基于VBS3的装备体系作战仿真评估系统设计

刘 帅，王 瑞，张宏江，魏永勇

(1. 航天工程大学研究生院，北京 100141；2. 陆军装甲兵学院演训中心，北京 100072；3. 中国兵器科学研究院，北京 100089)

1 引言

新时期武器装备体系设计、体系建设、体系运用、体系评估特征日益明显，这对装备试验鉴定提出了更高要求，需要以装备体系为评估对象，注重体系对抗检验。装备体系作战试验就是从体系对抗这一关键因素出发，以联合作战为背景，以检验装备体系作战效能与作战适用性，发现装备体系短板弱项为主要目的，成建制、成体系的装备试验鉴定活动，是检验装备体系设计能否满足战争需要、新研装备能否有效融入作战体系的重要手段[1-3]。

在装备的论证、设计、研制、试验与评估中广泛应用仿真技术和仿真，已成为武器装备研究与军事技术发展的趋势[4-8]。装备体系作战试验具有成本高、风险大、样本少以及对抗考核难等诸多特点，需要采取实装试验和仿真模拟相互补充、相互支撑的方式，利用实装试验数据、演训数据等持续校验装备和作战行动模型，通过高频度仿真获取海量数据，依托紧耦合评估模型生成评估结果，形成可信度高的装备体系作战效能、体系贡献率、建设效费比等评估结论，切实对装备体系改进升级、结构优化提供有效支撑，加速提升装备体系作战能力生成。

本文以合成部队装备体系作战试验为背景，针对其试验体系化、对抗化特征，提出了基于VBS3(Virtual Battlespace 3)仿真平台构建一套装备体系作战仿真评估系统的构想，用于支撑合成部队装备体系对抗仿真、体系作战效能评估、体系贡献率评估、建设效费比评估等工作，提升新形势下装备体系建设论证与试验评估能力。

2 VBS3仿真平台简介

VBS3是一款适用于军事模拟、实验、任务预演、虚拟培训环境等的仿真应用和开发平台。作为仿真应用平台，该平台具有10000多种专业的模型，结合了大量内容库、实时/离线场景创建编辑工具以及行动审查功能，拥有先进的仿真运行引擎和高效的建模工具，支持开发人员通过提供的框架和工具套件来定制和扩展平台功能，具有良好的开放性能和完整的系统框架结构，围绕仿真工作流程，提供了组件开发、模型与场景创建、想定编辑与管理、数据记录、管理控制、场景显示、统计分析等一系列工具[9]，能够很好地支持装备体系作战仿真领域的开发和定制服务。

3 装备体系作战仿真评估系统功能

开展典型作战任务场景下的装备体系仿真评估工作，需要构建与试验评估任务相符合的装备体系仿真评估环境，支撑装备体系评估工作的开展。

3.1 仿真引擎支撑功能

基于VBS3平台核心仿真引擎，能够支撑红蓝装备体系对抗构造仿真，满足实体级仿真精度要求。平台核心仿真引擎包括物理引擎、渲染引擎、声音引擎、网络引擎及AI引擎等。其中，物理引擎能够实现实体与环境、实体之间的碰撞与毁伤等交互功能；渲染引擎能够对二、三维态势进行实时渲染和显示；网络引擎能够实现仿真实体间的组网通信及互联互通互操作，同时支持以DIS、HLA等协议与异构系统的互联交互；AI引擎能够实现红方和蓝方作战规则的编辑及驱动，支持基于规则的仿真实体自主感知、决策和行动；声音引擎能够实现战场音效效果及语音指挥效果仿真。系统的公共基础功能服务以平台提供的仿真运行框架作为实体管理器，加载组件化的仿真模型，根据作战试验想定文件生成仿真实体、维护仿真实体池，提供查询仿真实体和存储仿真实体数据等功能；仿真引擎应具备仿真周期设置、仿真模型运行调度、模型内部和外部应用的数据交互、暂停、继续、退出等运行控制功能。

3.2 仿真对抗推演功能

进行红蓝装备体系对抗仿真，仿真模型至关重要，因此需要在构建试验部队及作战对手装备/人员实体的三维模型、数据模型、毁伤模型，武器平台战斗行动规则模型、班组战斗行动规则模型、群队战斗行动规则模型，虚拟地理环境、气象环境、电磁环境模型的基础上，依据仿真想定，依托计算机生成兵力进行作战过程仿真。计算机生成兵力能够自主地对虚拟战场环境进行感知，对自身状态和其它实体的状态做出合理的反应，能自动模拟实现作战人员或武器装备的作战行为，实现其在装备体系仿真对抗中的角色和职能，并提供二维态势和三维态势的联动显示，按照评估任务的需要，采集相关数据并存储到指定的数据库。

3.3 数据分析评估功能

由于试验评估数据来源的多样性、多元性，系统应当具备试验数据的挖掘处理、量纲归一处理、专家经验量化处理、结果数据管理等功能。能够根据不同装备体系使命任务和评估侧重点，构建装备体系作战能力与仿真数据、装备性能参数等的关联映射，形成系统能够采集、量化的指标体系。能够支持单装聚合、体系效能、任务贡献率等不同评估算法的具体计算，通过装配多层级、多维度的评估模型，以支持不同仿真数据输入前提下的评估，并提供评估参数设置、评估模型管理、评估结果输出等服务。

4 装备体系作战仿真评估系统体系架构

4.1 系统体系架构

系统体系架构是对仿真评估系统组成及其相互关系的描述，结合仿真建模、运行与试验评估全过程服务的要求[10]，装备体系作战仿真评估系统以作战仿真技术为依托，以虚拟军事仿真平台为基础，通过对武器系统单装单平台进行精细化建模，在构建虚拟战场环境中推演作战行动，验证作战效果，为装备体系作战试验提供有效的对抗仿真验证手段，为装备体系作战效能评估、装备体系贡献率评估和建设效费比评估等提供数据支持。为了使系统功能更完善、结构更清晰、开发更方便、扩展更灵活，采用分层体系架构进行系统设计[11]，系统在总体架构上主要区分为基础层、模型层、服务层、功能层和应用层5个层次，如图1所示。

图1 装备体系作战仿真评估系统体系架构图

4.1 基础层

主要提供武器装备、作战人员、地理环境等与仿真资源相关的三维模型构建和管理工具，建设装备体系仿真和评估相关数据库。

4.2 模型层

基于高精度仿真引擎和基础层中的模型构建和配置工具，构建仿真系统中所需的作战人员、武器装备、战场环境等三维实体模型，对各种战术行动进行仿真建模，并提供仿真计算所需的毁伤计算和评估分析涉及到的指标赋权计算、评估算子计算和评估聚合计算等模型。

4.3 服务层

主要提供地理信息服务、三维场景渲染服务、网络通信互联服务、物理仿真服务、三维显示控制服务、仿真推进服务、数据库访问服务组件、多节点运行控制服务、综合评估服务、评估指标关联映射和权重服务、评估结果可视化组件服务和评估报告生成服务等。

4.4 功能层

开发或利用资源管理、仿真规划、仿真管控、仿真运行和评估分析等软件工具，提供相应的功能服务，满足装备体系作战仿真评估任务需求。

4.5 应用层

面向装备体系作战试验需求，试验人员可灵活开展针对相关试验部队装备体系的对抗仿真，进行试验部队装备体系作战效能评估、体系贡献率评估及装备体系建设效费比评估分析等。

5 装备体系作战仿真评估系统技术架构

系统在VBS3仿真支撑平台及其已有基础软件模块的支撑下，根据装备体系仿真要求，对相关功能模块和软件工具进行改造或定制开发，以完成试验设计、试验管控、试验运行和试验结果评估分析，系统技术架构如图2所示。

图2 装备体系作战仿真评估系统技术架构

模型系统模块主要是基于Agent的装备智能行为建模技术进行定制开发，根据仿真需要实现对相关环境、装备及行为模型的调度管理，支持实时推演及实验运行模式。

模型构建模块主要是基于平台自带的装备建模工具、行为建模工具以及环境建模工具，构建满足仿真系统运行所需要的各类模型资源。

想定编辑模块主要是对平台自带的想定编辑工具加以改造，提供图形化人机界面进行仿真想定的创建、编辑等功能，将仿真的作战背景、战场环境以及包括敌我双方的作战编组、作战部署及行动计划等与作战想定相关的内容录入到系统中，形成作战方案数据。

态势显示模块主要是依托平台自带的态势显示、显示控制以及态势回放等工具，实时呈现二、三维时空一致的综合战场态势。

运行管控模块主要是依托平台自带的仿真引擎以及运行支撑服务、运行综合管控、想定监控与管理、作战行动仿真模型解算等工具，对系统的运行方式、运行模式等进行管理设置。

资源管理模块主要是基于平台自带的模型与数据管理工具，实现对各类基础模型数据资源的导入、编辑、维护、备份等管理功能。

数据采集模块主要是依托平台自带的仿真数据采集工具，对仿真过程的各类运行数据进行采集记录。

评估分析模块需要定制开发相应的仿真数据评估分析软件工具，能够对系统采集的数据进行处理，并根据不同的评估目的确定评估方案，主要包括确定数据、建立评估指标体系、确定评估模型、进行分析评估并形成评估报告等。

6 装备体系作战仿真评估系统组成

装备体系作战仿真评估系统组成如图3所示。主要由两大分系统组成，分别是装备体系作战仿真分系统和装备体系作战试验评估分系统。其中，装备体系作战仿真分系统根据作战想定实现仿真推演，并产生、采集、传输和存储仿真数据，主要由仿真规划与管控、模型构建、想定编辑、资源管理、仿真运行与控制、态势显示、数据采集等7个子系统组成；装备体系作战试验评估分系统是在仿真分系统产生的试验数据的基础上，依据评估目标，确定评估指标，选择相应的评估模型与算法，进行评估分析，最终生成评估报告，主要由作战效能评估、体系贡献率评估、建设效费比评估等3个分系统组成。

图3 仿真评估系统组成框图

7 装备体系作战仿真评估系统关系

在装备体系作战仿真评估系统内部，装备体系作战仿真分系统与评估分系统各自的功能以及相互之间的关系，如图4所示。装备体系仿真分系统产生仿真数据，并将仿真数据存储到数据库中，具体存储的仿真数据内容可以根据评估指标设定，同时支持装备体系作战仿真回放检验；装备体系作战试验评估分系统从数据库中访问相应的仿真数据，进行体系效能、体系贡献率评估等，生成装备体系作战试验分析评估报告。

图4 仿真评估系统关系图

8 装备体系作战仿真评估系统工作流程

装备体系作战仿真评估系统工作流程如图5所示。

图5 仿真评估系统工作流程

8.1 仿真准备阶段

仿真准备阶段围绕装备体系作战仿真评估需要，将作战想定中涉及的具体装备型号、编配体制，担负的主要作战任务、红蓝双方的作战部署、行动计划及特定战场环境录入到系统中，并对试验要素、试验方案进行优化设计，对试验开始时间、试验运行结束条件、推演次数等参数进行设置。系统按照格式化模板生成仿真方案数据，提交给仿真运行与控制子系统，进入仿真运行阶段。

8.2 仿真运行阶段

仿真运行阶段根据仿真规划子系统生成的仿真方案数据，在分布交互仿真环境中由仿真控制模块来控制试验方案运行次数、开始、暂停等，由作战行动仿真模型解算模块实时生成对抗环境中的仿真实体，按照作战计划和要求完成作战任务，由综合态势显示子系统实时生成二、三维战场态势信息，并生成态势回放数据。数据采集模块实时记录仿真过程数据和作战实体状态数据，为仿真评估分析提供数据支撑。

8.3 评估分析阶段

评估分析阶段以仿真数据作为基础数据，根据分析评估目标和评估对象依次进行能力分解映射、指标体系构建、指标权重赋值、多层级评估模型构建，在此基础上对仿真数据进行预处理，包含去噪、无量纲化、关联计算后，按评估流程开展分析评估计算。

8.4 评估结果展示阶段

评估结果展示阶段主要对分析评估的结果进行可视化展示，包括不同装备体系能力对比分析，不同作战方案的任务战损比、物资消耗比、完成效率、作战效能，装备体系贡献率综合评估，典型装备的建设效费比评估等，提供多种样式的图、表等可视化方式以展示评估结果，并结合不同仿真数据生成不同评估目标的评估报告，供不同用户参考使用。

9 结论

本文提出了一种基于VBS3仿真平台的装备体系作战仿真评估系统设计思路方法，针对系统开发过程中的主要功能设计、总体架构设计、系统组成设计、仿真流程设计等环节进行了研究，给出了设计思路。该系统立足于当前装备体系化、对抗化试验评估现实需求，能够为合成部队装备体系作战仿真评估手段建设提供支撑，可提升联合作战背景下装备体系化设计论证、检验评估与建设优化能力，具有较强的实用意义与参考价值。