基于HLA的潛艇作戰訓練系統設計

邊聚廣

(江蘇自動化研究所，連云港222006)

1 引言

現代潛艇作戰系統一般都有訓練和戰斗兩種工作模式，其中訓練模式主要是通過模擬各種戰場態勢和各種軟硬武器發控過程，形成仿真回路，實現作戰系統裝備的聯動，讓各戰位人員熟練裝備的操作使用，熟悉潛艇作戰流程。但是隨著世界海軍裝備的發展，體系對抗和聯合作戰成為軍事領域研究的熱點，多平臺、多系統的聯合作戰是一種不可阻擋的趨勢，如何在潛艇上實現體系對抗和聯合作戰演練，對提高潛艇作戰系統作戰效能具有重要意義。

傳統訓練系統中各個目標都是按照預先設定的航路行進，戰場態勢一成不變，然而真實的戰場態勢瞬息萬變，目標不僅有運動行為，同樣有攻擊和防御行為，甚至運用各類戰術協同攻擊等。如果進行戰術演練則必須進行實裝演習，耗費大量人力、物力和財力，制約了潛艇戰術戰法的研究。根據各類作戰想定制定訓練任務，并設計真實的戰場態勢，進而實現戰術對抗和聯合作戰的訓練成為潛艇作戰訓練系統新的需求。

2 HLA分布式交互仿真

高層體系結構(HLA)是一個開放的、支持面向對象的體系結構，用于產生計算機仿真系統的通用技術框架，主要考慮設計聯邦成員間的交互，在此基礎上進行聯邦集成以達到仿真的目的。聯邦是用于達到某一特定仿真目的的分布仿真系統，其運行過程稱為聯邦運行，它由若干個相互作用的聯邦成員構成，最主要的一種聯邦成員是仿真應用。仿真應用使用實體模型來產生聯邦中某一實體的動態行為，它可以是應用程序，也可以是硬件平臺。聯邦成員間的信息交互通過支持環境RTI提供的服務來實現。HLA將應用層同底層支撐環境分離，即將具體的仿真功能實現、仿真運行管理和底層通信三者分開，隱蔽各自的實現細節，從而使各部分相對獨立的進行開發，實現了應用系統的即插即用，保證聯邦范圍內的互操作和重用［1］。

HLA主要有3部分組成:規則、對象模型模板、接口規范說明和運行支持環境(RTI)。其中，規范描述了聯邦成員和RTI的責任及關系，是仿真實現正確交互的基礎;對象模型模板提供了一種標準的文檔格式來描述聯邦及其成員對象的模型信息;接口規范說明以服務的方式定義了聯邦中聯邦成員進行信息交互的方式，運行支持環境(RTI)是HLA接口規范的具體實現［1］。

3 潛艇作戰訓練系統設計

3.1 系統設計目標

(1)能提供面向特定訓練任務的戰場態勢;

(2)能進行戰術對抗訓練任務，為研究戰術戰法提供平臺;

(3)能進行作戰流程的監控和回放;

(4)能進行作戰過程的評估;

3.2 系統邏輯結構和各成員功能

潛艇作戰訓練的關鍵是營造出具有一定真實性的作戰環境，根據對潛艇作戰流程的分析，采用HLA體系結構，可以實現仿真平臺和仿真模型的松耦合性，仿真臺間具有良好的互操作性和可重用性，且保證系統的開放性和可擴展性。潛艇作戰訓練系統硬件及網絡拓撲結構設計如圖1所示。

圖1 潛艇作戰訓練系統結構框圖

導演臺:

(1)負責訓練系統的聯邦運行管理。系統運行前，創建聯邦執行，在各仿真成員加入聯邦后，啟動聯邦執行。在仿真過程中，負責整個聯邦仿真時間的協調推進。

(2)負責戰場態勢初始化。將初始態勢信息(包括本艇和目標位置，戰場環境等)發布給相關的仿真臺和作戰系統。訓練過程中，訂購各個仿真實體的位置和動作，顯示戰場態勢。根據訓練任務需要，更改戰場環境，或向各個目標仿真臺下達各種命令，包括航路變化，攻擊和防御等，實現對戰場態勢的超控管理。

記錄評估臺:

(1)接收并記錄整個戰場的真實態勢，包括戰場環境、本艇、目標、軟硬武器等的位置、動作等，并進行二維和三維戰場態勢顯示。

(2)對整個訓練過程進行壓縮，便于回放訓練過程。通過制定相關評估指標和模型，完成對訓練過程的評估，并自動生成評估報告。

模型庫/數據庫:

存儲和管理戰場環境數據庫以及創建各個實體需要的模型庫，滿足各個仿真臺對性能參數、模型、文件的存儲、提取需求。

戰場水聲信號仿真臺:

根據各個實體(潛艇、水面艦艇、魚雷、聲抗器材等)真實的位置和動作，以及相應的噪聲參數、傳感器性能參數等，模擬出各個仿真平臺(包括訓練潛艇)的傳感器探測信息和數據鏈信息，為各個平臺提供輸入。

目標仿真臺:

目標仿真臺實現對特定類型目標的仿真。目標仿真臺不僅模擬目標的運動行為，還模擬目標攻擊和防御行為。它有兩種工作模式，人工操作模式和自動模式。人工模式下需要人為操作仿真臺，實現目標的機動，發射軟硬武器等。自治模式采用計算機生成兵力CGF(Computer Generation Force)技術，依賴基于知識的智能自治模型，來實現目標的行為自治。自治模型根據特定的訓練任務設計。另外，訓練系統中需開發何種類型的目標仿真臺，開發多少個，也需要根據特定的訓練任務來決定。

仿真信息代理臺:

由于潛艇作戰訓練系統與潛艇作戰系統采用不同的網絡通信模型，仿真信息代理臺負責兩系統間信息格式的轉換，起到接口適配器的作用，實現潛艇作戰系統和訓練系統的互連互通。

在實際應用中，仿真應用可以是應用程序，也可以是硬件平臺。由于潛艇內空間有限，只要硬件滿足要求，可以根據需要將目標仿真臺進行合并。同樣，導演臺和評估臺也可以進行合并。

4 潛艇作戰訓練系統開發

以訓練潛艇與兩個潛艇CGF仿真臺互連為例，介紹訓練系統的開發實現。首先，確定聯邦劇情，也是訓練系統的訓練任務:一艘敵方潛艇(CGF)進入我方某海域，我方兩艘潛艇(一艘為訓練潛艇，一艘為CGF)前去攔截。我方潛艇任務是搜索到敵方潛艇并擊沉，敵方潛艇任務是穿過我方某海域。作戰過程描述如下:

(1)敵我雙方制定作戰方案。

(2)敵方潛艇進入某海域，我方潛艇開始搜索敵方潛艇，雙方都處于探測階段。

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

(4)我方任務完成或敵方潛艇任務完成。

由于每次作戰方案的不同，以及相遇時的態勢不同等原因，每次進行訓練時，戰術對抗過程必定復雜多變，既可以充分訓練戰位人員的操作水平，也可以對各種戰術戰法進行操練。

按照聯邦開發和執行模型FEDEP(Federation Development Execute Model)的六個基本步驟進行開發，即定義聯邦目標、開發概念模型、設計聯邦、開發聯邦、集成和測試聯邦、運行聯邦和分析結果［1］。對訓練系統來說，關鍵是開發聯邦對象類和交互類、確定聯邦成員間交互關系。

4.1 聯邦對象類/交互類設計

為了確定潛艇作戰訓練系統中各聯邦成員之間的數據流和控制流，要進行對象類和交互類設計。各聯邦成員通過發布其它聯邦成員感興趣的對象類和交互類，訂購自己需要的對象類和交互類，以實現聯邦成員之間的互操作和信息交互。

對象類設計:

訓練系統中的對象類主要有Entity(戰場實體類)、Submarine(潛艇類)、Torpedo(魚雷類)、Decoy(自航式誘餌類)、Information(潛艇信息類)、Sensor(潛艇傳感器類)、DataLink(數據鏈類)。其中潛艇類、魚雷類、誘餌類是戰場實體類的子類，傳感器類和數據鏈類是潛艇信息類的子類，各類的屬性說明如下:

(1)Entity類屬性

Type:敵我屬性

Depth:深度

Speed:速度

Course:航向

Longitude:經度

Latitude:緯度

(2)Submarine類屬性

SubmarineState:狀態

ZongYao:縱搖

HengYao:橫搖

(3)Torpedo類屬性

TorpedoZhuangJiao:魚雷轉角

SelfGuideTime:自導開機時間

Fusee:引信動作

(4)Decoy類屬性

DelayTime:系統延遲時間

WoreMode:工作方式

(5)Information類屬性

Sonartartype:目標類型

TarDirection:目標方位

(6)Sensor類屬性

SNR:信噪比

SonarDistance:估計距離

SonarSpeed:估計速度

State:載體狀態

(7)DataLink類屬性

Longitude:經度

Latitude:緯度

Course:航向

DetectTime:目標探測時間

交互類設計:訓練系統中的交互類主要有TaiShi_Set(態勢設定類)、Submarine_Move(潛艇機動類)、Submarine_TorpedoShoot(潛艇發射魚雷類)、Submarine_DecoyShoot(潛艇發射誘餌類)。

(1)TaiShi_Set類參數

Depth:深度

Speed:速度

Course:航向

Longitude:經度

Latitude:緯度

(2)Submarine_Move類參數

SpeedChange:航速改變

CourseChange:航向改變

(3)Submarine_TorpedoShoot類參數

TorpedoType:魚雷雷種

TorpedoMode:魚雷工作方式

(4)Submarine_DecoyShoot類參數

DecoyType:誘餌類型

DecoyMode:誘餌工作方式

4.2 聯邦成員關系

根據聯邦成員劃分，以及對象類和交互類組成，在潛艇作戰訓練系統中，聯邦成員與對象類和交互類的關系如表1所示。

表1 聯邦成員與對象類和交互類的關系表

4.3 聯邦工作流程

潛艇作戰訓練系統RTI采用DMSO的RTI1.3，基于Visual C++開發。聯邦的工作流程如下:

(1)導演臺創建聯邦執行，各個仿真成員加入聯邦，聯邦執行開始運行。

(2)導演臺設定作戰海域水文環境信息、電磁環境信息、兩個潛艇仿真成員和訓練潛艇的初始態勢信息。兩個潛艇仿真成員收到初始態勢信息后，初始化自身狀態;仿真代理成員接收后，轉發至潛艇作戰系統，各個仿真實體開始處于搜索探測階段。

(3)水聲信號仿真臺根據各個實體的真實位置、各個實體傳感器性能參數以及聲場模型等，計算模擬各個實體的傳感器探測信息以及數據鏈信息，并發布各個實體的傳感器對象和數據鏈對象。

(4)兩個潛艇仿真臺獲取態勢信息后進行信息綜合處理，通過自治模型決策或者人為操控管理，進行實體機動或者軟硬武器的發控，發布自身實體對象或魚雷實體、誘餌實體對象。仿真代理成員將訓練潛艇的態勢信息轉發給作戰系統，戰位訓練人員根據態勢信息執行訓練任務。

(5)敵方任務完成或我方任務完成，評估臺根據評估模型自動生成評估報告。

(6)各聯邦成員退出聯邦，聯邦執行結束。

5 結束語

提出了一種新的基于HLA的潛艇作戰訓練系統設計，并基于特定的訓練任務，分析了系統的實現過程。訓練系統具有較高可重用性，互操作性，易擴展性，可以與潛艇作戰系統設備聯機進行訓練，滿足部隊聯合作戰演練的要求。下一步工作是根據部隊具體的訓練任務，開發潛艇作戰訓練系統裝備。

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