一種交互式訓練籌劃及試驗考核系統的設計方案

郭 敏 任 丹 王 博

(西安長遠電子工程有限責任公司 西安 710100)

0 引言

以基地訓練籌劃、電子沙盤、訓練考核等需求為輸入，擬構建一套利用虛擬現實技術模擬構建虛擬戰場，將實物與仿真技術相結合，通過計算機仿真、可視化計算、多媒體、圖形圖像等計算機技術逼真呈現戰場環境，運用遠程控制、分布式數據交互等技術手段實現數據及籌劃決策信息交互式共享，利用大數據分析管理技術對數據進行分析考核的交互式訓練籌劃及試驗考核系統。

該系統將指揮決策、訓練籌劃直達戰場末端，提高決策部署效率，并通過信息共享技術實時獲取戰場態勢，利用交互式電子大屏實時呈現動態態勢，利用交互式電子沙盤實時決策及籌劃，掌握戰場動向，并通過試驗考核設定的裁決標準進行實時裁定，驗證決策籌劃的合理性、正確性。

為更好地訓練部隊，提高部隊的作戰能力，驗證裝備的性能指標，國內外圍繞仿真進行了多年的研究，在國外構建了多個試驗訓練基地，通過構建復雜電磁環境，運用軟件技術，搭建戰場想定、環境構設、推演仿真、評估體系設計、試驗考核等進行裝備試驗及試驗考核。

為了使訓練場更加接近戰場環境條件，美軍依托導控檢測、仿真模擬和信息網絡三大系統建立復雜電磁環境的訓練靶場，采用計算機模擬與仿真技術來模擬未來戰爭中武器裝備系統的性能指標、作戰性能、戰場背景、戰場環境、兵力部署以及模擬戰斗態勢和戰斗過程，實現電磁環境的模擬和仿真。另外，美軍還建立了多種的專門訓練基地，將計算機模擬技術、仿真技術進行延伸擴展，構建了涵蓋真實武器裝備、各類信號模擬器、能夠模擬假想敵的部隊、計算機模擬技術、分布式交互仿真技術等結合的復雜電磁環境用于各類軍事演練。

自2009年開始至今每年的各型軍演，都圍繞復雜電磁環境設計了相應的訓練，應用了各類型模擬器、真實武器裝備、能夠模擬假想敵的部隊、通信指揮器材等構建復雜電磁環境，通過計算機計算、分布式數據技術、仿真技術等對訓練數據進行處理，感知戰場復雜電磁環境，活導活演，鍛煉和提高部隊多方式立體機動、靈活有效指揮部隊、實施精確保障和適應復雜戰場環境等能力。

隨著通信計算及顯示技術的發展，虛擬現實技術、3D技術及5G技術的出現，作訓籌劃對顯示、協同及即時裁評也提出了新要求，即時傳輸態勢、裁決及評估信息，使得考核反饋更加及時、直觀及有效。

1 系統設計

1.1 系統功能

該系統擬融合電子沙盤、地圖數據集成與處理、態勢標繪、規劃部署、數據推演、模型管理、統計分析、報表生成等功能[1]，具體功能設計有：

1)協同標繪能力，系統提供交互式電子沙盤系統支持協同籌劃、標繪；

2)支持多源、多格式地圖數據處理，包括紙質地圖掃描拼接圖像、影像圖像、矢量圖層、高程數據、三維顯示，支持的地圖有格式jpeg、png、tif、tab、shp、cad等；

3)支持點、線、面軍標標繪顯示，同時提供定制開發服務；

4)支持以DEM數據構建立體三維地形，并具備遮蔽角、陣地、通視、面積等輔助分析功能；

5)支持制作處理地圖的裁剪輸出；

6)戰場想定規劃功能，支持平臺、裝備、探針的規劃部署，可對平臺運動軌跡、裝備行為參數、探針部署位置信息規劃設定；

7)數據推演及控制功能，以規劃部署信息為輸入，調用數據推演計算模塊，對軌跡、探針信號、行為觸發時機等進行推演計算，同時支持推演的步進、狀態控制；

8)態勢標繪及特效顯示功能，支持探測、干擾、軌跡點、組合軍標特效顯示，支持平臺標繪；

9)推演進程顯示功能，以時間為橫軸，以裝備為縱軸，隨時間推進進程，對推演的裝備行為狀態進行標繪顯示；

10)信號頻譜圖形化顯示功能，提供探針點信號頻譜數據圖形化顯示支持，能夠顯示信號狀態、信號幅度、功能等；

11)裝備模型構建能力，系統提供陸地、水面及空中平臺，雷達、通信、雷達干擾、通信干擾等裝備模型，同時提供定制開發服務，根據用戶需求開發新裝備模型；

12)裁決模型定制研發能力，根據用戶的訓練場景及訓練目的，構建不同的裁決模型支持對訓練的考核評定；

13)構建了便于應用的考核評估體系，用戶可根據訓練要求自主便捷錄入。

1.2 系統組成

如圖1所示，該系統由環境構設、試驗籌劃、數據管理、試驗考核、交互式電子沙盤、數據庫六部分組成。其中交互式電子沙盤可用于環境構設及試驗籌劃[2]，由交互式電子沙盤、交互式大屏及各臺位的決策籌劃智能終端三類設備組成。

圖1 系統功能組成圖

1.3 設計實現

1.3.1 軟件框架設計

系統軟件擬采用自底向上的設計思想，構建集成表現層、統計分析層、模型解算層、輔助裁評層、設備操控層、通訊適配層、數據管理層七層結構，構建形成數據管理平臺、GIS平臺、規劃推演仿真平臺、裁決評估平臺、數據分析平臺五大基礎平臺，涵蓋作戰/試驗場景規劃、數據仿真推演、地圖數據集成處理、數據管理分析、裁決裁評六大功能，支持靈活配置、裁剪組合及組件化接入，簡稱“7-5-6”的系統平臺[3]。包括協議適配、模型適配、圖表分析、數據管理、態勢標繪、報表生成、輔助裁評、裝備顯控等組件模塊，為電磁環境構建、試驗方案設定、評估指標體系管理、電磁環境適應性試驗與效能評估提供系統軟件支撐，軟件設計圖如圖2所示。

圖2 軟件框架圖

1.3.2 交互式電子沙盤系統

交互式電子沙盤系統[4-5]采用多點觸摸、虛擬現實、視景增強、三維數字地球等技術，提供了現實更豐富、交互更先進的可視化應用平臺，代替并提升了傳統沙盤。

系統由電子沙盤硬件子系統和電子沙盤軟件子系統組成，主要用于試驗環境構建及試驗籌劃。提供桌面投影交互式電子沙盤、4折幕電子屏，通過多點觸摸方式可進行訓練兵力部署、路線規劃、裝備行為設定等，接入交互式電子沙盤系統的所有設備共享籌劃部署信息；同時在該系統接入訓練網后，可獲取訓練網內的裝備訓練數據并進行實時態勢顯示。

電子沙盤硬件子系統由多點控制一體機、電子屏、投影設備、聲光電設備、服務器設備、多點觸摸屏設備及接口組成，為整個系統提供硬件支撐環境及人機交互手段。電子屏和多點觸摸屏共同構成的交互設備可以完成高畫質圖形顯示和手勢語言輸入。

電子沙盤軟件子系統是電子沙盤的核心，依托與地理信息系統及態勢標繪系統構建，該系統將電子沙盤軟件子系統與訓練實際相結合，將戰場環境規劃推演、試驗環境部署、試驗動態態勢等作為電子沙盤軟件子系統，也可根據用戶需要進行定制遷移開發。

圖3 電子沙盤子系統結構及組成

圖4 地圖及標繪顯示

1.3.3 環境構設

環境構設[6]用于電磁環境構設及驗證，由戰場場景規劃顯示軟件、數據推演仿真軟件、推演進程顯示軟件、環境裁定分析軟件組成。

1)環境構設部分提供二三維裝備模型構建功能，可利用標號及模型工具完成構建的裝備模型分為平臺模型、裝備模型、輔助模型三類；平臺類模型如主型艦艇、航母等水面平臺，殲8、殲10等空中平臺；裝備模型為雷達、雷達對抗、通信電臺、通信對抗等；輔助模型如探針。

2)電磁環境構建裁決判定

系統從電磁環境的構建原則出發，結合推演仿真，從環境的可用性、有效性方面進行分析，對構建的相應電磁環境進行評價。在規劃、推演階段結合規劃場景態勢對構建的電磁環境進行規劃可用性裁決、推演有效性裁決，只有電磁環境既滿足規劃可用性又滿足推演有效性，才可評價為滿足試驗要求。

1.3.4 試驗籌劃

試驗籌劃主要用于試驗方案、試驗項目、試驗方法、評判準則及標準制定，籌劃部署試驗，對試驗進行總控及指揮管理，由試驗籌劃軟件、試驗場景規劃顯控軟件、試驗總控軟件、試驗綜合態勢顯示軟件組成。試驗籌劃的內容包括對試驗區域、試驗參與兵力、部署站位、行動。

其主要工作流程如下：

1)規劃前準備工作，包括平臺類型管理、裝備類型管理等：

①平臺基本信息(包括平臺類型標識、平臺類型碼、平臺類型名稱、二維標號碼、三維標號碼、反射面積RCS)錄入；

②裝備基本信息(包括裝備類型標識、裝備類型碼、裝備類型名稱、二維標號碼、三維標號碼、裝備指標屬性)錄入。

2)根據上級訓練要求，編輯完成訓練任務、及其所含訓練計劃；

3)細化各個訓練計劃。結合態勢地圖，按照訓練角色、兵力、平臺、裝備從上至下逐層進行規劃配置；

4)結合地圖及兵力部署，規劃平臺運動軌跡；需要時可給平臺添加探針；

5)結合地圖及兵力部署，規劃裝備行為；

6)保存并下發當前規劃信息；

7)確定推演時間間隔、推演步進后開始進行推演，推演數據包括：

①結合規劃的平臺運動軌跡實時推算出平臺航路；

②將設定的裝備行為信息進行時間匹配，當推演時間到達行為開始時間或者行為結束時間時，推送裝備行為狀態數據；

③根據推演時間間隔、推演步進，推算探針處的探測信號功率。

8)通過網絡將推演數據輸出；

9)結合態勢地圖，以圖形、文字、表格形式顯示平臺推演航路、裝備行為狀態、探針探測信號數據等。

圖5 試驗籌劃推演流程圖

1.3.5 試驗考核

試驗考核主要用于對試驗裝備進行考核評估[7-8]，以試驗籌劃內容為輸入，對被試裝備進行裁決、統計、評估，最終生成試驗評估分析報告輸出，由試驗態勢顯示軟件、試驗進程顯示軟件、試驗裁決分析軟件、試驗考核評估軟件組成。

試驗考核評估流程如下：

1)根據裝備特點及使用場景，選擇評估模型管理功能；

2)確定研究對象的特點；

3)確定、細化研究對象的目標層和指標層，即試驗項目及試驗內容；

4)提取評估指標，從可用性、可信性和固有能力三個方面進行分解細化，構建評估指標集，形成評估模型；

圖6 試驗考核評估分析流程圖

5)創建評估項；

6)選擇評估模型；

7)設定指標權重；

8)對試驗數據進行分析處理，得到各評估指標值；

9)由各底層指標逐層向上聚合，得到評估項目標值；

10)輸出評估項報告。

2 系統應用

系統應用時分為試驗控制中心和試驗籌劃決策中心兩部分。其中數據服務器、環境構設、試驗籌劃、試驗考核、數據管理五部分搭建在試驗控制中心，為后臺處理考核中心；交互式電子沙盤系統構建試驗籌劃決策中心用于展示及試驗籌劃指揮。

圖7 系統應用圖

3 結束語

圍繞試驗籌劃、訓練指揮設計，旨在解決軍事指揮、訓練的直觀性、有效性、逼真性，本文提出的系統通過交互式電子沙盤逼真直觀展示戰場環境，通過智能終端及協同交互實現戰術戰法的多人研討及遠程實時指揮，通過智能終端反饋戰場前段態勢、交戰結果，為后端實時指揮提供支撐。