空中作战实验仿真平台设计与实现

刘东洋，孙 鹏，张杰勇

(空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077)

作战仿真[1]是开展作战问题研究的重要手段之一。早在1979年，著名科学家钱学森提出了“作战实验室”的概念，系统阐述了作战实验的原理、手段、作用及重要军事意义[2]。美军也认为，通过作战实验，能够把错综复杂的战略问题简单化、条理化，辅助决策人员进行对策研究[3-4]。

本文根据空中作战问题研究的实际需求出发，构建了一套功能齐全、规模适度、符合空中作战问题研究特点的仿真实验平台。通过仿真实验，可以有计划地改变作战想定中红蓝双方作战规模、力量部署，设置战法和作战环境等条件，以定量和定性研究相结合的方法考察空中作战平台的综合运用规律，为决策者实施空中作战提供科学的实验环境和决策依据，对提高空中平台作战效能具有重要参考意义。

1 仿真平台构建

1.1 平台设计原则

为保证平台在设计与实现过程中更好地满足战术推演的功能与性能需求，应遵循以下原则[5]：(1)功能模块化：模块化设计的构件清晰地定义了输入与输出，而且每个构件都有明确规定的目的；(2)数据一致性：对系统内部数据进行分类编码，减少数据冗余[6]；(3)可靠性及容错性：可靠性直接决定了软件健壮与否，应采用适当的冗余设计，消除单点失效，同时，在用户误操作时，应能够及时纠正提示；(4)易操作易维护性：平台应提供协调一致、便于操作的工作环境，有效控制仿真的运行，并记录仿真运行日志，提高故障发现及定位能力，便于排查；(5)复用性与实用性：采用面向对象的分析与设计方法，实现良好的封装与复用，缩短开发周期。并充分考虑仿真平台应具有的功能特性，确保仿真软件切实的使用价值。

1.2 平台体系结构

体系结构设计应充分考虑平台工作的实际条件和环境[7]，确保系统技术可行、先进，功能适用。仿真平台采用分布式跨平台体系结构，划分为基础环境层、数据支撑层、业务逻辑层和人机交互层四层体系结构，如图1所示。

(1)基础环境层：提供仿真平台运行的基础软硬件环境，及HLA-RTI等运行中间件[8-10]。分布式并行仿真引擎负责底层的时间、对象、事件管理等任务；

(2)数据支撑层：负责对平台运行过程所需相关数据进行管理，包括作战想定数据、武器装备数据、仿真实体模型库、目标信息数据库、战场环境数据库及效能评估模型库等；

(3)业务逻辑层：负责仿真实验前后的业务处理，以及仿真推演过程中在时间空间上进行的决策判断，同时负责数据层与人机交互层之间的数据交互工作；

(4)人机交互层：负责人机交互相关操作，包括图形化的推演控制、想定管理、模型管理、效能评估等用户操作软件界面。

图1 空中作战仿真实验平台体系结构

1.3 平台开发环境

为实现分布式交互仿真(DIS)[11]，保持平台良好的兼容性、模块可重用性，提高开发效率，借助高级开发工具是加快仿真应用系统开发的一种有效方式。根据平台建设的实际需求，结合实验室现有条件，仿真平台建模工具采用LabWorks，RTI采用pRTI，开发软件采用VC++6.0、Qt 5，地理信息系统采用MapX，飞行动力学模型采用开源的JSBSim[12]模型框架。

2 仿真平台设计

2.1 平台功能结构设计

根据空中平台作战特点及指挥控制流程要求，仿真平台应具有以下主要功能。

(1)作战想定管理：想定是激励各仿真实体运行的环境，根据作战背景、作战规模、作战任务，通过人机操作界面完成作战力量的部署；

(2)推演控制管理：对作战想定任务进行推演，能够控制仿真系统的初始化、时钟同步、启动、暂停、恢复，设置仿真步长、仿真速率等；

(3)战场态势感知：通过各种地面及机载探测装备模拟器对空中目标信息实施探测，结合其他仿真数据识别红蓝属性；

(4)情报融合处理：对获取的各类情报进行融合处理，形成准确、实时、一致、可靠的空情态势，为指挥员作战指挥及空中平台作战行动提供可靠的情报支持；

(5)三维飞行模拟：以三维方式显示空中作战平台实时飞行姿态，并实时发送自身的位置及状态信息；

(6)空情态势显示：显示空战场态势信息，以及战场地理地形及气象等环境信息；

(7)仿真模型管理：用于管理装备实体模型、行为决策模型、效能评估模型和战场环境模型等四大类模型；

(8)仿真记录重演：记录仿真过程数据，进行规格化分类处理后存入数据库。仿真数据可用于仿真重演，也可用于作战效能评估分析；

(9)作战效能评估：在评估指标体系[13-14]、作战效能评估模型[15]支持下，对作战仿真过程数据进行计算分析，图形化显示评估结果，综合计算战场态势感知能力、情报融合处理能力、指挥控制引导能力等。

根据功能需求分析，仿真平台结构组成设计如图2所示。通过HLA服务器将各功能单元以联邦成员的形式实现紧密耦合，系统具有良好的互操作性、可重用性和扩展性。

图2 空中作战仿真实验平台结构组成

2.2 平台模型框架设计

模型是构造作战实验环境的基本元素，它们是构造作战实验环境必不可少的“砖块”，能够在软、硬件基础设施之上按需构造出复杂、多样的虚拟任务环境和真实的流程。仿真平台将作战实验模型[16]规划为装备实体模型、行为决策模型、效能评估模型和战场环境模型4种类型，如图3所示。

(1)装备实体模型：依据武器平台动力学特性进行建模，武器平台的动力学模型与行为决策模型共同构成仿真主体；

(2)行为决策模型：包括一般意义上的战场行为模型和具有一定智能的仿真实体，可根据战场态势发送各种决策指令；

(3)效能评估模型：根据作战效果，依据能力数据指标进行量化评估；

(4)战场环境模型：构建战场地形、气象等自然环境。

图3 空中作战仿真实验平台模型框架

构建模型时，需注意3个主要问题：(1)模型不能过于复杂。无需过分追求模型的逼真度，应适当简化，清楚反映模型中各要素的因果关系，优先考虑仿真效率；(2)模型应准确描述其指控关系。不能过于理想化地模拟指控过程，避免作战一方不现实地获取对方的位置、能力和意图，应该把C4I的模拟放在首要位置；(3)模型应具有开放性。模型参数可通过外部方式进行修改，以便对作战实验输入参量进行灵活调整。

为便于对模型的有效管理，建立了模型库管理系统，如图4所示，设置存取管理和运行管理两个模块，系统管理模块通过数据库管理系统实现对数据的访问。

图4 模型库管理系统结构图

2.3 平台工作流程设计

一次仿真实验的基本工作流程设计如图5所示，可以分为如下4个阶段：(1)实验设计阶段：根据作战任务要求，设计想定方案，创建实验，完成仿真成员规划、生成及部署，并将实验相关文件上传至仿真服务器；(2)仿真准备阶段：推演控制席位从服务器下载实验数据，检测仿真网络，当仿真成员全部加入后，向各成员发送仿真初始化信息；(3)仿真运行阶段：推演控制席位向所有仿真成员发送启动命令，开始执行仿真推演，所有仿真过程数据以文本格式文件实时记录保存，推演结束后，仿真过程数据文件自动被上传至服务器；(4)效果评估阶段：作战效能评估软件依据评估模型对实验数据进行分析研判，计算各项数据指标能力，供实验者决策参考。

图5 仿真平台基本工作流程

3 仿真平台实现

3.1 关键技术

仿真平台开发过程中要解决想定制作与生成、仿真时间同步、数据通信和作战效能评估等关键技术。

(1)想定制作与生成。利用XML技术[17-18]对作战任务场景进行描述、定义、设置规则，生成XMLSchema.xsd想定模板文件。在想定管理程序中使用图形化方法进行兵力部署，利用XSD模板，生成XML格式文件保存至本地，并提交至服务器指定路径以物理文件形式进行存储，并将想定信息存入数据库；

(2)仿真时间同步。针对分布式仿真系统时空一致性问题，要求各仿真成员与服务器之间在一个共同的仿真时间下相互作用，因此，仿真平台采用了一种基于真实时间的时间同步方法。首先，服务器向各成员发送本地时间t0，停顿2 s，然后每隔500 ms发送一次本地时间(记为tn)，共10次；仿真成员首先将收到的t0(有延迟)设置为本地时间，然后，记录每次收到服务器时间时的本地时间(记为Tn)，计算Tn与tn的差值，取各次差值的平均值作为成员与服务器的时差，并调整本地时间，计算公式为

(1)

(3)数据通信。在各仿真成员计算机部署通信代理程序，实现数据通信。通信代理包含Socket通信管理和缓冲区管理，利用Socket套接字实现数据通信。缓冲区管理设置“出缓冲区队列”用于存放仿真成员产生的数据，“入缓冲区队列”用于存放仿真成员接收的数据。仿真过程中，Socket通信模块不断地从仿真成员接收数据，存入“出缓冲队列”，通信代理每隔一定时间调用Socket通信模块接口将数据取走。通信代理订阅到网络上其他仿真成员的数据后调用接口将订阅到的数据送入“入缓冲队列”，Socket通信模块定时检查“入缓冲队列”，如果有数据达到，则将数据发送给仿真成员；

(4)作战效能评估。在评估指标体系的支持下，一种方法是采用层次分析法(AHP)[19]对作战评估的几种能力进行两两比较，建立判断矩阵，归一化处理，然后进行一致性检验，计算矩阵最大特征根λmax，求解一致性指标CI，进而对作战效能进行量化评估，计算公式为

(2)

另一种方法是通过计算最大期望值进行评估，公式为

(3)

其中，Oij为第i种作战模型在战场Sj下的空战效果值；E(Ai)为指控模型Ai的后果期望值，Pj为战场态势Sj出现的概率。

3.2 仿真效果

仿真效果如图6和图7所示，图6左侧为武器管理，双击图标可对武器基本参数进行编辑；拖动武器图标至右侧地图界面，可进行战场兵力部署；双击图标可编辑详细参数，例如红蓝属性、位置等；点击“保存”按钮完成想定方案制作。图7上方地图界面显示空中作战平台实时推演情况；右下角图标实现网络检测、仿真启动、暂停、停止等操作；主机状态窗口可监视各仿真成员网络状态。

图6 想定管理席

图7 推演控制席

3.3 实验验证

想定设计如表2所示，红方部署两架飞机、两部地面雷达，蓝方部署两架飞机，并设定了初始航线。其中，Lon表示经度；Lat表示纬度；V表示速度(km/h)；H表示高度(m)；h表示雷达海拔高度(m)。

表2 某次作战仿真想定设计

根据表2中的信息，仿真推演结束后，利用效能评估模型计算红蓝两架飞机的相对优势，得到优势变化曲线，如图8所示。

图8 不同时刻双方飞机优势对比曲线

分析图8可知，随着时间的推移，在0～142时间段，红方处于优势状态，优势系数在0.36～0.98之间变化；在142～197时间段，蓝方处于优势状态，优势系数在0.54～0.9之间变化。

4 结束语

本文构建了基于HLA的空中作战实验仿真平台，建立仿真平台4层结构，并采用LabWorks、pRTI等开发工具完成了仿真平台功能结构、模型框架的设计与平台实现等工作。该仿真平台为实验人员研究如何提升空中作战平台的作战能力提供了有效的仿真环境。实践表明，该平台具有仿真模型可重用性好、参数配置方式灵活、各仿真成员可按需剪裁部署、通用性强和易于扩展等诸多优点。在引入完整精确的战场数据支撑下，能够更加准确地反映空中平台的作战能力。