虚实结合的地面无人装备体系试验平台研究

王新宇，郭齐胜

(陆军装甲兵学院，北京 丰台 100072)

1 引言

地面无人装备是基于各类地面无人平台、定位导航系统、激光测距仪及高分辨率传感器、指控通信设备等多种高技术装备综合集成的一体化应用系统，承载着引领陆战武器装备发展转型和战斗力生成模式转变的重要任务。地面无人装备体系以军用信息基础设施为依托，将地面及近地无人平台等各种无人系统装备作为主要作战平台融入现有作战体系，实现与军用基础设施、有人作战指挥控制体系的有机融合，形成一体化的作战指挥体系。装备试验是把好装备质量和作战适用性的重要关口，为解决当前开展地面无人装备体系试验研究方法和手段问题，从地面无人武器装备试验需求出发，设计地面无人武器装备试验平台，并给出系统部署方式以及地面无人装备试验方法和流程。

2 需求分析

地面无人武器装备涉及系统总体架构、自主感知、自主通信、自主导航、自主控制等多学科，随着地面无人武器装备的广泛应用，“平台无人、系统有人，前线无人、后方有人，行动无人、指控有人”将成为作战基本形态，地面无人武器装备试验内容也在发生着相应变化。

自主性是地面无人武器装备依靠自身设备感知环境和自身状态，在平台计算硬件资源的支持下，利用智能算法实时对战场态势做出行动决策的能力。美国在未来战斗系统中，对无人系统的自主性提出了10个等级的评判标准。地面无人武器装备自主性特点带来了环境感知能力、决策能力、指令执行能力、人员依赖度等平台性能指标的变化。但地面无人装备发展迅速，多数只是小批量生产，虚实结合的地面无人装备试验环境为鉴定无人装备体系指标提供了可能。

人机交互性是操作人员通过操作台与地面无人武器装备交互，实现对地面无人武器装备的操作。地面无人武器装备与作战人员有机交互，充分发挥有人/无人武器系统的作战优势，以最小的代价获取最满意的作战价值，将成为未来战场地面无人作战系统运用的主要方式。人机交互内容包括协同态势感知、协同决策规划、协同行为控制、协同效果评估。虚实结合的地面无人装备试验环境通过真实、虚拟、构造三类仿真构建一个与真实战场空间同步的虚拟战场空间，将真实战场及其装备实时地投影到虚拟战场空间中，在虚拟战场构建完善的对抗体系，由虚拟战场同步处理真实战场难以处理的火力打击、装备战损、效能评估等动作和状态信息，并将对抗计算的结果实时反馈到真实战场，实时控制战场行动和进程，同步评估对抗水平，可有效开展人机交互试验。

图1 原型系统组成架构图

图2 中间件结构图

地面无人武器装备能够在人类难以生存的自然地理环境以及各类核生化、火力对抗等极端条件下遂行各种作战任务，随着新能源、材料、技术的成熟，地面无人武器装备将成为陆战领域实现无禁区、全地域、全天候、全时段作战的主要选择。因此，要围绕地面无人武器装备的使命任务和特点，从地形地貌、天候气象、敌火威胁等方面，创新作战试验环境设计方法，精选实战对抗环境要素，精确刻画各类环境要素的特征和条件，构建极端试验环境。虚实结合的地面无人装备试验环境提供了一种可扩展、高保真、多领域仿真能力，可在近似实战环境下组织实施。

3 系统组成

虚实结合的地面无人装备试验主要包括逻辑靶场运行支撑、逻辑靶场、应用层三个层次，如图1所示。逻辑靶场运行支撑层包括中间件模块、在线资源管理模块、数据采集模块三部分，用于支撑逻辑靶场运行并提供针对逻辑靶场进行在线操作和数据采集的接口。逻辑靶场为地面无人装备试验的开展提供装备数据、环境数据、情况数据支持，并为人机协同试验提供虚拟席位数据。应用层主要包括想定编辑模块、导调控制模块，用于为地面无人装备试验人员明确试验装备作战与保障的初始条件，在试验实施过程中设置各种情况，引导试验过程提供必要软件。

3.1 中间件子系统

中间件为虚实结合的地面无人装备试验提供集中管理，数据传输、调度服务和时间服务，用于在不对现有试验模型进行改动的条件下，实现各类地面无人装备模型、试验对象和试验资源的互联互通互操作。中间件包括运行管理、交互管理、监控服务、时间管理功能，将分布式共享内存的编码提取、匿名发布订阅和分布式模型驱动面向对象的编程整合到中间件子系统中，如图2所示。运行管理功能提供命名服务、试验域管理服务和通道服务，维护命名空间，创建并维护事件通道，为试验域中的应用程序数据分发提供基础。交互管理功能负责维护整个分布式系统中的对象与消息传递，保证对象的正确交互和基于类型等形式的兴趣管理，并提供远程方法调用功能。监控服务为地面无人装备试验场景提供了一个实时监控的功能，包括监控数据获取和监控界面。时间管理功能为地面无人装备试验提供了有效的时间推进机制，保证试验节点能够按照正确的顺序处理消息，保证事件之间的逻辑关系。

3.2 在线资源管理子系统

在线资源管理子系统为虚实结合的地面无人装备试验运行提供后台的运行管控和数据管理功能，存储与逻辑靶场运行相关的各类数据，实现试验运行相关的软、硬件统一调度和管理，保证地面无人装备试验有序，合理，高效的运行。在线资源管理系统包括硬件资源管理、应用资源管理、工程文件管理、数据实时采集、安全控制等功能，如图3所示。

图3 在线资源管理子系统结构图

硬件资源管理可对地面无人装备仿真试验中可用的计算资源进行监控管理，保证计算资源负载均衡，计算能力最优。应用资源管理可对仿真试验中应用模型进行分发部署，控制启停。工程文件管理可对应用资源初始化文件、想定文件、运行结果文件以及附属说明文件进行管理。数据采集子系统记录试验运行过程中数据，为试验分析和评估提供数据。安全控制通过用户权限实现资源的可控访问和管理。在线资源管理子系统通过以太网网络管理强实时仿真计算资源的网格管理系统。该系统将仿真计算任务分解给强实时网络上的特定模型计算机，使模型机在满足强实时性要求的情况下完成计算任务。该系统充分利用现有大型计算机的计算资源，利用计算资源调度管理软件对异构高性能集群计算环境中的计算节点、软件授权等计算资源的状态进行状态收集和负载平衡，以充分利用其高速计算能力。

数据采集模块用于响应在线资源管理系统发来的控制命令和配置信息，记录试验运行过程的全部数据，并将记录的数据保存至本地文件中，包括数据采集分系统主要包括数据记录设置模块、控制接口模块、数据文件记录模块，如图4所示。控制接口模块用来接收主控节点命令和设置信息，实现控制数据记录工具进行多次记录的开始、结束；数据文件记录模块用来记录试验域中全部数据信息；数据记录设置模块用来对记录过程进行初始化设置。数据采集流程如下：

1)试验人员选择数据记录模式，数据记录与回放工具成为数据记录工具，等待记录命令和配置信息；

2)配置记录信息。当应用中存在在线资源管理系统时，由在线资源管理系统发送配置信息；当应用中无在线资源管理系统时由用户手动配置记录信息；

3)发布控制命令。当应用中存在在线资源管理系统时，由在线资源管理系统发送控制命令；当应用中无在线资源管理系统时，由用户手动发布控制命令；

4)发布开始命令。记录节点加入试验域，创建地面无人装备代理，订购地面无人装备试验数据，记录试验数据；

5)发布停止命令。停止本次记录，关闭并保存记录文件，调用数据文件上传模块对记录文件进行实时上传，清除订购信息，删除地面无人装备代理，退出试验域。数据记录节点等待新的配置信息和控制命令。

图4 数据记录节点总体结构

3.3 想定编辑子系统

想定编辑子系统是地面无人装备试验初始条件准备的重要工具，主要完成试验训练过程中交战双方编制、编成和部署等数据的生成，包括设定战场环境，包括天候、气象、季节等，明确试验中地面无人装备间的隶属关系、指挥关系、保障关系、火力打击关系等关系，明确交战双方作战计划和保障计划，确定交战过程中的作战原则。因此，建立想定编辑工具，应以试验的初始化数据需求为依据，建立操作方便、使用灵活的想定编辑工具。在设计时，应采用紧内聚、松耦合的软件模块设计策略，提高工具的适应性和通用性。想定编辑子系统工作流程如图5(a)所示。想定编辑子系统外部接口包括两部分，一是作战文书与想定编辑工具间的接口，二是想定编辑工具与各逻辑靶场资源之间的接口。作战文书与想定编辑工具间的接口是单向的，即想定编辑工具通过相关的接口获取作战文书文档中的相关想定编辑结果数据，而不需要向作战文书文档反馈任何数据。想定编辑工具与各逻辑靶场资源间的接口也是单向的，即想定编辑工具为地面无人装备试验提供数据，而不必获得试验产生的数据。想定编辑子系统内部的接口，包括想定编辑工具与EXCEL数据文件之间的接口、想定编辑工具与数据库间接口，如图5(b)所示。

3.4 导调控制子系统

导调控制子系统根据地面无人装备试验计划，在试验实施过程中设置各种情况，通过试验人员对情况的处理，引导试验过程。导调的功能包括导调席位设置与管理、导调方案管理、导调数据准备、导调进程控制、作业导调、导调显示、导调数据采集，组成如图6所示。导调席位设置与管理可查询作业席位信息，可查询网络拓扑，节点状态、链路状态、路由等信息。导调方案管理根据培训计划及目标，完成对导调方案及导调脚本的编辑、分发功能，形成的导调方案作为导调脚本生成的依据，在导调执行阶段，可作为导调人员进行随机干预的指导依据。数据准备功能完成导调及虚拟兵力需要的初始化数据的准备，对计划导调过程中涉及到的文书、要图、格式化报文数据进行编辑，准备数据为导调执行过程提供数据支持。作业进程控制可对培训作业的开始、暂停、继续、停止进行控制。提供时间统一服务，并可对作业时间进行导调，实现时间的跳进。作业导调，可对导调脚本进行加载，对培训过程进行监控。对红方的作业席位及虚拟兵力形成的虚拟席位进行随机导调。可对随机导调过程中涉及的数据进行编辑。可对作业席位进行语音导调，可将语音指令转换为虚拟兵力需要的数据格式并分发给虚拟兵力。显示控制可根据培训目标、考核及讲评需要，对显示输出设备进行控制，并可对显示输出的主题和内容进行设置。可实现态势数据显示及作业席位显示，为导调过程提供过程控制以及随机干预的状态参考。可对战术互联网的网络拓扑、数据流量等作业状态信息显示进行控制。导调数据采集可对导调过程中的导调事件进行记录，支持导调数据的回放。导调控制子系统工作流程如图6所示。

图5 想定编辑子系统结构图

图6 导调控制子系统工作流程

3.5 虚拟战场仿真子系统

虚拟战场仿真子系统为虚实结合的地面无人装备试验提供所需要的人机交互虚拟席位，并与作业席位配合，进行信息交互。能够虚拟生成陆军旅及以下编成内主要装备，以及用于仿真对抗的蓝方主要装备，虚拟生成各作业席位对应装备的作业响应数据以及与本席位作业相关的其它装备响应数据。能够生成陆军旅及以下规模作战仿真所需虚拟战场环境的相关数据，以及实体的活动、交互等对环境产生的作用结果。能够生成接近实战的战场情况，为综合检验实施提供各种触发条件和作业的响应，合理地产生相应的反馈结果。实现作战仿真与实装软件以及其他仿真数据用户之间公共数据交互格式的转换，为显示、评估等提供实时的仿真数据。虚拟战场仿真系统包括仿真管理控制、分队作战仿真、指挥所仿真、仿真数据交互转换、仿真引擎五个模块，如图7所示。仿真管理控制主要由仿真控制、仿真管理、仿真通信三个功能组成，实现对仿真全过程的管理控制。地面无人装备仿真模型包括七个功能元模型：装备的指挥、机动、侦察、通信、防护、业务和被保障模型。其中，装备机动、侦察、通信、防护模型为通用模型，运行时根据装备性能加载不同参数；装备指挥模型和业务模型与各兵种装备的特性和运用方式相关，指挥模型可各自建立，也可建立通用模型，通过加载不同指挥规则运行；业务模型要结合机步、坦克、炮兵、防空、陆航、通信、侦察、电抗、工程、防化、后勤、装备保障等十二类兵种装备的业务功能单独建立。被保障模型是描述装备出现故障、战损或油料、弹药消耗到一定程度时，接受装备、后勤保障的效果模型。根据敌对、友邻、上下级、保障与被保障等关系，装备的七个功能模块实现彼此之间的交互，敌对主战单元可相互杀伤，如果敌我识别有误，己方作战单元也会产生误伤；保障单元根据保障关系对被保障对象实施保障业务活动。地面无人分队作战仿真通过建立红蓝双方的地面无人分队指控终端模型和装备模型，对参战的地面无人装备各种作战和保障行动进行仿真，产生行动效果。仿真支撑资源主要包括战场环境仿真模型、装备性能数据、地理信息数据、陆军兵种分队指挥规则库。战场环境仿真模型主要是构建相关的地形、气象模型，将地形、气象对作战的影响进行量化，构建相应模型。地形分析的功能是对DEM数据、电子矢量地图数据进行分析处理，提取出所需要的分析数据，将数据提供给其他仿真分系统使用，从而在仿真过程中可加入地形对兵力运用、装备应用的影响，提高仿真的逼真性；气象分析模型主要是将昼夜、四季等天候情景和降雨、降雪等天气情况进行量化，从而将气象环境加入仿真系统中。

图7 虚拟战场仿真系统组成结构

4 系统部署

虚实结合的地面无人装备试验原型系统部署方式如图8所示。逻辑靶场由地面无人装备实装、半实物、虚拟实体、虚拟战场环境、异构转换网关构成。地面无人装备实装对象配备实装适配器，再通过实装适配器的无线宽带网络连接功能接入中宽带网络；实装单元使用实装通讯系统接入战术互联网。半实物对象通过DDS网关转换为标准的对象模型实体，接入中间件；半实物模拟器接入模拟战术互联网，模拟战术互联网通过指挥车代理与战术互联网连接。地面无人装备虚拟实体对象通过HLA网关转换为标准对象模型实体接入中间件；通过战术互联网网关接入模拟战术互联网。在线资源管理系统是重要的逻辑靶场运行控制工具，通过中间件提供的API控制逻辑靶场中各类对象实体的运行，将检验数据准备分系统编制的想定信息分发给逻辑靶场资源实体进行初始化工作；向导调控制分系统提供逻辑靶场实时态势，并且将导调控制分系统的指令转发给逻辑靶场中的对象。数据采集分系统对逻辑靶场中的数据进行实时采集，存储于在线资源管理系统维护的数据库。检验评估分系统可以从数据采集分系统获取必要的数据进行评估工作。

5 应用模式

在典型应用场景中，地面无人装备实装、半实物、虚拟实体分别形成不同的战场空间，形成红蓝双方，各自有较为完善的装备体系，它们虽然处于不同类型的装备、战场中，但是它们逻辑上处在同一个时间和空间的战场中，而且感受上也相似，三者之间可以互相联系、相互配合、互相对抗。它们处在同一个逻辑空间中，在时间逻辑上也是一致的。三者之间的交互通过虚拟网关、模拟器网络、中继接力等不同手段在数据层面联成一体，形成一个统一的逻辑战场空间，在导调控制下，完成特定的地面无人试验任务，基本流程如图9所示。

6 结论

随着地面无人武器装备智能的增强以及广泛的应用，地面无人武器装备试验内容也在发生着相应变化。针对地面无人武器试验需求，详细设计了虚实结合的地面无人装备试验平台原型系统，主要包括中间件子系统、在线资源管理子系统、想定编辑子系统、导调控制子系统、虚拟战场仿真子系统，给出了虚实结合的地面无人装备试验平台原型系统部署方式，以及支撑地面无人武器装备体系运用的综合试验典型应用模式，从而为开展地面无人装备体系试验提供了技术支撑。

图8 虚实结合的地面无人装备试验原型系统部署图

图9 地面无人装备试验基本过程