陸軍裝備維修模擬訓(xùn)練戰(zhàn)場環(huán)境模型研究

郭尚昆 古平

摘要：在陸軍裝備維修訓(xùn)練領(lǐng)域，隨著模擬訓(xùn)練地位的提升，對仿真模型的需求越來越高。在維修訓(xùn)練領(lǐng)域的模型構(gòu)建研究中，戰(zhàn)場環(huán)境模型還未引起廣泛的關(guān)注，為此以模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)為目的，分析了維修訓(xùn)練環(huán)境模型的建模需求，構(gòu)建并描述了地理環(huán)境模型、大氣環(huán)境模型以及電磁環(huán)境模型。

Abstract： In the field of army equipment maintenance training， with the improvement of the status of simulation training， the demand for simulation models is increasing. In the model construction research in the field of maintenance training， the battlefield environment model has not attracted much attention. For the purpose of modeling the training system， the modeling requirements of the maintenance training environment model are analyzed， and the geographical environment model and atmosphere are constructed and described. Environmental model and electromagnetic environment model.

關(guān)鍵詞：裝備維修;模擬訓(xùn)練;戰(zhàn)場環(huán)境;地理環(huán)境;大氣環(huán)境;電磁環(huán)境

Key words： equipment maintenance;simulation training;battlefield environment;geographical environment;atmospheric environment;electromagnetic environment

中圖分類號：E919 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0158-03

0 ?引言

數(shù)據(jù)模型體系是支撐陸軍裝備維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，該領(lǐng)域的模型構(gòu)建多以行為模型、主體模型、裝備結(jié)構(gòu)模型和評估分析模型等為主，戰(zhàn)場環(huán)境模型經(jīng)常被淡化甚至忽視。

戰(zhàn)場環(huán)境指戰(zhàn)場以及其周圍環(huán)境中，影響作戰(zhàn)效果和作戰(zhàn)活動的各種條件和因素的統(tǒng)稱，是一切軍事活動的空間基礎(chǔ)，包括陸地環(huán)境、海洋環(huán)境、電磁環(huán)境等[1]。目前，維修模擬訓(xùn)練不僅包括裝備故障排除、戰(zhàn)損裝備修復(fù)，還包括維修方案確定、維修分隊機(jī)動、維修地點選取以及維修資源調(diào)配等環(huán)節(jié)。在戰(zhàn)場環(huán)境因素中，地理環(huán)境因素決定臨時維修地點的選擇，關(guān)乎維修分隊和維修對象的安危，并直接影響維修分隊機(jī)動路線的選擇;大氣環(huán)境涉及能見度、降雨量、風(fēng)速等多種因素，對維修分隊的作業(yè)進(jìn)度能夠造成直接影響;在信息化戰(zhàn)爭背景下，復(fù)雜的電磁環(huán)境會嚴(yán)重影響信息系統(tǒng)的運(yùn)行，制約維修決策的準(zhǔn)確性和時效性，影響維修命令的下達(dá)和維修分隊的信息反饋[2]。因此，在戰(zhàn)場環(huán)境因素中，地理環(huán)境因素、大氣環(huán)境因素和電磁環(huán)境因素是影響裝備維修最重要的三方面因素，也是環(huán)境模型構(gòu)建的重點研究對象。本文以陸軍裝備維修模擬訓(xùn)練為研究背景，從地理環(huán)境、大氣環(huán)境、電磁環(huán)境等方面對戰(zhàn)場環(huán)境模型構(gòu)建進(jìn)行了研究，分析了戰(zhàn)場環(huán)境典型要素的特征，為其仿真實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。

1 ?地理環(huán)境分析及仿真模型

地理環(huán)境是戰(zhàn)場和周邊空間中，影響作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)效果的各種地理情況的統(tǒng)稱，主要用于描述戰(zhàn)區(qū)的地形地貌、水文特征、交通狀況、通視性及通行性等因素，此處主要研究對地形地貌、通視性和通行性模型的構(gòu)建。

1.1 地形地貌模型

這里我們所研究的地形地貌指地面的起伏狀況，主要通過地理位置坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)予以反映。在計算機(jī)仿真中，通常采用規(guī)則網(wǎng)格法、不規(guī)則三角網(wǎng)格法、等高線表示法等三種方法來具體表示。由于規(guī)則網(wǎng)格法比較形象直觀且易于處理和實現(xiàn)，故在此使用該方法建立地形地貌模型。

使用規(guī)則網(wǎng)絡(luò)法對地形地貌模型進(jìn)行構(gòu)建時，應(yīng)建立三維笛卡爾坐標(biāo)系OXYZ，其中X軸與Y軸在水平面上，其數(shù)值表示地理位置;Z軸垂直于該平面，且指向地心的相反方向，其數(shù)值表示地理高程，即海拔高度。之后，將需要構(gòu)建模型的戰(zhàn)場區(qū)域投影到水平面上，并將其投影分成若干相同大小的正方形網(wǎng)格，在網(wǎng)格各頂點的高程值已知的情況下，若假設(shè)同一方格內(nèi)高程值相同，且為該方格4個頂點高程值的平均數(shù)，則能得到作戰(zhàn)區(qū)域連貫地形中任一點的高程值[4]。

如圖1所示，將整個戰(zhàn)場區(qū)域劃分成m×n個方格，其中，X方向為m格，Y方向為n格，使用x1，x2，…，xm+1和y1，y2，…，yn+1表示X方向和Y方向上的劃分坐標(biāo)，那么對作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的任一點（x，y）處的標(biāo)高為：

在現(xiàn)實環(huán)境中，戰(zhàn)場地形經(jīng)常出現(xiàn)陡坡、山包等情況，但其地形地貌仍舊具有一定的連貫性，此時只要正方形網(wǎng)格面積取值適當(dāng)，也可以較為精確地確定各點的高程值，從裝備維修角度能夠滿足對戰(zhàn)場地形模型的要求;對于高程值急劇變化的斷崖、深坑等特殊地形，應(yīng)該對其高程值進(jìn)行測量，再由人工對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

1.2 通行性及通視性模型

通過對戰(zhàn)場環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)，地理環(huán)境對作戰(zhàn)行動的影響還體現(xiàn)在對通行性和通視性的影響上。戰(zhàn)場通視性模型可以由相關(guān)的通視性模型計算得出，如采用美國Santa Clarada大學(xué)的George W.Evansll所提出的四點輪廓法，也可以采用基于輪廓草圖的三維地形建模方法來完成，但前一種方法需要有具體的地形數(shù)據(jù)支持，裝備維修戰(zhàn)場環(huán)境模型構(gòu)建前期獲取的地形數(shù)據(jù)往往達(dá)不到要求，后一種方法雖然建模精度高，但在實現(xiàn)上較為復(fù)雜[3]。

因此，結(jié)合模擬訓(xùn)練應(yīng)用和裝備維修實際，可以采用參數(shù)描述的方法，即先將地形區(qū)分為山地、林地、丘陵、平原、草原、沙漠等，將各種地形的最大通視性量化為0到1之間分布的數(shù)值，如圖2所示。

圖2量化了各種地形情況下的最大通視性，在實際的戰(zhàn)場環(huán)境中，同一戰(zhàn)場區(qū)域在不同季節(jié)的通視性，會因地面植被等因素的影響而存在區(qū)別，因此地形通視性模型還要考慮到季節(jié)因素S，如圖3所示。

E為常數(shù)，不考慮其他因素影響時E的值為1，當(dāng)考慮其他因素的影響時，E作為[0，1]上的一個具體數(shù)值可以提高模型的適用性。

與通視性類似，可以建立通行性模型。根據(jù)地形情況、道路寬度、路面質(zhì)量等因素確定最大通行性tmax，根據(jù)季節(jié)情況確定地面植被等因素對通行性的影響s2，根據(jù)不同裝備通行能力確定裝備影響因素k，因此通行性模型可描述為，

2 ?大氣環(huán)境分析及仿真模型

大氣環(huán)境是指任務(wù)區(qū)域的氣候類型及任務(wù)時刻的季節(jié)、天氣狀況。從對部隊作戰(zhàn)行動和裝備維修活動影響的角度進(jìn)行分析，氣象條件包含時段、能見度、降雨量、風(fēng)級等進(jìn)行描述，即

式中：ID表示實體編號;Position表示位置信息; Visibility為能見度，每個等級對應(yīng)的能見距離及對機(jī)動速度的影響系數(shù)如表1所示;Rainfall為降雨量，依據(jù)降水多少可將降雨量分為無雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨6個等級，不同等級降雨量對維修效率的影響系數(shù)如表2所示;WindLevel為風(fēng)級，每個等級分別對應(yīng)的風(fēng)速及對維修效率的影響系數(shù)如表3所示;p，q，ρ，u，v，w，t七個因素間接影響維修活動，其分別代表氣壓、濕度、空氣密度、xyz方向風(fēng)速以及時間。

除明確的各影響因素外，其他大氣數(shù)據(jù)的生成可以由美國賓夕法尼亞/國家大氣研究中心（PSU/NCAR）提出的MM5模型得到，該模型依據(jù)大氣動力學(xué)和大氣輻射的原理，可以以任意尺度模擬全球任意地域的大氣環(huán)境。由5個基本方程來實現(xiàn)[4]：

3 ?電磁環(huán)境模型

戰(zhàn)場電磁環(huán)境是指與作戰(zhàn)相關(guān)的區(qū)域內(nèi)，影響作戰(zhàn)行動的電磁現(xiàn)象的總和，包括雷達(dá)電磁環(huán)境、光電電磁環(huán)境、通信電磁環(huán)境等。對戰(zhàn)場電磁環(huán)境模型的構(gòu)建，主要是通過對輻射源空間位置、技術(shù)參數(shù)、信號特征、部署情況等要素的描述來實現(xiàn)的[5]。

電磁環(huán)境是各類輻射信號的集合，在此以雷達(dá)信號為主要研究對象，即戰(zhàn)場中某一位置的雷達(dá)電磁環(huán)境是該點接收到的雷達(dá)信號形成的脈沖流，其由眾多某一時刻來自雷達(dá)的射頻脈沖組成[6]。此處射頻脈沖的基本特征可以用脈沖描述字（Pulse Description Word， PDW）描述，包括脈沖前沿到達(dá)時間（TOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖幅度（PA）、脈沖到達(dá)角（AOA）[7]。其中，載頻、脈寬、脈沖重復(fù)間隔三者模型相近，均包括脈間捷便模型、固定模型及參差模型，可進(jìn)行統(tǒng)一建模[8]。

4 ?結(jié)語

根據(jù)陸軍模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在裝備維修方面對環(huán)境模型的要求，從各要素特征和對裝備維修的影響等方面綜合考慮，通過對戰(zhàn)場環(huán)境中的地理、大氣和電磁的抽象描述，建立了符合需求的地理環(huán)境模型、大氣環(huán)境模型和電磁環(huán)境模型，豐富和發(fā)展了環(huán)境模型體系，同時也為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了借鑒。

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