基于虛實一體的實兵對抗訓練系統設計研究

徐寶宇 張宏軍

(1.解放軍理工大學 指揮信息系統學院，江蘇 南京210007;2.中國人民解放軍65067 部隊，遼寧 沈陽110035)

1 引言

實兵對抗訓練是部隊訓練的最高層次，對于全面檢驗和提高部隊實戰能力具有重要意義。運用實兵對抗訓練系統組織實兵對抗訓練，是目前世界上主要軍事強國普遍采取的一種訓練方式，它能夠全系統、全過程、全要素模擬實戰過程和作戰結果，達成“戰訓一致”的目標［1］。美軍在20 世紀70 年代研制出的多功能綜合激光交戰訓練模擬系統(MILES)，經過長期應用、改進，經歷了基本MILES、MILES2000 到MILES XXI 三個發展階段。MILES XXI 系統具有體積小、重量輕、性能好、效費比高、逼真感強和精度高等特點，可模擬師一級的各類戰術演習，目前已裝備于包括美國歐文堡國家訓練中心在內的三個士兵訓練中心。我國以激光交戰器材為標志的實兵對抗訓練系統研發始于20世紀80 年代，到目前為止已經成功研制出第三代。該系統采用激光模擬技術、武器仿真技術、衛星定位技術、無線電通信技術和計算機仿真技術等，對抗訓練設備基本覆蓋陸軍部隊主要武器裝備，能進行激光交戰信息的實時采集、記錄和處理，真實反映交戰過程和戰損情況，能滿足營連對抗演練和實兵對抗訓練的自動裁決［1］。近年來，該系統在我軍部隊訓練中得到廣泛運用，對提高部隊實戰化訓練水平起到了重要作用。

未來聯合作戰具有參戰力量多元、戰場空間多維和作戰行動多樣等特點［2］。以單純實兵模擬為依托的實兵對抗訓練系統很難滿足聯合作戰條件下實兵對抗訓練的需要，主要體現在以下幾個方面:一是大規模調遣多軍兵種聯合兵力，組織全要素的實兵對抗訓練，協調難度大，安全風險高，且容易對周邊造成不必要的緊張局勢;二是訓練消耗大，保障困難，訓練成本高，難以實現訓練的常態化;三是難以對“代差級”武器裝備性能進行有效模擬，無法開展真正意義上的“紅藍”對抗;四是無法模擬交戰雙方尚未服役武器裝備的作戰效能，不支持超前訓練功能［3］。為解決實兵模擬對聯合作戰實兵對抗訓練支持不足的問題，美軍從20 世紀90 年代開始綜合利用實兵訓練、虛擬模擬、推演模擬三種訓練樣式的優勢，采用LVC 方法進行綜合訓練。2002 年，美國進行了具有里程碑意義的“千年挑戰2002”演習［4］。此次演習中，美軍第一次采用LVC 綜合訓練方法來支撐演習，有9 個地點采用實兵演習，17 個地點采用計算機推演模擬。近年來，為解決實兵對抗演習中聯合兵力保障困難的問題，我軍在實兵對抗訓練系統中融入了航空兵、炮兵和地雷場等虛擬兵力，對構建基于虛實一體的實兵對抗訓練系統進行了有益的探索和嘗試，取得了初步成效。但是由于該系統是在現有實兵對抗訓練系統上以“打補丁”方式實現的，缺乏統一的虛實集成技術體系、有效的異構網絡互聯技術和虛實兵力自主對抗手段，無法實現虛實兵力的“無縫融合”和“可相互替代”，使系統的實用性、適用性、可擴展性和逼真度大打折扣。因此，著眼聯合作戰條件下實兵對抗訓練需求，以實兵對抗訓練系統為依托，借鑒美軍LVC 綜合訓練經驗，加強基于虛實一體的實兵對抗訓練系統設計，對于創新發展我軍實兵對抗訓練手段，加速部隊戰斗力生成至關重要。

2 系統定位與設計需求

2.1 系統定位

系統設計目標是基于現有實兵對抗訓練系統，充分發揮實兵模擬與虛兵仿真的技術優勢，通過綜合集成計算機生成兵力和半實物仿真虛擬兵力，構建模擬要素齊全、對抗體系完整、虛實搭配合理、虛實融合緊密、組訓靈活、使用方便、模擬效果逼真的實兵對抗訓練平臺，最大限度地為參訓部隊營造逼真的聯合作戰實戰化訓練環境，滿足多軍兵種、各層次訓練對象組織實施聯合作戰背景下實兵對抗訓練的需要。

2.2 系統設計需求

系統引入虛擬兵力的目的是彌補實兵模擬在支持聯合作戰實兵對抗訓練方面的不足，這就決定了系統設計中應堅持以“實兵為主、虛兵為補”的原則。盡量保證訓練主體的實兵化，即受訓方兵力及與其直接交戰的兵力盡量采用實兵模擬的方式;對調遣困難或受訓軍種以外的受訓方兵力可采用半實物仿真的方式;對與受訓方非直接交戰或存在“代差級”的敵方兵力，可采用計算機生成兵力方式進行模擬。同時，為保證虛實兵力的“無縫融合”和系統的經濟性、實用性和有效性，系統設計中應滿足以下需求。

2.2.1 滿足異地異構虛實兵力集成需求

目前實兵模擬兵力、半實物仿真兵力和計算機生成兵力已廣泛應用于各類軍事訓練領域，分布于不同地域和使用部門，是非常可觀的訓練資源。由于設計目標和應用需求的不同，它們在結構形式和交互環境上存在較大差異，難以直接進行交互和對抗。為實現現有虛實兵力的可重用，節約開發成本和提高研發效率，在系統設計中應遵循“綜合集成”原則，采用信息融合和系統集成技術，解決異地異構虛實兵力互聯、互通和互操作的難題，滿足虛實兵力綜合集成和無縫融合的需要。

2.2.2 滿足系統多樣化應用的需求

系統是面向多軍兵種實兵對抗訓練的，訓練環境、訓練對象和參戰兵力的多樣性，要求系統應具有較好的靈活性和可擴展性，以適應應用層次的多樣化和滿足未來系統拓展的需要。為此，在系統設計中應遵循模塊化設計思想和基于組件的開發技術，保證系統能夠根據具體訓練需求對虛實仿真實體進行按需組合、自由裁剪和動態加載，滿足不同軍兵種、不同層級參訓部隊針對不同作戰任務開展聯合作戰條件下實戰化訓練的需要。

2.2.3 滿足虛實兵力自主對抗需求

基于虛實一體的實兵對抗訓練系統中涉及的兵力類型包括實兵、計算機生成兵力、半實物仿真兵力，由于計算機生成兵力和半實物仿真兵力均存在于虛擬戰場空間，這里統稱為虛兵。虛實兵力自主對抗是指不同類型兵力之間能夠自主感知對方的存在，并依據實際作戰規則進行協同或對抗交互活動，是實現虛實兵力“無縫融合”的重點和難點。通過仿真代理將實兵映射到虛擬戰場空間的方法，能夠較好解決虛兵對實兵的自主對抗問題［5］。從目前情況來看，關鍵是解決實兵如何感知存在于虛擬戰場空間中的虛兵，并完成與虛兵的交互和對抗。

3 系統體系結構與組成

依據系統的定位和功能需求，基于虛實一體的實兵對抗訓練系統主要由綜合網絡系統、綜合數據管理系統、導調控制系統、指揮控制系統和交戰模擬系統五部分組成，其體系結構框架如圖1 所示。

圖1 基于虛實一體的實兵對抗訓練系統體系結構框架

3.1 綜合網絡系統

綜合網絡系統主要由導調控制網、指揮通信網、交戰信息傳輸網和視頻監控網四部分組成。導調控制網是導演部實施導調控制的通信網絡環境，與其他三類網絡互聯互通，以滿足導演部對指揮所進行命令下達、監控偵聽和情況導調及對各類交戰實體的狀態監視和裁決控制。指揮通信網包括紅方指揮通信網和藍方指揮通信模擬網。紅方指揮通信網采用受訓方現行作戰指揮通信網絡，藍方指揮通信模擬網是依據藍軍的指揮關系和通信裝備性能構建的指揮通信專網，兩者均設有與導調控制網和交戰信息傳輸網互聯的專用接口，以滿足導調和指揮控制的需要。交戰信息傳輸網主要用于各類交戰實體狀態信息和對抗信息的實時傳輸，主要包括實兵交戰信息無線網、基于DIS 的半實物仿真局域網、基于HLA 計算機生成兵力局域網及實現三類網絡互聯互通的廣域網。視頻監控網主要為導演部對參訓部隊指揮所作業場景和部隊行動情況進行視頻監控提供通信鏈路。

3.2 綜合數據管理系統

綜合數據管理系統用于完成演習導調、交戰模擬、演習評估所需數據的輸入輸出、審核校驗、綜合計算和存儲管理等，主要包括基礎數據庫和應用數據庫。基礎數據庫包括地理信息庫、戰術數據庫、復雜電磁環境庫等。應用數據庫包括虛實兵力庫、演習想定庫、訓練課題庫、訓練結果庫等。

3.3 導調控制系統

導調控制系統主要用于導演部組織導調演習，包括擬制演習想定、制定演習計劃、設定演練條件、誘導部隊演練、監控演練過程、組織演練評估等。由導調控制軟件、綜合調度平臺、視頻監控平臺、綜合顯示平臺和演習評估軟件等子系統組成。

3.4 指揮控制系統

指揮控制系統用于為指揮員提供與實戰一致或相近的指揮控制平臺，包括紅方指揮系統和藍方指揮模擬系統兩個部分。紅方指揮系統可采用受訓方現行的作戰指揮系統，藍方指揮模擬系統是按照藍方C4ISR 系統功能特性構建的、用于藍方指揮員實施指揮控制的專用平臺。二者除具備實際指揮控制系統的功能外，還應提供與導調控制系統和交戰模擬系統進行信息交互的接口，以滿足導演部導調控制和指揮員對所屬虛擬兵力實施指揮控制的需要。

3.5 交戰模擬系統

交戰模擬系統是整個系統的核心。主要由實兵模擬子系統、半實物仿真子系統、計算機生成兵力子系統、戰場環境感知子系統和虛實交戰綜合集成平臺五部分組成。其中實兵模擬子系統、半實物仿真子系統和計算機生成兵力子系統作為交戰模擬系統的主體，可以是分布于不同地域和應用于不同領域的已有仿真系統，也可以是根據應用需求構建的新仿真系統。戰場環境感知子系統主要用于監測和采集真實戰場環境數據，為虛擬兵力提供與實兵相一致的時空環境。虛實交戰綜合集成平臺用于為三類模擬子系統中的交戰實體的對抗交互提供統一的映射空間，在保證時空一致的前提下，實現導控、態勢、指揮和兵力等各類實體的無縫融合。

4 關鍵技術及實現

4.1 虛實融合聯邦體系結構

從目前我軍三類模擬子系統運行環境的技術體系來看，實兵通過無線通信網絡運行于實際戰場的真實交戰空間中，半實物仿真兵力運行于基于DIS 的分布式虛擬仿真環境中，計算機生成兵力運行于基于HLA 的分布式仿真環境中。三者運行環境差別較大，個性多于共性，具有一定的融合難度。

實現多種異構技術體系結構中虛實兵力的無縫融合，需構建一個公共的虛擬仿真環境，稱為虛實融合聯邦。讓每個融合兵力在這個聯邦中有一個映射對象，稱為兵力代理成員，代表融合兵力在同一仿真空間中完成交互和對抗，其行為和屬性數據可通過相應的接口與代理對象實現實時同步。為保證系統具有良好的可重用性、靈活性和開放性，虛實融合聯邦體系結構應采用HLA 規范構建，以適應根據不同訓練任務和訓練對象，靈活組建訓練聯邦的需求［6］。綜合考慮導調、指揮、兵力交戰、環境感知等綜合集成的需求，虛實融合聯邦中的聯邦成員除包括各類兵力成員代理外，還應包括導調控制成員、訓練評估成員、綜合態勢成員、指揮控制成員、戰場環境成員及相應的接口等，其聯邦體系結構如圖2 所示。

圖2 虛實融合聯邦體系結構

4.2 DIS/HLA 互聯技術

DIS/HLA 互聯技術，用于解決半實物仿真兵力仿真環境(基于DIS 技術體系)與虛實融合聯邦(基于HLA 技術體系)的有效互聯、互通和互操作的問題。在選擇互聯技術時應遵循以下原則:一是盡量減少原DIS 系統的改動量;二是能夠實現兩種仿真環境下仿真實體的互操作;三是盡可能考慮RTI 提供的六種服務;四是保證互聯后的系統具有較低的延時性，較高的上下兼容性和較好的可擴展性。鑒于以上原則，可采用以下兩種技術解決途徑:一是采用DIS/HLA 打包技術，如圖3 所示，這種方法是基于可以得到DIS 源代碼，對其進行加工、改造后重新封裝成HLA 的標準格式，它不需要增加硬件，且延時較小，成本較低。二是采用DIS/HLA 轉換器/網關技術，如圖4 所示，這種方法不需改造DIS 結構，實現方法簡單，缺點是需要增加硬件，節點數量多時延時較大，采用DR 算法可以減少一定的延時。

圖3 DIS/HLA 打包互聯技術

圖4 DIS/HLA 轉換器/網關技術

4.3 虛實兵力互感技術

4.3.1 實兵感知虛兵技術

實兵感知虛兵就是在實兵的偵察顯示終端上能夠按照特定的格式自動顯示其探測范圍內的虛兵。具體實現方法為:實兵代理成員依據其偵察模型，確定能夠感知到的虛兵，并將虛兵的狀態和行為信息通過實兵交戰信息無線網傳輸給實兵上的虛實融合終端(屬實兵對抗系統設備)，該終端通過增強現實技術，將虛兵信息融入真實的戰場環境中，并回顯到實兵偵察顯示終端上，完成對虛兵的感知。這些偵察顯示終端包括雷達顯示屏、視頻偵察顯示器、光學偵察顯示器、綜合情報顯示終端和頭盔顯示器等(屬實裝設備)。

4.3.2 虛兵感知實兵技術

通過實兵代理成員，實兵與虛兵共存于基于HLA 技術體系的虛擬仿真環境中，因此虛兵通過相應的發布與定購策略能夠自動完成對實兵的感知。虛兵感知實兵技術的關鍵是解決實兵代理成員狀態和行為信息的實時更新問題，具體實現方法為:加裝在實兵上的虛實融合終端實時采集實兵的狀態和行為信息(包括位置、毀傷狀態、開火等信息)，并通過實兵交戰信息無線網傳輸到對應的實兵代理成員，完成實兵與實兵代理成員狀態的實時同步。

4.4 虛實兵力互抗技術

4.4.1 實兵抗擊虛兵技術

實兵抗擊虛兵技術用于裁定實兵對虛兵的攻擊毀傷情況。其實現方法為:當實兵感知到虛兵并對其實施攻擊時，加裝在實兵上的虛實融合終端立即將其攻擊參數信息通過實兵交戰信息無線網發送至實兵代理成員，實兵代理成員依據相應的毀傷評估模型判定對虛兵的毀傷情況，并向毀傷的虛兵發布毀傷交互信息，完成實兵對虛兵的一次攻擊。

4.4.2 虛兵抗擊實兵技術

虛兵抗擊實兵技術用于裁定虛兵對實兵的攻擊毀傷情況。其實現方法為:虛兵依據發布與定購機制能夠直接與實兵代理成員進行對抗交互，當實兵代理成員遭受毀傷時，立即將毀傷信息通過實兵交戰信息無線網傳送至加裝在實兵上的虛實融合終端，由其控制實兵做出相應的毀傷響應，完成虛兵對實兵的一次攻擊。

5 結束語

總體來說，以虛補實、虛實結合的實兵對抗訓練模擬方法是解決單一實兵模擬方式對聯合作戰背景下實兵對抗訓練支持不足的有效途徑，在訓練效果、實現訓練常態化和節約訓練成本之間找到了一個很好的結合點。本文在深入分析聯合作戰實兵對抗訓練手段建設需求的基礎上，依據我軍實兵、計算機生成兵力和半實物仿真兵力三類模擬系統的特點和現狀，結合美軍在LVC 綜合訓練方面取得的成功經驗，給出了基于虛實一體的實兵對抗訓練系統設計需求、組成和體系結構，并對虛實融合聯邦體系結構、DIS/HLA 互聯、虛實兵力互感和虛實兵力互抗四大關鍵技術進行了詳細論述，對于下一步開展基于虛實一體的實兵對抗訓練系統研發具有較強的實踐指導意義。該系統的研制成功和廣泛應用，將是我軍實兵對抗訓練手段上的一次新的轉型，對于提高部隊聯合作戰實戰化訓練水平具有深遠意義。文中涉及的大部分關鍵技術已實際應用并取得了良好的效果。

［1］ 李大為，呂戰強.DK07 實兵對抗訓練系統［M］.北京:軍事科學出版社，2013.

［2］ 曹正榮，馮良，趙暉，等.現代聯合作戰［M］.北京:軍事科學出版社，2009.

［3］ 儲強中，龍建國.訓練仿真中計算機生成兵力與實兵融合初探［J］.軍事運籌與系統工程，2005，19(3):8 -11.

［4］ 張昱，張明智. 支持綜合訓練的JLVC 聯邦構建技術研究［J］.計算機仿真，2012，29(5):6 -9.

［5］ 婁寧，劉雅奇，齊鋒.實兵實裝接入的信息作戰指揮訓練模擬系統［J］.計算機工程，2010，36(1):262 -264.

［6］ 張野鵬.作戰仿真及其技術發展［M］. 北京:軍事科學出版社，2002.

［7］ 周玉芳，余云智，翟永翠.LVC 仿真技術綜述［J］.指揮控制與仿真，2010，32(4):1 -7.

［8］ 儲強中.計算機生成兵力理論與實踐［M］. 北京:海潮出版社，2012.

［9］ 周彥，戴劍偉. HLA 仿真程序設計［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［10］ 車夢虎，莊錦程，蔡強.基于TENA 的虛實結合的靶場公共體系結構設計［J］. 計算機測量與控制，2012，20(7):1895-1897.

［11］ 徐庚保，曾蓮芝.虛擬仿真［J］. 計算機仿真，2012，29(5):1-5.