基于HLA的潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邊聚廣

(江蘇自動(dòng)化研究所，連云港222006)

1 引言

現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)一般都有訓(xùn)練和戰(zhàn)斗兩種工作模式，其中訓(xùn)練模式主要是通過(guò)模擬各種戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和各種軟硬武器發(fā)控過(guò)程，形成仿真回路，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備的聯(lián)動(dòng)，讓各戰(zhàn)位人員熟練裝備的操作使用，熟悉潛艇作戰(zhàn)流程。但是隨著世界海軍裝備的發(fā)展，體系對(duì)抗和聯(lián)合作戰(zhàn)成為軍事領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，多平臺(tái)、多系統(tǒng)的聯(lián)合作戰(zhàn)是一種不可阻擋的趨勢(shì)，如何在潛艇上實(shí)現(xiàn)體系對(duì)抗和聯(lián)合作戰(zhàn)演練，對(duì)提高潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能具有重要意義。

傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)中各個(gè)目標(biāo)都是按照預(yù)先設(shè)定的航路行進(jìn)，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)一成不變，然而真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變，目標(biāo)不僅有運(yùn)動(dòng)行為，同樣有攻擊和防御行為，甚至運(yùn)用各類戰(zhàn)術(shù)協(xié)同攻擊等。如果進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)演練則必須進(jìn)行實(shí)裝演習(xí)，耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，制約了潛艇戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的研究。根據(jù)各類作戰(zhàn)想定制定訓(xùn)練任務(wù)，并設(shè)計(jì)真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗和聯(lián)合作戰(zhàn)的訓(xùn)練成為潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)新的需求。

2 HLA分布式交互仿真

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)是一個(gè)開(kāi)放的、支持面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的通用技術(shù)框架，主要考慮設(shè)計(jì)聯(lián)邦成員間的交互，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)邦集成以達(dá)到仿真的目的。聯(lián)邦是用于達(dá)到某一特定仿真目的的分布仿真系統(tǒng)，其運(yùn)行過(guò)程稱為聯(lián)邦運(yùn)行，它由若干個(gè)相互作用的聯(lián)邦成員構(gòu)成，最主要的一種聯(lián)邦成員是仿真應(yīng)用。仿真應(yīng)用使用實(shí)體模型來(lái)產(chǎn)生聯(lián)邦中某一實(shí)體的動(dòng)態(tài)行為，它可以是應(yīng)用程序，也可以是硬件平臺(tái)。聯(lián)邦成員間的信息交互通過(guò)支持環(huán)境RTI提供的服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。HLA將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分離，即將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信三者分開(kāi)，隱蔽各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而使各部分相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用系統(tǒng)的即插即用，保證聯(lián)邦范圍內(nèi)的互操作和重用［1］。

HLA主要有3部分組成:規(guī)則、對(duì)象模型模板、接口規(guī)范說(shuō)明和運(yùn)行支持環(huán)境(RTI)。其中，規(guī)范描述了聯(lián)邦成員和RTI的責(zé)任及關(guān)系，是仿真實(shí)現(xiàn)正確交互的基礎(chǔ);對(duì)象模型模板提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的文檔格式來(lái)描述聯(lián)邦及其成員對(duì)象的模型信息;接口規(guī)范說(shuō)明以服務(wù)的方式定義了聯(lián)邦中聯(lián)邦成員進(jìn)行信息交互的方式，運(yùn)行支持環(huán)境(RTI)是HLA接口規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)［1］。

3 潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1)能提供面向特定訓(xùn)練任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì);

(2)能進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練任務(wù)，為研究戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法提供平臺(tái);

(3)能進(jìn)行作戰(zhàn)流程的監(jiān)控和回放;

(4)能進(jìn)行作戰(zhàn)過(guò)程的評(píng)估;

3.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和各成員功能

潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練的關(guān)鍵是營(yíng)造出具有一定真實(shí)性的作戰(zhàn)環(huán)境，根據(jù)對(duì)潛艇作戰(zhàn)流程的分析，采用HLA體系結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)和仿真模型的松耦合性，仿真臺(tái)間具有良好的互操作性和可重用性，且保證系統(tǒng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

導(dǎo)演臺(tái):

(1)負(fù)責(zé)訓(xùn)練系統(tǒng)的聯(lián)邦運(yùn)行管理。系統(tǒng)運(yùn)行前，創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行，在各仿真成員加入聯(lián)邦后，啟動(dòng)聯(lián)邦執(zhí)行。在仿真過(guò)程中，負(fù)責(zé)整個(gè)聯(lián)邦仿真時(shí)間的協(xié)調(diào)推進(jìn)。

(2)負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)初始化。將初始態(tài)勢(shì)信息(包括本艇和目標(biāo)位置，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等)發(fā)布給相關(guān)的仿真臺(tái)和作戰(zhàn)系統(tǒng)。訓(xùn)練過(guò)程中，訂購(gòu)各個(gè)仿真實(shí)體的位置和動(dòng)作，顯示戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)需要，更改戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，或向各個(gè)目標(biāo)仿真臺(tái)下達(dá)各種命令，包括航路變化，攻擊和防御等，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的超控管理。

記錄評(píng)估臺(tái):

(1)接收并記錄整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的真實(shí)態(tài)勢(shì)，包括戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、本艇、目標(biāo)、軟硬武器等的位置、動(dòng)作等，并進(jìn)行二維和三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示。

(2)對(duì)整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行壓縮，便于回放訓(xùn)練過(guò)程。通過(guò)制定相關(guān)評(píng)估指標(biāo)和模型，完成對(duì)訓(xùn)練過(guò)程的評(píng)估，并自動(dòng)生成評(píng)估報(bào)告。

模型庫(kù)/數(shù)據(jù)庫(kù):

存儲(chǔ)和管理戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)以及創(chuàng)建各個(gè)實(shí)體需要的模型庫(kù)，滿足各個(gè)仿真臺(tái)對(duì)性能參數(shù)、模型、文件的存儲(chǔ)、提取需求。

戰(zhàn)場(chǎng)水聲信號(hào)仿真臺(tái):

根據(jù)各個(gè)實(shí)體(潛艇、水面艦艇、魚(yú)雷、聲抗器材等)真實(shí)的位置和動(dòng)作，以及相應(yīng)的噪聲參數(shù)、傳感器性能參數(shù)等，模擬出各個(gè)仿真平臺(tái)(包括訓(xùn)練潛艇)的傳感器探測(cè)信息和數(shù)據(jù)鏈信息，為各個(gè)平臺(tái)提供輸入。

目標(biāo)仿真臺(tái):

目標(biāo)仿真臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定類型目標(biāo)的仿真。目標(biāo)仿真臺(tái)不僅模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)行為，還模擬目標(biāo)攻擊和防御行為。它有兩種工作模式，人工操作模式和自動(dòng)模式。人工模式下需要人為操作仿真臺(tái)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)，發(fā)射軟硬武器等。自治模式采用計(jì)算機(jī)生成兵力CGF(Computer Generation Force)技術(shù)，依賴基于知識(shí)的智能自治模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的行為自治。自治模型根據(jù)特定的訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)。另外，訓(xùn)練系統(tǒng)中需開(kāi)發(fā)何種類型的目標(biāo)仿真臺(tái)，開(kāi)發(fā)多少個(gè)，也需要根據(jù)特定的訓(xùn)練任務(wù)來(lái)決定。

仿真信息代理臺(tái):

由于潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)與潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)采用不同的網(wǎng)絡(luò)通信模型，仿真信息代理臺(tái)負(fù)責(zé)兩系統(tǒng)間信息格式的轉(zhuǎn)換，起到接口適配器的作用，實(shí)現(xiàn)潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)和訓(xùn)練系統(tǒng)的互連互通。

在實(shí)際應(yīng)用中，仿真應(yīng)用可以是應(yīng)用程序，也可以是硬件平臺(tái)。由于潛艇內(nèi)空間有限，只要硬件滿足要求，可以根據(jù)需要將目標(biāo)仿真臺(tái)進(jìn)行合并。同樣，導(dǎo)演臺(tái)和評(píng)估臺(tái)也可以進(jìn)行合并。

4 潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

以訓(xùn)練潛艇與兩個(gè)潛艇CGF仿真臺(tái)互連為例，介紹訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。首先，確定聯(lián)邦劇情，也是訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練任務(wù):一艘敵方潛艇(CGF)進(jìn)入我方某海域，我方兩艘潛艇(一艘為訓(xùn)練潛艇，一艘為CGF)前去攔截。我方潛艇任務(wù)是搜索到敵方潛艇并擊沉，敵方潛艇任務(wù)是穿過(guò)我方某海域。作戰(zhàn)過(guò)程描述如下:

(1)敵我雙方制定作戰(zhàn)方案。

(2)敵方潛艇進(jìn)入某海域，我方潛艇開(kāi)始搜索敵方潛艇，雙方都處于探測(cè)階段。

(3)如果我方潛艇先探測(cè)到敵方潛艇，按照既定作戰(zhàn)方案，選擇攻擊或防御，同樣敵方潛艇也是如此。

(4)我方任務(wù)完成或敵方潛艇任務(wù)完成。

由于每次作戰(zhàn)方案的不同，以及相遇時(shí)的態(tài)勢(shì)不同等原因，每次進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗過(guò)程必定復(fù)雜多變，既可以充分訓(xùn)練戰(zhàn)位人員的操作水平，也可以對(duì)各種戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法進(jìn)行操練。

按照聯(lián)邦開(kāi)發(fā)和執(zhí)行模型FEDEP(Federation Development Execute Model)的六個(gè)基本步驟進(jìn)行開(kāi)發(fā)，即定義聯(lián)邦目標(biāo)、開(kāi)發(fā)概念模型、設(shè)計(jì)聯(lián)邦、開(kāi)發(fā)聯(lián)邦、集成和測(cè)試聯(lián)邦、運(yùn)行聯(lián)邦和分析結(jié)果［1］。對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)聯(lián)邦對(duì)象類和交互類、確定聯(lián)邦成員間交互關(guān)系。

4.1 聯(lián)邦對(duì)象類/交互類設(shè)計(jì)

為了確定潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)中各聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)流和控制流，要進(jìn)行對(duì)象類和交互類設(shè)計(jì)。各聯(lián)邦成員通過(guò)發(fā)布其它聯(lián)邦成員感興趣的對(duì)象類和交互類，訂購(gòu)自己需要的對(duì)象類和交互類，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦成員之間的互操作和信息交互。

對(duì)象類設(shè)計(jì):

訓(xùn)練系統(tǒng)中的對(duì)象類主要有Entity(戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體類)、Submarine(潛艇類)、Torpedo(魚(yú)雷類)、Decoy(自航式誘餌類)、Information(潛艇信息類)、Sensor(潛艇傳感器類)、DataLink(數(shù)據(jù)鏈類)。其中潛艇類、魚(yú)雷類、誘餌類是戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體類的子類，傳感器類和數(shù)據(jù)鏈類是潛艇信息類的子類，各類的屬性說(shuō)明如下:

(1)Entity類屬性

Type:敵我屬性

Depth:深度

Speed:速度

Course:航向

Longitude:經(jīng)度

Latitude:緯度

(2)Submarine類屬性

SubmarineState:狀態(tài)

ZongYao:縱搖

HengYao:橫搖

(3)Torpedo類屬性

TorpedoZhuangJiao:魚(yú)雷轉(zhuǎn)角

SelfGuideTime:自導(dǎo)開(kāi)機(jī)時(shí)間

Fusee:引信動(dòng)作

(4)Decoy類屬性

DelayTime:系統(tǒng)延遲時(shí)間

WoreMode:工作方式

(5)Information類屬性

Sonartartype:目標(biāo)類型

TarDirection:目標(biāo)方位

(6)Sensor類屬性

SNR:信噪比

SonarDistance:估計(jì)距離

SonarSpeed:估計(jì)速度

State:載體狀態(tài)

(7)DataLink類屬性

Longitude:經(jīng)度

Latitude:緯度

Course:航向

DetectTime:目標(biāo)探測(cè)時(shí)間

交互類設(shè)計(jì):訓(xùn)練系統(tǒng)中的交互類主要有TaiShi_Set(態(tài)勢(shì)設(shè)定類)、Submarine_Move(潛艇機(jī)動(dòng)類)、Submarine_TorpedoShoot(潛艇發(fā)射魚(yú)雷類)、Submarine_DecoyShoot(潛艇發(fā)射誘餌類)。

(1)TaiShi_Set類參數(shù)

Depth:深度

Speed:速度

Course:航向

Longitude:經(jīng)度

Latitude:緯度

(2)Submarine_Move類參數(shù)

SpeedChange:航速改變

CourseChange:航向改變

(3)Submarine_TorpedoShoot類參數(shù)

TorpedoType:魚(yú)雷雷種

TorpedoMode:魚(yú)雷工作方式

(4)Submarine_DecoyShoot類參數(shù)

DecoyType:誘餌類型

DecoyMode:誘餌工作方式

4.2 聯(lián)邦成員關(guān)系

根據(jù)聯(lián)邦成員劃分，以及對(duì)象類和交互類組成，在潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)中，聯(lián)邦成員與對(duì)象類和交互類的關(guān)系如表1所示。

表1 聯(lián)邦成員與對(duì)象類和交互類的關(guān)系表

4.3 聯(lián)邦工作流程

潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)RTI采用DMSO的RTI1.3，基于Visual C++開(kāi)發(fā)。聯(lián)邦的工作流程如下:

(1)導(dǎo)演臺(tái)創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行，各個(gè)仿真成員加入聯(lián)邦，聯(lián)邦執(zhí)行開(kāi)始運(yùn)行。

(2)導(dǎo)演臺(tái)設(shè)定作戰(zhàn)海域水文環(huán)境信息、電磁環(huán)境信息、兩個(gè)潛艇仿真成員和訓(xùn)練潛艇的初始態(tài)勢(shì)信息。兩個(gè)潛艇仿真成員收到初始態(tài)勢(shì)信息后，初始化自身狀態(tài);仿真代理成員接收后，轉(zhuǎn)發(fā)至潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，各個(gè)仿真實(shí)體開(kāi)始處于搜索探測(cè)階段。

(3)水聲信號(hào)仿真臺(tái)根據(jù)各個(gè)實(shí)體的真實(shí)位置、各個(gè)實(shí)體傳感器性能參數(shù)以及聲場(chǎng)模型等，計(jì)算模擬各個(gè)實(shí)體的傳感器探測(cè)信息以及數(shù)據(jù)鏈信息，并發(fā)布各個(gè)實(shí)體的傳感器對(duì)象和數(shù)據(jù)鏈對(duì)象。

(4)兩個(gè)潛艇仿真臺(tái)獲取態(tài)勢(shì)信息后進(jìn)行信息綜合處理，通過(guò)自治模型決策或者人為操控管理，進(jìn)行實(shí)體機(jī)動(dòng)或者軟硬武器的發(fā)控，發(fā)布自身實(shí)體對(duì)象或魚(yú)雷實(shí)體、誘餌實(shí)體對(duì)象。仿真代理成員將訓(xùn)練潛艇的態(tài)勢(shì)信息轉(zhuǎn)發(fā)給作戰(zhàn)系統(tǒng)，戰(zhàn)位訓(xùn)練人員根據(jù)態(tài)勢(shì)信息執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)。

(5)敵方任務(wù)完成或我方任務(wù)完成，評(píng)估臺(tái)根據(jù)評(píng)估模型自動(dòng)生成評(píng)估報(bào)告。

(6)各聯(lián)邦成員退出聯(lián)邦，聯(lián)邦執(zhí)行結(jié)束。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種新的基于HLA的潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并基于特定的訓(xùn)練任務(wù)，分析了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。訓(xùn)練系統(tǒng)具有較高可重用性，互操作性，易擴(kuò)展性，可以與潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，滿足部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)演練的要求。下一步工作是根據(jù)部隊(duì)具體的訓(xùn)練任務(wù)，開(kāi)發(fā)潛艇作戰(zhàn)訓(xùn)練系統(tǒng)裝備。

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