一、 概述

 

    仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種綜合性技術(shù)。它綜合集成了計(jì)算機(jī)、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(shí)。
    隨著仿真技術(shù)在科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展中的作用愈來愈顯重要，特別是軍事科學(xué)，隨著高、精尖武器系統(tǒng)的研制和發(fā)展，對(duì)軍用仿真技術(shù)的應(yīng)用和研究提出了更高的要求。世界各軍事強(qiáng)國竟相在新一代武器系統(tǒng)的研制過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(tǒng)戰(zhàn)技指標(biāo)論證、方案選擇、研制、試驗(yàn)、鑒定、改進(jìn)提高以及部隊(duì)維護(hù)保養(yǎng)和訓(xùn)練中的應(yīng)用，已得到研制方和使用部隊(duì)的承認(rèn)和重視。它對(duì)提高新一代武器系統(tǒng)綜合性能，減少系統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)、縮短研制周期，節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，提高維護(hù)水平，延長壽命周期，強(qiáng)化部隊(duì)訓(xùn)練等方面都可大有作為。

 

二、 國內(nèi)外軍用仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

 

    1．國外軍用仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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，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(fù)責(zé)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(zhàn)略”，“綜合仿真環(huán)境”被列為保持美國軍事優(yōu)勢(shì)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(jì)劃”，提出了美國防部建模與仿真的六個(gè)主目標(biāo)；1997年度的“美國國防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)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(zhàn)備、現(xiàn)代化、部隊(duì)結(jié)構(gòu)、持續(xù)能力）的一項(xiàng)重要技術(shù)，并計(jì)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(rèn)為建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決五個(gè)層次的使能技術(shù)，(enabling technologies )（即應(yīng)能解決實(shí)現(xiàn)的技術(shù)）

 

    第一層次——基礎(chǔ)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(jí)技術(shù)
    包括：內(nèi)存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)/模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)造工具，測(cè)試設(shè)備等。
    第三層次——系統(tǒng)級(jí)技術(shù)
    包括：微機(jī)系統(tǒng)，人一機(jī)界面，遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、計(jì)算機(jī)圖象生成。
    第四層次——應(yīng)用級(jí)技術(shù)
    包括：制造過程仿真、工程設(shè)計(jì)建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機(jī)作戰(zhàn)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(jī)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與制造，訓(xùn)練與備戰(zhàn)，測(cè)試與評(píng)估。

 

    上述使能技術(shù)有些商業(yè)市場(chǎng)解決，如微機(jī)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機(jī)界面、計(jì)算圖象生成、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、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。而為滿足軍用仿真需求，有些如制造過程仿真，工程設(shè)計(jì)建模與仿真，隨機(jī)作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等都由關(guān)國防部組織解決。
    數(shù)學(xué)模型是仿真的基礎(chǔ)，要仿真，必須對(duì)被仿真的對(duì)象或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，也就是對(duì)客觀世界中客觀事物進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象和數(shù)學(xué)描述。數(shù)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)過驗(yàn)?zāi)＃?yàn)?zāi)＞褪菍?duì)模型的評(píng)估過程。但對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的某些部件，由于它的非線性，很難用數(shù)學(xué)模型表達(dá)得那么準(zhǔn)確。因此，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，無論是戰(zhàn)術(shù)的還是戰(zhàn)略的，美國三軍都非常重視半實(shí)物仿真在導(dǎo)彈研制中的作用。雖然這是化費(fèi)較大的工程，但是幾年來，美、歐、日各方都化費(fèi)巨資建立半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以加快精確制導(dǎo)武器的研制。
    同樣，歐洲對(duì)于仿真的研究歷來也十分重視。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：新概念、工具和應(yīng)用”基礎(chǔ)研究工作組。制定了仿真基礎(chǔ)研究和開發(fā)為第一優(yōu)先主題。其第二個(gè)主題即為開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是象并行和分布式仿真這樣的基礎(chǔ)技術(shù)，圍繞這個(gè)主題將就“仿真互操作性”展開行動(dòng)計(jì)劃。并對(duì)應(yīng)于美國DIS工作組成立一些對(duì)應(yīng)的“影子”機(jī)構(gòu)進(jìn)行跟蹤研究。

 

    2．國內(nèi)軍用仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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”以來的十多年中，通過邊建邊用，以及上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的重視，仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展。突出表現(xiàn)在以下方面：

 

    ⑴ 建成了航天機(jī)電集團(tuán)以北京仿真中心為代表的，科技集團(tuán)以上海八院八部的射頻、紅外仿真系統(tǒng)為代表的服務(wù)于各類新型導(dǎo)彈、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和魚雷等仿真的“八大仿真系統(tǒng)”以及用于新型軍機(jī)研制的飛機(jī)工程仿真系統(tǒng)，為仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
    ⑵ 90年代我國開始對(duì)分布交互仿真，虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究，開展了較大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)仿真，由單個(gè)武器平臺(tái)的性能仿真發(fā)展為多武器平臺(tái)在作戰(zhàn)環(huán)境下的對(duì)抗仿真。
    ⑶ 研制出了連續(xù)系統(tǒng)仿真語言ICSLⅡ和ICSL++仿真環(huán)境，連續(xù)/離散（事件）系統(tǒng)仿真語言IHSL和圖形輸入仿真語言IFAS等通用仿真語言及射頻、紅外、反坦克導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭等半實(shí)物仿真專用軟件。正在研制基于高檔微機(jī)、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(zhuǎn)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(yàn)樣機(jī)。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(yàn)樣機(jī)；紅外CRT已研制出8~12μm的工程試驗(yàn)樣機(jī)。
    ⑸ 堅(jiān)持邊建邊用的原則，在應(yīng)用方面取得顯著成果。有效的應(yīng)用于新型武器的研制，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高武器系統(tǒng)性能；以及診斷并排除隱患和故障、提高型號(hào)研制質(zhì)量；大大減少實(shí)彈試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)數(shù)量，從而起到了縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、提高武器系統(tǒng)效費(fèi)比的巨大作用。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，仿真技術(shù)可縮短導(dǎo)彈武器研制周期20~40%，節(jié)約導(dǎo)彈定型試驗(yàn)所需彈數(shù)10~30%；魚雷試航次數(shù)減少50~80%；縮短艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)間40~60%。從可量化的數(shù)字看，至95年底，仿真技術(shù)在我國各類導(dǎo)彈（含魚雷、運(yùn)載火箭）、衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、坦克和高炮的研制中，仿真創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)人民幣5億元以上。
    射頻目標(biāo)雜波、干擾和多路徑效應(yīng)仿真，已可基本滿足相應(yīng)型號(hào)仿真工程建設(shè)的要求。

 

三、 軍用仿真的發(fā)展設(shè)想

 

    1．環(huán)境仿真

 

    無論是單武器平臺(tái)性能仿真還是多武器平臺(tái)在對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境下的體系對(duì)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(yùn)動(dòng)仿真器，如高精度飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)、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(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境（如地形、地貌、海洋、大氣、空間等）數(shù)據(jù)庫，并用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立虛擬仿真環(huán)境、虛擬戰(zhàn)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題

 

    ⑴ 環(huán)境模型的建立
    軍事應(yīng)用中的環(huán)境是千變?nèi)f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(duì)其建立有相當(dāng)置信度的模型是很復(fù)雜的，所以環(huán)境仿真建模工作應(yīng)作為基礎(chǔ)性研究進(jìn)行。
    ⑵ 環(huán)境效應(yīng)
    這是一個(gè)更加復(fù)雜的問題，實(shí)際上也就是仿真環(huán)境動(dòng)態(tài)變化時(shí)，對(duì)仿真結(jié)果所產(chǎn)生的影響。例如，軍艦，反艦導(dǎo)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(dá)到相當(dāng)置信度的難度。

 

    2．分布式仿真技術(shù)與訓(xùn)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(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和陸軍合作的研究計(jì)劃SIMNET于1989年完成，為DIS的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。分布式仿真包括軍事上公認(rèn)的三類仿真：真實(shí)仿真、虛擬仿真、結(jié)構(gòu)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(jié)合。
    分布交互仿真技術(shù)最明顯的應(yīng)用是多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練，進(jìn)行多武器平臺(tái)作戰(zhàn)仿真。在DIS生成的逼真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境支持下，可以進(jìn)行作戰(zhàn)仿真，熟練掌握合成作戰(zhàn)技術(shù)、作戰(zhàn)原則、發(fā)展新的作戰(zhàn)方式和方法，提高各級(jí)指揮人員的戰(zhàn)場(chǎng)指揮能力，并可大大減少風(fēng)險(xiǎn)和高額開銷。NATO準(zhǔn)備逐步把各國不同的兵力匯入SIMNET而成為一個(gè)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，并把空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（AWSIMS）和海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（NWSTMS）與其相聯(lián)。美國陸軍的CCTT（近戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)），是美國用于部隊(duì)訓(xùn)練的第一個(gè)分布交互仿真實(shí)用系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)546個(gè)仿真工作站的仿真訓(xùn)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(xùn)練提供高逼真度的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。聯(lián)網(wǎng)演習(xí)，比起實(shí)戰(zhàn)演習(xí)來，其成本低、損傷少、安全保密，多次反復(fù)演練，而且方案可以多變，準(zhǔn)備時(shí)間短。通過聯(lián)網(wǎng)仿真訓(xùn)練多兵、團(tuán)組協(xié)同作戰(zhàn)，不僅可解決人與機(jī)之間的關(guān)系，更要解決人與人之間的協(xié)同關(guān)系。
    美國還大力開發(fā)集作戰(zhàn)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(tǒng)。自美國防部1992年制訂“作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)室”計(jì)劃以來，迄今已建立了六個(gè)作戰(zhàn)仿真實(shí)驗(yàn)室。利用分布交互仿真技術(shù)，作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室與有關(guān)專業(yè)和單位的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可以高效率地完成以下工作：

 

    ·進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練，為制訂新的作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)、條令和訓(xùn)練方法、制訂作戰(zhàn)計(jì)劃、評(píng)估作戰(zhàn)情況提供依據(jù)：
    ·在新武器系統(tǒng)開始研制或在役武器裝備著手改進(jìn)之前，通過計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)物模擬，對(duì)新技術(shù)所能提供的新作戰(zhàn)能力和新的作戰(zhàn)思想進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)估，以提出新武器的需求；在武器系統(tǒng)研制期間，系統(tǒng)在逼真的作戰(zhàn)試驗(yàn)環(huán)境中不斷仿真試驗(yàn)，將保證最終系統(tǒng)盡可能適合于作戰(zhàn)的需要：
    ·預(yù)測(cè)新武器從研制、生產(chǎn)到列裝、使用、維護(hù)、后勤支援采辦全過程中的問題，包括費(fèi)用情況，以縮短研制周期、降低全壽命費(fèi)用。
    ·作戰(zhàn)仿真試驗(yàn)室，通過DIS系統(tǒng)在更大的仿真環(huán)境中加入能反應(yīng)實(shí)彈真實(shí)飛行的仿真試驗(yàn)而得到擴(kuò)大，允許能進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)試驗(yàn)，進(jìn)行有真實(shí)意義的戰(zhàn)役分析，以支持國防高級(jí)決策工作。

 

    3．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

 

    近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)在航空航天和軍事領(lǐng)域的成功應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，促進(jìn)美國政府進(jìn)一步加大了對(duì)VR技術(shù)研究的支持力度。VR技術(shù)在武器系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、武器操作訓(xùn)練、指揮大規(guī)模軍事演習(xí)等三個(gè)方面的仿真應(yīng)用中能發(fā)揮重大作用：大幅度降低所需的費(fèi)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提高這三種能力的系統(tǒng)和環(huán)境而展開的。他們擬將VR的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行加強(qiáng)和改進(jìn)，主要有高速網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互與顯示、數(shù)據(jù)融合與輸出、各個(gè)層次（包括地形繪制、天氣描述、運(yùn)動(dòng)和傳感、武器系統(tǒng)與效應(yīng)、計(jì)算機(jī)生成的半自主兵力等）上的逼真性。

 

    美國政府支持的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的研究計(jì)劃有：

 

    ·戰(zhàn)爭綜合演示計(jì)劃（Synthetic Theater of War Project）；
    ·防務(wù)仿真交互網(wǎng)絡(luò)（Defense Simulation Internet, DSI）；
    ·衛(wèi)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(yīng)用，無論是對(duì)駕駛員進(jìn)行成功訓(xùn)練的飛行模擬器，或是用來訓(xùn)練軍事作戰(zhàn)人員虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，或是基于仿真的設(shè)計(jì)包括幾何外形，傳動(dòng)物理特性和動(dòng)力學(xué)特性的在建模基礎(chǔ)上，完成的虛擬樣機(jī)，還是通過仿真模型在計(jì)算機(jī)上仿真生產(chǎn)全過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)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(jié)底，所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)簡單地說，就是數(shù)字仿真加圖形可視化。因此，虛擬系統(tǒng)的基本組成有高性能計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、圖象生成與顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫（含地理信息、氣動(dòng)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等）以及相應(yīng)的人機(jī)接口和軟件支撐環(huán)境。

 

四、 結(jié)束語

 

    軍用仿真技術(shù)以戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)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(yīng)用為重點(diǎn)，為適應(yīng)新型號(hào)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星系統(tǒng)研制的需要，充分驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，“十五”期間突破精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)仿真、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)訓(xùn)練仿真、環(huán)境仿真、分布交互式仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等關(guān)鍵技術(shù)，建立相應(yīng)的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真支撐環(huán)境，充分發(fā)揮仿真技術(shù)在導(dǎo)彈背景型號(hào)武器裝備發(fā)展論證，研制與試驗(yàn)、定型與評(píng)估、使用與訓(xùn)練、更新與改造等全過程中的先導(dǎo)和支撐作用。
    另外，通過對(duì)虛擬技術(shù)的研究，盡可能地?cái)U(kuò)大其應(yīng)用范圍，采用虛擬樣機(jī)，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及虛擬制造等概念，可以使傳統(tǒng)的武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生變革。虛擬技術(shù)將是21世紀(jì)武器系統(tǒng)研制和軍隊(duì)建設(shè)的重要手段。

 

作者姓名： 夏也謹(jǐn)
作者單位： 上海航天局八部
作者職稱： 研究員