基于异构多联邦的舰潜联合仿真系统研究

郭锐，王步云

（1.海军大连舰艇学院，辽宁大连116018；2.解放军91550部队，辽宁大连116000）

基于异构多联邦的舰潜联合仿真系统研究

郭锐1，王步云2

（1.海军大连舰艇学院，辽宁大连116018；2.解放军91550部队，辽宁大连116000）

在已有的水面舰艇和潜艇装备应用研究系统的基础上，通过整合仿真资源、统一仿真标准构建舰潜联合仿真实验系统。探讨了联合仿真实验系统的主要功能及框架结构；阐述了开发联合仿真实验系统所面临的关键问题及其解决办法。最后实现了水面舰艇和潜艇装备应用联合仿真实验系统，并采用一个典型的编队防潜作战想定验证了系统的优越性，为未来海军多兵种联合作战仿真实验奠定了坚实的基础。

联合作战仿真，异构多联邦，编队防潜

0 引言

目前建模与仿真技术已成为研究海军作战问题的重要手段，而多兵种联合仿真实验是作战建模与仿真技术未来发展方向之一。联合仿真实验对于促进仿真资源合理重用、提高仿真系统逼真程度、拓展仿真系统的应用范围都具有十分重要的意义。

国外在联合仿真实验方面比较著名的研究成果是美国的三大联合项目即联合作战系统JWARS、联合仿真系统JSIMS和联合建模与仿真系统JMASS。JWARS主要用于战区/战役级行动方案的推演仿真；JSIMS主要用于指挥人员和参谋任务级训练仿真；JMASS主要用于工程设计和交战级系统分析仿真［1］。在国内，虽然总体研究水平要落后于美国，但已开展了比较富有建设性的研究。其中最具有代表性的国防大学的一体化联合作战训练信息系统［2］。而对于海军联合仿真实验的研究实践目前还处于空白。

本文在已有的基于KD-RTI的水面舰艇装备应用研究系统和基于pRTI的潜艇装备应用研究系统的基础上，通过整合仿真资源、统一仿真标准构建基于不同RTI的异构多联邦舰潜联合仿真实验系统。

1 舰潜联合仿真实验系统功能及结构

1.1 舰潜联合仿真实验的可行性分析

水面舰艇装备应用研究系统采用HLA的仿真结构，以KD-RTI作为支撑平台，是一套完整的以水面舰艇装备使用仿真模型、典型作战对抗仿真模型等为基础的仿真系统。研究人员可利用该系统，以水面舰艇装备的作战对抗仿真为手段，实现水面舰艇装备的作战效能分析、水面舰艇装备的使用研究、水面舰艇装备需求和发展规划论证等工作。

而潜艇装备应用研究系统采用HLA的仿真结构，以pRTI作为支撑平台，通过建立各种潜艇装备使用仿真模型、典型的潜艇对抗仿真模型、潜艇及反潜武器仿真模型、海洋环境仿真模型，构建了一个完整的潜艇作战分布式仿真平台，为潜艇装备作战需求研究、潜艇装备作战效能分析、潜艇装备应用方法研究等提供有效的工具和手段。

虽然水面舰艇和潜艇装备应用研究系统采用了不同的RTI作为支撑平台，但由于它们共同遵循HLA仿真标准，因此，在构建舰潜联合仿真实验系统时只需对各自系统的仿真想定格式、仿真模型标准、仿真交互接口等方面进行改进即可，无须对系统进行重新设计、重新开发，极大地降低了系统改造的工作量，使得舰潜联合仿真实验成为可能。

1.2 舰潜联合仿真实验系统功能

舰潜联合仿真实验系统是在已有的水面舰艇和潜艇装备应用研究系统的基础上，通过对原有系统的扩展与完善，为开展水面舰艇与潜艇装备应用研究提供有效的建模与仿真平台。其主要功能包括：①为开展水面舰艇与潜艇作战战法问题研究提供联合仿真实验环境，包括：水面舰艇编队防潜战法研究与检验，潜艇反舰战法研究与检验，舰艇编队、反潜直升机、潜艇协同防潜战法研究；②为开展水面舰艇与潜艇装备应用研究提供有效的仿真平台，包括：水面舰艇与潜艇武器装备作战使用方法研究和检验，水面舰艇武器装备、单舰、编队反潜作战效能研究和评估，潜艇武器装备、单艇、艇群反舰作战效能研究和评估；③为开展海军战役战术推演和装备作战效能评估研究提供水面舰艇与潜艇相关模型支撑，包括：海战场环境模型，水面舰艇与潜艇相关作战实体模型，水面舰艇与潜艇相关作战决策模型，水面舰艇与潜艇相关效能评估模型。

1.3 舰潜联合仿真实验系统结构

在已有的水面舰艇和潜艇装备应用研究系统的基础上，设计了舰潜联合仿真实验系统的总体结构，具体如图1所示。

图1 舰潜联合仿真实验系统

从图中可以看出，舰潜联合仿真实验系统是一个基于不同RTI的异构多联邦系统，共包含三类成员，水面舰艇装备应用研究系统成员（简称水面舰艇联邦）、潜艇装备应用研究系统成员（简称潜艇联邦）和互联互通互操作功能成员（简称互联功能成员）。各联邦成员的功能如表1所示。

表1 联邦成员功能分析表

2 舰潜联合仿真实验的关键问题

2.1 异构多联邦的连通问题

为实现基于KD-RTI的水面舰艇装备应用研究系统与基于pRTI潜艇装备应用研究系统的互联，首先实现一个用于异构联邦之间连通的桥接工具。该工具应具备如下功能：①完成异构联邦间的数据交换；②设置不同联邦为其所代理联邦的公布订购关系；③保证异构联邦的时间推进同步。

采用异构RTI服务匹配技术来实现异构联邦间的数据交换，包括在基于KD-RTI开发的仿真系统联邦对象模型FOM中包含管理对象模型；通过接收外部成员的数据清理消息来实现pRTI仿真成员处理数据残留等。

采用异构FOM映射算法完成不同联邦为其所代理联邦的公布订购关系设置。首先根据需求构建多联邦共享FOM，同时建立各分联邦FOM与共享FOM的映射关系，如此各分联邦在保存本联邦FOM以及与共享FOM的对应关系条件下即可实现多联邦之间异构FOM的互联。

采用HLA联邦管理服务中同步点机制来实现异构多联邦的时间推进同步［3］。这些逻辑点同步点包括“仿真初始化完毕”、“仿真开始”、“一次仿真结束”、“联邦成员退出”、“联邦成员重新加入”等。

2.2 模型标准的统一问题

统一的模型标准是构建基于异构多联邦系统的关键，对于数据的正确理解、模型的合理调用、系统的正常运行具有极其重要的作用。

水面舰艇和潜艇装备应用研究系统分别由两家不同的单位研发，系统之间存在着模型标准不统一、数据格式不一致的问题。为统一模型标准，使这些模型具有互操作性、可重用性和可扩展性，建立了支持可重用和互操作的互联仿真模型体系框架，用于指导水面舰艇和潜艇装备应用研究系统中模型的改进和集成。

具体来说，互联仿真模型体系框架由领域背景、军事概念模型和作战仿真模型框架等组成，其基本思想是进行领域相关、应用无关的领域知识开发，建立与舰艇反潜或潜艇反舰作战相关的军事概念模型，避免过早地从设计和实现的视角建立仿真模型，从而避免模型框架中领域知识的不完整和应用相关性，提高仿真模型的通用程度，为仿真设计提供领域通用模型，从而实现仿真模型的重用。

2.3 仿真想定的识别问题

能被异构子系统识别、加载并运行的仿真想定是基于异构多联邦系统的基础，对于降低仿真想定的开发成本、促进联合仿真实验的不断发展具有十分重要的意义［4］。水面舰艇和潜艇装备应用研究系统中的仿真想定与仿真系统结合紧密，仿真想定内容与仿真模型紧耦合，缺乏统一的格式，难以重用。

在对FEDEP模型中想定开发过程进行分析的基础上，根据可重用仿真想定所应具有的内容平台无关、描述统一规范等特性，利用军事概念模型，按照EATI的分析方法，将与军事领域相关的仿真想定内容分为实体、动作、任务和交互等4个部分进行分别描述，最后采用XML Schema描述模版生成统一的XML想定文档，实现了仿真想定内容、仿真想定描述格式的统一和规范，初步解决了仿真想定的可重用问题，为基于多联邦的舰潜联合仿真实验系统的实现奠定了基础。

3 舰潜联合仿真实验系统实现

在解决了上述关键问题后，通过对原有系统的扩展与完善，构建了水面舰艇与潜艇装备应用联合仿真实验系统，并采用了一个典型的水面舰艇编队防潜作战想定验证了联合仿真实验系统的优越性。

3.1 仿真运行流程

为满足系统研究战法、评估效能的功能需求，舰潜联合仿真系统必须具备大样本仿真能力，其仿真流程如图2所示。

图2 舰潜联合仿真实验系统运行流程

①导演台创建联邦并加入联邦；②根据研究目的和需求，在导演台上编辑仿真想定或加载已有的仿真想定文件；③设定仿真参数，包括大样本仿真次数、其他联邦成员的IP地址、数据更新间隔等；④待所有其他联邦成员加入联邦后，导演台发布想定；⑤待其他联邦成员接收到想定并成功初始化后，导演台发布仿真开始命令；⑥仿真开始后，各联邦成员开始运行；⑦待一次仿真结束后，导演台判定是否达到最大仿真次数，是，仿真结束，否则，导演台发布退出联邦命令，准备开始下一次仿真；⑧待所有联邦成员都退出联邦后，导演台退出联邦并销毁联邦。紧接着导演台再次创建联邦并加入联邦，向其他联邦成员发布可以再次加入联邦的消息，并等待其他联邦成员再次加入联邦。

3.2 仿真实例分析

3.2.1 初始态势

本文以红方舰艇编队通过敌潜艇威胁区作为仿真实例来验证联合仿真实验系统的优越性。假定舰艇编队由2艘驱逐舰和2艘护卫舰组成，携带反潜直升机4架，组成反潜队形自行搜索潜艇。蓝方潜艇1艘，在红方编队的必经航路上伏击红方，无空中及其他支援，依靠自身探测器材搜索目标并完成攻击。海况良好，有利于各种装备的作战使用。

在该仿真中，一次仿真结束条件如下：①潜艇在发射鱼雷前，被水面舰艇编队先发现，编队防潜成功，仿真结束；②潜艇在发射鱼雷前，探测到反潜直升机吊放声纳信号且判定潜艇自身处于威胁区域，潜艇放弃攻击，编队防潜成功，仿真结束；③潜艇在发射鱼雷后，鱼雷驶完最大航程自毁，未命中水面舰艇，编队防潜成功，仿真结束；④潜艇在发射鱼雷后，鱼雷命中水面舰艇，编队防潜失败，仿真结束。

3.2.2 仿真结果

为检验联合实验对水面舰艇编队防潜作战仿真的影响，采取了同一想定分别在水面舰艇装备应用研究系统和舰潜联合仿真实验系统上进行大样本仿真，仿真次数均为500次，得到图3结果。

图3 联合实验前后水面舰艇编队防潜成功概率对比，左图为联合实验前结果，右图为联合实验后结果

图中深色为防潜成功次数，浅色为失败次数。从图中可以看出，联合前水面舰艇编队防潜成功概率高达79豫，而联合实验后防潜成功概率锐减到37豫。主要原因在于联合实验后潜艇行为更有利于发挥隐蔽接敌、突然攻击的特点：如联合前潜艇在搜索阶段采用直航线定速搜索，而联合后潜艇采用曲折随机搜索，大大降低了其被舰艇发现的概率，同时在搜索过程中潜艇还不断调整自身姿态，发挥潜艇声纳的最有利探测角度，增加了发现舰艇的概率；再比如在潜艇攻击阶段，联合前潜艇在占领攻击阵位后立即发射鱼雷，而联合后潜艇往往先通过转向调整到最有利于鱼雷攻击的角度后再发射鱼雷，提高了鱼雷成功捕捉目标的概率，增加了成功反舰的次数；同时潜艇发射的鱼雷数量也从联合实验前的一枚增加到联合实验后的两枚，且有一枚是线导鱼雷，极大地增加了舰艇编队防御鱼雷的难度。

3.3 仿真结论

通过上述仿真结果可以看出，相比基于水面舰艇或潜艇装备应用研究系统，舰潜联合仿真实验系统进行军事应用问题研究的优势主要有：①仿真过程更加精细：是指基于联合仿真系统进行作战过程推演时，各实体的战术动作更加逼真，决策和行为更加复杂，双方对抗更加激烈，这部分的优势通过比较联合实验前后的两个系统的作战推演过程可以直观地展示出来。②仿真结果更加可信：是指在仿真过程更加逼真的前提下，得到的仿真结果更加符合实战。结果可信度的提高有利于促进水面舰艇与潜艇作战问题的研究，从而更好地指导部队作战与训练。③应用范围更加广泛：是指舰潜联合仿真系统不仅具有单一的水面舰艇或潜艇装备应用研究系统所具备的功能，同时还能开展战役级的大型舰艇编队、反潜直升机、潜艇协同作战问题的研究。

4 结束语

海军多兵种的联合仿真实验对于促进想定、数据、模型、战场环境和运行平台等资源的合理重用，提高海军兵种装备应用研究实验室的建设效益具有十分重要的意义。基于异构多联邦的舰潜联合仿真实验系统的研究与实践，为未来开展更大规模的海军多兵种合同作战联合仿真实验研究积累了丰富的实践经验，奠定了坚实的基础。

［1］George F S，Gregory A M.The Joint Warfare System（Jwars）：A Modeling and Analysis Tool for the Defense Department［C］//Proceedings of the 2001 Winter Simulation Conference，2001：691-692.

［2］曾苏南.一体化联合作战专题研究［M］.北京：军事科学出版社，2004：17-54.

［3］周彦，戴剑伟.HLA仿真程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［4］阎晋屯，康凤举，苏颖.基于HLA的水下对抗仿真想定生成与管理［J］.系统仿真学报，2005，42（5）：1203-1207.

Researching on Joint Surface-submarine Simulation System Based on Isomerous Multi-federation

GUO Rui1，WANG Bu-yun2
（1.Research Department of Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China；
2.Unit 91550 of PLA，Dalian 116000，China）

The joint surface-submarine simulationsystem is exploredthroughrearranging simulation resource and unifying simulation standard based on the equipments application research system of naval surface warship and that of submarine.Its main function and framework is discussed in detail.The difficulty faced in the course of establishing the system and the corresponding resolving method is investigated stress.At last the joint simulation system is developed and validated by a typical scenario of anti-submarine.The outcome presented that the joint system is resultful and the research laid a steadfast foundation for the joint warfare simulation system of navy several arms of services in the future.

joint warfare simulation，lsomerous multi-federation，anti-submarine

E917

A

1002-0640（2015）01-0104-04

2013-11-05

2014-02-25

郭锐（1973-），男，安徽泗县人，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：海军战术、军事运筹。