中国指挥与控制学会会刊 
舰艇作战系统除了具有作战功能以外,还应具备在非作战环境下的模拟训练功能,以配合舰艇人员进行作战指挥和装备操作的训练。参考文献[1]提出由导演台、蓝方台和接口设备嵌入舰艇作战系统中进行模拟训练;参考文献[2]提出采用嵌入式仿真设备进行舰艇作战系统的模拟训练和作战实验;参考文献[3]提出建立试训一体化协同仿真应用系统,把分散的试训资源组合,开展舰艇作战系统的联合作战试验和模拟训练。
随着舰艇作战系统的不断发展,舰艇作战系统采用开放分布式体系结构(OA)、模块化设计和一体化设计[4],具有强大的全舰计算环境(TSCE)[5],采用多功能通用显控台,并且通过“综合海上网络和企业服务”融入海军海上网络环境中[6]。本文提出基于实装的舰艇作战系统模拟训练一体化设计,采用面向服务体系结构(SOA)开发舰艇作战系统模拟训练软件,并将作战系统模拟训练软件部署到舰艇作战系统全舰计算环境(TSCE)中,纳入舰艇作战系统的一体化网络中,直接与作战系统中各分系统进行信息交互,并通过海上网络环境与外部训练系统开展多平台联合模拟训练。模拟训练一体化设计有利于舰艇作战系统的结构优化和硬件效率提升,并且能够借助全舰计算环境完成更多的模拟训练功能。
1 舰艇作战系统模拟训练功能需求
舰艇作战系统模拟训练软件应当具备嵌入式模拟训练仿真器的所有功能,包括训练背景设置、舰艇作战系统驱动、舰艇机动仿真、舰载传感器效果仿真、舰载武器弹道仿真、计算机生成兵力、训练控制与管理等[1]。除此之外,借助舰艇作战系统基础设施,作战系统模拟训练软件要具备以下功能。
1.1 训练评估功能
通过采集训练数据,包括训练过程中红蓝双方的命令动作(决策数据)、海区环境数据、传感器探测数据、武器发控数据等信息,能够对鱼雷、导弹、水声对抗器材等武器作战效果进行评估,对舰艇人员训练水平进行评估。对舰艇人员训练水平评估包括操作人员的装备操作水平和指挥人员的作战指挥水平。训练评估方式有两种:①单次训练实时评估,比如一次导弹攻击训练,训练结束就给出本次训练的评估结果。②多次训练统计评估,通过数据挖掘,对多次训练记录数据进行分析评估。比如,在相同训练背景条件下,采用不同作战方法会有不同的作战效果,通过统计分析可以评估指挥人员的作战指挥水平。
1.2 多平台联合训练功能
舰艇与其他平台进行联合训练,不需要本地通过CGF(计算机生成兵力)生成红方配合兵力或蓝方对抗兵力,训练范围更加广泛,训练效果更加逼真。本地作战系统模拟训练软件可以作为多平台联合训练网络的节点接口与外部训练系统互联,由外部训练系统通过企业服务总线(ESB)把训练信息实时传送到本地作战系统模拟训练软件,本地作战系统模拟训练软件把本舰训练信息通过企业服务总线(ESB)实时传送到外部训练系统。
1.3 作战方案推演功能
作战系统模拟训练软件不仅要具备舰艇作战系统模拟训练功能,还要能够对作战方案进行推演,以便让舰艇人员及时修改完善作战方案,并展开针对性训练。作战方案推演包括推演数据准备、推演过程控制、推演结果分析评估等。作战方案推演有两种方式:①全自动推演,完全用作战系统模拟训练软件进行作战推演,本地装备不参与推演,优点是推演速度快,节约时间,为了完成此功能,作战系统模拟训练软件要具备舰艇决策、传感器探测和武器发控等所有作战功能的模拟;②半实物推演,利用本舰实际装备和人员,配合作战系统模拟训练软件完成全过程作战推演,优点是推演逼真度高,同时可以训练本舰人员。
2 舰艇作战系统模拟训练一体化设计方案
2.1 舰艇作战系统模拟训练软件结构设计
系统层主要包括计算机操作系统和数据库系统,数据库提供模拟训练所需的各种原始数据、中间数据以及训练结果数据存储查询等。
功能模块层是完成作战模拟的核心层,总体控制模块用于整个软件流程控制,作战态势递推模块按照一定时间步长推进作战态势。作战系统接口通信模块用于完成与作战系统内指控系统、导航系统等分系统的信息交互。外部训练系统接口通信模块用于完成与外部训练系统的信息交互。兵力行为功能模块是通过CGF产生红方配合兵力和蓝方对抗兵力,并模拟其作战行为。武器行为功能模块是用于模拟本平台、蓝方兵力和配合兵力产生的鱼雷、导弹等所有武器的行为。作战环境功能模块用于模拟水声、大气、电磁等作战环境。评估计算功能模块完成舰艇作战系统模拟训练的评估。
应用层是用于实现模拟训练开展、控制、分析等功能,主要包括出题想定编辑、图形表页显示、人机信息交互、配合兵力控制、推演控制和训练评估重演。
2.2 舰艇作战系统模拟训练软件部署
现代舰艇作战系统采用开放的分布式体系结构和模块化设计,配备多功能通用显控台,硬件具有通用性,软件功能可重组[6]。作战系统模拟训练软件作为舰艇作战系统的一部分可以部署在全舰计算环境(TSCE)中的服务器里(见图2 ),产生仿真训练环境,通过作战系统一体化网络直接与作战系统中其他子系统进行信息交互。
2.3 舰艇作战系统模拟训练软件接口设计
2.4 舰艇作战系统模拟训练软件流程设计
舰艇作战系统模拟训练软件流程采用实时多任务方式设计,多个任务由不同线程去执行,软件包括作战过程模拟主线程、配合兵力子线程和通信子线程,如图4 所示。
2.4.1 作战过程模拟主线程
作战过程模拟主线程完成软件的总体控制和作战过程模拟。训练开始后,首先根据训练模式读入想定参数,如果是作战方案推演模式,读入作战方案推演方案的xml文件;如果是模拟训练模式,从模拟训练题库中读入初始训练内容,并可对其进行修改编辑。然后,从参数数据库中读入兵力、武器和环境等参数,生成训练环境。如果作战方案推演模式不是全自动推演,需要与舰艇作战系统其他子系统信息交互,要创建通信线程。如果需要本地CGF生成配合兵力,包括红方配合兵力或蓝方对抗兵力,则要创建配合兵力线程。在每一个时间步长内,主线程把信息发送至配合兵力线程和通信线程,然后进行作战过程单步模拟,再接收配合兵力线程和通信线程的信息。主线程把模拟训练过程以图形表页的方式显示,并把相关数据写入训练过程数据库。当训练(推演)结束后,根据需要调用训练过程数据库中的数据,进行训练(推演)评估重演。
2.4.2 配合兵力子线程
配合兵力子线程完成红方配合兵力和蓝方对抗兵力的行为模拟。根据训练模式,如果需要本地CGF生成配合兵力,则创建配合兵力子线程。在每一个时间步长内,接收主线程的态势参数信息,进行红方配合兵力和蓝方对抗兵力的单步行为模拟,包括情报处理、攻防决策和战术机动,再把红方配合兵力和蓝方对抗兵力的信息发送至主线程。当接收到主线程训练结束消息后,子线程结束。
2.4.3 通信子线程
通信子线程完成作战系统模拟训练软件与舰艇作战系统各子系统、外部训练系统的接口通信。根据训练模式,如果需要与舰艇作战系统各子系统或外部训练系统信息交互,要创建通信子线程。通信子线程采用数据分发服务(DDS)完成作战系统模拟训练软件与舰艇作战系统各子系统的接口通信,采用企业服务总线(ESB)完成作战系统模拟训练软件与外部训练系统的接口通信。当接收到主线程训练(推演)结束消息后,子线程结束。如果进行全自动推演,由作战系统模拟训练软件自主模拟作战系统所有功能,则不需要该线程。
3 舰艇作战系统模拟训练模型体系设计
从舰艇作战角度来考虑,以模型的功能和类型划分,舰艇作战模型体系主要分为基础类模型、平台装备类模型、武器类模型、平台类模型和评估类模型[12]。这几类模型之间存在相互关系如图5 所示。
模型体系的建立过程是先分层,后进行模块划分。模型体系的模块化设计有利于软件组件化实现,可以提高作战系统模拟训练软件的重用性、共享性和可扩展性[13],作战系统模拟训练软件可适用于不同类型的舰艇作战系统。模型分层的基本依据是根据模型之间的调用关系,各层模型功能如下:
1)基础类模型提供了上层模型所需的基本模型,为武器模型和平台装备模型提供支持,构成仿真兵力实体运行的底层支撑模型。例如,水声探测模型是传感器探测、传感器操作以及鱼雷/水声对抗武器仿真过程的公共模型。
2)平台装备类模型和武器模型建立了舰艇、潜艇、飞机等兵力平台的各种装备模型以及搭载的各型武器模型,建模的依据是装备及武器的性能,例如,传感器的性能指标,鱼雷、导弹运动规律等。
3)平台类模型建立了舰艇、潜艇、飞机等兵力平台的行为模型,主要描述平台实体根据外界环境和自身状况做出的决策和采取的行为。例如,对抗条件下的蓝方兵力指挥决策模型。
4)评估类模型是用于评判一次对抗胜负、评估作战方案推演效果、评估武器作战效能和评估人员的训练水平。
5)基础数据层为上层模型提供各种数据资源的支持,实现了模型和数据的分离和动态配置。
模型体系的模块化、分层化设计使得软件应用层可以针对特定训练任务灵活组织调用模型和数据,从而生成舰艇作战模拟所需的各种基本要素,例如各种兵力、武器、作战环境等。作战系统模拟训练软件在不同使用模式下,调用的模型也不同,主要分为以下3种方式。
1)单平台训练模式
在此种模式下,调用红方配合兵力和蓝方对抗兵力的平台模型、平台装备模型来模拟红方配合兵力和蓝方对抗兵力作战过程,本舰的所有行为是真实的人员训练操作。需要调用武器模型来模拟红蓝双方的武器交战过程,调用评估模型来评判作战结果,评估作战效果、武器作战效能和人员训练水平。
2)单平台推演模式
在此种模式下,当进行全自动推演时,需要调用训练水平评估模型之外的所有模型,来对整个作战过程进行仿真推演和效果评估,允许人工干预替代红蓝双方的兵力行为模型;当进行半实物推演时,本舰采用真实的平台装备,不需要调用平台模型和平台装备模型来模拟本舰行为,训练水平评估模型也无须调用。
3)多平台训练模式
在此种模式下,红方配合兵力和蓝方对抗兵力采用真实兵力或者由外部训练系统虚拟产生,红方配合兵力和蓝方对抗兵力所发射的武器由其自身作战系统模拟训练软件模拟或者由外部训练系统模拟,作战评判、效果评估和训练水平评估等由外部训练系统完成。本舰的所有行为是真实的人员训练操作,只需要调用武器模型来模拟本平台发射的武器。
4 应用实例
某潜艇作战系统的仿真系统组成如图6 所示,在该仿真系统网络中加入一个作战系统模拟训练的计算机节点,用于部署潜艇作战系统模拟训练软件。按照本文设计方案开发的潜艇作战系统模拟训练软件主界面如图7 所示。
本文以“潜艇鱼雷攻击水面舰艇”训练为例,模拟训练过程如下:
1)该仿真系统中和鱼雷攻击训练相关的导航、指控、鱼雷、声呐等计算机开机,并进入联机训练模式;
2)启动作战系统模拟训练软件,并与导航、指控、鱼雷、声呐等计算机互联,联通后作战系统模拟训练软件主界面下方的联通标示显示为绿色;
3)作战系统模拟训练软件进行“初始设置”,完成“潜艇鱼雷攻击水面舰艇”的初始态势设置,并将相关参数分发给作战系统相关计算机;
4)该仿真系统中导航、指控、鱼雷、声呐等计算机操作人员相互配合,完成一次“潜艇鱼雷攻击水面舰艇”的模拟训练,各计算机将训练参数分发给作战系统模拟训练软件,训练过程如图8 所示。
5)训练结束后,作战系统模拟训练软件将模拟训练过程数据保存,并可以对本次训练进行评估和重演。
应用实例表明,舰艇作战系统模拟训练一体化设计方案切实可行。
5 结束语
1)舰艇作战系统模拟训练功能设计采用作战系统模拟训练软件形式,部署到舰艇作战系统全舰计算环境(TSCE)中的服务器里,作战系统模拟训练软件采用DDS交互方式与作战系统各分系统进行信息交互,采用ESB交互方式与外部训练系统进行信息交互。
2)作战系统模拟训练软件体系结构采用层次化、模块化设计,自下而上分为系统层、基础服务层、功能模块层和应用层,有利于软件的开发、部署、运行和维护管理。
3)作战系统模拟训练软件模型体系同样采用层次化、模块化设计,分为基础类模型、平台装备类模型、武器类模型、平台类模型和评估类模型,软件应用层可以针对特定训练任务灵活组织调用模型和数据。
4)本文提出的舰艇作战系统模拟训练一体化设计方案,能够适用于各种舰艇作战系统模拟训练功能的研制,具有很强的可操作性。