离散事件模拟器在军事训练中的应用

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作者:无, 字数:19588

  摘  要: 系统仿真技术在国家关键领域发挥着不可或缺的作用,在军事领域的离散事件模拟器上的应用是系统仿真技术的核心应用领域之一。文章基于仿真模拟技术,描述了离散事件模拟器的基本概念。主要介绍其在军事作战训练领域的应用现状,讨论离散事件模拟器实现的关键技术手段,总结目前应用在军事作战训练领域的离散事件模拟器,分析并指出存在的一些问题,并结合当前的系统仿真技术以及军事作战需求,对离散事件模拟器的发展前景进行了展望。
  关键词: 模拟器; 系统仿真技术; 离散系统; 军事; 模拟训练
  中图分类号:TJ391          文献标识码:A      文章编号:1006-8228(2020)10-43-05
  Abstract: System simulation technology plays an indispensable role in national key fields, and the application of discrete event simulator in military field is one of the core application fields of system simulation technology. Based on simulation technology, this paper describes the basic concept of discrete event simulator, introduces its application status in the field of military operational training, discusses the key technical means of implementing discrete event simulator, summarizes the discrete event simulator currently used in the field of military operational training, and analyzes and points out some existing problems. The development outlook of discrete event simulator is prospected with the combination of the current system simulation technology and the military operational requirements.
  Key words: simulator; system simulation technology; discrete system; military; simulated training
  0 引言
  伴随着计算机技术的发展,模拟仿真技术已成为人类认识世界的重要手段。通过模拟仿真技术,人类可以以较小的成本,实现对复杂问题的验证。世界各国的大型发展项目,特别是军事武器系统的研发,因为投资高、风险大,大都采用模拟仿真技术完成对武器系统的论证、研制和操作训练。
  模拟训练是利用模拟器构建接近真实作战环境、作战训练和武器装备的模拟系统,用于日常军事训练。模拟训练以模拟仿真技术为技术支撑,是模拟仿真技术的主要应用领域之一。伴随世界各国对军事训练需求的不断提升,利用模拟器进行军事作战模拟训练已经成为世界各国军事作战训练的重要手段。
  1 离散事件模拟的基本概念
  根据系统模型的特征分类,从模拟实现的角度,可将系统模型的特征分为连续系统和离散事件系统两类。相应的系统模拟技术也可以划分为两个方向[1]:
  ⑴ 连续事件系统模拟:系统中的状态变量是连续变化的,即在时间上是连续的或者离散的;
  ⑵ 离散事件系统模拟:系统中的状态变量只在随机不确定的离散时间点上发生变化[2]。
  离散事件系统是受随机事件驱动、在离散时间点系统状态跳跃式变化的动态系统,相较于连续事件系统模拟,离散事件系统由错综复杂且互相作用的离散事件构成,更加依附于实际背景,贴近于实际应用。因此,仿真模拟技术的研究和应用领域主要是集中于离散事件系统模拟。
  2 模拟器和仿真器
  现代仿真技术中,不同的模拟器针对不同的模拟目的被设计出来。具体地,在现有模拟器的应用中,文献[3]将模拟器分为工程仿真器和训练仿真器两类:
  ⑴ 工程仿真器侧重于数学模型、数据处理、功能实现的逼真性,对模型的精度要求较高,便于参数的调整且通用性较好, 主要用于科学研究领域。这类仿真器被称为仿真器(Emulator)。
  ⑵ 与工程仿真器相反,训练仿真器侧重于视觉外观、人机交互、操作流程的逼真性,必须是针对某种具体的系统进行设计,具有较高的专业性。为了达到良好的训练效果,模型的外观和布局必须与真实设备、系统保持高度的一致性,尤其是受训人员的操作输入、模拟器对受训人员的视觉、听觉等感官的输出必须与真实的设备尽可能一致。训练仿真器也被称为模拟器(Simulator),主要用于教学训练。文献[4]实现的试飞模拟器就是一个典型的模拟器,该模拟器以高逼真度的座舱环境真实再现飞行环境,用于实施受训人员的飞行演練,对试飞计划进行验证与优化,确定下一步的飞行计划和应急处理方案等。
  本文所讨论的离散事件模拟器均是指训练仿真器—模拟器(Simulator)。
  3 应用现状
  目前为止,基于模拟仿真技术实现的应用于军事训练领域的离散事件模拟器主要可分为以下七类[3]:   ⑴ 战术指挥模拟器;
  ⑵ 射击模拟器;
  ⑶ 驾驶模拟器;
  ⑷ 情报侦察模拟器;
  ⑸ 维修保障模拟器;
  ⑹ 事故推演及逃逸救生模拟器;
  ⑺ 战场救护和医疗保障模拟器。
  3.1 战术指挥模拟器
  战术指挥模拟器,用于开展对战场状态的实时分析, 建立通信、明确下达任务命令以及各方协同训练。文献[5]实现了一个合成作战指挥战术对抗模拟训练系统,通过对战场环境、作战设备、作战行动过程等的模拟,为后台指挥员提供作战背景和战场敌我态势,支持多级多类指挥所,指挥员可在后台二维虚拟战场开展作战演习。
  3.2 射击模拟器
  射击模拟器,是用于实施军事武器的仿真模拟射击训练模拟器。
  文献[6]搭建了一个射击模拟训练系统,利用Unity3D实现多媒体屏幕靶。该系统首先采用摄像机捕获射击者发射的激光光斑,而后对图像进行预处理、校正、噪声过滤等操作,通过定位算法检测激光光斑的中心位置,最后再将弹着点信息实时显示在多媒体屏幕上。该系统实现了枪靶的完全分离,具有重量轻、体积小、造价低等特点,相较于传统射击模拟器更适用于日常军事射击模拟训练。
  3.3 驾驶模拟器
  驾驶模拟器,用于开展对舰船、飞机、坦克等装备的日常操作训练。
  一些军事航海院校已经开始对由计算机成像显示昼夜视景功能的船舶操纵模拟器的研究。这类模拟器已经实现了对海上船舶航行情景的直观的模拟和显示,用于受训人员接受真实感觉的船舶航行、碰撞、定位、停靠等方面的训练。截止到目前为止,船舶操纵模拟器已经完成了雷达和导航模拟器的功能一体化,实现了全功能航海模拟器[7]。文献[8]对飞行模拟器进行了概述,它具有和真实飞机完全一致的座舱设备和操纵设备,受训人员只需要戴着虚拟显示头盔,就能在座舱内接收飞行仿真系统产生的各种飞行信息,并通过判断和决策排除飞机故障和错误,对飞机系统进行操作和控制。
  3.4 情报侦察模拟器
  情报侦察模拟器,用于进行战场的侦察和情报工作的训练。
  文献[9]针对作战对抗环境下侦察情报数据仿真模拟需求,设计了一种灵活、可配置的侦察情报数据仿真系统,结合实战应用场景,从任务、空间、时间等多个维度开展情报侦察行动预案设计,并利用模型进行仿真推演与解算,最终输出的仿真结果达到了预期目标,证明了该系统的实用性与有效性。
  3.5 维修保障模拟器
  维修保障模拟器,用于开展装备保障作战物资的供应训练和损坏装备的维修训练。
  文献[10]以某型舰船中的部分机电设备为对象,研制了用于训练的设备维修模拟器;该模拟器由设备典型故障维修模块、设备维修过程演示模块和设备维修过程模拟操作模块组成,实现了船舰的虚拟维修管理系统。该研究对舰船装备的使用训练和维修保障具有重要的军事意义。
  3.6 事故推演及逃逸救生模拟器
  事故推演及逃逸救生模拟器,用于开展军事事故分析和救生逃逸的模拟训练。
  文献[11]根据航天飞行训练的技术要求和航天员执行飞行任务的训练需求,以载人飞船大气层内逃逸救生程序和过程为依据,对航天飞行训练中逃逸救生进行建模仿真。
  文献[12]通过分析直升机水上事故特点,结合国内外直升机飞行员水下逃生训练的实际需求。提出了直升机水下逃生模拟训练系统的设计原则、设计要求以及初步设计方案,为直升机飞行员水下逃生模拟训练的研究提供了参考。
  3.7 战场救护和医疗保障模拟器
  战场救护和医疗保障模拟器,是基于人体仿真而实现的模拟诊断系统和虚拟手术系统,用于进行医护人员的培训等任务。文献[13]通过将模拟手术室的视频信号与语音信号实时转播至教室并进行实时录像,开发了一种高仿真教学环境的模拟手术室教学系统。
  至目前为止,模拟仿真技术在军事医疗救护保障领域的应用不仅仅局限于外科手术方面[14]。文献[15]基于模拟仿真技术实现的医疗系统,用于在大规模伤亡事件发生后对红细胞供应进行规划,使红细胞得到合理的调配利用;此外,离散事件模拟技术还应用于医疗保健[16]以及远程医疗会诊[17]等方向。
  4 离散事件模拟器实现的关键技术
  4.1 仿真模型
  构建仿真模型是实现离散事件模拟器的第一步,主要采用以下两种方法:
  ⑴ 实体流图法。实体流图利用与计算机程序流程图相似的图示符号,建立能够显示临时实体的产生、流动、接受服务、离开等过程的流程图。通过流程图表示事件、状态、实体间相互作用的逻辑关系。在图1中,我们以卫星通信中的地球站开机入网为例,采用实体流图法模拟其工作流程。
  ⑵ 活动周期图法,以更直接的方式表示状态变化历程和实体间的关系。基于离散事件模拟器仿真的地球站入网工作流程活动周期图如图2所示。
  4.2 仿真算法
  仿真算法是设计实现模拟器的核心技术。要求设计的算法用于相应的仿真模型时可以满足对计算稳定性、计算精度等要求。
  离散事件系统的仿真算法设计主要包括两个方面的内容:
  ⑴ 产生模拟器所需求的输入变量和参数。
  ⑵ 确定对离散事件系统的仿真策略[18]。目前,有以下四种仿真策略:活动扫描(AS)法、事件调度(ES)法[19]、进程交互(PI)法和三阶段法。
  以上四种策略均在离散事件系统中得到了广泛的应用,对仿真策略的选择依赖于系統的特点。一般情况下,事件调度法的特点是“预定事件的发生时间”;但是其建模工作量大,适用于各个成分相关性较少的系统的建模;相反如果系统中各个成分相关性较多则适合采用活动扫描法;进程交互法的建模更接近于实际系统,三阶段法则是结合了事件调度法和活动扫描法,如果系统中的成分的活动比较规则,可采用这两种策略。   事实上,在实际的离散事件系统实现的过程中,不仅仅只是采用某一种仿真策略,而是四种策略有机的结合使用。
  ⑶ 确定对核心问题的求解方法,一般与具体求解问题相关。常用的计算机仿真算法包括:数值分析法、线性/非线性规划、递归与动态规划等。
  4.3 仿真软件
  模拟器的多数活动是通过仿真软件实现的。仿真软件的目标是根据仿真目标描述仿真模型,对仿真模型进行试验、分析和校验。
  目前离散事件系统的仿真软件可分为以下三类:
  ⑴ 第一类仿真软件,如JAVA,MATLAB等,是一种通用的编程语言,不是为仿真应用而设计的。文献[19]基于MATLAB与STK搭建了一个航天器实时变轨仿真平台,即通过MATLAB构建弹道计算引擎,计算并将弹道数据发送给STK,使用STK生成仿真动画,直观展示航天器实时变轨效果。
  ⑵ 第二类仿真软件,如GPSS/H,是一种高度结构化的进程交互仿真语言,GPSS已被用于仿真高度复杂的系统。
  ⑶ 第三类仿真软件,如Arena,是一种集成交互仿真环境,可用于建立离散/连续系统的符合模型。
  目前军事训练领域需要模拟的范围不断扩大,模拟训练系统的复杂性日益提升,促使各类模拟软件在深度与广度同步发展。未来模拟软件应该面向建模/试验/验证全生命周期的仿真与管理;面向更专业的领域和用户。
  5 存在问题
  需要正视的是,尽管当前利用模拟器/模拟系统进行军事模拟训练的技术已经比较成熟,但是现今军用模拟训练器依然存在以下问题。
  ⑴ 功能单一
  迄今为止的军用训练模拟器都是针对特定的训练目标设计的,例如以培养受训人员面对飞机故障、突发情况的判断和决策能力为目的而设计的飞行模拟器[8]等。这些训练模拟器都只能用于单一的受训人员。
  然而随着作战模式、战略战术的不断升级,现代战争的模拟已经趋于复杂化、多元化。对军事作战训练模拟器的需求也趋向多功能、多维多角度。对大型复杂作战环境的建模、建立海量数据库、复杂战场环境模拟,是未来作战训练模拟器面临的必然挑战。
  ⑵ 资源无法共享
  由于目前的大多数训练模拟器都是针对不同的训练目标,各个模拟器中的模块很难做到完全兼容,导致不同模块不可直接继承和复用。开发人员针对不同的模拟目标,需要进行定制化的设计。导致了各个模拟器之间无法实现的资源共享或功能替代,增加了开发周期和成本。
  未来的军事训练模拟器必然要实现资源的互相共享、功能替代以及可扩展性的提高。
  ⑶ 不够智能化
  训练模拟器以其最终的训练目标为训练效果的考核指标,其中存在着大量的人为因素介入,不仅费时费力,而且不同的人对于同一问题存在不同的判断,必然影响仿真的置信度,因此人工智能是未来训练模拟器的必经之路,是实现复杂军事模拟训练的必要条件。
  6 结束语
  利用模拟仿真技术实施军事模拟训练在经济、安全等方面具备多种优点。加强训练模拟器在军事领域的应用,加强现代作战仿真模拟系统的研究开发,不仅可以节约大量资金,避免过多的人力物力消耗,还可以加快军事装备研发速度,推动军事技术和军事理论快速发展。
  本文基于仿真模拟技术,简单地介绍了离散事件模拟器的基本概念,主要讨论其应用于军事训练作战領域的现状,并通过分析离散事件模拟器实现的关键技术手段,分析并指出其中存在的一些问题。最后,针对目前的军事作战训练需求,对离散事件模拟器的发展前景进行了展望。
  未来军事训练模拟器必然朝着智能化、复杂化、多元化发展。因此对于训练模拟器的研究依然面临着很大的挑战。本文希望抛砖引玉,为离散事件模拟器在军事领域的后续发展提供一些技术参考。
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