wù)。共性應(yīng)用支撐服務(wù)提供軍兵種指控軟件服務(wù)、指揮所安裝部署、軟件版本管理和在線升級(jí)、二三維顯示、并行計(jì)算框架等基礎(chǔ)應(yīng)用支撐功能。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于服務(wù)化理念的認(rèn)識(shí)和理解，提出了云架構(gòu)［8］的聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練體系架構(gòu)，架構(gòu)的核心是一套通用的云架構(gòu)軟件、支撐聯(lián)合訓(xùn)練的一些服務(wù)軟件和管理工具等，并留出了用于接入實(shí)裝系統(tǒng)的接口，架構(gòu)之外的是各軍兵種專業(yè)的作戰(zhàn)訓(xùn)練服務(wù)。下面對(duì)在架構(gòu)的搭建過(guò)程中需要注意的幾個(gè)部分進(jìn)行闡述。

2.3.1 規(guī)劃與設(shè)計(jì)服務(wù)

規(guī)劃與設(shè)計(jì)服務(wù)是利用網(wǎng)絡(luò)和一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)按需組織各種仿真資源，以提供用戶各種建模與仿真服務(wù)的新的仿真模式。在安全體系的支持下，組訓(xùn)人員首先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)門戶進(jìn)行仿真任務(wù)需求的定義；然后平臺(tái)便能按用戶需求自動(dòng)查找和發(fā)現(xiàn)所需平臺(tái)資源及訓(xùn)練資源，并基于“服務(wù)”組合的方式按需動(dòng)態(tài)構(gòu)造一個(gè)虛擬訓(xùn)練云；進(jìn)而將在一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)對(duì)資源的動(dòng)態(tài)管理下，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化建模仿真系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，完成訓(xùn)練仿真任務(wù)。

2.3.2 運(yùn)行管理服務(wù)

運(yùn)行管理服務(wù)系統(tǒng)是一體化聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)的技術(shù)保障系統(tǒng)，具有對(duì)訓(xùn)練云資源池的資源虛擬化、注冊(cè)、分配、部署、監(jiān)視等管理運(yùn)營(yíng)功能；能夠?qū)δM訓(xùn)練系統(tǒng)提供運(yùn)行監(jiān)測(cè)服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。運(yùn)行管理服務(wù)系統(tǒng)包括運(yùn)行監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和管理維護(hù)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)操控終端依托聯(lián)合訓(xùn)練云平臺(tái)運(yùn)行管理服務(wù)，供組訓(xùn)人員完成訓(xùn)練準(zhǔn)備階段的數(shù)據(jù)維護(hù)、軟件維護(hù)等工作，訓(xùn)練中的節(jié)點(diǎn)管理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)等工作。

2.3.3 仿真引擎

仿真引擎是訓(xùn)練仿真平臺(tái)的心臟，是仿真平臺(tái)中的所有仿真模型的調(diào)度中心，為整個(gè)模擬訓(xùn)練的開(kāi)展提供高性能的、并行的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。仿真引擎包括視景、聲音、物理、行為、人工智能和通信等六大核心引擎，提供時(shí)間管理、戰(zhàn)場(chǎng)管理、事件管理和環(huán)境管理等仿真管理功能，調(diào)度各軍兵種模型的運(yùn)行和交互，完成對(duì)作戰(zhàn)流程的仿真。

2.3.4 仿真開(kāi)發(fā)類工具

仿真開(kāi)發(fā)類工具用在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段，用于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)軍事概念模型，構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型，構(gòu)建人員、裝備、作戰(zhàn)行為、軍事行動(dòng)等各種仿真模型，建立各種仿真參數(shù)模型；提供SDK二次開(kāi)發(fā)接口，定制仿真驅(qū)動(dòng)程序；提供測(cè)試工具，用于部署前的模型校核和驗(yàn)證，提供打包工具，完成部署。研發(fā)若干工具，具備以下功能，能根據(jù)訓(xùn)練需求，在安全體系的支持下，調(diào)用聯(lián)合訓(xùn)練仿真平臺(tái)相關(guān)的服務(wù)，按需組織各種仿真資源，進(jìn)行優(yōu)化配置，柔性重組，在訓(xùn)練云上快速構(gòu)建出一個(gè)滿足訓(xùn)練需求的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

2.3.5 運(yùn)行類工具

仿真運(yùn)行類工具用在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行階段，在訓(xùn)練準(zhǔn)備時(shí)，支撐組訓(xùn)人員進(jìn)行訓(xùn)練規(guī)劃［17-18］、組織，訓(xùn)練想定的編輯生成，訓(xùn)練初始化數(shù)據(jù)的下發(fā)，訓(xùn)練資源的部署；在訓(xùn)練實(shí)施過(guò)程中，用于訓(xùn)練過(guò)程的管理和控制，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的監(jiān)視、顯示與采集，受訓(xùn)人員行動(dòng)的裁決；在訓(xùn)練講評(píng)階段，輔助講評(píng)人員進(jìn)行訓(xùn)練數(shù)據(jù)回放、分析與評(píng)估。

3 結(jié)論

借簽國(guó)外作戰(zhàn)訓(xùn)練的體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)利用先進(jìn)的民用技術(shù)，以期形成我國(guó)陸空天地海一體化聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練體系和標(biāo)準(zhǔn)，研制相應(yīng)平臺(tái)、工具、設(shè)備和系統(tǒng)，全面提升作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)的規(guī)劃能力、構(gòu)建能力、資源管理能力、評(píng)估能力、全方位監(jiān)控能力等，使得作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真平臺(tái)的技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，滿足構(gòu)建諸軍兵種聯(lián)合戰(zhàn)役訓(xùn)練、軍種戰(zhàn)役訓(xùn)練、合同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練、單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練及技術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的需求。