淺談仿真技術在軍事領域內的應用

黃勇 孟慶鑫

(中國電子科技集團公司電子科學研究院北京 100041)

淺談仿真技術在軍事領域內的應用

黃勇 孟慶鑫

(中國電子科技集團公司電子科學研究院北京 100041)

仿真技術已經發展形成較完整的專業技術體系，并迅速地發展為一項通用性、戰略性技術。軍事領域內的仿真技術在高技術條件下的戰爭中正在起著越來越大的作用。本文首先對仿真技術進行了簡要概述，接著對國內外軍用仿真技術發展現狀和仿真技術的主要發展趨勢進行了介紹，最后對仿真技術在軍事領域內的應用進行了粗淺探討。

軍事仿真技術虛擬現實

1 引言

現代仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一種綜合性技術[1]。其特點是它屬于一種可控制的、無破壞性的、耗費小的、并允許多次重復的試驗手段。它綜合集成了計算機、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術領域的知識。正在成為繼理論研究和實驗研究之后的第三種認識和改造客觀世界的重要方法。

隨著仿真技術在科技進步和社會發展中的作用愈來愈重要，特別是軍事科學中。隨著高、精尖武器系統的研制和發展，對仿真技術的應用和研究提出了更高的要求。世界各軍事強國竟相在新一代武器系統的研制過程中不斷完善仿真方法，改進仿真手段，以提高研制工作的綜合效益。軍用仿真技術在“研試戰訓?！斌w系中的應用，已得到研制方和使用部隊的承認和重視。

本文在對仿真技術進行了簡要概述之后，粗淺探討了國內外軍用仿真技術發展現狀、仿真技術的發展趨勢及其在軍事領域內的應用。

2 國內外軍用仿真技術發展現狀

2.1 國外軍用仿真技術發展現狀

美國國防部高度重視仿真技術的發展，美國一直將建模與仿真列為重要的國防關鍵技術。1992年公布了“國防建模與仿真倡議”，并成立了國防建模與仿真辦公室，負責倡議的實施：1992年7月美國防部公布了“國防科學技術戰略”，“綜合仿真環境”被列為保持美國軍事優勢的七大推動技術之一；1995年10月，美國防部公布了“建模與仿真主計劃”，提出了美國防部建模與仿真的六個主目標；1997年度的“美國國防技術領域計劃”，將“建模與仿真”列為有助于能極大提高軍事能力的四大支柱（戰備、現代化、部隊結構、持續能力）的一項重要技術，并計劃從1996年至2001年投資5.4億美元、年均投資0.9億美元。同時美國國防科學局（Defense Science Board）認為建立集成的綜合仿真環境和仿真系統，必須解決五個層次的使能技術，(enabling technologies)（即應能解決實現的技術）：

①基礎技術。包括：光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環境模型等；

于元、部件級技術。包括：內存、顯示、局域網、微處理器、數據庫管理系統，數/模/數轉換器，建模與仿真構造工具，測試設備等；

③系統級技術。包括：微機系統，人一機界面，遠距離通訊/廣域網、計算機圖象生成；

④應用級技術。包括：制造過程仿真、工程設計建模與仿真，含人仿真系統，隨機作戰仿真等；

⑤集成綜合環境和建模與仿真工程。包括：原型機、規劃、設計與制造，訓練與備戰，測試與評估。

上述技術有些商業市場解決，如微機系統、遠距離通訊/廣域網、人一機界面、計算圖象生成、數據庫管理系統、局域網、光纖通訊、軟件工程工具等，也就是大部份的硬件和網絡能力由商業市場作為成熟產品提供。而為滿足軍用仿真需求，有些如制造過程仿真，工程設計建模與仿真，隨機作戰仿真，環境模型等都由關國防部組織解決。

數學模型是仿真的基礎，要仿真，必須對被仿真的對象或系統進行數學建模，也就是對客觀世界中客觀事物進行數學抽象和數學描述。數學模型的正確與否以及其精確度直接影響仿真的置信度。所以，建模以后必須經過驗模，驗模就是對模型的評估過程。雖然這是化費較大的工程，但是幾年來，美、歐、日各方都化費巨資建立半實物仿真系統，以加快仿真研制。

同樣，歐洲對于仿真的研究歷來也十分重視。北大西洋公約組織（NATO）于1992年9月成立了DIS工作組。同年歐洲學術界的二百個成員成立了歐洲仿真特殊興趣組，并于次年組建了“仿真未來：新概念、工具和應用”基礎研究工作組。制定了仿真基礎研究和開發為第一優先主題。尤其是象并行和分布式仿真這樣的基礎技術，圍繞這個主題將就“仿真互操作性”展開行動計劃。并對應于美國DIS工作組成立一些對應的機構進行跟蹤研究。

2.2 國內軍用仿真技術發展現狀

我國軍用仿真技術的發展已有四十年的歷史。尤其在“十一五”以來的十多年中，通過邊建邊用，以及上級領導的重視，仿真技術得到了飛速發展。突出表現在以下方面：

在武器系統研制與武器系統仿真技術方面，我國建成了服務于各類新型導彈、衛星、飛機和艦船等仿真的多個仿真系統，仿真技術已有效地應用于新武器型號的研制中，為戰略導彈、防空導彈、海防導彈、空空導彈、反坦克導彈以及各型魚雷等多種導彈、魚雷型號進行了數百個批次、數十萬條次彈道飛行(試航)的仿真；為多個衛星型號，殲擊機研制，艦船作戰系統和武器系統陸上聯調，坦克、高炮系統作戰效能，進行了大量的數學和半實物仿真。有效降低了高技術新型號研制的風險，大大減少實彈試驗次數和試彈數量，全面提高了武器系統效費比。

在體系對抗仿真技術方面，我國首先建成了綜合防空多武器平臺仿真示范系統、戰區導彈攻防對抗仿真系統、戰區綜合防空聚合／平臺仿真系統，標志著我國已基本掌握先進分布仿真系統體系結構等多項關鍵技術，為武器裝備體系對抗仿真打下了基礎。其后研制完成的多武器平臺攻防作戰綜合仿真示范系統，進一步加強了我國武器裝備體系對抗仿真的技術水平和能力。

在仿真共用技術和關鍵技術方面，如建模、驗模理論和方法，基于HLA的仿真支撐軟件、CGF、環境仿真及VR技術、仿真標準及規范等取得了一批成果。為滿足體系對抗仿真的需要，建立了包括武器平臺模型、作戰模型、環境模型和評估模型等在內的模型體系，對大型復雜仿真系統VV&A與可信度評估技術等進行了初步探索，開發了一系列仿真運行支撐環境和建模支撐環境等工具軟件，提高了仿真系統的開發及運行技術水平。

與國外軍用仿真技術的發展相比，我國體現在仿真技術上的不足主要表現為：

①已建的半實物仿真系統，基本上只能服務于新型武器系統的設計研制階段；已有的仿真系統，在體系結構上，是集中、封閉式的，只能進行單一武器的性能仿真；還不具備接近實戰的目標、環境和干擾仿真的能力；仿真技術的應用距離服務于武器裝備全壽命和全系統的要求，尚有不小的差距；

于國內體系對抗仿真系統的規模、功能和組織管理等方面與國際先進水平存在一定的差距，主要體現在可擴展性較差，功能上不能全面覆蓋各種需求，標準規范尚待進一步統一和細化。只是初步具備在復雜作戰環境下進行體系對抗仿真的能力；

仿真共用技術水平同仿真技術應用需求相比，也存在較大的差距。主要表現在以下方面：仿真系統體系結構技術；實用的武器系統建模、驗模方法；規范的仿真系統VV&A與可信度評估技術；仿真標準與規范；接近真實作戰條件的戰場自然環境仿真技術；一體化仿真環境以及仿真資源庫。

3 仿真技術的發展趨勢

仿真本質上是一種知識處理的過程，典型的仿真過程包括系統模型建立、仿真模型建立、仿真程序設計、仿真試驗和數據分析處理等，它涉及多學科多領域的知識與經驗。

仿真技術的發展離不開應用需求的推動。當前各應用領域對仿真技術提出了許多新的要求，主要有：

①提高仿真的逼真性、可靠性和精確性；

于提高建模與仿真的效率；

③改進仿真系統的體系結構。

為滿足這些要求，一系列新的技術方案被相繼提出，這些新技術代表了仿真技術發展的主要趨勢。

3.1 虛擬現實技術

虛擬現實技術(VimialReality，VR)是在綜合仿真技術、計算機圖形技術、傳感技術、顯示技術等多種學科技術的基礎之上發展起來的[2]，它以仿真的方式使人置身于一個虛擬世界中，通過頭盔顯示器、數據手套等輔助傳感設備，使人可以沉浸到一個由計算機系統所創造的虛擬環境中，與虛擬環境發生交互作用，并得到與實際的物理參與聯試所能獲得的相同或相似的感受。

近年來，虛擬現實（Virtual Reality）技術在航空航天和軍事領域的成功應用，取得了巨大的經濟效益和社會效益，促進美國政府進一步加大了對VR技術研究的支持力度。VR技術在武器系統性能評價、武器操作訓練、指揮大規模軍事演習等三個方面的仿真應用中能發揮重大作用：大幅度降低所需的費用，極大的提高效益，并消除意外傷亡事故。因此，美國政府所支持的VR技術研究也正是緊緊圍繞著提高這三種能力的系統和環境而展開的。

進一步的研究包分布式虛擬環境、虛擬環境建模、分布式可交互環境數據庫、虛擬環境顯示、數據融合與輸出、各個層次（包括地形繪制、天氣描述、運動和傳感、武器系統與效應、計算機生成的半自主兵力等）上的逼真性、分布式多維人機交互及標準化等。

3.2 分布交互仿真技術

美國是最早發展分布式交互仿真技術的國家。1983年美國防部高級研究計劃局（DARPA）和陸軍合作的研究計劃SIMNET于1989年完成，為DIS的發展奠定了技術基礎。分布式仿真包括軍事上公認的三類仿真：真實仿真、虛擬仿真、結構仿真，分布交互仿真的核心是仿真技術和網絡技術的結合。

分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation，DIS)是一種基于計算機及高速通信網絡的仿真訓練系統，它將分散于不同地點、不同類型的仿真設備或系統集成為一個整體，使之相對每個用戶皆表現為一個逼真的浸入環境，并在此環境下支持高度的交互式操作[3]。

分布交互仿真技術最明顯的應用是多兵種聯合作戰訓練，進行多武器平臺作戰仿真。在DIS生成的逼真戰場環境支持下，可以進行作戰仿真，熟練掌握合成作戰技術、作戰原則、發展新的作戰方式和方法，提高各級指揮人員的戰場指揮能力，并可大大減少風險和高額開銷。

目前，分布交互仿真技術在高層體系結構(HLA)上，建立了在一個廣泛的應用領域內分布在不同地域上的各種仿真系統實現互操作和重用的框架及規范。HLA的基本思想就是使用面向對象的方法，設計、開發及實現系統不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真系統高層次上的互操作性與可重用性。HIA只是分布交互仿真技術發展的新起點，它還存在不足之處，但它必將隨著仿真需求、仿真技術和各種支撐技術的發展而得到進一步的發展。特別是隨著互聯網Intemet、Web/Web Service、網格計算(Grid computing)等網絡技術的發展，其技術內涵和應用模式得到不斷的擴展和豐富。

3.3 面向對象的仿真技術

面向對象的仿真(Object.Oriented Simulation，OOS)，為人們研究現實世界提供了一種更為自然的框架，它是當前仿真領域最新的研究方向之一。面向對象的觀點把系統看作由相互作用的對象組成，它能夠以使人易于理解的形式構造現實系統的仿真模型，并能使人在一個具有實際含義的層次上觀察模型的行為，有利于提高仿真軟件設計的安全性和可靠性。計算機輔助仿真(CAS)建立封裝了對象相應的數據和數據操作的程序模塊，作為對象的模型，整體行為則由對象間通過接口相互交換信息的聯系來描述。這樣，系統與模型具有直接的對應關系，這種直觀與易理解性，符合人們自然思維方式，便于在實際含義的層次上觀察模型的行為。

3.4 智能仿真技術

基于建模與仿真技術研究人類智能系統機理，以及各類基于知識的仿真系統已成為仿真技術的重要研究與應用領域。典型的如基于仿真的嵌入式智能系統。目前，應用智能體(agent)對復雜社會系統進行仿真是這一領域的研究熱點。基于agent的仿真技術中也存在著挑戰，例如，如何控制agent的自治能力來保證它的可信度[4]。其中知識模型及其表示標準化的研究，尤其是對面向Agent的模型、面向本體的模型、面向分布式推理的網絡模型、面向移動通信的推理模型、能演化的模型、自組織模型、容錯模型、虛擬人等的研究將是智能系統建模進一步研究發展的重點。

3.5 綜合自然環境仿真技術

無論是單武器平臺性能仿真還是多武器平臺在對抗作戰環境下的體系對抗仿真，綜合自然環境仿真都是重要的組成部分。美國在環境仿真方面，研制了各種運動仿真器，如高精度飛行仿真轉臺、加速度模擬器、真空模擬器等，建立了逐步完善的各種實體模型數據庫、戰場環境（如地形、地貌、海洋、大氣、空間等）數據庫，并用虛擬現實技術，建立虛擬仿真環境、虛擬戰場環境等，以支撐其各種仿真的需要。

綜合自然環境的建模與仿真應包括對地理(地形、地貌和地質)：海洋、空間、大氣、電磁等環境信息的仿真。在環境模型基礎上進行的仿真應用體現了自然環境對實體運行和決策行為產生的影響。綜合自然環境的建模采用靜態或動態的多維數據場擬合方法，并對虛擬自然環境與實體的交互進行檢測[5]。

綜合自然環境的建模與仿真必須解決兩方面的問題：

①環境模型的建立。軍事應用中的環境是千變萬化的，不同的地形、地貌、氣象、電磁干擾、噪聲等等都有其不同的環境特征，要對其建立有相當置信度的模型是很復雜的，所以環境仿真建模工作應作為基礎性研究進行。

于環境效應。這是一個更加復雜的問題，實際上也就是仿真環境動態變化時，對仿真結果所產生的影響。例如，軍艦，反艦導彈與海情，風力、風速，加上多路徑這些環境之間是相互交互的。這些都增加了仿真達到相當置信度的難度。

當前，自然環境建模與仿真技術向著多學科融合、實時動態化和分布式協同化方向發展，同時出現了相關的設計標準(綜合環境數據表示與交換標準SEDRIS)、規范和實現技術(地理信息系統(GIS)，基于圖像繪制(IBR)，體繪制(Volume Rendering)等)。

3.6 建模與仿真的校核、驗證與確認技術

建模與仿真的校核、驗證與確認技術(verification，validation and Accreditation，w&A)技術，即系統模型的校核、仿真模型的驗證以及仿真結果的認可技術[6]。VV&A技術的應用能提高和保證仿真可信度，降低由于仿真系統在實際應用中的模型不準確和仿真可信度水平低所引起的風險。VV&A技術已成為復雜系統建模與仿真技術中的重要課題，尤其受到軍事部門的高度重視，并正從局部的、分散的研究向實用化、自動化、規范化與集成化的w＆A系統發展。

4 仿真技術在軍事領域內的應用

在軍事領域，仿真技術的應用主要包括武器裝備仿真和作戰仿真兩大部分。其在軍事上的應用，在高技術戰爭中對作戰行動將產生重要的指導作用，主要表現在以下四個方面[7]。

①通過訓練模擬器進行訓練，提高作戰人員的軍事素質；

于利用仿真技術提高武器裝備的戰技術性能，加速高科技應用，引導新武器研制，促進新型武器裝備發展；

③在戰爭開始前，采用仿真技術選擇最佳作戰方案，制定周密的行動計劃，對作戰的組織指揮起到重要作用；

④通過仿真，研究新的作戰思想、作戰理論，制定戰略計劃。

隨著各種仿真新技術的發展，其在軍事領域內的應用必然促進軍事訓練思想、訓練方法和訓練手段的更新和改進。下面結合仿真技術的發展趨勢，粗淺探討其在軍事領域內的各項應用。

4.1 基于分布交互仿真技術的軍事應用

分布交互仿真技術在軍事上最明顯的應用是多兵種聯合作戰訓練，進行多武器平臺作戰仿真。在DIS生成的逼真戰場環境支持下，可以進行作戰仿真，熟練掌握合成作戰技術、作戰原則、發展新的作戰方式和方法，提高各級指揮人員的戰場指揮能力，并可大大減少風險和高額開銷。美國是最早發展分布式交互仿真技術的國家。1983年美國防部高級研究計劃局和陸軍合作的研究計劃SIMNET于1989年完成，北約(NAT0)準備逐步把各國不同的兵力匯入SIMNET而成為一個虛擬戰場，并把空戰仿真系統(AWSIMS)和海戰仿真系統(NWSTMS)與其相聯。美國陸軍的CCTI(近戰戰術訓練系統)，是美國用于部隊訓練的第一個分布交互仿真實用系統，可實現546個仿真工作站的仿真訓練聯網，距離可跨越歐美之間，可為美國本土和美在北約駐軍的野外訓練提供高逼真度的虛擬戰場環境。聯網演習，比起實戰演習來，其成本低、損傷少、安全保密，多次反復演練，而且方案可以多變，準備時間短。通過聯網仿真訓練多兵、團組協同作戰，不僅可解決人與機之間的關系，更要解決人與人之間的協同關系。

分布交互仿真技術的發展主要基于兩個因素：

①網絡技術的發展；

于軍事技術的需求。

要求借助仿真技術來訓練作戰人員，使其能在現代戰場環境條件下使用各自武器裝備并互相配合作戰，因而該技術近二十年來在軍事上得到了迅速發展。

4.2 基于虛擬現實技術的軍事應用

近幾年，隨著科學技術的發展，虛擬現實技術已經滲透進軍事生活的各個方面，開始在軍事領域中發揮著越來越大的作用。目前，虛擬現實技術在軍事領域的應用主要集中在虛擬戰場環境、軍事訓練和武器裝備的研制與開發等方面。

虛擬現實技術在軍事領域內的應用新的發展趨勢包拼[8]：

①高新技術武器的研制開發、論證、評估及預測；

于“虛擬”軍事地圖；

③虛擬現實在軍事醫學、救治上的應用；

④虛擬遠程控制機械裝備。

4.3 基于網格技術的軍事仿真

網格技術的核心是解決網絡上各種資源(如計算資源、存儲資源、軟件資源、數據資源等)的動態共享與協同應用。軍事網格是由各種通信衛星、微波中繼站、地面光纜、無線電臺、野戰地域網等通信基礎設施，以及各種計算機、存儲器、網格軟件平臺、數據庫、地理信息系統等計算信息設施組成，具有廣域分布、無縫連接、動態擴展和高度集成的特點[9]。

軍用仿真的需求和現代分布式仿真技術的發展、最新網格技術的興起已經為研究基于網格的新型仿真技術和構造網格環境下的仿真系統奠定了良好的基礎，我們稱之為“基于網格的仿真”，即所謂的“仿真網格”?；诰W格的仿真就是構建在網格(軟硬件)基礎之上，并且利用網格服務來支持仿真過程中的建模、想定制作、運行時集成、實驗設計、實驗分析等系列活動的一種新型仿真方法。網格技術提供的思想、體系結構和整合成單一的高性能、可靠的資源的能力在軍事仿真中具有良好的應用前景。

盡管目前網格技術還不是很成熟，但它將是網絡技術的發展方向，及早展開基于網格的軍事應用仿真研究，對于我軍將來搶占信息制高點，推動仿真技術在軍事領域的應用具有非常重要的意義[10]。

4.4 依托裝備開發各種“嵌入式"仿真訓練系統

隨著軍事裝備的現代化，其自動化、智能化程度不斷提高，對裝備的模擬更復雜，所花的經費越來越多。特別是一些大型復雜的電子裝備，如C3I，C4I等系統。由于許多電子裝備的壽命不在于操作次數的多少，而主要取決于電子元器件的自然壽命，充分依托裝備開發各種仿真訓練系統，能較好地解決依靠實際裝備訓練會磨損和降低實裝壽命的問題[11]。

利用計算機等成熟設備，開發實裝的“嵌入式”系統，對于減少系統實物試驗次數、節省訓練經費、提高維護水平、延長裝備壽命周期、強化部隊訓練等具有非常重要的意義。

5 結束語

近幾十年來，仿真技術在各類應用需求的牽引及有關學科技術的推動下，已經發展形成了綜合性的專業技術體系。目前，仿真技術正向網絡化、虛擬化、智能化、協同化、普適化方向迅速發展。基于虛擬現實的仿真技術、分布交互仿真技術、面向對象的仿真技術、智能仿真系統、綜合自然環境仿真技術、w＆A技術等將是仿真技術發展的主要趨勢。

仿真技術在軍事領域中的應用，對于提高武器系統綜合性能、減少系統實物試驗次數、縮短研制周期、節省研制經費、提高維護水平、延長壽命周期、強化部隊訓練、幫助指揮人員掌握高技術戰爭的特點和規律、研究戰法等具有特別重要的意義。越來越多的國家已經認識到了仿真技術在軍事領域中的重要作用，并大力發展各種軍事仿真技術。

作為一門綜合眭科學，仿真技術將隨著其相關領域技術的深入發展，繼續向縱深快速發展，同時將擴大其綜合應用的領域，在國防建設和國民經濟建設中發揮更大的作用。

[1]王精業，楊學會，徐豪華.仿真科學與技術的學科發展現狀與學科理論體系[J].科技導報，2007.6，5

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[3]李伯虎，柴旭東，楊明，等.現代建模與仿真技術的發展[A].中國科學技術前沿(中國工程院版，第六卷)，高等教育出版社，2003.

[4]朱志強，王建元，王芳.基于Agent的核心計算機操作機制研究[J].計算機技術與發展，2007.7

[5]Tuncer Oren，Future of Modelling andSimulation：Some Developmenteas[R].2002 Summer Computer Simulation Conference，2002.

[6]成珙，劉小江，張文林.當前軍事仿真領域內新技術的應用與發展[J].計算機仿真，2004.2，3

[7]蔣一，魏駿.虛擬現實技術及其在軍事領域的應用[J].國外電子測量技術，2007.1，45

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[10]李伯虎，柴旭東，朱文海,等.現代建模與仿真技術發展中的幾個焦點[J].系統仿真學報，2004.9，1877

[11]魏玉凡.裝備維修信息化系統研究[M].北京：中國電子科學研究院學報，2009.

Application of Simulation Technology in Military Field

HUANG YongMENG Qing-xin
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

The simulation technology has been developed to form a more complete system of professional technology,and the rapid development of a common and strategic technology.Simulation technology in military field is playing a more and more important role in the high-tech war conditions.This paper has carried on the brief overview of simulation technology for the first time,and then the main development trend of domestic and foreign development status of military simulation technology and simulation technology are introduced,and finally the shallow discussion on the application of simulation technology in military field has been carried on.

Military；Simulation technology；virtual reality

TP391.9

A

：1008-1739（2015）06-63-5

定稿日期：2015-02-26