面向网络化作战试验的指挥控制仿真 原型系统设计与实现
2018-11-28王钦钊鲍君潇郭傲兵
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)
随着新军事变革的发展，战争形态正由机械化向信息化转变，这对装甲分队的战场信息运用能力和指挥控制水平提出了更高的要求。为了充分感知、运用战场态势信息，大幅提升分队协同作战能力，网络化作战思想应运而生[1]。其中，坦克网络化火力打击自主规划系统在理论上可实现装甲分队对地面多目标的感知、识别与火力打击分配，大幅提升装甲装备在信息化条件下的火力打击效能，而网络化作战技术与装备的运用还需通过科学、全面的作战试验来检验其战场适用性[2]。但现实因素的制约使得装甲装备网络化作战试验难以顺利开展，无法满足作战试验对装甲装备和作战环境的特殊要求。
计算机仿真技术的快速发展为网络化作战试验提供了新思路。目前，基于RV游戏引擎的装甲装备及火控系统模型仿真[3]能较真实地反映实装性能；仿真实体在虚拟环境中的碰撞检测方法也有较成熟的研究成果[4]；装甲分队模拟训练系统[5]能提供沉浸感强的“人在环”装甲分队作战模拟训练。但要通过计算机仿真实现网络化作战试验的功能，不仅要构建逼真的战场环境和装备模型，还需对分队各作战环节所涉及的软件功能和硬件设备进行模拟仿真，最大程度地还原武器装备的战场运用情况。
基于此，笔者从作战仿真试验系统对指挥控制分系统的功能需求出发[6]，以网络化作战技术与装备为试验对象，运用面向服务和组件化模型的设计思想，对面向网络化作战试验的指挥控制仿真原型系统进行设计与实现，并通过坦克网络化火力打击自主规划系统的作战仿真试验进行验证。
1 指挥控制仿真原型系统需求分析
随着网络化作战指挥技术的发展[7]，为每类应用搭建特定仿真试验装备和战场环境在效率和成本上均不现实。因此，设计指挥控制仿真原型系统(以下简称“指控系统”)，对实现装甲装备作战仿真试验意义重大。针对网络化作战对指挥控制功能的需求，指控系统在设计和开发时应注重以下方面：
1) 注重指挥控制功能的完备性。指控系统应具备作战指挥与控制业务的基本功能，如文电处理、业务计算、信息共享、方案制定、态势处理、态势显示、辅助决策等，可满足装备作战运用的基本需求，以保证网络化作战试验的顺利实施。
2) 注重系统信息的互通性。指控系统并不独立于作战仿真试验系统运行，需与其保持数据通信和仿真进程同步，实时获得战场仿真实体的位置、状态和作战行为信息，以支持指控系统各功能的实现。
3) 注重指挥控制功能的可拓展性。为满足不同作战试验的需求，指控系统在辅助决策、态势处理等关键功能上要具备合理的数据交互协议和通信接口，方便试验对象(算法或软件)的接入与通信。
4) 注重指控系统使用效果的真实性。在现代战场上，敌我双方均会运用各种手段隐蔽己方的作战单位或干扰敌方的战场感知系统。若直接将作战仿真试验进程中所有实体信息通过指控系统显示在态势地图上，并不符合战场的实际情况，因此，指控系统应具备情报侦测仿真处理功能，可根据作战试验需求对仿真实体信息进行预处理。
5) 注重人机操作的交互性。指控系统在设计与实现时应考虑人机交互性，符合实际装备的操作习惯，满足“人在环”作战仿真试验的使用需求。
6) 体现作战试验组织的便捷性。指控系统应具备可视化的能力配置功能，可根据不同的试验装备实现不同指挥控制系统的功能配置，进一步增加作战仿真试验系统的适用性和灵活性。
2 指挥控制仿真原型系统设计
2.1 总体思路
在装备实际使用中，作战人员主要通过指挥控制软件实现指控系统的作战功能。根据指控系统的需求分析，采用能力配置和功能组件化的软件驱动方式[8]，实现指控系统的功能应用仿真。充分考虑情报数据和战场特殊环境对指挥控制行为的影响[9]，对指控系统的战场感知能力和战场环境适应性进行可视化配置，驱动软件加载相应的规则模型。根据作战仿真试验进程的推进，结合“人在环”仿真节点操作，周期性地进行仿真实体的信息更新、解算，以及指挥控制行为信息的获取、处理和交互。
采用具有触屏功能的一体式计算机作为指控系统的硬件设备，其计算能力、存储能力和交互能力均能满足作战仿真试验系统和网络化作战试验的人机交互需求。指控系统作为作战仿真试验系统的功能子系统[6]，其工作流程如图1所示，具体如下：
1) 仿真试验前期。基于试验任务及对象提出仿真需求，完成指控系统的功能拓展、能力配置以及作战仿真试验的原始情报设置。
2) 仿真试验中期。根据试验计划，结合原始情报数据动态地实现多种指挥控制功能仿真，由 “人在环”指挥控制节点的操作推进指挥控制仿真运行。
3) 仿真试验后期。输出仿真运行产生的指挥控制过程数据，包括仿真实体装备的各类信息参数、典型指挥控制行为的时间节点、各仿真节点间的交互信息和态势数据处理结果等。所有过程数据和试验回放功能均为试验后期的分析评估提供支持。
2.2 软件架构设计
在面向服务的理念指导下，将仿真组件技术引入到指控系统软件开发中，构建多层软件架构模型[10]。通过制定统一、通用的组件接口与数据通信协议，用户可通过组件继承和组件重组的方式，完成指挥控制相应仿真功能的开发，以满足不同试验对象对指控系统功能的仿真需求。指控系统软件架构如图2所示，其在逻辑上由基础数据层、组件支撑层、功能应用层和平台软件层组成，这在一定程度上可增强指控系统的稳定性和延展性，为系统功能拓展提供了良好的基础和前提条件。
其中：基础数据层可实现仿真实体状态数据、战场情报数据和系统交互数据等资源的加载、管理和维护；组件支撑层基于Unity游戏引擎[11]，采用Visual Studio 2010集成环境以及C#语言完成指控系统的功能组件开发；功能应用层通过不同组件间的继承和会聚机制，实现多种指挥控制功能的仿真；平台软件层包括连、排长车指挥控制软件和战斗车辆指挥控制软件，通过Unity游戏引擎的UGUI设计功能[12]，在既定的软件界面框架中选择不同的功能支撑组件进行多种应用服务的组合，实现软件用户界面中不同功能窗体的指挥控制功能。
通过软件架构设计，指控系统软件各层级、各功能之间划分明确，有利于提高指挥控制仿真平台数据交互稳定性、操作灵活性和功能可拓展性。
3 指挥控制仿真原型系统实现
3.1 软件界面
以指挥控制能力可视化配置界面开发为例，介绍指控系统软件用户界面(User Interface,UI)的开发。能力可视化配置界面是根据作战仿真试验便捷性的需求，方便试验人员完成指挥控制功能的预设与调整而开发的，主要包括标题文档、参数值滑动条、下拉菜单和按钮等UI控件。在Unity游戏引擎中建立、编辑用户界面的基本过程如下：
1) 创建画布Canvas，并在Hierarchy面板中选择菜单下的UI→Text，创建用户界面的标题和所有配置属性的名称文档。
2) 根据界面设计需求在Inspector面板上调整标题与各属性名称的位置。
3) 在各属性名称下添加参数设置与调整的控件。以目标识别能力的配置选项为例，根据功能设计，配置选项为“开启”和“关闭”，在Hierarchy面板选中已建立的“目标识别能力配置”，创建UI→Dropdown。UGUI将自动创建具有下拉和选择功能的用户界面控件，并在Inspector面板→Dropdown(Script)窗口→Option中设置选项名称。
4) 控件选项的事件绑定。若在“目标识别能力配置”中选择“开启”选项，则会驱动软件后台的相应事件方法，该方法的具体功能需要开发者编写脚本实现。脚本编写完成后储存在资源库(Asset)中，将事件方法从资源库拖拽至Dropdown控件的None(Sprite)中，即可完成控件选项的事件绑定工作。
指控系统中的能力可视化配置功能类似于想定编辑，是结合网络化作战在情报系统和装备传感器网络的使用需求，将复杂的战场感知、情报获取过程和环境影响因素简化为战场情报信息处理结果。通过指挥控制能力配置，构建更为逼真的指控系统虚拟使用环境。完成编辑的指挥控制能力可视化配置界面如图3所示。
3.2 软件主控制器
根据面向服务及组件化的软件架构设计，指控系统软件采用主控制器控制软件运行和功能实现，即UI由一个主控制器Main Controller管理软件运行的主要逻辑，引用并控制其他功能模块组件。软件开发逻辑如图4所示。
由于软件使用的交互性，UI中的部分控件一般会处于闲置状态，只有在“人在环”节点操作时才会触发相应的功能。因此，在软件开发的主程序中加入协程类函数Coroutine，即表明软件程序在何处暂停等待交互，收到交互信息后在下一帧继续执行。而对于同一次作战试验中包含多次人机交互事件，软件运行和人机交互是一个迭代的过程，因此运用迭代器IEnumerator作为协程函数的返回值，可针对人机操作将软件运行方向指向不同的功能程序入口。主控制器协程类函数的实现方法如下：
public class MainController：MonoBehaviour
{ private void Awake()
{Application.runInBackground = true;}
∥规定软件在后台时也保持运行状态
private IEnumerator Start()
∥定义Coroutine类函数，返回值为迭代器
{while (!ConfigManager.instance.isDone)
∥判断是否完成仿真实体信息的读取与配置，并暂停等待用户交互操作的输入
yield return null;}
∥接收用户操作将软件运行方向指向特定功能程序
}
3.3 软件数据通信协议
根据指控系统的设计思路，指控系统软件运行时将作战仿真试验系统的运行数据存储于软件数据库中，供各功能模块使用。因此，指控系统与作战仿真试验系统不进行数据交互，只是软件内部的各功能模块需要进行数据通信与交互，实现指挥控制的相应功能，指控系统软件数据流如图5所示。
指控系统软件采用控制选项少、数据传输延迟小、传输效率高的用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)作为软件内部网络传输层协议。根据软件架构的设计，运用C#语言结合Unity引擎自带的API函数完成异步UDP客户端通信组件(AsynUdpClient)的开发，主要功能函数如下：
Awake()：组件初始化函数，在软件运行时自动调用。
OnDestroy()：消息响应函数，当通信端口被销毁时调用。
FixedUpdate()：固定时间刷新数据函数，并不受软件帧率(fps)的影响。
SendData()：数据发送函数。
RecvCallback()：接收数据异步回调函数。
3.4 通信管理器
通信管理器是指控系统软件各功能模块通信网络的重要部分，数据通信过程非常复杂，需要设计相应功能程序来进行控制，以提高数据通信的标准化和自动化程度。根据软件功能的通信需求，通信管理器脚本程序的定义元素如下：
AsynUdpClient udpClient：通信传输协议。
separatorChar：数据分隔符字符，程序默认使用“，”。
codecName：编码方式，程序先尝试获取通信软件间的编码方式，若失败，则采用UTF8的方式编码。
IPEndPoint lastRecvEP：数据接收网络端点，由IP地址和端口号组成。
3.5 指挥控制功能开发
指控系统的软件功能包括态势显示、态势处理、辅助决策和态势回放等，在此以态势显示功能为例，介绍软件功能开发和脚本编辑过程。
态势显示主要包括目标的类型、状态、阵营、位置以及威胁度、打击决策和人机交互等基本内容。针对陆地作战，二维态势的武器装备类型及对应的军标如表1所示，红、黄、绿3种军标颜色分别对应摧毁(0)、损伤(0～1)、完好(1)3种目标状态。
表1 武器装备类型及军标显示
同时，为了软件开发的规范性和功能的可拓展性，将指控系统中作战仿真实体信息数据进行统一，“按照<编号，方位x坐标，方位y坐标，方位z坐标，武器攻击角，阵营，装备类型，目标状态>的数据格式记录与传输”，数据类型之间以逗号分隔，便于各功能的编码与解码。如：态势显示功能在某时刻获取到某仿真实体信息数据为
态势显示过程中，需要将数据库获得的包含状态、阵营等仿真实体信息的字符串数据转换为态势显示功能可运用的状态、阵营信息，“目标状态”信息转换的脚本程序如下：
StateToStr(float state)
∥将字符串数据转为目标状态信息
{ string stateStr;
int cpR = FloatComparer.Compare(state,0f);
∥判断状态对应字符
if(cpR < 0)
stateStr=“?”;
∥未知状态
else if (cpR==0)
stateStr=“损毁”;
∥“损毁”状态
else if (FloatComparer.Compare(state,1f)==.1
∥“损伤”状态
stateStr=string.Format(“损伤 {0:0.0%}”,1f.state);∥判断损毁程度
else
stateStr=“完好”;
∥“完好”状态
return stateStr;
}
StrToState(string stateStr)
∥将目标状态信息转为字符数据
{
float state;
switch(stateStr)
{
case“完好”:state = 1f;break;
case“损伤”:state = 0.5f;break;
case“损毁”:state = 0f;break;
default:state =.1f;break;
}
return state;
}
4 指挥控制仿真原型系统运行与仿真试验验证
为验证指控系统在面向网络化作战仿真试验的实用性与有效性，以坦克网络化火力打击自主规划系统中目标威胁评估和火力分配算法(以下简称“网络化算法”)为试验对象，进行单项技术指标作战仿真试验，目的是通过静态的仿真试验，检验网络化算法在装甲分队作战运用中的有效性，暴露技术设计缺陷，为下一步研究提供依据。
4.1 试验想定编辑
根据技术研究任务书要求，网络化算法的技术指标包括目标威胁评估置信度、装甲分队火力分配解算时间和装甲分队最大规划目标数量。由此制定的网络化算法作战仿真试验想定设置如表2所示。
表2 网络化算法作战仿真试验想定设置
4.2 试验组织与实施
根据试验想定设置，完成想定文件编辑，明确试验记录数据，按试验需求分组实施作战仿真试验。某次作战仿真试验的想定初始态势如图6所示，指控系统软件操作界面及装甲分队火力分配结果如图7所示，获得的作战仿真试验数据如表3所示。
4.3 试验分析
技术指标单项试验是将仿真试验获取的技术指标参数与技术任务书进行比较，考查网络化算法是否达到任务书要求。将表3的试验数据进行组织、计算和分析，得到网络化算法作战仿真试验单项技术指标试验数据如表4所示。
根据网络化算法的作战仿真试验及数据分析，可得到如下结论：
1) 在理想情况下，坦克网络化火力打击自主规划系统中目标威胁评估和火力分配算法的作战运用指标基本满足技术任务计划书指标要求，但还需进一步研究和改进；
技术指标试验组别试验项目AB目标威胁评估置信度/%195852909039585装甲分队火力分配解算时间/s10.513 30.565 620.503 80.546 730.509 70.579 8装甲分队最大规划目标数量/辆11529292631134
表4 单项技术指标试验数据
2) 目标威胁评估置信度随目标数量的增大而降低，说明威胁评估算法容量还需进一步扩大，以适用于大规模作战；
3) 装甲分队火力分配解算时间随目标数量的增大而增加，试验结果符合技术预期，但解算时间还受计算机性能的影响，在装备性能配置时要综合考虑该因素；
4) 网络化算法并不会因武器目标数量超出指标需求而无法完成解算，但目标数量对解算结果可靠性和时效性影响明显，在技术改进时需重点关注。
5 结论
针对网络化作战技术和装备缺乏试验平台的现状，结合装甲分队作战仿真试验系统对指挥控制分系统的功能需求，设计实现了面向网络化作战试验的指挥控制仿真原型系统。系统软件采用能力配置和组件化的驱动模式，在保证装甲装备指挥控制功能完备性的同时，兼顾了支持网络化作战运用和指挥控制功能可拓展的实际需求。运行作战仿真试验系统并进行多组多因素的作战仿真试验，结果表明：指挥控制仿真原型系统可为装甲分队作战仿真试验系统提供指挥控制功能的仿真实践方法，为开展信息化条件下的全要素作战仿真试验提供了有力支持。
