軍事仿真的發(fā)展

一、 概述
仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統技術(shù)及其應用領(lǐng)域有關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實(shí)際的或設想的系統進(jìn)行試驗研究的一種綜合性技術(shù)。它綜合集成了計算機、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的知識。
隨著(zhù)仿真技術(shù)在科技進(jìn)步和社會(huì )發(fā)展中的作用愈來(lái)愈顯重要，特別是軍事科學(xué)，隨著(zhù)高、精尖武器系統的研制和發(fā)展，對軍用仿真技術(shù)的應用和研究提出了更高的要求。世界各軍事強國竟相在新一代武器系統的研制過(guò)程中不斷完善仿真方法，改進(jìn)仿真手段，以提高研制工作的綜合效益。軍用仿真技術(shù)在武器系統戰技指標論證、方案選擇、研制、試驗、鑒定、改進(jìn)提高以及部隊維護保養和訓練中的應用，已得到研制方和使用部隊的承認和重視。它對提高新一代武器系統綜合性能，減少系統實(shí)物試驗次數、縮短研制周期，節省研制經(jīng)費，提高維護水平，延長(cháng)壽命周期，強化部隊訓練等方面都可大有作為。
二、 國內外軍用仿真技術(shù)發(fā)展現狀
1．國外軍用仿真技術(shù)發(fā)展現狀態(tài)
美國國防部高度重視仿真技術(shù)的發(fā)展，近十多年來(lái)，美國一直將建模與仿真列為重要的國防關(guān)鍵技術(shù)。1992年公布了“國防建模與仿真倡議”，并成立了國防建模與仿真辦公室，負責倡議的實(shí)施：1992年7月美國防部公布了“國防科學(xué)技術(shù)戰略”，“綜合仿真環(huán)境”被列為保持美國軍事優(yōu)勢的七大推動(dòng)技術(shù)之一；1995年10月，美國防部公布了“建模與仿真主計劃”，提出了美國防部建模與仿真的六個(gè)主目標；1997年度的“美國國防技術(shù)領(lǐng)域計劃”，將“建模與仿真”列為“有助于能極大提高軍事能力的四大支柱（戰備、現代化、部隊結構、持續能力）的一項重要技術(shù)，并計劃從1996年至2001年投資5.4億美元、年均投資0.9億美元”。同時(shí)美國國防科學(xué)局（Defense Science Board）認為建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統，必須解決五個(gè)層次的使能技術(shù)，(enabling technologies )（即應能解決實(shí)現的技術(shù)）
第一層次——基礎技術(shù)。
包括：光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等。
第二層次——元、部件級技術(shù)
包括：內存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數據庫管理系統，數/模/數轉換器，建模與仿真構造工具，測試設備等。
第三層次——系統級技術(shù)
包括：微機系統，人一機界面，遠距離通訊/廣域網(wǎng)、計算機圖象生成。
第四層次——應用級技術(shù)
包括：制造過(guò)程仿真、工程設計建模與仿真，含人仿真系統，隨機作戰仿真等。
第五層次——集成綜合環(huán)境和建模與仿真工程
包括：原型機、規劃、設計與制造，訓練與備戰，測試與評估。
上述使能技術(shù)有些商業(yè)市場(chǎng)解決，如微機系統、遠距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機界面、計算圖象生成、數據庫管理系統、局域網(wǎng)、光纖通訊、軟件工程工具等，也就是大部份的硬件和網(wǎng)絡(luò )能力由商業(yè)市場(chǎng)作為成熟產(chǎn)品提供。而為滿(mǎn)足軍用仿真需求，有些如制造過(guò)程仿真，工程設計建模與仿真，隨機作戰仿真，環(huán)境模型等都由關(guān)國防部組織解決。
數學(xué)模型是仿真的基礎，要仿真，必須對被仿真的對象或系統進(jìn)行數學(xué)建模，也就是對客觀(guān)世界中客觀(guān)事物進(jìn)行數學(xué)抽象和數學(xué)描述。數學(xué)模型的正確與否以及其精確度直接影響仿真的置信度。所以，建模以后必須經(jīng)過(guò)驗模，驗模就是對模型的評估過(guò)程。但對導彈武器系統中的某些部件，由于它的非線(xiàn)性，很難用數學(xué)模型表達得那么準確。因此，導彈武器系統，無(wú)論是戰術(shù)的還是戰略的，美國三軍都非常重視半實(shí)物仿真在導彈研制中的作用。雖然這是化費較大的工程，但是幾年來(lái)，美、歐、日各方都化費巨資建立半實(shí)物仿真系統，以加快精確制導武器的研制。
同樣，歐洲對于仿真的研究歷來(lái)也十分重視。北大西洋公約組織（NATO）于1992年9月成立了DIS工作組。同年歐洲學(xué)術(shù)界的二百個(gè)成員成立了歐洲仿真特殊興趣組，并于次年組建了“仿真未來(lái)：新概念、工具和應用”基礎研究工作組。制定了仿真基礎研究和開(kāi)發(fā)為第一優(yōu)先主題。其第二個(gè)主題即為開(kāi)發(fā)新的應用領(lǐng)域。尤其是象并行和分布式仿真這樣的基礎技術(shù)，圍繞這個(gè)主題將就“仿真互操作性”展開(kāi)行動(dòng)計劃。并對應于美國DIS工作組成立一些對應的“影子”機構進(jìn)行跟蹤研究。
2．國內軍用仿真技術(shù)發(fā)展現狀
我國軍用仿真技術(shù)的發(fā)展已有四十年的歷史。尤其在“七五”以來(lái)的十多年中，通過(guò)邊建邊用，以及上級領(lǐng)導的重視，仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展。突出表現在以下方面：
⑴ 建成了航天機電集團以北京仿真中心為代表的，科技集團以上海八院八部的射頻、紅外仿真系統為代表的服務(wù)于各類(lèi)新型導彈、衛星、運載火箭和魚(yú)雷等仿真的“八大仿真系統”以及用于新型軍機研制的飛機工程仿真系統，為仿真技術(shù)的研究和應用打下了堅實(shí)的基礎。
⑵ 90年代我國開(kāi)始對分布交互仿真，虛擬現實(shí)等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應用進(jìn)行研究，開(kāi)展了較大規模的復雜系統仿真，由單個(gè)武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰環(huán)境下的對抗仿真。
⑶ 研制出了連續系統仿真語(yǔ)言ICSLⅡ和ICSL++仿真環(huán)境，連續/離散（事件）系統仿真語(yǔ)言IHSL和圖形輸入仿真語(yǔ)言IFAS等通用仿真語(yǔ)言及射頻、紅外、反坦克導彈、衛星、戰略導彈和運載火箭等半實(shí)物仿真專(zhuān)用軟件。正在研制基于高檔微機、工作站通用、并發(fā)、一體化仿真軟件。
⑷ 視頻/紅外動(dòng)態(tài)圖象轉換技術(shù)攻關(guān)，并研制出了能產(chǎn)生紅外動(dòng)態(tài)圖象的原理試驗樣機。其中，MOS電阻橋陣方案已研制出64×64象元，幀頻100HZ的工程試驗樣機；紅外CRT已研制出8~12μm的工程試驗樣機。
⑸ 堅持邊建邊用的原則，在應用方面取得顯著(zhù)成果。有效的應用于新型武器的研制，優(yōu)化系統設計，提高武器系統性能；以及診斷并排除隱患和故障、提高型號研制質(zhì)量；大大減少實(shí)彈試驗次數和試驗數量，從而起到了縮短研制周期、節約研制經(jīng)費、提高武器系統效費比的巨大作用。根據統計數據，仿真技術(shù)可縮短導彈武器研制周期20~40%，節約導彈定型試驗所需彈數10~30%；魚(yú)雷試航次數減少50~80%；縮短艦船作戰系統、武器系統聯(lián)調時(shí)間40~60%。從可量化的數字看，至95年底，仿真技術(shù)在我國各類(lèi)導彈（含魚(yú)雷、運載火箭）、衛星、飛機、艦船、坦克和高炮的研制中，仿真創(chuàng )經(jīng)濟效益達人民幣5億元以上。
射頻目標雜波、干擾和多路徑效應仿真，已可基本滿(mǎn)足相應型號仿真工程建設的要求。
三、 軍用仿真的發(fā)展設想
1．環(huán)境仿真
無(wú)論是單武器平臺性能仿真還是多武器平臺在對抗作戰環(huán)境下的體系對抗仿真，環(huán)境仿真都是重要的組成部分。美國在環(huán)境仿真方面，研制了各種運動(dòng)仿真器，如高精度飛行仿真轉臺、加速度模擬器、真空模擬器等，建立了逐步完善的各種實(shí)體模型數據庫、戰場(chǎng)環(huán)境（如地形、地貌、海洋、大氣、空間等）數據庫，并用虛擬現實(shí)技術(shù)，建立虛擬仿真環(huán)境、虛擬戰場(chǎng)環(huán)境等，以支撐其各種仿真的需要。
要完成環(huán)境仿真，必須解決兩方面的問(wèn)題
⑴ 環(huán)境模型的建立
軍事應用中的環(huán)境是千變萬(wàn)化的，不同的地形、地貌、氣象、電磁干擾、噪聲等等都有其不同的環(huán)境特征，要對其建立有相當置信度的模型是很復雜的，所以環(huán)境仿真建模工作應作為基礎性研究進(jìn)行。
⑵ 環(huán)境效應
這是一個(gè)更加復雜的問(wèn)題，實(shí)際上也就是仿真環(huán)境動(dòng)態(tài)變化時(shí)，對仿真結果所產(chǎn)生的影響。例如，軍艦，反艦導彈與海情，風(fēng)力、風(fēng)速，加上多路徑這些環(huán)境之間是相互交互的。這些都增加了仿真達到相當置信度的難度。
2．分布式仿真技術(shù)與訓練仿真技術(shù)
美國是最早發(fā)展分布式交互仿真技術(shù)的國家。1983年美國防部高級研究計劃局（DARPA）和陸軍合作的研究計劃SIMNET于1989年完成，為DIS 的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎。分布式仿真包括軍事上公認的三類(lèi)仿真：真實(shí)仿真、虛擬仿真、結構仿真，分布交互仿真的核心是仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合。
分布交互仿真技術(shù)最明顯的應用是多兵種聯(lián)合作戰訓練，進(jìn)行多武器平臺作戰仿真。在DIS生成的逼真戰場(chǎng)環(huán)境支持下，可以進(jìn)行作戰仿真，熟練掌握合成作戰技術(shù)、作戰原則、發(fā)展新的作戰方式和方法，提高各級指揮人員的戰場(chǎng)指揮能力，并可大大減少風(fēng)險和高額開(kāi)銷(xiāo)。NATO準備逐步把各國不同的兵力匯入 SIMNET而成為一個(gè)虛擬戰場(chǎng)，并把空戰仿真系統（AWSIMS）和海戰仿真系統（NWSTMS）與其相聯(lián)。美國陸軍的CCTT（近戰戰術(shù)訓練系統），是美國用于部隊訓練的第一個(gè)分布交互仿真實(shí)用系統，可實(shí)現546個(gè)仿真工作站的仿真訓練聯(lián)網(wǎng)，距離可跨越歐美之間，可為美國本土和美在北約駐軍的野外訓練提供高逼真度的虛擬戰場(chǎng)環(huán)境。聯(lián)網(wǎng)演習，比起實(shí)戰演習來(lái)，其成本低、損傷少、安全保密，多次反復演練，而且方案可以多變，準備時(shí)間短。通過(guò)聯(lián)網(wǎng)仿真訓練多兵、團組協(xié)同作戰，不僅可解決人與機之間的關(guān)系，更要解決人與人之間的協(xié)同關(guān)系。
美國還大力開(kāi)發(fā)集作戰仿真、武器裝備研制及武器裝備采辦使用的分布式交互仿真系統。自美國防部1992年制訂“作戰仿真試驗室”計劃以來(lái)，迄今已建立了六個(gè)作戰仿真實(shí)驗室。利用分布交互仿真技術(shù)，作戰實(shí)驗室與有關(guān)專(zhuān)業(yè)和單位的計算機聯(lián)網(wǎng)，可以高效率地完成以下工作：
·進(jìn)行聯(lián)合訓練，為制訂新的作戰戰術(shù)、條令和訓練方法、制訂作戰計劃、評估作戰情況提供依據：
·在新武器系統開(kāi)始研制或在役武器裝備著(zhù)手改進(jìn)之前，通過(guò)計算機仿真和實(shí)物模擬，對新技術(shù)所能提供的新作戰能力和新的作戰思想進(jìn)行試驗和評估，以提出新武器的需求；在武器系統研制期間，系統在逼真的作戰試驗環(huán)境中不斷仿真試驗，將保證最終系統盡可能適合于作戰的需要：
·預測新武器從研制、生產(chǎn)到列裝、使用、維護、后勤支援采辦全過(guò)程中的問(wèn)題，包括費用情況，以縮短研制周期、降低全壽命費用。
·作戰仿真試驗室，通過(guò)DIS系統在更大的仿真環(huán)境中加入能反應實(shí)彈真實(shí)飛行的仿真試驗而得到擴大，允許能進(jìn)行更復雜的系統試驗，進(jìn)行有真實(shí)意義的戰役分析，以支持國防高級決策工作。
3．虛擬現實(shí)技術(shù)
近年來(lái)，虛擬現實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)在航空航天和軍事領(lǐng)域的成功應用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，促進(jìn)美國政府進(jìn)一步加大了對 VR技術(shù)研究的支持力度。VR技術(shù)在武器系統性能評價(jià)、武器操作訓練、指揮大規模軍事演習等三個(gè)方面的仿真應用中能發(fā)揮重大作用：大幅度降低所需的費用，極大的提高效益，并消除意外傷亡事故。因此，美國政府所支持的VR 技術(shù)研究也正是緊緊圍繞著(zhù)提高這三種能力的系統和環(huán)境而展開(kāi)的。他們擬將VR的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行加強和改進(jìn)，主要有高速網(wǎng)絡(luò )和數據的實(shí)時(shí)交互與顯示、數據融合與輸出、各個(gè)層次（包括地形繪制、天氣描述、運動(dòng)和傳感、武器系統與效應、計算機生成的半自主兵力等）上的逼真性。
美國政府支持的虛擬現實(shí)技術(shù)應用的研究計劃有：
·戰爭綜合演示計劃（Synthetic Theater of War Project）；
·防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò )（Defense Simulation Internet, DSI）；
·衛星模擬（The Satellite Modeler, SM）；
·虛擬座艙（The Virtual Cockpit, VC）。
實(shí)際上VR技術(shù)的廣泛應用，無(wú)論是對駕駛員進(jìn)行成功訓練的飛行模擬器，或是用來(lái)訓練軍事作戰人員虛擬戰場(chǎng)，或是基于仿真的設計包括幾何外形，傳動(dòng)物理特性和動(dòng)力學(xué)特性的在建?；A上，完成的虛擬樣機，還是通過(guò)仿真模型在計算機上仿真生產(chǎn)全過(guò)程，實(shí)現產(chǎn)品的工藝規程，加工制造等生產(chǎn)出的虛擬產(chǎn)品，都已有許多成功事例。
歸根結底，所謂的虛擬現實(shí)簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是數字仿真加圖形可視化。因此，虛擬系統的基本組成有高性能計算機、計算機網(wǎng)絡(luò )、圖象生成與顯示系統、數據庫（含地理信息、氣動(dòng)數據、導航數據、氣象數據等）以及相應的人機接口和軟件支撐環(huán)境。
四、 結束語(yǔ)
軍用仿真技術(shù)以戰略戰術(shù)導彈武器系統研制需求為牽引，以新型精確打擊武器裝備全生命周期仿真應用為重點(diǎn)，為適應新型號導彈武器系統和軍用衛星系統研制的需要，充分驗證系統設計的正確性，“十五”期間突破精確制導武器系統仿真、導彈武器系統訓練仿真、環(huán)境仿真、分布交互式仿真、虛擬現實(shí)仿真等關(guān)鍵技術(shù)，建立相應的仿真試驗系統，系統仿真支撐環(huán)境，充分發(fā)揮仿真技術(shù)在導彈背景型號武器裝備發(fā)展論證，研制與試驗、定型與評估、使用與訓練、更新與改造等全過(guò)程中的先導和支撐作用。
另外，通過(guò)對虛擬技術(shù)的研究，盡可能地擴大其應用范圍，采用虛擬樣機，虛擬戰場(chǎng)環(huán)境以及虛擬制造等概念，可以使傳統的武器系統的設計方法產(chǎn)生變革。虛擬技術(shù)將是21世紀武器系統研制和軍隊建設的重要手段。