王欽釗， 鮑君瀟， 郭傲兵， 萬 琳

(1. 陸軍裝甲兵學院兵器與控制系， 北京 100072; 2． 陸軍裝甲兵學院信息通信系， 北京 100072)

隨著新軍事變革的發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)正由機械化向信息化轉(zhuǎn)變，這對裝甲分隊的戰(zhàn)場信息運用能力和指揮控制水平提出了更高的要求。為了充分感知、運用戰(zhàn)場態(tài)勢信息，大幅提升分隊協(xié)同作戰(zhàn)能力，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)思想應(yīng)運而生[1]。其中，坦克網(wǎng)絡(luò)化火力打擊自主規(guī)劃系統(tǒng)在理論上可實現(xiàn)裝甲分隊對地面多目標的感知、識別與火力打擊分配，大幅提升裝甲裝備在信息化條件下的火力打擊效能，而網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)技術(shù)與裝備的運用還需通過科學、全面的作戰(zhàn)試驗來檢驗其戰(zhàn)場適用性[2]。但現(xiàn)實因素的制約使得裝甲裝備網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗難以順利開展，無法滿足作戰(zhàn)試驗對裝甲裝備和作戰(zhàn)環(huán)境的特殊要求。

計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗提供了新思路。目前，基于RV游戲引擎的裝甲裝備及火控系統(tǒng)模型仿真[3]能較真實地反映實裝性能；仿真實體在虛擬環(huán)境中的碰撞檢測方法也有較成熟的研究成果[4]；裝甲分隊模擬訓練系統(tǒng)[5]能提供沉浸感強的“人在環(huán)”裝甲分隊作戰(zhàn)模擬訓練。但要通過計算機仿真實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗的功能，不僅要構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場環(huán)境和裝備模型，還需對分隊各作戰(zhàn)環(huán)節(jié)所涉及的軟件功能和硬件設(shè)備進行模擬仿真，最大程度地還原武器裝備的戰(zhàn)場運用情況。

基于此，筆者從作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)對指揮控制分系統(tǒng)的功能需求出發(fā)[6]，以網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)技術(shù)與裝備為試驗對象，運用面向服務(wù)和組件化模型的設(shè)計思想，對面向網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗的指揮控制仿真原型系統(tǒng)進行設(shè)計與實現(xiàn)，并通過坦克網(wǎng)絡(luò)化火力打擊自主規(guī)劃系統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真試驗進行驗證。

1 指揮控制仿真原型系統(tǒng)需求分析

隨著網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮技術(shù)的發(fā)展[7]，為每類應(yīng)用搭建特定仿真試驗裝備和戰(zhàn)場環(huán)境在效率和成本上均不現(xiàn)實。因此，設(shè)計指揮控制仿真原型系統(tǒng)(以下簡稱“指控系統(tǒng)”)，對實現(xiàn)裝甲裝備作戰(zhàn)仿真試驗意義重大。針對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)對指揮控制功能的需求，指控系統(tǒng)在設(shè)計和開發(fā)時應(yīng)注重以下方面：

1) 注重指揮控制功能的完備性。指控系統(tǒng)應(yīng)具備作戰(zhàn)指揮與控制業(yè)務(wù)的基本功能，如文電處理、業(yè)務(wù)計算、信息共享、方案制定、態(tài)勢處理、態(tài)勢顯示、輔助決策等，可滿足裝備作戰(zhàn)運用的基本需求，以保證網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗的順利實施。

2) 注重系統(tǒng)信息的互通性。指控系統(tǒng)并不獨立于作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)運行，需與其保持數(shù)據(jù)通信和仿真進程同步，實時獲得戰(zhàn)場仿真實體的位置、狀態(tài)和作戰(zhàn)行為信息，以支持指控系統(tǒng)各功能的實現(xiàn)。

3) 注重指揮控制功能的可拓展性。為滿足不同作戰(zhàn)試驗的需求，指控系統(tǒng)在輔助決策、態(tài)勢處理等關(guān)鍵功能上要具備合理的數(shù)據(jù)交互協(xié)議和通信接口，方便試驗對象(算法或軟件)的接入與通信。

4) 注重指控系統(tǒng)使用效果的真實性。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，敵我雙方均會運用各種手段隱蔽己方的作戰(zhàn)單位或干擾敵方的戰(zhàn)場感知系統(tǒng)。若直接將作戰(zhàn)仿真試驗進程中所有實體信息通過指控系統(tǒng)顯示在態(tài)勢地圖上，并不符合戰(zhàn)場的實際情況，因此，指控系統(tǒng)應(yīng)具備情報偵測仿真處理功能，可根據(jù)作戰(zhàn)試驗需求對仿真實體信息進行預(yù)處理。

5) 注重人機操作的交互性。指控系統(tǒng)在設(shè)計與實現(xiàn)時應(yīng)考慮人機交互性，符合實際裝備的操作習慣，滿足“人在環(huán)”作戰(zhàn)仿真試驗的使用需求。

6) 體現(xiàn)作戰(zhàn)試驗組織的便捷性。指控系統(tǒng)應(yīng)具備可視化的能力配置功能，可根據(jù)不同的試驗裝備實現(xiàn)不同指揮控制系統(tǒng)的功能配置，進一步增加作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)的適用性和靈活性。

2 指揮控制仿真原型系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體思路

在裝備實際使用中，作戰(zhàn)人員主要通過指揮控制軟件實現(xiàn)指控系統(tǒng)的作戰(zhàn)功能。根據(jù)指控系統(tǒng)的需求分析，采用能力配置和功能組件化的軟件驅(qū)動方式[8]，實現(xiàn)指控系統(tǒng)的功能應(yīng)用仿真。充分考慮情報數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場特殊環(huán)境對指揮控制行為的影響[9]，對指控系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力和戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性進行可視化配置，驅(qū)動軟件加載相應(yīng)的規(guī)則模型。根據(jù)作戰(zhàn)仿真試驗進程的推進，結(jié)合“人在環(huán)”仿真節(jié)點操作，周期性地進行仿真實體的信息更新、解算，以及指揮控制行為信息的獲取、處理和交互。

采用具有觸屏功能的一體式計算機作為指控系統(tǒng)的硬件設(shè)備，其計算能力、存儲能力和交互能力均能滿足作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗的人機交互需求。指控系統(tǒng)作為作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)的功能子系統(tǒng)[6]，其工作流程如圖1所示，具體如下：

1) 仿真試驗前期?；谠囼炄蝿?wù)及對象提出仿真需求，完成指控系統(tǒng)的功能拓展、能力配置以及作戰(zhàn)仿真試驗的原始情報設(shè)置。

2) 仿真試驗中期。根據(jù)試驗計劃，結(jié)合原始情報數(shù)據(jù)動態(tài)地實現(xiàn)多種指揮控制功能仿真，由 “人在環(huán)”指揮控制節(jié)點的操作推進指揮控制仿真運行。

3) 仿真試驗后期。輸出仿真運行產(chǎn)生的指揮控制過程數(shù)據(jù)，包括仿真實體裝備的各類信息參數(shù)、典型指揮控制行為的時間節(jié)點、各仿真節(jié)點間的交互信息和態(tài)勢數(shù)據(jù)處理結(jié)果等。所有過程數(shù)據(jù)和試驗回放功能均為試驗后期的分析評估提供支持。

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

在面向服務(wù)的理念指導下，將仿真組件技術(shù)引入到指控系統(tǒng)軟件開發(fā)中，構(gòu)建多層軟件架構(gòu)模型[10]。通過制定統(tǒng)一、通用的組件接口與數(shù)據(jù)通信協(xié)議，用戶可通過組件繼承和組件重組的方式，完成指揮控制相應(yīng)仿真功能的開發(fā)，以滿足不同試驗對象對指控系統(tǒng)功能的仿真需求。指控系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示，其在邏輯上由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、組件支撐層、功能應(yīng)用層和平臺軟件層組成，這在一定程度上可增強指控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延展性，為系統(tǒng)功能拓展提供了良好的基礎(chǔ)和前提條件。

其中：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層可實現(xiàn)仿真實體狀態(tài)數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)和系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)等資源的加載、管理和維護；組件支撐層基于Unity游戲引擎[11]，采用Visual Studio 2010集成環(huán)境以及C#語言完成指控系統(tǒng)的功能組件開發(fā)；功能應(yīng)用層通過不同組件間的繼承和會聚機制，實現(xiàn)多種指揮控制功能的仿真；平臺軟件層包括連、排長車指揮控制軟件和戰(zhàn)斗車輛指揮控制軟件，通過Unity游戲引擎的UGUI設(shè)計功能[12]，在既定的軟件界面框架中選擇不同的功能支撐組件進行多種應(yīng)用服務(wù)的組合，實現(xiàn)軟件用戶界面中不同功能窗體的指揮控制功能。

通過軟件架構(gòu)設(shè)計，指控系統(tǒng)軟件各層級、各功能之間劃分明確，有利于提高指揮控制仿真平臺數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定性、操作靈活性和功能可拓展性。

3 指揮控制仿真原型系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 軟件界面

以指揮控制能力可視化配置界面開發(fā)為例，介紹指控系統(tǒng)軟件用戶界面(User Interface,UI)的開發(fā)。能力可視化配置界面是根據(jù)作戰(zhàn)仿真試驗便捷性的需求，方便試驗人員完成指揮控制功能的預(yù)設(shè)與調(diào)整而開發(fā)的，主要包括標題文檔、參數(shù)值滑動條、下拉菜單和按鈕等UI控件。在Unity游戲引擎中建立、編輯用戶界面的基本過程如下：

1) 創(chuàng)建畫布Canvas，并在Hierarchy面板中選擇菜單下的UI→Text，創(chuàng)建用戶界面的標題和所有配置屬性的名稱文檔。

2) 根據(jù)界面設(shè)計需求在Inspector面板上調(diào)整標題與各屬性名稱的位置。

3) 在各屬性名稱下添加參數(shù)設(shè)置與調(diào)整的控件。以目標識別能力的配置選項為例，根據(jù)功能設(shè)計，配置選項為“開啟”和“關(guān)閉”，在Hierarchy面板選中已建立的“目標識別能力配置”，創(chuàng)建UI→Dropdown。UGUI將自動創(chuàng)建具有下拉和選擇功能的用戶界面控件，并在Inspector面板→Dropdown(Script)窗口→Option中設(shè)置選項名稱。

4) 控件選項的事件綁定。若在“目標識別能力配置”中選擇“開啟”選項，則會驅(qū)動軟件后臺的相應(yīng)事件方法，該方法的具體功能需要開發(fā)者編寫腳本實現(xiàn)。腳本編寫完成后儲存在資源庫(Asset)中，將事件方法從資源庫拖拽至Dropdown控件的None(Sprite)中，即可完成控件選項的事件綁定工作。

指控系統(tǒng)中的能力可視化配置功能類似于想定編輯，是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)在情報系統(tǒng)和裝備傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用需求，將復雜的戰(zhàn)場感知、情報獲取過程和環(huán)境影響因素簡化為戰(zhàn)場情報信息處理結(jié)果。通過指揮控制能力配置，構(gòu)建更為逼真的指控系統(tǒng)虛擬使用環(huán)境。完成編輯的指揮控制能力可視化配置界面如圖3所示。

3.2 軟件主控制器

根據(jù)面向服務(wù)及組件化的軟件架構(gòu)設(shè)計，指控系統(tǒng)軟件采用主控制器控制軟件運行和功能實現(xiàn)，即UI由一個主控制器Main Controller管理軟件運行的主要邏輯，引用并控制其他功能模塊組件。軟件開發(fā)邏輯如圖4所示。

由于軟件使用的交互性，UI中的部分控件一般會處于閑置狀態(tài)，只有在“人在環(huán)”節(jié)點操作時才會觸發(fā)相應(yīng)的功能。因此，在軟件開發(fā)的主程序中加入?yún)f(xié)程類函數(shù)Coroutine，即表明軟件程序在何處暫停等待交互，收到交互信息后在下一幀繼續(xù)執(zhí)行。而對于同一次作戰(zhàn)試驗中包含多次人機交互事件，軟件運行和人機交互是一個迭代的過程，因此運用迭代器IEnumerator作為協(xié)程函數(shù)的返回值，可針對人機操作將軟件運行方向指向不同的功能程序入口。主控制器協(xié)程類函數(shù)的實現(xiàn)方法如下：

public class MainController：MonoBehaviour

{ private void Awake()

{Application.runInBackground = true;}

∥規(guī)定軟件在后臺時也保持運行狀態(tài)

private IEnumerator Start()

∥定義Coroutine類函數(shù)，返回值為迭代器

{while (!ConfigManager.instance.isDone)

∥判斷是否完成仿真實體信息的讀取與配置，并暫停等待用戶交互操作的輸入

yield return null;}

∥接收用戶操作將軟件運行方向指向特定功能程序

}

3.3 軟件數(shù)據(jù)通信協(xié)議

根據(jù)指控系統(tǒng)的設(shè)計思路，指控系統(tǒng)軟件運行時將作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)存儲于軟件數(shù)據(jù)庫中，供各功能模塊使用。因此，指控系統(tǒng)與作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)不進行數(shù)據(jù)交互，只是軟件內(nèi)部的各功能模塊需要進行數(shù)據(jù)通信與交互，實現(xiàn)指揮控制的相應(yīng)功能，指控系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流如圖5所示。

指控系統(tǒng)軟件采用控制選項少、數(shù)據(jù)傳輸延遲小、傳輸效率高的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)作為軟件內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議。根據(jù)軟件架構(gòu)的設(shè)計，運用C#語言結(jié)合Unity引擎自帶的API函數(shù)完成異步UDP客戶端通信組件(AsynUdpClient)的開發(fā)，主要功能函數(shù)如下：

Awake()：組件初始化函數(shù)，在軟件運行時自動調(diào)用。

OnDestroy()：消息響應(yīng)函數(shù)，當通信端口被銷毀時調(diào)用。

FixedUpdate()：固定時間刷新數(shù)據(jù)函數(shù)，并不受軟件幀率(fps)的影響。

SendData()：數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。

RecvCallback()：接收數(shù)據(jù)異步回調(diào)函數(shù)。

3.4 通信管理器

通信管理器是指控系統(tǒng)軟件各功能模塊通信網(wǎng)絡(luò)的重要部分，數(shù)據(jù)通信過程非常復雜，需要設(shè)計相應(yīng)功能程序來進行控制，以提高數(shù)據(jù)通信的標準化和自動化程度。根據(jù)軟件功能的通信需求，通信管理器腳本程序的定義元素如下：

AsynUdpClient udpClient：通信傳輸協(xié)議。

separatorChar：數(shù)據(jù)分隔符字符，程序默認使用“，”。

codecName：編碼方式，程序先嘗試獲取通信軟件間的編碼方式，若失敗，則采用UTF8的方式編碼。

IPEndPoint lastRecvEP：數(shù)據(jù)接收網(wǎng)絡(luò)端點，由IP地址和端口號組成。

3.5 指揮控制功能開發(fā)

指控系統(tǒng)的軟件功能包括態(tài)勢顯示、態(tài)勢處理、輔助決策和態(tài)勢回放等，在此以態(tài)勢顯示功能為例，介紹軟件功能開發(fā)和腳本編輯過程。

態(tài)勢顯示主要包括目標的類型、狀態(tài)、陣營、位置以及威脅度、打擊決策和人機交互等基本內(nèi)容。針對陸地作戰(zhàn)，二維態(tài)勢的武器裝備類型及對應(yīng)的軍標如表1所示，紅、黃、綠3種軍標顏色分別對應(yīng)摧毀(0)、損傷(0～1)、完好(1)3種目標狀態(tài)。

表1 武器裝備類型及軍標顯示

同時，為了軟件開發(fā)的規(guī)范性和功能的可拓展性，將指控系統(tǒng)中作戰(zhàn)仿真實體信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，“按照<編號，方位x坐標，方位y坐標，方位z坐標，武器攻擊角，陣營，裝備類型，目標狀態(tài)>的數(shù)據(jù)格式記錄與傳輸”，數(shù)據(jù)類型之間以逗號分隔，便于各功能的編碼與解碼。如：態(tài)勢顯示功能在某時刻獲取到某仿真實體信息數(shù)據(jù)為，即編號為OBJ_107的敵方坦克，狀態(tài)完好，位置坐標為(6 660.35,6 119.23,-0.15)，攻擊角為348.189°。

態(tài)勢顯示過程中，需要將數(shù)據(jù)庫獲得的包含狀態(tài)、陣營等仿真實體信息的字符串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為態(tài)勢顯示功能可運用的狀態(tài)、陣營信息，“目標狀態(tài)”信息轉(zhuǎn)換的腳本程序如下：

StateToStr(float state)

∥將字符串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為目標狀態(tài)信息

{ string stateStr;

int cpR = FloatComparer.Compare(state,0f);

∥判斷狀態(tài)對應(yīng)字符

if(cpR < 0)

stateStr=“?”;

∥未知狀態(tài)

else if (cpR==0)

stateStr=“損毀”;

∥“損毀”狀態(tài)

else if (FloatComparer.Compare(state,1f)==.1

∥“損傷”狀態(tài)

stateStr=string.Format(“損傷 {0:0.0%}”,1f.state);∥判斷損毀程度

else

stateStr=“完好”;

∥“完好”狀態(tài)

return stateStr;

}

StrToState(string stateStr)

∥將目標狀態(tài)信息轉(zhuǎn)為字符數(shù)據(jù)

{

float state;

switch(stateStr)

{

case“完好”:state = 1f;break;

case“損傷”:state = 0.5f;break;

case“損毀”:state = 0f;break;

default:state =.1f;break;

}

return state;

}

4 指揮控制仿真原型系統(tǒng)運行與仿真試驗驗證

為驗證指控系統(tǒng)在面向網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)仿真試驗的實用性與有效性，以坦克網(wǎng)絡(luò)化火力打擊自主規(guī)劃系統(tǒng)中目標威脅評估和火力分配算法(以下簡稱“網(wǎng)絡(luò)化算法”)為試驗對象，進行單項技術(shù)指標作戰(zhàn)仿真試驗，目的是通過靜態(tài)的仿真試驗，檢驗網(wǎng)絡(luò)化算法在裝甲分隊作戰(zhàn)運用中的有效性，暴露技術(shù)設(shè)計缺陷，為下一步研究提供依據(jù)。

4.1 試驗想定編輯

根據(jù)技術(shù)研究任務(wù)書要求，網(wǎng)絡(luò)化算法的技術(shù)指標包括目標威脅評估置信度、裝甲分隊火力分配解算時間和裝甲分隊最大規(guī)劃目標數(shù)量。由此制定的網(wǎng)絡(luò)化算法作戰(zhàn)仿真試驗想定設(shè)置如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)化算法作戰(zhàn)仿真試驗想定設(shè)置

4.2 試驗組織與實施

根據(jù)試驗想定設(shè)置，完成想定文件編輯，明確試驗記錄數(shù)據(jù)，按試驗需求分組實施作戰(zhàn)仿真試驗。某次作戰(zhàn)仿真試驗的想定初始態(tài)勢如圖6所示，指控系統(tǒng)軟件操作界面及裝甲分隊火力分配結(jié)果如圖7所示，獲得的作戰(zhàn)仿真試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

4.3 試驗分析

技術(shù)指標單項試驗是將仿真試驗獲取的技術(shù)指標參數(shù)與技術(shù)任務(wù)書進行比較，考查網(wǎng)絡(luò)化算法是否達到任務(wù)書要求。將表3的試驗數(shù)據(jù)進行組織、計算和分析，得到網(wǎng)絡(luò)化算法作戰(zhàn)仿真試驗單項技術(shù)指標試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化算法的作戰(zhàn)仿真試驗及數(shù)據(jù)分析，可得到如下結(jié)論：

1) 在理想情況下，坦克網(wǎng)絡(luò)化火力打擊自主規(guī)劃系統(tǒng)中目標威脅評估和火力分配算法的作戰(zhàn)運用指標基本滿足技術(shù)任務(wù)計劃書指標要求，但還需進一步研究和改進；

技術(shù)指標試驗組別試驗項目AB目標威脅評估置信度/%195852909039585裝甲分隊火力分配解算時間/s10.513 30.565 620.503 80.546 730.509 70.579 8裝甲分隊最大規(guī)劃目標數(shù)量/輛11529292631134

表4 單項技術(shù)指標試驗數(shù)據(jù)

2) 目標威脅評估置信度隨目標數(shù)量的增大而降低，說明威脅評估算法容量還需進一步擴大，以適用于大規(guī)模作戰(zhàn)；

3) 裝甲分隊火力分配解算時間隨目標數(shù)量的增大而增加，試驗結(jié)果符合技術(shù)預(yù)期，但解算時間還受計算機性能的影響，在裝備性能配置時要綜合考慮該因素；

4) 網(wǎng)絡(luò)化算法并不會因武器目標數(shù)量超出指標需求而無法完成解算，但目標數(shù)量對解算結(jié)果可靠性和時效性影響明顯，在技術(shù)改進時需重點關(guān)注。

5 結(jié)論

針對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)技術(shù)和裝備缺乏試驗平臺的現(xiàn)狀，結(jié)合裝甲分隊作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)對指揮控制分系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計實現(xiàn)了面向網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)試驗的指揮控制仿真原型系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件采用能力配置和組件化的驅(qū)動模式，在保證裝甲裝備指揮控制功能完備性的同時，兼顧了支持網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)運用和指揮控制功能可拓展的實際需求。運行作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)并進行多組多因素的作戰(zhàn)仿真試驗，結(jié)果表明：指揮控制仿真原型系統(tǒng)可為裝甲分隊作戰(zhàn)仿真試驗系統(tǒng)提供指揮控制功能的仿真實踐方法，為開展信息化條件下的全要素作戰(zhàn)仿真試驗提供了有力支持。