遞歸式兩棲編隊通信網絡仿真試驗設計方法?

（武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

當前聯合作戰背景下，編隊整體兵力能否有效發揮，取決于對各種作戰信息的采集、控制和使用程度。對于兵力種類繁多、作戰過程復雜的兩棲編隊作戰，戰場控制權能否成功奪取更依賴于信息流的暢通和通信網絡的合理利用程度。通信網絡實現指揮控制信息、戰場態勢感知信息、信息共享化等無縫傳輸功能［1～2］，是保障兩棲編隊綜合作戰效能實現的重要因素，而通信裝備又是通信網絡的核心構件，因而，通信網絡裝備體系設計是兩棲編隊通信網絡體系建設亟需解決的問題。

目前，針對跨軍兵種多元節點作戰的兩棲編隊通信網絡裝備建設處于探索階段，通信保障能力需求分析及以需求為導向的網絡開設方案缺乏仿真驗證平臺。在信息化快速提升的大環境下，建模與仿真是兩棲編隊通信網絡裝備設計有效開展的重要手段，是系統設計和部隊訓練的主要技術途徑之一［3］，尤其在信息系統需求分析階段［4］和系統框架推演評估階段［5］具有重要的研究意義。構建兩棲編隊通信網絡裝備仿真試驗環境，能為當前裝備設計方案提供不同兩棲編隊作戰樣式下特定通信保障能力仿真試驗的校核、驗證和確認（Verification，Validation and Accreditation，VV&A）平臺。

兩棲編隊相關論文研究集中在其作戰戰法、戰場態勢評估等研究［6～8］上，針對兩棲編隊通信網絡研究的論文比較少，而在仿真試驗設計領域，熊志綱利用仿真軟件NS2對兩棲作戰環境中的移動模型的網絡路由協議進行了仿真驗證［9］，陳革等通過實時管理系統仿真實現兩棲裝甲車輛訓練模擬器［10］，劉潤才等提出了分步式交互仿真中利用智能行為實體構建方式生成計算機生成兵力的方法［11］，另外在兩棲作戰視景仿真［12～14］、效能評估［15］也有所建樹。上述研究均沒有進一步實現通信裝備在兩棲作戰環境中網絡效能建模、仿真及評估，但均可在兩棲編隊網絡仿真試驗設計中借鑒運用。

本文從仿真架構設計、模型設計及試驗環境設計等方面介紹兩棲編隊網絡仿真試驗框架，以典型兩棲編隊作戰案例在該仿真框架下的實現及作戰通信效能評估，提出兩棲編隊通信裝備初步需求，仿真結果能有效指導兩棲通信裝備的研制功能指標和性能指標。

2 兩棲編隊通信網絡裝備與作戰行動

兩棲編隊作戰是涵蓋海、陸、空的立體綜合體系作戰。兩棲編隊一般包括大型兩棲作戰艦艇（一般為兩棲攻擊艦和船塢登陸艦）、驅逐艦、護衛艦、潛艇、陸特戰兵力、艦載飛機、航空兵等兵力和裝備。功能上遂行海上突擊和兩棲登陸作戰，覆蓋海陸空天潛不同方向和層次的作戰任務，具有較強的兵力投送、進攻和防御能力［16］。其中兩棲作戰艦艇利用艦載直升機和氣墊登陸艇實施立體兵力投送進行兩棲登陸作戰；驅逐艦和護衛艦組成水面打擊群可以實施對海突擊和對岸打擊作戰，也可實施對空防御作戰和對潛防御作戰，對兩棲登陸作戰提供火力支援和綜合防護。

兩棲編隊通信網是兩棲編隊作戰指揮信息體系化的核心傳輸網絡，以有、無線傳輸網絡為基礎，針對作戰節點多樣化、遠距化等特點，依托各種通信手段滿足情報信息按需傳送、作戰指令準確分發、戰場態勢及時共享。在不同使命需求下，實現艦艇部隊、陸戰部隊和航空兵等不同類型的兩棲作戰力量之間海、陸、空異構網絡互聯互通，支撐陸戰兵力登陸突擊作戰，保障編隊完成集結裝載、航渡警戒、立體輸送、突擊上陸、陸上作戰以及掃雷破障、綜合補給等兩棲作戰行動。

兩棲編隊通信網裝備是兩棲編隊通信網體系的基本組件，其設計技術立足于將單個戰術網通信裝備集成設計為編隊通信網，使戰場信息資源透明化，促成通信網絡綜合效能以實現全網絡方案，增強兩棲編隊信息化作戰能力。按裝備功能和類型劃分，包括短波通信分系統、超短波通信分系統、微波通信分系統和數據鏈通信分系統等。

兩棲編隊典型作戰行動主要包括登陸戰斗、珊瑚島礁進攻戰斗、瀕海城鎮進攻戰斗、瀕海山地進攻戰斗、特種戰斗、空降戰斗、珊瑚島礁防御戰斗、倉促防御戰斗、行軍與輸送、非戰爭軍事行動等十余種。其中，登陸作戰在美、英等西方國家稱為兩棲突擊，是兩棲編隊作戰最主要和最重要的類型。與其他兩棲作戰類型相比，登陸作戰的參戰軍兵種最齊全、作戰空間更廣闊、指揮協同最復雜、戰斗程度最慘烈、支援任務更艱巨，是最具代表性的兩棲編隊作戰樣式。以下仿真試驗以兩棲登陸作戰為例展開。

3 通信網絡仿真架構設計

兩棲編隊通信網系統仿真思路主線為，根據不同作戰想定的不同作戰階段，采用流程仿真、視景仿真等技術，構建兩棲編隊作戰仿真環境；擬定通信裝備參數（數量、技術體制、頻率、帶寬、覆蓋范圍等）進行部署，在此環境上進行仿真校核；擬制不同作戰想定下的通信組織規劃和通信網絡開設方案，在該環境中進行推演驗證，進而確定并評估該網絡開設方案下的作戰通信效能。

由于兩棲艦艇、兩棲編隊作戰過程復雜多變，針對我軍的具體作戰流程通信需求均為理論推導。因而評估兩棲編隊作戰能力的指標體系就不能簡單從現有文獻材料中推導出來，參數化的平臺模型和裝備模型未進行校核前，驗證網絡開設方案就無任何說服力，可信度不高，相應的評估指標也無法在仿真初期設置，更不能從仿真過程中采集監控。

因此，不能沿用傳統仿真設計方式方法來開展兩棲預研仿真，必須另辟蹊徑，逆向思維，先集成仿真引擎構建直觀展現兩棲編隊作戰活動及作戰流程的環境，將參數化平臺模型及通信裝備模型置于此環境中，進行作戰平臺行為（運動軌跡、行為觸發等）和通信裝備能力（覆蓋范圍、傳輸帶寬等）的反復校核，直至合理為止。然后通過作戰流程和通信裝備能力，逐步細化不同作戰階段下的通信組織規劃和通信網絡開設方案，進而通過通信網絡開設引擎將擬定的通信網絡開設方案在仿真推演環境中推演驗證，遞歸修正，直至滿足作戰通信網絡保障需求為止。以上述過程為仿真基本過程，將原來從需求至仿真的思路轉變為從仿真至需求反復遞歸的思路。思路可歸納為，基于參數化模型和作戰流程校核后的兩棲編隊通信網仿真推演環境，再根據完善后的仿真推演環境提出兩棲編隊作戰效能評估指標，進而有效開展仿真驗證與綜合效能評估確認。

本系統擬采用的仿真架構如圖1所示。采用基于組件的仿真系統開發模式，綜合集成作戰節點與通信裝備參數化建模組件、二/三維可視化仿真推演組件、作戰通信效能評估組件，達到“模型與實驗框架分離”的目的；通過獨立于模型的作戰行為仿真引擎、通信網絡開設引擎、作戰通信控制引擎的互操作，實現以通信效能觸發作戰活動為仿真主線、集離散與連續系統仿真于一體的混合系統仿真；以仿真想定設立、編隊作戰仿真推演、綜合效能分析評估為主線，通過通信控制引擎集成具備強大數據分析和調試功能、動態顯示功能的仿真推演環境。

圖1 校核、驗證與確認閉環遞歸式集成框架

4 通信網絡仿真模型設計

兩棲作戰是一個由位置分散、運行獨立、信息互聯的作戰平臺及通信裝備組成的復雜軍事戰爭系統，建立兩棲編隊通信網仿真推演環境的過程是一項復雜的以仿真模型為基礎的系統工程，必須對構建的仿真模型進行體系設計。如前所述，登陸作戰是兩棲編隊作戰最主要的類型，因而以下擬以兩棲編隊近海登陸作戰為例進仿真實驗模型設計。

要實現兩棲編隊作戰通信仿真推演，必須要有相應能夠達到仿真目標的作戰平臺模型和通信裝備模型，因此對于模型構建提出如下需求。

1）模型類型全覆蓋

兩棲編隊作戰涉及眾多類型、不同型號的艦艇、飛機、兩棲車輛等裝備類型及各類兵力，因此需要建立覆蓋上述作戰樣式所涉及的全部兵力及裝備。

2）裝備兵力模型使用多層次

兩棲編隊作戰規模有班組、分隊、合成分隊和戰術群等，有大有小，組織形式不一，使用裝備類型和兵力類型也不一。因此，有必要分層次對裝備模型和兵力模型進行聚合組建模。

兩棲編隊作戰是涉及兵力繁多、武器裝備復雜、作戰地域廣泛的作戰，涉及的作戰變量與作戰關系極其復雜。由于被建模對象的復雜性、系統組分之間關系的復雜性等，模型體系面臨的問題包括作戰仿真對象和過程的復雜性、建模過程的復雜性和模型之間關系的復雜性以及模型變更的復雜性，采用參數化的“類-實例”建模方法來摒棄上述復雜性，使得模型可擴展、可重構。必須考慮兩棲編隊作戰空間內參與作戰與通信的敵我雙方所有要素，包括參與作戰的平臺實體、通信裝備和自然環境等。模型涉及水面艦艇、潛艇、直升機等多個兵種兵力和短波、超短波、各種數據鏈等多種通信裝備，以及影響通信效能的基礎環境模型，因此兩棲編隊作戰模型體系具有要素多、規模大、關系結構復雜等特點。采用層次分明的方式設計仿真模型，如圖2所示，基礎類模型為戰場環境模型，實體模型為作戰平臺模型，影響仿真推演結果的關鍵模型為通信裝備模型。具體如下。

圖2 兩棲編隊通信網模型體系

1）實體模型體系

兩棲編隊作戰中具備獨立的物理屬性和行為屬性的實體都可以創建實體模型，主要是作戰平臺模型，包括兩棲運輸艦艇、兩棲裝甲車、護航艇、航空兵等多兵種作戰節點的作戰行為屬性（運動軌跡、行為觸發）。其行為模型是整個仿真環境運行的主線，能驅動每個作戰想定的進程推演。

2）基礎模型體系

基礎模型也即是戰場環境模型，用來描述兩棲編隊作戰過程中涉及的與環境相關地、海岸線、海洋、水文氣象、電磁模型。戰場環境的建模是獲得和提高兩棲編隊作戰仿真推演的可信性、互操作性、可重用性的關鍵。戰場環境模型分為環境描述模型、環境效應模型和作戰通信要素仿真模型等，前者對影響兩棲編隊作戰的環境因素進行描述；后者是戰場環境對兩棲作戰進程及通信效能所產生影響的描述。

3）關鍵模型體系

兩棲編隊通信網仿真推演環境立于驗證通信網絡開設方案且評估通信效能，參數不同的通信裝備將可能影響網絡開設方案的設置。因此通信裝備模型是其關鍵模型，包括部署在作戰平臺上的短波分系統裝備、超短波分系統裝備、衛星裝備、綜合鏈裝備等通信能力屬性（覆蓋范圍、傳輸帶寬等）。

采用自頂向下、逐層分解的方法把兩棲編隊作戰流程分解為一系列相互關聯的作戰子流程，然后采用組件式設計方法將其編排成若干子模型，并校核作戰平臺模型行為的合理性和完備性；重點還要結合實體模型和關鍵模型，對不同需求下兩棲編隊通信網開設方案進行驗證。同時，自底向上，基于作戰環境模型，將具備行為屬性的作戰平臺仿真模型及具備通信能力的通信裝備模型動仿真推演模型綜合運行，進而采用效能評估指標參數設置及數據采集功能，完成在該通信網絡開設方案下對系統作戰通信效能的評估和確認。

5 通信網絡仿真試驗環境設計

5.1 功能模塊設計

兩棲編隊通信網絡仿真試驗環境主要用于模擬在典型兩棲編隊作戰樣式下，在考慮大氣環境、海洋環境和電磁環境對通信能力影響的情況下，針對擬定的通信網絡開設方案，推演出編隊不同作戰平臺間話音、文電、數據、視頻的傳輸與交換過程，進而對兩棲編隊作戰通信效能進行綜合評估。

該環境包括兩個部分：一是過程仿真推演軟件，能在二維態勢中創建和輸出作戰任務，根據兩棲作戰任務制定通信裝備作戰使用方案，能夠在二維/三維態勢中實時顯示戰場態勢、通信效果以及作戰環境（地理環境、大氣環境、海洋環境和電磁環境），并能基于通信結果進行作戰通信效能評估，主要包括二維態勢模塊、三維態勢模塊、通信仿真模塊、作戰仿真模塊、效能評估模塊、三維態勢模塊、通信網絡開設引擎模塊六個部分。二是通信設備模擬軟件，有效地模擬兩棲編隊作戰過程中節點使用的數據鏈、衛星、短波、超短波等通信設備和網絡相關射頻資源使用情況及信息輸出，建立高精度的仿真模型，在后臺實現對過程仿真推演軟件的可靠支撐。

圖3 兩棲編隊通信網絡仿真推演環境組成

5.2 功能流程及仿真引擎設計

兩棲編隊作戰過程和通信網絡開設方案互操作運行復雜，相對于當前從理論上考證滿足兩棲編隊通信網特殊通信需求的裝備集成方案及實現手段，可視化動態推演無疑更為直觀、精確，其包括想定推演及態勢顯示兩方面。前者為仿真節點提供能夠驅動仿真運行的初始化數據，包括對仿真條件、約束、規則和過程等的結構化描述及，不僅涉及參與作戰節點及其行為模型、作戰流程的設計想定及推演，還涉及通信裝備部署、通信網絡開設方案的設計想定及推演；后者采用可視化交互式仿真技術，為操作人員提供能顯示當前推演結果的態勢顯示界面，涉及海圖的選取與匹配、作戰節點運動、二/三維可視化態勢顯示。上述實現需要具備行為模型、決策模型及可視化顯示等功能的作戰行為仿真引擎、通信網絡開設引擎、作戰通信控制引擎的互操作，以實現通信與作戰決策支持的集離散與連續系統仿真于一體的混合系統仿真，引擎的選取與設計需要開展專門的論證研究。

兩棲編隊作戰是多軍兵種參加的立體空間作戰，參與的兵力數量眾多，其通信網仿真推演環境需要高性能的并行仿真引擎來滿足實時或超實時的要求。仿真引擎是獨立于模型體系的，兩者真正實現了松耦合的設計。本仿真推演環境擬采用獨立于模型的作戰行為仿真引擎、通信網絡開設引擎、作戰通信控制引擎的互操作，實現通信效能觸發作戰活動的集離散與連續系統仿真于一體的混合系統仿真；在獨立運行方式下，系統的功能流程及仿真引擎設計如圖4所示。

圖4 兩棲編隊通信網系統功能流程及仿真引擎設計

其中，作戰行為仿真引擎基于FLAMES（the Flexible Analysis Modeling and Exercise System，即柔性分析建模與訓練系統），可以用于作戰平臺行為仿真開發和應用。FLAMES提供了構造仿真的框架以及與構造仿真、虛擬仿真、真實仿真之間的接口，其開放的面向對象結構使得用戶在開發各種仿真系統時具有很大的靈活性，也很容易根據需要對作戰平臺模型進行修改。

通信網絡開設引擎基于OMNeT++（Objective Modular Network TestBed in C++），一種開源的基于組件模塊化的開放網絡仿真平臺。本環境通信模擬設備軟件是通過OMNeT平臺開發出來的各種通信協議模型。在這里所有通信模型是基于Mix?im-2.3通信仿真框架。支持修改原有框架，并新增通信仿真過程中模擬所需的天線、發射機、接收機等終端模型和數據鏈等協議模型。

作戰通信控制引擎基于離散事件觸發式仿真開發。態勢顯示界面包括海圖二維顯示、VBS3（Virtual Battle Space，虛擬戰場空間）三維動態顯示。

圖5 二維顯示主界面

三維顯示環境VBS3是一個柔性的仿真訓練解決方案，用于想定訓練、任務預演等。仿真現代戰場的各個方面，包括人員、地面車輛、兩棲車輛、水面艦船、旋轉翼和固定翼飛機、水下航行器以及相關的作戰行為。VBS3是完整、可直接使用的戰術級作戰仿真系統，支持與UNITY3D的地形和模型共享。圖6是其三維開發顯示界面，圖7為在典型兩棲作戰案例仿真過程中，對陸攻擊階段為指揮艦增加無盲區通信手段后時延監控情況數據統計結果。

圖6 三維顯示界面

圖7 對陸攻擊階段為指揮艦增加無盲區通信手段后時延監控情況

6 結語

作為兩棲編隊通信網裝備設計技術的基本驗證框架，兩棲編隊通信網仿真試驗環境的設計將抽象的通信流程轉化為具體直觀的兩棲編隊作戰軍事行動，將概念式的通信組織關系轉化為形象式的通信態勢呈現，將單調的監控數據轉化為多維時空綜合結果展示。

本文采用的遞歸式兩棲編隊通信網絡仿真試驗設計方法，在仿真推演過程中通過不同角度的展現形式表示大量的仿真數據，便于快速驗證子網接口協議和網絡開設方案的合理性，形成校核、驗證和確認的遞歸式集成設計框架。可在設備研制階段將通信裝備主要性能參數和接口協議融合置于特定兩棲編隊作戰仿真環境，便于兩棲通信網絡開設方案驗證及裝備短板定位。