美军大型仿真系统功能及其建设背景

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摘要：文章简要介绍了美军仿真技术的发展历程，重点介绍了美军一系列先进的大型仿真系统。

        在21世纪，战争思想、战争方式和战争手段和以往相比都发生了日新月异的变化，军用仿真技术作为系统仿真技术的重要分支，受到了世界各国的高度重视。近年来，军用仿真技术的发展尤为迅猛，主要表现为：武器系统的仿真已经从武器系统研制的局部阶段仿真发展到全生命周期仿真；多武器平台体系对抗仿真已经成为武器装备发展规划及计划制订的依据；体系对抗仿真已成为打赢高技术条件下局部战争的战法研究及大规模部队训练必不可少的手段。

        美国国防部一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术，一个多世纪以来，美国人建立了世界上最完备的作战仿真体系，为军事理论真正步入科学殿堂做出了贡献。早在1983年，美国国防部高级研究计划署（ DARPA）与陆军共同制订了仿真组网（SIMNET）计划。该计划的目标是将分散在各地的坦克仿真器用计算机网络连接起来，进行各种复杂作战任务的训练和演习。后来，为了增加联网仿真器的数量，大幅度提高联合仿真能力，美国开始开发先进分布仿真（ADS）技术，建立了一套基础的、起支持性作用的标准规范，并于1989年逐步发展成异构型网络互连的分布式交互仿真（DIS）。随着DIS应用领域的拓展及作战需求的增长，美军于1990年又提出了聚合级仿真（ ALSP）的概念，并于1992年开发出第一个投入使用的协议与相关支撑系统，支持该年度美、德、日、韩的军事演习。SIMNET、DIS、ALSP都是同类功能的仿真应用互联，只有有限的互操作性，不能满足越来越复杂的作战仿真需求 [1]。1992年5月，美国国防部提出了 “国防建模与仿真倡议 ”，要求在全新的结构、方法和先进的技术基础上，建立一个广泛的、高性能的、一体化的、分布的国防建模与仿真综合环境。根据这个倡议，美国国防部于1995年10月公布了国防部建模与仿真主计划（MSMP）[2]，决定建立一个通用的仿真技术框架以保证国防部范围内的各种仿真应用之间的互操作性，其技术框架的核心是高层体系结构（HLA）[3]。HLA充分吸收了 DIS和ALSP的长处，用于对仿真系统进行集成。HLA在1996年8月完成了基础定义，随后被北约各国采纳， 2000年9月被IEEE接受为标准。美国国防部规定把 HLA作为美国国防部所有仿真的标准技术结构，并规定从 1999年开始不再投资非 HLA相容的项目，从2001财年开始淘汰所有非HLA相容的项目。

        随后，美军基于HLA开发了一系列先进的大型仿真系统，没有基于 HLA开发的在研仿真系统也要求改造成能与 HLA/RTI兼容。按照美国陆军第 5-11号条令《模型与仿真管理纲要》，仿真系统可以按照最终用户类型分为以下五类：研究与开发仿真系统、试验与评估仿真系统、生产与后勤仿真系统、作战分析仿真系统、教育和训练仿真系统。下面介绍美军具有代表意义的几个大型仿真系统。

一、联合作战仿真系统

        美军联合作战仿真系统（JWARS）是一个战役级的军事行动模型 [4]，目前由国防部长办公室主持签约开发。它的用户包括美国国防部长办公室、联合参谋部、后勤部和美军作战司令部。 JWARS能为以上用户提供联合作战仿真，包括作战计划与实施、兵力评估研究、系统采办分析及概念与条令开发。JWARS系统的能力主要包括：

        （1）JWARS是一个专业化水准很高的推演仿真系统。它使用被称为 Smalltalk的计算机语言、高质量的计算机辅助软件工程开发完成。它是一个事件驱动的仿真系统，描述了联合作战光谱上以前未曾达到的战役级的军事力量行为与交互。这种高层次视图包括：三维战场空间的显式表示；地形和气象的效果；后勤对军事力量的制约；关键信息流的显式表示；基于感知的指挥与控制。
        （2）JWARS系统的开发包括以前推演系统开发过程中所未曾有过的用户介入。正在进行的活动包括：团体用户、个人用户对于系统设计过程的参与和研究小组连续不断地对仿真系统的操作使用。此外， JWARS开发全程由正规的校核、验证和确认（VV&A）签约人监督，编写的程序要通过正式的作战测试。
        （3）JWARS开发项目还没有最后完成。在 JWARS开发过程中，它的每一个前期版本在全生命周期内都将持续不断地进行修改完善。
        （4）JWARS在支持美国国防部作战研究与计划制定过程中能够为分析人员提供一个杰出的分析研究的工作平台。
        （5）与其他正在开发的仿真系统类似， JWARS系统要求与 HLA/RTI兼容。

二、联合仿真系统

        在HLA标准建立之前，由于支持不同应用的仿真系统各成体系、标准不一、互操作性差，实现不了对联合作战环境与联合作战行动的一体化建模与仿真，难以满足各军（兵）种联合训练的需求，在此背景下，美军相关机构与科研部门便开始计划、组织并实施联合仿真系统 （JSIMS）的开发与研制。

        JSIMS的目的是通过提供不同类型使命任务各执行阶段逼真的联合训练来支持现役部队的训练 /教育，当然也支持各军种专业部队的训练。作为分布式作战仿真， JSIMS通过提供战场空间的通用环境视图和作战视图，创造了一个无缝的一体化联合作战空间。它和战场空间范围内的指挥、控制、通信、计算机和情报（ C4I）系统以及其他装备相互连接，为受训者提供与一体化联合作战空间之间的交互，最终目的是提供一个近似实战的联合训练环境。

        JSIMS执行了HLA标准，实现了仿真应用和底层通信支撑结构相分离的目标，也大大提高了系统各仿真成员之间、仿真成员和 C4I系统之间的互操作性以及仿真组件的可重用性。JSIMS系统由部队、代理、联合模型、综合的战场环境、 HLA运行支撑系统（ RTI）所必需的各种应用支持工具组成。陆、海、空/天、电和情报作战各单元实体在虚拟的联合作战空间内完成数据交互与信息共享，创造出一个横贯战略、战役、战术三个层次，行动自适应与自同步、逼真的虚拟作战环境。

        在支持联合训练方面，JSIMS代替 1998年联合训练联邦的作用。通过后续版本的发行， JSIMS被用来为国家统帅部、参联会的指挥官、联合任务部队的指挥官、联合部队的军种指挥官及其相应的参谋人员提供整个作战层次的全
谱训练。JSIMS的最终目标是建立一个一体的、一致的、互操作的虚拟作战空间环境，用于国家战略、联合作战乃至战术层次内容（包括兵力机动、部署、作战、补给等任务）的训练。

三、联合建模与仿真系统


        JMASS项目是在美国国防部长办公室下属的高级指导小组的领导下启动的，他们成立了一个联合项目办公室（ JPO）来负责 JMASS系统的开发。建立 JMASS系统的目的是在提供可重用的建模与仿真库的同时，开发一个标准的数字化建模与仿真体系结构和有关工具集，来支持对武器系统的分析、开发、采办以及测试与评估。目前，系统主要支持在电子战分析中所用到的红、蓝方系统数字模型的开发，今后，系统将扩展到对多军种范围内武器系统的支持 [5]。

        作为美军三个重要 “J”类仿真项目研究（JMASS、JWARS与JSIMS）中的一个， JMASS主要应用于战术和工程设计层次上的建模与仿真系统中，特点如下：

        （1）JMASS不是一个仿真应用。它只是一个体系结构和相关的工具集，它支持模型的创建、将模型组合成一个仿真应用、仿真应用的执行，以及仿真运行结果的事后处理。
        （2）JMASS中的行为都基于模型。在一个基于JMASS的仿真系统中，至少需要有一个模型来触发一些行为，才能保证系统运行中会产生有关动作，而 JMASS体系结构并不知道这样的事情，这种仿真方式有时称为 “自由运行”。
        （3）JMASS对接口不敏感。在一个基于 JMASS的仿真应用中， JMASS（包括仿真引擎和工具集）并不去关心模型与模型间数据交换的语法和语义部分，它只是提供一个通信的支撑环境。
        （4）JMASS提供了与现有标准的接口，如DIS、 HLA。

四、扩展防空仿真系统

        扩展防空仿真系统（ EADSIM）是一个集分析、训练、作战规划于一体的多功能仿真系统，由美国陆军空间与导弹防御司令部试验床产品办公室管理。EADSIM是一个描述空战、导弹战、空间战的 “多对多 ”的仿真平台，由美国 Teledyne Brown Engineering公司开发研制。该系统在国防分析与训练领域已得到广泛应用，是美军应用十分成功的仿真系统之一，目前它在全球的用户已超过 390个。EADSIM系统描述至武器平台层次，如单架战机，同时具有较详细的 C4ISR功能模型。EADSIM系统具有想定管理的灵活性，能够实施双边或多边的对抗仿真。

        EADSIM系统在海湾战争期间为美军 “沙漠盾牌 ”、 作战计划的制订与作战方案“沙漠风暴 ”的拟制发挥了重要作用，为美军取得海湾战争的胜利立下了汗马功劳。

        EADSIM系统的研制始于 1987年，该系统始终与仿真技术、战场形势、战场环境、武器装备的发展变化保持高度的一致和同步，不断改进与完善，因而 EADSIM系统至今仍是美军仿真系统的代表。

五、联合战区级模拟系统

        美军联合战区级模拟系统（ JTLS）是计算机辅助的交互式模拟系统，最多可模拟 10方参加的空战、海战、陆战、后勤、特种部队作战和情报支援等行动。各方又可进一步细分为不同级别的部队。它还支持有限的核、化武器的影响、低强度冲突和冲突前的行动等模拟。

        该系统于 1983年开始开发，其最初设计目的是用于联合和联军作战计划的开发与分析，现在常被用作训练支持模型。它由六个主程序和众多支持程序组成。六个主程序是：想定准备和支持工具、系统设置和初始化程序、战斗事件程序、操作员接口程序、网络支持工具和网络支持的 JTLS系统的执行程序。支持程序用于准备作战想定、运行模拟和分析结果等。作为作战计划的开发和分析工具， JTLS系统可用于独立战区，即可在单个或多个计算机上运行，也可在单个或多个站点运行。

六、联合半自动兵力

        联合半自动兵力（ JSAF）是目前美军联合作战实验和训练的重要工具之一，支持测试与评估、训练、实验等多种应用。JSAF的综合环境能够表示真实世界的地形、海洋、天气条件，它们都对仿真兵力的行为和能力有所影响。JSAF从一个大型的、世界范围的地形数据库中生成高逼真度的环境仿真，包括城市地形的细节。该系统还能模拟平民的行为细节。JSAF已在多次实验和训练演习中使用，如J9901、UV01、MC02等，近期成功地应用在大型实验活动 “城市决心 ”和 “多国实验 ”中。

七、战士仿真系统

        战士仿真系统（ WARSIM2000）是美国陆军的一个推演训练仿真系统，能够为在联合作战或合成作战的作战想定下进行训练的营到战区级的指挥员和参谋人员提供一个比较真实的仿真训练环境。为了利用已有的设备资源， WARSIM2000可在现有的作战指挥所中使用部队现有指挥系统设备与仿真系统实现互联，以减少系统开发与使用的经费开支。 WARSIM2000支持DIS标准与协议，可以兼容各种支持DIS的推演仿真实体、半自动化兵力（ SAF）、推演仿真兼容系统和真实的战斗平台。

八、网络战仿真系统

        美军网络战仿真系统（ NETWARS）是一个政府出资建设的项目，目的是为美军或美国政府提供一个较先进的网络仿真平台、工具，用于较可信地检验和评估美军通信网络（包含战术、战役与战略三个层次）的信息流运行状态与安全性、可靠性。该系统主要用于：支持政府网络建设财政预算、高层次采办与相关政策的定量评估，但是它的设计也可满足作战部队实施通信纲要、建议的通信技术评估及对新的作战构想通信保障能力分析的需要。

九、战场综合演练场仿真系统

        美军战场综合演练场（ STOW）仿真系统是由美国 DARPA主持研制的先期概念技术示范项目。该项目的研制开始于 20世纪90年代初，结束于20世纪90年代末。STOW仿真系统是美军具有里程碑意义的综合演练仿真系统，仿真实体数 最高可达 50000个（ STOW98-1演习），系统开发的许多创新技术至今仍在美军一些大型联合仿真系统或仿真标准中普遍使用，如 WARSIM2000、JSIMS等。

        STOW用户可以在没有实际经验的背景下获得对新技术能力的理解。STOW能提供如下功能：在评估过程中，发展和完善军方人员的构想，从而更充分地发掘新技术的应用能力，并且当军方人员获得了对于这种能力的经验与理解之后，能够进一步补充和扩展他的作战需求，而后再在实际军事示范演练活动中，如同实战一样操作众多原型系统，从而对于所示范技术的军事效用进行一个完整的评价。

十、OneSAF仿真系统


        OneSAF是一个可重组、新一代的计算机兵力（ CGF）系统。该系统可对单兵、单作战平台到营层次的作战行动、系统与控制过程进行仿真，对选定兵力单元作战行为建模至营层次，对指挥实体建模到旅层次。OneSAF具有可变的仿真等级，以支持不同领域的建模与仿真。它能够精确、有效地描述部队的作战、作战保障、作战勤务保障行动过程和 C4I流程。同时，也能较好地表现物理环境及其对仿真行为和活动的影响。

        OneSAF系统的用户域有：研究、开发和采办域；高级概念和需求域；训练、演习和军事行动域。

        通过上文的介绍可以看出，不同层次的仿真系统，在仿真系统的组成上是不同的，仿真模拟的重点也根据任务而不同。因此，在设计与实现仿真系统时必须从应用的角度出发，才能符合应用的需要。



参考文献

[1] [DOD95] Department of Defense, Under Secretary of Defense (Acquisition and Technology) (USD (A&T)), DoD Modeling and Simulation (M&S) Master Plan, Washington, DC, October 1995.[EB/OL].

[2] IEEE Std 1516-2000, 1516.1-2000, 1516.2-2000, Standard for Modeling and Simulation High Level Architecture (HLA).2000[S].

[3]金伟新 .大型仿真系统 [M].北京 :电子工业出版社,2004. [4]陈丽 ,冯润明 ,姚益平 .联合建模与仿真系统研究 [J].电光与控制 ,2007,14(4):10-12,18.收稿日期： 2008-11-18