軍用LVC仿真技術的發(fā)展研究

馮琦琦 蔡卓函 先大蓉

摘要：裝備試驗和人員訓練是軍隊戰(zhàn)斗力形成過程中的兩個重要環(huán)節(jié)，軍用LVC仿真技術可以促進二者的有機結合，加速戰(zhàn)斗力的生成。首先介紹了國外LVC技術的產生和發(fā)展，分析了不同時期不同技術體系的結構特點，并對國內開展軍用LVC技術的情況進行了匯總;然后詳細介紹了以聯(lián)合任務環(huán)境試驗能力、陸軍合成訓練環(huán)境、“紅旗軍演”、“虛擬旗軍演”為代表的LVC典型應用，具體呈現(xiàn)了LVC技術在軍用領域的優(yōu)越性;最后預測了未來軍用LVC仿真技術的發(fā)展趨勢，這對我國開展軍用LVC技術的研究和應用提供了參考。

Abstract： Equipment testing and personnel training are two important links in the formation of military combat effectiveness. Military LVC simulation technology can promote the organic combination of the two and accelerate the generation of combat effectiveness. Firstly， this paper introduced the production and development of foreign LVC technology， analyzed the structural characteristics of different technology systems in different periods， and summarized the domestic development of military LVC technology; then introduced the typical applications of LVC represented by the joint mission environment test capabilities， the army synthetic training environment， "Red Flag Military Exercise" and "Virtual Flag Military Exercise" in detail， which shows the superiority of LVC technology in the military field. Finally， it predicted the development trend of military LVC simulation technology in the future to provide reference for the research and application of technology.

關鍵詞：軍用仿真;邏輯靶場;中間件;試驗訓練

Key words： military simulation;logical range;middleware;text and training

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0176-04

0? 引言

LVC仿真是分布交互仿真的一種，它能夠通過計算機網(wǎng)絡將分散的實況仿真（Live Simulation）、虛擬仿真（Virtual Simulation）和構造仿真（Constructive Simulation）聯(lián)為一個可相互作用的綜合仿真環(huán)境[1]。實況仿真通常包括真實作戰(zhàn)平臺、真實任務系統(tǒng)和參訓人員。虛擬仿真通常包括人在回路仿真模擬器和計算機生成兵力[2]，即平常意義上的仿真。構造仿真通常包括計算機生成的作戰(zhàn)平臺、系統(tǒng)、人員實體和組織單位的行為能力等[3]。

近年來，因LVC在軍事領域的獨特優(yōu)勢，得到各國的高度重視。一方面，LVC訓練增強了傳統(tǒng)軍事演習的實戰(zhàn)性。其生成的作戰(zhàn)規(guī)模和復雜場景，可以不受實際人員、裝備和場地數(shù)量的限制，實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的指揮協(xié)同、體系對抗和跨域聯(lián)動等功能。另一方面，LVC試驗提高了傳統(tǒng)裝備檢驗的可靠性。其構建的虛實結合的邏輯靶場，可以降低純實裝試驗帶來的不確定性風險，同時節(jié)省了項目經費和人員采辦時間，實現(xiàn)各類資源間的共享、重用、互操作，達到檢驗武器系統(tǒng)整體性能的目的。總之，LVC可以讓參訓部隊融入到武器裝備的試驗鑒定中，也可以讓試驗人員融入到參訓部隊的協(xié)同作戰(zhàn)中，完成二者相結合的任務[4]。

1? 軍用LVC的發(fā)展歷程

美國是最早在軍事領域開展并運用LVC仿真技術的，經過幾十年的不斷更新，現(xiàn)已成為擁有世界上最先進技術和最多成果的國家。我國雖然在LVC領域起步較晚，但隨著仿真應用需求的驟然增長，很多科研單位和企業(yè)也加緊了對LVC技術研究與開拓的步伐，并取得了一定成效。

1.1 國外進展

20世紀70年代初，單一武器系統(tǒng)仿真已不能滿足部隊高級戰(zhàn)術訓練任務的需求，軍用LVC仿真技術急需面臨從獨立運營模式向聯(lián)網(wǎng)交互模式的轉型。美軍率先發(fā)展并逐漸形成了一系列的仿真協(xié)議和標準，包括SIMNET、DIS、ALSP、HLA、TENA等[5]。表1為LVC各項協(xié)議標準綜合對比的情況。

SIMNET計劃是將異地的坦克和裝甲車仿真器用計算機網(wǎng)絡連接起來，實施隊組級的協(xié)同作戰(zhàn)任務。DIS在SIMNET成功的基礎上，完成了異構仿真器的互聯(lián)互通互操作。ALSP成功解決了美國陸軍兵團作戰(zhàn)仿真和空軍空戰(zhàn)仿真的聚合問題，較好地實現(xiàn)了構造仿真的分布式運行。HLA技術標準相對成熟規(guī)范，旨在實現(xiàn)整個國防領域范圍內不同系統(tǒng)的互操作，增強大規(guī)模仿真系統(tǒng)的集成能力[7]。TENA可以應用于實裝參與的硬實時仿真環(huán)境，解決了與已有異構系統(tǒng)兼容和資源互操作的問題。從國外LVC的發(fā)展趨勢來看，TENA被公認為軍用建模與仿真領域最先進的技術。

1.2 國內研究

近年來，我國也在積極探索分布式LVC仿真技術，目前國內的試訓研究主要集中在HLA和TENA兩方面，同時致力于自主研發(fā)部分中間件產品。西北工業(yè)大學針對我國軍工領域虛擬試驗的現(xiàn)狀，提出了一個層次化的分布式虛擬試驗系統(tǒng)運行支撐體系結構（Distributed Virtual Architecture，DVTA），并設計了DVTA中間件[8];哈爾濱工業(yè)大學自動化測試與控制研究所在借鑒HLA/TENA基礎上，提出了用于仿真、試驗及訓練等領域的體系結構，開發(fā)了相應的軟件支撐平臺HIT-TENA旨在提高靶場試驗訓練的通用性[9];西安電子科技大學針對我國靶場分布式虛擬試驗系統(tǒng)建設現(xiàn)狀與需求，借鑒TENA體系結構基礎開發(fā)了靶場虛擬試驗驗證系統(tǒng)（Virtual Test and evaluation enabling Architecture，VTTA）[10];國防科技大學在總結歸納LVC仿真技術特點及相關體系結構的基礎上，針對武器裝備聯(lián)合仿真試驗提出了以應用服務層、運行支撐層、仿真代理層和物理實體層構成的四層仿真體系結構和 “中間件+代理”的一體化集成方案[11];北京仿真中心正在研制支持LVC互操作的分布式聯(lián)合仿真支撐平臺（Distributed Joint simulation platform，JOSIM），力求為用戶提供聯(lián)合仿真前、事中、事后的仿真數(shù)據(jù)分析與評估支撐[12];陸軍裝甲兵學院和中國運載火箭研究院聯(lián)合開發(fā)的試驗訓練一體化仿真支撐平臺（Test and Training Integrated Simulation Architecture， TISA）不僅能夠很好地解決試驗訓練的LVC邏輯靶場異構集成問題，而且還提出了異地靶場集成的解決方案。圖1為TISA的體系結構。

2? 軍用LVC的典型應用

以美國為代表的西方國家高度重視LVC的應用，主要體現(xiàn)在分布式試驗能力和部隊訓練兩個方面。美軍的聯(lián)合任務環(huán)境試驗能力（Joint Mission Environment Test Capacity，JMETC）基于TENA構建初始元模型，為內外靶場提供關鍵性能參數(shù)的演示驗證和體系裝備的聯(lián)合試驗仿真能力。陸軍合成訓練環(huán)境（Synthetic Training Environment，STE），作為未來美國陸軍軍事訓練概念和發(fā)展的核心方向，成為推動軍事訓練轉型和提高軍事訓練水平的有力抓手。此外，還有“嚴峻挑戰(zhàn)2006”、3CE仿真環(huán)境特征評估試驗、“紅旗軍演（Red Flag）”系列和“虛擬旗軍演（Virtual Flag）”等的成功，為我國靶場建設和應對未來一體化聯(lián)合試驗訓練提供了重要的借鑒意義。

2.1 JMETC與STE

JMETC起始于2005年，由美國國防部作戰(zhàn)試驗與鑒定局批準，通過實現(xiàn)靶場資源的重用和互操作，可以縮短準備時間、降低試驗費用，并達到聯(lián)合試驗常態(tài)化的目的。它主要由LVC資源層、TENA中間件層、基礎平臺服務層和應用層四部分構成，安全保密和規(guī)范標準貫穿于全程[13]。2006年，JMETC成功為3CE仿真環(huán)境特征評估試驗提供了支持。另外，JMETC還為IO靶場集成提供了分布式的可視化能力和穩(wěn)定逼真的測試環(huán)境。

STE是一種3D訓練和任務演練工具，通過把實況-虛擬-構造和游戲（Live、Virtual、Constructive and Gaming，LVC-G）整合到共同的環(huán)境中，為士兵提供一個涉及陸?？仗祀娋W(wǎng)等多領域的指揮和戰(zhàn)術訓練平臺。它主要由可重構虛擬集體訓練系統(tǒng)、一個世界地形、訓練仿真軟件、訓練管理工具和士兵/小隊虛擬訓練系統(tǒng)組成，其中“一個世界地形”旨在創(chuàng)建一個分辨率足夠高的逼真虛擬世界，讓士兵在訓練中心通過點擊虛擬地圖，就能夠進入地球上的任何地方，并且隨時開展虛擬訓練。STE非常適合合成部隊的營、連、排多級同步訓練，在技術上還可支持旅規(guī)模的訓練。目前，美國陸軍已經啟動合成訓練環(huán)境的網(wǎng)絡集成試點，預計2021年9月達到初始作戰(zhàn)能力，2023年9月達到全面作戰(zhàn)能力。

2.2 “紅旗軍演”與“虛擬旗軍演”

美國空軍在越南戰(zhàn)爭中的糟糕表現(xiàn)，促使美軍于1975年舉辦了首次實裝訓練的“紅旗軍演”，一般每年進行4次，每次持續(xù)2周左右，目的是有針對性地提升飛行員的空戰(zhàn)技能和對抗能力。2020年2月，在“紅旗20-1”軍演期間，75%的演習是通過人在回路的構造仿真環(huán)境完成的，剩下的25%則通過內利斯戰(zhàn)術與訓練靶場的實兵和虛擬仿真環(huán)境共同完成。另外，美方從2005年開始，每兩年穿插組織一次“聯(lián)合紅旗軍演”（Joint Red Flag）。它與“紅旗軍演”有共同的目標，但是“聯(lián)合紅旗軍演”的參演級別更高、分布式合成戰(zhàn)場環(huán)境規(guī)模更大、參訓國家的軍兵種數(shù)量和戰(zhàn)機種類更全，是檢驗部隊協(xié)同作戰(zhàn)能力和試驗新武器、新技術的有力手段[14]。圖2為“紅旗軍演”場景。

美國空軍于2000年拉開了飛行模擬器組網(wǎng)訓練——“虛擬旗軍演”的首場大幕，同樣每年舉行4次，每次持續(xù)1周左右，目的為空軍主要作戰(zhàn)部隊提供所需的LVC訓練能力。與“紅旗軍演”相比，“虛擬旗軍演”不需要消耗實際的燃油、彈藥和物資，幾乎不存在實裝的損壞和人員的損傷?！疤摂M旗軍演”還是美國目前唯一的全譜系飛機的作戰(zhàn)人員都能參與的重點演習，參與模擬器囊括了美軍和盟國航空裝備的全部類型，既包括F-15、F-16、F/A-18、臺風、狂風、CF-18、B-52、B-1B、C-17、AH-1、V-22等主流裝備，又包括E-3、E-8、RC-135、HH-60G和HC-130等特種飛機，預計還會陸續(xù)加入了MQ-9無人機模擬器、聯(lián)合終端攻擊控制器等。除此之外，將在研的武器裝備放在虛擬環(huán)境中測試，可根據(jù)試用人員的反饋情況，評估該武器裝備的性能，并為下一步武器裝備的改進提供參考意見。圖3為“虛擬旗軍演”場景。

2015年，美軍首次嘗試將“紅旗軍演”與“虛擬旗軍演”相結合。傳統(tǒng)“紅旗軍演”的區(qū)域只有約3.8萬平方公里，加入“虛擬旗軍演”的可用面積增加到了340萬平方公里，是以往作戰(zhàn)面積的近90倍。這使得相比幾百架實裝的訓練規(guī)模，飛行人員可能不得不與更大數(shù)量級別的飛機同時協(xié)作。此外，這種結合還在一定程度上避免了人員裝備的來回調動，節(jié)省了差旅費用，極大提高了飛行員們的訓練積極性。通過在復雜擁擠的戰(zhàn)場中進行模擬訓練，作戰(zhàn)人員可以快速了解自身和盟友裝備的優(yōu)劣性，準確定位他們在任務密集型體系中的作用，這對于應對未來日益國際化的軍事行動起到了重要作用[15]。

3? 未來趨勢

LVC仿真技術經過多年的發(fā)展與應用，逐步形成了較為完整的標準和規(guī)范，特別是它在軍事領域的目標需求明確，讓未來LVC的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特征：

第一，軍用LVC體系架構趨向于多體系的混合集成。實況-虛擬-構造集成架構（LVC-IA）目標是迅速集成模型和開展仿真，為部隊提供網(wǎng)絡化、集成和互操作的支持能力，適應部隊訓練需求?？紤]到人力物力財力等因素，以往采用各種協(xié)議標準建成的靶場不能全部推倒重建，因此，在盡量保持和利用原有技術標準的情況下，通過中間件、公共對象模型、公共網(wǎng)關和橋等實現(xiàn)內外靶場的數(shù)據(jù)交換、時間同步和協(xié)同管理，力求保證聯(lián)合系統(tǒng)運行的一致性與合理性。

第二，軍用LVC將與科學技術不斷融合拓展。人工智能、大數(shù)據(jù)、云/霧計算、數(shù)字孿生、XR（虛擬現(xiàn)實VR/增強現(xiàn)實AR/混合現(xiàn)實MR）等新技術的出現(xiàn)，推動LVC構建出覆蓋領域更廣、仿真環(huán)境更逼真的試驗訓練一體化系統(tǒng)和平臺。“十四五”期間，隨著5G及無線鏈路技術的改進，還將為LVC與新技術的網(wǎng)絡化安全融合進程提供有力保障。例如，美國海軍通過數(shù)字孿生技術為“林肯號”的艦載系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)字化版本，完全體現(xiàn)了艦艇的信息戰(zhàn)能力，實現(xiàn)了與艦隊系統(tǒng)戰(zhàn)備狀態(tài)下相同的功能。今后如若開發(fā)艦艇的新程序，只需先在數(shù)字孿生的版本上運行代碼，便能幫助技術人員進行測試軟件性能，更快排除故障和修復網(wǎng)絡。

第三，軍用LVC的設計發(fā)展依賴于實際應用的需求牽引。裝備的研制、定型、配發(fā)和“人裝結合”的日常訓練是部隊戰(zhàn)斗力形成的重要保證。未來戰(zhàn)爭形態(tài)，對于裝備試驗和軍事訓練有了更高的要求，因而對LVC仿真提供的支撐環(huán)境也就有了新的需求。

4? 結束語

各國在利用LVC技術開展部隊試驗訓練活動所面臨的問題并不相同，因此，我國研究虛實結合的LVC仿真不能以跟隨式、復制式地借鑒為主，需要在現(xiàn)有靶場資源的條件下，結合我軍實際情況進行設計。

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作者簡介：馮琦琦（1992-），女，山東棗莊人，助理工程師，主要研究方向為計算機仿真;蔡卓函（1990-），女，北京人，助理工程師，主要研究方向為軍事裝備需求論證;先大蓉（1993-），女，四川瀘州人，助理工程師，主要研究方向為裝備試驗與評估。