基于HLA 的蛙人運載器作戰效能評估系統的設計與實現?

李剛強 胡訓強

（海軍91976部隊 廣州 510430）

1 引言

蛙人是極具海軍特色的特種作戰力量，具備較強的水下滲透、偵察和突擊能力，能夠在戰時和平時遂行多樣化任務。蛙人運載器是一種以潛艇或水面艦船為支撐平臺、以作戰為目的的海軍特種裝備［1］。蛙人運載器可以將蛙人隱蔽地輸送到指定作戰海域，并承擔任務結束后撤離工作，是保障蛙人順利完成任務的重要裝備之一［2］。

因此，世界各軍事強國都非常重視蛙人運載器的研制生產，而蛙人運載器的作戰效能評估是此類裝備發展論證、研制生產、使用維護中的必不可少的環節。但是以實裝進行作戰效能評估，一來可能沒有實際裝備（如新裝備的發展論證），二來難以構建真實的任務環境。因此，有必要開發數字化的蛙人運載器作戰效能評估系統，在貼近實際的虛擬戰場環境中，通過調整敵我雙方的裝備參數和使用方式，得到較為準確的評估結果，以此支撐前期的裝備研制立項，以及指導后期的裝備設計研發和作戰使用。為此，本文應用裝備仿真相關技術，設計和實現了一種基于HLA 的分布式蛙人運載器作戰效能評估系統。

2 系統總體架構

蛙人運載器作戰效能評估系統的總體架構采用三層體系架構，按照信息的流向，從下到上依次為資源層、服務層和應用層，如圖1 所示。這種分層架構可有效從模型數據、服務接口和系統應用三個層面對系統進行解耦，既可以提高系統的開發效率，也有利于系統的靈活配置和復用，是當前仿真系統的一種重要設計方式［3］。

圖1 蛙人運載器作戰效能評估系統的總體架構

2.1 資源層

資源層包含系統所使用的數據和模型兩大類資源，目的是為了提升數據和模型的標準化程度和可復用性。

其中，模型資源主要是指各類仿真模型，包括蛙人機動模型、水聲模型、聲納探測模型、數據處理模型，為系統運行提供模型解算功能，以動態鏈接庫或COM 組件的形式存放；數據資源主要包含數字海圖、軍標、仿真方案和裝備參數，存放于數據文件和關系數據庫當中，主要在系統運行時提供數據查詢、模型參數調用、態勢顯示和評估結果存儲等功能。

2.2 服務層

服務層為系統運行提供仿真服務接口，主要包括RTI服務、數據服務和模型調用服務。

其中，RTI服務即RTI運行時環境，通過對符合RTI 規范的接口的調用，支持系統中實體屬性和交互信息的發布與訂閱；數據服務則依據數據資源模型，以軍用地理信息接口和SQL 語言接口的形式，封裝對數據的查詢、調用、存儲和顯示；模型調用服務通過調用仿真模型，更新仿真實體狀態，生成并發布戰場態勢。

2.3 應用層

應用層直接體現系統的功能應用，是系統的人機接口所在。應用層主要包括系統控制、潛艇及蛙人運載器操作、反蛙人聲納操作以及效能評估四部分。系統控制主要用于控制系統運行進程和編輯發布仿真方案；聲納操作模擬聲納裝備的探測和目標錄取等功能；潛艇及蛙人運載器操作主要用于控制潛艇及蛙人運載器的機動和作戰行動；效能評估則根據記錄的仿真數據，經過統計處理，對蛙人運載器的作戰效能進行評估。

3 系統軟件設計

3.1 系統功能設計

美國國防部為了解決各種軍用仿真應用之間的互操作性問題，提出了高層體系結構（High Level Architecture，HLA）技術框架。它通過通用的、相對獨立的運行支撐環境（Run-time Infrastructure，RTI）對仿真的功能實現、運行管理和底層通信進行了解耦，使得各個部分可以獨立開發，實現系統的即插即用［4］。

由于蛙人運載器作戰效能評估系統涉及系統的運行控制、蛙人運載器和蛙人的機動、聲納探測和數據處理、作戰效能評估等多個仿真應用，因此適合基于HLA 進行其系統設計，系統組成結構如圖2所示。

圖2 蛙人運載器作戰效能評估系統的軟件組成結構

1）系統控制聯邦成員

系統控制聯邦成員主要實現三項功能:一是設置初始參數，包括水聲環境、蛙人運載器以及反蛙人聲納的類型、數量和初始部署等；二是設定潛艇、蛙人；三是控制仿真運行進度，包括仿真的開始、結束、暫停、繼續、重啟以及時比調節。

2）態勢顯示聯邦成員

態勢顯示聯邦成員主要有兩項功能:一是通過RTI 訂購態勢信息，以電子海圖、軍標和圖形形式顯示仿真海域、兵力行動和探測結果；二是對顯示方式進行控制，從敵我屬性、縮放比例等多個角度觀察態勢。

3）效能評估聯邦成員

效能評估聯邦成員通過訂購所有的戰場信息，主要實現三項功能:一是數據記錄與統計功能，為輔助評估提供所需的戰場數據和分類信息；二是效能評估功能，根據統計結果對蛙人運載器的作戰效能進行評估，分析影響作戰效能的主要因素；三是態勢記錄與回放功能，對仿真的全過程進行態勢記錄，并可在評估階段對態勢進行回放。

4）水聲仿真聯邦成員

水聲仿真聯邦成員主要對仿真海域的水聲特性進行仿真，為了保證評估結果的可信度，它主要實現兩項功能:一是仿真水聲信道對聲納信號造成的傳播損失、聲波吸收以及頻率變化；二是仿真海水的聲環境噪聲和海洋混響等干擾信號對聲納工作造成的影響［5］。

由于在線仿真水聲特性的計算量巨大，不利于系統的實時運行［6］。因此，可以首先離線構建和調用水聲特性模型，計算得到戰術層面上對聲納探測造成影響的水聲特性參數并存入數據庫，系統運行時再從數據庫中調用相應參數，進行相對簡單的戰術級計算，這樣就可以兼顧在保證系統的仿真逼真度與運行效率。

5）潛艇聯邦成員

潛艇聯邦成員對潛艇裝備進行仿真，主要實現三項功能:一是仿真潛艇的機動過程；二是仿真潛艇對蛙人運載器的裝載和施放；三是仿真潛艇的水聲特性。

6）蛙人運載器聯邦成員

蛙人運載器聯邦成員對蛙人運載器裝備進行仿真，主要實現三項功能:一是仿真蛙人運載器的機動過程；二是仿真蛙人運載器的反射強度和聲源級等水聲特性；三是仿真蛙人運載器攜行的被動告警聲納的工作過程。

7）反蛙人聲納聯邦成員

反蛙人聲納聯邦成員主要對反蛙人聲納裝備進行仿真，主要實現兩項功能:一是設定反蛙人聲納的工作頻率、檢測閾值、接收指向性指數等裝備參數；二是仿真反蛙人聲納的數據處理過程。

由于聲納數據處理的大數據量會對系統實時性造成不良影響，因此，可以借鑒文獻［7～9］中的方法，將聲納數據處理過程劃分為若干子過程，將每個子過程映射為一個線程塊，再將每個子過程中的具體步驟映射為線程塊中的若干線程，利用支持GUDA技術的GPU進行內外兩層并行運算［10］，從而提高聲納數據處理的效率。

3.2 FOM表設計

為促進仿真系統之間的互聯、互通和互操作，HLA為聯邦成員之間按照公共的、標準化的格式進行數據交換提供了聯邦對象模型（Federal Object Model，FOM），以此來描述聯邦運行過程中需要交換的對象類、對象類屬性、交互類、交互類參數等信息［11～12］。在HLA聯邦開發實踐當中，以表格形式的對象模型模板（Object Model Template，OMT）來描述FOM，蛙人運載器系統的部分FOM 表的內容如表1～3所示。

表1 復雜數據類型POSITION的FOM

表2 對象類Entity的FOM

表3 交互類Detect的FOM

復雜數據類型POSITION 表示實體的位置，在程序代碼中對應著一個結構體。根據系統的軟件組成結構，潛艇和蛙人運載器類繼承了FOM 中Entity對象類的所有屬性；聲納類則繼承了Sonar對象類的所有屬性；聲納探測類則繼承了交互類Detect的所有參數。

4 系統實現

根據前文所述的功能設計以及FOM 表設計，在Visual Studio 2010 IDE 中，基于MAK RTI 和軍用地理信息及圖形處理開發支撐環境（MGIS），實現了基于HLA 的蛙人運載器作戰效能評估系統。系統中的各聯邦成員共用一套界面，通過配置文件區分角色，針對特定聯邦成員確定菜單或工具欄的可用或禁用，以及加載相應的DLL，系統的界面如圖3所示。

系統仿真運行時，首先加載地圖，并設定初始參數，包括海洋環境參數、仿真運行次數以及步長、蛙人運載器的聲學特性參數、蛙人運載器攜載的告警聲納參數等，然后開始仿真。

圖3 系統運行界面

在指定路徑或人工控制下，潛艇到達預定投放點后卸載蛙人運載器，之后蛙人運載器抵近敵方預定目標，如果進入到敵方被動聲納的有效探測范圍，敵方主動聲納開機，當蛙人運載器進入敵方主動聲納探測范圍后，告警聲納給出提示信息，然后根據預先規劃好的規避方案低速規避，待脫離告警區域后，從其他方向抵近敵方預定目標。如果仿真運行滿足以下三個條件之一，則可認為一次仿真過程結束:

1）蛙人運載器到達預定目標點（任務成功）；

2）規避敵方主動聲納超過30min 并且沒有抵達預定目標點（失?。?；

3）被敵方主動聲納探測到后1min 內未擺脫（失?。?。

假設進行三輪仿真，每輪仿真各運行100 次，每輪仿真中，只改變敵方反蛙人聲納的部署，其他參數不變，仿真條件及結果如表4所示。

表4 仿真實例結果

通過分析，由于告警聲納無法確定聲納具體位置，導致陷入規避超出預定時間的概率最高達8.2%，說明導致規避戰術機動時無法實施最佳的戰術動作，影響突防概率。因此，在研制實際蛙人運載器時，應注意裝備可以測距和測向的告警聲納；或者在現有裝備條件下，進一步對蛙人運載器的規避機動進行研究，從而提高蛙人運載器的作戰效能。

5 結語

本文設計和實現了一種基于HLA 的蛙人運載器作戰效能評估系統，針對系統的總體架構、軟件設計以及系統實現進行了詳細的論述。所實現的系統已經應用于國產某新型蛙人運載器的設計和研制當中，在預警能力、機動能力和隱身能力等方面為研制單位提供了數據支撐，取得了良好的效果，也為其他類似的裝備作戰效能評估系統提供了有益的借鑒。