艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練一體化設計研究

王永潔，陸銘華，吳金平，薛昌友

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)除了具有作戰(zhàn)功能以外，還應具備在非作戰(zhàn)環(huán)境下的模擬訓練功能，以配合艦艇人員進行作戰(zhàn)指揮和裝備操作的訓練。參考文獻[1]提出由導演臺、藍方臺和接口設備嵌入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)中進行模擬訓練；參考文獻[2]提出采用嵌入式仿真設備進行艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的模擬訓練和作戰(zhàn)實驗；參考文獻[3]提出建立試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)，把分散的試訓資源組合，開展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)合作戰(zhàn)試驗和模擬訓練。

隨著艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)采用開放分布式體系結構(OA)、模塊化設計和一體化設計[4]，具有強大的全艦計算環(huán)境(TSCE)[5]，采用多功能通用顯控臺，并且通過“綜合海上網(wǎng)絡和企業(yè)服務”融入海軍海上網(wǎng)絡環(huán)境中[6]。本文提出基于實裝的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練一體化設計，采用面向服務體系結構(SOA)開發(fā)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件，并將作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件部署到艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)全艦計算環(huán)境(TSCE)中，納入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的一體化網(wǎng)絡中，直接與作戰(zhàn)系統(tǒng)中各分系統(tǒng)進行信息交互，并通過海上網(wǎng)絡環(huán)境與外部訓練系統(tǒng)開展多平臺聯(lián)合模擬訓練。模擬訓練一體化設計有利于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的結構優(yōu)化和硬件效率提升，并且能夠借助全艦計算環(huán)境完成更多的模擬訓練功能。

1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練功能需求

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件應當具備嵌入式模擬訓練仿真器的所有功能，包括訓練背景設置、艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)驅動、艦艇機動仿真、艦載傳感器效果仿真、艦載武器彈道仿真、計算機生成兵力、訓練控制與管理等[1]。除此之外，借助艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎設施，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件要具備以下功能。

1.1 訓練評估功能

通過采集訓練數(shù)據(jù)，包括訓練過程中紅藍雙方的命令動作(決策數(shù)據(jù))、海區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)、傳感器探測數(shù)據(jù)、武器發(fā)控數(shù)據(jù)等信息，能夠對魚雷、導彈、水聲對抗器材等武器作戰(zhàn)效果進行評估，對艦艇人員訓練水平進行評估。對艦艇人員訓練水平評估包括操作人員的裝備操作水平和指揮人員的作戰(zhàn)指揮水平。訓練評估方式有兩種：①單次訓練實時評估，比如一次導彈攻擊訓練，訓練結束就給出本次訓練的評估結果。②多次訓練統(tǒng)計評估，通過數(shù)據(jù)挖掘，對多次訓練記錄數(shù)據(jù)進行分析評估。比如，在相同訓練背景條件下，采用不同作戰(zhàn)方法會有不同的作戰(zhàn)效果，通過統(tǒng)計分析可以評估指揮人員的作戰(zhàn)指揮水平。

1.2 多平臺聯(lián)合訓練功能

艦艇與其他平臺進行聯(lián)合訓練，不需要本地通過CGF(計算機生成兵力)生成紅方配合兵力或藍方對抗兵力，訓練范圍更加廣泛，訓練效果更加逼真。本地作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件可以作為多平臺聯(lián)合訓練網(wǎng)絡的節(jié)點接口與外部訓練系統(tǒng)互聯(lián)，由外部訓練系統(tǒng)通過企業(yè)服務總線(ESB)把訓練信息實時傳送到本地作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件，本地作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件把本艦訓練信息通過企業(yè)服務總線(ESB)實時傳送到外部訓練系統(tǒng)。

1.3 作戰(zhàn)方案推演功能

作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件不僅要具備艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練功能，還要能夠對作戰(zhàn)方案進行推演，以便讓艦艇人員及時修改完善作戰(zhàn)方案，并展開針對性訓練。作戰(zhàn)方案推演包括推演數(shù)據(jù)準備、推演過程控制、推演結果分析評估等。作戰(zhàn)方案推演有兩種方式：①全自動推演，完全用作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件進行作戰(zhàn)推演，本地裝備不參與推演，優(yōu)點是推演速度快，節(jié)約時間,為了完成此功能，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件要具備艦艇決策、傳感器探測和武器發(fā)控等所有作戰(zhàn)功能的模擬;②半實物推演，利用本艦實際裝備和人員，配合作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件完成全過程作戰(zhàn)推演，優(yōu)點是推演逼真度高，同時可以訓練本艦人員。

2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練一體化設計方案

2.1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件結構設計

面向服務體系結構(SOA)是基于多層軟件結構、中間件技術和軟件組件技術的結構：多層體系結構降低了系統(tǒng)復雜度，提高了系統(tǒng)靈活性、擴展性；中間件技術屏蔽了異構系統(tǒng)之間的差異，實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)；軟件組件技術提高了軟件生產(chǎn)率[7]。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件采用面向服務體系結構設計，目的是方便軟件開發(fā)、部署、運行和維護管理，合理劃分軟件層次和功能模塊，可以降低軟件復雜度，有利于軟件局部升級改造[8]，模塊化設計有利于軟件功能的靈活配置。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件體系結構如圖1所示，逐層向上提供支撐，自下而上分為系統(tǒng)層、基礎服務層、功能模塊層和應用層。

圖1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件體系結構

系統(tǒng)層主要包括計算機操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫提供模擬訓練所需的各種原始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)以及訓練結果數(shù)據(jù)存儲查詢等。

基礎服務層主要提供底層公共服務，圖形界面開發(fā)控件、海圖控件和三維視景組件用于提供軟件的界面開發(fā)；公共服務組件是一組作戰(zhàn)模擬通用的基礎服務組件，為上層軟件提供公共基礎服務，包括命名服務、消息服務、數(shù)據(jù)服務和管理服務等[7]；DDS中間件用于作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件與作戰(zhàn)系統(tǒng)各成員進行信息交互；ESB中間件用于作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件與外部訓練系統(tǒng)進行信息交互；數(shù)據(jù)庫訪問中間件[9]用于各軟件功能模塊與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問與交互。

功能模塊層是完成作戰(zhàn)模擬的核心層，總體控制模塊用于整個軟件流程控制，作戰(zhàn)態(tài)勢遞推模塊按照一定時間步長推進作戰(zhàn)態(tài)勢。作戰(zhàn)系統(tǒng)接口通信模塊用于完成與作戰(zhàn)系統(tǒng)內指控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等分系統(tǒng)的信息交互。外部訓練系統(tǒng)接口通信模塊用于完成與外部訓練系統(tǒng)的信息交互。兵力行為功能模塊是通過CGF產(chǎn)生紅方配合兵力和藍方對抗兵力，并模擬其作戰(zhàn)行為。武器行為功能模塊是用于模擬本平臺、藍方兵力和配合兵力產(chǎn)生的魚雷、導彈等所有武器的行為。作戰(zhàn)環(huán)境功能模塊用于模擬水聲、大氣、電磁等作戰(zhàn)環(huán)境。評估計算功能模塊完成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練的評估。

應用層是用于實現(xiàn)模擬訓練開展、控制、分析等功能，主要包括出題想定編輯、圖形表頁顯示、人機信息交互、配合兵力控制、推演控制和訓練評估重演。

2.2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件部署

現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)采用開放的分布式體系結構和模塊化設計，配備多功能通用顯控臺，硬件具有通用性，軟件功能可重組[6]。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件作為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分可以部署在全艦計算環(huán)境(TSCE)中的服務器里(見圖2)，產(chǎn)生仿真訓練環(huán)境，通過作戰(zhàn)系統(tǒng)一體化網(wǎng)絡直接與作戰(zhàn)系統(tǒng)中其他子系統(tǒng)進行信息交互。

圖2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件部署

2.3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件接口設計

現(xiàn)代艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)和企業(yè)服務總線(ESB)兩種信息交互方式。前者適用于實時應用，后者適用于異構大系統(tǒng)[10]。DDS是專門為實時系統(tǒng)設計的數(shù)據(jù)分發(fā)標準[11]，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件采用DDS交互方式與指控系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進行信息交互。在進行多平臺聯(lián)合訓練時，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件通過廣域分布式網(wǎng)絡基礎環(huán)境和ESB交互方式[3]與外部訓練系統(tǒng)進行信息交互,如圖3所示。

圖3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件信息交互方式

2.4 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件流程設計

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件流程采用實時多任務方式設計，多個任務由不同線程去執(zhí)行，軟件包括作戰(zhàn)過程模擬主線程、配合兵力子線程和通信子線程，如圖4所示。

圖4 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件流程圖

2.4.1 作戰(zhàn)過程模擬主線程

作戰(zhàn)過程模擬主線程完成軟件的總體控制和作戰(zhàn)過程模擬。訓練開始后，首先根據(jù)訓練模式讀入想定參數(shù)，如果是作戰(zhàn)方案推演模式，讀入作戰(zhàn)方案推演方案的xml文件；如果是模擬訓練模式，從模擬訓練題庫中讀入初始訓練內容，并可對其進行修改編輯。然后，從參數(shù)數(shù)據(jù)庫中讀入兵力、武器和環(huán)境等參數(shù)，生成訓練環(huán)境。如果作戰(zhàn)方案推演模式不是全自動推演，需要與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)其他子系統(tǒng)信息交互，要創(chuàng)建通信線程。如果需要本地CGF生成配合兵力，包括紅方配合兵力或藍方對抗兵力，則要創(chuàng)建配合兵力線程。在每一個時間步長內，主線程把信息發(fā)送至配合兵力線程和通信線程，然后進行作戰(zhàn)過程單步模擬，再接收配合兵力線程和通信線程的信息。主線程把模擬訓練過程以圖形表頁的方式顯示，并把相關數(shù)據(jù)寫入訓練過程數(shù)據(jù)庫。當訓練(推演)結束后，根據(jù)需要調用訓練過程數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進行訓練(推演)評估重演。

2.4.2 配合兵力子線程

配合兵力子線程完成紅方配合兵力和藍方對抗兵力的行為模擬。根據(jù)訓練模式，如果需要本地CGF生成配合兵力，則創(chuàng)建配合兵力子線程。在每一個時間步長內，接收主線程的態(tài)勢參數(shù)信息，進行紅方配合兵力和藍方對抗兵力的單步行為模擬，包括情報處理、攻防決策和戰(zhàn)術機動，再把紅方配合兵力和藍方對抗兵力的信息發(fā)送至主線程。當接收到主線程訓練結束消息后，子線程結束。

2.4.3 通信子線程

通信子線程完成作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)、外部訓練系統(tǒng)的接口通信。根據(jù)訓練模式，如果需要與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)或外部訓練系統(tǒng)信息交互，要創(chuàng)建通信子線程。通信子線程采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(DDS)完成作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的接口通信，采用企業(yè)服務總線(ESB)完成作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件與外部訓練系統(tǒng)的接口通信。當接收到主線程訓練(推演)結束消息后，子線程結束。如果進行全自動推演，由作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件自主模擬作戰(zhàn)系統(tǒng)所有功能，則不需要該線程。

3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練模型體系設計

從艦艇作戰(zhàn)角度來考慮，以模型的功能和類型劃分，艦艇作戰(zhàn)模型體系主要分為基礎類模型、平臺裝備類模型、武器類模型、平臺類模型和評估類模型[12]。這幾類模型之間存在相互關系如圖5所示。

圖5 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練模型體系結構

模型體系的建立過程是先分層，后進行模塊劃分。模型體系的模塊化設計有利于軟件組件化實現(xiàn)，可以提高作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件的重用性、共享性和可擴展性[13]，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件可適用于不同類型的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)。模型分層的基本依據(jù)是根據(jù)模型之間的調用關系，各層模型功能如下：

1)基礎類模型提供了上層模型所需的基本模型，為武器模型和平臺裝備模型提供支持，構成仿真兵力實體運行的底層支撐模型。例如，水聲探測模型是傳感器探測、傳感器操作以及魚雷/水聲對抗武器仿真過程的公共模型。

2)平臺裝備類模型和武器模型建立了艦艇、潛艇、飛機等兵力平臺的各種裝備模型以及搭載的各型武器模型，建模的依據(jù)是裝備及武器的性能，例如，傳感器的性能指標，魚雷、導彈運動規(guī)律等。

3)平臺類模型建立了艦艇、潛艇、飛機等兵力平臺的行為模型，主要描述平臺實體根據(jù)外界環(huán)境和自身狀況做出的決策和采取的行為。例如，對抗條件下的藍方兵力指揮決策模型。

4)評估類模型是用于評判一次對抗勝負、評估作戰(zhàn)方案推演效果、評估武器作戰(zhàn)效能和評估人員的訓練水平。

5)基礎數(shù)據(jù)層為上層模型提供各種數(shù)據(jù)資源的支持，實現(xiàn)了模型和數(shù)據(jù)的分離和動態(tài)配置。

模型體系的模塊化、分層化設計使得軟件應用層可以針對特定訓練任務靈活組織調用模型和數(shù)據(jù)，從而生成艦艇作戰(zhàn)模擬所需的各種基本要素，例如各種兵力、武器、作戰(zhàn)環(huán)境等。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件在不同使用模式下，調用的模型也不同，主要分為以下3種方式。

1)單平臺訓練模式

在此種模式下，調用紅方配合兵力和藍方對抗兵力的平臺模型、平臺裝備模型來模擬紅方配合兵力和藍方對抗兵力作戰(zhàn)過程，本艦的所有行為是真實的人員訓練操作。需要調用武器模型來模擬紅藍雙方的武器交戰(zhàn)過程，調用評估模型來評判作戰(zhàn)結果，評估作戰(zhàn)效果、武器作戰(zhàn)效能和人員訓練水平。

2)單平臺推演模式

在此種模式下，當進行全自動推演時，需要調用訓練水平評估模型之外的所有模型，來對整個作戰(zhàn)過程進行仿真推演和效果評估，允許人工干預替代紅藍雙方的兵力行為模型；當進行半實物推演時，本艦采用真實的平臺裝備，不需要調用平臺模型和平臺裝備模型來模擬本艦行為，訓練水平評估模型也無須調用。

3)多平臺訓練模式

在此種模式下，紅方配合兵力和藍方對抗兵力采用真實兵力或者由外部訓練系統(tǒng)虛擬產(chǎn)生，紅方配合兵力和藍方對抗兵力所發(fā)射的武器由其自身作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件模擬或者由外部訓練系統(tǒng)模擬，作戰(zhàn)評判、效果評估和訓練水平評估等由外部訓練系統(tǒng)完成。本艦的所有行為是真實的人員訓練操作，只需要調用武器模型來模擬本平臺發(fā)射的武器。

4 應用實例

某潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)組成如圖6所示，在該仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡中加入一個作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練的計算機節(jié)點，用于部署潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件。按照本文設計方案開發(fā)的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件主界面如圖7所示。

圖6 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)示意圖

圖7 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件主界面

本文以“潛艇魚雷攻擊水面艦艇”訓練為例，模擬訓練過程如下：

1)該仿真系統(tǒng)中和魚雷攻擊訓練相關的導航、指控、魚雷、聲吶等計算機開機，并進入聯(lián)機訓練模式；

2)啟動作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件，并與導航、指控、魚雷、聲吶等計算機互聯(lián)，聯(lián)通后作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件主界面下方的聯(lián)通標示顯示為綠色；

3)作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件進行“初始設置”，完成“潛艇魚雷攻擊水面艦艇”的初始態(tài)勢設置，并將相關參數(shù)分發(fā)給作戰(zhàn)系統(tǒng)相關計算機；

4)該仿真系統(tǒng)中導航、指控、魚雷、聲吶等計算機操作人員相互配合，完成一次“潛艇魚雷攻擊水面艦艇”的模擬訓練，各計算機將訓練參數(shù)分發(fā)給作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件，訓練過程如圖8所示。

圖8 潛艇魚雷攻擊水面艦艇訓練過程

5)訓練結束后，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件將模擬訓練過程數(shù)據(jù)保存，并可以對本次訓練進行評估和重演。

應用實例表明，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練一體化設計方案切實可行。

5 結束語

1)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練功能設計采用作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件形式，部署到艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)全艦計算環(huán)境(TSCE)中的服務器里，作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件采用DDS交互方式與作戰(zhàn)系統(tǒng)各分系統(tǒng)進行信息交互，采用ESB交互方式與外部訓練系統(tǒng)進行信息交互。

2)作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件體系結構采用層次化、模塊化設計，自下而上分為系統(tǒng)層、基礎服務層、功能模塊層和應用層，有利于軟件的開發(fā)、部署、運行和維護管理。

3)作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練軟件模型體系同樣采用層次化、模塊化設計，分為基礎類模型、平臺裝備類模型、武器類模型、平臺類模型和評估類模型，軟件應用層可以針對特定訓練任務靈活組織調用模型和數(shù)據(jù)。

4)本文提出的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練一體化設計方案，能夠適用于各種艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練功能的研制，具有很強的可操作性。