虛實一體化試驗基本概念與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

付朝博 郭齊勝 董志明

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是體系與體系的對抗,體系作戰(zhàn)需求牽引裝備體系建設(shè)發(fā)展,而裝備試驗又在裝備建設(shè)中起著把關(guān)、摸底、橋梁和牽引作用,裝備的體系建設(shè)需求,推動裝備試驗由單裝單要素試驗向全裝全要素試驗拓展,由性能試驗向作戰(zhàn)試驗延伸,由鑒定定型試驗向全壽命周期試驗轉(zhuǎn)變,即由傳統(tǒng)的裝備試驗向裝備體系試驗轉(zhuǎn)變,裝備體系試驗的評估指標(biāo)體系、試驗環(huán)境構(gòu)設(shè)、試驗組織實施、試驗結(jié)果分析等涉及要素眾多、技術(shù)復(fù)雜,而傳統(tǒng)的裝備試驗難以反映裝備體系試驗的系統(tǒng)性、復(fù)雜性、對抗性等特征,難以適應(yīng)裝備試驗的發(fā)展趨勢,因此需要改進(jìn)傳統(tǒng)的試驗?zāi)Ｊ?探索新的試驗理論和方法.

目前,國內(nèi)外關(guān)于裝備體系試驗的理論和技術(shù)研究均取得了一些成果,美軍雖然沒有關(guān)于體系試驗的提法和論述,但其對聯(lián)合試驗和一體化試驗的長期研究和實踐對我軍裝備體系試驗研究提供了很好的借鑒[1],國內(nèi)關(guān)于裝備體系試驗的研究起步較晚,通過借鑒學(xué)習(xí)外軍的經(jīng)驗,從裝備體系試驗概念內(nèi)涵[2?3]、組織模式和運行方式[4]、體系試驗工程[5]、聯(lián)合試驗集成環(huán)境與試驗流程[6]、異構(gòu)系統(tǒng)互操作[7]等方面進(jìn)行了研究,取得了一定的研究成果.虛實一體化試驗是實裝試驗與仿真試驗的有機(jī)結(jié)合,其系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、要素多元、層次多樣,屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng),曹裕華等對裝備體系試驗的相關(guān)概念從理論層面進(jìn)行了闡述[8],谷國賢對虛實結(jié)合的裝備試驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行了初步探索[9],本文從操作執(zhí)行層面提出了虛實一體化試驗的相關(guān)概念,并采用DoDAF 規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[10?13],運用框架設(shè)計方法構(gòu)建了虛實一體化試驗視圖模型,包括業(yè)務(wù)活動模型(OV-5b)、節(jié)點連接描述(OV-2)、活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變描述(OV-6b)、能力構(gòu)想視圖模型(CV-1)、系統(tǒng)接口描述(SV-1)、系統(tǒng)功能描述(SV-4)、業(yè)務(wù)活動到系統(tǒng)功能追溯矩陣(SV-5)等模型,旨在從頂層設(shè)計層面對虛實一體化試驗進(jìn)行規(guī)劃和研究.

1 虛實一體化試驗的概念

虛實一體化試驗是指將實裝試驗和仿真試驗相結(jié)合,通過構(gòu)建實況仿真、虛擬仿真、構(gòu)造仿真一體化的集成試驗環(huán)境[14?17],運用實裝、模擬器和數(shù)字仿真系統(tǒng)相融合互聯(lián)的試驗手段,按照裝備作戰(zhàn)使用流程,采取多種手段獲取被試裝備(體系)的作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性和體系貢獻(xiàn)率等相關(guān)信息,并對其進(jìn)行評價的一系列活動,虛實一體化試驗的概念如圖1所示.

虛實一體化試驗?zāi)Ｊ郊婢邔嵮b試驗和仿真試驗的優(yōu)長,能夠在一定試驗可信度條件約束下,最大限度地降低試驗難度和試驗成本,能夠更為客觀地評估裝備作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性,是裝備試驗的重要發(fā)展趨勢.

2 虛實一體化試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 業(yè)務(wù)活動模型

在虛實一體化試驗環(huán)境中,現(xiàn)實靶場試驗和人工靶場試驗在線同步運行,對兩類試驗運行結(jié)果進(jìn)行分析比較,如兩類結(jié)果一致,即可認(rèn)定裝備通過試驗鑒定,達(dá)到預(yù)期作戰(zhàn)能力;如兩類結(jié)果不一致,則檢查仿真是否正確,如仿真正確則認(rèn)定裝備設(shè)計存在缺陷或裝備體系構(gòu)成存在問題,提出改進(jìn)的意見建議并形成評估報告,如仿真不正確則需要實施校核和修正仿真模型,進(jìn)一步優(yōu)化試驗任務(wù),進(jìn)行迭代試驗,最終達(dá)到對裝備體系效能的檢驗評估[18?19],如圖2所示.

2.2 活動節(jié)點連接描述模型

在DoDAF中,作戰(zhàn)資源描述既能描述作戰(zhàn)設(shè)施的位置和作戰(zhàn)的地理位置,也可以有選擇地說明作戰(zhàn)活動的信息流、資金流、人員流動或物資流,本節(jié)以試驗活動人員流為例,描述試驗的人員活動,如圖3所示.

在活動節(jié)點連接描述中,管理者是指試驗委托方,下達(dá)試驗任務(wù);試驗設(shè)計人員負(fù)責(zé)設(shè)置試驗活動的資源配置,設(shè)計試驗總體方案、試驗大綱、試驗科目等;技術(shù)支持人員負(fù)責(zé)管理和維護(hù)試驗使用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并向分析評估人員提供試驗數(shù)據(jù);運行支撐人員是靶場資源所有者,主要負(fù)責(zé)開發(fā)虛實一體化試驗的靶場,配置仿真資源或設(shè)施儀器等,并向分析評估人員提供試驗數(shù)據(jù);參訓(xùn)人員按照試驗想定開展試驗科目;導(dǎo)調(diào)人員主要是執(zhí)行試驗活動,并處理試驗活動中的異常情況;分析評估人員是對試驗全過程周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,實現(xiàn)試驗態(tài)勢生成、試驗過程回放,生成評估報告等.

2.3 活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變描述模型

虛實一體化試驗活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變模型以圖形化的方法描述試驗活動如何通過改變自身狀態(tài)來響應(yīng)各種事件.活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變(OV-6b)產(chǎn)品描述試驗活動對不同事件的響應(yīng)及狀態(tài)變化過程,以虛實一體化試驗過程為例描述試驗活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變,如圖4所示.

2.4 系統(tǒng)能力視圖模型構(gòu)建

能力是指系統(tǒng)為完成某項任務(wù)所具備的本領(lǐng),建立虛實一體化試驗系統(tǒng)重要目的就是實現(xiàn)各種試驗資源的互聯(lián)、互通、互操作.虛實一體化試驗的系統(tǒng)應(yīng)具備的能力如圖5所示.

圖1 虛實一體化試驗概念圖Fig.1 Conceptual diagram of virtual-real integration test

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)活動模型(OV-5b)Fig.2 System business activity model(OV-5b)

圖3 系統(tǒng)活動節(jié)點連接關(guān)系(OV-2)Fig.3 System active node connection relationship(OV-2)

圖4 系統(tǒng)活動狀態(tài)轉(zhuǎn)變描述(OV-6b)Fig.4 Description of system activity state transition(OV-6b)

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能力構(gòu)想(CV-1)Fig.5 System architecture capability concept(CV-1)

1)資源管理能力,對試驗全過程周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,通過軍事信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物理試驗與計算試驗的數(shù)據(jù)在線處理和實時推進(jìn),提供在線計算資源,支持各種試驗資源的部署及升級維護(hù).

2)數(shù)據(jù)采集能力,通過傳感器、轉(zhuǎn)發(fā)器、通信技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)等多種手段,感知物理試驗和計算試驗的狀態(tài)信息以及參試裝備的技術(shù)狀況,實時采集試驗數(shù)據(jù),并按照相應(yīng)的規(guī)則,對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,為試驗數(shù)據(jù)分析與決策支持提供支撐.

3)服務(wù)管理能力,把想定資源、模型資源、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、知識/規(guī)則/條令/法規(guī)/以往的試驗經(jīng)驗教訓(xùn)封裝成服務(wù),以供其他用戶調(diào)用,同時利用中間件向物理系統(tǒng)、人工系統(tǒng)、分析評估系統(tǒng)和靶場基礎(chǔ)框架提供時間同步服務(wù),實現(xiàn)試驗資源互聯(lián)、互通、互操作.

4)業(yè)務(wù)處理能力,能夠?qū)崿F(xiàn)試驗想定開發(fā)、試驗活動策劃、試驗過程校驗與仿真模型修正、試驗任務(wù)優(yōu)化等任務(wù).

5)分析評估能力,運用分析評估軟件實現(xiàn)對試驗全過程周期所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,生成即時試驗態(tài)勢,對試驗過程進(jìn)行回放,評估試驗風(fēng)險,生成試驗報告,為評估裝備體系效能提供支撐.

2.5 系統(tǒng)功能描述模型

系統(tǒng)功能描述視圖主要用來描述人員和系統(tǒng)的功能.虛實一體化試驗系統(tǒng)主要包括物理試驗環(huán)境、人工試驗環(huán)境、靶場基礎(chǔ)框架、分析評估系統(tǒng)4部分,如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)功能描述模型(SV-4)Fig.6 System functional description model(SV-4)

1)現(xiàn)實靶場試驗環(huán)境,主要包括物理靶場、裝備系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、真實戰(zhàn)場環(huán)境和政治、經(jīng)濟(jì)、社會、自然環(huán)境等現(xiàn)實影響因素,這些都是真實的靶場試驗條件,其運行過程是真實的人真實的試驗環(huán)境中操作真實的裝備進(jìn)行的試驗.

2)虛擬戰(zhàn)場試驗環(huán)境,包括虛擬靶場、虛擬裝備、虛擬指揮控制系統(tǒng)、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境等要素,虛擬系統(tǒng)是基于多Agent 建模、行為建模和計算機(jī)仿真技術(shù)等構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境,是對現(xiàn)實靶場的映射和拓展,既可利用虛擬的系統(tǒng)單元和現(xiàn)實靶場的武器單元構(gòu)建信息化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),也可利用虛擬的戰(zhàn)場空間和兵力構(gòu)成對抗態(tài)勢,從而將現(xiàn)實靶場中的武器裝備或裝備系統(tǒng)置于作戰(zhàn)環(huán)境之中.

3)靶場基礎(chǔ)框架,主要包括試驗資源庫、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和中間件.其中,試驗資源庫主要包括想定編輯工具、任務(wù)規(guī)劃工具、仿真模型資源、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、知識/規(guī)則/條令/法規(guī)/以往的試驗經(jīng)驗教訓(xùn)等資源,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括試驗過程中采集的數(shù)據(jù)和評估數(shù)據(jù)等,中間件主要包括時間管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)、運行管理系統(tǒng)等,用于實時信息交換.

4)分析評估系統(tǒng).主要包括可視化與分析系統(tǒng)、運行顯示系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、試驗資源調(diào)度系統(tǒng)、試驗評估系統(tǒng)以及其他支持系統(tǒng)等,主要是對試驗進(jìn)行分析和評估.

虛實一體化試驗系統(tǒng)功能主要包括試驗資源管理、數(shù)據(jù)采集、服務(wù)管理、業(yè)務(wù)處理、分析評估、角色管理等功能模塊,如圖7所示.

圖7 虛實一體化試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能Fig.7 Structure and function of virtual-real integration test system

2.6 系統(tǒng)接口描述模型

在虛實一體化試驗中,現(xiàn)實靶場試驗環(huán)境、虛擬戰(zhàn)場試驗環(huán)境、試驗資源庫、分析評估系統(tǒng)、中間件、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、試驗角色管理系統(tǒng)之間均存在接口關(guān)系,并且不止一條接口關(guān)系(為簡化圖形復(fù)雜度,僅描述一條接口關(guān)系),從中可以看出,虛實一體化試驗的體系構(gòu)成關(guān)系比較復(fù)雜,節(jié)點之間的連接及交互關(guān)系多樣,虛實一體化試驗活動業(yè)務(wù)節(jié)點間接口關(guān)系模型如圖8所示.

2.7 業(yè)務(wù)活動到系統(tǒng)功能追溯矩陣

業(yè)務(wù)活動到系統(tǒng)功能追溯矩陣主要體現(xiàn)虛實一體化試驗系統(tǒng)的業(yè)務(wù)視圖與系統(tǒng)視圖之間的關(guān)系,描述試驗活動與系統(tǒng)之間的映射關(guān)系,業(yè)務(wù)活動來自業(yè)務(wù)視圖中的活動模型,系統(tǒng)功能與SV-4 中的系統(tǒng)功能一致,業(yè)務(wù)活動到系統(tǒng)功能追溯矩陣如表1所示.

表1 虛實一體化試驗的作戰(zhàn)活動到系統(tǒng)功能追溯矩陣(SV-5)Table1 Virtual-real integration test combat activity to system function traceability Matrix(SV-5)

圖8 系統(tǒng)業(yè)務(wù)節(jié)點間系統(tǒng)接口關(guān)系模型(SV-1)Fig.8 System interface relationship model between system service nodes(SV-1)

3 結(jié)論

虛實一體化試驗是基于復(fù)雜系統(tǒng)理論,在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展、人工智能和計算科學(xué)進(jìn)步的基礎(chǔ)上探索提出來的,是解決裝備體系效能評估問題的有效途徑,目前關(guān)于虛實一體化試驗的理論與方法仍處在研究探索中,基于Agent和靶場在回路的仿真試驗尚處于應(yīng)用探索階段,但采用虛實一體化方法研究解決裝備體系試驗問題的思路和方法是可行的,是裝備體系試驗的重要發(fā)展趨勢,本文從虛實一體化試驗的基本概念出發(fā),運用DoDAF 框架設(shè)計方法從業(yè)務(wù)視圖、能力視圖和系統(tǒng)視圖等視角設(shè)計了虛實一體化試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型,有助于加深對裝備體系試驗理論與方法的理解,下一步,將對虛實一體化試驗的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)虛實融合、虛實戰(zhàn)場實時同步、邏輯靶場資源管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究和探索.