实兵演习战场态势研究

王永刚,马亚平,杜浩铭

(1.国防大学,北京　100091;2.军事科学院,北京　100091)



实兵演习战场态势研究

王永刚1,2,马亚平1,杜浩铭1

(1.国防大学,北京100091;2.军事科学院,北京100091)

实兵演习战场态势是指挥员通过实战化训练提升获取战场情况、指挥部队行动能力的重要支撑和手段。首先针对当前实兵演习战场态势存在的数据结构、传输机制、系统架构和聚合显示等重点难点问题进行了详细地阐述和分析,然后在此基础上提出了态势数据结构的层次化设计、按需公布订购的数据传输机制、态势框架的柔性化设计和基于作战能力的态势聚合机制等相关的解决方法。以期能够建立一个支持大规模、分布式联合应用,并且可以显示综合战场态势和专用战场态势的战场态势系统。

实兵演习;战场态势;按需订购;柔性框架;态势聚合

信息化条件下的联合作战要求战场态势必须与实际情况相符,并能实时共享,确保所有参战单位和人员能够及时掌握敌情、我情和战场环境等,从而能够帮助指挥员及时准确地分析判断战场情况、保障部队的精确协同,实现快速、高效的指挥控制和精确作战[1]。近期,随着对实战化训练的重视程度越来越高,我军开展实兵演习的数量越来越多,规模越来越大,方式越来越逼真。因此,如何研究、设计和开发能够支持大规模、分布式联合应用,并且能够实时展现综合战场态势和专用战场态势的战场态势系统就变得日益迫切。本文根据目前我军实兵演习战场态势存在的重点难点问题,从数据结构、传输机制、系统框架结构以及态势聚合等核心要素进行分析研究,提出一些设计思路和解决方案。

1　当前实兵演习战场态势存在的问题和需求分析

1.1数据结构设计的不统一不能满足联合作战的高效性需求

以往,各单位都是针对某一特定的使用需求进行系统的设计和研发,不同的设计理念和开发人员的不同个性特点导致了各态势显示系统对态势数据结构的定义五花八门、大相径庭。当数据来源少或数据量小时,还可基于数据结构相互转换的方法来进行不同态势显示系统间的互联互通。然而,信息化条件下的战场态势包含了多种多样的信息,既有陆军、海军、空军等军兵种力量信息,又有坦克、舰艇、飞机等装备信息,同时还有陆、海、空、天、电等战场环境信息,在演习时,还包含导演部所属导调人员和导调器材等信息。内容极其丰富,数据量相当庞大。这时如果再采取数据结构相互转换的方法来进行不同系统间的互联互通就会极大地影响整个系统的使用效率。

1.2数据传输的无差别推送机制不能满足联合作战的实时性需求

信息化条件下的联合作战,对战场态势显示的实时性、快速性和高效性提出了更高的要求。而在以往的战场态势显示系统中,数据的传输基本上都是采用无差别推送的方法,即每个态势终端接收全部数据,而并没有进行筛选和过滤。这就导致系统传输数据过大、时间过多,严重影响系统的实时性需求,尤其是在广域网的条件下,由于广域网的带宽较窄,影响更为明显。同时,还会在数据传输和态势终端处理时出现大量的冗余数据,给网络和态势终端带来了很大的压力。

1.3单系统的设计机制不能满足联合作战的多样性需求

近年来,随着信息化水平的提升,我军陆续研制了一些针对某种武器平台或单一兵种或特定任务的应用系统,这些系统在各自的训练和演习中发挥了一定作用。但存在一些不足：一是各系统之间相互独立,互联互通互操作能力不足;二是系统的可重用性差,往往是专项专用,当任务需求或武器平台发送变化时,又要重新进行开发,浪费了大量的人力、物力和财力;三是系统的兼容性不够,单个系统很难满足不同部门的多层次需求。这种状况十分不利于信息化条件下联合作战中各级指挥机构和作战单元之间的战场态势实时共享,严重影响部队的一体化联合作战能力。

1.4基于单兵和单装备的态势显示机制不能满足联合作战态势的直观性需求

指挥机构和作战单位分析研判战场态势,通常是想尽可能准确地描述两个问题:一是通过当前战场态势,了解掌握交战双方的作战部署和行动状态;二是分析当前战场态势对于实现己方作战目标来说是否有利。因此,战场态势能否直观地展现当前的战场情况就非常重要。然而在实际的实兵演习中,由于某些原因,当前实兵演习中所获取的战场态势都是基于单兵和单装备的态势显示,在部队展开和交战阶段显得比较混乱,很难直观地展现当前交战双方的作战部署和行动状态,也很难分析当前状况是有利还是不利。为此我们希望通过采取态势聚合显示的方法来得到一个比较清晰直观的战场态势,和实际的态势相配合使用,以便指挥机构和作战单位更好地通过战场态势遂行作战任务。

2　实兵演习战场态势系统的研究与设计

2.1态势数据结构的层次化设计

信息化联合作战的一个基本特征就是数据海量化,如何从海量数据中寻找共性,避免数据结构上的多样化就成战场态势一个亟待解决的问题。面向对象的方法是建立在“对象”概念基础上的方法学,其核心是由数据和允许的操作组成的封装体而形成的对象。对象与客观实体有直接对应关系,如可以将作战部队、武器装备、战场环境、导调人员和导调器材等实体都看作对象,这样就可以将一组具有相似性质的对象定义为一个对象类。同时根据面向对象方法所具有的继承性和扩展性的特征,采取分离构建对象类与对象类层次继承相结合的处理方法对态势信息进行层次化的细化分类。首先,根据态势信息的共性特点和系统的使用需求,构建一个战场态势显示实体基类,在其中存放用于完整标识该实体的基础信息,如名称、标号、编码、类型、位置和显示方式等。然后,根据实体的不同性质再具体划分为兵力实体类、装备实体类、环境实体类和导调实体类。最后,再将这四类实体进行分解细化,形成供各军兵种使用的相关实体类。如图1所示。

图1　战场态势显示实体组成层次结构图

在按照上述的实体组成层次结构构建好态势数据接口类之后,就可以根据统一的数据接口进行态势数据的分析和融合等处理工作,还可以针对态势显示的不同需求获取相应的数据信息进行显示,而不用获取全部的数据再进行过滤筛选。这样既可以大大减少网络的数据传输量和态势显示终端的数据冗余量,还可以满足态势显示的多样性需求和综合性需求。

2.2态势数据传输的按需订购设计

高效性和实时性是数据传输的重要指标,本文在参考了HLA/RTI 协议采用的公布预定机制[2]的基础上,提出了按需订购的数据传输机制,即态势数据订购方(即态势显示终端)根据实际显示需要向态势数据公布方(即态势数据发送方)发出数据订购请求,态势数据公布方在收到请求后将数据发送到公布订购服务器,并经由公布订购服务器转发到态势数据订购方。其核心是将以公布方为主的推送机制改为以订购方为主的订购机制进行数据传输,这样既可以实现全局数据的订购,也可满足专用数据的个性订购。同时通过将主题、样式订购服务器和公布订购服务器分离还可以实现数据订购方和数据公布方的松散耦合,方便整个系统的灵活部署。按需订购数据流程如图2所示。

图2　按需订购数据流程示意图

系统采用集中和对等分布相结合的设计方式,设置多个公布订购服务器,服务器分为中心服务器和端服务器两类。依据“集中管理,分布运行”的理念,端服务器面向节点运行,与中心服务器分工合作,并与中心服务器保持数据实时同步,以满足广域网的使用需求。重点解决公布与订阅、应用层组播、集群与并发访问、基于消息的可靠数据传输和数据集成交换等技术实现。基于按需订购传输机制的战场态势显示逻辑结构和数据流程如图3所示。

图3　战场态势显示逻辑结构和数据流程图

2.3态势系统框架结构的柔性设计

战场态势系统是一项复杂的系统工程,包括数据的收集、处理、融合、显示等多个应用环节。随着信息技术的发展,战场态势显示领域不断得到完善,许多带有整体应用性或通用应用性的结构和功能被逐步“固定”下来,其中包括了系统的基本构成单元和关系,这就形成了战场态势体系结构的雏形。大量的战场态势系统建设实践表明,战场态势通用软件框架除应具有一般软件框架的功能外,还应提供战场环境、数据环境、运行支撑环境及应用环境等,使系统研发人员只需在现有框架的基础上再添加上相应的代码即可建立特定应用的战场态势系统。通常这些代码占整个应用的15%左右,而框架占85%。因此如何建立一个能够满足战场态势领域所需的通用整体框架,就变得日益迫切。为此,本文提出一种柔性的战场态势框架设计理念,如图4所示。

图4　基于柔性框架的态势显示系统结构示意图

态势系统的柔性框架[3],是指能够根据战场态势应用需求的变化,灵活调整自身功能组成,可适应多种规模和层次态势显示应用的部分实现的仿真软件系统模块。态势系统柔性框架的主要思想是采用“框架+构件”的方式来设计。框架规定了应用的体系结构,阐明了整个设计、协作构件之间的依赖关系、责任分配和控制流程,关键在于规定和实现了框架内各对象间的交互模式和控制流模式,实现了应用领域通用完备功能的底层服务,为构件提供了重用和动态组装的环境,为构件处理错误、交换数据及激活操作提供了标准的方法。构件则是对一组类的组合进行封装,并代表完成一个或多个功能的特定服务,也为用户提供了多个接口。

首先建立一个支持多种开发语言和开发环境的通用战场态势显示系统开发框架;然后将态势显示的具有通用性的基础服务功能如态势数据订购、态势数据处理、态势按需显示以及态势信息查询等功能从具体的态势显示系统中分离出来,以功能构件的形式存在,从而形成支持显示类型灵活组构、系统自由组合,可以支持联合导控系统中的分布式态势显示运行支撑框架,从而实现各种态势显示支撑服务的重用;最后在形成通用态势的基础上,再根据实际需求进行专用态势显示的二次开发。这样,态势显示服务的柔性框架就通过统一数据、显示标准和规范,为模块化的态势显示提供互联互操作的运行支撑环境,从而实现战场态势显示的灵活组构,并为态势显示系统的重用提供了技术基础和运行支撑工具。战场态势的柔性框架具有以下几个方面的特点:

1)通用性:所构建的柔性框架对战场态势应用系统具有通用性,即通过在框架上组装一定的应用构件即可实现不同的应用系统。

2)自适应性:基于柔性框架生成的应用系统可以根据应用需求自主定制系统所需的界面的布局、框架、格式和内容等,既可以预先设置,也可在应用过程中动态设置。

3)灵活性:各构件间的依赖性被尽可能地降到最低,方便用户根据不同的应用和需求对系统进行灵活组合、扩展和重用。

4)交互性:柔性框架提供构件之间、构件与框架之间的交互机制,便于实现不同系统间的互联、互通、互操作。

2.4基于作战能力的战场态势聚合研究

当前的态势聚合主要有以下两种方法:一是以作战单位的最高指挥员的位置为中心进行聚合;二是以作战单位的所有作战个体位置的平均值为中心进行聚合。然而这两种方法都过于简单,不能准确地反映作战单位当前状况,在实际使用中还容易出现误导指挥员的问题。本文提出一种基于军队综合战斗力指数[4]进行态势聚合的方法。

2.4.1军队综合战斗力指数方法

军队的战斗能力不仅取决于它所拥有的武器装备战术技术性能,而且取决于武器装备在不同作战条件(因素)下的发挥程度。这些条件(因素)包括战场环境条件(如地形、气象、季节等)、人员因素(包括指挥艺术与能力、指战员素质、训练因素,心理因素、精神因素、士气等)以及作战保障(工程保障、后勤保障)因素等,因此,需要各因素以各种修正系数的形式,如地形系数、气象条件系数等(总称为战斗力修正系数)对火力指数或武器指数(具体内容见后续部分)进行修正,以描述出军队的综合战斗能力。军队综合战斗力指数是将它的火力指数或武器指数乘以各种必需的战斗力修正系数得到的积。军队综合战斗力指数的计算模型如下:

(1)

式中，IM表示军队综合战斗力指数;IF表示军队火力指数或武器指数;ki表示第i种影响因素的修正系数,共有m种影响因素;Ij表示第j种武器装备的火力指数或武器指数,共有l种武器装备。

2.4.2基于军队综合战斗力指数方法量化实体的作战能力

从系统意义上讲,系统特性可以分为静态特性与动态特性,静态特性强调结构与能力的关系而忽略实际环境对系统的要求和作用;动态特性强调系统总要在实际环境中运行,特定的环境对系统将产生出特定的要求和约束,因而不同的环境导致系统表现出的能力不同。因此,实体的作战能力可分为静态能力和动态能力。

首先根据军队综合战斗力指数的方法,将实体的作战能力要素划分为打击力、信息力、机动力、防护力和保障力。得到每一个作战实体的静态作战效能I静态(I静态打击,I静态机动,I静态信息,I静态防护,I静态保障)分别表示实体的打击力、机动力、信息力、防护力和保障力。

然后在此基础上,考虑战场环境因素、联合作战协同因素、作战训练因素以及指挥员及士兵素质等因素,并将上述因素量化为地形因子、气象因子、领导因子、士兵因子、训练因子及协同因子等6个相应的系数。这样就可以计算出实体的动态作战效能I动态(I动态打击,I动态机动,I动态信息,I动态防护,I动态保障)。

(2)

式中,g表示地形因子,f表示气象因子,l表示领导因子,s表示士兵因子,t表示训练因子,Ihk,Imk,Iik,Idk,Isk分别表示第k个基本作战单位的打击力、机动力、信息力、防护力和保障力。

(3)

式中,I聚动态X表示聚合实体的某项动态作战能力,λ表示协调度因子,体现联合作战力量编组结构和协同的复杂性,它通过协同度计算模型来计算,通常情况下为1。

2.4.3基于军队综合战斗力指数方法的态势聚合研究

当我们得到了每个实体的动态作战能力以后,就可以把下级实体的动态作战能力为加权因子并结合当前任务状态来计算聚合实体的显示位置,聚合实体显示位置的计算公式如下:

当实体为进攻状态时:

(4)

当实体为机动状态时:

(5)

实体为防御状态时:

(6)

式(4)、(5)、(6)中,P聚表示聚合体的位置，P子表示下级实体的位置。

3　结束语

如何从纷繁复杂的海量信息中精确、高效、及时地感知和把握战场态势,以便更有效地为指挥机构和作战单位提供辅助决策支持,是现时战场态势所要解决的一个重大课题。本文针对当前实兵演习战场态势存在的重点难点问题,提出了新的设计思路和方法,即态势数据结构的层次化设计、按需公布订购的数据传输机制、态势框架的柔性化设计和基于作战能力的态势聚合机制,并研制原型系统结合部队的实兵演习进行验证测试,以期能够更好地促进我军战场态势系统的建设和发展。

[1]檀松,穆永朋.联合战术学[M].北京:军事科学出版社,2014:123-124

[2]刘洁,柏彦奇,孙海涛.分布式作战仿真中的数据交互方法[J].系统仿真学报,2006,18(3):626-628.

[3]马元正.构件化仿真模型柔性框架的服务机制研究[D].北京:国防大学博士论文,2010:16-17.

[4]李柯.面向联合作战模拟的军队作战能力指数研究[R].北京:国防大学博士后研究工作报告，2005： 7-8.

Battlefield Situation in Field Maneuver with Troops

WANG Yong-gang1，2, MA Ya-ping1, DU Hao-ming1

(1. National Defence University, Beijing 100091; 2. Academy of Military Science, Beijing 100091, China)

Battlefield situation in field maneuver with troops is an important support and method for commander to improve the ability of getting information and commanding troops in battlefield. Firstly it analyzes the current shortcomings, such as data structure, transmission mechanism, system framework and situation polymerization. After that, it puts forward a new solution that is gradational data structure, getting data for need, flexible framework and situation polymerization based on combat power. By this means, it supports to build a new battlefield situation system which can sustain the large scale, distributed and associated application, and display all kinds of battlefield situation.

field maneuver with troops； battlefield situation； according to the need to order； flexible framework； situation polymerization

1673-3819(2016)04-0008-05

2016-04-17

2016-05-12

王永刚(1976-),男,江苏泗洪人,博士研究生,研究方向为联合作战、军事运筹。

马亚平(1952-),男,教授,博士生导师。

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.002

杜浩铭(1982-),男,讲师。