LVC技术发展及其启示

2021-05-16梁意

电子乐园·上旬刊 2021年8期

梁意

摘要：随着云计算、大数据、人工智能等技术的发展和仿真技术优势的凸显，世界各国越来越意识到仿真技术在军事领域的巨大作用，并已逐渐将军用仿真领域的竞争视为现代化战争的“超前智能较量”。LVC仿真技术，被广泛应用于虚拟战场环境仿真、部队训练仿真、作战仿真、指挥决策仿真、武器平台仿真等军事领域，受到越来越多的重视。本文重点总结梳理了LVC技术的发展和特点，并分析提出了对我军建设发展的几点启示。

关键词：LVC;仿真;发展;启示

多年来，创建统一的“真实-虚拟-构造”LVC集成架构是建模和仿真领域的一个目标。LVC可以快速集成模型和开展仿真，形成一个有效的LVC环境，LVC环境由多个建模和仿真环境组合构成，通过LVC集成架构进行互操作，为不同级别的军事人员提供适当的交互、一致性和互操作性，用来开展飞行训练、制定作战计划、训练评估和技术测试验证等。LVC中的“真实（Live）”是指真实的人员操作真实的系统（或实装）;“虚拟（Virtual）”是指真实的人员操作模拟的系统，也称人在回路的仿真模拟，或半实物仿真;“构造（Constructive）”是指完全由计算机生成的全数字仿真，由模拟的人员操作模拟的系统，用于增强和加强真实/虚拟场景。

LVC技术发展概况

20世纪70年代，模拟仿真技术大量应用于训练装备，美军各军兵种建成了一系列虚拟模拟和推演模拟系统。1995年，美国国防部为促进所有类型模型与模拟系统、指挥系统之间的互操作性和模型的可重用性，提出了高層体系结构（HLA）规范，开始采用LVC技术开展联合训练。美军在本世纪初，为加快实施训练转型战略，颁布了《国防部训练转型战略计划》，将发展功能强大的网络化LVC训练与任务推演环境和形成一个全球联网、全军通用的一体化训练、体系作为其战略目标之一。

经过多年的发展，以美国为代表的发达国家已越来越认识到LVC集成技术在仿真与训练领域的重要性。通过LVC集成技术将实装、仿真器、虚拟数字系统整合在一起，构建更加逼真、更加复杂的训练和仿真任务环境，才能更好地模拟未来战争，应对未来陆、海、空、天、网络联合作战所面临的各种挑战。2018年，美军及其盟国在LVC项目方面的资金投入加速增长。在新技术新需求推动下，LVC体系架构不断拓展，提出LVC-IA（集成架构）目标是适应陆军训练需求，为士兵、部队、指挥和执行任务装置提供网络化、集成与互操作的训练支持能力;实况虚拟构造和游戏（LVC-G）融合人工智能、虚拟现实和增强现实等先进技术，将LVC和游戏整合到共同的训练环境中，使陆军更容易管理陆、海、空、天和网络领域的集体训练。

几种典型的仿真体系结构

高层体系结构（HLA）

HLA主要由三部分组成：规则、对象模型模板、接口规范说明。为了保证在仿真系统运行阶段各联邦成员之间能够正确交互，HLA规则定义了在联邦设计阶段必须遵守的基本准则。HLA对象模型模板提供了一种标准格式，以促进模型的互操作性和资源的可重用性。接口规范定义了联邦成员与联邦中其他成员进行信息交互的方式，即RTI的服务。HLA是一个开放式的、支持面向对象的体系结构。它显著的特点就是通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将应用层同底层支撑环境分离;缺点是重用性差。HLA的基本思想是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型，以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用。

基本对象模型（BOM）

由于HLA仅对联邦和联邦成员作出规范，而对更小粒度的仿真对象缺乏开发规范，导致仿真模型开发随意性较强、重用性较差。为了解决这些问题，20世纪90年代后期，仿真互操作性标准化组织提出了一种高效的仿真框架-基本对象模型，BOM主要包括模型识别信息、概念模型定义、模型映射和对象模型定义四个部分。其中，最基础也是最难以解决的部分是概念模型设计，一般采用统一建模语言（UML）与元数据接口（XML）的思想。目前对BOM的应用处在两个层面上：一是接口层的应用，即利用BOM花费更少的时间开发出易于修改、灵活的FOM;另一个是功能层的应用，利用BOM促进仿真运行模型的开发。

试验与训练使能体系结构（TENA）

虽然BOM的出现可以提高仿真模型的重用性，但BOM只是一个标准，并未提供领域所需的具体基本对象模型。并且由于HLA要想支持各种领域系统的开发和集成，要能够将不同类型的仿真集成起来互操作，它必须非常灵活，特点是对具体应用的实现所施加的限制必须非常少，因此，仅有BOM标准和HLA并不能满足具体应用的特定需求。并且由于HLA不能用于实时应用环境，而在装备试验与训练领域，必须要把实际的测试设备加入到试验与训练系统，对实时性要求比较高，因此在该领域HLA的使用受到了很多限制。TENA提供了试验和训练所需的更多特定能力，并在通信机制、时间管理等方面也进行了改进，旨在提高在试验与训练中应用建模与仿真技术时的互操作性、可重用性及可组合性。

模型驱动体系结构（MDA）

在BOM中仅仅给出了概念模型与HLA对象模型之间的映射规则，而仅有这些在实际应用中还是远远不够的，因为概念模型还不是可运行的程序，如果要运行还必须转换成与平台相关的模型。但如果对同一个模型需要针对不同的平台、不同的中间件、不同的语法采用手工转换，也就无法实现真正的可重用和互操作了。为了解决该问题，在仿真领域采用了软件工程中模型驱动的体系结构（MDA）思想。MDA是用于改进计算机软件的互操作性和可重用性，提高生产率，是基于元模型这种理念提出来的，其基本思想是首先要以元模型的形式给出一个能够解决通用的、最本质问题的概念模型，而不是直接给出程序或编码来解决问题。其核心思想是使用一个通用的、稳定的概念模型，该概念模型是与语言、开发商和中间件等无关，即将模型与特定平台的实现分开。

面向服务的体系结构（SOA）

SOA是解决分布式作战仿真纷乱复杂局面的有效手段，它克服了以往DIS、HLA等框架扩展性、伸缩性差的不足。SOA和传统方法不同，它以服务为中心进行构建，将仿真系统涉及的对象、数据、组件、业务流程、界面等从服务提供者和服务者的角度进行层次化。SOA把系統分离成不同的服务，使用接口来进行数据交互，最终达到整合系统的目的。SOA规范了将分散的、异构的子系统集成为更大规模系统的技术架构，它的最佳实践是基于多层体系结构、中间件技术以及软件组件技术。而多层体系结构降低了系统复杂度，提高了系统灵活性扩展性，中间件技术屏蔽了异构系统之间的差异，实现系统间的互操作，软件组件技术实现了模块化和可组装化。

DoDAF

DoDAF是美国国防部定义的用于国防和航空航天行业的架构框架，可用于组织和共享大型、复杂的分布式系统体系结构，其8个视图模型使相互关联的，优点是可从多个视图对一个整体架构进行全面的定义，对系统的平台进行规范化描述，通过体系架构的关联让各自独立的系统有效协同，获得能力。

LVC技术发展特点

总结国外仿真支撑环境与平台技术的发展，有以下三个特点：

（1）基于LVC仿真与训练的重视程度越来越高，投资巨大，衍生出LVC-IA（集成架构）、LVC-G（实况虚拟构造和游戏）、SLATE（安全LVC高级训练环境）等扩展架构，应用领域也不断拓展，LVC仿真支撑平台发展前景广阔。

（2）从国家层面倡导发展LVC仿真技术，LVC技术对武器装备发展和部队训练建设的支撑作用越来越凸显，相关仿真工程支撑平台技术向数字化、集成化、智能化高速发展。

（3）充分利用人工智能、云计算、大数据等新兴战略技术的新概念、新方法和新成果，布局新一代仿真支撑平台体系结构，牵引出仿真支撑环境和平台新需求和新能力，持续提升仿真资源互操作、可重用和可组合能力。

对我军发展的启示

目前，我国针对LVC仿真系统的研究主要处于理论探索方面，相关的研究内容和方法体系还不够完善和成熟，分析研究美军较为成熟的LVC技术，主要启示如下：

一是LVC仿真基本对象模型研究。形成覆盖仿真、试验、训练等方面的元数据、概念模型、基本接口对象模型和基本功能模型库，为LVC仿真提供可重用和可组合的基础资源库。

二是LVC仿真通用中间件研究。建立能够满足L、V、C仿真运行环境、通信机制、时间管理、位置外推等需求的运行基础设施，为LVC仿真系统的运行提供互操作支撑平台。

三是LVC一体化集成平台研究。建立能够集成基本对象模型设计与管理、仿真成员的设计与管理、仿真系统的设计与管理的软件工具集，为LVC仿真提供可视化的、能够自动生成仿真应用程序的环境。