LVC技術發(fā)展及其啟示

梁意

摘要：隨著云計算、大數(shù)據、人工智能等技術的發(fā)展和仿真技術優(yōu)勢的凸顯，世界各國越來越意識到仿真技術在軍事領域的巨大作用，并已逐漸將軍用仿真領域的競爭視為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的“超前智能較量”。LVC仿真技術，被廣泛應用于虛擬戰(zhàn)場環(huán)境仿真、部隊訓練仿真、作戰(zhàn)仿真、指揮決策仿真、武器平臺仿真等軍事領域，受到越來越多的重視。本文重點總結梳理了LVC技術的發(fā)展和特點，并分析提出了對我軍建設發(fā)展的幾點啟示。

關鍵詞：LVC;仿真;發(fā)展;啟示

多年來，創(chuàng)建統(tǒng)一的“真實-虛擬-構造”LVC集成架構是建模和仿真領域的一個目標。LVC可以快速集成模型和開展仿真，形成一個有效的LVC環(huán)境，LVC環(huán)境由多個建模和仿真環(huán)境組合構成，通過LVC集成架構進行互操作，為不同級別的軍事人員提供適當?shù)慕换ァ⒁恢滦院突ゲ僮餍裕脕黹_展飛行訓練、制定作戰(zhàn)計劃、訓練評估和技術測試驗證等。LVC中的“真實（Live）”是指真實的人員操作真實的系統(tǒng)（或實裝）;“虛擬（Virtual）”是指真實的人員操作模擬的系統(tǒng)，也稱人在回路的仿真模擬，或半實物仿真;“構造（Constructive）”是指完全由計算機生成的全數(shù)字仿真，由模擬的人員操作模擬的系統(tǒng)，用于增強和加強真實/虛擬場景。

LVC技術發(fā)展概況

20世紀70年代，模擬仿真技術大量應用于訓練裝備，美軍各軍兵種建成了一系列虛擬模擬和推演模擬系統(tǒng)。1995年，美國國防部為促進所有類型模型與模擬系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)之間的互操作性和模型的可重用性，提出了高層體系結構（HLA）規(guī)范，開始采用LVC技術開展聯(lián)合訓練。美軍在本世紀初，為加快實施訓練轉型戰(zhàn)略，頒布了《國防部訓練轉型戰(zhàn)略計劃》，將發(fā)展功能強大的網絡化LVC訓練與任務推演環(huán)境和形成一個全球聯(lián)網、全軍通用的一體化訓練、體系作為其戰(zhàn)略目標之一。

經過多年的發(fā)展，以美國為代表的發(fā)達國家已越來越認識到LVC集成技術在仿真與訓練領域的重要性。通過LVC集成技術將實裝、仿真器、虛擬數(shù)字系統(tǒng)整合在一起，構建更加逼真、更加復雜的訓練和仿真任務環(huán)境，才能更好地模擬未來戰(zhàn)爭，應對未來陸、海、空、天、網絡聯(lián)合作戰(zhàn)所面臨的各種挑戰(zhàn)。2018年，美軍及其盟國在LVC項目方面的資金投入加速增長。在新技術新需求推動下，LVC體系架構不斷拓展，提出LVC-IA（集成架構）目標是適應陸軍訓練需求，為士兵、部隊、指揮和執(zhí)行任務裝置提供網絡化、集成與互操作的訓練支持能力;實況虛擬構造和游戲（LVC-G）融合人工智能、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等先進技術，將LVC和游戲整合到共同的訓練環(huán)境中，使陸軍更容易管理陸、海、空、天和網絡領域的集體訓練。

幾種典型的仿真體系結構

高層體系結構（HLA）

HLA主要由三部分組成：規(guī)則、對象模型模板、接口規(guī)范說明。為了保證在仿真系統(tǒng)運行階段各聯(lián)邦成員之間能夠正確交互，HLA規(guī)則定義了在聯(lián)邦設計階段必須遵守的基本準則。HLA對象模型模板提供了一種標準格式，以促進模型的互操作性和資源的可重用性。接口規(guī)范定義了聯(lián)邦成員與聯(lián)邦中其他成員進行信息交互的方式，即RTI的服務。HLA是一個開放式的、支持面向對象的體系結構。它顯著的特點就是通過提供通用的、相對獨立的支撐服務程序，將應用層同底層支撐環(huán)境分離;缺點是重用性差。HLA的基本思想是采用面向對象的方法來設計、開發(fā)和實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的對象模型，以獲得仿真聯(lián)邦的高層次的互操作和重用。

基本對象模型（BOM）

由于HLA僅對聯(lián)邦和聯(lián)邦成員作出規(guī)范，而對更小粒度的仿真對象缺乏開發(fā)規(guī)范，導致仿真模型開發(fā)隨意性較強、重用性較差。為了解決這些問題，20世紀90年代后期，仿真互操作性標準化組織提出了一種高效的仿真框架-基本對象模型，BOM主要包括模型識別信息、概念模型定義、模型映射和對象模型定義四個部分。其中，最基礎也是最難以解決的部分是概念模型設計，一般采用統(tǒng)一建模語言（UML）與元數(shù)據接口（XML）的思想。目前對BOM的應用處在兩個層面上：一是接口層的應用，即利用BOM花費更少的時間開發(fā)出易于修改、靈活的FOM;另一個是功能層的應用，利用BOM促進仿真運行模型的開發(fā)。

試驗與訓練使能體系結構（TENA）

雖然BOM的出現(xiàn)可以提高仿真模型的重用性，但BOM只是一個標準，并未提供領域所需的具體基本對象模型。并且由于HLA要想支持各種領域系統(tǒng)的開發(fā)和集成，要能夠將不同類型的仿真集成起來互操作，它必須非常靈活，特點是對具體應用的實現(xiàn)所施加的限制必須非常少，因此，僅有BOM標準和HLA并不能滿足具體應用的特定需求。并且由于HLA不能用于實時應用環(huán)境，而在裝備試驗與訓練領域，必須要把實際的測試設備加入到試驗與訓練系統(tǒng)，對實時性要求比較高，因此在該領域HLA的使用受到了很多限制。TENA提供了試驗和訓練所需的更多特定能力，并在通信機制、時間管理等方面也進行了改進，旨在提高在試驗與訓練中應用建模與仿真技術時的互操作性、可重用性及可組合性。

模型驅動體系結構（MDA）

在BOM中僅僅給出了概念模型與HLA對象模型之間的映射規(guī)則，而僅有這些在實際應用中還是遠遠不夠的，因為概念模型還不是可運行的程序，如果要運行還必須轉換成與平臺相關的模型。但如果對同一個模型需要針對不同的平臺、不同的中間件、不同的語法采用手工轉換，也就無法實現(xiàn)真正的可重用和互操作了。為了解決該問題，在仿真領域采用了軟件工程中模型驅動的體系結構（MDA）思想。MDA是用于改進計算機軟件的互操作性和可重用性，提高生產率，是基于元模型這種理念提出來的，其基本思想是首先要以元模型的形式給出一個能夠解決通用的、最本質問題的概念模型，而不是直接給出程序或編碼來解決問題。其核心思想是使用一個通用的、穩(wěn)定的概念模型，該概念模型是與語言、開發(fā)商和中間件等無關，即將模型與特定平臺的實現(xiàn)分開。

面向服務的體系結構（SOA）

SOA是解決分布式作戰(zhàn)仿真紛亂復雜局面的有效手段，它克服了以往DIS、HLA等框架擴展性、伸縮性差的不足。SOA和傳統(tǒng)方法不同，它以服務為中心進行構建，將仿真系統(tǒng)涉及的對象、數(shù)據、組件、業(yè)務流程、界面等從服務提供者和服務者的角度進行層次化。SOA把系統(tǒng)分離成不同的服務，使用接口來進行數(shù)據交互，最終達到整合系統(tǒng)的目的。SOA規(guī)范了將分散的、異構的子系統(tǒng)集成為更大規(guī)模系統(tǒng)的技術架構，它的最佳實踐是基于多層體系結構、中間件技術以及軟件組件技術。而多層體系結構降低了系統(tǒng)復雜度，提高了系統(tǒng)靈活性擴展性，中間件技術屏蔽了異構系統(tǒng)之間的差異，實現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作，軟件組件技術實現(xiàn)了模塊化和可組裝化。

DoDAF

DoDAF是美國國防部定義的用于國防和航空航天行業(yè)的架構框架，可用于組織和共享大型、復雜的分布式系統(tǒng)體系結構，其8個視圖模型使相互關聯(lián)的，優(yōu)點是可從多個視圖對一個整體架構進行全面的定義，對系統(tǒng)的平臺進行規(guī)范化描述，通過體系架構的關聯(lián)讓各自獨立的系統(tǒng)有效協(xié)同，獲得能力。

LVC技術發(fā)展特點

總結國外仿真支撐環(huán)境與平臺技術的發(fā)展，有以下三個特點：

（1）基于LVC仿真與訓練的重視程度越來越高，投資巨大，衍生出LVC-IA（集成架構）、LVC-G（實況虛擬構造和游戲）、SLATE（安全LVC高級訓練環(huán)境）等擴展架構，應用領域也不斷拓展，LVC仿真支撐平臺發(fā)展前景廣闊。

（2）從國家層面倡導發(fā)展LVC仿真技術，LVC技術對武器裝備發(fā)展和部隊訓練建設的支撐作用越來越凸顯，相關仿真工程支撐平臺技術向數(shù)字化、集成化、智能化高速發(fā)展。

（3）充分利用人工智能、云計算、大數(shù)據等新興戰(zhàn)略技術的新概念、新方法和新成果，布局新一代仿真支撐平臺體系結構，牽引出仿真支撐環(huán)境和平臺新需求和新能力，持續(xù)提升仿真資源互操作、可重用和可組合能力。

對我軍發(fā)展的啟示

目前，我國針對LVC仿真系統(tǒng)的研究主要處于理論探索方面，相關的研究內容和方法體系還不夠完善和成熟，分析研究美軍較為成熟的LVC技術，主要啟示如下：

一是LVC仿真基本對象模型研究。形成覆蓋仿真、試驗、訓練等方面的元數(shù)據、概念模型、基本接口對象模型和基本功能模型庫，為LVC仿真提供可重用和可組合的基礎資源庫。

二是LVC仿真通用中間件研究。建立能夠滿足L、V、C仿真運行環(huán)境、通信機制、時間管理、位置外推等需求的運行基礎設施，為LVC仿真系統(tǒng)的運行提供互操作支撐平臺。

三是LVC一體化集成平臺研究。建立能夠集成基本對象模型設計與管理、仿真成員的設計與管理、仿真系統(tǒng)的設計與管理的軟件工具集，為LVC仿真提供可視化的、能夠自動生成仿真應用程序的環(huán)境。

參考文獻

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