嵌入式仿真技术及其军事应用研究

刘永辉，林平

（海军兵种指挥学院，广东 广州510430）

嵌入式仿真技术及其军事应用是军事系统工程的一个重要专业领域。本文基于“嵌入式仿真技术及其军事应用专题研讨会”成果，对嵌入式仿真的概念、特点、技术难点等基本理论进行探讨，梳理我军嵌入式仿真的应用情况，介绍外军尤其是美军在嵌入式仿真技术及其军事应用方面的创新成果，初步总结了这一领域的未来发展方向。

1 嵌入式仿真的基本理论

1.1 嵌入式仿真的概念与分类

从军事装备上讲，嵌入式仿真技术系统，就是在物理结构和功能性能上都镶进在装备系统中，该仿真技术系统不能独立于装备系统运行，是属于装备系统的智能部件，必须与真实的装备系统相互支持、相互匹配、协调工作。通俗的理解，就是“虚拟仿真实现在实装上，在实装上实施虚拟仿真”。嵌入式仿真技术系统的军事用途十分广泛，如嵌入式仿真系统的军事模型、嵌入式仿真系统的作战实验、嵌入式仿真系统的军事演习、嵌入式仿真系统的模拟训练、嵌入式仿真系统的装备试验以及嵌入式仿真系统的测试测控等。从装载平台上区分，嵌入式仿真技术系统主要有机载嵌入式仿真技术系统、车载嵌入式仿真技术系统、舰载嵌入式仿真技术系统、机动仓载嵌入式仿真技术系统、弹载嵌入式仿真技术系统、星载嵌入式仿真技术系统等。嵌入式仿真技术系统的形式，大体有三种类型：一是捆绑式嵌入（Binding Embedment），它相对独立，自成系统，有自身的处理器、图象生成设备系统以及软件系统等，只不过是用数据线、视频线、电源线等与真实装备的相关系统、部件、设备相连；二是集成式嵌入（Integrated Embedment），一方面它要改造改进装备某些系统、部件与设备等，接受嵌入式仿真技术，另一方面嵌入式仿真技术，将利用与依托装备某些系统、设备与部件的功能、性能而发挥仿真作用；三是融合式嵌入（Syncretic Embedment），在新装备的设计、研制、试验和定型时就镶进了嵌入式仿真技术系统，两者融为一体，互依互靠互用，嵌入式仿真技术系统的功能与性能作为新装备战技指标的重要组成，两者真正成为一个整体。

1.2 装备嵌入式仿真技术系统的特点

装备嵌入式仿真技术系统主要有以下六个方面特点：一是真实感较强。利用和依托真实的武器装备进行仿真演习与仿真训练，逼真度相对较高。二是时效性较好。在部队机动与奔袭作战过程中，可以实施上路途中训练、边走边训、战勤间隙训练、战场驻地训练等，可以不受地域、时间等条件的限制，也无须临时修建专门的仿真训练中心，还省略了模拟机、练习器等装备的随行，照样保证了训练的连续性。三是针对性较强。嵌入式仿真技术系统在实施作战演习与仿真训练时，将在保密的情况下通过无线网络与无线通信，随时接受己方指挥机构与指挥员的指令，接受各种传感器的信息，可以根据变化的战场环境与目标情况等，灵活机动地展开作战演习与仿真训练，有利于实效性的提高。四是跨度较大。嵌入式仿真技术可以实现战术至战役、战区级的仿真作战演习和训练。美军目前高度重视最小作战单元和单兵在联合条件下的单独作战演习与训练，开发了训练嵌入式仿真系统、单兵测试嵌入式系统、即时训练（如视频对抗训练盒）、视频对抗游戏软件等，这些产品一方面发展了商业流行技术，使它具有更多的感情色彩和真实感的调动力，另外一方面利用它的信息处理卡，通过无线网络与无线通信，可以做到游戏在线，百人交互，从而实现战术至战役、战区级的仿真作战演习与训练。五是有利于决策指挥。根据战场上装备嵌入式仿真技术系统作战演习与模拟训练的新情况新问题，及其过程与结果的回放与评估，可以有效地修正决策者与指挥官原来的决策意图和行动指令，从而减少决策性的指挥失误。六是效费比较高。组织部队携武器装备到试训基地（中心）、演习场（靶场）进行对抗演习与集训，周期长、消费大。而利用嵌入式仿真技术系统，在驻地就可以根据它所提供的高逼真度虚拟战场环境、虚拟导弹（弹药）、虚拟目标（靶标）、虚拟复杂电磁环境、虚拟敌军友军等，在真实的装备上操纵某些系统进行仿真演习与训练，从而在对抗中练战法、练战术、练指挥和练特情处理等。这种仿真作战演习与训练要比组织赴试训基地（中心）等效费比高。

1.3 嵌入式仿真的技术难点

（1）仿真的时效性问题。嵌入式仿真系统的一个关键部分就是模型库，一般存储在模拟器主控主机中以便根据需要随时调用，以生成模拟战场环境所需的虚拟态势。模型库的丰富与否是衡量嵌入式仿真功能强大与否的重要指标。但是，现代战争是高技术条件下的信息化战争，战场环境往往瞬息万变，战场态势和威胁变化多端，战术运用难以揣摩，因此，很难准确预测实际作战。这就要求嵌入式仿真的模型数据库必须对战术和态势数据不断进行更新，以提高仿真时效性。

（2）嵌入式仿真的模型VV＆A问题。仿真是一种基于模型的活动，模型设计的好坏和效率在仿真中具有重要的意义，作为一种重要的仿真类型，嵌入式仿真也不例外。如今，国内外的仿真界已经达成了共识：没有经过验证的仿真模型没有任何价值，没有经过可信性评估的仿真系统也没有任何价值。工程实践也表明：要想让仿真系统真正具有生命力，必须对系统的建模与仿真进行可信性研究，而且应该将它贯穿于系统建模与仿真全生命周期中。因此，如何提高嵌入式仿真的模型可靠度，更是需要仔细研究的问题。

（3）训练刺激问题。有效的训练需要适当的刺激，嵌入式仿真中必须为受训人员注入符合实际情况的态势，以给予受训人员正确的刺激。不切实际的刺激通常只会对训练带来干扰，甚至是负面影响。对基于仿真的训练进行及时更新可以减轻这些不利因素。

（4）战斗条件复制问题。真实作战的压力和挑战对作战人员的能力具有重要影响，嵌入式仿真并不是真正的战争，因此，真实战争的心理影响、挑战性、睡眠不足、食物匮乏、无处栖身等真实战争体验都无法通过基于仿真的训练加以复制。在这方面，嵌入式仿真的效果还无法和实装演练、实际作战相提并论。在很长一段时间内，嵌入式仿真和虚拟仿真、实物仿真还需并行发展。

2 嵌入式仿真的军事应用

2.1 基于嵌入式仿真的战役模拟训练系统

（1）顶层设计。基于嵌入式仿真的模拟训练系统集训练、模拟于一体，是一种高效、新颖的训练与模拟手段。由于嵌入式仿真技术的限制，目前主要采用的是独立的嵌入式仿真系统，某些仿真功能受到局限。集成式嵌入式仿真系统使软硬件的结合更加紧密，更能很好地应用于训练，但这种嵌入式仿真系统的设计与实现，需要从装备的设计阶段就予以实施，并覆盖装备的全寿命周期。此外，为减少重复开发建设，需要进行很好的顶层设计，形成一套有效的基于嵌入式仿真的训练系统开发与建设指导性规范，这是基础，也是开发基于嵌入式仿真系统的战役模拟训练系统的重要内容。

（3）内部岗位职责划分不具体不明确。部分单位内部岗位职责划分不清晰，导致员工办事效率较低，出现问题相互推诿。

（2）适应趋势。为节约成本，提高嵌入式训练系统的可靠性、维修性和保障性，适应武器装备系列化和模块化的趋势，需要定制统一的训练系统软硬件标准，开发通用体系结构，以提高通用化水平，实现“一型多变”的目标，推动嵌入式训练技术向可移植、易升级和通用化方向发展。此外，在训练综合系统的实际上也要考虑作战环境、作战力量、作战手段等因素的变化，使模拟系统具有较强的健壮性。

（3）按步实施。尽管基于嵌入式仿真的训练系统具有诸多优势，但必须考虑到我军战役模拟系统发展的实际和嵌入式仿真技术发展的现状，按步骤，分阶段地实施，特别是集成式嵌入式系统的开发与研究应建立计划，进行相关论证，不仅在时间上按步实施，在应用范围上也要逐步开展，由多兵种协同训练逐步向诸军种联合训练方向发展。

2.2 按舰艇新训练大纲要求加强嵌入式模拟训练

（1）加强指导与督促。水面舰艇嵌入式模拟训练设备列装的数量越来越多，开展水面舰艇嵌入式模拟训练的任务越来越重，实际工作中必然遇到许多新困难和新问题。由于对这种全新的训练手段缺乏现成的法规和经验，新的训练大纲只能逐步调整和充实、新的训练体制只能逐步改进和完善，因此需要领导机关在这方面统揽全局、明确方向、加强指导与督促，把水面舰艇嵌入式模拟训练当成年度军事训练工作的重点、当成实现训练转型和改革的突破口，科学计划、周密部署，及时检查、狠抓落实，大力提高水面舰艇嵌入式模拟训练的地位和作用。

（2）加强协调与合作。水面舰艇部队、院校和训练基地都与水面舰艇嵌入式模拟训练有着密切的关系，水面舰艇部队是受训对象和训练活动组织者，院校是水面舰艇嵌入式模拟训练设备的主要研制单位，训练基地是训练活动管理者和组织者。尽管各自的分工不同，但有着共同的目标。水面舰艇嵌入式模拟训练的组织实施，需要在水面舰艇部队、院校和训练基地之间加强协调与合作，建立联动工作机制，互相交流启发，互相创造有利条件。要把各方面的力量充分调动起来，开创水面舰艇嵌入式模拟训练的新局面。

（3）加强实践与总结。水面舰艇嵌入式模拟训练设备近年来陆续列装，已经取得了一些实际使用的初步经验。一方面，要及时加以总结；另一方面，要及时加以推广。用好的经验，带动更多的部队。对于所有列装的水面舰艇嵌入式模拟训练设备都要加大实际使用的力度，在大范围开展水面舰艇嵌入式模拟训练实践。通过实践以及跟踪实践，水面舰艇部队尽快熟练掌握嵌入式模拟训练手段、不断提高使用新装备的作战能力，院校不断提高嵌入式模拟训练的技术水平、及时查找改进嵌入式模拟训练设备的需求，训练基地不断积累组织水面舰艇部队进行嵌入式模拟训练的经验、提高嵌入式模拟训练的管理水平。

2.3 装甲兵嵌入式仿真训练系统的建设

将仿真系统嵌入到装甲兵车载武器装备内部，并通过通信系统连接用于任务演练、战场可视化和作战训练，是一项艰巨而复杂的系统工程。相对于装甲装备来说，嵌入式仿真系统可采用集成式、独立式与混合式结构的建设方法。选择何种建设方法是根据具体情况来确定的。

（1）集成式嵌入式仿真系统是集成在装甲装备中的系统，不需要用单独的物理设备连接到装甲装备。装甲装备的集成式嵌入仿真系统可以有专用的单独的处理、显示与控制器，也可以使用作战装备的处理、显示与控制器。对于正在或即将研发的装甲装备，同时设计与开发集成的嵌入式仿真系统是一种发展趋势，这样可以有效而充分地发挥嵌入式仿真技术在训练和作战中的积极作用。

（2）独立式嵌入式仿真系统是完全独立的子系统，有自己的处理器、图像生成设备及软件，通过数据线、视频线和电源线与装甲装备相连。一般对现有装甲武器系统可以采用独立的嵌入式仿真系统结构，这样可以在不改变现有武器内部结构，不影响装备作战性能的前提下，形成与实际环境相融合的完整的模拟训练系统，实现实装环境下的训练和演习功能。独立的嵌入式仿真系统与集成的嵌入式仿真系统相比，功能上没有大的区别，但独立的嵌入式仿真系统的开发成本、保障、维修难度、使用培训时问明显增加。并且独立的嵌入式仿真系统需要额外的硬件连接到武器装备，有的还需要进行软硬件的配置，增加了嵌入式训练与嵌入式作战之间转换的难度与时问。但独立的嵌入式系统研发难度小，必要时可卸载。

2.4 嵌入式仿真技术在炮兵装备训练中的应用

（1）嵌入式炮兵侦察装备仿真训练系统。该系统是利用嵌入式仿真技术开发的可以融合实际炮兵侦察装备和虚拟地形的训练系统。系统可以动态加载和显示炮兵训练使用的各种平原、山地、丘陵、荒漠等三维地形和下雨、下雪、刮风、有雾等各种天候条件，并且可以根据训练的需要在特定位置添加和显示各种类型的目标，通过投影设备将地形和天候条件及目标显示到大屏幕上。系统通过特定的接口和炮兵的雷达、激光测距测向仪等侦察装备连接，并且通过标定使训练装备处于地形的特定位置，将训练装备和虚拟的地形融为一体，使参训者有身临战场的感觉。该系统可以在室内组织对炮兵侦察装备的训练，不受地形、天候条件的影响，并且可以方便地组织各种考核。

（2）嵌入式炮兵指挥装备仿真训练系统。该系统是利用嵌入式仿真技术，高效融合实际炮兵指挥装备、火力毁伤系统、目标显示系统和虚拟地形的训练系统。系统同样可以动态加载和显示炮兵训练使用的各种平原、山地、丘陵、荒漠等三维地形和下雨、下雪、刮风、有雾等各种天候条件，并且可以根据训练的需要在特定位置添加和显示各种类型的目标，通过投影设备将地形和天候条件及目标显示到大屏幕上。系统通过特定的接口和炮兵的诸元计算器、指挥信息系统等指挥装备以及大屏幕连接。

（3）嵌入式炮兵通信装备仿真训练系统。该系统是利用嵌入式仿真技术，为炮兵通信装备加入嵌入式模块，实现复杂电磁环境下炮兵通信装备训练的系统。

2.5 嵌入式仿真技术在反坦克导弹分队训练中的运用

一是反坦克导弹分队嵌入式仿真训练向高效低耗与集成方向发展。随着嵌入式仿真、计算机和微电子技术等相关技术的发展，高可靠、低功耗的嵌入式仿真系统将应运而生，并且嵌入仿真的功能将越来越强大，集成的功能也越来越多。二是反坦克导弹分队嵌入式仿真训练系统向多媒体化和网络化方向发展。随着多媒体技术的发展，视频、音频信息的处理水平越来越高，为嵌入式仿真系统的多媒体化创造了良好的条件，反坦克导弹分队嵌入式仿真训练的多媒体化将成为重要的发展趋势，并且在网络环境中的应用。三是人工智能技术广泛应用。反坦克导弹分队嵌入式仿真训练与人工智能、模式识别技术的结合，将开发出各种更人性化、智能化的嵌入式仿真系统。作战软件将逐渐包括专家系统以辅助进行路径选择、部队与物资的部署，这样能够快速提高反坦克导弹分队训练效果。

2.6 嵌入式仿真技术在武警训练系统的应用展望

武警部队嵌入式仿真训练系统应在以下几个方面谋求进一步的发展。第一，为满足高可靠性要求，低功耗的训练系统将应运而生。第二，嵌入式训练系统将出现多媒体化和网络化。第三，评估和反馈技术的研究力度将日趋加大。增强这方面的相关研究比如各种传感器的应用是未来该系统开发的重要方向。第四，研究人工智能、模式识别等技术成为新的发展趋势。人工智能技术的应用，极大提高了武器系统的故障诊断速度和修复率，所以，更加精确的人工智能和专家系统将是嵌入式仿真训练系统研制的重要方面。

3 嵌入式仿真的外军经验与未来发展

3.1 美军应用嵌入式仿真系统推动训练实现全面转型

（1）改变传统训练方式，真正步入信息化训练。首先是训练思想的转变，嵌入式仿真系统可以逼真地虚拟战场、设计战术，使得传统的“练为战”升华为“练即战”甚至是“练严于战”，正是在这种严酷的虚拟环境下，才使美军的“快速决定性作战”、“零伤亡”等先进作战理论在实战中得以实现。其次是训练方式的转变，即时训练、插入训练、任务（按需）训练、网络训练等成为数字化条件下新的训练方式，由于战斗装备上嵌入了仿真系统，美陆军可为处在远距离投送过程中的士兵进行“插入训练”；对已部署于战区环境的部队进行“任务训练”，使士兵和指挥官更为详尽地掌握作战任务、战斗编成和重要敌情，以便顺利高效完成战斗任务。

（2）实现训练、实验、作战一体化，更贴近实战。作战实验是连接训练与实战的“桥梁”。嵌入式仿真系统在本质上是将逼真的虚拟作战用于平时或战前的训练，使作战训练、作战实验乃至将要进行的真实作战行动融为一体。

（3）开展全谱作战训练，提高未来战场能力优势。美军实行转型，从传统的“基于威胁”转向“基于能力”，美陆军提出全谱作战理论，旨在谋求未来作战的“全频谱优势”，认为有效的训练是作战成功的基石。而嵌入了仿真系统的战斗装备可有效地、方便地支持和满足全谱作战训练的要求，通过营造充满挑战、复杂多变的虚拟训练环境，使官兵和部队针对多种样式的作战任务进行具体而专注的训练，不断提高并保持战斗力，以至在这一过程中培养学习和适应能力，逐步建立作战自信，具备灵活应对全谱作战环境的能力。

（4）节约训练资源，促进战斗力生成和持续发展。美军在《国防部训练转型实施计划》中明确提出，要通过发展和运用“联合知识培养与分发能力”、“联合国家训练能力”和“联合评估与赋能能力”来实现训练转型。这三种联合能力，是美军推进训练转型的核心内容和基本目标。嵌入式仿真系统使战斗车辆以“插入”的方式成为“实兵、虚拟和结构仿真一体化训练系统”的子系统，并与有关作战实验室分布式仿真中心连为一体，为美陆军提高参与和实施联合训练能力奠定了基础。

3.2 外军嵌入式仿真训练技术的应用研究

（1）美国海军的嵌入式训练技术的应用研究。美国海军对嵌入式训练技术的研究源于20世纪50年代发展起来的程序教学（或称自动教学、机器教学），以教育训练领域的一系列研究成果为基础，研制了多型嵌入式训练系统，应用在各型军舰上。典型的有CG—47导弹巡洋舰和DDG—51驱逐舰的宙斯盾作战训练系统（AegisCombatTrainingSystem，ACTS），它为作战情报中心分队提供了嵌入式集体训练及个人训练，舰员通过嵌入在指挥与控制系统内的程序功能模块，可在真实的舰载战术工作站中进行模拟训练。在反潜作战的嵌入式仿真训练技术方面，美军进行了长期的研究与应用，其技术特点在于采用高逼真度的虚拟合成信号作为武器系统的输入，操作者不必直接与对手进行对抗，而是对敌方电子模型产生的虚拟信号进行反应，完成训练。

（2）美国陆军的嵌入式训练技术的应用研究。现阶段，美国陆军采用武器升级、技术革新和装备预研等多种方式，进行了多项技术研究，为装备构建了嵌入式训练功能。为实现现有武器装备的嵌入式训练功能，提升训练效能，美军在武器寿命中期延长和技术升级等阶段，以装备结构完整、功能完备和使用安全为前提，采用嵌入式计算机技术、虚拟现实技术、传感器技术、数据采集与分析技术、人工智能技术和综合评估技术等，实施技术改造，在武器装备上构建“嵌入式”训练功能。具有代表性的有美国国防工业协会实施的MlA2SEP坦克嵌入式训练技术研究项目、M2A3步兵战车嵌入式训练系统、附加型坦克与装甲指挥车乘员训练模拟器和“斯特瑞克”战车嵌入式训练计划等。以嵌入式计算机作为核心控制部件，训练装置采用分布式结构，通过车内总线与装备实现互联，完成训练信息的采集和虚拟信号的注入。通过对装备相关部件进行仿真建模，将实体模型和功能模型融为一体，可在真实装备内进行合成战场环境下的模拟训练。其特点是研制周期短、风险低、价格便宜，适合在老式装备上实施快速、便捷的嵌入式训练。

（3）美国空军的嵌入式训练技术的应用研究。美国空军对嵌入式训练技术的研究始于20世纪50年代，最先应用于防空指挥中心的嵌入式训练，之后逐步应用在防空、指挥控制、飞行和电子战等多个训练领域。主要包含面向雷达探测群的仿真、面向基于防空部队的仿真、针对空军部队（包括飞行员、截击人员、空军基地人员和空中交通管制人员的训练等）的仿真、空中电子对抗的仿真。空军各部门的技术人员将根据仿真训练的实际需求把所需要的训练内容与相应功能“嵌入”进仿真训练系统里面去。

（4）其他国家的嵌入式训练技术的应用研究。20世纪90年代中期，荷兰NLR公司和DutchSpace公司参与实施欧洲长期战略防御计划过程中，对战斗机嵌入式训练的可行性进行了研究，设计并实现了一套F—16MLU飞行模拟器上的基于软件的嵌入式训练模块。2003年6月，NLR、DutchSpace和荷兰皇家空军联合开发了嵌入式训练验证系统，可安装在F—16战斗机上，在飞行过程中验证嵌入式训练能力。

3.3 嵌入式仿真训练的发展方向

（1）向综合一体化方向发展。随着高新技术在武器装备中的应用，武器装备逐步向系统化和集成化方向发展。新型装备的嵌入式训练不再以装备的操作使用训练为主，而应立足于多武器平台的联合训练，从而进一步提高训练效果，最大化发挥武器装备效能。因此，嵌入式训练技术必须在训练整体结构优化上有所突破，保证各训练系统的功能配套和性能匹配，向装备的作战、维修和保障综合一体化方向发展。

（2）向系列化、通用化、模块化和标准化方向发展。为节约经费，提高嵌入式训练系统的可靠性、维修性和保障性，适应武器装备系列化和模块化的趋势，需要制定统一的训练系统软、硬件标准，开发通用体系结构，实现“一型多变”的目标，推动嵌入式训练技术逐步向可移植、易升级和通用化方向发展。

（3）向智能化方向发展。评估和反馈功能对于训练分析、成绩评定和经验总结具有重要意义，对提高受训者技能有极大帮助。目前嵌入式仿真训练的反馈和评估功能还不完善，在一定程度上制约了训练效果的提升。以信息技术和计算机技术为基础，以多传感器信息融合为手段，构造训练状态空间模型，以复杂系统理论和建模技术为指导，分析训练任务，建立评判准则，以人工智能技术和评估技术构建合理、高效、快速和准确的评估体系，提高训练反馈的自动化和评估的智能化已成为重要发展趋势。

（4）向多兵种协同训练及诸军种联合训练方向发展。未来的信息化战争是体系与体系的对抗，新装备形成战斗力，不再是单个系统简单的叠加，而是依靠多军、兵种联合一体化训练实现整体战斗力的提高，军、兵种间的联合训练变得越来越重要。基于单一兵种和单一功能的嵌入式训练技术已不能满足信息化战争联合作战训练的要求，嵌入式训练技术将以计算机网络技术、数据传输技术和数据库技术等为基础，逐步向多军、兵种联合协同作战训练方向发展。

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