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一体化训练与分布式交互仿真概述及应用前景
2012年3月1日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:刘海清 薛青(装甲兵工程学院装备作战室,北京 100072)

    摘 要:世界军事变革的迅猛发展,使一体化联合作战历史地登上了信息化条件下的战争舞台,强制性地改变着传统的训练模式。一体化训练将成为我军在新时期军事变革中实行战略转型的重要内容。探寻既适合我国国情、军情又满足一体化训练需要的新的训练方法和手段,将大大促进一体化训练的发展。本文从一体化训练的概念和特点出发,结合分布式交互仿真的概念、发展、组成、分类、特点及关键技术,揭示了分布式交互仿真技术在一体化训练中的良好应用前景。

    1 引言

    近几年来的几场局部战争表明,战争形式已经从机械化战争跃升到了信息化战争,对军队战斗力提出了新的质量要求。建设信息化军队,打赢信息化战争,成为当今军队战斗力建设的重点,也是我军进行新军事变革的主旋律。开展一体化训练正是适应这一发展趋势的战略选择。而一体化训练是一种综合集成训练,对我军来说还是一个新的课题,需要有新的方法和手段,还要有新的高科技技术来支持。随着计算机网络技术的发展,从20 世纪80 年代开始,作战仿真技术的应用逐步从单机转向了网络环境,使分布式交互仿真技术得到了长足的发展。基于网络的分布式作战仿真技术受到了世界各国的普遍关注,展示了良好的应用前景。

    2 一体化训练

    2.1 一体化训练的概念

    一体化训练是信息化军队或初步具备信息化作战能力的军队,依托信息系统,对诸军兵种各作战要素进行的综合集成训练。

    2.2 一体化训练的特点

    1)信息化战争是体系与体系的对抗,一体化训练必须以作战体系为对象。一体化作战凸显了将作战体系作为训练对象的重要性。传统训练,追求单个武器平台的作战效能,一体化训练则着眼构建一体化联合作战体系,以诸军兵种作战力量的高度融合为目标。训练对象主要包括:基本作战体系、兵种作战体系、军种作战体系和联合作战体系四类。

    2)一体化联合作战体系靠作战要素做支撑,一体化训练必须以作战要素为内容。传统训练以提高武器的操作技能为目的,训练内容以平台为核心。一体化训练则以构建一体化联合作战体系为目标,是基于信息技术、武器装备及参战人员的最佳结合,实现诸军兵种作战力量一体化。具体内容包括一体化的情报信息训练、一体化的指挥控制训练、一体化的联合打击训练、一体化的综合保障训练和一体化的全维防护训练,重点是一体化的指挥控制训练。

    3)一体化联合作战是作战方式的高级形态,一体化训练必须以综合集成为方法。一体化训练是一项系统工程,不可能一蹴而就,必须遵循训练的基本规律,由低级到高级、由简单到复杂、分步骤渐进综合集成。其主要步骤为信息系统基础训练、作战要素实体联网协作训练、基础集成训练到综合集成训练。

    4)信息系统是一体化联合作战的网络平台,一体化训练必须以信息网络为条件。一体化训练需要打破诸军兵种的界限,跨地域、跨军种进行,作战要素与要素之间环环相扣,互为条件、互为依托,这种训练方式对训练的技术条件和训练环境都提出了新的更高的要求。如,集成训练,必须提供一体化的联合作战环境,有一个互联互通互操作的信息网络,参训要素实体要相对齐全,当参训实体不全时,还必须提供仿真实体模拟真实作战要素实体的功能。在实装训练不具备条件时,还必须仿真一个大的战场环境,让各个作战要素能够互为条件展开训练,使整个训练始终成为一个整体。

    3 分布式交互仿真(DIS)

    3.1 什么是分布式交互仿真(DIS)

    分布式交互仿真(DIS)是在SIMNET(Simulation Network)的基础上产生的,是一种基于计算机及高速通信网络的仿真训练系统,它将分散于不同地点、不同类型的仿真设备或系统集成为一个整体,使之相对每个用户皆表现为一个逼真的浸入环境,并在此环境下支持高度的交互式操作。

    3.2 分布式交互仿真的发展

    自1983 年以来,分布式交互仿真技术经历了SIMNET、DIS、ALSP 和HLA 的研制和使用四个阶段。

    3.2.1 SIMNET

    1983 年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定了一项合作研究计划,即SIMNET 研究计划。此计划不是以提高受训人员操作武器系统的熟练性为目的,而是将分散在各地的多个地面车辆(如坦克、装甲车等)仿真器用计算机网络联接起来,进行各种复杂任务的训练,演示验证实时联网的人在回路中的作战仿真和作战演习的可行性,最终达到降低训练成本,提高训练的安全性及减小对环境的不良影响的目的。

    3.2.2 DIS

    20世纪80 年代后期,在SIMNET基础上发展了异构性网络互联的分布式交互仿真技术。SIMNET中的许多原则,如对象/事件结构、仿真结点的自治性、采用DR(Dead Reckoning)算法降低网络负载等都成为今天DIS 的基础。1989 年3 月,由美国Central Florida 大学的仿真与训练研究所(IST)主办召开了第一届DIS 研讨会,并成立了工作小组。1992 年3 月在第六届DIS 研讨会上,美国陆军仿真训练装备司令部(STRICOM)提出了DIS 的结构,并着手制定DIS 协议。随着DIS 技术逐步走向实用,已经制定出了一系列DIS2.X 标准。

    3.2.3 ALSP

    1991 年1 月,DARPA 提出了ALSP,并于1992 年7 月开发了第一个正式投入使用的ALSP 系统,用以支持军事演习。ALSP 由于对网络带宽的要求较低,所以在应用中得到重视。但其的应用范围远没有DIS2.X 的广泛,ALSP 主要是针对离散事件和逻辑时间的仿真系统,应用局限于军事演习领域的构造仿真,不能实现与其它两类仿真(实物仿真和虚拟仿真)间的互操作,尤其是当ALSP系统与实时、连续、平台级的DIS2.X 系统中的实体交互时,其聚合级的部队实体需要解散成为单独的实体,在实时仿真时钟下实现与DIS2.X 系统中实体的交互作用。

    3.2.4 HLA

    1995 年10 月,美国国防部(DoD)在吸收和继承了DIS 和ALSP 协议的有益思想基础上,推出了支持仿真应用间的互操作性和仿真部件的重用性的高层体系结构HLA。HLA 的建立完全是为了主动地建立一种更适合于各种类型的模型和仿真系统以及C4I 系统之间实现互操作的体系结构。它由框架与规则集IEEE P1516、联邦接口规范IEEE P1516.1 和对象模型模板IEEE P1516.2 组成。

    3.3 DIS 系统的组成与分类

    3.3.1 DIS 系统的组成

    从物理构成看,DIS 系统是由仿真结点和计算机网络组成。仿真结点负责实现本结点的住址功能,包括动力学方程的求解、运动模拟、视景生成及音效合成、特殊效果(烟雾、爆炸和碰撞效果、风雨雷电等自然效果)合成、人机交互等。各结点负责计算其内部的一个或多个仿真实体的状态,并把这些状态及其内部事件通知其他结点。仿真结点还负责接收其他结点发送来的状态和事件信息,并计算这些信息对本结点的影响。分布在不同地域的仿真结点通过计算机网络联结起来,采用局域网(LAN)、广域网(WAN)及网桥(Bridge)、路由器(Router)和网关(Gateway)等互联设备联结这些结点。

    3.3.2 DIS 系统的分类

    1)虚拟(Virtual)仿真:是指系统和军队在合成战场上模拟作战,往往表现为真人操纵模拟系统的模拟,人成为控制回路的中心。包括各种类型的人在回路仿真器和计算机生成兵力,例如计算机控制的坦克(CCT)。

    2)构造(Constructive)仿真:是一种战争演练模型和分析工具,通常是由模拟的人操纵模拟的系统。包括高层聚合模型、模拟军事演习(Wargames)和一些分析模型。3)真实(Substantive/Live)仿真:是指真正的军人使用实际装备在实际战场的假想行动。包括实际的靶场和各种真实武器系统及仪表显示系统。

    3.4 分布交互仿真的特点

    3.4.1 分布性(Distributed)

    表现为地域分布性、任务分布性系统分布性。地域分布性是指组成仿真系统的各个结点处于不同的地域。它们可以同处于一个局域网中,也可以处于不同的局域网中;可以处于同一个城市,也可以处于不同的城市甚至不同的国家。任务分布性是指同一个仿真任务可以由几台计算机共同协同完成。系统的分布性是指同一个仿真系统可以分布在不同的计算机上。这些计算机可以处于同一地域,也可以处于不同的地域。

    地域上分布的各仿真结点用网络联结,以实现共享一个综合环境。DIS 系统在功能和计算能力也是分布的。在DIS 系统中,没有中央计算机,各仿真结点的地位是平等的。DIS 的各仿真结点具有自治性,仿真结点既可以联网交互运行,也可以独立运行各自的仿真功能。

    3.4.2 交互性(Interactive)

    包括人机交互和作战时的对抗交互。所谓人机交互是指参与作战演习的人员,通过计算机将其对仿真系统的命令传达给仿真系统。比如指挥人员通过计算机下达系统暂停命令等。所谓对抗交互是指参与作战的对抗双方相互之间交互作战信息。比如红方向蓝方进行了一次射击,则红方应该将射击PDU 发送给系统中的蓝方,以保证作战环境的时空一致性。

    3.4.3 仿真性(Simulation)

    DIS 中包括真实结点、虚拟结点和构造结点的交互,后两部分是通过仿真实现的。

    3.4.4 实时性(Real Time)

    DIS 中,人是通过对计算机生成的综合环境的各种真实的感受来作出响应而形成“人在回路”的仿真,所以DIS 系统必须保证仿真系统中的时间和空间与现实世界中的时间和空间的一致性。这就要求实体状态必须是实时更新的;实体间的信息必须是实时传输的;图形显示必须是实时生成的等。因此,DIS 系统必须要在实时前提下运行。

    3.4.5 集成性(Integration)

    如何将地域上分散、不同的制造厂商开发、系统的硬件和软件结构配置各不相同、实体表示方法与描述精度各异的仿真结点联结起来并实现互操作,成为研究人员待解决的问题,也是DIS 技术中的关键。

    3.4.6 没有中央计算机控制整个仿真演练

    一些仿真系统使用一个中央计算机来维护整个虚拟世界的状态,并计算每个实体的行为对其他实体和环境的影响。而DIS 系统中,这是通过分布式仿真方法实现的,由通过网络互联的主机上的仿真应用软件来完成每个实体状态的计算。当新的主机连接到网络上时,它带来了自己的资源。

    3.4.7 使用DR 算法来减少通信负荷

    DR 算法是一种对位置/方向进行估计的方法,它用于减少仿真应用软件对它所控制实体的状态的更新频率。每个仿真应用软件拥有与它发生交互作用的其他结点的低阶简化模型(DR 模型),并可根据这些DR 模型来推算其他结点的状态。同时,它也计算自身实体的实际模型和DR 模型。当根据这两个模型推算出的自身状态偏差超过预先设定的阈值时,它便产生一个事件,将其真实状态发送给网络上的其他结点,激励更新对本结点的状态估计。实际经验表明,选择合适的DR 算法及阈值可使通信量减少为原来的1/10 以下。

    3.5 分布式交互仿真的关键技术

    由于DIS 是一种新兴的仿真技术,它所涉及的技术很多,本文仅介绍几个与军事运用关系紧密的技术问题。

    3.5.1 DIS 体系结构

    对DIS 体系的基本要求就是具有互操作能力。互操作即指系统、设备或部队向另一系统或设备提供(得到)服务的能力,包括互联和互通两个等级。互联的含义是指网络之间传输数据不依赖于接入网络的特定系统,只要符合网络接口和操作要求,任何系统均可互联。互通的含义是接入网络的各种不兼容系统相互建立共用环境。不同的网络和系统联在一起互联、互通兼备。互操作为DIS的各部分交互提供了物质基础。

    3.5.2 动态战场环境生成

    可视化技术推进了DIS 系统的发展。DIS 的主要特征之一就是构造统一的动态实时的战场环境。战场环境包括地面、海上、空中各种固定的和非固定的信息。如平原、山地、道路、海浪、炮火等。动态环境生成及变化和组合所涉及的三维动画技术、数据库技术等对硬件平台要求较高,是DIS 系统需要综合考虑的。

    3.5.3 无缝模拟

    无缝模拟即战斗部队和计算机智能兵力透过现场模拟、虚拟模拟、推演模拟的边界进行交互。在虚拟模拟和推演模拟的连接中,平台级的虚拟模拟的实体(Entity)需要交互和交叉,聚合级的推演模拟单元(Unit)则不需要。模拟单元分割成一一对应的虚拟模拟的实体,参与交互与交叉,形成相应的效果(Effect),最后使用聚合的方式将降级和参与交互形成的结果以聚合级的概念表示出来。至于武器作战人员与计算机模拟实体之间的交互主要是通过协议数据单元(PDU)的传输来完成。

    3.5.4 虚拟战场中的虚拟现实技术

    DIS 要把处在不同地点、不同层次的局中人及其相关的软硬件设备联系在一起交互地进行仿真,就必须有一个友好的人机界面。因此,需要采用虚拟现实(VR)技术。多媒体则是VR 技术的关键。虚拟战场模拟其重要的方面则是场景的实时生成和各种效果的产生。它涉及多媒体技术的各个方面,包括图像技术、图形技术、语言技术、视频技术及立体影像技术等多种实时过程。DIS 要求这个过程必须满足一致性和实时性。而VR 技术则是全新的计算机人机接口中技术,应用它通过DIS 可以制造一个虚拟的战场环境,使参与者产生身临其境的沉浸感并通过辅助的传感设备与虚拟世界进行交互。

    4 分布式交互仿真在一体化训练中的应用

    分布交互仿真系统可以直接或间接通过给受训人员提供战场态势,接受受训人员对此态势的反应(判断和决策),并通过仿真系统运行结果,对受训人员的反映给与评估。与传统的训练方式相比,它可以给受训人员提供更接近实战条件的训练环境,及时给控制训练的导调人员进行调整、评估提供客观而定量的依据。

    4.1 虚拟现实训练

    虚拟现实训练是让部队或装备在模拟的特定战场环境或条件下,进行作战演练的训练方式。

    虚拟模拟系统实际上是整体或部分精确复制的坦克、装甲人员输送车、飞机或其他装备的模拟器。虚拟模拟训练通常要求受训人员将自己完全置身于仿真环境中。训练时,受训人员在模拟器的控制终端上输入适当信息,而系统则提供场景、声音和动作的回放以响应输入的信息,使受训人员在规定的任务数量内不断与模拟器进行交互操作。虚拟模拟系统通常与多个人员操作的武器系统相联系,可使所有这些操作人员更熟练地掌握武器系统、提高人员技能,并可用于日常操练。以信息化为特征的虚拟现实训练,以其特有的逼真性、高效性和经济性等优势,代表了当今信息时代世界军事训练的发展趋势,同时也将成为我军新军事变革中进行一体化训练转型的重要内容。

    美军运用虚拟现实技术进行模拟训练在伊拉克战争中收到了显著的成效。早在对伊开战半年前,美军就在训练中运用先进的虚拟现实技术构建了伊拉克战场环境模型,将伊拉克沙漠地区的河流、沙丘、通道、雷区、输油管道以及巴格达、巴士拉等城市中的所有建筑物、公共设施、街道和树木等全部模拟出来,并通过人工智能的方法设计了伊拉克军队的编制、装备和人员等要素,参战人员可以在计算机虚拟的沙漠和巷战环境中进行判定进攻方向、威胁程度、掩蔽位置并实施战斗行动等内容的演练,达到了在虚拟环境中体验沙漠作战和城市巷战的氛围,在仿真条件下学习沙漠作战和城市巷战技能与战法的目的。

    4.2 模拟推演训练

    模拟推演训练是一种让部队或单个人员在即时提出作战环境和条件变化的情况下进行的计算机兵棋推演训练。推演模拟系统输出的态势是以模拟系统中的损耗算法模型运行的结果为基础的,大部分推演模拟系统都允许扮演敌我双方的计算机角色之间进行自由对抗。推演模拟系统通常被视为大型的、基于计算机的一系列复杂的模型,这些模型可以模拟营、旅(团)、师、军和军以上的作战行动。

    一体化指挥控制训练是一体化训练的重点,利用推演模拟系统可以对各级指挥官和各级指挥机关的参谋人员实施训练。在指挥所演习期间,指挥官和参谋人员均进入野战指挥所进行演习,演习中的友邻、上级和下级部队均由计算机或工作站里的模拟部队“扮演”,这些部队对受训人员是透明的。指挥官与计算机模拟部队之间的通讯按部队的建制通信进行。主要的受训人员有的还可直接参与模拟训练系统或与之交互,这样可对部队的战术训练或指挥员、参谋人员的个人训练提供支持。

    美军是开展模拟推演训练最早的军队,在过去的十几年里得到了极大的普及,相继建立了国家模拟中心和多个实施进行综合演练的“作战实验室”。每年都要定期或在实战行动前进行兵棋推演,验证作战条令和部队战斗力,取得了良好的训练和经济效果。目前美军还在研制以STOW(战争综合演练场)为技术核心的联合仿真训练支持系统JSIMS 和战争模拟系统WARSIM2000。

    5 结束语

    在以“一体化作战”需求为牵引的新军事变革中,一体化训练是我军“建设信息化军队,打赢信息化战争”的必然途径。利用计算机模拟逼真的战场环境和部队,以先进的训练方式和近似实战的训练手段,将武器装备的潜力转化为实际的战斗力,是适合我国情军情的一条适当的训练路子,必将带来军事和经济的双重效益。

    参考文献:

    1、 陈勇等 着力构建一体化训练体系 解放军报 2004.3.30 第六版

    2、 曾苏南 谈谈一体化指挥控制训练 解放军报 2004.3.30 第六版

    3、 王盛槐 创新“战建训”一体互动的理论与实践 解放军报 2004.4.6 第六版

    4、 王美权等 打赢信息化战争,探索一体化训练 解放军报 2004.4.6 第六版

    5、 郭齐胜等 分布式交互仿真及其军事应用 国防工业出版社 2003.9

    6、 胡晓峰等 美军训练模拟 国防大学出版社 2001.3

    7、 朱成虎等 当代美国军事 社会科学文献出版社 2001.2

    8、 王凯 数字化部队 解放军出版社 1999.1

    9、 葛涛 作战模拟与分布交互式仿真 03 全国仿真技术学术会议论文集 2003 年

    10、郑坚等 构建基于虚拟现实技术的导弹模拟训练系统 03 全国仿真技术学术会议论文集 2003 年

标签:一体化训练分布式军事
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