劉 帥,王 瑞,張宏江,魏永勇
(1. 航天工程大學(xué)研究生院,北京 100141;2. 陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心,北京 100072;3. 中國(guó)兵器科學(xué)研究院,北京 100089)
新時(shí)期武器裝備體系設(shè)計(jì)、體系建設(shè)、體系運(yùn)用、體系評(píng)估特征日益明顯,這對(duì)裝備試驗(yàn)鑒定提出了更高要求,需要以裝備體系為評(píng)估對(duì)象,注重體系對(duì)抗檢驗(yàn)。裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)就是從體系對(duì)抗這一關(guān)鍵因素出發(fā),以聯(lián)合作戰(zhàn)為背景,以檢驗(yàn)裝備體系作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)適用性,發(fā)現(xiàn)裝備體系短板弱項(xiàng)為主要目的,成建制、成體系的裝備試驗(yàn)鑒定活動(dòng),是檢驗(yàn)裝備體系設(shè)計(jì)能否滿足戰(zhàn)爭(zhēng)需要、新研裝備能否有效融入作戰(zhàn)體系的重要手段[1-3]。
在裝備的論證、設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)與評(píng)估中廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)和仿真,已成為武器裝備研究與軍事技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[4-8]。裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)具有成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、樣本少以及對(duì)抗考核難等諸多特點(diǎn),需要采取實(shí)裝試驗(yàn)和仿真模擬相互補(bǔ)充、相互支撐的方式,利用實(shí)裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)、演訓(xùn)數(shù)據(jù)等持續(xù)校驗(yàn)裝備和作戰(zhàn)行動(dòng)模型,通過(guò)高頻度仿真獲取海量數(shù)據(jù),依托緊耦合評(píng)估模型生成評(píng)估結(jié)果,形成可信度高的裝備體系作戰(zhàn)效能、體系貢獻(xiàn)率、建設(shè)效費(fèi)比等評(píng)估結(jié)論,切實(shí)對(duì)裝備體系改進(jìn)升級(jí)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效支撐,加速提升裝備體系作戰(zhàn)能力生成。
本文以合成部隊(duì)裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)為背景,針對(duì)其試驗(yàn)體系化、對(duì)抗化特征,提出了基于VBS3(Virtual Battlespace 3)仿真平臺(tái)構(gòu)建一套裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)的構(gòu)想,用于支撐合成部隊(duì)裝備體系對(duì)抗仿真、體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估、建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等工作,提升新形勢(shì)下裝備體系建設(shè)論證與試驗(yàn)評(píng)估能力。
VBS3是一款適用于軍事模擬、實(shí)驗(yàn)、任務(wù)預(yù)演、虛擬培訓(xùn)環(huán)境等的仿真應(yīng)用和開(kāi)發(fā)平臺(tái)。作為仿真應(yīng)用平臺(tái),該平臺(tái)具有10000多種專業(yè)的模型,結(jié)合了大量?jī)?nèi)容庫(kù)、實(shí)時(shí)/離線場(chǎng)景創(chuàng)建編輯工具以及行動(dòng)審查功能,擁有先進(jìn)的仿真運(yùn)行引擎和高效的建模工具,支持開(kāi)發(fā)人員通過(guò)提供的框架和工具套件來(lái)定制和擴(kuò)展平臺(tái)功能,具有良好的開(kāi)放性能和完整的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),圍繞仿真工作流程,提供了組件開(kāi)發(fā)、模型與場(chǎng)景創(chuàng)建、想定編輯與管理、數(shù)據(jù)記錄、管理控制、場(chǎng)景顯示、統(tǒng)計(jì)分析等一系列工具[9],能夠很好地支持裝備體系作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和定制服務(wù)。
開(kāi)展典型作戰(zhàn)任務(wù)場(chǎng)景下的裝備體系仿真評(píng)估工作,需要構(gòu)建與試驗(yàn)評(píng)估任務(wù)相符合的裝備體系仿真評(píng)估環(huán)境,支撐裝備體系評(píng)估工作的開(kāi)展。
基于VBS3平臺(tái)核心仿真引擎,能夠支撐紅藍(lán)裝備體系對(duì)抗構(gòu)造仿真,滿足實(shí)體級(jí)仿真精度要求。平臺(tái)核心仿真引擎包括物理引擎、渲染引擎、聲音引擎、網(wǎng)絡(luò)引擎及AI引擎等。其中,物理引擎能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體與環(huán)境、實(shí)體之間的碰撞與毀傷等交互功能;渲染引擎能夠?qū)Χ?、三維態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染和顯示;網(wǎng)絡(luò)引擎能夠?qū)崿F(xiàn)仿真實(shí)體間的組網(wǎng)通信及互聯(lián)互通互操作,同時(shí)支持以DIS、HLA等協(xié)議與異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)交互;AI引擎能夠?qū)崿F(xiàn)紅方和藍(lán)方作戰(zhàn)規(guī)則的編輯及驅(qū)動(dòng),支持基于規(guī)則的仿真實(shí)體自主感知、決策和行動(dòng);聲音引擎能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)音效效果及語(yǔ)音指揮效果仿真。系統(tǒng)的公共基礎(chǔ)功能服務(wù)以平臺(tái)提供的仿真運(yùn)行框架作為實(shí)體管理器,加載組件化的仿真模型,根據(jù)作戰(zhàn)試驗(yàn)想定文件生成仿真實(shí)體、維護(hù)仿真實(shí)體池,提供查詢仿真實(shí)體和存儲(chǔ)仿真實(shí)體數(shù)據(jù)等功能;仿真引擎應(yīng)具備仿真周期設(shè)置、仿真模型運(yùn)行調(diào)度、模型內(nèi)部和外部應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互、暫停、繼續(xù)、退出等運(yùn)行控制功能。
進(jìn)行紅藍(lán)裝備體系對(duì)抗仿真,仿真模型至關(guān)重要,因此需要在構(gòu)建試驗(yàn)部隊(duì)及作戰(zhàn)對(duì)手裝備/人員實(shí)體的三維模型、數(shù)據(jù)模型、毀傷模型,武器平臺(tái)戰(zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型、班組戰(zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型、群隊(duì)?wèi)?zhàn)斗行動(dòng)規(guī)則模型,虛擬地理環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境模型的基礎(chǔ)上,依據(jù)仿真想定,依托計(jì)算機(jī)生成兵力進(jìn)行作戰(zhàn)過(guò)程仿真。計(jì)算機(jī)生成兵力能夠自主地對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行感知,對(duì)自身狀態(tài)和其它實(shí)體的狀態(tài)做出合理的反應(yīng),能自動(dòng)模擬實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員或武器裝備的作戰(zhàn)行為,實(shí)現(xiàn)其在裝備體系仿真對(duì)抗中的角色和職能,并提供二維態(tài)勢(shì)和三維態(tài)勢(shì)的聯(lián)動(dòng)顯示,按照評(píng)估任務(wù)的需要,采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)。
由于試驗(yàn)評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性、多元性,系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的挖掘處理、量綱歸一處理、專家經(jīng)驗(yàn)量化處理、結(jié)果數(shù)據(jù)管理等功能。能夠根據(jù)不同裝備體系使命任務(wù)和評(píng)估側(cè)重點(diǎn),構(gòu)建裝備體系作戰(zhàn)能力與仿真數(shù)據(jù)、裝備性能參數(shù)等的關(guān)聯(lián)映射,形成系統(tǒng)能夠采集、量化的指標(biāo)體系。能夠支持單裝聚合、體系效能、任務(wù)貢獻(xiàn)率等不同評(píng)估算法的具體計(jì)算,通過(guò)裝配多層級(jí)、多維度的評(píng)估模型,以支持不同仿真數(shù)據(jù)輸入前提下的評(píng)估,并提供評(píng)估參數(shù)設(shè)置、評(píng)估模型管理、評(píng)估結(jié)果輸出等服務(wù)。
系統(tǒng)體系架構(gòu)是對(duì)仿真評(píng)估系統(tǒng)組成及其相互關(guān)系的描述,結(jié)合仿真建模、運(yùn)行與試驗(yàn)評(píng)估全過(guò)程服務(wù)的要求[10],裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)以作戰(zhàn)仿真技術(shù)為依托,以虛擬軍事仿真平臺(tái)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)武器系統(tǒng)單裝單平臺(tái)進(jìn)行精細(xì)化建模,在構(gòu)建虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中推演作戰(zhàn)行動(dòng),驗(yàn)證作戰(zhàn)效果,為裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)提供有效的對(duì)抗仿真驗(yàn)證手段,為裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、裝備體系貢獻(xiàn)率評(píng)估和建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等提供數(shù)據(jù)支持。為了使系統(tǒng)功能更完善、結(jié)構(gòu)更清晰、開(kāi)發(fā)更方便、擴(kuò)展更靈活,采用分層體系架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[11],系統(tǒng)在總體架構(gòu)上主要區(qū)分為基礎(chǔ)層、模型層、服務(wù)層、功能層和應(yīng)用層5個(gè)層次,如圖1所示。
圖1 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)體系架構(gòu)圖
主要提供武器裝備、作戰(zhàn)人員、地理環(huán)境等與仿真資源相關(guān)的三維模型構(gòu)建和管理工具,建設(shè)裝備體系仿真和評(píng)估相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。
基于高精度仿真引擎和基礎(chǔ)層中的模型構(gòu)建和配置工具,構(gòu)建仿真系統(tǒng)中所需的作戰(zhàn)人員、武器裝備、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等三維實(shí)體模型,對(duì)各種戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)進(jìn)行仿真建模,并提供仿真計(jì)算所需的毀傷計(jì)算和評(píng)估分析涉及到的指標(biāo)賦權(quán)計(jì)算、評(píng)估算子計(jì)算和評(píng)估聚合計(jì)算等模型。
主要提供地理信息服務(wù)、三維場(chǎng)景渲染服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信互聯(lián)服務(wù)、物理仿真服務(wù)、三維顯示控制服務(wù)、仿真推進(jìn)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)服務(wù)組件、多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行控制服務(wù)、綜合評(píng)估服務(wù)、評(píng)估指標(biāo)關(guān)聯(lián)映射和權(quán)重服務(wù)、評(píng)估結(jié)果可視化組件服務(wù)和評(píng)估報(bào)告生成服務(wù)等。
開(kāi)發(fā)或利用資源管理、仿真規(guī)劃、仿真管控、仿真運(yùn)行和評(píng)估分析等軟件工具,提供相應(yīng)的功能服務(wù),滿足裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估任務(wù)需求。
面向裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)需求,試驗(yàn)人員可靈活開(kāi)展針對(duì)相關(guān)試驗(yàn)部隊(duì)裝備體系的對(duì)抗仿真,進(jìn)行試驗(yàn)部隊(duì)裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估及裝備體系建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估分析等。
系統(tǒng)在VBS3仿真支撐平臺(tái)及其已有基礎(chǔ)軟件模塊的支撐下,根據(jù)裝備體系仿真要求,對(duì)相關(guān)功能模塊和軟件工具進(jìn)行改造或定制開(kāi)發(fā),以完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)管控、試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估分析,系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。
圖2 裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)
模型系統(tǒng)模塊主要是基于Agent的裝備智能行為建模技術(shù)進(jìn)行定制開(kāi)發(fā),根據(jù)仿真需要實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)環(huán)境、裝備及行為模型的調(diào)度管理,支持實(shí)時(shí)推演及實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式。
模型構(gòu)建模塊主要是基于平臺(tái)自帶的裝備建模工具、行為建模工具以及環(huán)境建模工具,構(gòu)建滿足仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需要的各類模型資源。
想定編輯模塊主要是對(duì)平臺(tái)自帶的想定編輯工具加以改造,提供圖形化人機(jī)界面進(jìn)行仿真想定的創(chuàng)建、編輯等功能,將仿真的作戰(zhàn)背景、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及包括敵我雙方的作戰(zhàn)編組、作戰(zhàn)部署及行動(dòng)計(jì)劃等與作戰(zhàn)想定相關(guān)的內(nèi)容錄入到系統(tǒng)中,形成作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)。
態(tài)勢(shì)顯示模塊主要是依托平臺(tái)自帶的態(tài)勢(shì)顯示、顯示控制以及態(tài)勢(shì)回放等工具,實(shí)時(shí)呈現(xiàn)二、三維時(shí)空一致的綜合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。
運(yùn)行管控模塊主要是依托平臺(tái)自帶的仿真引擎以及運(yùn)行支撐服務(wù)、運(yùn)行綜合管控、想定監(jiān)控與管理、作戰(zhàn)行動(dòng)仿真模型解算等工具,對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式、運(yùn)行模式等進(jìn)行管理設(shè)置。
資源管理模塊主要是基于平臺(tái)自帶的模型與數(shù)據(jù)管理工具,實(shí)現(xiàn)對(duì)各類基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)資源的導(dǎo)入、編輯、維護(hù)、備份等管理功能。
數(shù)據(jù)采集模塊主要是依托平臺(tái)自帶的仿真數(shù)據(jù)采集工具,對(duì)仿真過(guò)程的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄。
評(píng)估分析模塊需要定制開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)評(píng)估分析軟件工具,能夠?qū)ο到y(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并根據(jù)不同的評(píng)估目的確定評(píng)估方案,主要包括確定數(shù)據(jù)、建立評(píng)估指標(biāo)體系、確定評(píng)估模型、進(jìn)行分析評(píng)估并形成評(píng)估報(bào)告等。
裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)組成如圖3所示。主要由兩大分系統(tǒng)組成,分別是裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)和裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)。其中,裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)想定實(shí)現(xiàn)仿真推演,并產(chǎn)生、采集、傳輸和存儲(chǔ)仿真數(shù)據(jù),主要由仿真規(guī)劃與管控、模型構(gòu)建、想定編輯、資源管理、仿真運(yùn)行與控制、態(tài)勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)采集等7個(gè)子系統(tǒng)組成;裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)是在仿真分系統(tǒng)產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)評(píng)估目標(biāo),確定評(píng)估指標(biāo),選擇相應(yīng)的評(píng)估模型與算法,進(jìn)行評(píng)估分析,最終生成評(píng)估報(bào)告,主要由作戰(zhàn)效能評(píng)估、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估、建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等3個(gè)分系統(tǒng)組成。
圖3 仿真評(píng)估系統(tǒng)組成框圖
在裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)部,裝備體系作戰(zhàn)仿真分系統(tǒng)與評(píng)估分系統(tǒng)各自的功能以及相互之間的關(guān)系,如圖4所示。裝備體系仿真分系統(tǒng)產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù),并將仿真數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,具體存儲(chǔ)的仿真數(shù)據(jù)內(nèi)容可以根據(jù)評(píng)估指標(biāo)設(shè)定,同時(shí)支持裝備體系作戰(zhàn)仿真回放檢驗(yàn);裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)評(píng)估分系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中訪問(wèn)相應(yīng)的仿真數(shù)據(jù),進(jìn)行體系效能、體系貢獻(xiàn)率評(píng)估等,生成裝備體系作戰(zhàn)試驗(yàn)分析評(píng)估報(bào)告。
圖4 仿真評(píng)估系統(tǒng)關(guān)系圖
裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程如圖5所示。
圖5 仿真評(píng)估系統(tǒng)工作流程
仿真準(zhǔn)備階段圍繞裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估需要,將作戰(zhàn)想定中涉及的具體裝備型號(hào)、編配體制,擔(dān)負(fù)的主要作戰(zhàn)任務(wù)、紅藍(lán)雙方的作戰(zhàn)部署、行動(dòng)計(jì)劃及特定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境錄入到系統(tǒng)中,并對(duì)試驗(yàn)要素、試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間、試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束條件、推演次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)按照格式化模板生成仿真方案數(shù)據(jù),提交給仿真運(yùn)行與控制子系統(tǒng),進(jìn)入仿真運(yùn)行階段。
仿真運(yùn)行階段根據(jù)仿真規(guī)劃子系統(tǒng)生成的仿真方案數(shù)據(jù),在分布交互仿真環(huán)境中由仿真控制模塊來(lái)控制試驗(yàn)方案運(yùn)行次數(shù)、開(kāi)始、暫停等,由作戰(zhàn)行動(dòng)仿真模型解算模塊實(shí)時(shí)生成對(duì)抗環(huán)境中的仿真實(shí)體,按照作戰(zhàn)計(jì)劃和要求完成作戰(zhàn)任務(wù),由綜合態(tài)勢(shì)顯示子系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成二、三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,并生成態(tài)勢(shì)回放數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)記錄仿真過(guò)程數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)實(shí)體狀態(tài)數(shù)據(jù),為仿真評(píng)估分析提供數(shù)據(jù)支撐。
評(píng)估分析階段以仿真數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)分析評(píng)估目標(biāo)和評(píng)估對(duì)象依次進(jìn)行能力分解映射、指標(biāo)體系構(gòu)建、指標(biāo)權(quán)重賦值、多層級(jí)評(píng)估模型構(gòu)建,在此基礎(chǔ)上對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包含去噪、無(wú)量綱化、關(guān)聯(lián)計(jì)算后,按評(píng)估流程開(kāi)展分析評(píng)估計(jì)算。
評(píng)估結(jié)果展示階段主要對(duì)分析評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行可視化展示,包括不同裝備體系能力對(duì)比分析,不同作戰(zhàn)方案的任務(wù)戰(zhàn)損比、物資消耗比、完成效率、作戰(zhàn)效能,裝備體系貢獻(xiàn)率綜合評(píng)估,典型裝備的建設(shè)效費(fèi)比評(píng)估等,提供多種樣式的圖、表等可視化方式以展示評(píng)估結(jié)果,并結(jié)合不同仿真數(shù)據(jù)生成不同評(píng)估目標(biāo)的評(píng)估報(bào)告,供不同用戶參考使用。
本文提出了一種基于VBS3仿真平臺(tái)的裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路方法,針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要功能設(shè)計(jì)、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)、仿真流程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究,給出了設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)立足于當(dāng)前裝備體系化、對(duì)抗化試驗(yàn)評(píng)估現(xiàn)實(shí)需求,能夠?yàn)楹铣刹筷?duì)裝備體系作戰(zhàn)仿真評(píng)估手段建設(shè)提供支撐,可提升聯(lián)合作戰(zhàn)背景下裝備體系化設(shè)計(jì)論證、檢驗(yàn)評(píng)估與建設(shè)優(yōu)化能力,具有較強(qiáng)的實(shí)用意義與參考價(jià)值。