1.1 虚拟战场的发展历程

20世纪80年代末冷战结束以来，各国纷纷将投资重点转向经济建设，裁减军队规模已成为世界范围的趋势，大范围的军事演习逐年减少。实战型的军事演习不仅面临着政治环境的制约，而且需要巨额的经费。尤其是高技术条件下实战演习耗资巨大，既不可能将大量的高新技术武器装备投入到经常性的实装实弹训练中，也不可能将未来作战对手、战场环境完全现实地提供给研究者。因此，采用仿真的方法已成为解决军事研究资源与军事研究需求矛盾的根本出路。

目前，包括我军在内的世界各国军队军事仿真手段有如下3种。

1.推演模拟

推演模拟实际上就是解析模拟，通过参数、初始条件、公式、方程和不等式等来表示双方的对抗关系，求解解析模型，研究战斗双方兵力损失随时间的变化情况。美国兰德公司是采用推演模拟方法研究战略决策和预测问题的先驱。该公司在不同的局部冲突和重大事件的决策中采用了微分对策、兰彻斯特方程等数理战术学的方法进行研究，并形成了一种面向军用领域的基于能力规划的方法——探索性分析。该方法从作战目标出发，寻找影响作战目标的不同因素及其相互关系，并以这些因素为新的目标再寻找相关的影响因素，最终建立不同的因素与作战目标之间的影响关系，形成层次化的、具有多分辨率特征的解析模型树，再调整这些因素，观察解析模型树所产生的结果，即发现不同的因素水平与作战目标之间的联系。联合一体化应急模型（JICM：Joint Integrated Contingency Model）是兰德公司采用探索性分析方法为美国国防部开发的战区作战模型，主要用于军事实力对比分析。

另外在采用推演模拟方法解决高层的宏观决策问题时，系统动力学模型也是一种常用的方法。系统动力学是一种以反馈控制理论为基础，以数字计算机仿真技术为手段的研究复杂社会经济系统的定量方法。它将系统抽象为结构与功能的因果关系图式模型，利用反馈、调节和控制原理进一步设计反映系统行为的反馈回路，最终建立系统动态模型。再经过计算机模拟，对系统内部信息反馈过程进行分析，就可以深入了解系统的结构和动态行为特性。

采用推演模拟方法，在参数不变时其结果具有确定性，具有速度快，易于掌握主要因素和易于分析的特点。目前，已被各国军队普遍接受，并成为师或师以上指挥与参谋人员有效的训练方法。同时，在推演模拟方法基础上发展起来的战争数理分析，成为研究武器装备发展需求、军事编制规模等宏观问题的可行手段。

但是，应用解析法的前提是需要对作战的宏观和微观过程都十分了解。由于战争系统是一典型的复杂巨系统，所涉及的作战要素众多、关联关系复杂。现代信息化作战条件下，各作战要素之间的对抗和协作关系一般具有极强的非线性特征，在目前对作战过程研究不够深入、数据匮乏（无历史数据，也缺乏仿真数据）的情况下，很难建立起系统的解析模型。同时，战争模拟还需要考虑武器装备之间的指挥和控制关系及其相关的战场环境和作战条件，但推演方法难以综合考虑复杂的作战条件，难以建立精确的模型控制关系。例如，情报侦察、电子对抗、指挥控制装备、作战实体形成的控制回路、体系中各个环节的联系等，仅仅通过方程的系数变化考察对结果的影响，并对相关因素进行敏感性分析。在使用解析法时，往往将作战中的对抗关系在时间分辨率上简化，实际上没有描述武器系统和装备之间动态的对抗和协作关系，而是直接基于装备数量对抗关系和数理战术学的角度在宏观上描述对抗过程，并将指挥控制关系蕴涵在模型的假设条件中，导致模型过分简化。以上因素造成了推演模拟方法的结果简单粗略且难以验证，且具有很强的主观性，其可信性很难保证。

2.离散事件过程仿真

离散事件仿真是通过对作战各要素和战场环境的分析建立仿真模型，把所关心的作战要素和作战过程分解为一系列基本活动和事件，并按逻辑关系将它们组合在一起，建立作战双方的体系对抗模型进行仿真。20世纪60年代，美国国防部建立了TACWAR作战模型用于分析作战计划和兵力结构，并通过该模型的改进对沙漠风暴行动进行了仿真。80年代，为进一步提高作战行动和兵力结构的分析能力，美国空军、海军和陆军相继建立的联合分析模型，如THUNDER（空军）、CEM（陆军）和NSS（海军）等。进入90年代，这些作战模型已经不能满足联合作战中兵力、装备和作战分析的需要。1995年，美国国防部长办公室实施了JWARS（Joint Warfare System）研究和开发计划。JWARS是美国新一代战区作战模型，它可以支持兵力结构分析和设计、作战行动过程分析和作战计划分析等。JWARS采用面向对象的离散事件仿真方法，不强调人工干预，基于过程推演的方法进行设计。美国空军研制的面向战役层次的合成战场行动研究模型（STORM，Synthetic Theater Operation Research Model），作为JWARS的一部分主要研究美国空军装备体系结构、兵力组成、作战计划和执行、系统效能评估和权衡分析、作战概念、战术开发和评估等。俄罗斯也采取了类似的方法，他们充分利用单件兵器的实验数据、战术仿真和解析计算结果，并通过人机交互引入战术决策，使得仿真更精确可信。由于离散事件仿真系统可以仿真战争对抗的完整过程，因此，在战役仿真中应用较多。目前，大部分军事模型属于离散事件仿真模型，成为部队中级指挥员训练的主要手段。但是，离散事件仿真过程的每一个阶段都需要估计事件的发生概念确定事件是否发生进而确定战争进程的走向，而这些数据缺乏时常常要靠经验来估计，同时模型的精度和可信度也依赖建模人员的经验与水平。因此，离散事件仿真本质上也属于一种低分辨率的仿真，其精度和可信度难以保证。

3.虚拟现实（VR, Virtural Reality）仿真

在过去的10多年里，随着计算机技术、军用仿真技术的发展，虚拟现实训练的应用范围得到了极大扩展，以虚拟现实技术建造的各种武器仿真平台使得武器操纵者在接近实战的情况下进行战斗技能的训练，有效地提高了战斗员和指挥员训练的逼真性和时效性。

虚拟现实技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术。它是综合了计算机图形图像技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的信息技术领域的最新成果，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。目前，所涉及的研究应用领域已包括军事、医学、心理学、教育、科研、商业、影视、娱乐、制造业、工程训练等。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。其基本特征可以用3个“I”来概括，即Immersion、Interaction、Imagination（沉浸、交互、想象）。虚拟现实实际上是具很高逼真度的可视化仿真系统。

虚拟现实系统在军事上最直接的应用是各类武器平台的模拟器，自出现以来得到了快速的发展。然而，独立的虚拟现实系统模拟现实世界存在着不少局限。例如，应用于军事领域，只能满足单一兵种单一类型武器平台的操作训练，或单一武器系统的研究与分析，而真实的军事系统是一种涉及多方合作与对抗的复杂巨系统，独立的虚拟现实系统对此无能为力。1978年，美国某空军基地的空军上尉J. A. Thorpe在《Future Views： Aircrew Training 1980—2000》一文中，提出了联网仿真的思想。首次系统地阐述了联网仿真技术的功能要求，希望实现受训人员在分布虚拟战场环境中进行训练，最终目标是达到受训人员分辨不出训练系统和真实系统。这篇文章立即引起了广泛的关注，虽然当时联网仿真所需的技术还未成熟，但美国国防部接受了此思想，这是虚拟战场概念的萌芽。1981年，Thorpe被调到美国国防部高级研究计划局（DARPA，现在的ARPA）。1983年，在他的主导之下，DARPA制定了一项称为SIMNET（SIMulation NETworking）的计划，希望将各军兵种单兵使用的仿真器连接到网络上，形成一个共享的仿真环境，进行各种复杂任务的综合训练。1989年，DARPA建成了分布于美国和德国的11个基地，包括260个M1A1坦克和布雷德利战车等的仿真器、指挥控制中心和数据处理设备的综合仿真网络。SIMNET是同构型的广域网系统，它第一次实现了作战单元之间的直接对抗，并能在其所提供的虚拟作战环境中进行营以下规模的联合兵种协同训练和战术对抗研究。SIMNET形成了新的分布仿真概念，即将多种仿真应用集中到同一个时空环境中。从此，计算机网络技术与虚拟技术相结合，将分散在不同地域的独立虚拟现实系统通过计算机网络连接起来，使多个用户在一个一致的共享虚拟环境下交互，它的出现使虚拟现实仿真复杂事物的能力大大增加，SIMNET也成为历史上的第一个投入实际使用的虚拟战场。20世纪90年代初，已建成了分布于美国本土及欧洲10个地区作战基地，包括200多个仿真模拟器和通信、指挥、数据处理设备的综合仿真网。SIMNET计划最终实现了260台装甲车辆仿真器的互联，开创了分布式交互仿真和分布式虚拟现实技术的研究和应用。SIMNET的一些成功技术和经验对以后虚拟战场的发展有重要影响。

SIMNET采用了一种无中心服务器的对等式网络体系结构，即整个仿真网络环境中没有中心服务器，各仿真节点之间是完全平等的关系，每一个仿真节点既可以是信息提供者，同时也可以是信息接收者。各节点之间有一个默认的全局环境数据库，每个仿真节点只提供它所仿真的实体的状态信息，且每次提供状态信息时，节点以广播方式将信息发布到整个网络，其他节点是否接收并处理该信息，完全由它自己决定。这种网络结构在一定程度上减少了对网络带宽的要求，同时还增加了网络的稳定性，不会因为某一仿真器的异常终止而导致整个仿真任务的终止。SIMNET还采用了至今仍被广泛使用的DR（Dead Reckoning）算法。这种算法可以较大幅度降低网络的负载。

上述两项技术初步解决了一定规模仿真器互连的问题，实现了从单武器平台的操作技能训练到多武器平台间协同与对抗作战仿真的跨越。总结SIMNET研究、开发和应用过程中积累的经验，美国政府和工业界在SIMNET基础上，共同倡导并建立异构型网络互连的分布交互仿真系统（DIS, Distribute Interactive Simulation），把它作为美国面向21世纪的一种信息基础设施，并于1989年制定了IEEE DIS的协议标准。基于DIS标准，美国军方在各军兵种开展了各种高级概念技术演示项目（ACTD, Advanced Concept Technology Demonstration）的研究开发，建立了一批用于军事仿真训练的分布式虚拟战场环境，训练作战人员的协同与对抗能力。当仿真实体数目达到一定规模时，分布式虚拟战场环境就可以进行各种战术演练，用来训练指挥与参谋人员，或进行作战计划预演，并根据实际的，而不是计算的演练结果来评判作战计划的合理性与效果。DIS技术推出后很快应用于美军各兵种的仿真系统研究和开发，如美国海军的“作战部队战术训练系统（BFTTS，Battle Force Tactical Training System）”、空军的“联合建模与仿真系统（JMASS，Joint Modeling And Simulation System）”，以及STRICOM的“多兵种战术训练系统（CATT，Combined Army Tactical Trainer）”等。同时研究性的虚拟战场有“水下航行器（AUV）研究”、“NPSNET（Naval Postgraduate School Networked Vehicle Simulation）虚拟战场” 等。典型的DIS系统如多兵种战术训练系统CATT，其目的是应用逼真的虚拟战场进行战术对抗演练，训练营以下级别的指挥人员。它主要包括5个子系统：小型战术训练系统（CCTT），飞行综合战术训练系统，防空综合战术训练系统，火力支持综合战术训练系统和工程综合战术训练系统。其中CCTT是CATT的基础，CCTT中坦克模拟器有M1A1/M2A2、布雷德利战车等，还包括计算机生成的兵力，战术空域管制单元，迫击炮火力引导中心、战区炮兵指挥中心等单元，仿真的环境包括昼夜、雾、普通地形、沙漠地形、地雷区等。这些子系统都通过DIS协议进行通信。

在DIS发展的同时，DARPA发起了一个聚合级分布式作战仿真的实验，随后委托Mitre公司对实验进行分析研究。Mitre公司对照SIMNET对实验进行了技术分析，提出了聚合级仿真协议（ALSP，Aggregate Level Simulation Protocol）。聚合级仿真过程中仿真时间不是均匀实时推进的，而是由离散事件触发，每个聚合级实体由许多平台级实体组成，因此，ALSP管理实体的数量大大超过了SIMNET。ALSP的目标是使现有的多个聚合级作战仿真应用可以通过局域网或广域网相互交互。在概念上，每个仿真控制其自身对象，并且共享有关其自身与其他仿真的信息。ALSP吸取了SIMNET技术中的一些原则，如没有中心节点、地理分布、自主属性和基于信息的协议等，同时发展了一系列聚合级仿真所需的技术：时间管理、数据管理和体系结构等。采用ALSP构造的军事仿真系统如联合训练联邦（JTC，Joint Training Confederation），它是由一组基于ALSP的应用系统构成。在建成初期仅包括两个仿真应用，后来发展为12个，包括陆军战役仿真系统、空中作战仿真系统、联合指挥电子战仿真系统、联合指挥战役仿真系统、海军航空与地面兵力战术对抗仿真系统、战术仿真系统等。1992年，ALSP应用于美军的“中心堡垒92”、“回师德国92”和“聚焦镜头92”3次主要军事演习。

SIMNET及DIS技术取得的成功，使得分布式虚拟战场环境系统的开发和应用越来越多。为了应用不同仿真系统完成多兵种联合任务演练，不同单位开发的仿真系统之间的互操作性与可重用性就显得越来越重要。例如，如果陆军需要开发一个分布式虚拟战场环境，训练装甲车辆作战人员与直升机对抗过程中的作战能力，他们除需要开发相应的坦克仿真器外，如果能直接使用空军的直升机仿真器，或者能与空军的直升机仿真系统进行互操作，那么将减少陆军重复开发直升机仿真器的工作量。但是，由于DIS标准中采用了广播信息传递方式，因此，限制了仿真的规模，并且不同仿真系统之间的互连仍然存在过多的假设。同时，ALSP的思想实际上也是基于DIS的，并未彻底解决仿真系统间互操作性的问题，因此，DIS和ALSP都不能满足扩大虚拟战场规模和增加虚拟战场复杂程度的需求。

为了构建更大规模的分布式虚拟战场环境，实现多兵种之间更大规模的联合作战演练，以便于训练指挥与参谋人员，并对战术演练与作战计划预演提供支持，用真实的演练结果评判作战计划的可能性。美国军方从高层管理机构开始，强调统一认识、统一行动，在规范化的系统框架下加速发展公共的支撑技术。1996年，美国国防部建模与仿真办公室（DMSO，Defense Modeling and Simulation Office）发布了建模与仿真主计划，提出了高层体系结构（HLA，High Level Architecture）的概念。同时规定整个C4ISR系统及其中的一切信息子系统均应遵循HLA体系结构和规范，一切实际的军用信息系统和它的仿真系统均应分层次地进行集成和管理。于是，美军军事仿真办公室将研究重点逐渐从DIS转移到HLA，并将HLA作为分布式虚拟战场环境和其他类似的军用仿真应用开发的基础。1997年12月，HLA1.3作为IEEE的标准草案提交给仿真互操作标准组织（SISO，Simulation Interoperability Standard Organization）审议，于2000年9月21日被采纳为IEEE标准（IEEE 1516）。

HLA定义了一个技术框架，构成系统的各类模块或各类仿真体均可直接连入该框架，方便地实现相互间的互操作。每个描述一定功能的子模块或仿真过程都被称为HLA的一个联邦成员，简称邦员（Federate），每个邦员包含若干个对象，组成特定应用系统或仿真任务的全部邦员的集合称为联邦（Federation）。为了确保系统有较好的性能价格比，HLA还提供了一系列商用现货供应（COTS，Commercial Off The Shelf）和政府现货供应（GOTS，Government Off The Shelf）的软、硬件，以达到“高效实用”和“即插即用”的效果。每个邦员通过逻辑通路与运行时基础结构（RTI，Run Time Infrastructure）相连，由RTI进行协调和管理，邦员间无直接联系。实质上，RTI发挥着一个分布操作系统的作用，如图1-1所示。

一般来说，HLA由3部分组成：一组规则（Rules），规定了邦员和联邦应具有的特征和遵循的行为准则；接口规范（Interface Specification），定义了各邦员与RTI的接口方式；以及RTI所能提供的6种服务，即联邦服务、时间管理、数据分布管理、声明管理、所有权管理和对象管理。各邦员与RTI的接口方式是通过RTI/API实现的，RTI/API为应用程序提供调用RTI功能的接口，RTI/API是用遵循CORBA标准的接口描述语言（IDL）编写的。

另外，为了更好地实现多兵种、多武器平台、异地联合作战演练，美国国防部建立了一个国防仿真互联网（DSI，Defense Simulation Internet），如图1-2所示。该网络连接了美国从东到西的若干城市的一批研究与应用单位。DSI使用了高性能网络产品，研究了专用的安全保密方法，还采用了一种支持组播的双层网络结构，使大规模的分布式军事仿真演练成为可能。美国军方在20世纪90年代中期开发的战争综合演练场（STOW）以及后来的联合仿真演练环境（JSIMS）都是在DSI网络环境与体系结构下进行的。1997年10月，举行的STOW97联合演练是第一个验证了HLA标准的大规模虚拟战场系统，也是虚拟战场发展史的一个重要的里程碑。STOW97参演节点分布于美国和英国的5个不同地点，通过DSI互连，共有海陆空多家单位开发的3700多个仿真实体，8000多个参演对象参与同一联合仿真演练任务。STOW97使用综合自然环境，包括500km×750km的不同分辨率的真实地形数据，演示了天气变化、球形地面、自动化合成兵力指挥、动态目标、智能传感器以及与真实C4I系统的连接等多项功能。在每次长达24h，共3次的演练中，没有发生一次网络崩溃，可见其性能及结构的合理性和稳定性。

1999年美国联合作战司令部（JFC，Joint Forces Command）美国提出了“Millennium Challenge 2000（MC 2000）计划”，用于测试大规模虚拟协同作战的可能性。2002年7月24日到8月15日，JFC主办了“MC 2002”演习，这是美国第一次联合作战实验，它将实况地域的军事演习和计算机仿真整合在一起。MC 2002的主体框架采用HLA标准，也包括了部分DIS系统，其中核心的仿真应用有19个，指挥型仿真系统5个，战术型仿真应用系统18个，整个联邦包括了42个仿真应用系统，90多个HLA邦员，至少3000个组播组。另外还包括实况兵力13500人，人在回路模拟器6个。系统中的计算机和工作站有2950台，各个邦员所仿真的实体有695种，仿真的战场环境达10万平方英里（1平方英里=2.59km2），是有史以来规模最大的仿真应用联邦，在运行的408h期间实现了不间断连续运行。

1997年美国空军战斗司令部启动的分布任务训练系统（DMT，Distributed Mission Training system）项目，是目前持续时间最长、实用化最彻底的大规模分布式虚拟战场系统。DMT系统使用HLA标准协议将分布于各个空军基地的模拟器进行联网，使得不同空军基地的飞行员和模拟器能够毫无障碍地协同完成复杂的任务训练和军事演习，它的基本组成单位是任务训练中心（MTC，Mission Training Center），每个MTC由2～4台本地联网的飞行模拟器构成。1997年开始美国空军和一些飞机制造商（如波音、洛克希德·马丁公司等）签署合同，建设一系列以F15C、F16模拟器为主的任务训练中心。到2003年年底，美国空军建成并投入使用的任务训练中心包括：以F15C模拟器为主的Englin空军基地，Langley空军基地，Elmendorf空军基地，以F16飞机模拟器为主的Shaw空军基地，Mt.Home空军基地，以及以AWACS模拟器为主的Tinker空军基地。2001年3月，沙特阿拉伯空军向波音公司订购了任务训练中心的F15C模拟器。在未来几年中，美国计划建立F15E、F22、B-2、F117等飞行模拟器的任务训练中心，并且除了在美国外，还计划在日本、欧洲、中东等国家和地区的军事基地中建立一批类似的虚拟战场系统。

2005年1月，美国海军也接收了它的第一个DMT系统，标志着DMT系统已经从空军扩展到了海军。该系统由4台联网的F/A18C模拟器组成，用于训练海军航空兵Ocenana.Va基地的F18机组。同时，第二组F/A18C模拟器DMT系统已在2005年9月交付给美国海军位于加利福尼亚的Lemoore航空基地。

迄今为止，美军已兴建了各式各样的军兵种演练基地80余处，其中较著名的演练基地：陆军有“欧文堡”中心、波尔克堡战略中心、利文沃斯堡战斗指挥中心、阿肯色州的轻装部队中心以及山地师训练中心、高原作战中心、格里堡寒区作战中心和热带丛林战中心等；海军主要有大湖海军中心、太平洋舰队作战中心、大西洋舰队作战中心、陆战队登陆特派部队/远征中心和海军特种作战中心；空军基地主要有内利斯空军战术作战中心、空中机动作战中心、空军作战模拟中心及空军战略作战中心等。每个作战实验室的年度战术级训练可达数百次，这些基地均为检验美军在不同环境条件下的目标作战能力发挥了重要作用。在海湾战争、科索沃战争以及伊拉克战争前，美国陆军在欧文堡国家训练中心、海军在法龙水面作战中心、空军在内利斯训练基地都进行了模拟仿真演习，为这些作战行动的成功打下了坚实的基础。

国内近年来也对虚拟战场进行了大量的研究。“九五”期间，有航天科工集团二院二部、北京航空航天大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等多家单位共同参加的“综合防空多武器平台仿真示范系统”项目。2001年11月，由空军某飞行学院研制的“战机实时仿真模拟器”第一次列装空军部队，该模拟器较好地解决了空间立体视景技术。北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室研制开发的分布式虚拟环境（DEVNET，Distributed Virtual Environment Network），以多兵种战术演练为背景，全面开展了虚拟现实技术的研究开发和综合应用。该虚拟战场包括一块大小为110km×150km基于真实地形数据的虚拟陆战战场环境，与陆地连接的200n mile×200n mile的逼真的海战战场环境，以及飞机、坦克、舰艇、潜艇、自行高炮、导弹和雷达等武器的虚拟仿真平台。在课题参研单位的密切合作下，已进行了多次异地海、陆、空三军作战联合演练。

2005年，全军第一个战争模拟实验室建设工程日前在国防大学通过鉴定。这标志着我军有了能够在战略、战役层次上进行战争分析、作战训练和武器装备研究综合模拟仿真的战争模拟实验室。这个实验室可从战争和联合作战的层面研究信息化战争的规律与高层决策，训练我军高中级指挥人员和参谋人员，研究武器装备体系的运用与发展。它突破了作战、训练与武器装备研究相互独立的传统方法，建设了能够支持战争分析、联合作战训练、武器装备研究的仿真模拟综合性实验环境，闯出了一条我军高层作战实验室建设的新路子，为训练模拟化、分析定量化、决策科学化、指挥自动化做出了重要贡献。

但是，国内虚拟战场大多由地方工业部门、大专院校和研究所开发，军方的参与单位目前以院校和研究所居多，真正的决策部门和一线部队参与虚拟战场研究与开发的不多，同时，国内现有的虚拟战场系统在规模和技术水平上与国外先进水平相比还有不小差距，因此，在将虚拟战场向全军推广的征程上还任重道远。