军用虚拟现实系统建模与仿真技术发展与展望

军用虚拟现实系统建模与仿真技术发展与展望作者：程健庆(中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所)摘要：阐述了系统建模与仿真技术和在军事领域中的应用，介绍了国外建模与仿真技术及应用的发展动态，分析了我国军用仿真技术的发展现状及与国外的主要差距，提出了船舶行业仿真技术的未来发展方向与思路对策。1概述1．1系统建模与仿真技术概念及模型系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统(已有的或设想的)进行研究、分析、评估、决策或参与系统运行的一门多学科的综合性技术。典型的系统建模与仿真过程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等，涉及多学科多领域的知识与经验。随着现代信息技术的高速发展以及军用和民用领域对仿真技术的迫切需求，仿真技术也得到了飞速的发展。建模与仿真技术的作用主要有以下几个方面：1)优化系统设计；2)对系统或系统的某一部分进行性能评价；3)节省经费；4)重现系统故障，以便判断故障产生的原因；5)避免试验的危险性；6)进行系统抗干扰性能的分析研究；7)训练系统操作人员；8)为管理决策和技术决策提供依据。建模与仿真技术可以有多种分类方法。按系统模型的特性，可分为连续系统仿真、离散系统仿真、连续腐散(事件)混合系统仿真；按仿真的实现方法和手段，可分为物理仿真、计算机仿真、硬件在回路中的仿真(半实物仿真)和人在回路中的仿真；根据人和设备的真实程度，可分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真。建模与仿真的基本流程如图l所示。图1建榜与仿真基本流程图总结2O世纪及近几年系统仿真技术发展的特点，不难给出下述结论：分布交互仿真、虚拟现实仿真、离散事件系统仿真、武器系统半实物仿真、作战仿真、面向对象仿真和建模与仿真的VV&A等现代建模与仿真技术及其应用取得了引人瞩目的进展。建模与仿真技术已成为高科技产品从决策、论证、设计、试验、训练到更新等全生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂系统问题提供了有效的工具。它是一种可控制的、无破坏性、耗费小并允许多次重复的试验手段。建模与仿真在武器系统全生命周期各阶段应用如图2所示。图2建模与仿真在武器系统全生命周期各阶段应用示意图现代建模与仿真技术体系已经形成，并日趋完善。在军用仿真技术应用领域，正向服务于系统的全寿命、全系统和管理的全方位方向迅速发展，并正向作战仿真方向发展，是促进武器装备成系统、成建制地形成战斗力和保障能力的强有力手段；在观念上，仿真技术与高性能计算一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的方法，是解决复杂系统的重要技术途径之一。1．2系统建模与仿真技术在军事领域的应用在军用领域，仿真技术已经成为武器装备研制与试验中的先导技术、校验技术和分析技术。采用仿真技术使武器系统靶场实验次数减少了30％一60％，研制费用节省了10％～40％，研制周期缩短了30％～40％。建模与仿真技术在军事领域的应用范围如图3所示。图3建模与仿真技术在军事领域的应用范围示意图当前，现代建模与仿真，在技术上正向以‘‘数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”为特征的方向发展；在军事领域，军用建模与仿真技术是服务于武器装备发展论证和决策、型号研制、鉴定定型、训练使用、维护保障、作战应用和武器装备采办等领域。在军用领域的发展有两个主要特点，即武器系统仿真应用正分别朝着纵向(全生命周期、全系统和管理的全方位方向)和横向(多武器平台、体系)扩展。建模与仿真技术中的体系仿真技术、武器装备研制仿真技术、基于仿真的虚拟采办及虚拟样机技术、虚拟战场技术、智能化建模仿真技术和仿真网络等的综合运用，已成功地在深度和广度上扩展了仿真技术的应用域，仿真技术和仿真系统在各应用领域都发挥了巨大的作用。2国外建模与仿真技术及应用发展动态以美国为代表的发达国家，仿真系统已嵌入到作战系统，成为战斗力的重要组成部分；支持了装备论证、研制、使用等全生命周期中的相关工作，是建模与仿真技术为新的军事理论与作战思想服务的综合体现，标志着军用仿真技术的发展达到了一个新的高度。2．1武器装备研制和武器系统仿真技术在武器装备研制方面，美国各军兵种及各大军火公司均建有自己的大型仿真试验室，特别是美国各大军兵种，都建有种类齐全的半实物仿真试验室，可以进行单一装备和多种装备的综合性能仿真试验与作战仿真试验。如陆军红石兵工厂，建有红外、毫米波、射频、红外成像等多种制导体制的综合仿真试验室，可以满足陆军装备各种制导武器的半实物仿真需要。美国还通过分布式仿真网络，将各大仿真中心与作战指挥中心、军事基地等连接起来，可以进行实时的武器装备作战半实物仿真，进行战术演练，评价武器系统的作战能力。在武器系统仿真方面，美国陆军高级仿真中心的武器系统仿真设施包括三个屏蔽室中的全尺寸武器系统地面设备，能够实现设备之间的互联，并能与其它设备互联。借助于大量半实物仿真技术并将武器系统仿真应用到战场仿真中去，能够对性能指标、控制策略和体系以及不同武器系统之间的互操作性进行模拟研究，并能对多目标，多武器系统环境下的各种武器进行详细的性能评估。2．2体系对抗仿真技术未来联合作战的内容，已经向信息化作战时代转化，全纵深、非线性、非技术作战的特点更加突出，因此对体系对抗仿真技术需求越加明显。如美国十分重视体系对抗仿真技术的研究及应用，都将不同内容、位于不同地点的仿真器进行联网，组成分布式一体化的综合仿真试验环境，用于综合作战仿真试验；还结合先进的建模仿真与高性能计算机组成虚拟战场，对武器系统进行研制试验、鉴定与作战训练。为实现仿真互操作与重复使用，美国的体系对抗仿真正在向通用的高层体系结构(HLA)方向发展，并正在开展可扩展的仿真服务框架研究。大规模体系对抗仿真系统及其相关关键技术是国外发达国家研究和突破的重点，近年来国外开展的主要仿真项目和计划如下：1)美国的综合战区演练STOW计划由美国国防部高级研究计划局和美国大西洋司令部联合开展的先进概念技术演示计划后取名为综合战区演练(STOW)计划。1997年l0月，举行了STOW97的联合演练，参加演练的节点分布于美英两国5个不同地点，通过一个先进且安全的ATM网利用DIS互联进行演练和功能演示。2)欧洲大型军事演习(JPOw)从1996年起，欧美联合进行每年一次的大型分布式军事演习，演练关于战区导弹防御体系与来袭目标的对抗，参加国有美、英、德、荷兰、丹麦等，演习目的是评估战区导弹防御协同作战效果。3)战争模拟2000(Wargame2000)战争模拟2000是美国弹道导弹防御组织和联合国家测试中心共同开发的下一代作战指挥和控制仿真系统，它主要用于国家导弹防御系统(NMD)和联合战区空中导弹防御系统(JTAMD)的概念评估、战略战术和作战过程等研究。4)千年挑战2002(MC’02)MC’02是迄今为止美国国防部组织的规模最大、复杂程度最高的多目标的仿真活动。MC’02用了多于30000个实体仿真和相应的C'ISR系统，13500人参加演习，使用美国国防部的HLARTI的演化版本连结分布在不同地方的9个实际训练场和l8个模拟训练场，共使用了5O个作战仿真系统，80％由计算机仿真完成。2．3仿真共用技术1)仿真系统体系结构复杂仿真系统体系结构是仿真技术发展的重要问题。20世纪90年代前期，国外主要研究了SIMNET和DIS的复杂仿真系统体系架构。1995年，美国国防部在其建模与仿真主计划的目标中提出了为国防领域的建模与仿真制定一个通用的HLA技术框架，该框架对提高仿真系统互操作性和可重用性，具有十分重要的意义。仿真框架方面最新的概念发展是“可扩展建模仿真框架”和“仿真．C'ISR共同框架”，这些仿真框架目前在国外属于概念摸索的阶段，但代表了军用仿真框架发展的重要方向。2)建模与VV&A技术随着仿真系统向复杂仿真系统的发展，对建模与VV&A技术提出了更高的要求。在仿真建模方面，仿真模型的种类和建模方法大大增加了，其中仿真概念模型、面向对象模型、基于Agent建模等方法是最新发展的趋势。在建模与仿真VV&A方面，VV&A的研究对象也从单个仿真模型发展到复杂仿真系统，目前国外复杂仿真系统VV&A发展两个核心问题是宏观指导政策和VV&A标准规范。3)仿真支撑平台技术仿真支撑平台是仿真系统重要的组成部分，以往的支撑平台主要包括仿真运行支撑平台和建模支撑平台两类。随着仿真系统向可互操作和可重用的复杂仿真系统方向发展，仿真支撑平台的组成在不断扩展。国外近些年来发展的重要仿真支撑平台包括：HLA运行支撑环境(RTI)、仿真资源库、全球信息网格(GIG)和仿真系统测试平台等方面。4)仿真标准及规范为了适应分布交互仿真技术的发展，美国的仿真管理部门、研究部门、学术界和工业界等共同组成分布交互仿真标准研究组织，定期组织研讨会，推动仿真标准的发展，目前已经通过IEEE公布了DIS。IEEE1278系列标准和HLA．IEEE1516系列标准，对推动分布交互仿真发展发挥了重要的作用。国外军用仿真标准规范是覆盖全方位的，复杂仿真系统开发是一项系统工程，因此必须管理和技术方面并重，这也是对未来仿真标准规范研究的重要要求。2．4基于仿真的采办和虚拟样机1)基于仿真的采办基于仿真的采办(SBA)是相关的工业领域不断探索的一种新的采办概念，其核心是使用仿真技术全面地改善武器装备的采办过程，借助各种建模与仿真工具，在虚拟环境中进行产品设计、虚拟制造、测试评估甚至定型，最后再进行生产，SBA可以大大缩短采办时间，降低采办的投资。SBA强调工具、资源和人的可重用性。面对新的采办项目，可以直接从以往资源中选择合适部分重新进行组合，适当加以改进，快速形成新的协同环境，全方位支持系统采办全过程。SBA采办过程如图4所示。图4SBA采办过程示意图美国国防部十分重视武器装备的采办与研制，2001年美国国防部公布了其SBA策略。2002年美国国防采办和研制从需求转向能力，以基于能力的模式代替以前基于威胁的模式，美国军事转型构想的核心是在设计、发展和采购武器和系统时，采用基于性能和基于能力的采办方法。2)虚拟样机技术虚拟样机技术是将先进的仿真与建模技术、多领域的数字化设计技术、交互式用户界面技术和VR技术综合应用于产品开发的一项综合性技术，是一种基于计算机仿真的产品数字化设计方法。人们利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以将不同工程领域的开发模型结合在一起，使设计者在物理样机生产出来前就可进行有效的、可验证的设计工作。虚拟样机技术在国外已得到广泛重视和研究应用，并有相应的支持虚拟样机技术的软件产品阄世，如ADMAS等。可见，目前世界各国特别重视军用仿真技术的发展和应用工作。建模与仿真之最新成果，往往被率先应用于军事领域，在高技术条件下局部战争“体系与体系对抗”的需求牵引下，系统仿真将向更高、更全面的方面发展。目前大规模的作战模拟系统开发计划，正向涵盖技术、战术、战役和战略各层次的体系对抗仿真方向发展。3我国军用仿真技术发展现状分析在武器系统研制与武器系统仿真技术方面，我国建成了服务于各类新型导弹、卫星、飞机和舰船等仿真的多个仿真系统，仿真技术已有效地应用于新武器型号的研制中，为战略导弹、防空导弹、海防导弹、空空导弹、反坦克导弹以及各型鱼雷等多种导弹、鱼雷型号进行了数百个批次、数十万条次弹道飞行(试航)的仿真；为多个卫星型号，歼击机研制，舰船作战系统和武器系统陆上联调，坦克、高炮系统作战效能，进行了大量的数学和半实物仿真。有效降低了高技术新型号研制的风险，大大减少实弹试验次数和试弹数量，全面提高了武器系统效费比。在体系对抗仿真技术方面，我国首先建成了综合防空多武器平台仿真示范系统、战区导弹攻防对抗仿真系统、战区综合防空聚合／平台仿真系统，标志着我国已基本掌握先进分布仿真系统体系结构等多项关键技术，为武器装备体系对抗仿真打下了基础。其后研制完成的多武器平台攻防作战综合仿真示范系统，进一步加强了我国武器装备