陆战分队作战仿真试验系统设计与实现

王钦钊， 鲍君潇， 郭傲兵， 万 琳

(1. 陆军装甲兵学院兵器与控制系， 北京 100072； 2. 陆军装甲兵学院信息通信系， 北京 100072)

随着新军事变革的深入发展，陆战分队的作战样式逐步向择要突击、机动制权、引打结合、协同行动的方向发展。分队战斗力的评估也不再是武器性能的简单累加，更加突出了合成、协同、一体化、联合及体系的要求，这就需要武器装备试验系统由单一装备、单一系统、单一平台向多类型、多功能、多平台装备系统及装备体系试验转型，由标准环境下的试验向“实战”环境下的试验转型[1]。目前，我军对现有陆战装备单项性能试验的研究与发展较为成熟，但分队级的作战试验多以实装结合仿真技术的形式开展，存在试验准备周期长、成本高、灵活性差以及难以多次重复等问题。而运用仿真试验法构建全要素陆战分队作战仿真试验系统，能为解决以上问题提供新的思路。仿真试验法是通过计算机模拟的形式完成陆战分队的作战环境、武器装备、作战行为建模及作战过程模拟的“实战”试验法，可结合仿真试验数据完成对分队整体作战效能的评估。仿真试验虽然不能完全代替实装试验，但凭借安全、灵活、高效、鲁棒、经济的特点，可为实装试验规划、预演、效果评估提供较为科学、全面的参考与功能延伸。为此，笔者根据陆战分队作战试验的实际需求，结合计算机仿真技术，将RV游戏引擎引入军事仿真中进行二次开发，研究设计一套能够满足陆战分队在装备论证阶段的演示验证、装备研制阶段的作战试验、装备运用阶段的战法研究的作战仿真试验系统，并通过装甲分队网络化火力打击分配技术的作战仿真试验，对系统的科学性与实用性进行验证。

1 系统总体设计

自新型陆军建设以来，大力发展作战试验既是提高装备体系作战能力的保证和研究装备作战运用的支撑，也是优化装备体系结构的手段[2]。因此，陆战分队作战仿真试验系统功能应涵盖分队作战的多个方面，逼真地呈现“实战”环境、作战背景、武器装备性能参数和作战过程。

1.1 系统设计需求分析

陆战分队作战仿真试验系统以信息化背景下的分队对抗为基本作战主题，构设一个近似实战的虚拟战场，通过灵活配置多种条件下的“人在环”仿真系统进行分队作战对抗仿真试验，记录试验数据，供研究人员分析评估。陆战分队作战仿真试验系统应具备的功能特点如图1所示。

该系统是一种“人在环”的分队战术层级的仿真试验系统，仿真粒度最小到分队作战人员，可通过想定编辑灵活调整对抗阵营的编制配置，既能对分队装备的作战适用性进行模拟试验，也能通过战术模拟对抗演练，检验作战分队编制结构的科学性和协同战术的有效性，进一步探索和论证新的分队战术组训方法。

1.2 系统功能组成

分队作战仿真试验系统采用虚拟战场技术、高层体系结构(High Level Architecture，HLA)和运行支撑系统(Run Time Infrastructure，RTI)，具备相应的功能模块，以保证作战试验的实施，由作战试验中央控制台、作战试验仿真通用资源、计算机兵力(Computer Generated Forces，CGF)、作战试验仿真系统网络(HLA/RTI)和“人在环”试验装备仿真节点组成。以装甲分队为例，其作战仿真试验系统组成如图2所示。

一个典型的作战对抗模拟系统一般由红、蓝、白3方组成，各系统成员均按照HLA/RTI体系结构规范设计搭建[3]。其中，白方的作战试验中央控制台是仿真试验的设计者和管理者，具体职责是：试验前期的想定编辑和节点配置，试验实施阶段的进程管理、战场态势导调与试验实时监控，试验后期的仿真数据处理与效能评估。“人在环”仿真节点由作战试验中央控制台设置各节点所属阵营和装备种类，可柔性地适应不同试验内容的需求。总体来说，红、蓝两方的编制配置均是在白方的统一管理控制下，根据试验背景展开作战仿真对抗，以达到在“实战”中检验待试验技术在分队协同作战中适用性的目的。

2 系统功能设计与实现

2.1 作战装备模型仿真

陆战分队作战涉及的武器装备种类繁多，实际过程又会受到环境和战场行为的影响。为了提高系统的灵活性，应根据一定逻辑构建较为全面的仿真实体对象模型体系。本文将实体分为装备实体、行为实体和环境实体，部分具体内容如图3所示。

在模型体系中，上层模型作为下层模型的父类，为下层模型提供标准化的模型结构；下层模型先集成父类的标准结构，再进行扩充和修改。图4为坦克/步战车标准化基础模型结构。当需要对某一未定型坦克进行建模时，只需继承坦克实体class Tank，并对其进行修改和补充即可。

本系统利用RV游戏引擎自带的实体建模套装软件Oxygen2对武器装备进行建模与渲染，运用细节层次法(Level Of Detail，LOD)[4]对模型进行不同细节层次的视觉效果设计，同时定义和设置模型的部分功能物理特性，建模效果如图5所示。

作战装备的模型仿真还需对视景、火控系统、激光测距、装甲装备毁伤概率和瞄准角等关键环节进行研究与建模[5]。

对于“人在环”仿真节点乘员席位的硬件设置，利用计算机分别将其作为驾驶员、炮长和车长的仿真节点,其中，车长节点占用2台计算机，进行车长视景仿真显示和车长指控终端仿真软件运行。单车节点仿真硬件设置如图6所示。

2.2 通用CGF模型

CGF模型库作为作战试验仿真通用资源的一部分，是真实战场在虚拟环境中的最直接反映。RV游戏引擎已开发出包括主战坦克、武装直升机和反坦克炮等多兵种装备的CGF模型，可以根据战场态势自主完成战斗编队、巡逻和分队进攻等作战任务[6]。但为了增强CGF的通用性，提高作战仿真试验系统的灵活性、高效性和鲁棒性，应在原CGF模型的基础上设计支持用户自定义的通用CGF模型，其结构如图7所示。

通用CGF模型就是在原CGF模型的基础上进行修改，保留其自主作战行动能力，并将装备的关键战技参数设计为用户可自定义，从而满足不同试验任务对CGF模型的需求。从接口的便捷性和参数可量化的角度，可以得到坦克关键性能参数，如表1所示。如:原CGF模型对象机动性能定义如图8所示，若要提高某型坦克CGF机动性能，则在原CGF模型基础上进行修改，如图9所示。具体操作如下：首先，在原机动性能类中构建一个新的子类class DIYMotorCapability，将“平均越野速度”和“最大机动速度”属性独立；然后，新建子类的构造函数，为以上2项数据成员初始化设置，实现用户的自定义输入，输入设置在想定编辑界面选择完成。

表1 坦克关键性能参数

2.3 作战试验想定编辑

作战试验想定模块主要是根据试验目的制定仿真试验的实施计划，根据已有的装备实体模型配置试验所需的初始战场态势，并将其转化为想定脚本分发到各个仿真节点。

本系统采用可拓展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)进行想定描述，运用XML Schema技术生成想定脚本[7]，实现想定编辑的快速化、可视化和想定文件的高效管理。系统想定XML描述框架如图10所示。

以CGF想定编辑为例，利用XML元素循环嵌套的特点，对CGF进行较为详细准确的描述，具体如图11所示。

2.4 分队指挥控制模块

指挥控制仿真系统作为战场的“效能倍增器”，采用扁平化的指挥结构模式，设置指挥控制中心作为战场信息处理的中心，并配有分队智能化作战辅助决策模块、战场态势显示模块，具有标准的软件接口，能实现指挥控制仿真系统的可拓展，可为分队新型战术、战法提供试验平台。指挥控制仿真模块结构如图12所示。

2.5 试验数据记录

试验数据记录功能可为作战仿真试验系统进行作战态势复盘和研究人员评估试验对象提供直接依据，其数据记录的种类和范围也与试验对象的特点和试验目的有直接关系。因此，基于HLA的仿真系统需要记录的数据应该包括对象类实例的属性值、时间戳，以及交互类实例的参数值、时间戳[8]。交互类实例主要包括联邦各成员之间的事件交互，如坦克炮击发事件、摧毁事件等。记录对象类的实体属性信息具体定义如图13所示。

3 系统工作流程与运行实例分析

3.1 系统工作流程

陆战分队作战仿真试验系统主要对分队在作战准备、作战实施和作战结束阶段进行试验，通过仿真模拟整个作战指挥与行动来组织实施。根据作战试验的试验规划、试验准备、试验实施、试验总结的过程[9]，将作战仿真试验分为仿真前期、中期和后期3个阶段。其中：仿真前期可将试验总任务分解为多个试验项目，形成不同的试验项目实施方案并编辑想定文件；仿真中期主要由各功能模块协调工作，共同完成作战进程仿真；仿真后期主要根据作战仿真进程中采集的数据，由专家观看态势回放文件并根据试验数据进行相关效能的评估工作。陆战分队作战仿真试验系统工作流程如图14所示。

3.2 系统运行实例

以装甲分队网络化火力打击分配技术为试验对象，通过制定想定方案、编辑想定文件和进行作战仿真试验等内容，验证网络化火力打击分配技术的合理性及战场适用性，进而检验陆战分队作战仿真试验系统的科学性与实用性。

3.2.1 试验需求

通过分队战术级的仿真试验，考察网络化火力打击分配技术的战场适用性、作战仿真试验系统软件的人-机交互合理性，检验装甲分队的作战效能。

3.2.2 试验想定

作战想定设置如表2所示，根据该设置在可视化编辑界面编辑后的战场二维初始态势如图15所示。

表2 作战想定设置

3.2.3 试验预期

装甲分队网络化火力打击分配技术的应用，旨在提升分队的战场感知能力、火力打击自主性和智能性，可明显提高分队指挥控制的科学性和火力打击的高效性。

3.2.4 试验运行

当参加试验人员就位后，系统导调人员启动系统，分发想定脚本至各仿真节点，通过二、三维观测器监管试验的运行，并根据试验方案安排和“人在环”兵力的支援请求控制战场事件的发生，如提供火力支援等。试验运行三维态势如图16所示。

3.2.5 试验数据提取与分析

在红方指挥控制系统配置网络化火力打击分配技术的情况下，根据想定方案中由研究人员提供的试验数据需求，仿真系统操作人员按需进行试验数据提取，通过计算处理后得到红方试验运行仿真数据，如表3所示。

表3 红方试验运行仿真数据(配置技术后)

在红方指挥控制系统未配置网络化火力打击分配技术的情况下，以相同想定设置进行对照作战试验，获得红方试验运行仿真数据如表4所示。

表4 红方试验运行仿真数据(配置技术前)

对比表3、4可以看出：配置网络化火力打击分配技术前后的红方阵营绝大多数指标值差别明显，尤其是平均打击时间间隔相差较大，这是因为网络化火力打击分配技术能大大缩短坦克炮手对目标的搜索与瞄准时间，此结果较符合试验预期，从而验证了作战仿真试验系统的科学性与实用性。

4 结论

针对陆战分队发展需求和合成营编制下的分队智能化作战技术在实装试验中存在的实际问题，运用计算机仿真技术和RV游戏引擎设计并实现了陆战分队作战仿真试验系统。与传统的作战试验方法相比，该系统具有较好的可拓展性与功能多样性，在装甲装备从技术预研到作战应用研究的全周期作战试验中均有较大的实用价值。下一步，将在全要素陆战分队作战仿真试验系统的效能评估体系构建方面开展研究。