分布式海军多兵种协同作战虚拟训练平台的设计

魏 东，李 伟，杨 斌

(海军航空大学，山东 烟台 264001)

0 引 言

虚拟现实具有直观性、可控性和再现性的特点，被广泛应用于教育、医疗、建筑、商业、娱乐和军事等领域。尤其在军事领域，被广泛应用于院校教学、装备使用和维护、军事训练等各个方面，克服了军事训练需要依托实际装备、安全风险大、成本高、易受天气影响等不利因素，取得了显著的军事和经济效益。例如，基于虚拟现实技术的飞行模拟器，能够使飞行员在虚拟设备上熟练掌握飞机的装备使用、飞行流程和危及到飞行安全的特情判断和处置方法；某型舰船燃气挡流板模拟训练系统使舰面操作人员熟练操作流程、装备维护和排故训练；雷达、舰船、导弹等虚拟训练系统都能够有效减少使用实装进行训练的时间，提高军事训练效益，对提升部队战斗力有着极大的帮助。

但是，目前国内外没有能够满足进行海军多兵种协同作战训练的虚拟训练平台，作战人员和指挥人员只能依靠军事演习或者实兵对抗获取实际协同作战经验。而采用这种方式，军事装备损耗大，油料、弹药等消耗量高，导致军事训练成本高，组织多兵种协同作战的次数也受到限制；同时受到场地地形、人员安全和演习规则等因素的限制，仅能由导演指挥部依据一定的规则对各武器装备和作战单元的作战效果做出评估，并不能客观公正地评判作战效果，因此在一定程度上制约了协同作战意识和战场态势感知能力的培养效果，也限制了协同作战理论的研究和验证。因此，对构建分布式海军多兵种虚拟训练平台进行研究具有一定的现实意义。

1 海军多兵种协同作战虚拟训练平台的功能需求

现代海军作战是多兵种的协同作战，具有军兵种多元化、战场空间多维化、作战样式多样化、战场信息共享化的特点。作战兵种突破了过去单一兵种作战样式，涉及到舰船、潜艇、飞机、雷达、导弹、电子干扰、陆战队等多个兵种，武器装备也需要多个甚至上百个作战人员协同操纵，多兵种协同作战必须在作战目标明确、行动统一的原则下，各军兵种作战单元形成有效的作战体系，才能够充分发挥作战单元的最大效能。因此，海军多兵种联合训练平台需要在纵向上实现装备使用模拟训练、兵种(分队)战术模拟训练；横向上实现多兵种协同战术模拟训练和多兵种联合战役模拟训练4个功能。

1.1 武器装备使用模拟训练

海军现代武器多为大型装备，除部分装备(如飞行模拟器)只有1个作战岗位外，大多数具备多个作战岗位，因此武器装备使用模拟训练以单机模拟器为基础，用于武器操纵、维护、排故技能训练，并通过模拟器内部网络实现各个作战岗位合成操作训练。单台模拟器应具有良好的沉浸感，设计性能指标要注重实体装备的使用特性，其主要性能参数仿真要与实际装备保持一致。

1.2 兵种(分队)战术模拟训练

兵种(分队)战术模拟器以多个武器装备模拟训练单元为基础，依托本地网络联为一体，用于作战部队内部之间的战术指挥、战术协调、战术应用性训练或者新战术、新战法的验证和推广、锤炼初级(分队)指挥人员和参谋人员的指挥作战能力。训练时，可以分成“红”“蓝”双方，紧贴实战，设置实战背景，进行对抗性演练，也可以进行单纯的多个武器单元间的协同性战术训练。

1.3 多兵种合同战术模拟训练

多兵种合同战术模拟训练利用信息融合和实时交互，依托专用网络，将异地部署的各兵种(分队)战术模拟训练有机地结合在一起，根据各部队承担的实际作战任务，设置具有假想敌背景的训练课题为主要内容，在“红”“蓝”指挥部指挥下，在指定假想作战区域内开展实战化的多兵种合同战术训练，这种方式能够有效增强作战部队之间、各军兵种间协调作战能力，锻炼多兵种协同作战指挥能力，锤炼初中级联合指挥、参谋人员的指挥作战能力，培养协同作战的意识，查找、验证合同战术中可能存在的问题。

1.4 多兵种合同战役模拟训练

多兵种合同战役模拟训练以多兵种合同战术模拟训练为依托，以战役方向担负的作战任务为背景，在一定战役地域内以阶段性作战目标为主要内容，“红”“蓝”指挥各自所属的多兵种部队，开展实战化对抗性模拟演练，用于验证、完善想定作战方案，同时锤炼中、高级指挥和参谋人员的指挥作战能力，并为新军事理论的验证和创新提供平台。

2 海军多兵种协同作战虚拟训练平台的设计

2.1 平台的总体设计

海军多兵种虚拟训练平台以分布在异地的武器(单兵)模拟器、指挥模拟训练器材为硬件基础，通过分布式网络技术接入虚拟训练平台，在控制软件的调度下，实现以虚拟作战背景为训练环境的分布式协同作战训练，完成武器(单兵)训练和兵种(分队)战术训练、合同战术和合同战役对抗模拟训练，系统组成如图1所示。

图1 分布式海军协同作战虚拟训练平台的总体组成

2.2 多兵种协同作战虚拟训练控制软件

多兵种协同作战虚拟训练控制软件是核心应用软件，将分布在异地的各军兵种仿真系统、模拟器和指挥控制系统组成一个完整的系统，围绕训练背景任务，实现任务管理、后勤评估、行为描述、毁伤评估、通信仿真和情报仿真等功能，并为模拟训练提供大规模、分布式、可靠稳定的运行环境。

分布式海军协同作战虚拟平台的模块组成如图2所示，除管理模块外，每个模块根据作战实体类别、功用、性能的不同由若干个模型组成。

图2 分布式海军协同作战虚拟训练平台的主要模块组成

2.2.1 管理模块

管理模块是虚拟训练平台的任务设定模块，用于视景生成和控制、实体接入、数据管理等，同时兼顾常规的导演部功能，负责虚拟训练背景的设置、演练规划、兵力规模设置和战场监控。

2.2.2 后勤模块

后勤模块根据演练双方提供的保障模式、方案和常规保障数据，利用联合部署保障模型、运输模型、维修保障模型进行解算，对在合同战术模拟演练和多兵种联合战役模拟演练模式下的作战保障能力进行评估，以决定双方兵力出动准备时间、连续作战能力、战损兵力补充能力。

2.2.3 行为模块

行为模块通过对武器(人员)实体行为、战术行为建模，将人员自身行动或对武器的操纵转化为对平台中的武器(人员)实体行为，对武器(人员)实体的单体行动、战术行为进行模拟。

2.2.4 毁伤模块

毁伤模块根据攻击时机、武器类别、武器性能、被攻击方的规避动作、电磁干扰等因素，依据对应的武器模型判别攻击行为是否有效，并确定被攻击方的毁伤程度。

2.2.5 通信和情报模块

通信模块利用通信装备模型、自动化指挥系统模型、数据链模型，对战场环境下的指挥体系通信保障能力、设备通信和抗干扰能力进行仿真。

情报模块仿真依据双方武器单元实体的类型、位置、高度、战术行为、干扰方式、抗干扰方式等信息，利用雷达、声呐、海军航空兵侦察监视虚拟环境、无人机情报监视侦察仿真环境和电磁干扰等模型对侦察单元获取、处理情报的能力进行仿真，以获取战场信息并汇总处理，形成接入实体从而对战场态势进行感知。

2.3 服务器分类

服务器包括动态虚拟服务器、静态虚拟服务器、客观态势服务器和指挥态势虚拟服务器。动态虚拟服务器负责动态虚拟现实任务和动态虚拟数据管理；静态虚拟服务器负责静态虚拟现实任务和静态虚拟数据管理；客观态势服务器用于存储“红”“蓝”双方真实的兵力部署、军事调动和兵力位置等不包含电子干扰、战术(战略)欺骗等在内的真实战场态势信息；指挥态势服务器用于记录“红”“蓝”通过战场技术侦察、战斗得到的主观战场态势和指挥作战信息，这两种信息可作为合同作战训练的回放和讲评。

2.4 作战实体和指挥部实体

作战实体是可接入虚拟训练平台分布在异地的单机模拟器或战斗人员。指挥实体根据部队编制和分布而设置，可分为合同战术指挥部实体和联合战役模拟指挥部实体，两者的区别在于指挥权限和获得的战场态势信息不同，其中战场态势信息的获得取决于指挥权限。

在组织模拟训练时，依据模拟训练的规模层次和指挥部实体在模拟训练中承担的指挥任务，确定指挥部的类别并设置指挥部的权限级别，以获得不同的战场态势信息和指挥权限。在协同作战模拟训练中，指挥权限会出现移交或转移的情况，例如负责指挥的武器单元被击毁或原指挥部实体失去指挥能力时，系统会根据预先设定的规则或演练信息进行权限移交，但是获得指挥权限的实体所获得的战场态势信息会根据联合演练实际情况进行调整。

3 构建分布式海军多兵种协同作战训练平台的关键技术分析

海军多兵种协同作战虚拟训练平台的实质是利用虚拟现实技术搭建模拟训练器，通过分布式网络技术将分散在异地的单机模拟器整合为多兵种协同作战虚拟平台。在构建平台时，除保证时间同步、数据安全和负载平衡外，还需要从数据管理、数据接口、作战效果评估和视景更新等方面进行深层次的技术需求分析。

3.1 数据分类和数据接口

在进行多兵种战术合同和多兵种联合战役模拟训练时，由于进入平台的实体较多且类型不一，战场态势瞬息万变，平台需要从各实体产生的海量数据中筛选出有效数据驱动不同类型实体和任务运行。但是平台数据呈现出大数据的特征，即数据规模大，数据产生的速度快，数据的种类和来源呈现多样性，数据内容具有潜在价值，但是价值密度相对较低。因此，需要通过对数据进行分类和筛选，最大程度上剔除冗余数据和噪声数据，减少平台内传输的数据量，提高数据的价值密度，提高平台运行的实时性和可靠性。

按照数据的驱动对象，将实体产生的数据分为基础数据、作战应用数据、作战评估数据、作战进程和态势数据，如图3所示。

图3 数据的分类和筛选

基础数据是驱动模拟器正常运行的底层数据，包括作战实体各系统产生的性能数据，如发动机的转速、排气温度、滑油温度和压力等，这些数据表示装备各系统是否工作正常，对于判断战场态势和作战效果评估没有直接的影响，可以直接存储在本地服务器，用于单兵训练和装备使用训练讲评。

作战应用数据是驱动指挥实体运行的数据，主要包括作战任务、作战计划和指令、武器装备数量和作战实体反馈的战场信息等数据，这些数据需要存储在平台服务器上，在指挥实体和所属作战实体间进行传输。

作战评估数据是驱动平台对作战效果进行评估的数据，主要包括作战实体位置、作战实体战术动作、攻击武器类别、攻击时机、武器效能、作战评估结果等数据，这些数据在平台服务器和作战单元间传输。

作战进程和态势数据是驱动作战进程和战场态势的数据，主要包括兵力分布、作战进程、战场态势和利用作战效果评估数据得出的攻击模拟结果数据，这些数据在平台服务器和作战实体间进行传输。

3.2 平台数据接口的逻辑关系

海军多兵种协同作战虚拟训练平台的接入实体具有多样性，产生的数据也具有多样性，且这些数据是平台运行的核心资源，需要在平台和实体之间、实体和实体之间进行传输。例如指挥实体和平台之间传输的作战应用数据，作战实体和平台之间传输的作战评估数据；飞机作战实体、舰艇作战实体和平台之间传输的作战评估数据在武器类别、机动动作、战术、武器效能等方面不尽相同，因此需要对平台的数据接口进行设计。平台数据接口逻辑的关系模型如图4所示。

图4 平台数据接口逻辑关系模型

数据采集模块采集接入实体产生的各类原始数据，存入本地服务器，按照驱动类型进行分类，通过平台数据接口模块将数据传输给服务器，由数据处理模块进行加工，将形成的数据提供给相应实体。

3.3 作战毁伤效果评估

海军多兵种协同作战虚拟训练平台为了准确评估武器的毁伤性能，达到模拟训练的真实性，需要建立各种武器的毁伤模型；同时，在平台进行毁伤评估时，还需要根据作战实体的结构和组成，建立作战实体的不同部位毁伤规则，并参考攻击实体和攻击目标提供的作战评估数据，进行毁伤效果评估。

例如机载导弹(破片式战斗部)进行空战时的毁伤评估流程，如图5所示。

图5 机载导弹(破片式战斗部)毁伤评估

攻击实体发射导弹后，目标实体会做出相对的规避动作或干扰操作，可依据导弹机动性能模型、导弹的制导方式和抗干扰模型、载荷性能模型，确定目标规避动作效果和干扰效果；然后结合攻击实体提供的速度、高度、飞行状态、发射时机和发射距离，评估对导弹运动轨迹的影响，再参照目标的飞行状态、高度和速度等因素，确定导弹相对目标飞行速度，判定导弹和目标交会场，可由部位毁伤准则依据交会场和毁伤模型，确定击中部位和要害部位类型，对毁伤实际效果进行评估。

对作战毁伤效果进行准确评估(以破片式导弹和飞机为例)应当遵循以下毁伤评估准则：

(1) 对交会场内导弹的引信探测和信号处理过程时间约定为0；

(2) 交会场内目标和导弹均做匀速直线运动；

(3) 导弹战斗部引爆后，行程的杀伤性毁伤元作匀速直线运动；

(4) 对于毁伤元的运动范围和毁伤分布应在武器试验数据内进行随机选择；

(5) 对不同型号飞机，应根据其位置、设备布局位置等信息确定毁伤效果系数；

(6) 依据交会场信息确定受攻击位置，并依据毁伤效果系数进行毁伤效果评估。

假设命中飞机舱段的破片数服从泊松分布，则：

(1)

式中：()表示飞机第舱段收到第破片场的破片平均数。

则毁伤舱段的概率为：

(2)

式中，为第舱段在第破片场攻击下的毁伤概率。

则由全概率公式可得出，导弹全部破片场(1≤≤)对第段舱段的毁伤概率数学模型为:

(3)

式中：为整数。

3.4 视景仿真

海军多兵种协同作战虚拟训练平台可利用Multigene Creator软件构建三维视景，但是在真实战场环境中，参战人员通过各种侦察手段获得的信息，尤其是通过无人机、电子侦察设备等所获得的战场信息，由于存在电子干扰、电子欺骗、战术伪装、战术欺骗、自然气象条件等干扰因素，所获得的战场信息的真实性并不是完整真实的，具有一定的“虚假性”。视景仿真流程如图6所示。

图6 视景仿真流程

在加入轻度雾霾天气气象干扰因素后，输出的仿真图，如图7所示。

图7 轻度雾霾气象条件下视景仿真图

4 结束语

虚拟现实和分布式网络技术相结合，促进模拟训练器材体系化发展，是未来虚拟现实技术在军事领域应用的发展方向。将分布在异地的模拟训练器材利用分布式网络整合成海军多兵种协同作战虚拟训练平台，能够更好地贴近“协同作战”、“对抗性”和“实战化”，满足未来海军军事训练、多兵种协同作战和协同作战指挥人才培养的需求，有利于促进海军军事训练向着集约化方向发展。与此同时，利用平台的复盘讲评，能够对在模拟训练中应用的新作战理论和新战术进行探讨完善，促进海军新军事理论和新战术的研究和发展。