基于HLA 的蛙人运载器作战效能评估系统的设计与实现∗

李刚强 胡训强

（海军91976部队 广州 510430）

1 引言

蛙人是极具海军特色的特种作战力量，具备较强的水下渗透、侦察和突击能力，能够在战时和平时遂行多样化任务。蛙人运载器是一种以潜艇或水面舰船为支撑平台、以作战为目的的海军特种装备［1］。蛙人运载器可以将蛙人隐蔽地输送到指定作战海域，并承担任务结束后撤离工作，是保障蛙人顺利完成任务的重要装备之一［2］。

因此，世界各军事强国都非常重视蛙人运载器的研制生产，而蛙人运载器的作战效能评估是此类装备发展论证、研制生产、使用维护中的必不可少的环节。但是以实装进行作战效能评估，一来可能没有实际装备（如新装备的发展论证），二来难以构建真实的任务环境。因此，有必要开发数字化的蛙人运载器作战效能评估系统，在贴近实际的虚拟战场环境中，通过调整敌我双方的装备参数和使用方式，得到较为准确的评估结果，以此支撑前期的装备研制立项，以及指导后期的装备设计研发和作战使用。为此，本文应用装备仿真相关技术，设计和实现了一种基于HLA 的分布式蛙人运载器作战效能评估系统。

2 系统总体架构

蛙人运载器作战效能评估系统的总体架构采用三层体系架构，按照信息的流向，从下到上依次为资源层、服务层和应用层，如图1 所示。这种分层架构可有效从模型数据、服务接口和系统应用三个层面对系统进行解耦，既可以提高系统的开发效率，也有利于系统的灵活配置和复用，是当前仿真系统的一种重要设计方式［3］。

图1 蛙人运载器作战效能评估系统的总体架构

2.1 资源层

资源层包含系统所使用的数据和模型两大类资源，目的是为了提升数据和模型的标准化程度和可复用性。

其中，模型资源主要是指各类仿真模型，包括蛙人机动模型、水声模型、声纳探测模型、数据处理模型，为系统运行提供模型解算功能，以动态链接库或COM 组件的形式存放；数据资源主要包含数字海图、军标、仿真方案和装备参数，存放于数据文件和关系数据库当中，主要在系统运行时提供数据查询、模型参数调用、态势显示和评估结果存储等功能。

2.2 服务层

服务层为系统运行提供仿真服务接口，主要包括RTI服务、数据服务和模型调用服务。

其中，RTI服务即RTI运行时环境，通过对符合RTI 规范的接口的调用，支持系统中实体属性和交互信息的发布与订阅；数据服务则依据数据资源模型，以军用地理信息接口和SQL 语言接口的形式，封装对数据的查询、调用、存储和显示；模型调用服务通过调用仿真模型，更新仿真实体状态，生成并发布战场态势。

2.3 应用层

应用层直接体现系统的功能应用，是系统的人机接口所在。应用层主要包括系统控制、潜艇及蛙人运载器操作、反蛙人声纳操作以及效能评估四部分。系统控制主要用于控制系统运行进程和编辑发布仿真方案；声纳操作模拟声纳装备的探测和目标录取等功能；潜艇及蛙人运载器操作主要用于控制潜艇及蛙人运载器的机动和作战行动；效能评估则根据记录的仿真数据，经过统计处理，对蛙人运载器的作战效能进行评估。

3 系统软件设计

3.1 系统功能设计

美国国防部为了解决各种军用仿真应用之间的互操作性问题，提出了高层体系结构（High Level Architecture，HLA）技术框架。它通过通用的、相对独立的运行支撑环境（Run-time Infrastructure，RTI）对仿真的功能实现、运行管理和底层通信进行了解耦，使得各个部分可以独立开发，实现系统的即插即用［4］。

由于蛙人运载器作战效能评估系统涉及系统的运行控制、蛙人运载器和蛙人的机动、声纳探测和数据处理、作战效能评估等多个仿真应用，因此适合基于HLA 进行其系统设计，系统组成结构如图2所示。

图2 蛙人运载器作战效能评估系统的软件组成结构

1）系统控制联邦成员

系统控制联邦成员主要实现三项功能:一是设置初始参数，包括水声环境、蛙人运载器以及反蛙人声纳的类型、数量和初始部署等；二是设定潜艇、蛙人；三是控制仿真运行进度，包括仿真的开始、结束、暂停、继续、重启以及时比调节。

2）态势显示联邦成员

态势显示联邦成员主要有两项功能:一是通过RTI 订购态势信息，以电子海图、军标和图形形式显示仿真海域、兵力行动和探测结果；二是对显示方式进行控制，从敌我属性、缩放比例等多个角度观察态势。

3）效能评估联邦成员

效能评估联邦成员通过订购所有的战场信息，主要实现三项功能:一是数据记录与统计功能，为辅助评估提供所需的战场数据和分类信息；二是效能评估功能，根据统计结果对蛙人运载器的作战效能进行评估，分析影响作战效能的主要因素；三是态势记录与回放功能，对仿真的全过程进行态势记录，并可在评估阶段对态势进行回放。

4）水声仿真联邦成员

水声仿真联邦成员主要对仿真海域的水声特性进行仿真，为了保证评估结果的可信度，它主要实现两项功能:一是仿真水声信道对声纳信号造成的传播损失、声波吸收以及频率变化；二是仿真海水的声环境噪声和海洋混响等干扰信号对声纳工作造成的影响［5］。

由于在线仿真水声特性的计算量巨大，不利于系统的实时运行［6］。因此，可以首先离线构建和调用水声特性模型，计算得到战术层面上对声纳探测造成影响的水声特性参数并存入数据库，系统运行时再从数据库中调用相应参数，进行相对简单的战术级计算，这样就可以兼顾在保证系统的仿真逼真度与运行效率。

5）潜艇联邦成员

潜艇联邦成员对潜艇装备进行仿真，主要实现三项功能:一是仿真潜艇的机动过程；二是仿真潜艇对蛙人运载器的装载和施放；三是仿真潜艇的水声特性。

6）蛙人运载器联邦成员

蛙人运载器联邦成员对蛙人运载器装备进行仿真，主要实现三项功能:一是仿真蛙人运载器的机动过程；二是仿真蛙人运载器的反射强度和声源级等水声特性；三是仿真蛙人运载器携行的被动告警声纳的工作过程。

7）反蛙人声纳联邦成员

反蛙人声纳联邦成员主要对反蛙人声纳装备进行仿真，主要实现两项功能:一是设定反蛙人声纳的工作频率、检测阈值、接收指向性指数等装备参数；二是仿真反蛙人声纳的数据处理过程。

由于声纳数据处理的大数据量会对系统实时性造成不良影响，因此，可以借鉴文献［7～9］中的方法，将声纳数据处理过程划分为若干子过程，将每个子过程映射为一个线程块，再将每个子过程中的具体步骤映射为线程块中的若干线程，利用支持GUDA技术的GPU进行内外两层并行运算［10］，从而提高声纳数据处理的效率。

3.2 FOM表设计

为促进仿真系统之间的互联、互通和互操作，HLA为联邦成员之间按照公共的、标准化的格式进行数据交换提供了联邦对象模型（Federal Object Model，FOM），以此来描述联邦运行过程中需要交换的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数等信息［11～12］。在HLA联邦开发实践当中，以表格形式的对象模型模板（Object Model Template，OMT）来描述FOM，蛙人运载器系统的部分FOM 表的内容如表1～3所示。

表1 复杂数据类型POSITION的FOM

表2 对象类Entity的FOM

表3 交互类Detect的FOM

复杂数据类型POSITION 表示实体的位置，在程序代码中对应着一个结构体。根据系统的软件组成结构，潜艇和蛙人运载器类继承了FOM 中Entity对象类的所有属性；声纳类则继承了Sonar对象类的所有属性；声纳探测类则继承了交互类Detect的所有参数。

4 系统实现

根据前文所述的功能设计以及FOM 表设计，在Visual Studio 2010 IDE 中，基于MAK RTI 和军用地理信息及图形处理开发支撑环境（MGIS），实现了基于HLA 的蛙人运载器作战效能评估系统。系统中的各联邦成员共用一套界面，通过配置文件区分角色，针对特定联邦成员确定菜单或工具栏的可用或禁用，以及加载相应的DLL，系统的界面如图3所示。

系统仿真运行时，首先加载地图，并设定初始参数，包括海洋环境参数、仿真运行次数以及步长、蛙人运载器的声学特性参数、蛙人运载器携载的告警声纳参数等，然后开始仿真。

图3 系统运行界面

在指定路径或人工控制下，潜艇到达预定投放点后卸载蛙人运载器，之后蛙人运载器抵近敌方预定目标，如果进入到敌方被动声纳的有效探测范围，敌方主动声纳开机，当蛙人运载器进入敌方主动声纳探测范围后，告警声纳给出提示信息，然后根据预先规划好的规避方案低速规避，待脱离告警区域后，从其他方向抵近敌方预定目标。如果仿真运行满足以下三个条件之一，则可认为一次仿真过程结束:

1）蛙人运载器到达预定目标点（任务成功）；

2）规避敌方主动声纳超过30min 并且没有抵达预定目标点（失败）；

3）被敌方主动声纳探测到后1min 内未摆脱（失败）。

假设进行三轮仿真，每轮仿真各运行100 次，每轮仿真中，只改变敌方反蛙人声纳的部署，其他参数不变，仿真条件及结果如表4所示。

表4 仿真实例结果

通过分析，由于告警声纳无法确定声纳具体位置，导致陷入规避超出预定时间的概率最高达8.2%，说明导致规避战术机动时无法实施最佳的战术动作，影响突防概率。因此，在研制实际蛙人运载器时，应注意装备可以测距和测向的告警声纳；或者在现有装备条件下，进一步对蛙人运载器的规避机动进行研究，从而提高蛙人运载器的作战效能。

5 结语

本文设计和实现了一种基于HLA 的蛙人运载器作战效能评估系统，针对系统的总体架构、软件设计以及系统实现进行了详细的论述。所实现的系统已经应用于国产某新型蛙人运载器的设计和研制当中，在预警能力、机动能力和隐身能力等方面为研制单位提供了数据支撑，取得了良好的效果，也为其他类似的装备作战效能评估系统提供了有益的借鉴。