劉高峰,陳佳俊

(海軍工程大學電子工程學院,湖北 武漢 430033)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境構建

劉高峰,陳佳俊

(海軍工程大學電子工程學院,湖北 武漢 430033)

針對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)合試驗與訓練仿真問題,分析了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境支撐能力需求。從突出領域優(yōu)勢、共享試訓資源、作戰(zhàn)試訓一體的思想出發(fā),建立了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓任務共同體描述模型和演進關系,采用面向服務體系框架,提出了基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境架構,設計了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)組成結(jié)構,并給出了系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)途徑,為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境建設提供了一種可行的技術途徑,具有一定的實際參考價值。

艦艇; 作戰(zhàn)系統(tǒng); 試驗與訓練; 任務共同體; 協(xié)同仿真

陳佳俊(1985-),男,博士,講師。

20世紀90年代,美軍在試驗與訓練領域提出了邏輯靶場的概念[1],為提高聯(lián)合試驗和訓練水平以及降低各項費用,在1996年頒布的建模與仿真的高層體系結(jié)構(HLA)基礎上,定義了試驗訓練使能體系結(jié)構(TENA),提供了面向具體領域應用的通用仿真體系結(jié)構和特定能力[2]。2005年，美國陸軍采用面向服務技術開發(fā)了公共訓練儀器體系結(jié)構(CTIA),2008年，美國國防部發(fā)布了實況-虛擬-構造(LVC)仿真體系結(jié)構路線圖,以進一步提高LVC仿真環(huán)境中的資源共享、互操作性、重用性和組合性等能力[3-5],并不斷建設發(fā)展了網(wǎng)絡中心企業(yè)服務(NCES)的指揮控制能力[6]。國內(nèi)相關領域的研究院所在武器裝備試訓仿真技術方面也取得了大量專門性研究成果[4-5,7-8]。文獻[9]提出了艦艇裝備性能試驗與作戰(zhàn)試驗一體化設計的總體思路和重要項目試驗方案；文獻[10]基于HLA機制對潛艇群反航母協(xié)同作戰(zhàn)進行了仿真試驗研究；文獻[11]探討了水中兵器一體化試驗的主要內(nèi)容和實施方法,但尚未見形成將地理上分散的各領域資源有效集成利用的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境,且在試訓一體化框架、技術標準規(guī)范、資源共享服務以及應用管理等研究方面,與國際先進水平還存在一定差距。

本文提出從“突出領域優(yōu)勢、共享試訓資源、作戰(zhàn)試訓一體”的思想出發(fā),采用面向服務體系框架和協(xié)同仿真技術等,構建基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境,目的是為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的裝備適應性試驗仿真、作戰(zhàn)方案分析或戰(zhàn)法優(yōu)化、作戰(zhàn)模擬訓練等應用系統(tǒng),提供規(guī)范化、網(wǎng)絡化、聯(lián)合化和實戰(zhàn)化的技術支撐環(huán)境。

1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境支撐能力需求

1.1 問題的提出

通常,作戰(zhàn)系統(tǒng)是指軍用平臺上用于執(zhí)行警戒、跟蹤、目標識別、數(shù)據(jù)處理、威脅估計及控制武器完成對敵作戰(zhàn)功能的各要素及人員的綜合體。對于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)而言,具有裝備分布配置、系統(tǒng)結(jié)構復雜、人機交互操控、系統(tǒng)實時性強、武器類型多等特征,對其進行裝備試驗及作戰(zhàn)訓練的要求非常高,以往單一譜系的裝備試驗評定技術和作戰(zhàn)模擬系統(tǒng),已難以全面適應海上復雜環(huán)境條件下以作戰(zhàn)任務和作戰(zhàn)樣式為主旨的裝備試驗和作戰(zhàn)訓練的一體化需求。

目前,受裝備承研、系統(tǒng)試驗、作戰(zhàn)訓練等場所異地分散以及管理體制、行業(yè)領域和技術規(guī)范等多種因素影響,艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的裝備試驗仿真和模擬訓練通常是分散的、獨立的、自成體系組織實施的,現(xiàn)有不同類型譜系的作戰(zhàn)系統(tǒng)實裝、武器裝備仿真系統(tǒng)、作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、裝備模型和仿真模型等試驗訓練資源呈現(xiàn)出廣域分布和獨立應用等特征,專業(yè)化和規(guī)范化的試訓資源難于高效集成、彼此共享和動態(tài)應用,也存在一些試驗和訓練環(huán)境重建重構、專業(yè)模型標準化程度低、應用系統(tǒng)通用性差、實際使用效率不高和行業(yè)利益化思維等現(xiàn)象,在一定程度上制約了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境的建設與發(fā)展。因此,構建一種基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境,將成為實現(xiàn)具體試訓任務應用系統(tǒng)的技術關鍵。

1.2 一體化協(xié)同仿真環(huán)境的基本支撐能力定位

協(xié)同仿真是一種處于不同地點、基于不同計算機平臺的仿真人員,采用不同建模方法建立系統(tǒng)混合異構層次化仿真模型,并在分布式環(huán)境中進行仿真運行、表現(xiàn)和分析的復雜系統(tǒng)仿真方法[8,12]。因此,可以定義:一體化協(xié)同仿真環(huán)境是一種規(guī)范化、開放式的建模與仿真機制,通過利用計算機網(wǎng)絡技術、信息傳輸技術和協(xié)同仿真技術等,靈活地將各類實況、虛擬、構造等實體進行動態(tài)組配,有機地連接成一個整體,并在分布式環(huán)境中進行預設任務的聯(lián)合仿真運行和分析。

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境主要用于解決作戰(zhàn)系統(tǒng)的各專業(yè)和全范圍內(nèi)的裝備適應性試驗和作戰(zhàn)訓練的仿真系統(tǒng)集成問題,通過該環(huán)境可以動態(tài)地搭配和排列不同的試驗/訓練資源,構成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的適應性試驗仿真系統(tǒng)、作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)、戰(zhàn)術對抗模擬系統(tǒng)等應用系統(tǒng),具備試訓應用系統(tǒng)的組織、控制、試驗、訓練、服務、通信、評估和管理等一體化支撐能力,用于完成虛擬海上復雜環(huán)境條件下艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗與訓練任務。主要應具備以下基本支撐能力:

1)提供試訓組織控制管理能力,包括裝備適應性試驗仿真模式、作戰(zhàn)模擬訓練模式下的系統(tǒng)組織、部署、鏈接、過程控制、時統(tǒng)和監(jiān)管等,為開展各專業(yè)領域和全系統(tǒng)、全功能、全要素、全壽命的試訓活動提供技術基礎。

2)提供試訓對象系統(tǒng)集成能力,包括實況系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)、構造系統(tǒng)等接入和注冊,支持不同類型的實際對象系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、軟硬件平臺、信息網(wǎng)絡環(huán)境的互操作。

3)提供面向試驗任務想定的作戰(zhàn)系統(tǒng)適應性試驗仿真能力,包括可用性、可靠性、可維護性、兼容性、互操作性、安全性、保障能力等適應性試驗,以及開展對海作戰(zhàn)試驗、防空作戰(zhàn)試驗、反潛作戰(zhàn)試驗、信息作戰(zhàn)試驗和協(xié)同作戰(zhàn)試驗等。

4)提供面向?qū)崙?zhàn)化想定的作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬訓練能力,包括OODA環(huán)作戰(zhàn)過程中的專業(yè)訓練、系統(tǒng)訓練、綜合訓練、協(xié)同訓練和推演訓練等。

5)提供規(guī)范統(tǒng)一的海戰(zhàn)場環(huán)境模擬能力和計算機兵力生成能力,能構建試驗與訓練應用所需的虛擬和真實相結(jié)合的戰(zhàn)場空間環(huán)境和紅藍方作戰(zhàn)力量。

6)提供試訓仿真分析與評估能力,支撐裝備適應性試驗仿真評估、作戰(zhàn)試驗評估、作戰(zhàn)模擬訓練評估等分析與評價工作。

7)提供公共信息資源服務能力,包括與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)相關的模型、數(shù)據(jù)、文檔、知識和想定等公共信息資源,以滿足試訓用戶的基本應用需求。

8)提供實時的試訓信息交互、試訓信息采集、試訓資源服務等所需的網(wǎng)絡通信能力。

9)提供協(xié)同仿真所需的支撐工具包和人機界面訂制等能力。

2 基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境架構建立

2.1 試訓任務共同體的定義與描述模型建立

借鑒網(wǎng)絡中心企業(yè)服務(NCES)中利益共同體概念和相關研究成果[6,13-15],將試訓任務共同體定義為:在廣域的分布式網(wǎng)絡環(huán)境中,按照作戰(zhàn)使命任務及其作戰(zhàn)業(yè)務功能流程要求,將分散于不同場所、不同功能和不同粒度的軟硬件資源或服務有序組織成一個應用系統(tǒng),并在時間、空間和功能上協(xié)同交互運行,實現(xiàn)特定試訓應用系統(tǒng)的目標任務。

采用面向?qū)ο蠓治龊投嘣M描述方法,可以建立一種試訓任務共同體描述模型TC,基本形式表示為:

TC=

(1)

其中,M表示試訓任務的系統(tǒng)標識,包括試驗仿真系統(tǒng)和模擬訓練系統(tǒng)等;N表示試訓任務共同體的名稱;SD表示完成試訓任務所需的各種資源描述;SL表示不同類型資源的層級;SP表示資源的性質(zhì),包括實況、虛擬、構造等不同類型資源;SR表示各種資源之間的信息交互關系和調(diào)用關系。

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作為一個有機整體,由傳感器、作戰(zhàn)指揮、火控、火力(武器)、導航、通信等多個分系統(tǒng)共同構成,用于完成防空、對海、反潛、對岸和對抗等多種作戰(zhàn)任務。通過對各場所分散的試訓資源的功能組合,可以建立不同的試訓任務共同體,并按照作戰(zhàn)系統(tǒng)業(yè)務流程進行組織、控制和管理,既可以開展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的裝備適應性試驗仿真工作,也可以開展作戰(zhàn)方案分析或戰(zhàn)法優(yōu)化、作戰(zhàn)模擬訓練等工作,從而實現(xiàn)試訓資源的共享能力,提高試訓資源的利用效率和靈活組合使用能力。

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓任務共同體包括多種不同功能的任務共同體序列,任務共同體與系統(tǒng)、資源、應用之間的演進關系如圖1所示。

圖1 任務共同體與系統(tǒng)、資源、應用之間的演進關系

2.2 試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境架構建立

在文獻[15-17]研究基礎上,采用面向服務體系架構(SOA)[18,19],引入任務共同體TC,建立了基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化仿真環(huán)境架構,包括基礎架構層、資源服務層、試訓業(yè)務層、試訓集成層、試訓應用層以及技術標準/規(guī)范等基本要素層,用于支撐廣域分布式環(huán)境條件下試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)的功能集成、互操作及動態(tài)重構等能力,如圖2所示。

圖2 基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化仿真環(huán)境架構

1)基礎架構層。該層是廣域分布式環(huán)境條件下開展試訓活動的通用基礎平臺,具有計算機軟硬件、仿真引擎、數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡通信等能力,為應用系統(tǒng)的集成與運行提供物質(zhì)技術基礎。

2)資源服務層。該層以本地/異地試訓服務中心為層級管理機制,提供服務的注冊、接入、發(fā)現(xiàn)、組合、運行、處理、交互、監(jiān)控、管理、時統(tǒng)和記錄等通用核心服務能力,提供統(tǒng)一規(guī)范的裝備信息、裝備模型、平臺模型、試訓環(huán)境仿真、計算機生成兵力、試訓想定和工具集合等公共試訓服務,以及通過審核認證的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各專業(yè)的現(xiàn)役裝備、裝備仿真模型和裝備模擬器等專業(yè)試驗服務和專業(yè)訓練服務,為試訓資源的共享、重用、管理、維護等提供服務。

3)試訓業(yè)務層。該層用于將資源服務層的所需服務動態(tài)地編排和聚合,形成試訓任務共同體的一個應用流程,并被封裝成一個單獨的應用程序,支持不同試訓應用需求和活動過程。

4)試訓集成層。該層是建立艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化仿真系統(tǒng)的軟總線,通過中間件技術和其它轉(zhuǎn)換技術等實現(xiàn)集成服務,具備復雜信息傳輸能力,支持分布式異構環(huán)境條件下應用系統(tǒng)的一體化集成。

5)試訓應用層。該層提供友好的人機界面,具有試訓項目/科目組織、試訓應用配置、試訓過程控制和試訓信息管理等功能,用于構建用戶不同需求的試訓仿真應用系統(tǒng)。

6)技術標準/規(guī)范是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化仿真環(huán)境架構的開發(fā)原則和指南,用于系統(tǒng)技術體系結(jié)構的統(tǒng)一術語定義、統(tǒng)一文檔模板、統(tǒng)一信息交換格式、統(tǒng)一接口規(guī)范以及數(shù)據(jù)管理、信息共享、網(wǎng)絡服務等技術支持。

3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)構建

3.1 試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)組成結(jié)構設計

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)由地理上分布的多個專業(yè)服務中心共同組成,包括艦艇聯(lián)合試訓、艦艇傳感器試驗、艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)試驗、艦艇火控系統(tǒng)試驗、艦艇武器試驗、艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)訓練、艇載作戰(zhàn)系統(tǒng)訓練等服務中心,通過廣域分布式網(wǎng)絡基礎環(huán)境和企業(yè)服務總線(ESB),對實況、虛擬、構造等服務資源進行配置和編排,可以靈活動態(tài)地搭建用戶特定需求的以“任務共同體服務”為特征的應用系統(tǒng)。初步設計的試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)組成結(jié)構如圖3所示。

該系統(tǒng)采用星型拓撲層次結(jié)構,以廣域分布式網(wǎng)絡基礎環(huán)境作為通用基礎平臺,由企業(yè)服務總線實現(xiàn)分布式試訓應用系統(tǒng)的集成,通過協(xié)同仿真運行實戰(zhàn)化背景下相應任務的試驗/訓練想定,即可適時開展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備適應性試驗仿真、作戰(zhàn)模擬訓練等工作。

圖3 試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)組成結(jié)構示意圖

3.2 試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)途徑

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境建設需要解決諸多問題[20]。先期,應籌建試訓一體化管理機構和各類試訓服務中心,激勵內(nèi)外協(xié)作和深化軍民融合,牽頭制定發(fā)展路線圖、技術標準規(guī)范、試訓管理制度等頂層工作;然后,再有序推進試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)主要集成技術的實現(xiàn)等工作。

1)實現(xiàn)SOA的主要技術

SOA是面向應用服務的一種軟件系統(tǒng)框架,可以通過網(wǎng)絡對松耦合的應用組件進行分布式部署、組合和使用。它屬于一種組件模型,模型中包括服務提供者、服務注冊庫和服務請求者三種角色,還包含發(fā)布、查詢、綁定和調(diào)用等操作。

在實際應用中,SOA的實現(xiàn)技術有多種方式,Web服務、業(yè)務過程執(zhí)行語言(BPEL)和企業(yè)服務總線(ESB)為實現(xiàn)SOA提供了一種有效技術基礎[18,20]。在軟件實現(xiàn)方面,SOA服務主要利用Web服務技術,通過一系列基本規(guī)范和擴展規(guī)范實現(xiàn)Web服務,如以可擴展標記語言XML定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,采用Web服務描述語言(WSDL)描述接口的相關內(nèi)容,通過簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)實現(xiàn)服務實體之間的通信,使用通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成協(xié)議(UDDI)實現(xiàn)將發(fā)布和發(fā)現(xiàn)服務的SOAP請求解釋為用于基本數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)管理功能調(diào)用;在服務編排方面,利用BPEL指定基于Web服務的業(yè)務流程行為,通過指定調(diào)用順序來編排服務,描述服務間交換消息的協(xié)作行為;在服務通信方面,利用ESB技術實現(xiàn)。

2)實現(xiàn)ESB的主要技術

ESB是傳統(tǒng)中間件技術與XML、Web服務等技術結(jié)合的產(chǎn)物,作為SOA的切入點,使企業(yè)以最小投入將已有系統(tǒng)納入到SOA框架中來。

從功能用途方面看,ESB是SOA框架中實現(xiàn)服務間智能化集成與管理的中介,它將事件驅(qū)動方法和面向服務方法結(jié)合使用,用來構建、集成、部署、監(jiān)控和管理各種分布式資源,提供服務管理方法和分布式異構環(huán)境中消息格式轉(zhuǎn)換、路由選擇以及傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換等服務交互功能,能為特定環(huán)境下松耦合的服務和應用提供集成方式。因此,ESB涉及服務管理機制、消息路由、消息格式轉(zhuǎn)換、傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換等主要技術。另外,服務封裝和服務代理技術、異構數(shù)據(jù)集成技術、安全管理技術等也不可或缺。

4 結(jié)束語

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境建設是一項復雜系統(tǒng)工程。本文提出了一種基于任務共同體的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試訓一體化協(xié)同仿真環(huán)境架構,設計了試訓一體化協(xié)同仿真應用系統(tǒng)組成結(jié)構,能夠較好地滿足網(wǎng)絡化、服務化、組合化以及可重用和可擴展等聯(lián)合試訓應用需求。后續(xù),將根據(jù)提出的關鍵技術實現(xiàn)途徑,深化以“服務”為中心的各級各類試訓資源服務的規(guī)劃、設計、開發(fā)與集成等技術研究工作。

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Construction of Collaborative Simulation Environment for Warship Combat System Experiment and Training Integration

LIU Gao-feng,CHEN Jia-jun

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

According to joint experiment and training simulation problem of warship combat system,the supporting capacity requirement of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration is analyzed.With the idea of highlight the domain advantages,sharing experiment and training resources,integration combat experiment and training,the task community description model and evolution relationship of warship combat system experiment and training are established.Based on service oriented architecture (SOA),the architecture of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration is proposed.The composition structure of collaborative simulation system for warship combat system experiment and training integration is designed and key technology of this system is given.It provide a feasible technical approach for construction of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration and it has certain practical reference value.

warship;combat system;experiment and training;task community;collaborative simulation

U674.7；E925

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.015

1673-3819(2017)05-0071-05

2017-05-26

2017-06-17

劉高峰(1965-),男,山西陽城人,博士,教授,研究方向為指揮控制與系統(tǒng)仿真。