基于LVC 的艦載機作戰指揮訓練系統設計 *

劉劍超 ，董斐 ，姬嗣愚 ，吳穹

（1. 中國人民解放軍 91475 部隊，遼寧 葫蘆島 125001；2. 中國人民解放軍 92020 部隊，山東 青島 266000）

0 引言

由于艦載機作戰具有環境復雜、跨度大、機動性強、對象多元等特殊性，實裝實戰訓練風險極大且成本高昂，模擬訓練在艦載機作戰訓練中不可或缺。為充分仿真目前多體系、多層次的戰場環境，實現指揮訓練與作戰訓練一體化，艦載機作戰指揮訓練的戰術地位被進一步放大，隨之其模擬訓練系統建設也被提出更高要求：

（1） 高實時性。模擬訓練中，一體化訓練的趨勢逐漸明顯，而如何將多兵種、多崗位的作戰人員放入同一個戰場沙盒環境進行實時對抗成為了關鍵問題，因此提高模擬訓練系統的實時性，保證不同地域、崗位人員按照作戰流程實時參與訓練，實時生成戰場態勢成為了重要需求。

（2） 高通用性。目前不同作戰功能的模擬訓練系統多為“各自研發”，程序中功能相同的部分被重復開發，而被重復開發的程序由于開發環境不同，程序直接互不相通，形成了技術壁壘而降低了程序通用性，也浪費了科研力量。

（3） 高真實性。模擬訓練系統需做到在實裝的基礎上，開發虛擬環境，提高真實性。

針對上述訓練需求，可以通過利用LVC（live virtual constructive）技術，構建艦載機作戰指揮體系和兵力體系，實現與基于艦載機實裝（live，L）、模擬器（virtual，V）和虛擬兵力（constructive，C）在回路的混合仿真系統協同運行［1］。由于LVC 仿真采用統一的通訊協議、時間軸與戰場邏輯推進機制［2］，因此可以在確保高實時性的基礎上一定程度地促進不同模擬訓練系統間的通用性，實現建設需求。

2016 年8 月，美軍成功將4 架真實的F-16（艾爾森空軍基地）戰斗機和2 架模擬的F-22 戰斗機相互連接，開展6 名飛行員的異地“4 對2”的空戰訓練。LVC 技術已經用于阿拉斯加州的“紅旗”軍演和“北方利刃”演習。在2018 年的“紅旗”軍演中，通過分布式加密安全網絡，將全美國數百臺模擬器及虛擬兵力模型連接到同一個戰場環境中，網絡化訓練和LVC 訓練使美軍實戰化訓練得到了更深層次的發展，驗證了LVC 在訓練中的重要地位［3］。

1 整體設計

1.1 功能需求

（1） 支持多戰位、多專業協同作業和紅藍方背靠背作戰籌劃，提高艦載機作戰籌劃工作效率和專業化水平。

（2） 具有自主行為能力的CGF（computer generated forces）兵力體系，在對抗推演過程中采取CGF 兵力自主交戰與指揮員指揮干預相結合的方式，解決對抗兵力規模大、作戰行動并發性強和指揮控制手段不足之間的矛盾［4］。

（3） 提供完善的對抗效果實時評估功能，實現消耗、戰果、戰損等交戰結果的實時解算和多維度可視化展現，為指揮員提供輔助決策支持。

（4） 支持實裝、模擬器、仿真系統等LVC 資源的快速接入，進一步提高系統擴展靈活性、提高系統運行實時性和可靠性。

1.2 系統結構

其系統框架及功能，如圖1 所示。業務層從軟件應用層描述一次完整的仿真過程以及依托該系統可開展的典型應用場景和系統運行模式。通過實現海戰場仿真和各兵種指揮控制終端接入，支持多樣化的海軍艦載機部隊作戰仿真應用，包括作戰構想仿真演示、人在回路作戰推演、裝備作戰使用研究、對抗作戰仿真實驗、規則、算法、模型驗證以及協同作戰效能的評估，提供多種系統運行模式，包括“人在環”推演模式和閉環分析模式。工具層提供運維管理、作戰籌劃、作戰推演、作戰指揮、輔助決策和復盤評估等工具集合，對作戰籌劃、仿真推演、作戰指揮和事后評估等訓練過程全生命周期提供支持。模型資源層為構建海空作戰體系提供仿真模型支持，包括戰場環境模型、空間兵力實體模型、空中兵力實體模型、地面兵力實體模型、水面兵力實體模型和武器實體模型，以及用于支持LVC資源接入的接口模型等。運行支撐層是面向海空作戰體系仿真運行和異構系統互聯需求，以解決異構應用系統互聯和交互為目標，基于分布式仿真架構，利用網絡、分布計算、中間件和對象模型等技術構建的仿真平臺。提供高性能仿真引擎、通信中間件、接口適配等服務功能，支撐異構混合、時空一致的海空作戰仿真系統的協調運行。數據資源層主要指用于作戰想定、裝備參數、GIS 數據、模型資源、仿真數據、三維模型等內容的資源庫，為系統開發、運行和分析評估等工作數據支持和存儲服務。基礎硬件層主要為訓練活動提供計算機、網絡、顯控等硬件資源。

圖1 系統框架圖Fig. 1 Framework diagram of system

1.3 系統原理

運維管理、作戰籌劃、作戰推演和復盤評估等分系統與仿真資源庫、仿真引擎通過以太網連接，完成艦載機系統的訓練準備、訓練管控和訓練評估工作［5］。訓練過程中，指揮人員依托作戰指揮分系統和輔助決策分系統，通過通信中間件對所屬C，V等艦載機兵力實施指揮控制，與紅軍LVC 兵力進行模擬對抗。訓練系統中的實裝系統和半實物模擬器等LVC 資源通過通信中間件、接入代理與本系統實現數據交互，通過時統服務進行時間統一管理［6］。

2 各子系統功能設計

2.1 運維管理分系統

運維管理分系統完成資源準備、系統準備和運行維護等功能。提供系統配置、用戶權限管理和系統日志管理功能。能夠進行兵力裝備屬性信息、武器掛載方案等數據管理，支持對兵力裝備屬性數據的瀏覽和編輯，主要包括中、美、日、韓、印等主要國家的車輛、飛機、水面艦艇、潛艇、戰場設施、衛星等主戰兵力裝備的數據，并支持數據修正及新增型號兵力［7］。

在LVC 運行過程中，海量戰場數據理論上來說都需要運維管理系統進行調度，運維的難點在于數據跨度大、種類多、端口多。單以一個數據庫為例，要存儲人員、態勢、行動，以及大量不以人工操作為前提的客觀戰場環境、裝備信息等［8］。因此，運維系統設計的重點在于信息規范，也就是以統一的編碼標記系統內各個實體，再根據實體類別下發IP 以及相關權限。編碼標準要具備唯一性、可添加、可分支、索引科學合理實用等特性，在運維調度中，所有信息參數調度工作的最高邏輯應來源于編碼，如果編碼前期考慮不足，很難再添加不同種類、不同數量實體，嚴重影響二次開發。在編碼構建完畢后，再根據編碼下發IP 以及相關權限，并且建立對應表備查，為后續保障、開發、排故工作提供便利。

2.2 作戰籌劃分系統

作戰籌劃分系統完成想定基本信息配置、海戰場環境配置、兵力編成與部署、兵力任務規劃和初始態勢標繪等功能。主要包括兵力編成和任務規劃兩個模塊［9］，支持采用協同作業的模式分戰位、兵力編成完成想定編輯工作。

作戰籌劃系統主要在系統初始化階段發揮作用，對于降低系統內存需求及系統延遲具有重要意義。在系統運行前，根據人為選擇結果想定數據，進而加載戰場環境，根據訓練科目以及裝備參數制定作戰方案所需實體集，放棄加載其他參數，提高系統總體運行效率。因此，該部分代碼設計通常在初始化頭文件中調用，出現位置在想定數據加載之前，如果該系統被使用，則應重新完成想定參數初始化與加載過程，重新開始訓練。

2.3 作戰推演分系統

作戰推演分系統用于在訓練前，對作戰計劃進行仿真推演，指揮人員根據仿真推演結果優化作戰計劃。提供系統同步控制和運行過程控制手段，實現各仿真節點間的時間統一和仿真同步，在系統監控信息的支持下，對推演任務運行進程實施有效管控，作戰推演人員在宏觀和全局上對作戰情節進行引導和控制，以保證對抗推演的各個環節都能處于嚴密的領導和控制之下，以達成滿足推演要求的對抗條件，并按照順序和節奏運行［10］。

目前LVC 常用的作戰推演模型為兵棋推演模型，由于LVC 系統的戰場模型較為復雜，兵棋推演模型中算法簡單、通用性強等優勢更加明顯，并且基于運維系統的實體編碼體系，可以較快編輯好兵棋“元知識”與棋盤設置，進而明確著法規則以及評估標準。決定推演邏輯的博弈樹搜索算法近年來也漸漸趨于固定，Alpha-Beta 算法、迭代深化等基礎算法仍較為主流，因此不再詳述。

2.4 作戰指揮分系統

作戰指揮分系統在海戰場仿真環境中，為聯合（合同）作戰背景下的艦載機作戰行動提供指揮手段，為指揮人員提供作戰態勢顯示和作戰指揮功能。對艦載機兵力探測到的各類目標信息進行匯總、融合等處理，形成虛實結合、時空一致的戰場綜合態勢，供指揮人員進行情報態勢分析、威脅判斷、作戰決策等指揮活動。支持指揮人員對艦載機陣營中的實裝、模擬器或虛擬兵力進行指揮控制，指揮內容包括兵力編組與解散、兵力任務分配、目標指示等。

作戰指揮分系統的主體為多個界面類軟件，設計的重點在于提升交互性以及界面優化效果，可通過利用QT 等用戶界面開發程序進行優化。

2.5 輔助決策分系統

輔助決策分系統用于根據作戰態勢實時計算兵力對抗結果，為指揮人員評估戰場形勢、下達指揮決策提供輔助支持。提供作戰結果計算工具，實現對作戰過程中影響戰場態勢的關鍵對抗行為進行實時評估。主要包括武器命中效果評估、目標毀傷效果評估、傳感器探測效果評估和干擾效果評估等4 項功能。

2.6 復盤評估分系統

復盤評估分系統提供數據記錄、回放和分析評估功能，用于基于仿真數據，對預先定義的指標進行量化評估，為訓練評估工作提供數據支持。主要包括數據回放復盤和分析評估2 個模塊。

2.7 艦載機作戰仿真模型體系

艦載機作戰仿真模型體系以水面、空中等主要作戰空間的作戰平臺、指控系統、傳感器裝備、電子對抗裝備、火力打擊裝備等為仿真對象，利用組件化建模技術開發的功能級仿真模型，能夠根據戰情想定，在仿真引擎驅動下推演典型合同作戰過程，按照實際對抗流程模擬產生關鍵交戰事件和交戰數據，為海軍合同作戰戰法研究、推演對抗等研究工作提供仿真環境。主要包括模型開發和仿真模型庫。

2.8 仿真資源庫

仿真資源庫用于存儲、管理整個仿真生命周期中涉及到的各類資源，并提供統一的資源管理接口，為數據資源管理以及配置與部署等功能提供支持。各子系統的分工組成如圖2 所示。

圖2 系統組成圖Fig. 2 Composition of system

3 系統應用模式

3.1 “人在環”對抗推演模式

系統主要采用“人在環”的對抗訓練應用模式，對作戰方案進行接近實戰條件下的仿真推演，指揮人員對艦載機兵力進行指揮控制，與紅軍LVC 兵力進行對抗，通過對對抗效果的分析評估，驗證作戰方案的有效性和可實施性，鍛煉紅軍參訓人員作戰技能。使用過程包括：訓練準備、訓練實施、訓練評估，如圖3 所示。

圖3 “人在環”應用模式Fig. 3 Application mode of "human-in-the-loop"

3.2 “人不在環”閉環推演模式

“人不在環”的閉環推演模式主要用于對具體的作戰計劃進行“人不在環”的推演評估，目的一是對作戰計劃進行檢查，對存在問題進行分析；二是對作戰計劃的預期結果進行評估，為評判作戰計劃優劣和裝備作戰能力提供依據。使用過程包括想定編輯、仿真運行和分析評估，如圖4所示。

圖4 “人不在環”應用模式Fig. 4 Application mode of "human-out-of-the-loop"

4 關鍵技術分析

4.1 高性能并行仿真引擎驅動技術

系統中具有多種訓練形式（單級單要素、單級多要素、多級多要素），涉及到的戰位多種多樣（導控席、多個參訓席、態勢席、評估席等），需要采用集中式運行、分布式顯控的應用模式，同時要利用單臺計算機的多核CPU 資源，充分提高運行效率［11］。仿真引擎支持動態配置外部模塊的機制，實現特定接口的外部模塊在仿真引擎啟動時能夠正確地被加載并初始化。仿真運行時，引擎能夠動態執行擴展模塊的內容。仿真引擎結構設計如圖5 所示。

圖5 仿真引擎結構Fig. 5 Structure of simulation engine

4.2 聯合仿真中間件技術

通信中間件是互聯互通互操作的基礎，在充分借鑒各種通信中間件的基礎上，采用基于接口的編程技術，支持對象方法、屬性、消息的定義，支持遠程異步或同步方法調用［12］；在網絡資源有限、帶寬不足的情況下，提供基于主題的動態公布訂購機制，通過動態QoS 滿足訂購方在不同時期對公布方的數據質量（如：發送頻率、可靠性、延遲）提出不同的需求，與OMG-DDS 相比，動態QoS 極大地減少了網絡的開銷，還可根據實際需要選擇使用不同的數據傳輸通道（如：RTPS，TCP，UDP，反射內存網等）［13］，不同通道之間可以靈活切換。

4.3 工程數字模型封裝集成技術

組件化仿真建模方案能解決體系仿真大部分實體模型的建模問題［14］，在模型框架的作用下實體模型能正確地參加仿真計算與交互。在體系仿真中還有一部分模型組件，即工程數字模型，是重點研究對象，由不同部門研發，與組件化建模規范不一致，需要集成到系統之中。若采用動態庫調用的方法，需要在模型體系相應的組件類中加入轉換算法，勢必增加模型的運算量，降低運行速度和增加時延。較好的解決方法是代碼重用，如圖6 所示，圖中上部分是現有模型，中間是組件化模型體系，下部為新開發的組件模型。

圖6 數字模型集成Fig. 6 Integration of digital model

4.4 訓練數據采集技術

借助數據采集服務，系統通過提供統一的數據采集方案，為事后復盤分析、數據分析評估提供一致的數據來源［15］。對于全數字仿真，提供仿真過程全面、可定制、可擴展、高速的數據采集功能。對于“人在回路”仿真，在全數字仿真基礎上，提供人工操作的數據采集，并與全數字仿真數據采集融合關聯。本文設計了以下幾個數據采集器，用來對上述數據進行采集。

（1） 想定數據采集器。采集想定基本信息、實體部署信息。

（2） 探測數據采集器。采集所有傳感器的探測數據。

（3） 態勢數據采集器。采集仿真過程中所有的態勢變化信息。

所有的數據采集器都實現了統一的采集接口，支持用戶的二次擴展。采集后的數據以文件的形式存儲在運行仿真引擎的計算機磁盤上。體系仿真同時提供對采集數據的加載、讀取操作接口，為仿真數據的進一步應用開發提供支撐。數據采集執行流程如圖7 所示。

圖7 數據采集流程Fig. 7 Process of data collection

5 結束語

利用仿真手段構建艦載機作戰指揮體系和兵力體系，實現與基于LVC 在回路的混合仿真系統協同運行，支撐聯合（合同）作戰背景下海軍艦載機部隊全要素、全過程仿真，為海軍航空母艦編隊作戰裝備效能評估、戰術戰法檢驗和模擬對抗訓練等活動提供研究條件，能夠支撐海軍部隊開展模擬演習演練，支撐海軍艦載機部隊開展作戰技能訓練。