離散事件模擬器在軍事訓練中的應用

嚴佳潔 胡谷雨 祖家琛

摘? 要： 系統(tǒng)仿真技術(shù)在國家關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，在軍事領(lǐng)域的離散事件模擬器上的應用是系統(tǒng)仿真技術(shù)的核心應用領(lǐng)域之一。文章基于仿真模擬技術(shù)，描述了離散事件模擬器的基本概念。主要介紹其在軍事作戰(zhàn)訓練領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀，討論離散事件模擬器實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)手段，總結(jié)目前應用在軍事作戰(zhàn)訓練領(lǐng)域的離散事件模擬器，分析并指出存在的一些問題，并結(jié)合當前的系統(tǒng)仿真技術(shù)以及軍事作戰(zhàn)需求，對離散事件模擬器的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞： 模擬器; 系統(tǒng)仿真技術(shù); 離散系統(tǒng); 軍事; 模擬訓練

中圖分類號：TJ391? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2020）10-43-05

Abstract： System simulation technology plays an indispensable role in national key fields， and the application of discrete event simulator in military field is one of the core application fields of system simulation technology. Based on simulation technology， this paper describes the basic concept of discrete event simulator， introduces its application status in the field of military operational training， discusses the key technical means of implementing discrete event simulator， summarizes the discrete event simulator currently used in the field of military operational training， and analyzes and points out some existing problems. The development outlook of discrete event simulator is prospected with the combination of the current system simulation technology and the military operational requirements.

Key words： simulator; system simulation technology; discrete system; military; simulated training

0 引言

伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真技術(shù)已成為人類認識世界的重要手段。通過模擬仿真技術(shù)，人類可以以較小的成本，實現(xiàn)對復雜問題的驗證。世界各國的大型發(fā)展項目，特別是軍事武器系統(tǒng)的研發(fā)，因為投資高、風險大，大都采用模擬仿真技術(shù)完成對武器系統(tǒng)的論證、研制和操作訓練。

模擬訓練是利用模擬器構(gòu)建接近真實作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)訓練和武器裝備的模擬系統(tǒng)，用于日常軍事訓練。模擬訓練以模擬仿真技術(shù)為技術(shù)支撐，是模擬仿真技術(shù)的主要應用領(lǐng)域之一。伴隨世界各國對軍事訓練需求的不斷提升，利用模擬器進行軍事作戰(zhàn)模擬訓練已經(jīng)成為世界各國軍事作戰(zhàn)訓練的重要手段。

1 離散事件模擬的基本概念

根據(jù)系統(tǒng)模型的特征分類，從模擬實現(xiàn)的角度，可將系統(tǒng)模型的特征分為連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)兩類。相應的系統(tǒng)模擬技術(shù)也可以劃分為兩個方向[1]：

⑴ 連續(xù)事件系統(tǒng)模擬：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，即在時間上是連續(xù)的或者離散的;

⑵ 離散事件系統(tǒng)模擬：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量只在隨機不確定的離散時間點上發(fā)生變化[2]。

離散事件系統(tǒng)是受隨機事件驅(qū)動、在離散時間點系統(tǒng)狀態(tài)跳躍式變化的動態(tài)系統(tǒng)，相較于連續(xù)事件系統(tǒng)模擬，離散事件系統(tǒng)由錯綜復雜且互相作用的離散事件構(gòu)成，更加依附于實際背景，貼近于實際應用。因此，仿真模擬技術(shù)的研究和應用領(lǐng)域主要是集中于離散事件系統(tǒng)模擬。

2 模擬器和仿真器

現(xiàn)代仿真技術(shù)中，不同的模擬器針對不同的模擬目的被設(shè)計出來。具體地，在現(xiàn)有模擬器的應用中，文獻[3]將模擬器分為工程仿真器和訓練仿真器兩類：

⑴ 工程仿真器側(cè)重于數(shù)學模型、數(shù)據(jù)處理、功能實現(xiàn)的逼真性，對模型的精度要求較高，便于參數(shù)的調(diào)整且通用性較好， 主要用于科學研究領(lǐng)域。這類仿真器被稱為仿真器（Emulator）。

⑵ 與工程仿真器相反，訓練仿真器側(cè)重于視覺外觀、人機交互、操作流程的逼真性，必須是針對某種具體的系統(tǒng)進行設(shè)計，具有較高的專業(yè)性。為了達到良好的訓練效果，模型的外觀和布局必須與真實設(shè)備、系統(tǒng)保持高度的一致性，尤其是受訓人員的操作輸入、模擬器對受訓人員的視覺、聽覺等感官的輸出必須與真實的設(shè)備盡可能一致。訓練仿真器也被稱為模擬器（Simulator），主要用于教學訓練。文獻[4]實現(xiàn)的試飛模擬器就是一個典型的模擬器，該模擬器以高逼真度的座艙環(huán)境真實再現(xiàn)飛行環(huán)境，用于實施受訓人員的飛行演練，對試飛計劃進行驗證與優(yōu)化，確定下一步的飛行計劃和應急處理方案等。

本文所討論的離散事件模擬器均是指訓練仿真器—模擬器（Simulator）。

3 應用現(xiàn)狀

目前為止，基于模擬仿真技術(shù)實現(xiàn)的應用于軍事訓練領(lǐng)域的離散事件模擬器主要可分為以下七類[3]：

⑴ 戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器;

⑵ 射擊模擬器;

⑶ 駕駛模擬器;

⑷ 情報偵察模擬器;

⑸ 維修保障模擬器;

⑹ 事故推演及逃逸救生模擬器;

⑺ 戰(zhàn)場救護和醫(yī)療保障模擬器。

3.1 戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器

戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器，用于開展對戰(zhàn)場狀態(tài)的實時分析， 建立通信、明確下達任務(wù)命令以及各方協(xié)同訓練。文獻[5]實現(xiàn)了一個合成作戰(zhàn)指揮戰(zhàn)術(shù)對抗模擬訓練系統(tǒng)，通過對戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)設(shè)備、作戰(zhàn)行動過程等的模擬，為后臺指揮員提供作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)場敵我態(tài)勢，支持多級多類指揮所，指揮員可在后臺二維虛擬戰(zhàn)場開展作戰(zhàn)演習。

3.2 射擊模擬器

射擊模擬器，是用于實施軍事武器的仿真模擬射擊訓練模擬器。

文獻[6]搭建了一個射擊模擬訓練系統(tǒng)，利用Unity3D實現(xiàn)多媒體屏幕靶。該系統(tǒng)首先采用攝像機捕獲射擊者發(fā)射的激光光斑，而后對圖像進行預處理、校正、噪聲過濾等操作，通過定位算法檢測激光光斑的中心位置，最后再將彈著點信息實時顯示在多媒體屏幕上。該系統(tǒng)實現(xiàn)了槍靶的完全分離，具有重量輕、體積小、造價低等特點，相較于傳統(tǒng)射擊模擬器更適用于日常軍事射擊模擬訓練。

3.3 駕駛模擬器

駕駛模擬器，用于開展對艦船、飛機、坦克等裝備的日常操作訓練。

一些軍事航海院校已經(jīng)開始對由計算機成像顯示晝夜視景功能的船舶操縱模擬器的研究。這類模擬器已經(jīng)實現(xiàn)了對海上船舶航行情景的直觀的模擬和顯示，用于受訓人員接受真實感覺的船舶航行、碰撞、定位、?？康确矫娴挠柧?。截止到目前為止，船舶操縱模擬器已經(jīng)完成了雷達和導航模擬器的功能一體化，實現(xiàn)了全功能航海模擬器[7]。文獻[8]對飛行模擬器進行了概述，它具有和真實飛機完全一致的座艙設(shè)備和操縱設(shè)備，受訓人員只需要戴著虛擬顯示頭盔，就能在座艙內(nèi)接收飛行仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的各種飛行信息，并通過判斷和決策排除飛機故障和錯誤，對飛機系統(tǒng)進行操作和控制。

3.4 情報偵察模擬器

情報偵察模擬器，用于進行戰(zhàn)場的偵察和情報工作的訓練。

文獻[9]針對作戰(zhàn)對抗環(huán)境下偵察情報數(shù)據(jù)仿真模擬需求，設(shè)計了一種靈活、可配置的偵察情報數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，結(jié)合實戰(zhàn)應用場景，從任務(wù)、空間、時間等多個維度開展情報偵察行動預案設(shè)計，并利用模型進行仿真推演與解算，最終輸出的仿真結(jié)果達到了預期目標，證明了該系統(tǒng)的實用性與有效性。

3.5 維修保障模擬器

維修保障模擬器，用于開展裝備保障作戰(zhàn)物資的供應訓練和損壞裝備的維修訓練。

文獻[10]以某型艦船中的部分機電設(shè)備為對象，研制了用于訓練的設(shè)備維修模擬器;該模擬器由設(shè)備典型故障維修模塊、設(shè)備維修過程演示模塊和設(shè)備維修過程模擬操作模塊組成，實現(xiàn)了船艦的虛擬維修管理系統(tǒng)。該研究對艦船裝備的使用訓練和維修保障具有重要的軍事意義。

3.6 事故推演及逃逸救生模擬器

事故推演及逃逸救生模擬器，用于開展軍事事故分析和救生逃逸的模擬訓練。

文獻[11]根據(jù)航天飛行訓練的技術(shù)要求和航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的訓練需求，以載人飛船大氣層內(nèi)逃逸救生程序和過程為依據(jù)，對航天飛行訓練中逃逸救生進行建模仿真。

文獻[12]通過分析直升機水上事故特點，結(jié)合國內(nèi)外直升機飛行員水下逃生訓練的實際需求。提出了直升機水下逃生模擬訓練系統(tǒng)的設(shè)計原則、設(shè)計要求以及初步設(shè)計方案，為直升機飛行員水下逃生模擬訓練的研究提供了參考。

3.7 戰(zhàn)場救護和醫(yī)療保障模擬器

戰(zhàn)場救護和醫(yī)療保障模擬器，是基于人體仿真而實現(xiàn)的模擬診斷系統(tǒng)和虛擬手術(shù)系統(tǒng)，用于進行醫(yī)護人員的培訓等任務(wù)。文獻[13]通過將模擬手術(shù)室的視頻信號與語音信號實時轉(zhuǎn)播至教室并進行實時錄像，開發(fā)了一種高仿真教學環(huán)境的模擬手術(shù)室教學系統(tǒng)。

至目前為止，模擬仿真技術(shù)在軍事醫(yī)療救護保障領(lǐng)域的應用不僅僅局限于外科手術(shù)方面[14]。文獻[15]基于模擬仿真技術(shù)實現(xiàn)的醫(yī)療系統(tǒng)，用于在大規(guī)模傷亡事件發(fā)生后對紅細胞供應進行規(guī)劃，使紅細胞得到合理的調(diào)配利用;此外，離散事件模擬技術(shù)還應用于醫(yī)療保健[16]以及遠程醫(yī)療會診[17]等方向。

4 離散事件模擬器實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿真模型

構(gòu)建仿真模型是實現(xiàn)離散事件模擬器的第一步，主要采用以下兩種方法：

⑴ 實體流圖法。實體流圖利用與計算機程序流程圖相似的圖示符號，建立能夠顯示臨時實體的產(chǎn)生、流動、接受服務(wù)、離開等過程的流程圖。通過流程圖表示事件、狀態(tài)、實體間相互作用的邏輯關(guān)系。在圖1中，我們以衛(wèi)星通信中的地球站開機入網(wǎng)為例，采用實體流圖法模擬其工作流程。

⑵ 活動周期圖法，以更直接的方式表示狀態(tài)變化歷程和實體間的關(guān)系?；陔x散事件模擬器仿真的地球站入網(wǎng)工作流程活動周期圖如圖2所示。

4.2 仿真算法

仿真算法是設(shè)計實現(xiàn)模擬器的核心技術(shù)。要求設(shè)計的算法用于相應的仿真模型時可以滿足對計算穩(wěn)定性、計算精度等要求。

離散事件系統(tǒng)的仿真算法設(shè)計主要包括兩個方面的內(nèi)容：

⑴ 產(chǎn)生模擬器所需求的輸入變量和參數(shù)。

⑵ 確定對離散事件系統(tǒng)的仿真策略[18]。目前，有以下四種仿真策略：活動掃描（AS）法、事件調(diào)度（ES）法[19]、進程交互（PI）法和三階段法。

以上四種策略均在離散事件系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，對仿真策略的選擇依賴于系統(tǒng)的特點。一般情況下，事件調(diào)度法的特點是“預定事件的發(fā)生時間”;但是其建模工作量大，適用于各個成分相關(guān)性較少的系統(tǒng)的建模;相反如果系統(tǒng)中各個成分相關(guān)性較多則適合采用活動掃描法;進程交互法的建模更接近于實際系統(tǒng)，三階段法則是結(jié)合了事件調(diào)度法和活動掃描法，如果系統(tǒng)中的成分的活動比較規(guī)則，可采用這兩種策略。

[13] 朱鋒杰，陳長駿，黃天海等.一種新型模擬手術(shù)室教學系統(tǒng)的構(gòu)建[J].醫(yī)療裝備，2019.13：17-18

[14] Lu X， Tu L， Zhou X， et al. ViMediaNet： an emulation system for interactive multimedia based telepresence services[J]. Journal of supercomputing，2017.73（8）：3562-3578

[15] Simon M. Glasgow， Zane B. Perkins， Nigel R. Tai， Karim Brohi， Christos Vasilakis. Development of a discrete event simulation model for evaluating strategies of red blood cell provision following mass casualty events[J].European Journal of Operational Research，2018.270（1）：362-374

[16] Chantal Baril， Viviane Gascon， Jonathan Miller and Nadine C?té. Use of a discrete-event simulation in a Kaizen event： A case study in healthcare[J]. European Journal of Operational Research，2016.249（1）：327-339

[17] Qiao Y， Ran L， Li J. Optimization of Teleconsultation Using Discrete-Event Simulation from a Data-Driven Perspective[J]. Telemedicine journal and e-health，2019.26（1）：114-125

[18] Andrew Greasley， Chris Owen. Modelling people's behaviour using discrete-event simulation： a review[J]. International Journal of Operations & Production Management，2018.38（5）：1228-1244

[19] 呂卓，張旭，勾國斌，閆月暉.航天器軌道仿真中的一種實時變軌仿真策略[J].彈箭與制導學報，2019.3：27-30