舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境构建

刘高峰,陈佳俊

(海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033)

舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境构建

刘高峰,陈佳俊

(海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033)

针对舰艇作战系统的联合试验与训练仿真问题,分析了舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境支撑能力需求。从突出领域优势、共享试训资源、作战试训一体的思想出发,建立了舰艇作战系统试训任务共同体描述模型和演进关系,采用面向服务体系框架,提出了基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境架构,设计了舰艇作战系统试训一体化协同仿真应用系统组成结构,并给出了系统关键技术实现途径,为舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境建设提供了一种可行的技术途径,具有一定的实际参考价值。

舰艇; 作战系统; 试验与训练; 任务共同体; 协同仿真

陈佳俊(1985-),男,博士,讲师。

20世纪90年代,美军在试验与训练领域提出了逻辑靶场的概念[1],为提高联合试验和训练水平以及降低各项费用,在1996年颁布的建模与仿真的高层体系结构(HLA)基础上,定义了试验训练使能体系结构(TENA),提供了面向具体领域应用的通用仿真体系结构和特定能力[2]。2005年，美国陆军采用面向服务技术开发了公共训练仪器体系结构(CTIA),2008年，美国国防部发布了实况-虚拟-构造(LVC)仿真体系结构路线图,以进一步提高LVC仿真环境中的资源共享、互操作性、重用性和组合性等能力[3-5],并不断建设发展了网络中心企业服务(NCES)的指挥控制能力[6]。国内相关领域的研究院所在武器装备试训仿真技术方面也取得了大量专门性研究成果[4-5,7-8]。文献[9]提出了舰艇装备性能试验与作战试验一体化设计的总体思路和重要项目试验方案；文献[10]基于HLA机制对潜艇群反航母协同作战进行了仿真试验研究；文献[11]探讨了水中兵器一体化试验的主要内容和实施方法,但尚未见形成将地理上分散的各领域资源有效集成利用的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境,且在试训一体化框架、技术标准规范、资源共享服务以及应用管理等研究方面,与国际先进水平还存在一定差距。

本文提出从“突出领域优势、共享试训资源、作战试训一体”的思想出发,采用面向服务体系框架和协同仿真技术等,构建基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境,目的是为舰艇作战系统的装备适应性试验仿真、作战方案分析或战法优化、作战模拟训练等应用系统,提供规范化、网络化、联合化和实战化的技术支撑环境。

1 舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境支撑能力需求

1.1 问题的提出

通常,作战系统是指军用平台上用于执行警戒、跟踪、目标识别、数据处理、威胁估计及控制武器完成对敌作战功能的各要素及人员的综合体。对于舰艇作战系统而言,具有装备分布配置、系统结构复杂、人机交互操控、系统实时性强、武器类型多等特征,对其进行装备试验及作战训练的要求非常高,以往单一谱系的装备试验评定技术和作战模拟系统,已难以全面适应海上复杂环境条件下以作战任务和作战样式为主旨的装备试验和作战训练的一体化需求。

目前,受装备承研、系统试验、作战训练等场所异地分散以及管理体制、行业领域和技术规范等多种因素影响,舰艇作战系统的装备试验仿真和模拟训练通常是分散的、独立的、自成体系组织实施的,现有不同类型谱系的作战系统实装、武器装备仿真系统、作战模拟系统、作战数据、装备模型和仿真模型等试验训练资源呈现出广域分布和独立应用等特征,专业化和规范化的试训资源难于高效集成、彼此共享和动态应用,也存在一些试验和训练环境重建重构、专业模型标准化程度低、应用系统通用性差、实际使用效率不高和行业利益化思维等现象,在一定程度上制约了舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境的建设与发展。因此,构建一种基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境,将成为实现具体试训任务应用系统的技术关键。

1.2 一体化协同仿真环境的基本支撑能力定位

协同仿真是一种处于不同地点、基于不同计算机平台的仿真人员,采用不同建模方法建立系统混合异构层次化仿真模型,并在分布式环境中进行仿真运行、表现和分析的复杂系统仿真方法[8,12]。因此,可以定义:一体化协同仿真环境是一种规范化、开放式的建模与仿真机制,通过利用计算机网络技术、信息传输技术和协同仿真技术等,灵活地将各类实况、虚拟、构造等实体进行动态组配,有机地连接成一个整体,并在分布式环境中进行预设任务的联合仿真运行和分析。

舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境主要用于解决作战系统的各专业和全范围内的装备适应性试验和作战训练的仿真系统集成问题,通过该环境可以动态地搭配和排列不同的试验/训练资源,构成舰艇作战系统的适应性试验仿真系统、作战模拟系统、战术对抗模拟系统等应用系统,具备试训应用系统的组织、控制、试验、训练、服务、通信、评估和管理等一体化支撑能力,用于完成虚拟海上复杂环境条件下舰艇作战系统的试验与训练任务。主要应具备以下基本支撑能力:

1)提供试训组织控制管理能力,包括装备适应性试验仿真模式、作战模拟训练模式下的系统组织、部署、链接、过程控制、时统和监管等,为开展各专业领域和全系统、全功能、全要素、全寿命的试训活动提供技术基础。

2)提供试训对象系统集成能力,包括实况系统、虚拟系统、构造系统等接入和注册,支持不同类型的实际对象系统、模型系统、软硬件平台、信息网络环境的互操作。

3)提供面向试验任务想定的作战系统适应性试验仿真能力,包括可用性、可靠性、可维护性、兼容性、互操作性、安全性、保障能力等适应性试验,以及开展对海作战试验、防空作战试验、反潜作战试验、信息作战试验和协同作战试验等。

4)提供面向实战化想定的作战系统模拟训练能力,包括OODA环作战过程中的专业训练、系统训练、综合训练、协同训练和推演训练等。

5)提供规范统一的海战场环境模拟能力和计算机兵力生成能力,能构建试验与训练应用所需的虚拟和真实相结合的战场空间环境和红蓝方作战力量。

6)提供试训仿真分析与评估能力,支撑装备适应性试验仿真评估、作战试验评估、作战模拟训练评估等分析与评价工作。

7)提供公共信息资源服务能力,包括与舰艇作战系统相关的模型、数据、文档、知识和想定等公共信息资源,以满足试训用户的基本应用需求。

8)提供实时的试训信息交互、试训信息采集、试训资源服务等所需的网络通信能力。

9)提供协同仿真所需的支撑工具包和人机界面订制等能力。

2 基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境架构建立

2.1 试训任务共同体的定义与描述模型建立

借鉴网络中心企业服务(NCES)中利益共同体概念和相关研究成果[6,13-15],将试训任务共同体定义为:在广域的分布式网络环境中,按照作战使命任务及其作战业务功能流程要求,将分散于不同场所、不同功能和不同粒度的软硬件资源或服务有序组织成一个应用系统,并在时间、空间和功能上协同交互运行,实现特定试训应用系统的目标任务。

采用面向对象分析和多元组描述方法,可以建立一种试训任务共同体描述模型TC,基本形式表示为:

TC=

(1)

其中,M表示试训任务的系统标识,包括试验仿真系统和模拟训练系统等;N表示试训任务共同体的名称;SD表示完成试训任务所需的各种资源描述;SL表示不同类型资源的层级;SP表示资源的性质,包括实况、虚拟、构造等不同类型资源;SR表示各种资源之间的信息交互关系和调用关系。

舰艇作战系统作为一个有机整体,由传感器、作战指挥、火控、火力(武器)、导航、通信等多个分系统共同构成,用于完成防空、对海、反潜、对岸和对抗等多种作战任务。通过对各场所分散的试训资源的功能组合,可以建立不同的试训任务共同体,并按照作战系统业务流程进行组织、控制和管理,既可以开展舰艇作战系统的装备适应性试验仿真工作,也可以开展作战方案分析或战法优化、作战模拟训练等工作,从而实现试训资源的共享能力,提高试训资源的利用效率和灵活组合使用能力。

舰艇作战系统试训任务共同体包括多种不同功能的任务共同体序列,任务共同体与系统、资源、应用之间的演进关系如图1所示。

图1 任务共同体与系统、资源、应用之间的演进关系

2.2 试训一体化协同仿真环境架构建立

在文献[15-17]研究基础上,采用面向服务体系架构(SOA)[18,19],引入任务共同体TC,建立了基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化仿真环境架构,包括基础架构层、资源服务层、试训业务层、试训集成层、试训应用层以及技术标准/规范等基本要素层,用于支撑广域分布式环境条件下试训一体化协同仿真应用系统的功能集成、互操作及动态重构等能力,如图2所示。

图2 基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化仿真环境架构

1)基础架构层。该层是广域分布式环境条件下开展试训活动的通用基础平台,具有计算机软硬件、仿真引擎、数据库管理和网络通信等能力,为应用系统的集成与运行提供物质技术基础。

2)资源服务层。该层以本地/异地试训服务中心为层级管理机制,提供服务的注册、接入、发现、组合、运行、处理、交互、监控、管理、时统和记录等通用核心服务能力,提供统一规范的装备信息、装备模型、平台模型、试训环境仿真、计算机生成兵力、试训想定和工具集合等公共试训服务,以及通过审核认证的舰艇作战系统各专业的现役装备、装备仿真模型和装备模拟器等专业试验服务和专业训练服务,为试训资源的共享、重用、管理、维护等提供服务。

3)试训业务层。该层用于将资源服务层的所需服务动态地编排和聚合,形成试训任务共同体的一个应用流程,并被封装成一个单独的应用程序,支持不同试训应用需求和活动过程。

4)试训集成层。该层是建立舰艇作战系统试训一体化仿真系统的软总线,通过中间件技术和其它转换技术等实现集成服务,具备复杂信息传输能力,支持分布式异构环境条件下应用系统的一体化集成。

5)试训应用层。该层提供友好的人机界面,具有试训项目/科目组织、试训应用配置、试训过程控制和试训信息管理等功能,用于构建用户不同需求的试训仿真应用系统。

6)技术标准/规范是舰艇作战系统试训一体化仿真环境架构的开发原则和指南,用于系统技术体系结构的统一术语定义、统一文档模板、统一信息交换格式、统一接口规范以及数据管理、信息共享、网络服务等技术支持。

3 舰艇作战系统试训一体化协同仿真应用系统构建

3.1 试训一体化协同仿真应用系统组成结构设计

舰艇作战系统试训一体化协同仿真应用系统由地理上分布的多个专业服务中心共同组成,包括舰艇联合试训、舰艇传感器试验、舰艇作战指挥系统试验、舰艇火控系统试验、舰艇武器试验、舰载作战系统训练、艇载作战系统训练等服务中心,通过广域分布式网络基础环境和企业服务总线(ESB),对实况、虚拟、构造等服务资源进行配置和编排,可以灵活动态地搭建用户特定需求的以“任务共同体服务”为特征的应用系统。初步设计的试训一体化协同仿真应用系统组成结构如图3所示。

该系统采用星型拓扑层次结构,以广域分布式网络基础环境作为通用基础平台,由企业服务总线实现分布式试训应用系统的集成,通过协同仿真运行实战化背景下相应任务的试验/训练想定,即可适时开展舰艇作战系统装备适应性试验仿真、作战模拟训练等工作。

图3 试训一体化协同仿真应用系统组成结构示意图

3.2 试训一体化协同仿真应用系统关键技术实现途径

舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境建设需要解决诸多问题[20]。先期,应筹建试训一体化管理机构和各类试训服务中心,激励内外协作和深化军民融合,牵头制定发展路线图、技术标准规范、试训管理制度等顶层工作;然后,再有序推进试训一体化协同仿真应用系统主要集成技术的实现等工作。

1)实现SOA的主要技术

SOA是面向应用服务的一种软件系统框架,可以通过网络对松耦合的应用组件进行分布式部署、组合和使用。它属于一种组件模型,模型中包括服务提供者、服务注册库和服务请求者三种角色,还包含发布、查询、绑定和调用等操作。

在实际应用中,SOA的实现技术有多种方式,Web服务、业务过程执行语言(BPEL)和企业服务总线(ESB)为实现SOA提供了一种有效技术基础[18,20]。在软件实现方面,SOA服务主要利用Web服务技术,通过一系列基本规范和扩展规范实现Web服务,如以可扩展标记语言XML定义统一的数据格式,采用Web服务描述语言(WSDL)描述接口的相关内容,通过简单对象访问协议(SOAP)实现服务实体之间的通信,使用通用描述、发现与集成协议(UDDI)实现将发布和发现服务的SOAP请求解释为用于基本数据存储的数据管理功能调用;在服务编排方面,利用BPEL指定基于Web服务的业务流程行为,通过指定调用顺序来编排服务,描述服务间交换消息的协作行为;在服务通信方面,利用ESB技术实现。

2)实现ESB的主要技术

ESB是传统中间件技术与XML、Web服务等技术结合的产物,作为SOA的切入点,使企业以最小投入将已有系统纳入到SOA框架中来。

从功能用途方面看,ESB是SOA框架中实现服务间智能化集成与管理的中介,它将事件驱动方法和面向服务方法结合使用,用来构建、集成、部署、监控和管理各种分布式资源,提供服务管理方法和分布式异构环境中消息格式转换、路由选择以及传输协议转换等服务交互功能,能为特定环境下松耦合的服务和应用提供集成方式。因此,ESB涉及服务管理机制、消息路由、消息格式转换、传输协议转换等主要技术。另外,服务封装和服务代理技术、异构数据集成技术、安全管理技术等也不可或缺。

4 结束语

舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境建设是一项复杂系统工程。本文提出了一种基于任务共同体的舰艇作战系统试训一体化协同仿真环境架构,设计了试训一体化协同仿真应用系统组成结构,能够较好地满足网络化、服务化、组合化以及可重用和可扩展等联合试训应用需求。后续,将根据提出的关键技术实现途径,深化以“服务”为中心的各级各类试训资源服务的规划、设计、开发与集成等技术研究工作。

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Construction of Collaborative Simulation Environment for Warship Combat System Experiment and Training Integration

LIU Gao-feng,CHEN Jia-jun

(College of Electronic Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

According to joint experiment and training simulation problem of warship combat system,the supporting capacity requirement of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration is analyzed.With the idea of highlight the domain advantages,sharing experiment and training resources,integration combat experiment and training,the task community description model and evolution relationship of warship combat system experiment and training are established.Based on service oriented architecture (SOA),the architecture of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration is proposed.The composition structure of collaborative simulation system for warship combat system experiment and training integration is designed and key technology of this system is given.It provide a feasible technical approach for construction of collaborative simulation environment for warship combat system experiment and training integration and it has certain practical reference value.

warship;combat system;experiment and training;task community;collaborative simulation

U674.7；E925

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.015

1673-3819(2017)05-0071-05

2017-05-26

2017-06-17

刘高峰(1965-),男,山西阳城人,博士,教授,研究方向为指挥控制与系统仿真。