基于仿真的軍用直升機訓(xùn)練效能綜述

徐 勝，汪 洋，白樂榮

(1.海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071；2.中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

飛行或作戰(zhàn)訓(xùn)練是空軍戰(zhàn)斗力形成和提高的根本途徑，隨著現(xiàn)代仿真建模技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真已成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研制工作的一種必不可少的手段。據(jù)國外統(tǒng)計資料報道，引進(jìn)仿真訓(xùn)練技術(shù)可節(jié)約40%～50%的實彈打靶次數(shù)，可以縮短30%～40%的研制周期，且能有效降低飛行員訓(xùn)練風(fēng)險和訓(xùn)練成本[1]。

而所謂效能，是指某一系統(tǒng)在一定條件下所能達(dá)到預(yù)期任務(wù)目標(biāo)的程度，它是該系統(tǒng)的整體價值體現(xiàn)并反映了該系統(tǒng)完成規(guī)定任務(wù)的綜合能力。對于軍用直升機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)而言，其效能表現(xiàn)為該系統(tǒng)完成所規(guī)定的飛行仿真訓(xùn)練任務(wù)或作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練任務(wù)的能力。通俗而言，軍用直升機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練效能就是利用直升機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)對飛行員進(jìn)行仿真訓(xùn)練，促進(jìn)部隊?wèi)?zhàn)斗力提升的能力。系統(tǒng)效能的綜合性特點，決定了其評價指標(biāo)的多樣性，直升機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)效能同樣具有較為豐富的評價體系。在直升機完成相關(guān)仿真訓(xùn)練的過程中，訓(xùn)練效能成為評價人-機-信息三者協(xié)同與融合能力的重要指標(biāo)。本文對軍用直升機訓(xùn)練效能的具體涵蓋內(nèi)容及其評估指標(biāo)體系和評估方法等進(jìn)行較為詳細(xì)的描述，對我國軍用直升機仿真訓(xùn)練的科學(xué)化進(jìn)程具有引導(dǎo)作用。

1 基于仿真的軍用直升機飛行訓(xùn)練效能

作為20世紀(jì)航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造之一，應(yīng)用廣泛的直升機在飛行訓(xùn)練領(lǐng)域中以地面模擬器訓(xùn)練代替實裝訓(xùn)練的訓(xùn)練方式已逐步得到用戶認(rèn)可。與此同時，仿真訓(xùn)練已經(jīng)成為包括我國在內(nèi)的世界各國在直升機飛行訓(xùn)練過程中追求節(jié)省訓(xùn)練耗費、提高飛行技能的一種有效手段。

1.1 飛行仿真訓(xùn)練需求

軍用直升機訓(xùn)練包括實裝訓(xùn)練和仿真訓(xùn)練，然而，在進(jìn)行實裝訓(xùn)練時存在需具備合適的訓(xùn)練或?qū)弓h(huán)境，訓(xùn)練耗費大且維護(hù)成本高，安全隱患多等諸多實際限制因素。相比之下仿真訓(xùn)練突破氣候、地域或環(huán)境限制，訓(xùn)練環(huán)境可任意構(gòu)建且訓(xùn)練內(nèi)容可個性化擬定；與此同時，仿真訓(xùn)練可以設(shè)置大量應(yīng)急處置訓(xùn)練并進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，增強飛行人員的心理素質(zhì)，提高實裝飛行的應(yīng)急處置能力，大大提升部隊飛行人員的訓(xùn)練水平；不僅如此，利用仿真訓(xùn)練可以避免飛行員因操作失誤導(dǎo)致的安全隱患，極大提升了飛行訓(xùn)練的安全性。

表1與表2分別記錄了實裝訓(xùn)練和仿真訓(xùn)練條件下某型軍用直升機訓(xùn)練科目的完成率和單小時訓(xùn)練費用。根據(jù)國內(nèi)設(shè)計的某軍機部隊訓(xùn)練場景，經(jīng)加權(quán)計算，配置飛行訓(xùn)練模擬器使訓(xùn)練綜合貢獻(xiàn)率提升166.0%，且配置飛行訓(xùn)練模擬器與沒有配置飛行訓(xùn)練模擬器相比，縮短了改裝訓(xùn)練時間，顯著增加了可訓(xùn)練科目量，并極大提高了改裝訓(xùn)練課目完成率。

可見，引入軍用直升機仿真訓(xùn)練是部隊快速大規(guī)模形成戰(zhàn)斗力的必備條件，是大量節(jié)省訓(xùn)練軍費開支的明智選擇，是提高作戰(zhàn)訓(xùn)練安全的重要手段，是開展戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練和戰(zhàn)法演練的有效途徑，也是提升部隊訓(xùn)練水平的必然要求。圖1為國外某型軍用直升機仿真訓(xùn)練環(huán)境。

表1 某型軍用直升機實裝訓(xùn)練與仿真訓(xùn)練科目完成率表

表2 某型軍用直升機實裝訓(xùn)練與仿真訓(xùn)練小時費用表

圖1 國外某型軍用直升機仿真訓(xùn)練環(huán)境圖

1.2 飛行仿真訓(xùn)練

過去幾十年，飛行訓(xùn)練從教程閱讀和流程圖比劃結(jié)合訓(xùn)練到簡易游戲手柄與圖像界面結(jié)合訓(xùn)練再到利用地面模擬器進(jìn)行訓(xùn)練的過程實現(xiàn)了飛行訓(xùn)練質(zhì)的飛躍，極大地提高了飛行員的代入感和訓(xùn)練效果?，F(xiàn)今，飛行仿真訓(xùn)練主要包括對地面模擬器虛擬座艙內(nèi)部構(gòu)造、操作方式的熟悉和對一些基本科目如地面開關(guān)車、起飛、降落、懸停、航線飛行等的一些基本飛行技能的訓(xùn)練，以及對艦面起降、特情故障如發(fā)動機故障、飛控故障的應(yīng)急處置程序等的特殊飛行訓(xùn)練。整個仿真訓(xùn)練通常由地面模擬器的座艙模擬分系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、航空電子分系統(tǒng)、飛行控制分系統(tǒng)、綜合環(huán)境分系統(tǒng)、視景分系統(tǒng)、聲音分系統(tǒng)、計算機與網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)、動感模擬分系統(tǒng)等多個分系統(tǒng)共同運行支撐。

良好的訓(xùn)練方法能較大程度上加強飛行訓(xùn)練的效率，快速、高效地提升飛行員的飛行技能，從而使整個訓(xùn)練過程擁有較高的訓(xùn)練效能。

1.3 訓(xùn)練效能評估

作為全世界飛行訓(xùn)練領(lǐng)域的熱點及難點，近年來飛行訓(xùn)練效能評估越發(fā)受到關(guān)注和重視。不過最終的評估方式無非集中于對飛行員飛行能力提升以及整個訓(xùn)練過程花費的評估?，F(xiàn)今，國外已有相關(guān)行業(yè)的公司開發(fā)出相應(yīng)的系統(tǒng)以克服對人工評測飛行訓(xùn)練質(zhì)量中存在的諸多弊端，例如[2]：

1)英國飛行數(shù)據(jù)公司的CADS系統(tǒng)(Computer Aided Debriefing System)在SGI公司的小型工作站上的模擬器輔助訓(xùn)練系統(tǒng)上試運行，通過用戶提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，對整個訓(xùn)練過程進(jìn)行回放。同時，它還具備駕駛艙內(nèi)錄像功能，可與仿真回放同步進(jìn)行播放。

2)阿拉斯加航空公司設(shè)計了一種計算機輔助評估系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以對該公司的麥道系列模擬器訓(xùn)練過程中可以量化的飛行技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評估打分，而后輸出各訓(xùn)練科目的指標(biāo)及成績單。

3)加拿大CAE公司在其生產(chǎn)的模擬器上加裝記錄回放系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以記錄仿真訓(xùn)練中30分鐘的飛行過程，并能在模擬器上再現(xiàn)。

在國內(nèi)飛行訓(xùn)練質(zhì)量的評估方面，北京航空航天大學(xué)的研究人員結(jié)合了飛行員生理參數(shù)，取得了較好的進(jìn)展[3]。此外，空軍工程大學(xué)開發(fā)出了一套飛行成績自動評定系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作性強，相對完整[4]。

訓(xùn)練效能整個評估過程通?？煞譃槿齻€步驟，即構(gòu)建評估指標(biāo)體系，建立合適的訓(xùn)練效能計算模型，根據(jù)模型計算出效能結(jié)果。效能評估需要從影響系統(tǒng)各個方面性能的最基本指標(biāo)入手，構(gòu)建評估指標(biāo)體系時需要重點考慮體系的完備性、獨立性、代表性、可比性以及可操作性。指標(biāo)體系構(gòu)建完成后，需要對各層評估指標(biāo)中的各節(jié)點指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的分配，以刻畫指標(biāo)的重要性程度，一般用權(quán)重系數(shù)表示。權(quán)重系數(shù)通常憑經(jīng)驗確定，任意一層中的各節(jié)點指標(biāo)權(quán)重系數(shù)之和為1。假設(shè)一指標(biāo)體系中的某層評估指標(biāo)共有n個節(jié)點指標(biāo)，w1,w2,……,wn分別為它們的權(quán)重系數(shù)，則有：

(1)

直升機飛行仿真訓(xùn)練效能模型是將直升機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)相關(guān)的性能參數(shù)、因素及相互關(guān)系歸結(jié)為一套科學(xué)的數(shù)學(xué)模型以反映具體數(shù)量關(guān)系。空軍指揮學(xué)院李明忠等人在WSEIAC模型(E=ADC)基礎(chǔ)上提出了飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)綜合效能模型[5]：

E=ADCF

(2)

其中，E為系統(tǒng)綜合效能；A為可用度；D為可信度；C為訓(xùn)練能力；F為仿真逼真度。在此模型的基礎(chǔ)上計算出某型飛機較為客觀真實的飛行仿真訓(xùn)練效能評估結(jié)果。

此外，北京航空航天大學(xué)陳杰等人還提出基于網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)的訓(xùn)練效能計算模型，建立了相關(guān)的評估指標(biāo)體系并最終根據(jù)模型計算出較為可靠的訓(xùn)練效能結(jié)果[6]。由此可見，評估飛行仿真訓(xùn)練效能的方法有很多種，然而一套科學(xué)的數(shù)學(xué)模型和一個合理的評估指標(biāo)體系是確保訓(xùn)練效能評估結(jié)果客觀可靠的必要條件。

2 基于仿真的軍用直升機作戰(zhàn)訓(xùn)練效能

2.1 作戰(zhàn)訓(xùn)練體系

不同的軍事訓(xùn)練具有不同的訓(xùn)練手段和方法，在軍用直升機作戰(zhàn)訓(xùn)練中，為了營造出一個逼真的作戰(zhàn)環(huán)境或戰(zhàn)場環(huán)境來訓(xùn)練戰(zhàn)爭的不同參與者，需建立直升機作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練體系，以適應(yīng)作戰(zhàn)的決策、指揮、作戰(zhàn)行動的需要。整個作戰(zhàn)仿真訓(xùn)練體系由操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)、指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)和決策訓(xùn)練模擬系統(tǒng)組成。

1)操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)

操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)針對受訓(xùn)的個人或集體進(jìn)行，通過訓(xùn)練提高他們的操作技能。使用操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可以大大減少對實際武器、裝備及設(shè)施的使用損耗并減少訓(xùn)練過程中的危險性。加拿大CAE公司與西班牙INDRA公司等國外知名企業(yè)在其直升機業(yè)務(wù)領(lǐng)域都具備直升機操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。整個直升機操作仿真訓(xùn)練系統(tǒng)主要由直升機計算機輔助訓(xùn)練(CBT)、綜合程序訓(xùn)練器(IPT)、飛行訓(xùn)練器(FTD)、飛行訓(xùn)練模擬器(FFS)、全任務(wù)訓(xùn)練模擬器(FMS)和戰(zhàn)術(shù)任務(wù)訓(xùn)練系統(tǒng)(TTS)組成。

2)指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)

指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)是支持、保障部隊和院系進(jìn)行指揮員作戰(zhàn)指揮、決策訓(xùn)練和演習(xí)的計算機作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)。它具備直接或通過導(dǎo)調(diào)人員給受訓(xùn)者提供逼真的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，接受受訓(xùn)人員對此態(tài)勢信息的反映(判斷和決策)，通過模擬系統(tǒng)運行結(jié)果對受訓(xùn)人員的反映給出評估等功能。整個指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)主要由指揮系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、導(dǎo)演控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和運行支持系統(tǒng)組成。

3)決策訓(xùn)練模擬系統(tǒng)

決策訓(xùn)練模擬系統(tǒng)在作戰(zhàn)訓(xùn)練中用于對高層指揮員、決策者進(jìn)行決策訓(xùn)練，主要是戰(zhàn)略或戰(zhàn)役層次的決策，尤其是戰(zhàn)略層次的決策。決策訓(xùn)練模擬系統(tǒng)將過去完全定性的分析、理性的判斷通過模擬系統(tǒng)加以展現(xiàn)，使其更具完整性和表現(xiàn)性。

2.2 作戰(zhàn)訓(xùn)練分類

軍用直升機仿真訓(xùn)練可分為單兵仿真訓(xùn)練、多機協(xié)同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練以及諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)。

1)單兵仿真訓(xùn)練

單兵仿真訓(xùn)練又包括單兵技術(shù)訓(xùn)練和單兵作戰(zhàn)訓(xùn)練，前者的目的是讓飛行員提高操作、控制裝備和武器，處置、分析故障的能力，獲得多人、多武器平臺的協(xié)同能力，以及減少對實際武器、裝備及設(shè)施的使用損耗并減少訓(xùn)練過程中的危險性。后者追求利用仿真戰(zhàn)場環(huán)境，選擇不同的傳感器設(shè)備和戰(zhàn)場環(huán)境，輸入不同的處置方案，讓飛行員體驗不同作戰(zhàn)效果并鍛煉和提高參訓(xùn)人員的戰(zhàn)術(shù)動作水平、心里承受能力和戰(zhàn)場應(yīng)變能力。

2)多機協(xié)同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)飛行模擬器聯(lián)網(wǎng)，在實戰(zhàn)背景下開展多機聯(lián)網(wǎng)仿真訓(xùn)練，已經(jīng)成為如今飛行仿真訓(xùn)練革命的重要標(biāo)志。多機協(xié)同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練是以當(dāng)前的直升機武器系統(tǒng)、配置、戰(zhàn)術(shù)和原則為基礎(chǔ)，把多個訓(xùn)練模擬器和仿真器連接起來。其目的是使眾多的模擬設(shè)備參與到作戰(zhàn)模擬中，而不必受地域限制，在多機協(xié)同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中可以進(jìn)行戰(zhàn)役理論和作戰(zhàn)計劃的檢驗，并預(yù)測軍事行動和作戰(zhàn)計劃的效果；可以評估直升機武器系統(tǒng)的總體性能，啟發(fā)新的作戰(zhàn)思想。公開資料顯示，國外多機協(xié)同研究項目中美國占比最大，美國陸軍對多機協(xié)同戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練研究可分為三個階段：一是概念研究與演示驗證階段，該階段主要針對概念研究、作戰(zhàn)需求分析、作戰(zhàn)效能評估以及關(guān)鍵技術(shù)與協(xié)同作戰(zhàn)演示驗證；二是工程研發(fā)階段，該階段主要研制能夠批量裝備的現(xiàn)役直升機協(xié)同控制組件；三是服役與戰(zhàn)法訓(xùn)練階段，該階段完成部隊編組和戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法訓(xùn)練。

3)諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)

諸軍兵種聯(lián)合演習(xí)是指按照軍隊的實際編制、作戰(zhàn)原則、戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)要求，使各兵種相處異地但卻共同處于仿真戰(zhàn)場環(huán)境中，指揮員根據(jù)仿真環(huán)境中的各種情況及其變化來判斷敵情作決定，并采取相應(yīng)的作戰(zhàn)行動。通過這種訓(xùn)練能夠?qū)χT軍兵種聯(lián)合訓(xùn)練的原則、方法進(jìn)行補充和校正，極大提高參戰(zhàn)部隊的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

4)LVC高級訓(xùn)練環(huán)境

LVC高級訓(xùn)練環(huán)境全稱真實-虛擬-構(gòu)造高級訓(xùn)練環(huán)境(Live，Virtual，and Constructive Advanced Training Environment)。其具體內(nèi)涵如下[7]：

真實環(huán)境(L)：作戰(zhàn)人員在現(xiàn)實中操作各自的裝備，但不存在真實的敵人；

虛擬環(huán)境(V)：作戰(zhàn)人員操作飛行模擬器或戰(zhàn)術(shù)模擬器；

構(gòu)造環(huán)境(C)：構(gòu)造性仿真是一種計算機程序，確定了移動速度，與敵人交戰(zhàn)的效果，以及可能發(fā)生的任何戰(zhàn)斗損傷，用于增強和加強真實/虛擬場景。

十多年來，美國防部在建模和仿真領(lǐng)域?qū)?chuàng)建統(tǒng)一的“真實-虛擬-構(gòu)造”LVC集成架構(gòu) (Live-Virtual-Construction Integrating Architecture, LVC-IA) 作為最終目標(biāo)，如此可以快速完成模型集成和仿真，開展工作，形成有效的LVC環(huán)境，用于飛行訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同、制定作戰(zhàn)計劃和評估作戰(zhàn)情況等。LVC環(huán)境由多個建模和仿真環(huán)境組合構(gòu)成，通過LVC集成架構(gòu)進(jìn)行互操作。LVC訓(xùn)練體系由人員、硬件和軟件構(gòu)成，以網(wǎng)絡(luò)為中心，通過通用協(xié)議、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和接口將三個不同的環(huán)境結(jié)合起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、管理、檢索、實時交換等。當(dāng)前LVC技術(shù)已經(jīng)得到了一定程度的發(fā)展，并且已經(jīng)在2017年的美軍“北方利刃”(Northern Edge)軍演中初步應(yīng)用?！氨狈嚼小?Northern Edge)演習(xí)是美太平洋司令部在阿拉斯加開展的兩年一次的空戰(zhàn)演習(xí)。2017年的該軍演中，總共涉及近6000名飛行員、陸軍人員、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊員，200多架飛機，以及海軍船只和商船，并且集中于演練形成戰(zhàn)術(shù)空中優(yōu)勢、打擊陸地和海上目標(biāo)。在此過程中，LVC技術(shù)訓(xùn)練方案模擬了遠(yuǎn)程轟炸機、預(yù)警機、指揮機等模擬器，并通過計算機生成的友軍和敵軍的武器系統(tǒng)，增強了作戰(zhàn)場景的真實度。

2.3 作戰(zhàn)訓(xùn)練效能評估

我國對軍用直升機作戰(zhàn)訓(xùn)練效能評估的研究開展較晚，目前還沒有形成一個系統(tǒng)的評估方法體系，且長期存在評估直升機種類少、評估對象簡單以及評估內(nèi)容單一等不足?？傮w而言，我國對軍用直升機仿真作戰(zhàn)訓(xùn)練效能評估常用流程為：①分析作戰(zhàn)任務(wù)；②確立作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系；③開展效能評估仿真試驗；④分析試驗數(shù)據(jù)選取評估方法；⑤計算作戰(zhàn)效能結(jié)果。其中，確立作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系需采集非常豐富的效能指標(biāo)、性能指標(biāo)及系統(tǒng)參量數(shù)據(jù)。對直升機作戰(zhàn)訓(xùn)練效能進(jìn)行評估是一個科學(xué)又復(fù)雜的過程，當(dāng)然，其中大多數(shù)工作需要借助計算機完成。

3 結(jié)束語

隨著直升機事業(yè)的蓬勃發(fā)展和軍用直升機在部隊的廣泛應(yīng)用，軍用直升機仿真訓(xùn)練需求也隨之不斷增加，深入理解其仿真訓(xùn)練內(nèi)容及其效能的實際內(nèi)涵及具體評價指標(biāo)等成為軍用直升機仿真訓(xùn)練效能提升的必然要求。本文對軍用直升機仿真訓(xùn)練及其效能評估的詳細(xì)描述，以及文中美軍對LVC高級訓(xùn)練環(huán)境的具體實踐，可為我國建設(shè)更加科學(xué)化的訓(xùn)練效能評估體系提供借鑒。