離散事件模擬器在軍事訓練中的應用

嚴佳潔 胡谷雨 祖家琛

摘? 要： 系統仿真技術在國家關鍵領域發揮著不可或缺的作用，在軍事領域的離散事件模擬器上的應用是系統仿真技術的核心應用領域之一。文章基于仿真模擬技術，描述了離散事件模擬器的基本概念。主要介紹其在軍事作戰訓練領域的應用現狀，討論離散事件模擬器實現的關鍵技術手段，總結目前應用在軍事作戰訓練領域的離散事件模擬器，分析并指出存在的一些問題，并結合當前的系統仿真技術以及軍事作戰需求，對離散事件模擬器的發展前景進行了展望。

關鍵詞： 模擬器; 系統仿真技術; 離散系統; 軍事; 模擬訓練

中圖分類號：TJ391? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2020）10-43-05

Abstract： System simulation technology plays an indispensable role in national key fields， and the application of discrete event simulator in military field is one of the core application fields of system simulation technology. Based on simulation technology， this paper describes the basic concept of discrete event simulator， introduces its application status in the field of military operational training， discusses the key technical means of implementing discrete event simulator， summarizes the discrete event simulator currently used in the field of military operational training， and analyzes and points out some existing problems. The development outlook of discrete event simulator is prospected with the combination of the current system simulation technology and the military operational requirements.

Key words： simulator; system simulation technology; discrete system; military; simulated training

0 引言

伴隨著計算機技術的發展，模擬仿真技術已成為人類認識世界的重要手段。通過模擬仿真技術，人類可以以較小的成本，實現對復雜問題的驗證。世界各國的大型發展項目，特別是軍事武器系統的研發，因為投資高、風險大，大都采用模擬仿真技術完成對武器系統的論證、研制和操作訓練。

模擬訓練是利用模擬器構建接近真實作戰環境、作戰訓練和武器裝備的模擬系統，用于日常軍事訓練。模擬訓練以模擬仿真技術為技術支撐，是模擬仿真技術的主要應用領域之一。伴隨世界各國對軍事訓練需求的不斷提升，利用模擬器進行軍事作戰模擬訓練已經成為世界各國軍事作戰訓練的重要手段。

1 離散事件模擬的基本概念

根據系統模型的特征分類，從模擬實現的角度，可將系統模型的特征分為連續系統和離散事件系統兩類。相應的系統模擬技術也可以劃分為兩個方向[1]：

⑴ 連續事件系統模擬：系統中的狀態變量是連續變化的，即在時間上是連續的或者離散的;

⑵ 離散事件系統模擬：系統中的狀態變量只在隨機不確定的離散時間點上發生變化[2]。

離散事件系統是受隨機事件驅動、在離散時間點系統狀態跳躍式變化的動態系統，相較于連續事件系統模擬，離散事件系統由錯綜復雜且互相作用的離散事件構成，更加依附于實際背景，貼近于實際應用。因此，仿真模擬技術的研究和應用領域主要是集中于離散事件系統模擬。

2 模擬器和仿真器

現代仿真技術中，不同的模擬器針對不同的模擬目的被設計出來。具體地，在現有模擬器的應用中，文獻[3]將模擬器分為工程仿真器和訓練仿真器兩類：

⑴ 工程仿真器側重于數學模型、數據處理、功能實現的逼真性，對模型的精度要求較高，便于參數的調整且通用性較好， 主要用于科學研究領域。這類仿真器被稱為仿真器（Emulator）。

⑵ 與工程仿真器相反，訓練仿真器側重于視覺外觀、人機交互、操作流程的逼真性，必須是針對某種具體的系統進行設計，具有較高的專業性。為了達到良好的訓練效果，模型的外觀和布局必須與真實設備、系統保持高度的一致性，尤其是受訓人員的操作輸入、模擬器對受訓人員的視覺、聽覺等感官的輸出必須與真實的設備盡可能一致。訓練仿真器也被稱為模擬器（Simulator），主要用于教學訓練。文獻[4]實現的試飛模擬器就是一個典型的模擬器，該模擬器以高逼真度的座艙環境真實再現飛行環境，用于實施受訓人員的飛行演練，對試飛計劃進行驗證與優化，確定下一步的飛行計劃和應急處理方案等。

本文所討論的離散事件模擬器均是指訓練仿真器—模擬器（Simulator）。

3 應用現狀

目前為止，基于模擬仿真技術實現的應用于軍事訓練領域的離散事件模擬器主要可分為以下七類[3]：

⑴ 戰術指揮模擬器;

⑵ 射擊模擬器;

⑶ 駕駛模擬器;

⑷ 情報偵察模擬器;

⑸ 維修保障模擬器;

⑹ 事故推演及逃逸救生模擬器;

⑺ 戰場救護和醫療保障模擬器。

3.1 戰術指揮模擬器

戰術指揮模擬器，用于開展對戰場狀態的實時分析， 建立通信、明確下達任務命令以及各方協同訓練。文獻[5]實現了一個合成作戰指揮戰術對抗模擬訓練系統，通過對戰場環境、作戰設備、作戰行動過程等的模擬，為后臺指揮員提供作戰背景和戰場敵我態勢，支持多級多類指揮所，指揮員可在后臺二維虛擬戰場開展作戰演習。

3.2 射擊模擬器

射擊模擬器，是用于實施軍事武器的仿真模擬射擊訓練模擬器。

文獻[6]搭建了一個射擊模擬訓練系統，利用Unity3D實現多媒體屏幕靶。該系統首先采用攝像機捕獲射擊者發射的激光光斑，而后對圖像進行預處理、校正、噪聲過濾等操作，通過定位算法檢測激光光斑的中心位置，最后再將彈著點信息實時顯示在多媒體屏幕上。該系統實現了槍靶的完全分離，具有重量輕、體積小、造價低等特點，相較于傳統射擊模擬器更適用于日常軍事射擊模擬訓練。

3.3 駕駛模擬器

駕駛模擬器，用于開展對艦船、飛機、坦克等裝備的日常操作訓練。

一些軍事航海院校已經開始對由計算機成像顯示晝夜視景功能的船舶操縱模擬器的研究。這類模擬器已經實現了對海上船舶航行情景的直觀的模擬和顯示，用于受訓人員接受真實感覺的船舶航行、碰撞、定位、停靠等方面的訓練。截止到目前為止，船舶操縱模擬器已經完成了雷達和導航模擬器的功能一體化，實現了全功能航海模擬器[7]。文獻[8]對飛行模擬器進行了概述，它具有和真實飛機完全一致的座艙設備和操縱設備，受訓人員只需要戴著虛擬顯示頭盔，就能在座艙內接收飛行仿真系統產生的各種飛行信息，并通過判斷和決策排除飛機故障和錯誤，對飛機系統進行操作和控制。

3.4 情報偵察模擬器

情報偵察模擬器，用于進行戰場的偵察和情報工作的訓練。

文獻[9]針對作戰對抗環境下偵察情報數據仿真模擬需求，設計了一種靈活、可配置的偵察情報數據仿真系統，結合實戰應用場景，從任務、空間、時間等多個維度開展情報偵察行動預案設計，并利用模型進行仿真推演與解算，最終輸出的仿真結果達到了預期目標，證明了該系統的實用性與有效性。

3.5 維修保障模擬器

維修保障模擬器，用于開展裝備保障作戰物資的供應訓練和損壞裝備的維修訓練。

文獻[10]以某型艦船中的部分機電設備為對象，研制了用于訓練的設備維修模擬器;該模擬器由設備典型故障維修模塊、設備維修過程演示模塊和設備維修過程模擬操作模塊組成，實現了船艦的虛擬維修管理系統。該研究對艦船裝備的使用訓練和維修保障具有重要的軍事意義。

3.6 事故推演及逃逸救生模擬器

事故推演及逃逸救生模擬器，用于開展軍事事故分析和救生逃逸的模擬訓練。

文獻[11]根據航天飛行訓練的技術要求和航天員執行飛行任務的訓練需求，以載人飛船大氣層內逃逸救生程序和過程為依據，對航天飛行訓練中逃逸救生進行建模仿真。

文獻[12]通過分析直升機水上事故特點，結合國內外直升機飛行員水下逃生訓練的實際需求。提出了直升機水下逃生模擬訓練系統的設計原則、設計要求以及初步設計方案，為直升機飛行員水下逃生模擬訓練的研究提供了參考。

3.7 戰場救護和醫療保障模擬器

戰場救護和醫療保障模擬器，是基于人體仿真而實現的模擬診斷系統和虛擬手術系統，用于進行醫護人員的培訓等任務。文獻[13]通過將模擬手術室的視頻信號與語音信號實時轉播至教室并進行實時錄像，開發了一種高仿真教學環境的模擬手術室教學系統。

至目前為止，模擬仿真技術在軍事醫療救護保障領域的應用不僅僅局限于外科手術方面[14]。文獻[15]基于模擬仿真技術實現的醫療系統，用于在大規模傷亡事件發生后對紅細胞供應進行規劃，使紅細胞得到合理的調配利用;此外，離散事件模擬技術還應用于醫療保健[16]以及遠程醫療會診[17]等方向。

4 離散事件模擬器實現的關鍵技術

4.1 仿真模型

構建仿真模型是實現離散事件模擬器的第一步，主要采用以下兩種方法：

⑴ 實體流圖法。實體流圖利用與計算機程序流程圖相似的圖示符號，建立能夠顯示臨時實體的產生、流動、接受服務、離開等過程的流程圖。通過流程圖表示事件、狀態、實體間相互作用的邏輯關系。在圖1中，我們以衛星通信中的地球站開機入網為例，采用實體流圖法模擬其工作流程。

⑵ 活動周期圖法，以更直接的方式表示狀態變化歷程和實體間的關系。基于離散事件模擬器仿真的地球站入網工作流程活動周期圖如圖2所示。

4.2 仿真算法

仿真算法是設計實現模擬器的核心技術。要求設計的算法用于相應的仿真模型時可以滿足對計算穩定性、計算精度等要求。

離散事件系統的仿真算法設計主要包括兩個方面的內容：

⑴ 產生模擬器所需求的輸入變量和參數。

⑵ 確定對離散事件系統的仿真策略[18]。目前，有以下四種仿真策略：活動掃描（AS）法、事件調度（ES）法[19]、進程交互（PI）法和三階段法。

以上四種策略均在離散事件系統中得到了廣泛的應用，對仿真策略的選擇依賴于系統的特點。一般情況下，事件調度法的特點是“預定事件的發生時間”;但是其建模工作量大，適用于各個成分相關性較少的系統的建模;相反如果系統中各個成分相關性較多則適合采用活動掃描法;進程交互法的建模更接近于實際系統，三階段法則是結合了事件調度法和活動掃描法，如果系統中的成分的活動比較規則，可采用這兩種策略。

[13] 朱鋒杰，陳長駿，黃天海等.一種新型模擬手術室教學系統的構建[J].醫療裝備，2019.13：17-18

[14] Lu X， Tu L， Zhou X， et al. ViMediaNet： an emulation system for interactive multimedia based telepresence services[J]. Journal of supercomputing，2017.73（8）：3562-3578

[15] Simon M. Glasgow， Zane B. Perkins， Nigel R. Tai， Karim Brohi， Christos Vasilakis. Development of a discrete event simulation model for evaluating strategies of red blood cell provision following mass casualty events[J].European Journal of Operational Research，2018.270（1）：362-374

[16] Chantal Baril， Viviane Gascon， Jonathan Miller and Nadine C?té. Use of a discrete-event simulation in a Kaizen event： A case study in healthcare[J]. European Journal of Operational Research，2016.249（1）：327-339

[17] Qiao Y， Ran L， Li J. Optimization of Teleconsultation Using Discrete-Event Simulation from a Data-Driven Perspective[J]. Telemedicine journal and e-health，2019.26（1）：114-125

[18] Andrew Greasley， Chris Owen. Modelling people's behaviour using discrete-event simulation： a review[J]. International Journal of Operations & Production Management，2018.38（5）：1228-1244

[19] 呂卓，張旭，勾國斌，閆月暉.航天器軌道仿真中的一種實時變軌仿真策略[J].彈箭與制導學報，2019.3：27-30