基于HLA 的蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

李剛強(qiáng) 胡訓(xùn)強(qiáng)

（海軍91976部隊(duì) 廣州 510430）

1 引言

蛙人是極具海軍特色的特種作戰(zhàn)力量，具備較強(qiáng)的水下滲透、偵察和突擊能力，能夠在戰(zhàn)時(shí)和平時(shí)遂行多樣化任務(wù)。蛙人運(yùn)載器是一種以潛艇或水面艦船為支撐平臺(tái)、以作戰(zhàn)為目的的海軍特種裝備［1］。蛙人運(yùn)載器可以將蛙人隱蔽地輸送到指定作戰(zhàn)海域，并承擔(dān)任務(wù)結(jié)束后撤離工作，是保障蛙人順利完成任務(wù)的重要裝備之一［2］。

因此，世界各軍事強(qiáng)國(guó)都非常重視蛙人運(yùn)載器的研制生產(chǎn)，而蛙人運(yùn)載器的作戰(zhàn)效能評(píng)估是此類(lèi)裝備發(fā)展論證、研制生產(chǎn)、使用維護(hù)中的必不可少的環(huán)節(jié)。但是以實(shí)裝進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估，一來(lái)可能沒(méi)有實(shí)際裝備（如新裝備的發(fā)展論證），二來(lái)難以構(gòu)建真實(shí)的任務(wù)環(huán)境。因此，有必要開(kāi)發(fā)數(shù)字化的蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)，在貼近實(shí)際的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，通過(guò)調(diào)整敵我雙方的裝備參數(shù)和使用方式，得到較為準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，以此支撐前期的裝備研制立項(xiàng)，以及指導(dǎo)后期的裝備設(shè)計(jì)研發(fā)和作戰(zhàn)使用。為此，本文應(yīng)用裝備仿真相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于HLA 的分布式蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用三層體系架構(gòu)，按照信息的流向，從下到上依次為資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1 所示。這種分層架構(gòu)可有效從模型數(shù)據(jù)、服務(wù)接口和系統(tǒng)應(yīng)用三個(gè)層面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，既可以提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，也有利于系統(tǒng)的靈活配置和復(fù)用，是當(dāng)前仿真系統(tǒng)的一種重要設(shè)計(jì)方式［3］。

圖1 蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 資源層

資源層包含系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)和模型兩大類(lèi)資源，目的是為了提升數(shù)據(jù)和模型的標(biāo)準(zhǔn)化程度和可復(fù)用性。

其中，模型資源主要是指各類(lèi)仿真模型，包括蛙人機(jī)動(dòng)模型、水聲模型、聲納探測(cè)模型、數(shù)據(jù)處理模型，為系統(tǒng)運(yùn)行提供模型解算功能，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或COM 組件的形式存放；數(shù)據(jù)資源主要包含數(shù)字海圖、軍標(biāo)、仿真方案和裝備參數(shù)，存放于數(shù)據(jù)文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，主要在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)提供數(shù)據(jù)查詢(xún)、模型參數(shù)調(diào)用、態(tài)勢(shì)顯示和評(píng)估結(jié)果存儲(chǔ)等功能。

2.2 服務(wù)層

服務(wù)層為系統(tǒng)運(yùn)行提供仿真服務(wù)接口，主要包括RTI服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和模型調(diào)用服務(wù)。

其中，RTI服務(wù)即RTI運(yùn)行時(shí)環(huán)境，通過(guò)對(duì)符合RTI 規(guī)范的接口的調(diào)用，支持系統(tǒng)中實(shí)體屬性和交互信息的發(fā)布與訂閱；數(shù)據(jù)服務(wù)則依據(jù)數(shù)據(jù)資源模型，以軍用地理信息接口和SQL 語(yǔ)言接口的形式，封裝對(duì)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、調(diào)用、存儲(chǔ)和顯示；模型調(diào)用服務(wù)通過(guò)調(diào)用仿真模型，更新仿真實(shí)體狀態(tài)，生成并發(fā)布戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層直接體現(xiàn)系統(tǒng)的功能應(yīng)用，是系統(tǒng)的人機(jī)接口所在。應(yīng)用層主要包括系統(tǒng)控制、潛艇及蛙人運(yùn)載器操作、反蛙人聲納操作以及效能評(píng)估四部分。系統(tǒng)控制主要用于控制系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)程和編輯發(fā)布仿真方案；聲納操作模擬聲納裝備的探測(cè)和目標(biāo)錄取等功能；潛艇及蛙人運(yùn)載器操作主要用于控制潛艇及蛙人運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)和作戰(zhàn)行動(dòng)；效能評(píng)估則根據(jù)記錄的仿真數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理，對(duì)蛙人運(yùn)載器的作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

美國(guó)國(guó)防部為了解決各種軍用仿真應(yīng)用之間的互操作性問(wèn)題，提出了高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）技術(shù)框架。它通過(guò)通用的、相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行支撐環(huán)境（Run-time Infrastructure，RTI）對(duì)仿真的功能實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行管理和底層通信進(jìn)行了解耦，使得各個(gè)部分可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的即插即用［4］。

由于蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)涉及系統(tǒng)的運(yùn)行控制、蛙人運(yùn)載器和蛙人的機(jī)動(dòng)、聲納探測(cè)和數(shù)據(jù)處理、作戰(zhàn)效能評(píng)估等多個(gè)仿真應(yīng)用，因此適合基于HLA 進(jìn)行其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)的軟件組成結(jié)構(gòu)

1）系統(tǒng)控制聯(lián)邦成員

系統(tǒng)控制聯(lián)邦成員主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能:一是設(shè)置初始參數(shù)，包括水聲環(huán)境、蛙人運(yùn)載器以及反蛙人聲納的類(lèi)型、數(shù)量和初始部署等；二是設(shè)定潛艇、蛙人；三是控制仿真運(yùn)行進(jìn)度，包括仿真的開(kāi)始、結(jié)束、暫停、繼續(xù)、重啟以及時(shí)比調(diào)節(jié)。

2）態(tài)勢(shì)顯示聯(lián)邦成員

態(tài)勢(shì)顯示聯(lián)邦成員主要有兩項(xiàng)功能:一是通過(guò)RTI 訂購(gòu)態(tài)勢(shì)信息，以電子海圖、軍標(biāo)和圖形形式顯示仿真海域、兵力行動(dòng)和探測(cè)結(jié)果；二是對(duì)顯示方式進(jìn)行控制，從敵我屬性、縮放比例等多個(gè)角度觀察態(tài)勢(shì)。

3）效能評(píng)估聯(lián)邦成員

效能評(píng)估聯(lián)邦成員通過(guò)訂購(gòu)所有的戰(zhàn)場(chǎng)信息，主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能:一是數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)功能，為輔助評(píng)估提供所需的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和分類(lèi)信息；二是效能評(píng)估功能，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)蛙人運(yùn)載器的作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估，分析影響作戰(zhàn)效能的主要因素；三是態(tài)勢(shì)記錄與回放功能，對(duì)仿真的全過(guò)程進(jìn)行態(tài)勢(shì)記錄，并可在評(píng)估階段對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行回放。

4）水聲仿真聯(lián)邦成員

水聲仿真聯(lián)邦成員主要對(duì)仿真海域的水聲特性進(jìn)行仿真，為了保證評(píng)估結(jié)果的可信度，它主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能:一是仿真水聲信道對(duì)聲納信號(hào)造成的傳播損失、聲波吸收以及頻率變化；二是仿真海水的聲環(huán)境噪聲和海洋混響等干擾信號(hào)對(duì)聲納工作造成的影響［5］。

由于在線(xiàn)仿真水聲特性的計(jì)算量巨大，不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行［6］。因此，可以首先離線(xiàn)構(gòu)建和調(diào)用水聲特性模型，計(jì)算得到戰(zhàn)術(shù)層面上對(duì)聲納探測(cè)造成影響的水聲特性參數(shù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的戰(zhàn)術(shù)級(jí)計(jì)算，這樣就可以兼顧在保證系統(tǒng)的仿真逼真度與運(yùn)行效率。

5）潛艇聯(lián)邦成員

潛艇聯(lián)邦成員對(duì)潛艇裝備進(jìn)行仿真，主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能:一是仿真潛艇的機(jī)動(dòng)過(guò)程；二是仿真潛艇對(duì)蛙人運(yùn)載器的裝載和施放；三是仿真潛艇的水聲特性。

6）蛙人運(yùn)載器聯(lián)邦成員

蛙人運(yùn)載器聯(lián)邦成員對(duì)蛙人運(yùn)載器裝備進(jìn)行仿真，主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能:一是仿真蛙人運(yùn)載器的機(jī)動(dòng)過(guò)程；二是仿真蛙人運(yùn)載器的反射強(qiáng)度和聲源級(jí)等水聲特性；三是仿真蛙人運(yùn)載器攜行的被動(dòng)告警聲納的工作過(guò)程。

7）反蛙人聲納聯(lián)邦成員

反蛙人聲納聯(lián)邦成員主要對(duì)反蛙人聲納裝備進(jìn)行仿真，主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能:一是設(shè)定反蛙人聲納的工作頻率、檢測(cè)閾值、接收指向性指數(shù)等裝備參數(shù)；二是仿真反蛙人聲納的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

由于聲納數(shù)據(jù)處理的大數(shù)據(jù)量會(huì)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性造成不良影響，因此，可以借鑒文獻(xiàn)［7～9］中的方法，將聲納數(shù)據(jù)處理過(guò)程劃分為若干子過(guò)程，將每個(gè)子過(guò)程映射為一個(gè)線(xiàn)程塊，再將每個(gè)子過(guò)程中的具體步驟映射為線(xiàn)程塊中的若干線(xiàn)程，利用支持GUDA技術(shù)的GPU進(jìn)行內(nèi)外兩層并行運(yùn)算［10］，從而提高聲納數(shù)據(jù)處理的效率。

3.2 FOM表設(shè)計(jì)

為促進(jìn)仿真系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通和互操作，HLA為聯(lián)邦成員之間按照公共的、標(biāo)準(zhǔn)化的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換提供了聯(lián)邦對(duì)象模型（Federal Object Model，F(xiàn)OM），以此來(lái)描述聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中需要交換的對(duì)象類(lèi)、對(duì)象類(lèi)屬性、交互類(lèi)、交互類(lèi)參數(shù)等信息［11～12］。在HLA聯(lián)邦開(kāi)發(fā)實(shí)踐當(dāng)中，以表格形式的對(duì)象模型模板（Object Model Template，OMT）來(lái)描述FOM，蛙人運(yùn)載器系統(tǒng)的部分FOM 表的內(nèi)容如表1～3所示。

表1 復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型POSITION的FOM

表2 對(duì)象類(lèi)Entity的FOM

表3 交互類(lèi)Detect的FOM

復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型POSITION 表示實(shí)體的位置，在程序代碼中對(duì)應(yīng)著一個(gè)結(jié)構(gòu)體。根據(jù)系統(tǒng)的軟件組成結(jié)構(gòu)，潛艇和蛙人運(yùn)載器類(lèi)繼承了FOM 中Entity對(duì)象類(lèi)的所有屬性；聲納類(lèi)則繼承了Sonar對(duì)象類(lèi)的所有屬性；聲納探測(cè)類(lèi)則繼承了交互類(lèi)Detect的所有參數(shù)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前文所述的功能設(shè)計(jì)以及FOM 表設(shè)計(jì)，在Visual Studio 2010 IDE 中，基于MAK RTI 和軍用地理信息及圖形處理開(kāi)發(fā)支撐環(huán)境（MGIS），實(shí)現(xiàn)了基于HLA 的蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)。系統(tǒng)中的各聯(lián)邦成員共用一套界面，通過(guò)配置文件區(qū)分角色，針對(duì)特定聯(lián)邦成員確定菜單或工具欄的可用或禁用，以及加載相應(yīng)的DLL，系統(tǒng)的界面如圖3所示。

系統(tǒng)仿真運(yùn)行時(shí)，首先加載地圖，并設(shè)定初始參數(shù)，包括海洋環(huán)境參數(shù)、仿真運(yùn)行次數(shù)以及步長(zhǎng)、蛙人運(yùn)載器的聲學(xué)特性參數(shù)、蛙人運(yùn)載器攜載的告警聲納參數(shù)等，然后開(kāi)始仿真。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

在指定路徑或人工控制下，潛艇到達(dá)預(yù)定投放點(diǎn)后卸載蛙人運(yùn)載器，之后蛙人運(yùn)載器抵近敵方預(yù)定目標(biāo)，如果進(jìn)入到敵方被動(dòng)聲納的有效探測(cè)范圍，敵方主動(dòng)聲納開(kāi)機(jī)，當(dāng)蛙人運(yùn)載器進(jìn)入敵方主動(dòng)聲納探測(cè)范圍后，告警聲納給出提示信息，然后根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的規(guī)避方案低速規(guī)避，待脫離告警區(qū)域后，從其他方向抵近敵方預(yù)定目標(biāo)。如果仿真運(yùn)行滿(mǎn)足以下三個(gè)條件之一，則可認(rèn)為一次仿真過(guò)程結(jié)束:

1）蛙人運(yùn)載器到達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)（任務(wù)成功）；

2）規(guī)避敵方主動(dòng)聲納超過(guò)30min 并且沒(méi)有抵達(dá)預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)（失?。?；

3）被敵方主動(dòng)聲納探測(cè)到后1min 內(nèi)未擺脫（失?。?。

假設(shè)進(jìn)行三輪仿真，每輪仿真各運(yùn)行100 次，每輪仿真中，只改變敵方反蛙人聲納的部署，其他參數(shù)不變，仿真條件及結(jié)果如表4所示。

表4 仿真實(shí)例結(jié)果

通過(guò)分析，由于告警聲納無(wú)法確定聲納具體位置，導(dǎo)致陷入規(guī)避超出預(yù)定時(shí)間的概率最高達(dá)8.2%，說(shuō)明導(dǎo)致規(guī)避戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)時(shí)無(wú)法實(shí)施最佳的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，影響突防概率。因此，在研制實(shí)際蛙人運(yùn)載器時(shí)，應(yīng)注意裝備可以測(cè)距和測(cè)向的告警聲納；或者在現(xiàn)有裝備條件下，進(jìn)一步對(duì)蛙人運(yùn)載器的規(guī)避機(jī)動(dòng)進(jìn)行研究，從而提高蛙人運(yùn)載器的作戰(zhàn)效能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于HLA 的蛙人運(yùn)載器作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)某新型蛙人運(yùn)載器的設(shè)計(jì)和研制當(dāng)中，在預(yù)警能力、機(jī)動(dòng)能力和隱身能力等方面為研制單位提供了數(shù)據(jù)支撐，取得了良好的效果，也為其他類(lèi)似的裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估系統(tǒng)提供了有益的借鑒。