一種水面艦艇作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)設計與實現(xiàn)?

姚 撼 李勝勇 陳佳俊 尤俊郎

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)由各種作戰(zhàn)子系統(tǒng)按照一定的指揮關系、組織關系和運行機制構成，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要支撐，通常具有較為復雜的體系結構［1］。

利用網絡模型分析水面艦艇作戰(zhàn)活動過程及信息交互關系，是當前作戰(zhàn)建模仿真領域研究的熱點和難點問題。國內外相關研究最早可追溯至20世紀60年代，當前主要集中在體系結構分析、作戰(zhàn)力量編組、復雜系統(tǒng)建模、作戰(zhàn)效能評估等方面。如美軍先后提出權力邊緣［2］、敏捷性優(yōu)勢［3］等先進作戰(zhàn)理念，并依托ELICIT實驗平臺，圍繞作戰(zhàn)網絡開展體系融合、動態(tài)控制、深度協(xié)作等研究，以成功應對動態(tài)和不確定環(huán)境的各種挑戰(zhàn)；美國Jeff Cares［4］解析了分布式網絡化作戰(zhàn)的結構特點，建立了信息時代的戰(zhàn)斗網絡模型；滕克難等［5］建立了水面艦艇反導作戰(zhàn)網絡，并對網絡化組織作戰(zhàn)過程進行度量。

水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)［6］是對作戰(zhàn)體系組成部分的結構、相互關系的模型化描述。信息流描述了水面艦艇作戰(zhàn)體系中信息的傳遞過程及活動特征，是對作戰(zhàn)流程的有效反映［7］。本系統(tǒng)旨在優(yōu)化艦船指揮控制系統(tǒng)的設計，提高其協(xié)調工作能力；利用全面的信息交互分析［8］，提供更加全面的系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)內容，提高輔助決策的能力；提供從系統(tǒng)工程的角度思考水面艦艇信息化系統(tǒng)的整體設計，強調系統(tǒng)之間的協(xié)同工作。基于上述，設計與研制一套模擬系統(tǒng)對水面艦艇信息系統(tǒng)體系形成以及體系作戰(zhàn)能力生成具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設計

選擇信息流［9］作為切入點，研究作戰(zhàn)活動過程，分析信息交互關系，理清信息類型、內容及流向，能夠有效降低建模問題的復雜度，較好地解決作戰(zhàn)過程分析和信息交互研究中系統(tǒng)性、層次性和針對性不足的問題［10］，并從機動數(shù)據(jù)模擬、平臺狀態(tài)信息處理、作戰(zhàn)相關系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互、信息交互展示五個主要功能進行了設計。

2.1 系統(tǒng)架構設計

軟件的總體架構分為三層：基礎層、服務層、應用層。在該體系架構中，每一層承擔兩個角色，為上層提供服務和利用下層提供服務。其中，基礎層由服務器及網絡設備、操作系統(tǒng)及程序編譯運行環(huán)境組成：服務層提供公共的基礎服務，主要包括公共函數(shù)庫、UDP/DDS報文結構；應用層實現(xiàn)作戰(zhàn)相關系統(tǒng)的模擬以及人機交互界面，模擬系統(tǒng)包括本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬器總體框架圖如圖1所示。

圖1 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)架構圖

2.2 系統(tǒng)流程設計

使用面向數(shù)據(jù)流的方法對作戰(zhàn)信息交換仿真模擬軟件的各功能子系統(tǒng)處理流程進行分析。

1）作戰(zhàn)任務與各個作戰(zhàn)系統(tǒng)流程

根據(jù)作戰(zhàn)平臺下達的作戰(zhàn)任務，聯(lián)動各個作戰(zhàn)系統(tǒng)，對本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)模擬、艦載直升機作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬、航空管制系統(tǒng)模擬、綜合導航系統(tǒng)模擬、綜合氣象水文系統(tǒng)模擬、武器系統(tǒng)狀態(tài)模擬等模擬，提供在不同作戰(zhàn)任務下，各個作戰(zhàn)系統(tǒng)的聯(lián)動信息。

2）各作戰(zhàn)系統(tǒng)與平臺信息交互模擬軟件信息交互流程

在作戰(zhàn)任務下達的時候，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲得動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務，不同的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，獲取不同系統(tǒng)的信息，對不同的信息內容交互信息進行展示。

3）各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互流程

下達作戰(zhàn)任務的時候，不同的作戰(zhàn)任務需要不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互。

該作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)的工作原理是通過任務驅動，當艦船下達作戰(zhàn)任務如反潛作戰(zhàn)任務時，各作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)需要獲取相關平臺信息如動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)動態(tài)地顯示作戰(zhàn)任務驅動方式下的作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)與水面平臺信息系統(tǒng)的信息交互情況。作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

作戰(zhàn)仿真模擬系統(tǒng)在運行過程中需要獲取采集到的動力、電力、損管等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時，模擬系統(tǒng)需要和平臺進行交互。

3 軟件模塊設計

3.1 軟件功能分解

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)從總體上考慮主要分為五個軟件功能模塊：機動數(shù)據(jù)模擬模塊、平臺狀態(tài)信息處理模塊、作戰(zhàn)相關系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊、不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊、信息交互展示模塊。圖3給出了系統(tǒng)具體分層結構。

3.2 系統(tǒng)功能模塊描述

1）機動數(shù)據(jù)模擬模塊

機動數(shù)據(jù)模擬模塊是指模擬幾種典型戰(zhàn)場態(tài)勢下，作戰(zhàn)系統(tǒng)向平臺發(fā)送的機動數(shù)據(jù)，由平臺信息交互模擬軟件接收執(zhí)行。

2）平臺狀態(tài)信息處理模塊

圖3 系統(tǒng)分層結構

該模塊主要實現(xiàn)的功能是接收平臺信息交互模擬軟件提供的動力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、損管監(jiān)控系統(tǒng)的信息，并轉發(fā)至本艦作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。

3）作戰(zhàn)相關系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)布模塊

該模塊主要是將武器系統(tǒng)、艦載直升機作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、綜合導航系統(tǒng)、綜合氣象水文系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送至平臺信息交互模擬系統(tǒng)。

4）不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間信息交互模塊

該模塊主要是實現(xiàn)不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息以UDP/DDS格式進行交互，通過配置信息格式類型完成不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的信息交互。

5）信息交互展示模塊

信息交互展示模塊主要是展示在一個作戰(zhàn)任務下達后，不同作戰(zhàn)系統(tǒng)之間以何種格式發(fā)送哪些信息。給用戶展示一個動態(tài)的信息交互界面，并提供相應的數(shù)據(jù)配置接口。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運行環(huán)境

作戰(zhàn)信息交換仿真模擬系統(tǒng)采用在Windows下開發(fā)，管理平臺和子系統(tǒng)操作平臺基于HTML5+CSS3+JAVASCRIPT開發(fā)，服務器基于Spring+Struts+Hibernate框架使用JAVA語言開發(fā)完成。數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。

4.2 系統(tǒng)場景部署

開發(fā)環(huán)境所采用的硬件設備為1臺標準刀片服務器，搭載TC2600、HPBL460C服務器10臺，存儲容量5T，VMwarevSphere（5.5）做支撐軟件，用JA?VA作為開發(fā)語言，軟件環(huán)境為WindowsServer2003/2008，ApacheActiveMQ，Tomcat、SpringFramework、HibernateJPA，數(shù)據(jù)庫使用MySQL數(shù)據(jù)庫。

4.3 系統(tǒng)指揮流程及信息交換

水面艦艇作戰(zhàn)任務較多，這里用比較具有代表性的末端防空反導作為典型例子進行分析。水面艦艇末端防空反導的目標主要是突破我層層攔擊的敵方反艦導彈［11］，其行動分為觀察警戒、跟蹤識別、干擾抗擊三個步驟［12］。在具體實施過程中，由水面艦艇在編隊指揮所的意圖下負責指揮。如圖4所示。

1）觀察警戒

水面艦艇開啟主動對空探測設備時，同時對目標來襲方向進行主動探測，加強對掠海飛行或采用高空彈道臨空后垂直向下攻擊的反艦導彈的觀察警戒。在收到上級指揮所或相關方向水面艦艇群指揮所通過數(shù)據(jù)鏈或其他方式通報的目標信息后，綜合使用本艦的各型對空搜索警戒雷達與光電探測設備對該目標進行驗證，發(fā)現(xiàn)并獲取目標的精確位置及運動要素等信息。

2）跟蹤識別

水面艦艇發(fā)現(xiàn)來襲目標后，保持對目標的跟蹤監(jiān)視，快速查明目標位置及其飛行方向、高度、速度，確定其威脅等級，并據(jù)此制定相應的電子干擾與火力抗擊方案。

圖4 水面艦艇末端防空反導指揮流程示意圖

3）干擾抗擊

當目標即將進入水面艦艇的防空作戰(zhàn)區(qū)時，水面艦艇按照本艦防空作戰(zhàn)方案向相關武器系統(tǒng)下達目標指示，及時引導對目標進行電子干擾與火力抗擊。水面艦艇在末端防空反導中，以火力抗擊為主；對于電視成像、紅外成像等高智能、高精度制導的反艦導彈，積極組織光電干擾；對于雷達末制導反艦導彈，視情進行沖淡干擾，一般不進行質心干擾。

水面艦艇在實施電子干擾與火力抗擊過程中，觀察作戰(zhàn)效果。如果目標在我干擾與抗擊下或由于自身問題對我失去威脅，將戰(zhàn)果上報上級指揮所，并迅速完成彈藥裝填、裝備檢拭和人員調整等作戰(zhàn)間隙的戰(zhàn)斗準備，以利再戰(zhàn)；如果我遭目標襲擊受損，立即進行損害管制，力爭自救，并積極依靠編隊救援力量進行戰(zhàn)斗力恢復。

在末端防空反導作戰(zhàn)態(tài)勢下，使用電子對抗手段，通過實現(xiàn)無源/光電干擾手段，本艦需要開展規(guī)避動作，需要調整本艦的姿態(tài)，向平臺發(fā)送包括本艦航向、本艦航速、本艦機動時刻等機動參數(shù)。電子對抗態(tài)勢下的機動數(shù)據(jù)通過UDP方式發(fā)送到平臺信息交互模擬軟件，由平臺信息交互模擬軟件根據(jù)相應的機動數(shù)據(jù)參數(shù)返回相應的機動數(shù)據(jù)給水面艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)。其信息交換時序圖如圖5所示。

圖5 末端防空反導各系統(tǒng)間信息交換時序圖

4.4 系統(tǒng)任務仿真效果

該系統(tǒng)可以針對當前已有任務進行管理，包括顯示任務信息和啟動任務，如圖6和7所示。

當任務模擬的時候，且相關系統(tǒng)在任務狀態(tài)界面，在特定步驟發(fā)生時，相應狀態(tài)表中將會接收數(shù)據(jù)，并填上接收到的相應內容，如圖8所示。

圖6 末端防空反導任務簡介及流程圖

圖7 系統(tǒng)任務仿真效果圖

圖8 任務模擬

5 結語

本系統(tǒng)的設計解決了各作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)配置圖形化的顯示以及平臺模擬軟件信息的及時反饋，但在復雜信息交互環(huán)境下該系統(tǒng)與實船所搭載系統(tǒng)還存在一定差距，設計的流程只是按照常規(guī)流程進行設計，遇到特殊情況時系統(tǒng)將無法進行模擬。為進一步提高作戰(zhàn)效率下一步還將對該系統(tǒng)進行任務的細化，在任務的定制上考慮更多可能出現(xiàn)的情況，將展示效果做得更加簡潔直觀，方便決策者做出判斷。

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