美军面向LVC联合训练的技术发展

白 爽,洪 俊

(海军大连舰艇学院,辽宁大连 116018)

LVC仿真就是包含实况仿真(L)、虚拟仿真(V)和构造仿真(C)的仿真系统。L(Live)指真人操作真实的系统,既包括训练环境中训练人员操作真实平台或系统,也包括作战人员在作战环境操作指挥控制系统。V(Virtual)指真人操作模拟系统,虚拟系统通过操作、决策或通信等技能训练,将训练者赋予一定角色,使人在训练回路中发挥核心作用。C(Construction)指模拟人操作模拟系统,真人只能进行输入,不参与最终确定结果[1-2]。

随着军事需求和仿真技术发展,美军在建模仿真与实验训练领域间实现互操作方面进行了大量实践,使得美军在面向LVC训练上取得了丰厚成果,积累了丰富经验。本文分析美军训练仿真体系结构、模型框架、存在的问题及改进方法,可对我军发展训练仿真系统,探索大规模联合训练具有重要借鉴价值。

1 LVC联合训练的提出背景

1.1 LVC训练需求

2006年5月美国国防部在训练与转型战略计划(以下称T2计划)中提出,训练转型的两大任务是促进一体化作战能力生成和国防持续向基于能力转型,并设立了5个目标支撑[3],分别是：

1)根据作战需求,调整联合训练项目和资源配置,持续提高联合部队的作战能力;

2)实现不同机构或组织间的联合训练;

3)塑造联合作战意识;

4)为新型作战概念和能力奠定基础;

5)发展单兵和组织的应急处置能力。

为了实现训练转型,美国国防部制订了3个重点开发项目,分别是联合国家训练能力项目(JNTC)、联合知识开发与分发能力项目(JKDDC)和联合评估与赋能能力项目(JAEC)。其中,JNTC以构建LVC一体化的模拟训练环境为基础(如图1所示),可以全天候使用,并与真实的指控系统连接,可用于部队一般训练、专项任务演习,可支持实施特种作战所需的全球性训练和演习,实现多地域、跨部门的联合训练,逼近实战化训练。在JNTC计划中，LVC训练环境可以支持各个训练层级,不同人员类别,不同训练度的训练。表1是一组LVC训练组合表。各级训练都在联合环境下进行,强化现有的联合演习训练环境,进行联合互操作性训练,为未来一体化的无缝军事行动提供接近真实环境的训练。

图1 真实-虚拟-构造(L-V-C)训练环境

1.2 仿真体系结构发展分析

随着计算机仿真技术在军事领域的发展,训练仿真体系结构发展呈阶段性变化趋势[4-5]。

1)分布式交互仿真技术体系(DIS)。1989年，美国国防部发展了DIS,解决网络仿真研究计划(SIMNET)中各平台级对象在互连互操作上出现的问题。DIS以分布式仿真节点和计算机网络为基础,将具有年代差距的仿真技术,标准差异的仿真产品和不同用途的仿真平台连接起来,实现互连互操作功能。

DIS结构简单、易于实现,但是结构本身存在以下局限性。

表1 LVC训练组合

① 采用非对称体系结构,异构仿真节点间通过规范信息交互实现互操作,在处理层次关系复杂的系统时不完备;

② 数据表示方法固定,不能实现仿真节点间只传递变化信息;

③ 仿真实体之间采用广播方式进行信息交互,造成带宽浪费;

④ PDU的制订具有针对性,对其他领域的新型仿真器适应性较弱。

2)建模与仿真高层体系(HLA)。1995年,美国国防部为了实现所有类型的模拟和仿真系统间以及它们和C4I系统间的连接和互操作,提出了MSMP计划,决定建立一个通用的仿真技术体系架构,其核心为HLA规范。美国国防部规定2001年后研发的仿真系统必须兼容HLA。

HLA要求在联邦设计时必须遵守其基本规范,联邦成员间通过标准的接口进行互操作,对各联邦成员内部制订了标准的对象模型模板。这使得HLA实现了应用层和底层支撑环境的分离,仿真系统即插即用,按需进行联邦的组合配置。但是HLA也存在不足,通用性较差,具体应用实现的限制条件较多,比如各联邦成员的对象模型的标准必须一致,否则不能实现互操作[6]。

3)试验训练使能体系(TENA)[7]。20世纪90年代末，美军启动了FI2010工程,在实验和训练领域体系结构设计方面进行了尝试,制订了TENA。其目的在于提高试验和训练领域资源的互操作性、重用性和可组合性。

TENA定义的对象不仅包含基本属性,还包含与之关联的操作方法。TENA对象可以进行组合,提高了对象的互操作和重用。TENA支持DIS和HLA等多种标准和协议,技术体系开放,具有较强的灵活性和适用性,解决了与HLA结构的实验训练仿真资源的互操作和重用[8]。

4)公共训练仪器体系(CTIA)。2005年，美国陆军研发旨在为真实训练改革(LT2)系列产品研制提供实验支撑。CTIA与上述体系结构相比,具有以下特点。

① 多无线通信节点间采取集中式服务策略,实现了带宽有效管理;

② 与非CTIA架构系统间采取基于CORBA的网关技术,实现了可靠通信;

③ 设计了公共数据库,存储训练过程信息,支持随时随地的训练回放;

④ 唯一采用面向服务技术的体系结构。

美军在不同时期对训练仿真的需求是不同的,以DIS为代表的仿真体系结构支持同类功能仿真应用的互连互操作,以HLA为代表的仿真体系结构注重开放性和通用性,以TENA和CTIA为代表的仿真体系结构面向具体应用领域,通用性更好。如图2所示这些体系结构都具有自己的局限性,针对不同的需求,只能在L、V、C中的一个到两个层面解决资源集成的问题。可见,基于不同体系结构开发的系统在互操作性问题上,并不能完全适用于 LVC 联合试验[9]。

图2 各体系结构适用范围

2 多系统互联的现状

2.1 多系统互联的技术问题

将多个异构仿真系统联合起来构建LVC训练环境是一项复杂的系统工程,其中主要的技术问题体现在以下几个方面[10-11]:

1)各训练系统间的数据互识别。不同的仿真系统各自有不同定义的元数据和数据结构,如果不同仿真系统实现互操作就必须保证系统间的数据可以彼此识别。

2)联合系统的逻辑合理性。单个训练系统内部一般靠时间逻辑控制,运行和调度训练模型,联合运行多个系统时,必须融合个体的控制逻辑,保证整体运行的合理逻辑控制。

3)具有可扩展性和可组合性。各系统要具有良好的扩展性和组合性,实现在系统自身不具备某项功能时,可以通过“即插即用”方式,联合运行具备能力的系统弥补功能不足,最大程度重用已有系统。

2.2 多系统互联的系统结构

目前多系统互连的体系结构主要有下面几类[12-14]:

1)基于DIS或HLA系统的单联邦结构

这种单联邦结构需要按DIS或HLA的标准,改造内部的模拟仿真系统结构,设计一个统一全局的PDU或FOM表,最终在DIS或HLA的管理机制控制下实现模拟系统的互联,形成一个支撑演习训练的联邦运行体。在需要互联系统不多时,这种结构优势明显,但随着训练应用的扩展其缺点渐渐暴露出来。改造模拟训练系统的工作量和复杂度随着系统数量的增加急速膨胀,使得多系统联邦运行面临巨大风险。

2)基于DIS或HLA系统的多联邦结构

这种多联邦结构是由符合DIS或HLA的多个联邦组成,与单联邦结构不同,联邦内部通过PDU或RTI的管理机制控制时钟同步和数据交换,联邦间通过网关或桥进行时钟同步和数据交换,如图3所示。这种框架可以最大程度地将已有的联邦成果利用起来,形成更大规模的训练环境,但不能从根本上解决DIS或HLA系统单联邦结构的发展局限,也不能实现不同技术体系下的多系统互联[15-16]。

图3 基于HLA系统的多联邦结构

3)多技术体系混合结构

多技术体系混合结构借鉴了TENA的体系架构,在总体设计上最大程度上保持、利用原生系统的技术体系,包括:DIS、HLA、TENA和CTIA等, 不同系统间的数据交换和时间同步通过建立公共数据对象、网关和桥等方式实现,使整个系统的数据结构一致、运行逻辑合理[17-18]。多技术体系混合结构如图4所示。

图4 多技术体系混合结构

目前,美军主要依靠这种体系结构搭建LVC训练环境。2002年6月至8月,美军进行了“MC2002”演习,演习中美军首次采用类JLVC联邦环境,9个实兵训练场,17个计算机仿真模拟场地,同时展开。自2006年美国国防部T2计划以来,美军联合作战司令部一直在JLVC的支持下进行军种和战斗司令部级训练,并支持JLVC联邦建设,使其不断升级改进。JLVC联邦不断将新的训练模拟仿真系统集成进来,满足新变革形势下的训练需求。

3 JLVC联邦系统及其发展

为了从战术层面到军事行动层面支持联合作战队员进行真实高效的联合训练,美军不断提升JLVC联邦的训练能力,并发布了《JLVC联邦集成指南》(以下称《指南》),以确保面向联邦开发的邦员系统具有与之匹配的关键接口和标准。

3.1 JLVC联邦模型及组成

《指南》中提出了一个JLVC联邦的模型定义,如图5所示,模型包含了JLVC联邦与数据服务、组织机构、各项标准及认证、数据信息、结构框架之间的关系,也包含了JLVC的各项组成。JLVC联邦模型是进行JLVC联邦构建的基础。

图5 JLVC联邦概念模型

JLVC联邦主要由模拟系统、仿真支撑技术系统、实兵演习环境、基础通信网络设施和C4I系统接口构成[19],如图6所示。

图6 JLVC联邦构成

1)模拟系统。JLVC联邦通过联合运行各邦员仿真系统模型,搭建了一个大规模综合模拟训练环境。联邦已经集成了军种主要训练模拟系统,这些系统在联合训练中担负各自使命,JCATS、JSAF和AWSIM系统分别对应陆、海、空部队行动仿真,ACEIOS、TACSIM和NWARS NG系统负责不同方面的情报活动仿真,JDLM系统负责联合部署后勤活动仿真,各系统均可与C4I系统进行交互。

2)仿真支持技术体系。JLVC联邦采取开放的方式,吸纳了多种技术体系,实现跨地域、跨机构模拟系统的互联互操作。

3)实兵演习环境。在JLVC联邦中,指挥方面由全球联合指挥控制系统(GCCS),行动方面由各军种战术训练靶场和武器装备模拟器,共同构建实兵演习环境。

4)基础通信网络设施。连接联邦内邦员内部及邦员间跨地域的模拟资源,是实现LVC联合训练的硬件基础设施。

5)C4I系统接口。把C4I系统集成入JLVC联邦,可为指挥员提供真实的指挥环境。

3.2 JLVC联邦的问题

JLVC联邦训练环境已经可以支持联合训练各个层级的训练,在不断发展更新的过程中逐渐暴露以下几个问题。

1)复杂性[20]。当前的JLVC联邦包含多种作战模型,他们集成在一起激励C4ISR系统并与特定的真实和虚拟系统交互。每个联邦成员都处在独立的开发周期中,具有不同的治理模型。重复地集成这些联邦成员，变得越来越复杂,任何一个联邦成员的开发缺陷,都可能导致JLVC联邦的失败。

2)开发时间。基于联邦成员的独立开发周期,当前JLVC联邦的开发周期在18个月到12个月的范围内,这导致每年都有一个主要的JLVC联邦版本发布,而且在这个持续的开发周期中,很大一部分用来测试JLVC联邦环境的稳定性和互操作性。

3)冗余。JLVC邦员在各自领域有着特有的优势,但在JLVC联邦中表现出大量的模型冗余。事实上,JLVC集成很大一部分工作是为了消除邦员中类似功能的冲突。

4)费用。由于JLVC联邦的复杂性和持续的开发周期,造成运维成本增高,技术人员需求缺口逐渐增大。

5)灵活性。JLVC联邦集成环境相对固定,体积庞大,对训练对象的精准对接设计不足。在只进行CCMD层级项目训练时,通常需要其他层级相关人员配合。

3.3 基于CEMS的JLVC2020系统框架

为了解决JLVC联邦存在的问题,美军提出了JLVC2020计划以改变原有的仿真训练环境,将组成复杂且庞大的仿真模拟系统由小型的具有特定功能的模块服务单元取代,通过云服务环境建设进行整合,最终形成一个灵活高效的仿真模拟训练环境。

基于CEMS的JLVC2020系统框架主要由CEMS、相关数据层、权威资源数据库、想定管理工具和虚拟训练接口构成[21],框架结构如图7所示。CEMS主要由数据服务代理,接口层、战争模拟层和环境层构成。数据服务代理是JLVC2020核心引擎,连接模块化服务层与数据层交互;接口层为LVC训练提供通信、转换协议和服务显示;战争模拟层可以根据训练需求,选择适当模块组合支撑训练目标;环境层可搭建自然和兵力仿真环境。权威数据库由美军通过演习、训练、试验、装备研发及情报行动等活动获得的真实世界数据,通过筛选核查分类建立的数据库。相关数据层主要解决大型联合仿真中经常出现的数据冗余、问题数据等问题。想定管理工具可以根据训练目标快速构建训练环境,是实现JLVC2020灵活性和可组合性的关键组成部分,大大节约了人力,缩短了联合演练生命周期[22]。虚拟训练接口是训练者与M&S系统的接连结构,实现JLVC2020系统让参训者知悉训练资源,并且能够方便地使用这些资源等目标。

图7 基于CEMS的JLVC2020框架示意图

自2015年起，美军逐渐用JLVC2020版本取代JLVC联邦6.X版本,美军认为随着云服务技术和计算机高速计算能力等重点技术的发展,JLVC2020实现面临的风险挑战会逐步被克服。

4 结束语

美军在训练与转型的过程中,将LVC训练作为核心内容,在长期的发展过程中,逐步找到训练效益与经费之间的平衡,重用已有的仿真资源,避免独立的“烟囱式”发展造成重复建设,提高系统的可靠性和开发效率。JLVC联邦作为LVC训练的支撑技术,不断摆脱由仿真技术发展历史原因造成的多仿真体系在互操作性能上的局限,通过发展模块化服务、数据服务代理和数据管理模式等先进技术,提出了基于CEMS的JLVC2020计划,目标是建立一个对仿真技术人员依赖度低,运维经济高效、贴近实际战场、搭建方便快捷的联合训练环境。

研究美军在面向LVC训练的技术发展历程,运行体系结构,吸取经验教训,有助于提升我军联合训练仿真系统建设水平。