郭銳,王步云
(1.海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018;2.解放軍91550部隊(duì),遼寧大連116000)
基于異構(gòu)多聯(lián)邦的艦潛聯(lián)合仿真系統(tǒng)研究
郭銳1,王步云2
(1.海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018;2.解放軍91550部隊(duì),遼寧大連116000)
在已有的水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過整合仿真資源、統(tǒng)一仿真標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。探討了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能及框架結(jié)構(gòu);闡述了開發(fā)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵問題及其解決辦法。最后實(shí)現(xiàn)了水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并采用一個(gè)典型的編隊(duì)防潛作戰(zhàn)想定驗(yàn)證了系統(tǒng)的優(yōu)越性,為未來海軍多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
聯(lián)合作戰(zhàn)仿真,異構(gòu)多聯(lián)邦,編隊(duì)防潛
目前建模與仿真技術(shù)已成為研究海軍作戰(zhàn)問題的重要手段,而多兵種聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)是作戰(zhàn)建模與仿真技術(shù)未來發(fā)展方向之一。聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于促進(jìn)仿真資源合理重用、提高仿真系統(tǒng)逼真程度、拓展仿真系統(tǒng)的應(yīng)用范圍都具有十分重要的意義。
國(guó)外在聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)方面比較著名的研究成果是美國(guó)的三大聯(lián)合項(xiàng)目即聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)JWARS、聯(lián)合仿真系統(tǒng)JSIMS和聯(lián)合建模與仿真系統(tǒng)JMASS。JWARS主要用于戰(zhàn)區(qū)/戰(zhàn)役級(jí)行動(dòng)方案的推演仿真;JSIMS主要用于指揮人員和參謀任務(wù)級(jí)訓(xùn)練仿真;JMASS主要用于工程設(shè)計(jì)和交戰(zhàn)級(jí)系統(tǒng)分析仿真[1]。在國(guó)內(nèi),雖然總體研究水平要落后于美國(guó),但已開展了比較富有建設(shè)性的研究。其中最具有代表性的國(guó)防大學(xué)的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練信息系統(tǒng)[2]。而對(duì)于海軍聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)的研究實(shí)踐目前還處于空白。
本文在已有的基于KD-RTI的水面艦艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)和基于pRTI的潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過整合仿真資源、統(tǒng)一仿真標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建基于不同RTI的異構(gòu)多聯(lián)邦艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
1.1 艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)的可行性分析
水面艦艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)采用HLA的仿真結(jié)構(gòu),以KD-RTI作為支撐平臺(tái),是一套完整的以水面艦艇裝備使用仿真模型、典型作戰(zhàn)對(duì)抗仿真模型等為基礎(chǔ)的仿真系統(tǒng)。研究人員可利用該系統(tǒng),以水面艦艇裝備的作戰(zhàn)對(duì)抗仿真為手段,實(shí)現(xiàn)水面艦艇裝備的作戰(zhàn)效能分析、水面艦艇裝備的使用研究、水面艦艇裝備需求和發(fā)展規(guī)劃論證等工作。
而潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)采用HLA的仿真結(jié)構(gòu),以pRTI作為支撐平臺(tái),通過建立各種潛艇裝備使用仿真模型、典型的潛艇對(duì)抗仿真模型、潛艇及反潛武器仿真模型、海洋環(huán)境仿真模型,構(gòu)建了一個(gè)完整的潛艇作戰(zhàn)分布式仿真平臺(tái),為潛艇裝備作戰(zhàn)需求研究、潛艇裝備作戰(zhàn)效能分析、潛艇裝備應(yīng)用方法研究等提供有效的工具和手段。
雖然水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)采用了不同的RTI作為支撐平臺(tái),但由于它們共同遵循HLA仿真標(biāo)準(zhǔn),因此,在構(gòu)建艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)只需對(duì)各自系統(tǒng)的仿真想定格式、仿真模型標(biāo)準(zhǔn)、仿真交互接口等方面進(jìn)行改進(jìn)即可,無須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、重新開發(fā),極大地降低了系統(tǒng)改造的工作量,使得艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)成為可能。
1.2 艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能
艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在已有的水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)原有系統(tǒng)的擴(kuò)展與完善,為開展水面艦艇與潛艇裝備應(yīng)用研究提供有效的建模與仿真平臺(tái)。其主要功能包括:①為開展水面艦艇與潛艇作戰(zhàn)戰(zhàn)法問題研究提供聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境,包括:水面艦艇編隊(duì)防潛戰(zhàn)法研究與檢驗(yàn),潛艇反艦戰(zhàn)法研究與檢驗(yàn),艦艇編隊(duì)、反潛直升機(jī)、潛艇協(xié)同防潛戰(zhàn)法研究;②為開展水面艦艇與潛艇裝備應(yīng)用研究提供有效的仿真平臺(tái),包括:水面艦艇與潛艇武器裝備作戰(zhàn)使用方法研究和檢驗(yàn),水面艦艇武器裝備、單艦、編隊(duì)反潛作戰(zhàn)效能研究和評(píng)估,潛艇武器裝備、單艇、艇群反艦作戰(zhàn)效能研究和評(píng)估;③為開展海軍戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)推演和裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估研究提供水面艦艇與潛艇相關(guān)模型支撐,包括:海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型,水面艦艇與潛艇相關(guān)作戰(zhàn)實(shí)體模型,水面艦艇與潛艇相關(guān)作戰(zhàn)決策模型,水面艦艇與潛艇相關(guān)效能評(píng)估模型。
1.3 艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在已有的水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),具體如圖1所示。
圖1 艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
從圖中可以看出,艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)基于不同RTI的異構(gòu)多聯(lián)邦系統(tǒng),共包含三類成員,水面艦艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)成員(簡(jiǎn)稱水面艦艇聯(lián)邦)、潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)成員(簡(jiǎn)稱潛艇聯(lián)邦)和互聯(lián)互通互操作功能成員(簡(jiǎn)稱互聯(lián)功能成員)。各聯(lián)邦成員的功能如表1所示。
表1 聯(lián)邦成員功能分析表
2.1 異構(gòu)多聯(lián)邦的連通問題
為實(shí)現(xiàn)基于KD-RTI的水面艦艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)與基于pRTI潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)的互聯(lián),首先實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于異構(gòu)聯(lián)邦之間連通的橋接工具。該工具應(yīng)具備如下功能:①完成異構(gòu)聯(lián)邦間的數(shù)據(jù)交換;②設(shè)置不同聯(lián)邦為其所代理聯(lián)邦的公布訂購關(guān)系;③保證異構(gòu)聯(lián)邦的時(shí)間推進(jìn)同步。
采用異構(gòu)RTI服務(wù)匹配技術(shù)來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)聯(lián)邦間的數(shù)據(jù)交換,包括在基于KD-RTI開發(fā)的仿真系統(tǒng)聯(lián)邦對(duì)象模型FOM中包含管理對(duì)象模型;通過接收外部成員的數(shù)據(jù)清理消息來實(shí)現(xiàn)pRTI仿真成員處理數(shù)據(jù)殘留等。
采用異構(gòu)FOM映射算法完成不同聯(lián)邦為其所代理聯(lián)邦的公布訂購關(guān)系設(shè)置。首先根據(jù)需求構(gòu)建多聯(lián)邦共享FOM,同時(shí)建立各分聯(lián)邦FOM與共享FOM的映射關(guān)系,如此各分聯(lián)邦在保存本聯(lián)邦FOM以及與共享FOM的對(duì)應(yīng)關(guān)系條件下即可實(shí)現(xiàn)多聯(lián)邦之間異構(gòu)FOM的互聯(lián)。
采用HLA聯(lián)邦管理服務(wù)中同步點(diǎn)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)多聯(lián)邦的時(shí)間推進(jìn)同步[3]。這些邏輯點(diǎn)同步點(diǎn)包括“仿真初始化完畢”、“仿真開始”、“一次仿真結(jié)束”、“聯(lián)邦成員退出”、“聯(lián)邦成員重新加入”等。
2.2 模型標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一問題
統(tǒng)一的模型標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)建基于異構(gòu)多聯(lián)邦系統(tǒng)的關(guān)鍵,對(duì)于數(shù)據(jù)的正確理解、模型的合理調(diào)用、系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有極其重要的作用。
水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)分別由兩家不同的單位研發(fā),系統(tǒng)之間存在著模型標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式不一致的問題。為統(tǒng)一模型標(biāo)準(zhǔn),使這些模型具有互操作性、可重用性和可擴(kuò)展性,建立了支持可重用和互操作的互聯(lián)仿真模型體系框架,用于指導(dǎo)水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)中模型的改進(jìn)和集成。
具體來說,互聯(lián)仿真模型體系框架由領(lǐng)域背景、軍事概念模型和作戰(zhàn)仿真模型框架等組成,其基本思想是進(jìn)行領(lǐng)域相關(guān)、應(yīng)用無關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)開發(fā),建立與艦艇反潛或潛艇反艦作戰(zhàn)相關(guān)的軍事概念模型,避免過早地從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的視角建立仿真模型,從而避免模型框架中領(lǐng)域知識(shí)的不完整和應(yīng)用相關(guān)性,提高仿真模型的通用程度,為仿真設(shè)計(jì)提供領(lǐng)域通用模型,從而實(shí)現(xiàn)仿真模型的重用。
2.3 仿真想定的識(shí)別問題
能被異構(gòu)子系統(tǒng)識(shí)別、加載并運(yùn)行的仿真想定是基于異構(gòu)多聯(lián)邦系統(tǒng)的基礎(chǔ),對(duì)于降低仿真想定的開發(fā)成本、促進(jìn)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展具有十分重要的意義[4]。水面艦艇和潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)中的仿真想定與仿真系統(tǒng)結(jié)合緊密,仿真想定內(nèi)容與仿真模型緊耦合,缺乏統(tǒng)一的格式,難以重用。
在對(duì)FEDEP模型中想定開發(fā)過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)可重用仿真想定所應(yīng)具有的內(nèi)容平臺(tái)無關(guān)、描述統(tǒng)一規(guī)范等特性,利用軍事概念模型,按照EATI的分析方法,將與軍事領(lǐng)域相關(guān)的仿真想定內(nèi)容分為實(shí)體、動(dòng)作、任務(wù)和交互等4個(gè)部分進(jìn)行分別描述,最后采用XML Schema描述模版生成統(tǒng)一的XML想定文檔,實(shí)現(xiàn)了仿真想定內(nèi)容、仿真想定描述格式的統(tǒng)一和規(guī)范,初步解決了仿真想定的可重用問題,為基于多聯(lián)邦的艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
在解決了上述關(guān)鍵問題后,通過對(duì)原有系統(tǒng)的擴(kuò)展與完善,構(gòu)建了水面艦艇與潛艇裝備應(yīng)用聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并采用了一個(gè)典型的水面艦艇編隊(duì)防潛作戰(zhàn)想定驗(yàn)證了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)越性。
3.1 仿真運(yùn)行流程
為滿足系統(tǒng)研究戰(zhàn)法、評(píng)估效能的功能需求,艦潛聯(lián)合仿真系統(tǒng)必須具備大樣本仿真能力,其仿真流程如圖2所示。
圖2 艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行流程
①導(dǎo)演臺(tái)創(chuàng)建聯(lián)邦并加入聯(lián)邦;②根據(jù)研究目的和需求,在導(dǎo)演臺(tái)上編輯仿真想定或加載已有的仿真想定文件;③設(shè)定仿真參數(shù),包括大樣本仿真次數(shù)、其他聯(lián)邦成員的IP地址、數(shù)據(jù)更新間隔等;④待所有其他聯(lián)邦成員加入聯(lián)邦后,導(dǎo)演臺(tái)發(fā)布想定;⑤待其他聯(lián)邦成員接收到想定并成功初始化后,導(dǎo)演臺(tái)發(fā)布仿真開始命令;⑥仿真開始后,各聯(lián)邦成員開始運(yùn)行;⑦待一次仿真結(jié)束后,導(dǎo)演臺(tái)判定是否達(dá)到最大仿真次數(shù),是,仿真結(jié)束,否則,導(dǎo)演臺(tái)發(fā)布退出聯(lián)邦命令,準(zhǔn)備開始下一次仿真;⑧待所有聯(lián)邦成員都退出聯(lián)邦后,導(dǎo)演臺(tái)退出聯(lián)邦并銷毀聯(lián)邦。緊接著導(dǎo)演臺(tái)再次創(chuàng)建聯(lián)邦并加入聯(lián)邦,向其他聯(lián)邦成員發(fā)布可以再次加入聯(lián)邦的消息,并等待其他聯(lián)邦成員再次加入聯(lián)邦。
3.2 仿真實(shí)例分析
3.2.1 初始態(tài)勢(shì)
本文以紅方艦艇編隊(duì)通過敵潛艇威脅區(qū)作為仿真實(shí)例來驗(yàn)證聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)越性。假定艦艇編隊(duì)由2艘驅(qū)逐艦和2艘護(hù)衛(wèi)艦組成,攜帶反潛直升機(jī)4架,組成反潛隊(duì)形自行搜索潛艇。藍(lán)方潛艇1艘,在紅方編隊(duì)的必經(jīng)航路上伏擊紅方,無空中及其他支援,依靠自身探測(cè)器材搜索目標(biāo)并完成攻擊。海況良好,有利于各種裝備的作戰(zhàn)使用。
在該仿真中,一次仿真結(jié)束條件如下:①潛艇在發(fā)射魚雷前,被水面艦艇編隊(duì)先發(fā)現(xiàn),編隊(duì)防潛成功,仿真結(jié)束;②潛艇在發(fā)射魚雷前,探測(cè)到反潛直升機(jī)吊放聲納信號(hào)且判定潛艇自身處于威脅區(qū)域,潛艇放棄攻擊,編隊(duì)防潛成功,仿真結(jié)束;③潛艇在發(fā)射魚雷后,魚雷駛完最大航程自毀,未命中水面艦艇,編隊(duì)防潛成功,仿真結(jié)束;④潛艇在發(fā)射魚雷后,魚雷命中水面艦艇,編隊(duì)防潛失敗,仿真結(jié)束。
3.2.2 仿真結(jié)果
為檢驗(yàn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)對(duì)水面艦艇編隊(duì)防潛作戰(zhàn)仿真的影響,采取了同一想定分別在水面艦艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)和艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行大樣本仿真,仿真次數(shù)均為500次,得到圖3結(jié)果。
圖3 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)前后水面艦艇編隊(duì)防潛成功概率對(duì)比,左圖為聯(lián)合實(shí)驗(yàn)前結(jié)果,右圖為聯(lián)合實(shí)驗(yàn)后結(jié)果
圖中深色為防潛成功次數(shù),淺色為失敗次數(shù)。從圖中可以看出,聯(lián)合前水面艦艇編隊(duì)防潛成功概率高達(dá)79豫,而聯(lián)合實(shí)驗(yàn)后防潛成功概率銳減到37豫。主要原因在于聯(lián)合實(shí)驗(yàn)后潛艇行為更有利于發(fā)揮隱蔽接敵、突然攻擊的特點(diǎn):如聯(lián)合前潛艇在搜索階段采用直航線定速搜索,而聯(lián)合后潛艇采用曲折隨機(jī)搜索,大大降低了其被艦艇發(fā)現(xiàn)的概率,同時(shí)在搜索過程中潛艇還不斷調(diào)整自身姿態(tài),發(fā)揮潛艇聲納的最有利探測(cè)角度,增加了發(fā)現(xiàn)艦艇的概率;再比如在潛艇攻擊階段,聯(lián)合前潛艇在占領(lǐng)攻擊陣位后立即發(fā)射魚雷,而聯(lián)合后潛艇往往先通過轉(zhuǎn)向調(diào)整到最有利于魚雷攻擊的角度后再發(fā)射魚雷,提高了魚雷成功捕捉目標(biāo)的概率,增加了成功反艦的次數(shù);同時(shí)潛艇發(fā)射的魚雷數(shù)量也從聯(lián)合實(shí)驗(yàn)前的一枚增加到聯(lián)合實(shí)驗(yàn)后的兩枚,且有一枚是線導(dǎo)魚雷,極大地增加了艦艇編隊(duì)防御魚雷的難度。
3.3 仿真結(jié)論
通過上述仿真結(jié)果可以看出,相比基于水面艦艇或潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng),艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行軍事應(yīng)用問題研究的優(yōu)勢(shì)主要有:①仿真過程更加精細(xì):是指基于聯(lián)合仿真系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)過程推演時(shí),各實(shí)體的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作更加逼真,決策和行為更加復(fù)雜,雙方對(duì)抗更加激烈,這部分的優(yōu)勢(shì)通過比較聯(lián)合實(shí)驗(yàn)前后的兩個(gè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)推演過程可以直觀地展示出來。②仿真結(jié)果更加可信:是指在仿真過程更加逼真的前提下,得到的仿真結(jié)果更加符合實(shí)戰(zhàn)。結(jié)果可信度的提高有利于促進(jìn)水面艦艇與潛艇作戰(zhàn)問題的研究,從而更好地指導(dǎo)部隊(duì)作戰(zhàn)與訓(xùn)練。③應(yīng)用范圍更加廣泛:是指艦潛聯(lián)合仿真系統(tǒng)不僅具有單一的水面艦艇或潛艇裝備應(yīng)用研究系統(tǒng)所具備的功能,同時(shí)還能開展戰(zhàn)役級(jí)的大型艦艇編隊(duì)、反潛直升機(jī)、潛艇協(xié)同作戰(zhàn)問題的研究。
海軍多兵種的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于促進(jìn)想定、數(shù)據(jù)、模型、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和運(yùn)行平臺(tái)等資源的合理重用,提高海軍兵種裝備應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)效益具有十分重要的意義?;诋悩?gòu)多聯(lián)邦的艦潛聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)踐,為未來開展更大規(guī)模的海軍多兵種合同作戰(zhàn)聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)研究積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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Researching on Joint Surface-submarine Simulation System Based on Isomerous Multi-federation
GUO Rui1,WANG Bu-yun2
(1.Research Department of Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;
2.Unit 91550 of PLA,Dalian 116000,China)
The joint surface-submarine simulationsystem is exploredthroughrearranging simulation resource and unifying simulation standard based on the equipments application research system of naval surface warship and that of submarine.Its main function and framework is discussed in detail.The difficulty faced in the course of establishing the system and the corresponding resolving method is investigated stress.At last the joint simulation system is developed and validated by a typical scenario of anti-submarine.The outcome presented that the joint system is resultful and the research laid a steadfast foundation for the joint warfare simulation system of navy several arms of services in the future.
joint warfare simulation,lsomerous multi-federation,anti-submarine
E917
A
1002-0640(2015)01-0104-04
2013-11-05
2014-02-25
郭銳(1973-),男,安徽泗縣人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向:海軍戰(zhàn)術(shù)、軍事運(yùn)籌。