浅谈仿真技术在军事领域内的应用

黄勇 孟庆鑫

(中国电子科技集团公司电子科学研究院北京 100041)

浅谈仿真技术在军事领域内的应用

黄勇 孟庆鑫

(中国电子科技集团公司电子科学研究院北京 100041)

仿真技术已经发展形成较完整的专业技术体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。军事领域内的仿真技术在高技术条件下的战争中正在起着越来越大的作用。本文首先对仿真技术进行了简要概述，接着对国内外军用仿真技术发展现状和仿真技术的主要发展趋势进行了介绍，最后对仿真技术在军事领域内的应用进行了粗浅探讨。

军事仿真技术虚拟现实

1 引言

现代仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一种综合性技术[1]。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。它综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。正在成为继理论研究和实验研究之后的第三种认识和改造客观世界的重要方法。

随着仿真技术在科技进步和社会发展中的作用愈来愈重要，特别是军事科学中。随着高、精尖武器系统的研制和发展，对仿真技术的应用和研究提出了更高的要求。世界各军事强国竟相在新一代武器系统的研制过程中不断完善仿真方法，改进仿真手段，以提高研制工作的综合效益。军用仿真技术在“研试战训保”体系中的应用，已得到研制方和使用部队的承认和重视。

本文在对仿真技术进行了简要概述之后，粗浅探讨了国内外军用仿真技术发展现状、仿真技术的发展趋势及其在军事领域内的应用。

2 国内外军用仿真技术发展现状

2.1 国外军用仿真技术发展现状

美国国防部高度重视仿真技术的发展，美国一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术。1992年公布了“国防建模与仿真倡议”，并成立了国防建模与仿真办公室，负责倡议的实施：1992年7月美国防部公布了“国防科学技术战略”，“综合仿真环境”被列为保持美国军事优势的七大推动技术之一；1995年10月，美国防部公布了“建模与仿真主计划”，提出了美国防部建模与仿真的六个主目标；1997年度的“美国国防技术领域计划”，将“建模与仿真”列为有助于能极大提高军事能力的四大支柱（战备、现代化、部队结构、持续能力）的一项重要技术，并计划从1996年至2001年投资5.4亿美元、年均投资0.9亿美元。同时美国国防科学局（Defense Science Board）认为建立集成的综合仿真环境和仿真系统，必须解决五个层次的使能技术，(enabling technologies)（即应能解决实现的技术）：

①基础技术。包括：光纤通讯、集成电路、软件工具、人的行为模型、环境模型等；

于元、部件级技术。包括：内存、显示、局域网、微处理器、数据库管理系统，数/模/数转换器，建模与仿真构造工具，测试设备等；

③系统级技术。包括：微机系统，人一机界面，远距离通讯/广域网、计算机图象生成；

④应用级技术。包括：制造过程仿真、工程设计建模与仿真，含人仿真系统，随机作战仿真等；

⑤集成综合环境和建模与仿真工程。包括：原型机、规划、设计与制造，训练与备战，测试与评估。

上述技术有些商业市场解决，如微机系统、远距离通讯/广域网、人一机界面、计算图象生成、数据库管理系统、局域网、光纤通讯、软件工程工具等，也就是大部份的硬件和网络能力由商业市场作为成熟产品提供。而为满足军用仿真需求，有些如制造过程仿真，工程设计建模与仿真，随机作战仿真，环境模型等都由关国防部组织解决。

数学模型是仿真的基础，要仿真，必须对被仿真的对象或系统进行数学建模，也就是对客观世界中客观事物进行数学抽象和数学描述。数学模型的正确与否以及其精确度直接影响仿真的置信度。所以，建模以后必须经过验模，验模就是对模型的评估过程。虽然这是化费较大的工程，但是几年来，美、欧、日各方都化费巨资建立半实物仿真系统，以加快仿真研制。

同样，欧洲对于仿真的研究历来也十分重视。北大西洋公约组织（NATO）于1992年9月成立了DIS工作组。同年欧洲学术界的二百个成员成立了欧洲仿真特殊兴趣组，并于次年组建了“仿真未来：新概念、工具和应用”基础研究工作组。制定了仿真基础研究和开发为第一优先主题。尤其是象并行和分布式仿真这样的基础技术，围绕这个主题将就“仿真互操作性”展开行动计划。并对应于美国DIS工作组成立一些对应的机构进行跟踪研究。

2.2 国内军用仿真技术发展现状

我国军用仿真技术的发展已有四十年的历史。尤其在“十一五”以来的十多年中，通过边建边用，以及上级领导的重视，仿真技术得到了飞速发展。突出表现在以下方面：

在武器系统研制与武器系统仿真技术方面，我国建成了服务于各类新型导弹、卫星、飞机和舰船等仿真的多个仿真系统，仿真技术已有效地应用于新武器型号的研制中，为战略导弹、防空导弹、海防导弹、空空导弹、反坦克导弹以及各型鱼雷等多种导弹、鱼雷型号进行了数百个批次、数十万条次弹道飞行(试航)的仿真；为多个卫星型号，歼击机研制，舰船作战系统和武器系统陆上联调，坦克、高炮系统作战效能，进行了大量的数学和半实物仿真。有效降低了高技术新型号研制的风险，大大减少实弹试验次数和试弹数量，全面提高了武器系统效费比。

在体系对抗仿真技术方面，我国首先建成了综合防空多武器平台仿真示范系统、战区导弹攻防对抗仿真系统、战区综合防空聚合／平台仿真系统，标志着我国已基本掌握先进分布仿真系统体系结构等多项关键技术，为武器装备体系对抗仿真打下了基础。其后研制完成的多武器平台攻防作战综合仿真示范系统，进一步加强了我国武器装备体系对抗仿真的技术水平和能力。

在仿真共用技术和关键技术方面，如建模、验模理论和方法，基于HLA的仿真支撑软件、CGF、环境仿真及VR技术、仿真标准及规范等取得了一批成果。为满足体系对抗仿真的需要，建立了包括武器平台模型、作战模型、环境模型和评估模型等在内的模型体系，对大型复杂仿真系统VV&A与可信度评估技术等进行了初步探索，开发了一系列仿真运行支撑环境和建模支撑环境等工具软件，提高了仿真系统的开发及运行技术水平。

与国外军用仿真技术的发展相比，我国体现在仿真技术上的不足主要表现为：

①已建的半实物仿真系统，基本上只能服务于新型武器系统的设计研制阶段；已有的仿真系统，在体系结构上，是集中、封闭式的，只能进行单一武器的性能仿真；还不具备接近实战的目标、环境和干扰仿真的能力；仿真技术的应用距离服务于武器装备全寿命和全系统的要求，尚有不小的差距；

于国内体系对抗仿真系统的规模、功能和组织管理等方面与国际先进水平存在一定的差距，主要体现在可扩展性较差，功能上不能全面覆盖各种需求，标准规范尚待进一步统一和细化。只是初步具备在复杂作战环境下进行体系对抗仿真的能力；

仿真共用技术水平同仿真技术应用需求相比，也存在较大的差距。主要表现在以下方面：仿真系统体系结构技术；实用的武器系统建模、验模方法；规范的仿真系统VV&A与可信度评估技术；仿真标准与规范；接近真实作战条件的战场自然环境仿真技术；一体化仿真环境以及仿真资源库。

3 仿真技术的发展趋势

仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的仿真过程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等，它涉及多学科多领域的知识与经验。

仿真技术的发展离不开应用需求的推动。当前各应用领域对仿真技术提出了许多新的要求，主要有：

①提高仿真的逼真性、可靠性和精确性；

于提高建模与仿真的效率；

③改进仿真系统的体系结构。

为满足这些要求，一系列新的技术方案被相继提出，这些新技术代表了仿真技术发展的主要趋势。

3.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术(VimialReality，VR)是在综合仿真技术、计算机图形技术、传感技术、显示技术等多种学科技术的基础之上发展起来的[2]，它以仿真的方式使人置身于一个虚拟世界中，通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，使人可以沉浸到一个由计算机系统所创造的虚拟环境中，与虚拟环境发生交互作用，并得到与实际的物理参与联试所能获得的相同或相似的感受。

近年来，虚拟现实（Virtual Reality）技术在航空航天和军事领域的成功应用，取得了巨大的经济效益和社会效益，促进美国政府进一步加大了对VR技术研究的支持力度。VR技术在武器系统性能评价、武器操作训练、指挥大规模军事演习等三个方面的仿真应用中能发挥重大作用：大幅度降低所需的费用，极大的提高效益，并消除意外伤亡事故。因此，美国政府所支持的VR技术研究也正是紧紧围绕着提高这三种能力的系统和环境而展开的。

进一步的研究包分布式虚拟环境、虚拟环境建模、分布式可交互环境数据库、虚拟环境显示、数据融合与输出、各个层次（包括地形绘制、天气描述、运动和传感、武器系统与效应、计算机生成的半自主兵力等）上的逼真性、分布式多维人机交互及标准化等。

3.2 分布交互仿真技术

美国是最早发展分布式交互仿真技术的国家。1983年美国防部高级研究计划局（DARPA）和陆军合作的研究计划SIMNET于1989年完成，为DIS的发展奠定了技术基础。分布式仿真包括军事上公认的三类仿真：真实仿真、虚拟仿真、结构仿真，分布交互仿真的核心是仿真技术和网络技术的结合。

分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation，DIS)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]。

分布交互仿真技术最明显的应用是多兵种联合作战训练，进行多武器平台作战仿真。在DIS生成的逼真战场环境支持下，可以进行作战仿真，熟练掌握合成作战技术、作战原则、发展新的作战方式和方法，提高各级指挥人员的战场指挥能力，并可大大减少风险和高额开销。

目前，分布交互仿真技术在高层体系结构(HLA)上，建立了在一个广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统实现互操作和重用的框架及规范。HLA的基本思想就是使用面向对象的方法，设计、开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件和仿真系统高层次上的互操作性与可重用性。HIA只是分布交互仿真技术发展的新起点，它还存在不足之处，但它必将随着仿真需求、仿真技术和各种支撑技术的发展而得到进一步的发展。特别是随着互联网Intemet、Web/Web Service、网格计算(Grid computing)等网络技术的发展，其技术内涵和应用模式得到不断的扩展和丰富。

3.3 面向对象的仿真技术

面向对象的仿真(Object.Oriented Simulation，OOS)，为人们研究现实世界提供了一种更为自然的框架，它是当前仿真领域最新的研究方向之一。面向对象的观点把系统看作由相互作用的对象组成，它能够以使人易于理解的形式构造现实系统的仿真模型，并能使人在一个具有实际含义的层次上观察模型的行为，有利于提高仿真软件设计的安全性和可靠性。计算机辅助仿真(CAS)建立封装了对象相应的数据和数据操作的程序模块，作为对象的模型，整体行为则由对象间通过接口相互交换信息的联系来描述。这样，系统与模型具有直接的对应关系，这种直观与易理解性，符合人们自然思维方式，便于在实际含义的层次上观察模型的行为。

3.4 智能仿真技术

基于建模与仿真技术研究人类智能系统机理，以及各类基于知识的仿真系统已成为仿真技术的重要研究与应用领域。典型的如基于仿真的嵌入式智能系统。目前，应用智能体(agent)对复杂社会系统进行仿真是这一领域的研究热点。基于agent的仿真技术中也存在着挑战，例如，如何控制agent的自治能力来保证它的可信度[4]。其中知识模型及其表示标准化的研究，尤其是对面向Agent的模型、面向本体的模型、面向分布式推理的网络模型、面向移动通信的推理模型、能演化的模型、自组织模型、容错模型、虚拟人等的研究将是智能系统建模进一步研究发展的重点。

3.5 综合自然环境仿真技术

无论是单武器平台性能仿真还是多武器平台在对抗作战环境下的体系对抗仿真，综合自然环境仿真都是重要的组成部分。美国在环境仿真方面，研制了各种运动仿真器，如高精度飞行仿真转台、加速度模拟器、真空模拟器等，建立了逐步完善的各种实体模型数据库、战场环境（如地形、地貌、海洋、大气、空间等）数据库，并用虚拟现实技术，建立虚拟仿真环境、虚拟战场环境等，以支撑其各种仿真的需要。

综合自然环境的建模与仿真应包括对地理(地形、地貌和地质)：海洋、空间、大气、电磁等环境信息的仿真。在环境模型基础上进行的仿真应用体现了自然环境对实体运行和决策行为产生的影响。综合自然环境的建模采用静态或动态的多维数据场拟合方法，并对虚拟自然环境与实体的交互进行检测[5]。

综合自然环境的建模与仿真必须解决两方面的问题：

①环境模型的建立。军事应用中的环境是千变万化的，不同的地形、地貌、气象、电磁干扰、噪声等等都有其不同的环境特征，要对其建立有相当置信度的模型是很复杂的，所以环境仿真建模工作应作为基础性研究进行。

于环境效应。这是一个更加复杂的问题，实际上也就是仿真环境动态变化时，对仿真结果所产生的影响。例如，军舰，反舰导弹与海情，风力、风速，加上多路径这些环境之间是相互交互的。这些都增加了仿真达到相当置信度的难度。

当前，自然环境建模与仿真技术向着多学科融合、实时动态化和分布式协同化方向发展，同时出现了相关的设计标准(综合环境数据表示与交换标准SEDRIS)、规范和实现技术(地理信息系统(GIS)，基于图像绘制(IBR)，体绘制(Volume Rendering)等)。

3.6 建模与仿真的校核、验证与确认技术

建模与仿真的校核、验证与确认技术(verification，validation and Accreditation，w&A)技术，即系统模型的校核、仿真模型的验证以及仿真结果的认可技术[6]。VV&A技术的应用能提高和保证仿真可信度，降低由于仿真系统在实际应用中的模型不准确和仿真可信度水平低所引起的风险。VV&A技术已成为复杂系统建模与仿真技术中的重要课题，尤其受到军事部门的高度重视，并正从局部的、分散的研究向实用化、自动化、规范化与集成化的w＆A系统发展。

4 仿真技术在军事领域内的应用

在军事领域，仿真技术的应用主要包括武器装备仿真和作战仿真两大部分。其在军事上的应用，在高技术战争中对作战行动将产生重要的指导作用，主要表现在以下四个方面[7]。

①通过训练模拟器进行训练，提高作战人员的军事素质；

于利用仿真技术提高武器装备的战技术性能，加速高科技应用，引导新武器研制，促进新型武器装备发展；

③在战争开始前，采用仿真技术选择最佳作战方案，制定周密的行动计划，对作战的组织指挥起到重要作用；

④通过仿真，研究新的作战思想、作战理论，制定战略计划。

随着各种仿真新技术的发展，其在军事领域内的应用必然促进军事训练思想、训练方法和训练手段的更新和改进。下面结合仿真技术的发展趋势，粗浅探讨其在军事领域内的各项应用。

4.1 基于分布交互仿真技术的军事应用

分布交互仿真技术在军事上最明显的应用是多兵种联合作战训练，进行多武器平台作战仿真。在DIS生成的逼真战场环境支持下，可以进行作战仿真，熟练掌握合成作战技术、作战原则、发展新的作战方式和方法，提高各级指挥人员的战场指挥能力，并可大大减少风险和高额开销。美国是最早发展分布式交互仿真技术的国家。1983年美国防部高级研究计划局和陆军合作的研究计划SIMNET于1989年完成，北约(NAT0)准备逐步把各国不同的兵力汇入SIMNET而成为一个虚拟战场，并把空战仿真系统(AWSIMS)和海战仿真系统(NWSTMS)与其相联。美国陆军的CCTI(近战战术训练系统)，是美国用于部队训练的第一个分布交互仿真实用系统，可实现546个仿真工作站的仿真训练联网，距离可跨越欧美之间，可为美国本土和美在北约驻军的野外训练提供高逼真度的虚拟战场环境。联网演习，比起实战演习来，其成本低、损伤少、安全保密，多次反复演练，而且方案可以多变，准备时间短。通过联网仿真训练多兵、团组协同作战，不仅可解决人与机之间的关系，更要解决人与人之间的协同关系。

分布交互仿真技术的发展主要基于两个因素：

①网络技术的发展；

于军事技术的需求。

要求借助仿真技术来训练作战人员，使其能在现代战场环境条件下使用各自武器装备并互相配合作战，因而该技术近二十年来在军事上得到了迅速发展。

4.2 基于虚拟现实技术的军事应用

近几年，随着科学技术的发展，虚拟现实技术已经渗透进军事生活的各个方面，开始在军事领域中发挥着越来越大的作用。目前，虚拟现实技术在军事领域的应用主要集中在虚拟战场环境、军事训练和武器装备的研制与开发等方面。

虚拟现实技术在军事领域内的应用新的发展趋势包拼[8]：

①高新技术武器的研制开发、论证、评估及预测；

于“虚拟”军事地图；

③虚拟现实在军事医学、救治上的应用；

④虚拟远程控制机械装备。

4.3 基于网格技术的军事仿真

网格技术的核心是解决网络上各种资源(如计算资源、存储资源、软件资源、数据资源等)的动态共享与协同应用。军事网格是由各种通信卫星、微波中继站、地面光缆、无线电台、野战地域网等通信基础设施，以及各种计算机、存储器、网格软件平台、数据库、地理信息系统等计算信息设施组成，具有广域分布、无缝连接、动态扩展和高度集成的特点[9]。

军用仿真的需求和现代分布式仿真技术的发展、最新网格技术的兴起已经为研究基于网格的新型仿真技术和构造网格环境下的仿真系统奠定了良好的基础，我们称之为“基于网格的仿真”，即所谓的“仿真网格”。基于网格的仿真就是构建在网格(软硬件)基础之上，并且利用网格服务来支持仿真过程中的建模、想定制作、运行时集成、实验设计、实验分析等系列活动的一种新型仿真方法。网格技术提供的思想、体系结构和整合成单一的高性能、可靠的资源的能力在军事仿真中具有良好的应用前景。

尽管目前网格技术还不是很成熟，但它将是网络技术的发展方向，及早展开基于网格的军事应用仿真研究，对于我军将来抢占信息制高点，推动仿真技术在军事领域的应用具有非常重要的意义[10]。

4.4 依托装备开发各种“嵌入式"仿真训练系统

随着军事装备的现代化，其自动化、智能化程度不断提高，对装备的模拟更复杂，所花的经费越来越多。特别是一些大型复杂的电子装备，如C3I，C4I等系统。由于许多电子装备的寿命不在于操作次数的多少，而主要取决于电子元器件的自然寿命，充分依托装备开发各种仿真训练系统，能较好地解决依靠实际装备训练会磨损和降低实装寿命的问题[11]。

利用计算机等成熟设备，开发实装的“嵌入式”系统，对于减少系统实物试验次数、节省训练经费、提高维护水平、延长装备寿命周期、强化部队训练等具有非常重要的意义。

5 结束语

近几十年来，仿真技术在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，已经发展形成了综合性的专业技术体系。目前，仿真技术正向网络化、虚拟化、智能化、协同化、普适化方向迅速发展。基于虚拟现实的仿真技术、分布交互仿真技术、面向对象的仿真技术、智能仿真系统、综合自然环境仿真技术、w＆A技术等将是仿真技术发展的主要趋势。

仿真技术在军事领域中的应用，对于提高武器系统综合性能、减少系统实物试验次数、缩短研制周期、节省研制经费、提高维护水平、延长寿命周期、强化部队训练、帮助指挥人员掌握高技术战争的特点和规律、研究战法等具有特别重要的意义。越来越多的国家已经认识到了仿真技术在军事领域中的重要作用，并大力发展各种军事仿真技术。

作为一门综合眭科学，仿真技术将随着其相关领域技术的深入发展，继续向纵深快速发展，同时将扩大其综合应用的领域，在国防建设和国民经济建设中发挥更大的作用。

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[3]李伯虎，柴旭东，杨明，等.现代建模与仿真技术的发展[A].中国科学技术前沿(中国工程院版，第六卷)，高等教育出版社，2003.

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[5]Tuncer Oren，Future of Modelling andSimulation：Some Developmenteas[R].2002 Summer Computer Simulation Conference，2002.

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[11]魏玉凡.装备维修信息化系统研究[M].北京：中国电子科学研究院学报，2009.

Application of Simulation Technology in Military Field

HUANG YongMENG Qing-xin
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

The simulation technology has been developed to form a more complete system of professional technology,and the rapid development of a common and strategic technology.Simulation technology in military field is playing a more and more important role in the high-tech war conditions.This paper has carried on the brief overview of simulation technology for the first time,and then the main development trend of domestic and foreign development status of military simulation technology and simulation technology are introduced,and finally the shallow discussion on the application of simulation technology in military field has been carried on.

Military；Simulation technology；virtual reality

TP391.9

A

：1008-1739（2015）06-63-5

定稿日期：2015-02-26