白 爽,洪 俊

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連 116018)

LVC仿真就是包含實況仿真(L)、虛擬仿真(V)和構(gòu)造仿真(C)的仿真系統(tǒng)。L(Live)指真人操作真實的系統(tǒng),既包括訓(xùn)練環(huán)境中訓(xùn)練人員操作真實平臺或系統(tǒng),也包括作戰(zhàn)人員在作戰(zhàn)環(huán)境操作指揮控制系統(tǒng)。V(Virtual)指真人操作模擬系統(tǒng),虛擬系統(tǒng)通過操作、決策或通信等技能訓(xùn)練,將訓(xùn)練者賦予一定角色,使人在訓(xùn)練回路中發(fā)揮核心作用。C(Construction)指模擬人操作模擬系統(tǒng),真人只能進行輸入,不參與最終確定結(jié)果[1-2]。

隨著軍事需求和仿真技術(shù)發(fā)展,美軍在建模仿真與實驗訓(xùn)練領(lǐng)域間實現(xiàn)互操作方面進行了大量實踐,使得美軍在面向LVC訓(xùn)練上取得了豐厚成果,積累了豐富經(jīng)驗。本文分析美軍訓(xùn)練仿真體系結(jié)構(gòu)、模型框架、存在的問題及改進方法,可對我軍發(fā)展訓(xùn)練仿真系統(tǒng),探索大規(guī)模聯(lián)合訓(xùn)練具有重要借鑒價值。

1 LVC聯(lián)合訓(xùn)練的提出背景

1.1 LVC訓(xùn)練需求

2006年5月美國國防部在訓(xùn)練與轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略計劃(以下稱T2計劃)中提出,訓(xùn)練轉(zhuǎn)型的兩大任務(wù)是促進一體化作戰(zhàn)能力生成和國防持續(xù)向基于能力轉(zhuǎn)型,并設(shè)立了5個目標(biāo)支撐[3],分別是：

1)根據(jù)作戰(zhàn)需求,調(diào)整聯(lián)合訓(xùn)練項目和資源配置,持續(xù)提高聯(lián)合部隊的作戰(zhàn)能力;

2)實現(xiàn)不同機構(gòu)或組織間的聯(lián)合訓(xùn)練;

3)塑造聯(lián)合作戰(zhàn)意識;

4)為新型作戰(zhàn)概念和能力奠定基礎(chǔ);

5)發(fā)展單兵和組織的應(yīng)急處置能力。

為了實現(xiàn)訓(xùn)練轉(zhuǎn)型,美國國防部制訂了3個重點開發(fā)項目,分別是聯(lián)合國家訓(xùn)練能力項目(JNTC)、聯(lián)合知識開發(fā)與分發(fā)能力項目(JKDDC)和聯(lián)合評估與賦能能力項目(JAEC)。其中,JNTC以構(gòu)建LVC一體化的模擬訓(xùn)練環(huán)境為基礎(chǔ)(如圖1所示),可以全天候使用,并與真實的指控系統(tǒng)連接,可用于部隊一般訓(xùn)練、專項任務(wù)演習(xí),可支持實施特種作戰(zhàn)所需的全球性訓(xùn)練和演習(xí),實現(xiàn)多地域、跨部門的聯(lián)合訓(xùn)練,逼近實戰(zhàn)化訓(xùn)練。在JNTC計劃中，LVC訓(xùn)練環(huán)境可以支持各個訓(xùn)練層級,不同人員類別,不同訓(xùn)練度的訓(xùn)練。表1是一組LVC訓(xùn)練組合表。各級訓(xùn)練都在聯(lián)合環(huán)境下進行,強化現(xiàn)有的聯(lián)合演習(xí)訓(xùn)練環(huán)境,進行聯(lián)合互操作性訓(xùn)練,為未來一體化的無縫軍事行動提供接近真實環(huán)境的訓(xùn)練。

圖1 真實-虛擬-構(gòu)造(L-V-C)訓(xùn)練環(huán)境

1.2 仿真體系結(jié)構(gòu)發(fā)展分析

隨著計算機仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展,訓(xùn)練仿真體系結(jié)構(gòu)發(fā)展呈階段性變化趨勢[4-5]。

1)分布式交互仿真技術(shù)體系(DIS)。1989年，美國國防部發(fā)展了DIS,解決網(wǎng)絡(luò)仿真研究計劃(SIMNET)中各平臺級對象在互連互操作上出現(xiàn)的問題。DIS以分布式仿真節(jié)點和計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),將具有年代差距的仿真技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)差異的仿真產(chǎn)品和不同用途的仿真平臺連接起來,實現(xiàn)互連互操作功能。

DIS結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn),但是結(jié)構(gòu)本身存在以下局限性。

表1 LVC訓(xùn)練組合

① 采用非對稱體系結(jié)構(gòu),異構(gòu)仿真節(jié)點間通過規(guī)范信息交互實現(xiàn)互操作,在處理層次關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)時不完備;

② 數(shù)據(jù)表示方法固定,不能實現(xiàn)仿真節(jié)點間只傳遞變化信息;

③ 仿真實體之間采用廣播方式進行信息交互,造成帶寬浪費;

④ PDU的制訂具有針對性,對其他領(lǐng)域的新型仿真器適應(yīng)性較弱。

2)建模與仿真高層體系(HLA)。1995年,美國國防部為了實現(xiàn)所有類型的模擬和仿真系統(tǒng)間以及它們和C4I系統(tǒng)間的連接和互操作,提出了MSMP計劃,決定建立一個通用的仿真技術(shù)體系架構(gòu),其核心為HLA規(guī)范。美國國防部規(guī)定2001年后研發(fā)的仿真系統(tǒng)必須兼容HLA。

HLA要求在聯(lián)邦設(shè)計時必須遵守其基本規(guī)范,聯(lián)邦成員間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口進行互操作,對各聯(lián)邦成員內(nèi)部制訂了標(biāo)準(zhǔn)的對象模型模板。這使得HLA實現(xiàn)了應(yīng)用層和底層支撐環(huán)境的分離,仿真系統(tǒng)即插即用,按需進行聯(lián)邦的組合配置。但是HLA也存在不足,通用性較差,具體應(yīng)用實現(xiàn)的限制條件較多,比如各聯(lián)邦成員的對象模型的標(biāo)準(zhǔn)必須一致,否則不能實現(xiàn)互操作[6]。

3)試驗訓(xùn)練使能體系(TENA)[7]。20世紀(jì)90年代末，美軍啟動了FI2010工程,在實驗和訓(xùn)練領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進行了嘗試,制訂了TENA。其目的在于提高試驗和訓(xùn)練領(lǐng)域資源的互操作性、重用性和可組合性。

TENA定義的對象不僅包含基本屬性,還包含與之關(guān)聯(lián)的操作方法。TENA對象可以進行組合,提高了對象的互操作和重用。TENA支持DIS和HLA等多種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,技術(shù)體系開放,具有較強的靈活性和適用性,解決了與HLA結(jié)構(gòu)的實驗訓(xùn)練仿真資源的互操作和重用[8]。

4)公共訓(xùn)練儀器體系(CTIA)。2005年，美國陸軍研發(fā)旨在為真實訓(xùn)練改革(LT2)系列產(chǎn)品研制提供實驗支撐。CTIA與上述體系結(jié)構(gòu)相比,具有以下特點。

① 多無線通信節(jié)點間采取集中式服務(wù)策略,實現(xiàn)了帶寬有效管理;

② 與非CTIA架構(gòu)系統(tǒng)間采取基于CORBA的網(wǎng)關(guān)技術(shù),實現(xiàn)了可靠通信;

③ 設(shè)計了公共數(shù)據(jù)庫,存儲訓(xùn)練過程信息,支持隨時隨地的訓(xùn)練回放;

④ 唯一采用面向服務(wù)技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)。

美軍在不同時期對訓(xùn)練仿真的需求是不同的,以DIS為代表的仿真體系結(jié)構(gòu)支持同類功能仿真應(yīng)用的互連互操作,以HLA為代表的仿真體系結(jié)構(gòu)注重開放性和通用性,以TENA和CTIA為代表的仿真體系結(jié)構(gòu)面向具體應(yīng)用領(lǐng)域,通用性更好。如圖2所示這些體系結(jié)構(gòu)都具有自己的局限性,針對不同的需求,只能在L、V、C中的一個到兩個層面解決資源集成的問題?？梢?基于不同體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)在互操作性問題上,并不能完全適用于 LVC 聯(lián)合試驗[9]。

圖2 各體系結(jié)構(gòu)適用范圍

2 多系統(tǒng)互聯(lián)的現(xiàn)狀

2.1 多系統(tǒng)互聯(lián)的技術(shù)問題

將多個異構(gòu)仿真系統(tǒng)聯(lián)合起來構(gòu)建LVC訓(xùn)練環(huán)境是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其中主要的技術(shù)問題體現(xiàn)在以下幾個方面[10-11]:

1)各訓(xùn)練系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互識別。不同的仿真系統(tǒng)各自有不同定義的元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如果不同仿真系統(tǒng)實現(xiàn)互操作就必須保證系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)可以彼此識別。

2)聯(lián)合系統(tǒng)的邏輯合理性。單個訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部一般靠時間邏輯控制,運行和調(diào)度訓(xùn)練模型,聯(lián)合運行多個系統(tǒng)時,必須融合個體的控制邏輯,保證整體運行的合理邏輯控制。

3)具有可擴展性和可組合性。各系統(tǒng)要具有良好的擴展性和組合性,實現(xiàn)在系統(tǒng)自身不具備某項功能時,可以通過“即插即用”方式,聯(lián)合運行具備能力的系統(tǒng)彌補功能不足,最大程度重用已有系統(tǒng)。

2.2 多系統(tǒng)互聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前多系統(tǒng)互連的體系結(jié)構(gòu)主要有下面幾類[12-14]:

1)基于DIS或HLA系統(tǒng)的單聯(lián)邦結(jié)構(gòu)

這種單聯(lián)邦結(jié)構(gòu)需要按DIS或HLA的標(biāo)準(zhǔn),改造內(nèi)部的模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計一個統(tǒng)一全局的PDU或FOM表,最終在DIS或HLA的管理機制控制下實現(xiàn)模擬系統(tǒng)的互聯(lián),形成一個支撐演習(xí)訓(xùn)練的聯(lián)邦運行體。在需要互聯(lián)系統(tǒng)不多時,這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯,但隨著訓(xùn)練應(yīng)用的擴展其缺點漸漸暴露出來。改造模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的工作量和復(fù)雜度隨著系統(tǒng)數(shù)量的增加急速膨脹,使得多系統(tǒng)聯(lián)邦運行面臨巨大風(fēng)險。

2)基于DIS或HLA系統(tǒng)的多聯(lián)邦結(jié)構(gòu)

這種多聯(lián)邦結(jié)構(gòu)是由符合DIS或HLA的多個聯(lián)邦組成,與單聯(lián)邦結(jié)構(gòu)不同,聯(lián)邦內(nèi)部通過PDU或RTI的管理機制控制時鐘同步和數(shù)據(jù)交換,聯(lián)邦間通過網(wǎng)關(guān)或橋進行時鐘同步和數(shù)據(jù)交換,如圖3所示。這種框架可以最大程度地將已有的聯(lián)邦成果利用起來,形成更大規(guī)模的訓(xùn)練環(huán)境,但不能從根本上解決DIS或HLA系統(tǒng)單聯(lián)邦結(jié)構(gòu)的發(fā)展局限,也不能實現(xiàn)不同技術(shù)體系下的多系統(tǒng)互聯(lián)[15-16]。

圖3 基于HLA系統(tǒng)的多聯(lián)邦結(jié)構(gòu)

3)多技術(shù)體系混合結(jié)構(gòu)

多技術(shù)體系混合結(jié)構(gòu)借鑒了TENA的體系架構(gòu),在總體設(shè)計上最大程度上保持、利用原生系統(tǒng)的技術(shù)體系,包括:DIS、HLA、TENA和CTIA等, 不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和時間同步通過建立公共數(shù)據(jù)對象、網(wǎng)關(guān)和橋等方式實現(xiàn),使整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致、運行邏輯合理[17-18]。多技術(shù)體系混合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多技術(shù)體系混合結(jié)構(gòu)

目前,美軍主要依靠這種體系結(jié)構(gòu)搭建LVC訓(xùn)練環(huán)境。2002年6月至8月,美軍進行了“MC2002”演習(xí),演習(xí)中美軍首次采用類JLVC聯(lián)邦環(huán)境,9個實兵訓(xùn)練場,17個計算機仿真模擬場地,同時展開。自2006年美國國防部T2計劃以來,美軍聯(lián)合作戰(zhàn)司令部一直在JLVC的支持下進行軍種和戰(zhàn)斗司令部級訓(xùn)練,并支持JLVC聯(lián)邦建設(shè),使其不斷升級改進。JLVC聯(lián)邦不斷將新的訓(xùn)練模擬仿真系統(tǒng)集成進來,滿足新變革形勢下的訓(xùn)練需求。

3 JLVC聯(lián)邦系統(tǒng)及其發(fā)展

為了從戰(zhàn)術(shù)層面到軍事行動層面支持聯(lián)合作戰(zhàn)隊員進行真實高效的聯(lián)合訓(xùn)練,美軍不斷提升JLVC聯(lián)邦的訓(xùn)練能力,并發(fā)布了《JLVC聯(lián)邦集成指南》(以下稱《指南》),以確保面向聯(lián)邦開發(fā)的邦員系統(tǒng)具有與之匹配的關(guān)鍵接口和標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 JLVC聯(lián)邦模型及組成

《指南》中提出了一個JLVC聯(lián)邦的模型定義,如圖5所示,模型包含了JLVC聯(lián)邦與數(shù)據(jù)服務(wù)、組織機構(gòu)、各項標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證、數(shù)據(jù)信息、結(jié)構(gòu)框架之間的關(guān)系,也包含了JLVC的各項組成。JLVC聯(lián)邦模型是進行JLVC聯(lián)邦構(gòu)建的基礎(chǔ)。

圖5 JLVC聯(lián)邦概念模型

JLVC聯(lián)邦主要由模擬系統(tǒng)、仿真支撐技術(shù)系統(tǒng)、實兵演習(xí)環(huán)境、基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和C4I系統(tǒng)接口構(gòu)成[19],如圖6所示。

圖6 JLVC聯(lián)邦構(gòu)成

1)模擬系統(tǒng)。JLVC聯(lián)邦通過聯(lián)合運行各邦員仿真系統(tǒng)模型,搭建了一個大規(guī)模綜合模擬訓(xùn)練環(huán)境。聯(lián)邦已經(jīng)集成了軍種主要訓(xùn)練模擬系統(tǒng),這些系統(tǒng)在聯(lián)合訓(xùn)練中擔(dān)負(fù)各自使命,JCATS、JSAF和AWSIM系統(tǒng)分別對應(yīng)陸、海、空部隊行動仿真,ACEIOS、TACSIM和NWARS NG系統(tǒng)負(fù)責(zé)不同方面的情報活動仿真,JDLM系統(tǒng)負(fù)責(zé)聯(lián)合部署后勤活動仿真,各系統(tǒng)均可與C4I系統(tǒng)進行交互。

2)仿真支持技術(shù)體系。JLVC聯(lián)邦采取開放的方式,吸納了多種技術(shù)體系,實現(xiàn)跨地域、跨機構(gòu)模擬系統(tǒng)的互聯(lián)互操作。

3)實兵演習(xí)環(huán)境。在JLVC聯(lián)邦中,指揮方面由全球聯(lián)合指揮控制系統(tǒng)(GCCS),行動方面由各軍種戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練靶場和武器裝備模擬器,共同構(gòu)建實兵演習(xí)環(huán)境。

4)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。連接聯(lián)邦內(nèi)邦員內(nèi)部及邦員間跨地域的模擬資源,是實現(xiàn)LVC聯(lián)合訓(xùn)練的硬件基礎(chǔ)設(shè)施。

5)C4I系統(tǒng)接口。把C4I系統(tǒng)集成入JLVC聯(lián)邦,可為指揮員提供真實的指揮環(huán)境。

3.2 JLVC聯(lián)邦的問題

JLVC聯(lián)邦訓(xùn)練環(huán)境已經(jīng)可以支持聯(lián)合訓(xùn)練各個層級的訓(xùn)練,在不斷發(fā)展更新的過程中逐漸暴露以下幾個問題。

1)復(fù)雜性[20]。當(dāng)前的JLVC聯(lián)邦包含多種作戰(zhàn)模型,他們集成在一起激勵C4ISR系統(tǒng)并與特定的真實和虛擬系統(tǒng)交互。每個聯(lián)邦成員都處在獨立的開發(fā)周期中,具有不同的治理模型。重復(fù)地集成這些聯(lián)邦成員，變得越來越復(fù)雜,任何一個聯(lián)邦成員的開發(fā)缺陷,都可能導(dǎo)致JLVC聯(lián)邦的失敗。

2)開發(fā)時間?；诼?lián)邦成員的獨立開發(fā)周期,當(dāng)前JLVC聯(lián)邦的開發(fā)周期在18個月到12個月的范圍內(nèi),這導(dǎo)致每年都有一個主要的JLVC聯(lián)邦版本發(fā)布,而且在這個持續(xù)的開發(fā)周期中,很大一部分用來測試JLVC聯(lián)邦環(huán)境的穩(wěn)定性和互操作性。

3)冗余。JLVC邦員在各自領(lǐng)域有著特有的優(yōu)勢,但在JLVC聯(lián)邦中表現(xiàn)出大量的模型冗余。事實上,JLVC集成很大一部分工作是為了消除邦員中類似功能的沖突。

4)費用。由于JLVC聯(lián)邦的復(fù)雜性和持續(xù)的開發(fā)周期,造成運維成本增高,技術(shù)人員需求缺口逐漸增大。

5)靈活性。JLVC聯(lián)邦集成環(huán)境相對固定,體積龐大,對訓(xùn)練對象的精準(zhǔn)對接設(shè)計不足。在只進行CCMD層級項目訓(xùn)練時,通常需要其他層級相關(guān)人員配合。

3.3 基于CEMS的JLVC2020系統(tǒng)框架

為了解決JLVC聯(lián)邦存在的問題,美軍提出了JLVC2020計劃以改變原有的仿真訓(xùn)練環(huán)境,將組成復(fù)雜且龐大的仿真模擬系統(tǒng)由小型的具有特定功能的模塊服務(wù)單元取代,通過云服務(wù)環(huán)境建設(shè)進行整合,最終形成一個靈活高效的仿真模擬訓(xùn)練環(huán)境。

基于CEMS的JLVC2020系統(tǒng)框架主要由CEMS、相關(guān)數(shù)據(jù)層、權(quán)威資源數(shù)據(jù)庫、想定管理工具和虛擬訓(xùn)練接口構(gòu)成[21],框架結(jié)構(gòu)如圖7所示。CEMS主要由數(shù)據(jù)服務(wù)代理,接口層、戰(zhàn)爭模擬層和環(huán)境層構(gòu)成。數(shù)據(jù)服務(wù)代理是JLVC2020核心引擎,連接模塊化服務(wù)層與數(shù)據(jù)層交互;接口層為LVC訓(xùn)練提供通信、轉(zhuǎn)換協(xié)議和服務(wù)顯示;戰(zhàn)爭模擬層可以根據(jù)訓(xùn)練需求,選擇適當(dāng)模塊組合支撐訓(xùn)練目標(biāo);環(huán)境層可搭建自然和兵力仿真環(huán)境。權(quán)威數(shù)據(jù)庫由美軍通過演習(xí)、訓(xùn)練、試驗、裝備研發(fā)及情報行動等活動獲得的真實世界數(shù)據(jù),通過篩選核查分類建立的數(shù)據(jù)庫。相關(guān)數(shù)據(jù)層主要解決大型聯(lián)合仿真中經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)冗余、問題數(shù)據(jù)等問題。想定管理工具可以根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)快速構(gòu)建訓(xùn)練環(huán)境,是實現(xiàn)JLVC2020靈活性和可組合性的關(guān)鍵組成部分,大大節(jié)約了人力,縮短了聯(lián)合演練生命周期[22]。虛擬訓(xùn)練接口是訓(xùn)練者與M&S系統(tǒng)的接連結(jié)構(gòu),實現(xiàn)JLVC2020系統(tǒng)讓參訓(xùn)者知悉訓(xùn)練資源,并且能夠方便地使用這些資源等目標(biāo)。

圖7 基于CEMS的JLVC2020框架示意圖

自2015年起，美軍逐漸用JLVC2020版本取代JLVC聯(lián)邦6.X版本,美軍認(rèn)為隨著云服務(wù)技術(shù)和計算機高速計算能力等重點技術(shù)的發(fā)展,JLVC2020實現(xiàn)面臨的風(fēng)險挑戰(zhàn)會逐步被克服。

4 結(jié)束語

美軍在訓(xùn)練與轉(zhuǎn)型的過程中,將LVC訓(xùn)練作為核心內(nèi)容,在長期的發(fā)展過程中,逐步找到訓(xùn)練效益與經(jīng)費之間的平衡,重用已有的仿真資源,避免獨立的“煙囪式”發(fā)展造成重復(fù)建設(shè),提高系統(tǒng)的可靠性和開發(fā)效率。JLVC聯(lián)邦作為LVC訓(xùn)練的支撐技術(shù),不斷擺脫由仿真技術(shù)發(fā)展歷史原因造成的多仿真體系在互操作性能上的局限,通過發(fā)展模塊化服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)代理和數(shù)據(jù)管理模式等先進技術(shù),提出了基于CEMS的JLVC2020計劃,目標(biāo)是建立一個對仿真技術(shù)人員依賴度低,運維經(jīng)濟高效、貼近實際戰(zhàn)場、搭建方便快捷的聯(lián)合訓(xùn)練環(huán)境。

研究美軍在面向LVC訓(xùn)練的技術(shù)發(fā)展歷程,運行體系結(jié)構(gòu),吸取經(jīng)驗教訓(xùn),有助于提升我軍聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)建設(shè)水平。