魏 東，李 偉，楊 斌

(海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實具有直觀性、可控性和再現(xiàn)性的特點，被廣泛應用于教育、醫(yī)療、建筑、商業(yè)、娛樂和軍事等領域。尤其在軍事領域，被廣泛應用于院校教學、裝備使用和維護、軍事訓練等各個方面，克服了軍事訓練需要依托實際裝備、安全風險大、成本高、易受天氣影響等不利因素，取得了顯著的軍事和經(jīng)濟效益。例如，基于虛擬現(xiàn)實技術的飛行模擬器，能夠使飛行員在虛擬設備上熟練掌握飛機的裝備使用、飛行流程和危及到飛行安全的特情判斷和處置方法；某型艦船燃氣擋流板模擬訓練系統(tǒng)使艦面操作人員熟練操作流程、裝備維護和排故訓練；雷達、艦船、導彈等虛擬訓練系統(tǒng)都能夠有效減少使用實裝進行訓練的時間，提高軍事訓練效益，對提升部隊戰(zhàn)斗力有著極大的幫助。

但是，目前國內(nèi)外沒有能夠滿足進行海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)訓練的虛擬訓練平臺，作戰(zhàn)人員和指揮人員只能依靠軍事演習或者實兵對抗獲取實際協(xié)同作戰(zhàn)經(jīng)驗。而采用這種方式，軍事裝備損耗大，油料、彈藥等消耗量高，導致軍事訓練成本高，組織多兵種協(xié)同作戰(zhàn)的次數(shù)也受到限制；同時受到場地地形、人員安全和演習規(guī)則等因素的限制，僅能由導演指揮部依據(jù)一定的規(guī)則對各武器裝備和作戰(zhàn)單元的作戰(zhàn)效果做出評估，并不能客觀公正地評判作戰(zhàn)效果，因此在一定程度上制約了協(xié)同作戰(zhàn)意識和戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力的培養(yǎng)效果，也限制了協(xié)同作戰(zhàn)理論的研究和驗證。因此，對構建分布式海軍多兵種虛擬訓練平臺進行研究具有一定的現(xiàn)實意義。

1 海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的功能需求

現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)是多兵種的協(xié)同作戰(zhàn)，具有軍兵種多元化、戰(zhàn)場空間多維化、作戰(zhàn)樣式多樣化、戰(zhàn)場信息共享化的特點。作戰(zhàn)兵種突破了過去單一兵種作戰(zhàn)樣式，涉及到艦船、潛艇、飛機、雷達、導彈、電子干擾、陸戰(zhàn)隊等多個兵種，武器裝備也需要多個甚至上百個作戰(zhàn)人員協(xié)同操縱，多兵種協(xié)同作戰(zhàn)必須在作戰(zhàn)目標明確、行動統(tǒng)一的原則下，各軍兵種作戰(zhàn)單元形成有效的作戰(zhàn)體系，才能夠充分發(fā)揮作戰(zhàn)單元的最大效能。因此，海軍多兵種聯(lián)合訓練平臺需要在縱向上實現(xiàn)裝備使用模擬訓練、兵種(分隊)戰(zhàn)術模擬訓練；橫向上實現(xiàn)多兵種協(xié)同戰(zhàn)術模擬訓練和多兵種聯(lián)合戰(zhàn)役模擬訓練4個功能。

1.1 武器裝備使用模擬訓練

海軍現(xiàn)代武器多為大型裝備，除部分裝備(如飛行模擬器)只有1個作戰(zhàn)崗位外，大多數(shù)具備多個作戰(zhàn)崗位，因此武器裝備使用模擬訓練以單機模擬器為基礎，用于武器操縱、維護、排故技能訓練，并通過模擬器內(nèi)部網(wǎng)絡實現(xiàn)各個作戰(zhàn)崗位合成操作訓練。單臺模擬器應具有良好的沉浸感，設計性能指標要注重實體裝備的使用特性，其主要性能參數(shù)仿真要與實際裝備保持一致。

1.2 兵種(分隊)戰(zhàn)術模擬訓練

兵種(分隊)戰(zhàn)術模擬器以多個武器裝備模擬訓練單元為基礎，依托本地網(wǎng)絡聯(lián)為一體，用于作戰(zhàn)部隊內(nèi)部之間的戰(zhàn)術指揮、戰(zhàn)術協(xié)調、戰(zhàn)術應用性訓練或者新戰(zhàn)術、新戰(zhàn)法的驗證和推廣、錘煉初級(分隊)指揮人員和參謀人員的指揮作戰(zhàn)能力。訓練時，可以分成“紅”“藍”雙方，緊貼實戰(zhàn)，設置實戰(zhàn)背景，進行對抗性演練，也可以進行單純的多個武器單元間的協(xié)同性戰(zhàn)術訓練。

1.3 多兵種合同戰(zhàn)術模擬訓練

多兵種合同戰(zhàn)術模擬訓練利用信息融合和實時交互，依托專用網(wǎng)絡，將異地部署的各兵種(分隊)戰(zhàn)術模擬訓練有機地結合在一起，根據(jù)各部隊承擔的實際作戰(zhàn)任務，設置具有假想敵背景的訓練課題為主要內(nèi)容，在“紅”“藍”指揮部指揮下，在指定假想作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)開展實戰(zhàn)化的多兵種合同戰(zhàn)術訓練，這種方式能夠有效增強作戰(zhàn)部隊之間、各軍兵種間協(xié)調作戰(zhàn)能力，鍛煉多兵種協(xié)同作戰(zhàn)指揮能力，錘煉初中級聯(lián)合指揮、參謀人員的指揮作戰(zhàn)能力，培養(yǎng)協(xié)同作戰(zhàn)的意識，查找、驗證合同戰(zhàn)術中可能存在的問題。

1.4 多兵種合同戰(zhàn)役模擬訓練

多兵種合同戰(zhàn)役模擬訓練以多兵種合同戰(zhàn)術模擬訓練為依托，以戰(zhàn)役方向擔負的作戰(zhàn)任務為背景，在一定戰(zhàn)役地域內(nèi)以階段性作戰(zhàn)目標為主要內(nèi)容，“紅”“藍”指揮各自所屬的多兵種部隊，開展實戰(zhàn)化對抗性模擬演練，用于驗證、完善想定作戰(zhàn)方案，同時錘煉中、高級指揮和參謀人員的指揮作戰(zhàn)能力，并為新軍事理論的驗證和創(chuàng)新提供平臺。

2 海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的設計

2.1 平臺的總體設計

海軍多兵種虛擬訓練平臺以分布在異地的武器(單兵)模擬器、指揮模擬訓練器材為硬件基礎，通過分布式網(wǎng)絡技術接入虛擬訓練平臺，在控制軟件的調度下，實現(xiàn)以虛擬作戰(zhàn)背景為訓練環(huán)境的分布式協(xié)同作戰(zhàn)訓練，完成武器(單兵)訓練和兵種(分隊)戰(zhàn)術訓練、合同戰(zhàn)術和合同戰(zhàn)役對抗模擬訓練，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 分布式海軍協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的總體組成

2.2 多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練控制軟件

多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練控制軟件是核心應用軟件，將分布在異地的各軍兵種仿真系統(tǒng)、模擬器和指揮控制系統(tǒng)組成一個完整的系統(tǒng)，圍繞訓練背景任務，實現(xiàn)任務管理、后勤評估、行為描述、毀傷評估、通信仿真和情報仿真等功能，并為模擬訓練提供大規(guī)模、分布式、可靠穩(wěn)定的運行環(huán)境。

分布式海軍協(xié)同作戰(zhàn)虛擬平臺的模塊組成如圖2所示，除管理模塊外，每個模塊根據(jù)作戰(zhàn)實體類別、功用、性能的不同由若干個模型組成。

圖2 分布式海軍協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的主要模塊組成

2.2.1 管理模塊

管理模塊是虛擬訓練平臺的任務設定模塊，用于視景生成和控制、實體接入、數(shù)據(jù)管理等，同時兼顧常規(guī)的導演部功能，負責虛擬訓練背景的設置、演練規(guī)劃、兵力規(guī)模設置和戰(zhàn)場監(jiān)控。

2.2.2 后勤模塊

后勤模塊根據(jù)演練雙方提供的保障模式、方案和常規(guī)保障數(shù)據(jù)，利用聯(lián)合部署保障模型、運輸模型、維修保障模型進行解算，對在合同戰(zhàn)術模擬演練和多兵種聯(lián)合戰(zhàn)役模擬演練模式下的作戰(zhàn)保障能力進行評估，以決定雙方兵力出動準備時間、連續(xù)作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)損兵力補充能力。

2.2.3 行為模塊

行為模塊通過對武器(人員)實體行為、戰(zhàn)術行為建模，將人員自身行動或對武器的操縱轉化為對平臺中的武器(人員)實體行為，對武器(人員)實體的單體行動、戰(zhàn)術行為進行模擬。

2.2.4 毀傷模塊

毀傷模塊根據(jù)攻擊時機、武器類別、武器性能、被攻擊方的規(guī)避動作、電磁干擾等因素，依據(jù)對應的武器模型判別攻擊行為是否有效，并確定被攻擊方的毀傷程度。

2.2.5 通信和情報模塊

通信模塊利用通信裝備模型、自動化指揮系統(tǒng)模型、數(shù)據(jù)鏈模型，對戰(zhàn)場環(huán)境下的指揮體系通信保障能力、設備通信和抗干擾能力進行仿真。

情報模塊仿真依據(jù)雙方武器單元實體的類型、位置、高度、戰(zhàn)術行為、干擾方式、抗干擾方式等信息，利用雷達、聲吶、海軍航空兵偵察監(jiān)視虛擬環(huán)境、無人機情報監(jiān)視偵察仿真環(huán)境和電磁干擾等模型對偵察單元獲取、處理情報的能力進行仿真，以獲取戰(zhàn)場信息并匯總處理，形成接入實體從而對戰(zhàn)場態(tài)勢進行感知。

2.3 服務器分類

服務器包括動態(tài)虛擬服務器、靜態(tài)虛擬服務器、客觀態(tài)勢服務器和指揮態(tài)勢虛擬服務器。動態(tài)虛擬服務器負責動態(tài)虛擬現(xiàn)實任務和動態(tài)虛擬數(shù)據(jù)管理；靜態(tài)虛擬服務器負責靜態(tài)虛擬現(xiàn)實任務和靜態(tài)虛擬數(shù)據(jù)管理；客觀態(tài)勢服務器用于存儲“紅”“藍”雙方真實的兵力部署、軍事調動和兵力位置等不包含電子干擾、戰(zhàn)術(戰(zhàn)略)欺騙等在內(nèi)的真實戰(zhàn)場態(tài)勢信息；指揮態(tài)勢服務器用于記錄“紅”“藍”通過戰(zhàn)場技術偵察、戰(zhàn)斗得到的主觀戰(zhàn)場態(tài)勢和指揮作戰(zhàn)信息，這兩種信息可作為合同作戰(zhàn)訓練的回放和講評。

2.4 作戰(zhàn)實體和指揮部實體

作戰(zhàn)實體是可接入虛擬訓練平臺分布在異地的單機模擬器或戰(zhàn)斗人員。指揮實體根據(jù)部隊編制和分布而設置，可分為合同戰(zhàn)術指揮部實體和聯(lián)合戰(zhàn)役模擬指揮部實體，兩者的區(qū)別在于指揮權限和獲得的戰(zhàn)場態(tài)勢信息不同，其中戰(zhàn)場態(tài)勢信息的獲得取決于指揮權限。

在組織模擬訓練時，依據(jù)模擬訓練的規(guī)模層次和指揮部實體在模擬訓練中承擔的指揮任務，確定指揮部的類別并設置指揮部的權限級別，以獲得不同的戰(zhàn)場態(tài)勢信息和指揮權限。在協(xié)同作戰(zhàn)模擬訓練中，指揮權限會出現(xiàn)移交或轉移的情況，例如負責指揮的武器單元被擊毀或原指揮部實體失去指揮能力時，系統(tǒng)會根據(jù)預先設定的規(guī)則或演練信息進行權限移交，但是獲得指揮權限的實體所獲得的戰(zhàn)場態(tài)勢信息會根據(jù)聯(lián)合演練實際情況進行調整。

3 構建分布式海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)訓練平臺的關鍵技術分析

海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的實質是利用虛擬現(xiàn)實技術搭建模擬訓練器，通過分布式網(wǎng)絡技術將分散在異地的單機模擬器整合為多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬平臺。在構建平臺時，除保證時間同步、數(shù)據(jù)安全和負載平衡外，還需要從數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)接口、作戰(zhàn)效果評估和視景更新等方面進行深層次的技術需求分析。

3.1 數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)接口

在進行多兵種戰(zhàn)術合同和多兵種聯(lián)合戰(zhàn)役模擬訓練時，由于進入平臺的實體較多且類型不一，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，平臺需要從各實體產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中篩選出有效數(shù)據(jù)驅動不同類型實體和任務運行。但是平臺數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的特征，即數(shù)據(jù)規(guī)模大，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度快，數(shù)據(jù)的種類和來源呈現(xiàn)多樣性，數(shù)據(jù)內(nèi)容具有潛在價值，但是價值密度相對較低。因此，需要通過對數(shù)據(jù)進行分類和篩選，最大程度上剔除冗余數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，減少平臺內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)的價值密度，提高平臺運行的實時性和可靠性。

按照數(shù)據(jù)的驅動對象，將實體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分為基礎數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)應用數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)評估數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)進程和態(tài)勢數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)的分類和篩選

基礎數(shù)據(jù)是驅動模擬器正常運行的底層數(shù)據(jù)，包括作戰(zhàn)實體各系統(tǒng)產(chǎn)生的性能數(shù)據(jù)，如發(fā)動機的轉速、排氣溫度、滑油溫度和壓力等，這些數(shù)據(jù)表示裝備各系統(tǒng)是否工作正常，對于判斷戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)效果評估沒有直接的影響，可以直接存儲在本地服務器，用于單兵訓練和裝備使用訓練講評。

作戰(zhàn)應用數(shù)據(jù)是驅動指揮實體運行的數(shù)據(jù)，主要包括作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)計劃和指令、武器裝備數(shù)量和作戰(zhàn)實體反饋的戰(zhàn)場信息等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要存儲在平臺服務器上，在指揮實體和所屬作戰(zhàn)實體間進行傳輸。

作戰(zhàn)評估數(shù)據(jù)是驅動平臺對作戰(zhàn)效果進行評估的數(shù)據(jù)，主要包括作戰(zhàn)實體位置、作戰(zhàn)實體戰(zhàn)術動作、攻擊武器類別、攻擊時機、武器效能、作戰(zhàn)評估結果等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在平臺服務器和作戰(zhàn)單元間傳輸。

作戰(zhàn)進程和態(tài)勢數(shù)據(jù)是驅動作戰(zhàn)進程和戰(zhàn)場態(tài)勢的數(shù)據(jù)，主要包括兵力分布、作戰(zhàn)進程、戰(zhàn)場態(tài)勢和利用作戰(zhàn)效果評估數(shù)據(jù)得出的攻擊模擬結果數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在平臺服務器和作戰(zhàn)實體間進行傳輸。

3.2 平臺數(shù)據(jù)接口的邏輯關系

海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺的接入實體具有多樣性，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也具有多樣性，且這些數(shù)據(jù)是平臺運行的核心資源，需要在平臺和實體之間、實體和實體之間進行傳輸。例如指揮實體和平臺之間傳輸?shù)淖鲬?zhàn)應用數(shù)據(jù)，作戰(zhàn)實體和平臺之間傳輸?shù)淖鲬?zhàn)評估數(shù)據(jù)；飛機作戰(zhàn)實體、艦艇作戰(zhàn)實體和平臺之間傳輸?shù)淖鲬?zhàn)評估數(shù)據(jù)在武器類別、機動動作、戰(zhàn)術、武器效能等方面不盡相同，因此需要對平臺的數(shù)據(jù)接口進行設計。平臺數(shù)據(jù)接口邏輯的關系模型如圖4所示。

圖4 平臺數(shù)據(jù)接口邏輯關系模型

數(shù)據(jù)采集模塊采集接入實體產(chǎn)生的各類原始數(shù)據(jù)，存入本地服務器，按照驅動類型進行分類，通過平臺數(shù)據(jù)接口模塊將數(shù)據(jù)傳輸給服務器，由數(shù)據(jù)處理模塊進行加工，將形成的數(shù)據(jù)提供給相應實體。

3.3 作戰(zhàn)毀傷效果評估

海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺為了準確評估武器的毀傷性能，達到模擬訓練的真實性，需要建立各種武器的毀傷模型；同時，在平臺進行毀傷評估時，還需要根據(jù)作戰(zhàn)實體的結構和組成，建立作戰(zhàn)實體的不同部位毀傷規(guī)則，并參考攻擊實體和攻擊目標提供的作戰(zhàn)評估數(shù)據(jù)，進行毀傷效果評估。

例如機載導彈(破片式戰(zhàn)斗部)進行空戰(zhàn)時的毀傷評估流程，如圖5所示。

圖5 機載導彈(破片式戰(zhàn)斗部)毀傷評估

攻擊實體發(fā)射導彈后，目標實體會做出相對的規(guī)避動作或干擾操作，可依據(jù)導彈機動性能模型、導彈的制導方式和抗干擾模型、載荷性能模型，確定目標規(guī)避動作效果和干擾效果；然后結合攻擊實體提供的速度、高度、飛行狀態(tài)、發(fā)射時機和發(fā)射距離，評估對導彈運動軌跡的影響，再參照目標的飛行狀態(tài)、高度和速度等因素，確定導彈相對目標飛行速度，判定導彈和目標交會場，可由部位毀傷準則依據(jù)交會場和毀傷模型，確定擊中部位和要害部位類型，對毀傷實際效果進行評估。

對作戰(zhàn)毀傷效果進行準確評估(以破片式導彈和飛機為例)應當遵循以下毀傷評估準則：

(1) 對交會場內(nèi)導彈的引信探測和信號處理過程時間約定為0；

(2) 交會場內(nèi)目標和導彈均做勻速直線運動；

(3) 導彈戰(zhàn)斗部引爆后，行程的殺傷性毀傷元作勻速直線運動；

(4) 對于毀傷元的運動范圍和毀傷分布應在武器試驗數(shù)據(jù)內(nèi)進行隨機選擇；

(5) 對不同型號飛機，應根據(jù)其位置、設備布局位置等信息確定毀傷效果系數(shù)；

(6) 依據(jù)交會場信息確定受攻擊位置，并依據(jù)毀傷效果系數(shù)進行毀傷效果評估。

假設命中飛機艙段的破片數(shù)服從泊松分布，則：

(1)

式中：()表示飛機第艙段收到第破片場的破片平均數(shù)。

則毀傷艙段的概率為：

(2)

式中，為第艙段在第破片場攻擊下的毀傷概率。

則由全概率公式可得出，導彈全部破片場(1≤≤)對第段艙段的毀傷概率數(shù)學模型為:

(3)

式中：為整數(shù)。

3.4 視景仿真

海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺可利用Multigene Creator軟件構建三維視景，但是在真實戰(zhàn)場環(huán)境中，參戰(zhàn)人員通過各種偵察手段獲得的信息，尤其是通過無人機、電子偵察設備等所獲得的戰(zhàn)場信息，由于存在電子干擾、電子欺騙、戰(zhàn)術偽裝、戰(zhàn)術欺騙、自然氣象條件等干擾因素，所獲得的戰(zhàn)場信息的真實性并不是完整真實的，具有一定的“虛假性”。視景仿真流程如圖6所示。

圖6 視景仿真流程

在加入輕度霧霾天氣氣象干擾因素后，輸出的仿真圖，如圖7所示。

圖7 輕度霧霾氣象條件下視景仿真圖

4 結束語

虛擬現(xiàn)實和分布式網(wǎng)絡技術相結合，促進模擬訓練器材體系化發(fā)展，是未來虛擬現(xiàn)實技術在軍事領域應用的發(fā)展方向。將分布在異地的模擬訓練器材利用分布式網(wǎng)絡整合成海軍多兵種協(xié)同作戰(zhàn)虛擬訓練平臺，能夠更好地貼近“協(xié)同作戰(zhàn)”、“對抗性”和“實戰(zhàn)化”，滿足未來海軍軍事訓練、多兵種協(xié)同作戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)指揮人才培養(yǎng)的需求，有利于促進海軍軍事訓練向著集約化方向發(fā)展。與此同時，利用平臺的復盤講評，能夠對在模擬訓練中應用的新作戰(zhàn)理論和新戰(zhàn)術進行探討完善，促進海軍新軍事理論和新戰(zhàn)術的研究和發(fā)展。