仿真技术的现状和对武器装备仿真发展的建议

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引言

仿真技术是一门多学科综合的学科。美国国防部将仿真定义为:“建立系统、过程、现象和环境的模型(物理模型、数学模型或其它逻辑模型) ,在一段时间内对模型进行操作,应用于系统的测试、分析或训练,系统可以是真实系统或由模型实现的真实和概念系统”。与以往的仿真定义比较,此定义拓广了仿真概念的外延,认为真实系统在虚拟环境中的试验也是仿真,并强调了仿真中系统(真实系统或模型)是在环境中研究。

系统仿真技术研究的内容主要是仿真系统建立与应用中的理论、方法与工程技术。由计算机模型、物理模型、真实系统和人按需求构成的,用于测试、试验或训练的工作平台称为仿真系统。应用于国防军事领域的仿真技术称为军用仿真技术。军用仿真技术研究的重点是军用仿真系统的建造和使用。

作战仿真系统分为虚拟仿真、构造仿真和真实仿真。

简单地讲,真实仿真涉及真实人员和真实系统,虚拟仿真涉及真实人员使用模拟器,构造仿真指计算机模型、模拟军事演习、分析工具。其组成如图 1所示，按人的参与程度，其可能构型为: L、V、C、CV、CL、VL、CVL。

军用仿真系统大量应用于人员训练、战法研究、作战预演、辅助决策及武器装备全寿命周期的各阶段。武器装备仿真从总体上可以分为单武器平台仿真和多武器平台（体系）的分布仿真。

前者在国内外都已有较大的发展,后者是九十年代军用仿真技术发展的重点。分布仿真的发展和应用要求从更高的层次来考虑仿真应用的重用和互操作问题,因此要求强化整个领域仿真的管理。

国外军用仿真技术的状态与借鉴

2 .1 发达国家重视建模与仿真技术

武器越先进,价格越昂贵,各国都有经济上不可承受的问题；为了保持军事上的优势,发达国家非常重视仿真技术在军事上的应用。美国防部近十多年来一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术:92年公布了“ 国防建模与仿真倡议”,并成立了国防建模与仿真办公室,负责倡议的实施；同年7月公布的“ 国防科学技术战略” 中,综合仿真环境被列为保持美国军事优势的七大推动技术之一；95年10月,公布了“建模与仿真主计划”；97年度的“美国国防技术领域计划”将“建模与仿真”列为“有助于大大改善军事能力的四大支柱:战备、现代化、部队结构、持续能力”的一项重要技术。

欧洲对于仿真的研究历来十分重视。NATO于92年9月成立了DIS工作组,96年欧洲仿真互操作工作组(ESIWG)成立,包括了澳大利亚、以色列、台湾在内的二十一国家和组织。其中英国仿真互操作工作组参加人员包括英国政府、国防部、工业界、学术界和欧美的近千名代表组成。

2 .2 美欧建模与仿真技术发展的动向

1) 美国国防部提出了建模与仿真主计划

随着国防预算的不断压缩和对联合作战的的日益重视,美国国防部强化了对整个国防领域的建模与仿真的协调和管理,要求在未来的建模与仿真工作中强调仿真应用间的互操作性以及仿真应用的可重用性, 以解决国防领域对建模与仿真需求的扩大和资金缺乏的矛盾。

美国国防部建模与仿真办公室认为,现代建模与仿真是建立在相同的现代信息技术之上的 ,应该且有可能达到互操作和可重用。由此，95年10月公布了建模与仿真主计划MSMP(Modeling and Simulation Master Plan) ,它支持把国防部的各个部门的仿真应用或设施连接在一个综合的环境中。MSMP从整个国防部的高度来重新考虑建模与仿真 ,通过保证建模与仿真部件的可重用性和可互操作性,来最大限度地共享建模与仿真技术及其成果 , 以最有效的方式满足国防领域对建模与仿真的需求。

2)美国国防部革新了建模与仿真管理模式

为了保证计划的有效实施,美国国防部建立了一个全国防部范围的管理体制来协调建模与仿真活动,促进国防部各部门的协调,从而减少建模与仿真中的重复工作,提高工作效率。

目前美国国防部由主管采办与技术的副部长负责,以“国防部建模与仿真执行委员会(EXCIMS)”、“国防建模与仿真办公室(DMSO)”和“国防部建模与仿真工作组(MSWG)”为中心的管理体制已经建立。

3)单武器平台仿真研究走向深入

随着精确制导武器发展的需求和武器系统复杂性的增加 ,美国军方更加重视半实物仿真在导弹研制与鉴定中的作用,发展了新一代的半实物仿真系统。如毫米波仿真、红外成像制导仿真和复合制导仿真已应用于武器系统的研制中。

4)分布交互式仿真(DIS)技术已趋成熟

分布交互仿真是对具有时/空一致性、互操作性、可伸缩性的分布式综合环境的表达。设计综合环境的目的在于联接仿真演练中人们所进行的交互的与自由操作的活动。DIS起源于八十年代美国用于坦克训练的SIMNET计划,SIMNET的成功充分表明了网络仿真的可行性。在此基础上,逐步发展起基于异构型网络的DIS系统,并于1993年制定出一整套相关标准。

5)先进分布仿真开始采用高层体系结构(HLA)

DIS存在着只提供实时时间机制,在消息量增大的情况下难以保证实时交互等方面的局限性,不能满足军用仿真领域不断扩大的功能需求,需要发展HLA。

HLA主要由规则、运行时间支撑结构和对象模板三部分组成。它是一种更开放的体系结构,可以容纳包括政府部门、工业部门以及国防部门在内的几乎所有类型的仿真应用。由于HLA体系结构的开发与一系列标准的制定同步进行,使得符合HLA规范的建模与仿真具有更好的互操作性和可重用性,从而减少了模型的重复性开发,提高了模型利用率,缩短了后续仿真项目的开发时间。

目前,HLA的相关标准已经制定。美国国防部决定, 99年以后不再支持非HLA 项目,2001年以后不再使用非 HLA 的仿真系统。

6) VR技术的应用越来越广泛

VR技术是仿真技术发展的一个分支,VR技术在武器系统虚拟制造、测试和作战,在实现对武器的评估,虚拟训练和大规模军事演习的虚拟战场演示中能发挥重大作用。

VR技术的应用将大幅度降低武器装备研制过程和大规模军事演习所需的费用,极大地提高效益,并消除意外伤亡事故。因此,美国政府所支持的VR技术研究也正是紧紧围绕着提高上述能力而展开的。VR技术仿真应用研究,已有了许多成功的事例：

美国已初步建成一些洲际范围的分布虚拟环境，并将有人操纵和半自主兵力引入虚拟战役空间。
英国成功地研制了飞机驾驶员的虚拟座舱,可以做到左右眼同步,并能与其它虚拟舱联网。
美国在波黑行动中通过Power Scene系统描述波黑地形,创造VR环境,飞行员可在其中进行充分训练,预演作战计划,使实战时作到心中有数。

7) 提出了基于仿真的武器装备采办思想

国防采办要完成以下几项任务:(l)对现有武器的现代化；(2)为二十一世纪开发新型武器系统；(3)为上述武器系统提供高效、有效的保障。为了更好、更有效地运用仿真技术来促进国防采办目标的实现,美国提出了基于仿真的采办的概念。新概念的要点在于:将建模与仿真技术贯穿于采办的各个阶段；系统设计全过程由传统的串行的单循环的开发过程(由需求分析、设计、建造、测试、训练到作战)变成并发的、螺旋上升的多循环的开发过程(见图2)。

图3是采办过程示意图,核心是一个分布的公用数据库,基于仿真的各子系统通过分布交互式网络互连, 同时与数据库相连 ,进行数据交换；数据库管理程序保证数据的一致性。在大型系统的开发当中, 这种交流机制大大节省了人们开会讨论的时间。

在最后一个循环周期投人实际生产之前,一切的设计和测试工作都在仿真环境下完成,有助于降低开发成本,缩短开发时间。由于开发周期中有作战概念研究和训练环节,在系统设计过程当中就充分考虑了设计者与使用者双方的意见,并且可以提供多种选择方案 ,经模拟测试后选择最佳方案投入生产,这无疑将有助于提高系统性能。

数据库中的模型及工具软件都遵循统一标准,可以被同一项目的不同子系统使用,也可以被不同项目所有,从而提高可重用性,减少重复投资,提高开发效率。

我国武器装备发展对仿真的需求

3 .1高技术局部战争特点

为了满足局部战争中战略与战术的要求,在战争中大量使用高技术武器已成为必然的趋势。高技术战争通常不是依靠某一种新武器或技术,而是以几种高技术武器为核心,与其它各种技术有机组合, 使作战能力成倍乃至几十倍的增加。以海湾战争为例,在战争中发挥重要作用的高技术武器大体可分为三类:

1)指挥、控制与通信系统。

2)情报电子战系统。

3)精确制导武器系统。

覆盖面广、全天候的高灵敏度、高分辨率的电磁波信息与地面图像信息侦察系统与作用距离远,容量大和速率快的指挥、控制与通信及电子情报战系统为精确制导武器提供导航支援、目标定位与杀伤效果评估。同时电子战系统在所需的地方与时间内,瓦解和削弱敌人的防御能力 ,包括欺骗、破坏和摧毁敌人的 C3I系统,识别敌方系统对我方进行跟踪与交战企图,瓦解敌人的进攻。

高技术武器在战争中的应用 ,使得战争发展成以高灵敏度、高分辨率的全方位监视系统为耳目,以自动化智能化的指挥控制通信系统为神经中枢 , 以高技术武器和常规武器相互结合形成战斗主力 ,构成诸兵种统一意志、统一作战目标的全方位、大纵深、多层次、多频谱、软硬杀伤一体化的高技术战争。

3 .2 高技术局部战争对武器装备的要求

要打赢一场高技术局部战争,我军高技术武器发展水平必须保持地区优势,为此总装特别关注如下两个重要方面:

l) 武器装备结构优化 ,充分发挥武器的组合优势,作出武器装备战略发展规划。

2) 武器装备现代化,它包括:现有武器溶入信息技术,以使其现代化；研制新的武器系统；高效、有力的后勤保障等方面。要快、好、省地达到上述要求,总装需要对武器进行全系统、全方位和全寿命周期的管理。

3 .3 高技术战争对仿真技术的需求

从外国经验来看,高技术局部战争从战略决策、战役指挥直至单武器平台的应用都离不开相应的仿真系统的支持。近来美英联合对伊拉克采取的"沙漠之狐",行动又一次证明了这一点。本文不能全面论述这个问题 ,仅对武器装备采取全寿命、全系统、全方位管理对仿真的需求及未来十年对仿真技术的发展的需求进行分析。对武器装备全寿命周期管理大致可以分为四个阶段：需求分析、装备研制、测试和鉴定定型、应用。仿真技术对武器全寿命周期的支撑。如图4。