基于虛實(shí)一體的艦艇編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王 苗 陳 奇 饒世鈞

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

美海軍20世紀(jì)末即實(shí)現(xiàn)實(shí)兵訓(xùn)練、虛擬模擬與推演模擬三種訓(xùn)練方式結(jié)合在一起的虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練（LVC）。此類訓(xùn)練既可以體現(xiàn)實(shí)兵訓(xùn)練的真實(shí)性，又具備模擬訓(xùn)練的高效性和靈活性，有較好的訓(xùn)練效果和較高的效費(fèi)比［1～3］。

現(xiàn)階段各國(guó)海軍都面臨水面艦艇執(zhí)行任務(wù)多，訓(xùn)練時(shí)間緊張，編隊(duì)對(duì)抗訓(xùn)練次數(shù)少，現(xiàn)有的實(shí)裝配套裝備的模擬訓(xùn)練軟件存在對(duì)抗性不足、訓(xùn)練相對(duì)固定獨(dú)立等問題.如能借鑒美軍LVC訓(xùn)練方式，運(yùn)用虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練設(shè)計(jì)理論與工程方法，對(duì)艦艇進(jìn)行實(shí)裝軟硬件嵌入式設(shè)計(jì)，可有效解決海上編隊(duì)實(shí)兵對(duì)抗訓(xùn)練組織難度大、成本高、純模擬訓(xùn)練逼真受限等編隊(duì)海上對(duì)抗性訓(xùn)練難題［4～5］，實(shí)現(xiàn)水面艦艇訓(xùn)練效益的跨越式提升。

文獻(xiàn)［6～7］中對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能目標(biāo)的虛實(shí)一體艦艇編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析和初步構(gòu)建，這里在前期構(gòu)建的體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的軟、硬件組成及數(shù)據(jù)交互進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為更好依托實(shí)裝開展虛實(shí)結(jié)合的水面艦艇編隊(duì)海上對(duì)抗訓(xùn)練，需要對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)虛擬兵力部分相關(guān)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境、兵力與兵器實(shí)體等仿真生成與實(shí)裝注入；具備虛實(shí)一體化管控的作戰(zhàn)時(shí)鐘推進(jìn)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)生成、戰(zhàn)果裁決、采集評(píng)估等功能的綜合訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)控制［8～9］。

因此，設(shè)計(jì)如圖1所示的由編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)、綜合態(tài)勢(shì)模擬系統(tǒng)和綜合訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)三部分組成的水面艦艇編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

圖1 編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)組成

2.1 編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)，是組織參訓(xùn)艦艇進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練的核心。訓(xùn)練中，它既扮演導(dǎo)調(diào)控制的角色，又是虛實(shí)兵力交互的仿真平臺(tái)，實(shí)際運(yùn)用中部署于組訓(xùn)編隊(duì)艦所載的編隊(duì)模擬綜合導(dǎo)控評(píng)估設(shè)備中。在準(zhǔn)備階段，其根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容，設(shè)置作戰(zhàn)想定、加載戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與生成虛擬兵力，訓(xùn)練過程中，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)收發(fā)管理設(shè)備完成與各參訓(xùn)艦艇之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練過程的導(dǎo)調(diào)控制，包括戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)生成與發(fā)布、虛實(shí)交戰(zhàn)過程一體化仿真、戰(zhàn)果裁決等功能，還能實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與評(píng)估、記錄與回放訓(xùn)練管理功能。

根據(jù)任務(wù)功能，該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)仿真子系統(tǒng)、綜合態(tài)勢(shì)顯示子系統(tǒng)、導(dǎo)調(diào)控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、代理管理子系統(tǒng)、訓(xùn)練監(jiān)控與裁決子系統(tǒng)和訓(xùn)練評(píng)估子系統(tǒng)七個(gè)部分組成，其軟件功能如圖2所示。

圖2 編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)軟件組成

2.2 綜合態(tài)勢(shì)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合態(tài)勢(shì)模擬主要是針對(duì)于參訓(xùn)艦艇而言的，訓(xùn)練中如何有效地讓參訓(xùn)艦艇感知到戰(zhàn)場(chǎng)各虛實(shí)兵力態(tài)勢(shì)的變化是提高訓(xùn)練逼真度的關(guān)鍵。在這里可以采用以下兩種方式，一是通過在艦艇內(nèi)部嵌入模塊終端來完成訓(xùn)練目標(biāo)信號(hào)的生成與注入，實(shí)現(xiàn)參訓(xùn)艦艇對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)各兵力態(tài)勢(shì)的感知。二是在外部通過半實(shí)物仿真，利用有人/無(wú)人等平臺(tái)攜帶便攜式載荷進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)的模擬。根據(jù)模擬的方式，我們將綜合態(tài)勢(shì)模擬系統(tǒng)分為艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)和半實(shí)物仿真系統(tǒng)兩部分［10］。

1）艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)

艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)，主要由虛實(shí)交互控制終端、傳感器嵌入式終端、武器系統(tǒng)嵌入式終端以及導(dǎo)航仿真系統(tǒng)組成，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)組成

通過對(duì)水面艦艇進(jìn)行模塊終端嵌入，使其既可以與編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，又能驅(qū)動(dòng)嵌入傳感器系統(tǒng)、武器系統(tǒng)內(nèi)部的模塊終端和導(dǎo)航仿真系統(tǒng)，完成對(duì)目標(biāo)的感知、打擊與地理環(huán)境的模擬，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)不同戰(zhàn)位參與復(fù)雜環(huán)境下的編隊(duì)對(duì)抗訓(xùn)練。它是參訓(xùn)艦艇實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。

（1）虛實(shí)交互控制終端

虛實(shí)交互控制終端主要包括仿真計(jì)算機(jī)、虛實(shí)融合終端、操控臺(tái)三部分。它是驅(qū)動(dòng)參訓(xùn)艦艇傳感器（嵌入終端）系統(tǒng)、軟硬武器（嵌入終端）系統(tǒng)、導(dǎo)航仿真系統(tǒng)產(chǎn)生作用的重要部分，是參訓(xùn)艦艇進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練的關(guān)鍵。

艦載仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的虛實(shí)交互情況，接收相關(guān)導(dǎo)調(diào)控制信息、交互裁決信息以及其他訓(xùn)練信息，對(duì)編隊(duì)訓(xùn)練過程本艦面臨的情況進(jìn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)指令激勵(lì)各嵌入在傳感器系統(tǒng)內(nèi)部的模塊終端，驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)、軟硬武器系統(tǒng)以及導(dǎo)航仿真系統(tǒng)產(chǎn)生和真實(shí)作戰(zhàn)情況相同的效果，從而帶動(dòng)所有戰(zhàn)位進(jìn)行訓(xùn)練。虛實(shí)融合終端利用內(nèi)部的數(shù)據(jù)接收、信息采集與中間件等模塊，實(shí)現(xiàn)與編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能。操控臺(tái)則主要是用于顯示、編輯訓(xùn)練信息，對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行管理控制，該設(shè)備主要是在單艦虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練中使用。

（2）傳感器嵌入式終端

傳感器嵌入式終端是指嵌入到各傳感器系統(tǒng)顯示與戰(zhàn)術(shù)處理顯控臺(tái)之前的模塊設(shè)備，其按照實(shí)裝傳感器信息處理機(jī)柜與顯控機(jī)柜報(bào)文約定，接收由導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的實(shí)體仿真信息，在后端進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)的模擬。通過在實(shí)裝傳感器設(shè)備界面的顯示，實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)目標(biāo)的感知。傳感器嵌入式終端主要包括雷達(dá)嵌入模塊、電子戰(zhàn)嵌入模塊、紅外/光電嵌入模塊以及聲納嵌入模塊等部分。

（3）武器系統(tǒng)嵌入式終端

武器系統(tǒng)嵌入式終端，是指嵌入到軟硬武器系統(tǒng)內(nèi)部的各終端模塊，通過接收武器系統(tǒng)武器發(fā)射、干擾彈發(fā)射等操控命令，模擬不同時(shí)刻軟硬武器的使用情況（如箔條干擾、導(dǎo)彈發(fā)射、彈藥數(shù)量減少等情況），進(jìn)行軟硬武器系統(tǒng)使用效果的模擬，使得整個(gè)訓(xùn)練更加真實(shí)。

（4）導(dǎo)航仿真系統(tǒng)

在海上訓(xùn)練過程中，一般情況下，可以直接依托當(dāng)前真實(shí)的海域位置和海況信息。但是針對(duì)特殊海域的演習(xí)，或者是參訓(xùn)艦艇在駐泊地或者錨泊地時(shí)，則需要使用導(dǎo)航仿真系統(tǒng)對(duì)艦艇的位置、航向、航速等信息進(jìn)行模擬仿真，以滿足不同情況下的訓(xùn)練要求。

系統(tǒng)軟件功能主要包括以下三個(gè)部分，即可實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練仿真功能、實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過程管理控制功能和實(shí)現(xiàn)與編隊(duì)導(dǎo)調(diào)控制系統(tǒng)交互功能。各軟件功能如圖4所示。

圖4 艦艇嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部功能

2）半實(shí)物仿真系統(tǒng)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要是指從艦艇外部對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行半實(shí)物仿真。通常主要是通過有人/無(wú)人等平臺(tái)攜帶各種便攜式載荷對(duì)目標(biāo)信號(hào)、復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行模擬，使得訓(xùn)練環(huán)境更加真實(shí)。

2.3 綜合訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)

綜合訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)主要是為訓(xùn)練中數(shù)據(jù)信息的交互提供傳輸通道。由無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和艦艇內(nèi)部以太網(wǎng)兩部分組成。

海上無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要是用于編隊(duì)訓(xùn)練中各參訓(xùn)艦艇之間、參訓(xùn)艦艇與組訓(xùn)艦艇之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息包括作戰(zhàn)指揮信息、導(dǎo)調(diào)控制信息、兵力交戰(zhàn)信息三部分［11～12］。作戰(zhàn)指揮信息主要是指參訓(xùn)艦艇（實(shí)兵）之間進(jìn)行的指揮類信息，它是訓(xùn)練中編隊(duì)指揮員指揮兵力進(jìn)行作戰(zhàn)的集中體現(xiàn)。導(dǎo)調(diào)控制信息主要是指訓(xùn)練過程中導(dǎo)演部對(duì)訓(xùn)練情況的導(dǎo)調(diào)干預(yù)信息，主要用于導(dǎo)演部對(duì)訓(xùn)練進(jìn)行過程導(dǎo)調(diào)、控制和監(jiān)控，從而能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)場(chǎng)景的改變，突發(fā)情況的設(shè)置以及作戰(zhàn)難度的調(diào)整，進(jìn)一步掌控訓(xùn)練、豐富內(nèi)容、提升效果。兵力交戰(zhàn)信息則主要是指在聯(lián)邦虛擬空間中虛實(shí)兵力的交互情況，主要包括實(shí)體狀態(tài)信息和行為信息，狀態(tài)信息主要包括各個(gè)兵力的實(shí)時(shí)速度、位置、戰(zhàn)斗力、任務(wù)、受損等信息；行為信息主要是指兵力在戰(zhàn)斗中實(shí)施的某一具體動(dòng)作，主要包括機(jī)動(dòng)行為、軟、硬武器對(duì)抗行為、通信行為以及其他的艦艇動(dòng)作行為。

艦艇內(nèi)部以太網(wǎng)主要是指在艦艇內(nèi)部保障訓(xùn)練數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈Ｋ桥炌?nèi)部虛實(shí)交互控制終端、各傳感器（嵌入式終端）系統(tǒng)、武器（嵌入式終端）系統(tǒng)、導(dǎo)航仿真系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)等設(shè)備數(shù)據(jù)交互的重要保障，虛實(shí)交互控制終端可利用該網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)嵌入各實(shí)裝的模塊終端，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)全艦各戰(zhàn)位進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水面艦艇執(zhí)行任務(wù)多、編隊(duì)對(duì)抗訓(xùn)練次數(shù)少、計(jì)算機(jī)仿真訓(xùn)練逼真度較低等問題，通過借鑒美軍LVC虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)經(jīng)驗(yàn)，采用系統(tǒng)工程方法，構(gòu)建基于虛實(shí)一體的艦艇編隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件組成、軟件功能以及數(shù)據(jù)交互進(jìn)行了設(shè)計(jì)，明確了虛實(shí)訓(xùn)練工程實(shí)現(xiàn)的邏輯架構(gòu)，在功能上能夠?qū)崿F(xiàn)帶動(dòng)多艘艦艇（實(shí)兵）參與虛實(shí)結(jié)合下的編隊(duì)訓(xùn)練，可用于支撐后續(xù)詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)，并可為其他虛實(shí)結(jié)合訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建提供借鑒。