水雷反水雷武器仿真系統設計與實現

何永前 陳海岳

（中國人民解放軍海軍湛江航保廠 廣東 湛江 524002）

0 引言

隨著現代武器技術的發展，武器的威力和精度不斷提高，武器功能日益完善，其全壽命費用也隨之日益增加。目前，大型武器系統的高額費用已成為當今各國武器發展的一個重要制約因素。因此，以某種經濟有效的方式進行軍事研究、訓練就成了各國軍方的必由之路。國際上一致認為:“仿真是迄今為止最有效的、經濟的綜合集成方法，是推動科技進步的戰略技術”。 水雷反水雷武器系統是一個集多載體、多雷種的復雜系統，其中的水雷和艦艇數量、種類不定，為有效地進行武器性能檢驗和戰術有效性檢驗，新型武器研究、訓練、教學服務，需開發水雷反水雷武器仿真系統，最終建立水雷反水雷武器仿真試驗室。

1 水雷反水雷武器仿真系統組成

該系統是一個實時、人在回路的、半實物、連續局域網仿真，仿真計算機采用通用微機，操作系統是Windows XP,網絡是10M以太網，以VC++6.0作為編程語言，以國防科技大學開發的DIS_LINK為分布交互式仿真技術 （Distributed Interactive Simulation，簡稱DIS）為支撐軟件，以Access作數據庫開發。實物有水雷組合引信、磁場模擬器、聲場電信號模擬器、水壓場模擬器、全磁場掃雷模擬器和聲振動測量儀。仿真模型有掃雷艦、獵雷艦、掃雷具、各型水雷、物理場（聲、磁、水壓場）和有關戰術軟件。水雷反水雷武器仿真系統的組成如圖1。

2 軟件結構

整個水雷反水雷武器系統從角色劃分上采用紅、蘭、白三方的結構。其中紅、蘭方為仿真對抗雙方，分別是艦艇、水雷、反水雷武器。白方為管理方，負責整個DIS系統從仿真演練前的規劃準備，仿真演練開始時的初始化，仿真演練運行階段的管理與監控，直至仿真演練結束后的分析與重演。在本系統中，根據仿真劇情的不同，紅蘭雙方的組成成員可以動態組合，能實現武器性能仿真和戰術級別的水雷戰、反水雷戰的仿真。下面列出了典型的仿真劇情，并簡要列出各個劇情中紅蘭雙方的成員。

圖1

2.1 水雷武器性能驗證

紅方:水雷組合引信

蘭方:各種物理場模擬器(模擬器的激勵信號可以是實測數據，也可以是物理場仿真模型的計算結果)

紅、蘭雙方的交互數據采用實物連接方式交換（將水雷組合引信直接置于物理場中），并不上網傳輸。

2.2 掃雷具武器性能驗證

紅方:水雷組合引信或其(計算機仿真)模型

蘭方:掃雷具模型，物理場模型或物理場模擬器。

紅方中的水雷可用實物，也可以用軟件模型實現。當采用紅方軟件模型實現時，蘭方不需要物理場模擬器。這種“純虛擬”仿真方式，在進行新水雷反水雷武器研制時特別有用，它的結果能為后續的實物實驗提供有力的支持。

2.3 掃雷戰術仿真

紅方:水雷陣模型

蘭方:戰術軟件，掃雷艦模型，獵雷艦模型，掃雷具模型。

對于大規模的戰術實驗,如果真刀真槍地進行,重復實驗所需的資金、人員、器材龐大,組織難度大。而采用DIS仿真技術,在建好模型的前提下,仿真規模、仿真重復次數都不是大問題,并且仿真結果的統計性意義,可以為制訂戰術提供依據。

3 實現方法

3.1 演練規劃

在演練開始之前，要根據作戰想定和目標以及可用的仿真資源進行任務規劃，明確紅、藍雙方的作戰配置、作戰環境和作戰規則，生成相應的劇情。具體包括:

1）演練區域規劃

演練區域規劃指確定演練區域、地圖投影和格式、地圖范圍和建立相應的坐標系。

2）環境規劃

環境規劃包括對地形、海洋、大氣、人文等環境因素的規劃。根據水雷反水雷作戰的特點，對河流（沿海）、天氣等環境因素進行規劃。

3）兵力裝備規劃

兵力裝備規劃是指為參演實體選擇實體模型和初始條件、確定實體的類型、名稱、標識符、能力、角色、武器配置等。在水雷反水雷武器仿真系統中，包括水雷、反水雷裝備和目標艦船。

水雷:根據區域和環境的規劃確定水雷的布放方式（飛機布雷、水面艦艇布雷或潛艇布雷），并根據作戰目的（防御或進攻，打擊何種艦船）和己方情況，選擇雷陣以及應布放何種水雷。

反水雷裝備:根據所獲得的敵方水雷資料，以及己方情況（掃雷能力）確定用于掃雷的艦船，并選擇相應掃雷裝備。

目標艦船:根據作戰目的，選擇要打擊的艦船類型，如戰斗艦艇、潛艇、運輸艦船或者貨輪等等。

4）演練監控規劃

演練監控規劃主要是選擇要監控的對象(如數據、參數、設備等)、監控的形式。在此系統中監控的對象有艦船（航線，以及水雷爆炸對艦船的影響）、各種場在各個水雷處的值。

5）演練顯示規劃

演練顯示規劃是指確定二維態勢顯示、三維場景顯示、數據/曲線/表格顯示等。

根據水雷戰和反水雷戰特點，對作戰態勢進行二維顯示，對掃雷裝備和海洋的聲場、磁場、水壓場使用曲線和表格，并結合數據進行顯示。

6）劇情規劃

劇情規劃確定演練標識符、演練開始的仿真時間、演練開始的真實時間、劇情名、DIS UDP端口號、DIS版本號、DIS缺省設置值，并最終形成劇情文件。本系統中，劇情文件包括水雷、艦船、掃雷裝備以及環境（包括環境場）的初始參數。

3.2 初始化設置

初始化設置階段的功能是將任務規劃階段形成的劇情分別加載到相應的網絡節點并初始化各仿真實體，具體包括:

1）分解劇情

由于各個實體僅與劇情的一部分有關所以要分解劇情，而且不同實體對數據格式有不同的要求，所以分解的劇情要進行相應格式轉換。本系統首先生成劇情，然后分解劇情，為每個仿真應用程序生成一個兵力文件。

2）加載劇情

白方以文件傳輸的方式把各個兵力文件通過網絡傳送到各個節點上，實現對節點的劇情加載。

3）初始化實體

通過讀兵力文件，對各節點上的實體進行初始化。實體初始化有兩部分的數據:一般實體信息和初始參數。一般實體信息描述了仿真實體在DIS演練中所扮演的角色，包括:

（1）實體類型(它包括實體種類、領域、國家、類、子類、特有信息、額外信息七個域)。

（2）實體兵力標識符(敵方、友方、中立方)

（3）實體外觀

（4）實體標識符(場所ID、應用ID和實體ID)

（5）實體名

（6）實體初始位置、方位和速度

（7）實體模型

初始參數的內容由具體模型決定。水雷反水雷武器仿真系統中各模型的初始參數內容大致如下:

環境:根據規劃區域的實際情況，對流速、風速、海況、海深等因素進行設定。

水雷:確定水雷引信工作制，設置各個水雷的定時，定次；

反水雷裝備:根據環境和水雷情況，確定掃雷艦船的航速、航線，掃雷裝備的工作制。

4）時鐘同步

對各仿真節點進行時鐘同步。在DIS演練中，每個仿真節點都具有自已的局部時間，由于DIS演練是通過PDU的交換來推進的，而每個PDU中都帶有時戳值，因而時鐘同步對于保證虛擬世界的時間一致性是至關重要的。時鐘同步的好壞不僅關系到DIS演練的啟動、重放和數據的集成和分析，而且直接影響DIS演練的邏輯結果的正確性。例如節點A向節點B開火后認為節點B被擊中，它發出一個爆炸PDU，并在其中蓋上節點A的時戳 (比如GMT時間六點)，如果節點A、B未經過時鐘同步，那么節點B接到爆炸PDU后，它根據自己的局部時鐘的時間，比如說GMT時間七點，節點它會吃驚地發現，它早在一小時之前就已被摧毀壞了，而它摧毀后還存活了一個小時！時間一致性問題是DIS的基本問題，時鐘同步是解決時間不一致的基礎。

3.3 管理與控制

在管理與控制階段，DIS演練已經開始，DIS仿真管理系統主要是監控演練的情況，必要時還要干預演練進程，它具有如下功能:

1）實時數據記錄

實時記錄PDU數據和非PDU數據(如命令、話音、環境數據等)，數據記錄器具有對數據進行過濾的功能。

2）實時數據和設備監控

對數據、參數和有關設備進行監控。包括各種場信號，水雷引信動作值，以及艦船的狀態（航速、航線等）等。網絡監控為網絡管理員提供了監控網絡性能的信息，比如負載、延時、錯誤等。

當網絡上的PDU發送速率很大時，網絡負載就大，相應的就有可能引起PDU丟失、網絡延時大。以測定網上PDU的發送速率來定量描述網絡負載。對于網絡延時，在編程實現上，借鑒熟悉的Windows中的PING程序。對于PDU丟失情況，目前只能針對重要PDU，不能監控所有種類的PDU（如狀態PDU）。PDU丟失監控的實現方法:每個DIS仿真應有程序在發出重要的PDU時（如爆炸PDU），作一個發送記錄。實時PDU紀錄器在受到PDU時，也作一個接收紀錄。通過事后比對這兩個記錄，可以了解本次系統仿真的PDU丟失情況。這種方法并不是一種實時監控方法。如果DIS系統的性能降級了，可以通過實時網絡監控盡早發現問題并干預。

3）實時態勢和場景顯示

利用顯示手段觀察演練進程。態勢顯示是對整個戰場情況的匯總:戰場的兵力分布情況、水雷的位置和作戰狀態、艦艇的運動情況以及報告戰場事件 （戰場事件可以自己定義，如水雷爆炸）。采用MapInfro軟件結合DIS_LINK進行開發，利用MapInfro加載戰區海圖，利用DIS_LINK搜集戰場情況。前面說過，DIS的“分布”是指維護虛擬世界狀態的方式是是分布式的:由各個DIS仿真應用程序發布自己的狀態PDU，由實體狀態表搜集所有的狀態PDU，即可“拼湊”出虛擬世界的一般狀態。對于戰場事件，通過設置PDU過濾器，接收感興趣的PDU，如爆炸PDU，就可以得到戰場事件。

4）演練終止

使DIS演練有序地終止。

3.4 分析與重演

DIS演練完成之后，需要對DIS演練進行分析，得出評估結果。此階段的功能包括:

1）演練重演

利用數據記錄器重演DIS演練。

2）演練分析

建立分析庫，對重大事件、狀態改變等進行分析。在本系統中，重大事件主要是指水雷爆炸，要對引起水雷爆炸的各場，以及掃雷艦此時的狀態（包括相對水雷的距離、方位，和水雷爆炸對其影響等）進行分析，另外還要對各戰術進行分析。

3）演練評估

根據分析的結果對水雷、掃雷艦船和裝備以及戰術進行性能評估和效能評估，給出評估報告。

4 結束語

該仿真系統的結構具要有良好的可擴展性、靈活性,適應實時、半實物、人在回路的仿真特點，可適應不同的仿真試驗,并為將來留下進一步發展留下余地。該系統已向部隊、科研院所推廣使用，為有效地進行武器性能檢驗、戰術有效性檢驗、新型武器研究、訓練、教學等方面發揮著重要的作用。

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