戰斗損傷模擬器研發探討：以水面艦艇操縱模擬器為例

史巖，宋元

（海軍大連艦艇學院水面艦艇作戰實驗中心，遼寧大連 116018）

養兵千日、備戰常態，必須杜絕“近期不會打”“輪不到我打”的麻痹思想，除了在精神上要高度統一“備戰打仗”的意識外，在實際訓練中也要盡可能貼近真實的戰場環境。有戰場就會有損傷，戰斗損傷的高度還原可以依靠戰斗損傷模擬器的研發來實現。

軍事訓練模擬器是軍事仿真技術的一個重要分支，通過訓練模擬器進行相關的訓練，可以有效提高相關軍事人員的軍事素質水平。在軍事領域中，模擬仿真技術的應用能夠有效縮短武器系統研發的周期、節省科研經費的支出、減少實物裝備的試驗次數，這是促使軍事強國大力發展軍事仿真技術的直接原因。

中國的軍事模擬訓練從20 世紀80 年代開始得到了進一步的發展，逐步滿足了軍事院校、訓練基地等部隊單位“訓戰一致”的需求，例如空軍飛行訓練模擬器、海軍水面艦艇操縱模擬器等。但是，中國模擬器的發展水平和層次，與以美軍為代表的西方軍隊相比仍有一些差距。如何縮短軍事模擬器的研發差距，除了在技術細節上進行相關趕超外，從模擬器的研發理念上也應進行一定的改革創新。由于研發始終要面向實戰化、貼近真實的戰場環境，戰斗損傷則是一個不可避免、必須面對的話題。而軍事模擬器中，對于戰斗損傷的模擬往往浮于表面、形式簡單且易于忽略戰場環境對于戰場損傷的影響。為了說明戰斗損傷模擬器研究的重要性，本文以水面艦艇航行操縱訓練模擬器為例對戰斗損傷模擬器的研發進行相關的探討，說明其研發的重要意義。

1 國內外模擬器的現狀

國外以大型船舶為代表的航海模擬器，主要由英國船商、挪威康斯伯格公司等幾家傳統的老牌航海領域公司研發[1]。中國的航海模擬器以大型船舶操縱模擬器及其開發平臺為代表，2006 年由大連海事大學研發，并通過國家交通部鑒定以及挪威船級社的航海模擬器性能指標的認證，中國航海模擬器總體研究水平由此走到了國際前列。而當今船舶運輸的現實狀況是船舶噸位大型化，由此對于操縱船舶進出港、離靠碼頭的要求也有所提高。同時，還需要結合惡劣的海況以及一些海難事故的應對處置，為了減少給海洋環境和生命財產造成無法估量的損失，用于海難事故的立體搜尋救助、高風險船舶的相關模擬器裝備在2019 年由大連海事大學研發成功，該模擬器為“全任務一體化交互協同拖輪模擬器”，能夠實現協同搜救仿真和駕駛臺資源協同訓練等功能。

普通民用、商用船舶的模擬器已經向惡劣環境條件下多種作業工況一體化協同仿真發展。反觀軍事用途的水面艦艇的航海模擬器，國內對于戰斗損傷狀態下的模擬研發在一定程度上還處于空白，而國外對于戰斗損傷模擬器的研發也是鮮有報道。值不值得研發、有沒有意義去研發這是人們需要探討的。此外，目前與戰斗損傷模擬器有關的高新科技在理論上的研究成果已經空前繁盛，但是工程應用方面很少有相關報道。

2 艦艇戰斗損傷操縱模擬器研發設計探討

現代海戰的主要特點是以全方位的角度對目標實施打擊，以水面艦艇作戰為例，其所受到的威脅會來自于空中、水面、水下的各種武器。隨之而來的就是艦艇受到打擊后船體會遭受何種變化以及這種變化程度的大小，最后都會歸結為對航行操縱乃至中國武器的使用、整體編隊的戰術配置等方面的影響。

2.1 戰斗損傷模擬器的功能定位

以水面艦艇操縱模擬器為例，該模擬器是訓練艦艇操縱相關人員較為有效的方法之一，可以極大程度上縮短人員的培訓周期，同時減少資金的投入。而艦艇戰斗損傷操縱模擬器則是為了培養艦艇相關操縱人員在艦艇戰斗損傷情況下進行臨機操縱處置的能力，主要目的是為真實戰場環境下的損傷做好應急處置的準備。這就要求艦艇戰斗損傷操縱模擬器在受損的前提下，面對隨機的海況環境，要避免船舶的傾覆來保證航行的絕對安全，同時仍要顧及剩余戰斗力。也就是說，在艦艇自身生命力基本保障的前提下，受訓人員需要掌握特殊情形下的操縱技術來實現戰斗力的最大化。

水面艦艇戰斗損傷操縱模擬器的組成如圖1所示，在常規的操縱模擬器的基礎上需要增添2方面的模擬，即模擬隨機的損傷狀態對艦艇的影響和模擬隨機環境對艦艇的影響。2 方面還會進行相互的作用疊加，最終的模擬效果則是對船體產生一定程度上的負面作用，而此時就需要受訓人員采取相應的措施進行操縱處置。最后，在戰斗損傷狀態下對艦船操縱的過程以及最終的艦船航行效果給出一定的評估并生成相應的建議方案。

圖1 水面艦艇戰斗損傷操縱模擬器的組成示意圖

2.2 戰斗損傷模擬器的發展方向

2.2.1 加大數據獲取力度

無論是戰斗損傷后艦艇內部變化的模擬，還是艦艇身處隨機海況環境下外部自然環境的模擬，其實質上均依靠獲取的原始數據進行相應模擬數據的生成，也就是說獲取的數據越正確、越全面、力度越大，那么模擬器所模擬出來的戰斗損傷狀態就越接近于真實的戰場環境。一般認為，戰斗損傷模擬器的數據獲取主要來自于以下3 方面：①通過理論方法驗證的數據。早期的戰斗損傷模型起源于20 世紀70 年代末期的“蒙特卡羅仿真模型”方法，常用在對艦艇不沉性的計算方面。最為典型的例子就是首先給出艦艇被某種武器碎片穿透的概率模型，再通過蒙特卡洛法抽取隨機數進行判斷后生成相關碎片的數據庫，并依托艦船的幾何模型數據庫進行理論數據的生成。②通過經驗、試驗獲取的數據。在經歷過突發事件后，相關當事人會有一定的處置經驗，而這也是計算數據無法取代的。此外必要的試驗更能夠獲取具有足夠說服力的數據。例如美國“福特”號航母在2021 年6 月進行首次“全艦沖擊試驗”，在船體內布設眾多傳感器以獲取相關數據來檢測軍艦在經受殘酷戰爭條件下的忍受能力。國外不少發達國家在進行爆炸載荷數值仿真分析的同時，重視實船試驗在為建立抗爆設計方法和抗爆性能評估體系獲取的數據。③真實的戰場數據。美國的霸權行徑使其成為二戰后發起戰爭最多的國家，那么自然而然在實戰中檢驗了裝備、獲取了戰場數據。軍事大國俄羅斯在打擊恐怖分子以及維護國家主權的行動中也會通過局部的戰斗來檢驗自己的武器裝備。而反觀中國，近些年沒有能夠用于檢驗武器裝備的實際戰爭，這就導致在獲取實戰信息數據方面存在一些短板。

2.2.2 更加重視環境因素

戰斗損傷模型是依據真實作戰、軍事演習、試驗、研究等途徑進行相關數據的獲取后，通過處理信息數據而建立。這種數據的獲取方式本身是基于戰場環境，但是在以往的反向模擬過程中卻常常忽視環境的因素，更加重視環境因素對于解釋模擬器中微觀和宏觀的內在關系具有現實意義。判別艦艇損傷的基本機理和戰場環境之間關系，并進一步將這種邏輯關系作用到模擬器基本功能的實現上，通過受訓人員操作、處置來實現對模擬器的反饋，用以達到模擬器正常模擬運轉的目的。

2.2.3 聯合化、人性化和智能化的拓展

現代的戰場早已經不局限在單兵作戰、單體系作戰的范疇內，而是多武器裝備、多軍種、多體系的聯合作戰。以艦艇戰斗損傷操縱模擬器的研制為例，不應該單單只強調單艘艦艇戰斗損傷的處置，還要結合編隊的作戰中多艘主副本艦艇的聯合處置。

模擬器的人性化方面，不僅僅局限于軟件的人性化設計，還應該包括在系統的管理上能提供更加便捷的工具和措施。此外，許多重要的無形的因素，如作戰人員的士氣、個性特征、訓練水平、指揮藝術等也需要在模擬器中有所體現，這也可以理解為對模擬器人性化方面的拓展。

模擬器的智能化方面，2016 年ALPHAGO 戰勝了圍棋大師這個事件在一定的程度上說明了人工智能在認知方面已經具備了超過人類的潛能。鑒于此，由于戰斗損傷模擬器不可能通過人工的手段達到面面俱到，而是需要在非人工方面，如無監督學習、大數據運用方面都可以作為戰斗損傷模擬器的還原、復盤真實戰場環境的有效手段。

2.2.4 完善評估和建議方案

有效的評估結果和合理的建議方案是受訓人員模擬訓練后總結提高的必要手段。人工評估過程中無法避免一些主觀的因素，合理的非人工評估是通過數據進行相關方面的判別、評定。最后在評估結果的基礎上，通過復盤分析給出多種建議方案，這樣才能夠實現戰斗損傷模擬器的訓練意義。

3 戰斗損傷模擬器研制的關鍵問題

以水面艦艇為例來探討戰斗損傷模擬器研制中的關鍵問題。假設某種武器對中國艦艇攻擊后船體受損，則艦艇適航性將受到影響[2]，因此需要從艦艇內部的本身屬性變化去模擬對受訓人員操縱的影響。同時，也應考慮到艦艇所面臨的外部環境，即戰場的自然環境。具體來講此時的海情是隨機變化的，可以看成海情高低程度對艦艇受訓人員操縱影響的模擬是從外部環境的角度出發。此外，在面對艦艇內部損傷、外部環境干預的情況下，受訓人員的操縱行為是否能夠有效提高艦艇的適航性，乃至戰斗力的保存也是需要模擬器進行相應仿真模擬的。

3.1 艦艇本身屬性的模擬

真實的戰場環境中，水面艦艇在經過常規武器的打擊后，如反艦導彈、魚雷、水雷及炸彈，依據經驗大致認為，它們對裝備的損傷機理相同。具體地講，可以認為彈體爆炸后形成一個破片場和具有一定強度的爆炸沖擊波，破片與沖擊波對裝備造成損傷[3-4]。爆破碎片使得船體破損后進水產生一定程度的傾斜，或是爆破沖擊波使得船體的穩性降低。此時對航行操縱的控制能力，在一定程度上決定了艦艇是否會在隨機的海況環境下安全航行。利用蒙特卡羅法可以對破片損傷和沖擊波損傷建立相應的模型，用以獲取相關的數據信息。

但是，對于艦艇本身屬性方面的模擬，船體的穩定性只是其中的一部分，還會涉及到船體質量及浮態分布、耐波性、不沉性等[5]。總結起來就是要模擬出艦艇破艙后其穩定性以及受損船體剩余極限程度對航行操縱的影響。

艦艇本身屬性的另一個方面是船舶數學模型、戰斗損傷程度模型的建立，這是艦艇戰斗損傷操縱模擬器的核心內容。逼真的、還原度高的模型才能夠貼近戰場，符合現役裝備以及遭受不同武器打擊后的真實效果，才能夠為受訓人員提供真實戰場環境下的操縱處置感受。

3.2 戰場自然環境的建立

戰場的自然環境不是可有可無的約束條件，在一定程度上自然環境可以決定整個戰場的走勢、注定某些戰局的結果。當然合理利用或是應對戰場自然環境也可以起到促進戰局、決定戰斗勝負的作用。

以水面艦艇戰斗損傷操縱模擬器為例，其戰場自然環境的模擬應該是對艦艇在戰斗損傷狀態下自身屬性產生的影響，以及由此引發的受訓人員應對艦艇操縱時所采取的處置措施。那么水面艦艇的戰場自然環境模擬也就是海洋環境的虛擬[6]，主要包括與海相關的地形地貌特征及可以反映出各種自然景象（海浪、天空等）和氣候現象（雪、霧、雨等）的模擬。逼真的戰場環境是以三維實體模型為基礎進行搭建，同時還要顧及到動、靜態模型的分類描述，最終實現不同平臺（船型）中海洋環境間的可交互，以及動態破損效果和艦艇操縱間的交互，從而進一步提高戰斗損傷模擬器訓練中戰場環境的逼真性。

3.3 其他條件下的模擬

戰斗損傷模擬器在仿真還原戰場程度上主要依靠的是獲取數據的真實性與利用數據的正確性。排除數據外就是一些無形且重要的因素，在戰術的層次上，艦艇編隊中受損艦艇的航行操縱對整個編隊戰術戰法上的影響。

此外，模擬器系統要實現對于自身功能的模塊化定位及整套系統的集成化設計，這樣才能夠通過模塊化的集成系統，達到自由方便地按照訓練大綱的要求增減各種功能模塊、配置相應的集成系統。

4 結語

戰斗損傷模擬的研發是面向一個熟知領域中的陌生角度，也可以理解為是在一個新興領域的嘗試。這就意味著在常規模擬器的基礎上增加戰斗損傷的約束條件，會帶來一系列的瓶頸問題。這也說明了戰斗損傷模擬器在研發難度上及適用普遍性上仍有待商榷。但是不可否認，對于戰場環境的模擬還原是一種高效、經濟的培訓實踐手段。