基于VBS3的裝備體系作戰仿真評估系統設計

劉 帥，王 瑞，張宏江，魏永勇

(1. 航天工程大學研究生院，北京 100141；2. 陸軍裝甲兵學院演訓中心，北京 100072；3. 中國兵器科學研究院，北京 100089)

1 引言

新時期武器裝備體系設計、體系建設、體系運用、體系評估特征日益明顯，這對裝備試驗鑒定提出了更高要求，需要以裝備體系為評估對象，注重體系對抗檢驗。裝備體系作戰試驗就是從體系對抗這一關鍵因素出發，以聯合作戰為背景，以檢驗裝備體系作戰效能與作戰適用性，發現裝備體系短板弱項為主要目的，成建制、成體系的裝備試驗鑒定活動，是檢驗裝備體系設計能否滿足戰爭需要、新研裝備能否有效融入作戰體系的重要手段[1-3]。

在裝備的論證、設計、研制、試驗與評估中廣泛應用仿真技術和仿真，已成為武器裝備研究與軍事技術發展的趨勢[4-8]。裝備體系作戰試驗具有成本高、風險大、樣本少以及對抗考核難等諸多特點，需要采取實裝試驗和仿真模擬相互補充、相互支撐的方式，利用實裝試驗數據、演訓數據等持續校驗裝備和作戰行動模型，通過高頻度仿真獲取海量數據，依托緊耦合評估模型生成評估結果，形成可信度高的裝備體系作戰效能、體系貢獻率、建設效費比等評估結論，切實對裝備體系改進升級、結構優化提供有效支撐，加速提升裝備體系作戰能力生成。

本文以合成部隊裝備體系作戰試驗為背景，針對其試驗體系化、對抗化特征，提出了基于VBS3(Virtual Battlespace 3)仿真平臺構建一套裝備體系作戰仿真評估系統的構想，用于支撐合成部隊裝備體系對抗仿真、體系作戰效能評估、體系貢獻率評估、建設效費比評估等工作，提升新形勢下裝備體系建設論證與試驗評估能力。

2 VBS3仿真平臺簡介

VBS3是一款適用于軍事模擬、實驗、任務預演、虛擬培訓環境等的仿真應用和開發平臺。作為仿真應用平臺，該平臺具有10000多種專業的模型，結合了大量內容庫、實時/離線場景創建編輯工具以及行動審查功能，擁有先進的仿真運行引擎和高效的建模工具，支持開發人員通過提供的框架和工具套件來定制和擴展平臺功能，具有良好的開放性能和完整的系統框架結構，圍繞仿真工作流程，提供了組件開發、模型與場景創建、想定編輯與管理、數據記錄、管理控制、場景顯示、統計分析等一系列工具[9]，能夠很好地支持裝備體系作戰仿真領域的開發和定制服務。

3 裝備體系作戰仿真評估系統功能

開展典型作戰任務場景下的裝備體系仿真評估工作，需要構建與試驗評估任務相符合的裝備體系仿真評估環境，支撐裝備體系評估工作的開展。

3.1 仿真引擎支撐功能

基于VBS3平臺核心仿真引擎，能夠支撐紅藍裝備體系對抗構造仿真，滿足實體級仿真精度要求。平臺核心仿真引擎包括物理引擎、渲染引擎、聲音引擎、網絡引擎及AI引擎等。其中，物理引擎能夠實現實體與環境、實體之間的碰撞與毀傷等交互功能；渲染引擎能夠對二、三維態勢進行實時渲染和顯示；網絡引擎能夠實現仿真實體間的組網通信及互聯互通互操作，同時支持以DIS、HLA等協議與異構系統的互聯交互；AI引擎能夠實現紅方和藍方作戰規則的編輯及驅動，支持基于規則的仿真實體自主感知、決策和行動；聲音引擎能夠實現戰場音效效果及語音指揮效果仿真。系統的公共基礎功能服務以平臺提供的仿真運行框架作為實體管理器，加載組件化的仿真模型，根據作戰試驗想定文件生成仿真實體、維護仿真實體池，提供查詢仿真實體和存儲仿真實體數據等功能；仿真引擎應具備仿真周期設置、仿真模型運行調度、模型內部和外部應用的數據交互、暫停、繼續、退出等運行控制功能。

3.2 仿真對抗推演功能

進行紅藍裝備體系對抗仿真，仿真模型至關重要，因此需要在構建試驗部隊及作戰對手裝備/人員實體的三維模型、數據模型、毀傷模型，武器平臺戰斗行動規則模型、班組戰斗行動規則模型、群隊戰斗行動規則模型，虛擬地理環境、氣象環境、電磁環境模型的基礎上，依據仿真想定，依托計算機生成兵力進行作戰過程仿真。計算機生成兵力能夠自主地對虛擬戰場環境進行感知，對自身狀態和其它實體的狀態做出合理的反應，能自動模擬實現作戰人員或武器裝備的作戰行為，實現其在裝備體系仿真對抗中的角色和職能，并提供二維態勢和三維態勢的聯動顯示，按照評估任務的需要，采集相關數據并存儲到指定的數據庫。

3.3 數據分析評估功能

由于試驗評估數據來源的多樣性、多元性，系統應當具備試驗數據的挖掘處理、量綱歸一處理、專家經驗量化處理、結果數據管理等功能。能夠根據不同裝備體系使命任務和評估側重點，構建裝備體系作戰能力與仿真數據、裝備性能參數等的關聯映射，形成系統能夠采集、量化的指標體系。能夠支持單裝聚合、體系效能、任務貢獻率等不同評估算法的具體計算，通過裝配多層級、多維度的評估模型，以支持不同仿真數據輸入前提下的評估，并提供評估參數設置、評估模型管理、評估結果輸出等服務。

4 裝備體系作戰仿真評估系統體系架構

4.1 系統體系架構

系統體系架構是對仿真評估系統組成及其相互關系的描述，結合仿真建模、運行與試驗評估全過程服務的要求[10]，裝備體系作戰仿真評估系統以作戰仿真技術為依托，以虛擬軍事仿真平臺為基礎，通過對武器系統單裝單平臺進行精細化建模，在構建虛擬戰場環境中推演作戰行動，驗證作戰效果，為裝備體系作戰試驗提供有效的對抗仿真驗證手段，為裝備體系作戰效能評估、裝備體系貢獻率評估和建設效費比評估等提供數據支持。為了使系統功能更完善、結構更清晰、開發更方便、擴展更靈活，采用分層體系架構進行系統設計[11]，系統在總體架構上主要區分為基礎層、模型層、服務層、功能層和應用層5個層次，如圖1所示。

圖1 裝備體系作戰仿真評估系統體系架構圖

4.1 基礎層

主要提供武器裝備、作戰人員、地理環境等與仿真資源相關的三維模型構建和管理工具，建設裝備體系仿真和評估相關數據庫。

4.2 模型層

基于高精度仿真引擎和基礎層中的模型構建和配置工具，構建仿真系統中所需的作戰人員、武器裝備、戰場環境等三維實體模型，對各種戰術行動進行仿真建模，并提供仿真計算所需的毀傷計算和評估分析涉及到的指標賦權計算、評估算子計算和評估聚合計算等模型。

4.3 服務層

主要提供地理信息服務、三維場景渲染服務、網絡通信互聯服務、物理仿真服務、三維顯示控制服務、仿真推進服務、數據庫訪問服務組件、多節點運行控制服務、綜合評估服務、評估指標關聯映射和權重服務、評估結果可視化組件服務和評估報告生成服務等。

4.4 功能層

開發或利用資源管理、仿真規劃、仿真管控、仿真運行和評估分析等軟件工具，提供相應的功能服務，滿足裝備體系作戰仿真評估任務需求。

4.5 應用層

面向裝備體系作戰試驗需求，試驗人員可靈活開展針對相關試驗部隊裝備體系的對抗仿真，進行試驗部隊裝備體系作戰效能評估、體系貢獻率評估及裝備體系建設效費比評估分析等。

5 裝備體系作戰仿真評估系統技術架構

系統在VBS3仿真支撐平臺及其已有基礎軟件模塊的支撐下，根據裝備體系仿真要求，對相關功能模塊和軟件工具進行改造或定制開發，以完成試驗設計、試驗管控、試驗運行和試驗結果評估分析，系統技術架構如圖2所示。

圖2 裝備體系作戰仿真評估系統技術架構

模型系統模塊主要是基于Agent的裝備智能行為建模技術進行定制開發，根據仿真需要實現對相關環境、裝備及行為模型的調度管理，支持實時推演及實驗運行模式。

模型構建模塊主要是基于平臺自帶的裝備建模工具、行為建模工具以及環境建模工具，構建滿足仿真系統運行所需要的各類模型資源。

想定編輯模塊主要是對平臺自帶的想定編輯工具加以改造，提供圖形化人機界面進行仿真想定的創建、編輯等功能，將仿真的作戰背景、戰場環境以及包括敵我雙方的作戰編組、作戰部署及行動計劃等與作戰想定相關的內容錄入到系統中，形成作戰方案數據。

態勢顯示模塊主要是依托平臺自帶的態勢顯示、顯示控制以及態勢回放等工具，實時呈現二、三維時空一致的綜合戰場態勢。

運行管控模塊主要是依托平臺自帶的仿真引擎以及運行支撐服務、運行綜合管控、想定監控與管理、作戰行動仿真模型解算等工具，對系統的運行方式、運行模式等進行管理設置。

資源管理模塊主要是基于平臺自帶的模型與數據管理工具，實現對各類基礎模型數據資源的導入、編輯、維護、備份等管理功能。

數據采集模塊主要是依托平臺自帶的仿真數據采集工具，對仿真過程的各類運行數據進行采集記錄。

評估分析模塊需要定制開發相應的仿真數據評估分析軟件工具，能夠對系統采集的數據進行處理，并根據不同的評估目的確定評估方案，主要包括確定數據、建立評估指標體系、確定評估模型、進行分析評估并形成評估報告等。

6 裝備體系作戰仿真評估系統組成

裝備體系作戰仿真評估系統組成如圖3所示。主要由兩大分系統組成，分別是裝備體系作戰仿真分系統和裝備體系作戰試驗評估分系統。其中，裝備體系作戰仿真分系統根據作戰想定實現仿真推演，并產生、采集、傳輸和存儲仿真數據，主要由仿真規劃與管控、模型構建、想定編輯、資源管理、仿真運行與控制、態勢顯示、數據采集等7個子系統組成；裝備體系作戰試驗評估分系統是在仿真分系統產生的試驗數據的基礎上，依據評估目標，確定評估指標，選擇相應的評估模型與算法，進行評估分析，最終生成評估報告，主要由作戰效能評估、體系貢獻率評估、建設效費比評估等3個分系統組成。

圖3 仿真評估系統組成框圖

7 裝備體系作戰仿真評估系統關系

在裝備體系作戰仿真評估系統內部，裝備體系作戰仿真分系統與評估分系統各自的功能以及相互之間的關系，如圖4所示。裝備體系仿真分系統產生仿真數據，并將仿真數據存儲到數據庫中，具體存儲的仿真數據內容可以根據評估指標設定，同時支持裝備體系作戰仿真回放檢驗；裝備體系作戰試驗評估分系統從數據庫中訪問相應的仿真數據，進行體系效能、體系貢獻率評估等，生成裝備體系作戰試驗分析評估報告。

圖4 仿真評估系統關系圖

8 裝備體系作戰仿真評估系統工作流程

裝備體系作戰仿真評估系統工作流程如圖5所示。

圖5 仿真評估系統工作流程

8.1 仿真準備階段

仿真準備階段圍繞裝備體系作戰仿真評估需要，將作戰想定中涉及的具體裝備型號、編配體制，擔負的主要作戰任務、紅藍雙方的作戰部署、行動計劃及特定戰場環境錄入到系統中，并對試驗要素、試驗方案進行優化設計，對試驗開始時間、試驗運行結束條件、推演次數等參數進行設置。系統按照格式化模板生成仿真方案數據，提交給仿真運行與控制子系統，進入仿真運行階段。

8.2 仿真運行階段

仿真運行階段根據仿真規劃子系統生成的仿真方案數據，在分布交互仿真環境中由仿真控制模塊來控制試驗方案運行次數、開始、暫停等，由作戰行動仿真模型解算模塊實時生成對抗環境中的仿真實體，按照作戰計劃和要求完成作戰任務，由綜合態勢顯示子系統實時生成二、三維戰場態勢信息，并生成態勢回放數據。數據采集模塊實時記錄仿真過程數據和作戰實體狀態數據，為仿真評估分析提供數據支撐。

8.3 評估分析階段

評估分析階段以仿真數據作為基礎數據，根據分析評估目標和評估對象依次進行能力分解映射、指標體系構建、指標權重賦值、多層級評估模型構建，在此基礎上對仿真數據進行預處理，包含去噪、無量綱化、關聯計算后，按評估流程開展分析評估計算。

8.4 評估結果展示階段

評估結果展示階段主要對分析評估的結果進行可視化展示，包括不同裝備體系能力對比分析，不同作戰方案的任務戰損比、物資消耗比、完成效率、作戰效能，裝備體系貢獻率綜合評估，典型裝備的建設效費比評估等，提供多種樣式的圖、表等可視化方式以展示評估結果，并結合不同仿真數據生成不同評估目標的評估報告，供不同用戶參考使用。

9 結論

本文提出了一種基于VBS3仿真平臺的裝備體系作戰仿真評估系統設計思路方法，針對系統開發過程中的主要功能設計、總體架構設計、系統組成設計、仿真流程設計等環節進行了研究，給出了設計思路。該系統立足于當前裝備體系化、對抗化試驗評估現實需求，能夠為合成部隊裝備體系作戰仿真評估手段建設提供支撐，可提升聯合作戰背景下裝備體系化設計論證、檢驗評估與建設優化能力，具有較強的實用意義與參考價值。