基于虚实一体的实兵对抗训练系统设计研究

徐宝宇 张宏军

(1.解放军理工大学 指挥信息系统学院，江苏 南京210007;2.中国人民解放军65067 部队，辽宁 沈阳110035)

1 引言

实兵对抗训练是部队训练的最高层次，对于全面检验和提高部队实战能力具有重要意义。运用实兵对抗训练系统组织实兵对抗训练，是目前世界上主要军事强国普遍采取的一种训练方式，它能够全系统、全过程、全要素模拟实战过程和作战结果，达成“战训一致”的目标［1］。美军在20 世纪70 年代研制出的多功能综合激光交战训练模拟系统(MILES)，经过长期应用、改进，经历了基本MILES、MILES2000 到MILES XXI 三个发展阶段。MILES XXI 系统具有体积小、重量轻、性能好、效费比高、逼真感强和精度高等特点，可模拟师一级的各类战术演习，目前已装备于包括美国欧文堡国家训练中心在内的三个士兵训练中心。我国以激光交战器材为标志的实兵对抗训练系统研发始于20世纪80 年代，到目前为止已经成功研制出第三代。该系统采用激光模拟技术、武器仿真技术、卫星定位技术、无线电通信技术和计算机仿真技术等，对抗训练设备基本覆盖陆军部队主要武器装备，能进行激光交战信息的实时采集、记录和处理，真实反映交战过程和战损情况，能满足营连对抗演练和实兵对抗训练的自动裁决［1］。近年来，该系统在我军部队训练中得到广泛运用，对提高部队实战化训练水平起到了重要作用。

未来联合作战具有参战力量多元、战场空间多维和作战行动多样等特点［2］。以单纯实兵模拟为依托的实兵对抗训练系统很难满足联合作战条件下实兵对抗训练的需要，主要体现在以下几个方面:一是大规模调遣多军兵种联合兵力，组织全要素的实兵对抗训练，协调难度大，安全风险高，且容易对周边造成不必要的紧张局势;二是训练消耗大，保障困难，训练成本高，难以实现训练的常态化;三是难以对“代差级”武器装备性能进行有效模拟，无法开展真正意义上的“红蓝”对抗;四是无法模拟交战双方尚未服役武器装备的作战效能，不支持超前训练功能［3］。为解决实兵模拟对联合作战实兵对抗训练支持不足的问题，美军从20 世纪90 年代开始综合利用实兵训练、虚拟模拟、推演模拟三种训练样式的优势，采用LVC 方法进行综合训练。2002 年，美国进行了具有里程碑意义的“千年挑战2002”演习［4］。此次演习中，美军第一次采用LVC 综合训练方法来支撑演习，有9 个地点采用实兵演习，17 个地点采用计算机推演模拟。近年来，为解决实兵对抗演习中联合兵力保障困难的问题，我军在实兵对抗训练系统中融入了航空兵、炮兵和地雷场等虚拟兵力，对构建基于虚实一体的实兵对抗训练系统进行了有益的探索和尝试，取得了初步成效。但是由于该系统是在现有实兵对抗训练系统上以“打补丁”方式实现的，缺乏统一的虚实集成技术体系、有效的异构网络互联技术和虚实兵力自主对抗手段，无法实现虚实兵力的“无缝融合”和“可相互替代”，使系统的实用性、适用性、可扩展性和逼真度大打折扣。因此，着眼联合作战条件下实兵对抗训练需求，以实兵对抗训练系统为依托，借鉴美军LVC 综合训练经验，加强基于虚实一体的实兵对抗训练系统设计，对于创新发展我军实兵对抗训练手段，加速部队战斗力生成至关重要。

2 系统定位与设计需求

2.1 系统定位

系统设计目标是基于现有实兵对抗训练系统，充分发挥实兵模拟与虚兵仿真的技术优势，通过综合集成计算机生成兵力和半实物仿真虚拟兵力，构建模拟要素齐全、对抗体系完整、虚实搭配合理、虚实融合紧密、组训灵活、使用方便、模拟效果逼真的实兵对抗训练平台，最大限度地为参训部队营造逼真的联合作战实战化训练环境，满足多军兵种、各层次训练对象组织实施联合作战背景下实兵对抗训练的需要。

2.2 系统设计需求

系统引入虚拟兵力的目的是弥补实兵模拟在支持联合作战实兵对抗训练方面的不足，这就决定了系统设计中应坚持以“实兵为主、虚兵为补”的原则。尽量保证训练主体的实兵化，即受训方兵力及与其直接交战的兵力尽量采用实兵模拟的方式;对调遣困难或受训军种以外的受训方兵力可采用半实物仿真的方式;对与受训方非直接交战或存在“代差级”的敌方兵力，可采用计算机生成兵力方式进行模拟。同时，为保证虚实兵力的“无缝融合”和系统的经济性、实用性和有效性，系统设计中应满足以下需求。

2.2.1 满足异地异构虚实兵力集成需求

目前实兵模拟兵力、半实物仿真兵力和计算机生成兵力已广泛应用于各类军事训练领域，分布于不同地域和使用部门，是非常可观的训练资源。由于设计目标和应用需求的不同，它们在结构形式和交互环境上存在较大差异，难以直接进行交互和对抗。为实现现有虚实兵力的可重用，节约开发成本和提高研发效率，在系统设计中应遵循“综合集成”原则，采用信息融合和系统集成技术，解决异地异构虚实兵力互联、互通和互操作的难题，满足虚实兵力综合集成和无缝融合的需要。

2.2.2 满足系统多样化应用的需求

系统是面向多军兵种实兵对抗训练的，训练环境、训练对象和参战兵力的多样性，要求系统应具有较好的灵活性和可扩展性，以适应应用层次的多样化和满足未来系统拓展的需要。为此，在系统设计中应遵循模块化设计思想和基于组件的开发技术，保证系统能够根据具体训练需求对虚实仿真实体进行按需组合、自由裁剪和动态加载，满足不同军兵种、不同层级参训部队针对不同作战任务开展联合作战条件下实战化训练的需要。

2.2.3 满足虚实兵力自主对抗需求

基于虚实一体的实兵对抗训练系统中涉及的兵力类型包括实兵、计算机生成兵力、半实物仿真兵力，由于计算机生成兵力和半实物仿真兵力均存在于虚拟战场空间，这里统称为虚兵。虚实兵力自主对抗是指不同类型兵力之间能够自主感知对方的存在，并依据实际作战规则进行协同或对抗交互活动，是实现虚实兵力“无缝融合”的重点和难点。通过仿真代理将实兵映射到虚拟战场空间的方法，能够较好解决虚兵对实兵的自主对抗问题［5］。从目前情况来看，关键是解决实兵如何感知存在于虚拟战场空间中的虚兵，并完成与虚兵的交互和对抗。

3 系统体系结构与组成

依据系统的定位和功能需求，基于虚实一体的实兵对抗训练系统主要由综合网络系统、综合数据管理系统、导调控制系统、指挥控制系统和交战模拟系统五部分组成，其体系结构框架如图1 所示。

图1 基于虚实一体的实兵对抗训练系统体系结构框架

3.1 综合网络系统

综合网络系统主要由导调控制网、指挥通信网、交战信息传输网和视频监控网四部分组成。导调控制网是导演部实施导调控制的通信网络环境，与其他三类网络互联互通，以满足导演部对指挥所进行命令下达、监控侦听和情况导调及对各类交战实体的状态监视和裁决控制。指挥通信网包括红方指挥通信网和蓝方指挥通信模拟网。红方指挥通信网采用受训方现行作战指挥通信网络，蓝方指挥通信模拟网是依据蓝军的指挥关系和通信装备性能构建的指挥通信专网，两者均设有与导调控制网和交战信息传输网互联的专用接口，以满足导调和指挥控制的需要。交战信息传输网主要用于各类交战实体状态信息和对抗信息的实时传输，主要包括实兵交战信息无线网、基于DIS 的半实物仿真局域网、基于HLA 计算机生成兵力局域网及实现三类网络互联互通的广域网。视频监控网主要为导演部对参训部队指挥所作业场景和部队行动情况进行视频监控提供通信链路。

3.2 综合数据管理系统

综合数据管理系统用于完成演习导调、交战模拟、演习评估所需数据的输入输出、审核校验、综合计算和存储管理等，主要包括基础数据库和应用数据库。基础数据库包括地理信息库、战术数据库、复杂电磁环境库等。应用数据库包括虚实兵力库、演习想定库、训练课题库、训练结果库等。

3.3 导调控制系统

导调控制系统主要用于导演部组织导调演习，包括拟制演习想定、制定演习计划、设定演练条件、诱导部队演练、监控演练过程、组织演练评估等。由导调控制软件、综合调度平台、视频监控平台、综合显示平台和演习评估软件等子系统组成。

3.4 指挥控制系统

指挥控制系统用于为指挥员提供与实战一致或相近的指挥控制平台，包括红方指挥系统和蓝方指挥模拟系统两个部分。红方指挥系统可采用受训方现行的作战指挥系统，蓝方指挥模拟系统是按照蓝方C4ISR 系统功能特性构建的、用于蓝方指挥员实施指挥控制的专用平台。二者除具备实际指挥控制系统的功能外，还应提供与导调控制系统和交战模拟系统进行信息交互的接口，以满足导演部导调控制和指挥员对所属虚拟兵力实施指挥控制的需要。

3.5 交战模拟系统

交战模拟系统是整个系统的核心。主要由实兵模拟子系统、半实物仿真子系统、计算机生成兵力子系统、战场环境感知子系统和虚实交战综合集成平台五部分组成。其中实兵模拟子系统、半实物仿真子系统和计算机生成兵力子系统作为交战模拟系统的主体，可以是分布于不同地域和应用于不同领域的已有仿真系统，也可以是根据应用需求构建的新仿真系统。战场环境感知子系统主要用于监测和采集真实战场环境数据，为虚拟兵力提供与实兵相一致的时空环境。虚实交战综合集成平台用于为三类模拟子系统中的交战实体的对抗交互提供统一的映射空间，在保证时空一致的前提下，实现导控、态势、指挥和兵力等各类实体的无缝融合。

4 关键技术及实现

4.1 虚实融合联邦体系结构

从目前我军三类模拟子系统运行环境的技术体系来看，实兵通过无线通信网络运行于实际战场的真实交战空间中，半实物仿真兵力运行于基于DIS 的分布式虚拟仿真环境中，计算机生成兵力运行于基于HLA 的分布式仿真环境中。三者运行环境差别较大，个性多于共性，具有一定的融合难度。

实现多种异构技术体系结构中虚实兵力的无缝融合，需构建一个公共的虚拟仿真环境，称为虚实融合联邦。让每个融合兵力在这个联邦中有一个映射对象，称为兵力代理成员，代表融合兵力在同一仿真空间中完成交互和对抗，其行为和属性数据可通过相应的接口与代理对象实现实时同步。为保证系统具有良好的可重用性、灵活性和开放性，虚实融合联邦体系结构应采用HLA 规范构建，以适应根据不同训练任务和训练对象，灵活组建训练联邦的需求［6］。综合考虑导调、指挥、兵力交战、环境感知等综合集成的需求，虚实融合联邦中的联邦成员除包括各类兵力成员代理外，还应包括导调控制成员、训练评估成员、综合态势成员、指挥控制成员、战场环境成员及相应的接口等，其联邦体系结构如图2 所示。

图2 虚实融合联邦体系结构

4.2 DIS/HLA 互联技术

DIS/HLA 互联技术，用于解决半实物仿真兵力仿真环境(基于DIS 技术体系)与虚实融合联邦(基于HLA 技术体系)的有效互联、互通和互操作的问题。在选择互联技术时应遵循以下原则:一是尽量减少原DIS 系统的改动量;二是能够实现两种仿真环境下仿真实体的互操作;三是尽可能考虑RTI 提供的六种服务;四是保证互联后的系统具有较低的延时性，较高的上下兼容性和较好的可扩展性。鉴于以上原则，可采用以下两种技术解决途径:一是采用DIS/HLA 打包技术，如图3 所示，这种方法是基于可以得到DIS 源代码，对其进行加工、改造后重新封装成HLA 的标准格式，它不需要增加硬件，且延时较小，成本较低。二是采用DIS/HLA 转换器/网关技术，如图4 所示，这种方法不需改造DIS 结构，实现方法简单，缺点是需要增加硬件，节点数量多时延时较大，采用DR 算法可以减少一定的延时。

图3 DIS/HLA 打包互联技术

图4 DIS/HLA 转换器/网关技术

4.3 虚实兵力互感技术

4.3.1 实兵感知虚兵技术

实兵感知虚兵就是在实兵的侦察显示终端上能够按照特定的格式自动显示其探测范围内的虚兵。具体实现方法为:实兵代理成员依据其侦察模型，确定能够感知到的虚兵，并将虚兵的状态和行为信息通过实兵交战信息无线网传输给实兵上的虚实融合终端(属实兵对抗系统设备)，该终端通过增强现实技术，将虚兵信息融入真实的战场环境中，并回显到实兵侦察显示终端上，完成对虚兵的感知。这些侦察显示终端包括雷达显示屏、视频侦察显示器、光学侦察显示器、综合情报显示终端和头盔显示器等(属实装设备)。

4.3.2 虚兵感知实兵技术

通过实兵代理成员，实兵与虚兵共存于基于HLA 技术体系的虚拟仿真环境中，因此虚兵通过相应的发布与定购策略能够自动完成对实兵的感知。虚兵感知实兵技术的关键是解决实兵代理成员状态和行为信息的实时更新问题，具体实现方法为:加装在实兵上的虚实融合终端实时采集实兵的状态和行为信息(包括位置、毁伤状态、开火等信息)，并通过实兵交战信息无线网传输到对应的实兵代理成员，完成实兵与实兵代理成员状态的实时同步。

4.4 虚实兵力互抗技术

4.4.1 实兵抗击虚兵技术

实兵抗击虚兵技术用于裁定实兵对虚兵的攻击毁伤情况。其实现方法为:当实兵感知到虚兵并对其实施攻击时，加装在实兵上的虚实融合终端立即将其攻击参数信息通过实兵交战信息无线网发送至实兵代理成员，实兵代理成员依据相应的毁伤评估模型判定对虚兵的毁伤情况，并向毁伤的虚兵发布毁伤交互信息，完成实兵对虚兵的一次攻击。

4.4.2 虚兵抗击实兵技术

虚兵抗击实兵技术用于裁定虚兵对实兵的攻击毁伤情况。其实现方法为:虚兵依据发布与定购机制能够直接与实兵代理成员进行对抗交互，当实兵代理成员遭受毁伤时，立即将毁伤信息通过实兵交战信息无线网传送至加装在实兵上的虚实融合终端，由其控制实兵做出相应的毁伤响应，完成虚兵对实兵的一次攻击。

5 结束语

总体来说，以虚补实、虚实结合的实兵对抗训练模拟方法是解决单一实兵模拟方式对联合作战背景下实兵对抗训练支持不足的有效途径，在训练效果、实现训练常态化和节约训练成本之间找到了一个很好的结合点。本文在深入分析联合作战实兵对抗训练手段建设需求的基础上，依据我军实兵、计算机生成兵力和半实物仿真兵力三类模拟系统的特点和现状，结合美军在LVC 综合训练方面取得的成功经验，给出了基于虚实一体的实兵对抗训练系统设计需求、组成和体系结构，并对虚实融合联邦体系结构、DIS/HLA 互联、虚实兵力互感和虚实兵力互抗四大关键技术进行了详细论述，对于下一步开展基于虚实一体的实兵对抗训练系统研发具有较强的实践指导意义。该系统的研制成功和广泛应用，将是我军实兵对抗训练手段上的一次新的转型，对于提高部队联合作战实战化训练水平具有深远意义。文中涉及的大部分关键技术已实际应用并取得了良好的效果。

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