嚴(yán)佳潔 胡谷雨 祖家琛

摘? 要： 系統(tǒng)仿真技術(shù)在國(guó)家關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用，在軍事領(lǐng)域的離散事件模擬器上的應(yīng)用是系統(tǒng)仿真技術(shù)的核心應(yīng)用領(lǐng)域之一。文章基于仿真模擬技術(shù)，描述了離散事件模擬器的基本概念。主要介紹其在軍事作戰(zhàn)訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論離散事件模擬器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)手段，總結(jié)目前應(yīng)用在軍事作戰(zhàn)訓(xùn)練領(lǐng)域的離散事件模擬器，分析并指出存在的一些問(wèn)題，并結(jié)合當(dāng)前的系統(tǒng)仿真技術(shù)以及軍事作戰(zhàn)需求，對(duì)離散事件模擬器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 模擬器; 系統(tǒng)仿真技術(shù); 離散系統(tǒng); 軍事; 模擬訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ391? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）10-43-05

Abstract： System simulation technology plays an indispensable role in national key fields， and the application of discrete event simulator in military field is one of the core application fields of system simulation technology. Based on simulation technology， this paper describes the basic concept of discrete event simulator， introduces its application status in the field of military operational training， discusses the key technical means of implementing discrete event simulator， summarizes the discrete event simulator currently used in the field of military operational training， and analyzes and points out some existing problems. The development outlook of discrete event simulator is prospected with the combination of the current system simulation technology and the military operational requirements.

Key words： simulator; system simulation technology; discrete system; military; simulated training

0 引言

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬仿真技術(shù)已成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的重要手段。通過(guò)模擬仿真技術(shù)，人類(lèi)可以以較小的成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的驗(yàn)證。世界各國(guó)的大型發(fā)展項(xiàng)目，特別是軍事武器系統(tǒng)的研發(fā)，因?yàn)橥顿Y高、風(fēng)險(xiǎn)大，大都采用模擬仿真技術(shù)完成對(duì)武器系統(tǒng)的論證、研制和操作訓(xùn)練。

模擬訓(xùn)練是利用模擬器構(gòu)建接近真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)訓(xùn)練和武器裝備的模擬系統(tǒng)，用于日常軍事訓(xùn)練。模擬訓(xùn)練以模擬仿真技術(shù)為技術(shù)支撐，是模擬仿真技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。伴隨世界各國(guó)對(duì)軍事訓(xùn)練需求的不斷提升，利用模擬器進(jìn)行軍事作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練已經(jīng)成為世界各國(guó)軍事作戰(zhàn)訓(xùn)練的重要手段。

1 離散事件模擬的基本概念

根據(jù)系統(tǒng)模型的特征分類(lèi)，從模擬實(shí)現(xiàn)的角度，可將系統(tǒng)模型的特征分為連續(xù)系統(tǒng)和離散事件系統(tǒng)兩類(lèi)。相應(yīng)的系統(tǒng)模擬技術(shù)也可以劃分為兩個(gè)方向[1]：

⑴ 連續(xù)事件系統(tǒng)模擬：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量是連續(xù)變化的，即在時(shí)間上是連續(xù)的或者離散的;

⑵ 離散事件系統(tǒng)模擬：系統(tǒng)中的狀態(tài)變量只在隨機(jī)不確定的離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化[2]。

離散事件系統(tǒng)是受隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)、在離散時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)狀態(tài)跳躍式變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，相較于連續(xù)事件系統(tǒng)模擬，離散事件系統(tǒng)由錯(cuò)綜復(fù)雜且互相作用的離散事件構(gòu)成，更加依附于實(shí)際背景，貼近于實(shí)際應(yīng)用。因此，仿真模擬技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要是集中于離散事件系統(tǒng)模擬。

2 模擬器和仿真器

現(xiàn)代仿真技術(shù)中，不同的模擬器針對(duì)不同的模擬目的被設(shè)計(jì)出來(lái)。具體地，在現(xiàn)有模擬器的應(yīng)用中，文獻(xiàn)[3]將模擬器分為工程仿真器和訓(xùn)練仿真器兩類(lèi)：

⑴ 工程仿真器側(cè)重于數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)處理、功能實(shí)現(xiàn)的逼真性，對(duì)模型的精度要求較高，便于參數(shù)的調(diào)整且通用性較好， 主要用于科學(xué)研究領(lǐng)域。這類(lèi)仿真器被稱(chēng)為仿真器（Emulator）。

⑵ 與工程仿真器相反，訓(xùn)練仿真器側(cè)重于視覺(jué)外觀、人機(jī)交互、操作流程的逼真性，必須是針對(duì)某種具體的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有較高的專(zhuān)業(yè)性。為了達(dá)到良好的訓(xùn)練效果，模型的外觀和布局必須與真實(shí)設(shè)備、系統(tǒng)保持高度的一致性，尤其是受訓(xùn)人員的操作輸入、模擬器對(duì)受訓(xùn)人員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官的輸出必須與真實(shí)的設(shè)備盡可能一致。訓(xùn)練仿真器也被稱(chēng)為模擬器（Simulator），主要用于教學(xué)訓(xùn)練。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)的試飛模擬器就是一個(gè)典型的模擬器，該模擬器以高逼真度的座艙環(huán)境真實(shí)再現(xiàn)飛行環(huán)境，用于實(shí)施受訓(xùn)人員的飛行演練，對(duì)試飛計(jì)劃進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，確定下一步的飛行計(jì)劃和應(yīng)急處理方案等。

本文所討論的離散事件模擬器均是指訓(xùn)練仿真器—模擬器（Simulator）。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前為止，基于模擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用于軍事訓(xùn)練領(lǐng)域的離散事件模擬器主要可分為以下七類(lèi)[3]：

⑴ 戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器;

⑵ 射擊模擬器;

⑶ 駕駛模擬器;

⑷ 情報(bào)偵察模擬器;

⑸ 維修保障模擬器;

⑹ 事故推演及逃逸救生模擬器;

⑺ 戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)和醫(yī)療保障模擬器。

3.1 戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器

戰(zhàn)術(shù)指揮模擬器，用于開(kāi)展對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析， 建立通信、明確下達(dá)任務(wù)命令以及各方協(xié)同訓(xùn)練。文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了一個(gè)合成作戰(zhàn)指揮戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、作戰(zhàn)設(shè)備、作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程等的模擬，為后臺(tái)指揮員提供作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)場(chǎng)敵我態(tài)勢(shì)，支持多級(jí)多類(lèi)指揮所，指揮員可在后臺(tái)二維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)開(kāi)展作戰(zhàn)演習(xí)。

3.2 射擊模擬器

射擊模擬器，是用于實(shí)施軍事武器的仿真模擬射擊訓(xùn)練模擬器。

文獻(xiàn)[6]搭建了一個(gè)射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，利用Unity3D實(shí)現(xiàn)多媒體屏幕靶。該系統(tǒng)首先采用攝像機(jī)捕獲射擊者發(fā)射的激光光斑，而后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、校正、噪聲過(guò)濾等操作，通過(guò)定位算法檢測(cè)激光光斑的中心位置，最后再將彈著點(diǎn)信息實(shí)時(shí)顯示在多媒體屏幕上。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了槍靶的完全分離，具有重量輕、體積小、造價(jià)低等特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)射擊模擬器更適用于日常軍事射擊模擬訓(xùn)練。

3.3 駕駛模擬器

駕駛模擬器，用于開(kāi)展對(duì)艦船、飛機(jī)、坦克等裝備的日常操作訓(xùn)練。

一些軍事航海院校已經(jīng)開(kāi)始對(duì)由計(jì)算機(jī)成像顯示晝夜視景功能的船舶操縱模擬器的研究。這類(lèi)模擬器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上船舶航行情景的直觀的模擬和顯示，用于受訓(xùn)人員接受真實(shí)感覺(jué)的船舶航行、碰撞、定位、?？康确矫娴挠?xùn)練。截止到目前為止，船舶操縱模擬器已經(jīng)完成了雷達(dá)和導(dǎo)航模擬器的功能一體化，實(shí)現(xiàn)了全功能航海模擬器[7]。文獻(xiàn)[8]對(duì)飛行模擬器進(jìn)行了概述，它具有和真實(shí)飛機(jī)完全一致的座艙設(shè)備和操縱設(shè)備，受訓(xùn)人員只需要戴著虛擬顯示頭盔，就能在座艙內(nèi)接收飛行仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的各種飛行信息，并通過(guò)判斷和決策排除飛機(jī)故障和錯(cuò)誤，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制。

3.4 情報(bào)偵察模擬器

情報(bào)偵察模擬器，用于進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)的偵察和情報(bào)工作的訓(xùn)練。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)作戰(zhàn)對(duì)抗環(huán)境下偵察情報(bào)數(shù)據(jù)仿真模擬需求，設(shè)計(jì)了一種靈活、可配置的偵察情報(bào)數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景，從任務(wù)、空間、時(shí)間等多個(gè)維度開(kāi)展情報(bào)偵察行動(dòng)預(yù)案設(shè)計(jì)，并利用模型進(jìn)行仿真推演與解算，最終輸出的仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了該系統(tǒng)的實(shí)用性與有效性。

3.5 維修保障模擬器

維修保障模擬器，用于開(kāi)展裝備保障作戰(zhàn)物資的供應(yīng)訓(xùn)練和損壞裝備的維修訓(xùn)練。

文獻(xiàn)[10]以某型艦船中的部分機(jī)電設(shè)備為對(duì)象，研制了用于訓(xùn)練的設(shè)備維修模擬器;該模擬器由設(shè)備典型故障維修模塊、設(shè)備維修過(guò)程演示模塊和設(shè)備維修過(guò)程模擬操作模塊組成，實(shí)現(xiàn)了船艦的虛擬維修管理系統(tǒng)。該研究對(duì)艦船裝備的使用訓(xùn)練和維修保障具有重要的軍事意義。

3.6 事故推演及逃逸救生模擬器

事故推演及逃逸救生模擬器，用于開(kāi)展軍事事故分析和救生逃逸的模擬訓(xùn)練。

文獻(xiàn)[11]根據(jù)航天飛行訓(xùn)練的技術(shù)要求和航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的訓(xùn)練需求，以載人飛船大氣層內(nèi)逃逸救生程序和過(guò)程為依據(jù)，對(duì)航天飛行訓(xùn)練中逃逸救生進(jìn)行建模仿真。

文獻(xiàn)[12]通過(guò)分析直升機(jī)水上事故特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外直升機(jī)飛行員水下逃生訓(xùn)練的實(shí)際需求。提出了直升機(jī)水下逃生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要求以及初步設(shè)計(jì)方案，為直升機(jī)飛行員水下逃生模擬訓(xùn)練的研究提供了參考。

3.7 戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)和醫(yī)療保障模擬器

戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)和醫(yī)療保障模擬器，是基于人體仿真而實(shí)現(xiàn)的模擬診斷系統(tǒng)和虛擬手術(shù)系統(tǒng)，用于進(jìn)行醫(yī)護(hù)人員的培訓(xùn)等任務(wù)。文獻(xiàn)[13]通過(guò)將模擬手術(shù)室的視頻信號(hào)與語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播至教室并進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像，開(kāi)發(fā)了一種高仿真教學(xué)環(huán)境的模擬手術(shù)室教學(xué)系統(tǒng)。

至目前為止，模擬仿真技術(shù)在軍事醫(yī)療救護(hù)保障領(lǐng)域的應(yīng)用不僅僅局限于外科手術(shù)方面[14]。文獻(xiàn)[15]基于模擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的醫(yī)療系統(tǒng)，用于在大規(guī)模傷亡事件發(fā)生后對(duì)紅細(xì)胞供應(yīng)進(jìn)行規(guī)劃，使紅細(xì)胞得到合理的調(diào)配利用;此外，離散事件模擬技術(shù)還應(yīng)用于醫(yī)療保健[16]以及遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診[17]等方向。

4 離散事件模擬器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿真模型

構(gòu)建仿真模型是實(shí)現(xiàn)離散事件模擬器的第一步，主要采用以下兩種方法：

⑴ 實(shí)體流圖法。實(shí)體流圖利用與計(jì)算機(jī)程序流程圖相似的圖示符號(hào)，建立能夠顯示臨時(shí)實(shí)體的產(chǎn)生、流動(dòng)、接受服務(wù)、離開(kāi)等過(guò)程的流程圖。通過(guò)流程圖表示事件、狀態(tài)、實(shí)體間相互作用的邏輯關(guān)系。在圖1中，我們以衛(wèi)星通信中的地球站開(kāi)機(jī)入網(wǎng)為例，采用實(shí)體流圖法模擬其工作流程。

⑵ 活動(dòng)周期圖法，以更直接的方式表示狀態(tài)變化歷程和實(shí)體間的關(guān)系?；陔x散事件模擬器仿真的地球站入網(wǎng)工作流程活動(dòng)周期圖如圖2所示。

4.2 仿真算法

仿真算法是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模擬器的核心技術(shù)。要求設(shè)計(jì)的算法用于相應(yīng)的仿真模型時(shí)可以滿(mǎn)足對(duì)計(jì)算穩(wěn)定性、計(jì)算精度等要求。

離散事件系統(tǒng)的仿真算法設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

⑴ 產(chǎn)生模擬器所需求的輸入變量和參數(shù)。

⑵ 確定對(duì)離散事件系統(tǒng)的仿真策略[18]。目前，有以下四種仿真策略：活動(dòng)掃描（AS）法、事件調(diào)度（ES）法[19]、進(jìn)程交互（PI）法和三階段法。

以上四種策略均在離散事件系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)仿真策略的選擇依賴(lài)于系統(tǒng)的特點(diǎn)。一般情況下，事件調(diào)度法的特點(diǎn)是“預(yù)定事件的發(fā)生時(shí)間”;但是其建模工作量大，適用于各個(gè)成分相關(guān)性較少的系統(tǒng)的建模;相反如果系統(tǒng)中各個(gè)成分相關(guān)性較多則適合采用活動(dòng)掃描法;進(jìn)程交互法的建模更接近于實(shí)際系統(tǒng)，三階段法則是結(jié)合了事件調(diào)度法和活動(dòng)掃描法，如果系統(tǒng)中的成分的活動(dòng)比較規(guī)則，可采用這兩種策略。

[13] 朱鋒杰，陳長(zhǎng)駿，黃天海等.一種新型模擬手術(shù)室教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建[J].醫(yī)療裝備，2019.13：17-18

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