深度｜美军新一代支持联合训练的 JLVC2020 框架研究
摘要: 搭建 JLVC( Joint Live，Virtual，Constructive) 联邦是支撑 LVC训练的主要方式，是美国防部训练转型战略的重要内容。在综合分析当前JLVC 联邦的建立背景、发展过程、现状和其在支持联合训练所面临的挑战的基础上，探究了美军为何要将当前松散的联邦结构发展成模块化框架的原由。并进一步研究了基于云使能模块化服务( Cloud － Enabled ModularServices，CEMS) 的LVC2020 的框架与模块化服务、关键技术和发展规划，最后给出了相关结论。
关键词:联合训练; 训练仿真; 联合训练联邦; 云使能模块化; 框架
1 引言
本世纪初，美军联合作战司令部开始搭建JLVC ( Joint Live，Virtual，Constructive) 联邦作为 LVC训练的技术支撑环境，并成功应用于美军和北约组织的系列联合军演中。JLVC 联邦支持的LVC训练有效提升了美军联合作战能力，促进了美军战斗力生成模式的转变，对信息化条件下的军事训练 起到了巨大的推动作用。但是由于 JLVC联邦中各独立系统的不断发展造成联邦需要重复繁杂的集成以保持训练平台的稳定性，这种建立在核心仿真系统基础上，用多种技术体 系将各个独立的仿真域连接起来的传统联邦构造模式逐步 暴露出集成过于繁杂，发展不可持续和不能有效满足当前与 未来联合训练需求等问题。为此，美军借鉴模块化设计理念 和建设云服务环境，提出发展基于云使能模块化服务( Cloud– Enabled Modular Services，CEMS) 的JLVC2020，目标是建设一个逼真、灵活、效费比高、可组合和可接近的满足当前与 适应未来作战训练需求的 LVC 训练支撑环境。
剖析美军 JLVC 联邦的现状与问题，分析其未来发展走向，研究基于CEMS 的 JLVC2020 的框架与模块化服务、关键技术和发展规划，对于我军发展训练仿真系统和探索大规模联合训练，加快转变战斗力生成模式，具有极其重要的借鉴 价值。
1 JLVC2020的提出背景与核心
2． 1 JLVC2020的提出背景
美军为加快实施训练转型战略，在本世纪初颁布了《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。在随后颁布的《国防部训练 转型实施计划》中明确联合国家训练能力( JNTC) 的任务是为部队和指挥参谋人员提供LVC训练环境来进行逼真、时效和实战化的训练进而支持未来作战需求，搭建一个支持LVC 训练的 JLVC 联邦成为美军训练转型和提升联合作战能力的重要内容［1，2］。
2． 1． 1 JLVC 联邦的现状与问题
美军在 2009年发布了《JLVC联邦集成指南》，目的是提升 JLVC联邦搭建水平，为美军战术级到战役级的军事训练活动提供更加实际可行和更加有效的联合训练支持，并确定了三个目标: 一是将各军兵种、各联合司令部及其余部门的模型、模拟器和工具集为一体进行仿真来支持联合训练; 二是用建模与仿真( M＆S) 技术生产的合理、完整和一致的数据对各军兵种、联合司令部和多国部队 C4I 系统进行仿真; 三是支持军兵种的联合战术任务训练［3］。
美军当前的 JLVC 联邦包括各联合司令部、机构和军兵种众多的模型和服务器，共同集成为一体来仿真 C4ISＲ 系统，并与实兵、虚拟系统进行交互。联邦主要由核心仿真系统及支持工具箱、分布式仿真支撑技术体系、基础网络通信 设施和大量的构造仿真模型、模拟器、实验与训练靶场等构成［4］，图1 是联邦模型体系结构的示意图。
图 1 JLVC 联邦模型体系结构示意图
1）构造仿真模型系统。目前，JLVC 联邦集成了美军现有的部分构造仿真系统，包括军兵种战斗模型集、后勤模型 集、情报信息模型集、一体化防空反导和空间模型集。这些 模型的联合交互运行，共同构建了一个包括陆、海、空、天、 网、电的多维虚拟战争空间。
2）实兵训练环境。美军极其重视实战化训练，认为训练环境达不到实战标准不准开展训练。在 JLVC联邦中，实兵训练环境作为重要的组成部分纳入到整个联邦中，指挥方面有全球联合指挥控制系统( GCCS) ，武器平台方面包括武器装备的模拟器、多无人飞行器仿真环境( MUSE) 和虚拟战场空间( VBS) 等，战场环境方面包括地理上分布的试验与训练靶场。
3）分布式仿真支撑技术体系。JLVC联邦采用较为开放的技术体系，包括 HLA/ＲTI、DIS、TENA和Link16等多种技术标准。技术体系为实兵、虚拟和构造仿真之间进行互通互操作提供基础技术支撑、统一通信协议和消息交换标准等。
4）指挥通信网络设施。指挥通信网络设施是 JLVC联邦重要的硬件组成部分，为 LVC训练提供指挥控制通信与仿真数据传输服务，由指挥控制网、联合训练实验网( JTEN) 和联合全球情报通信系统( JWICS) 等网络组成。
5) 核心仿真系统及支持工具箱。JLVC 联邦核心仿真系统及支持工具箱主要由三部分构成: 一是支持联合演习的战区和战斗仿真系统。包括基于聚合级联合战斗模型的联合 战区级仿真系统( JTLS) 、基于实体战斗模型的联合冲突与战术仿真系统( JCATS) 和基于实体战斗模型构造封装的 JCATS 低开销驱动器( JLOD) ; 二是联合演习控制站( JECS) 。功能包括管理主要想定事件表( MSEL) ，战场态势感知与事态分析、使用联合仿真协议分析仪进行相关数据的分析，生成通用战役视图( COP) 等; 三是支持工具箱。包括支持想定生成的联合训练数据服务( JTDS) 、联合事后讲评( JAAＲ) 和 JLVC 联邦桥等工具。
按照《JLVC 联邦集成指南》要求，美军每年或半年推出一个JLVC 联邦版本，当前的 JLVC 联邦 5．2 版本已经能够支持联合作战背景下各个层级的训练( 美军将联合训练分为作战司令部层( Combatant Command ，CCMD) 、联合特遣部队层 ( Joint Task Force Level，JTFL) 、军兵种下属层( Service Com- ponent Level，SCL) 和战术层( Tactical Level，TL) 四个训练层级) 。截止到2013 年，美军联合作战司令部已经采用 JLVC 联邦支持军兵种和作战司令部进行了近 9 年的训练。联邦现在主要的问题包括: JLVC 联邦中每个邦员都有独立的发展周期，任何邦员都有可能造成整个联邦的失败，在一个重 复的基础上集成这些邦员变得越来越复杂。为了确保联邦 环境的互操作性与稳定性，版本发布前需要花费大量时间测试，致使 JLVC 联邦版本发展周期逐渐变长( 当前周期为 12 到 18 个月) 。JLVC 联邦模型的独立性和邦员结合( federa-ted) 方式导致在联邦的模型之间存在大量的功能冗余，这需要花费大量精力来避免同类邦员间相同功能的冲突。当前的JLVC 联邦维持与运行成本高，邦员发展和联邦的集成需 要花费大量资金，应用联邦支持LVC 训练时需要大量的后台支持人员，而且对仿真技术人员的依赖过大。JLVC 联邦缺乏可剪裁性与灵活性，例如在只进行 CCMD 项目训练时， 常要附带其它训练层级人员参与。当前的 JLVC 联邦比较适合 18 个月的联合演习生命周期( Joint Exercise Life Cycle，JELC) ，在支持快速任务推演时存在短板［5 － 7］。
2．1．2 未来联合 M＆S 的发展要求
1) 要紧贴作战训练需求。满足未来作战训练需求是训练仿真技术首要发展动力，联合 M＆S 要能支持美军联合力量 2020 中赛博空间作战能力、反弹道导弹能力、应对反介入/ 区域拒止( A2AD) 能力和应对混合威胁能力等四种核心能力的提升［8］。美军认为军事训练必须实战化，联合 M＆S 要能满足 LVC 训练的实战化要求，进一步提升训练仿真的逼真度。美军认为快速搭建训练战场环境对任务推演极其重要，联合 M＆S 要更加开放灵活，具备可剪裁与可组合的能力，能够针对不同的训练目标、训练层次或训练对象快速构建训练体系，缩短联合演习生命周期［9］。
2) 要提升联邦军事训练效益。联合 M＆S 发展要充分利用信息时代的技术和借鉴“需求即服务”( services － on －de-mand) 先进理念，克服军种部门利益保护等现实制约，处理好 联合 M＆S 在支持训练时的可发现能力( 训练人员知道有什么训练资源) 与可接近能力 ( 训练人员能够方便接近和使用训练资源) ，减少对仿真技术人员的依赖性和提升仿真系统的智能化，构建“即插即用”仿真训练环境，实现“仿真即服务” ( simulation － as － a － service) ，最终提升训练资源使用效率。
3) 要融入国防战略实施中。“企业化”途径是美军实行战略转型的一种方法，为了解决信息领域的冗余、互操作能力差和资源利用率低等问题，美军提出了信息技术战略、云计算战略和建设联合信息环境( Joint Information Environ- ment，JIE) ，这为联合 M＆S 发展提供了有利的技术条件和支持环境。在训练领域，美军提出了联合训练企业架构( Joint Training Enterprise Architecture，JTEA) ，并将 JLVC 联邦作为其核心组成部分，目的是促使美军训练向更深的联合程度发展。这要求联合 M＆S 不能再进行“烟囱式”的发展，而是进入国防部广阔的“企业化”中［10 － 12］。
2． 2 JLVC2020 的核心
为了解决以上问题和提升联合 M＆S 发展水平，美军将对仿真训练支撑环境进行变革，变革聚焦于联合 M＆S 的模块性概念和仿真训练平台的模块化设计理念，即通过开发小型并具有特定功能的模块化服务单元来逐步代替庞大而复杂的仿真系统，实现当前松散的联邦结构向模块化框架的转变，最终开发出一个基于云使能模块化服务( CEMS) 的联合训练支撑环境。美军联合参谋部已经完成模块化服务的概 念开发，并于 2014 年进行模块化框架原型的设计和开发，计划在 2019 年前建成基于 CEMS 的 JLVC2020，届时能满足联合力量 2020 的需求。
3JLVC2020 的框架与关键技术
3． 1 基于 CEMS 的 JLVC2020 框架
基于 CEMS 的 JLVC2020 由许多特定功能的模块化服务单元构成，框架构成包括 CEMS、想定管理工具 ( Scenario Management Tool，SMT) 、虚拟训练接口( Virtual Training In- terface ，VTI) 、相关数据层( Correlated Data Layer，CDL) 和权威数据源( Authoritative Source Data，ASD) ，图 2 是 JLVC2020 的框架示意图。在 JLVC2020 发展的早期，这些服务单元必须与当前的 JLVC 联邦在一个混合状态下交互运行，随着模块化服务的扩展与成熟，最终成为一个完全由模块化服务单 元构成的训练仿真平台［13］。
图 2 基于 CEMS 的 JLVC2020 框架示意图
3． 1． 1 云使能模块化服务( CEMS)
CEMS 主要由数据服务代理( Data Service Broker，DSB)和云使能环境支撑下的三个模块化服务层构成，包括环境 层、战争模拟层和接口层，其中每个层都集成有大量的模块 化服务单元，随着 JLVC2020 版本的升级，更多的模块化服务单元将加入其中，如图 3。
图 3 CEMS 服务模块构成示意图
DSB 是 JLVC2020 的核心引擎，是模块化服务层和数据活动的联接部件，是仿真交互的数据交换中心，主要有数据服务、服务与资源代理和运行时数据库三个模块组成。环境层的主要功能是应用资源存储仓库的数据建立仿真环境，包括环境的时间、地形、天气和模拟兵力等要素。对任何给定的训练项目，环境层都能创建一个存储于运行时数据库中的特定仿真环境，并能随着项目的需求而进行转移、扩展和改进。战争模拟层的主要功能是依据训练需求，项目设计人员从众多的仿真模型、工具和服务单元选择适当的模块来进行交互以支持训练目标的实现。美军计划建立更多的服务模块来应对未来联合作战的需求，特别是能支持联合力量2020 核心能力的战争模拟服务模块。接口层的主要功能是为LVC训练时提供通信、协议转换和显示服务，例如通过DISA ( Defense Information Systems Agency) 提供网络与传输服务， 通过运行时间支撑构件( ＲTI) 实现数据交互、运行时间协调和分布式仿真的可扩展能力，接口层还提供 3D 和2D 客户端显示接口等功能。
3． 1． 2 相关数据层( CDL)
CEMS 概念的关键是建立一个触角深入到现实世界数据源的单一数据层。美军计划通过对现实世界的数据进行收集整理与确认，建立一个包括兵力结构、武器效能、地理资 源、后勤和作战条令等数据的权威资源数据库( ASD) ，并建立 CDL 以支撑模块化服务来解决训练仿真系统中存在的数据冗余、问题数据和数据不一致等问题，如图 4。
图 4 CDL 和 ASD 服务模块构成示意图
美国联合参谋部正在开展的联合训练数据服务( JTDS) 项目大大增加了建立一个可行和令人满意的相关数据层的信心。
3． 1． 3 想定管理工具( SMT)
SMT 主要包括事件设计工具( Event Design Tools，EDT) 和想定设计工具( Scenario Design Tools，SDT) ，如图 5。
图 5 SMT 服务模块构成示意图
SMT 的功能是依据训练需求快速搭建训练环境，能在大型训练项目的 JELC 周期中节约时间、人力等资源，缩短JELC 周期，是实现 JLVC2020 灵巧性和可组合性的关键构成部分。想定管理工具能帮助所有训练人员在没有建模与仿 真专业人士指导的情况下，通过快速演绎其意愿和理解其训练目标，进而设计一个预期的想定背景。其在针对训练项目搭建一个预期的仿真实例时，如进行批处理文件一样，在训 练仿真准备时请求调用特定的模块化服务单元和必要的数据。这种方式能够通过对训练项目的优化和预测每个训练 项目加载到 DSB 的提前时间等预处理方式来支持同时进行多个仿真训练项目时的资源共享管理。
3． 1． 4 虚拟训练接口( VTI)
VTI 由通用服务和事件控制工具( Event Control Tools，
ECT) 组成，如图 6。
图 6 VTI 服务模块构成示意图
VTI 将作为训练者与 M＆S 之间的结缔组织，是实现JLVC2020 可接近能力和可发现能力的部件，功能包括协助训练者接近 SMT，组合训练环境，并控制 M＆S 的输出等。
VTI 是设计 M＆S 实例的关键部分，其也将担任计算机辅助演习( CAX) 管理角色，允许训练者或 CAX 管理者在仿真活动中整合 MSEL 内的众多事件和监视 JLVC2020 的运行状况，并用 VTI 中的事后讲评( After Action Ｒeview，AAＲ) 系统支持训练人员的学习。虚拟训练接口还能为 CAX 管理者或训练者提供一些管理 C4 ISＲ 仿真和指挥控制消息的能力，从而达到对 C4 ISＲ 仿真的影响。
3． 2 JLVC2020 的关键技术
模块化服务规范、数据服务代理( DSB) 和数据管理模式是 JLVC2020 早期需要解决的三个关键技术。
1) 模块化服务规范。JLVC2020 设计的三个模块化服务层( 环境层、作战模拟层和接口层) 将逐步由大量的独立的模块化服务单元构成，为了满足不同训练 层级的需求和JLVC2020 的发展，模块化服务单元需要具备必要的逼真程度和有机的升级演进过程。模块化服务的研发将由美军各军兵种和国防部各部门一起协作完成，独立模块化模型可能将由不同的开发者来研发。另外，美军还计划将现存的大型仿真系统进行拆解并转化成模块化服务单元。美军认为模块化服务规范是 JLVC2020 成败的关键，高度重视模块化服务的标准设计与规范。
2) 数据服务代理( DSB) 。DSB 是 JLVC2020 的核心引擎，是模块化服务和数据活动的联接部件，是仿真交互的数据交换中心。随着计算机硬件性能持续提升和具有可扩展计算能力的高速骨干网络的支持，DSB 的交互能力和数据处理能力将显著提升，进而能为搭建一个高逼真度训练环境提供支撑。为了满足训练需求，美军计划寻求硬件上的解决办法来改进 DSB，能同时支撑多个大型训练演习项目。
3) 数据管理模式。对 CEMS 框架的数据需求初步分析表明，根据数据在模块化服务层的时间敏感性和使用率等特征可以将数据分为不同类别，美军期望建立一个动态分层的数据管理机制。
4JLVC2020 的发展规划
美军根据JLVC2020从2013至 2020年间的发展情况， 大致可以分成三个阶段:
1) 原型开发期 (13 年－14 年) : 美军联合参谋部将于2014 年进行模块化框架原型的设计和开发，在 DSB 原型初期，JLVC2020 将与 JLVC 联邦共同发展，主要通过 MSEL 驱动 CAX 满足训练需求和经费节约。
2) 发展关键期( 15 年 － 17 年) : 2015 年，美 军将用JLVC2020 的 0.6 版本代替逐渐衰败的 JLVC 联邦 6.X 版本，并在次年 DSB 第一个正式版本的基础上发布 JLVC2020 的1.0 颁布，其主要聚焦于 MSEL与CAX 的一体化。这一时期JLVC2020面临的风险挑战最大，是成败的关键期，但美军认为随着计算能力与云服务等技术的进步和依靠严格的项目管理完全能够克服风险。
3) 快速发展期( 18 年－20 年) : 随着模块化服务规范、DSB 和数据管理模式等关键技术的突破，在赛博、A2AD、混合威胁和导弹防御方面开发出新的模块化服务单元，JLVC2020 将进入一个快速稳健的发展时期。JLVC2020 的2. 0 版本的模块化服务能力会有明显的进步，特别是在 CC-MD 和 JTFL 训练层级，并具备了在此层级的可组合性。到4. 0 版本，模块化服务将变得常态化而不是特例，JLVC2020将一个灵活、效费比高、可组合、可发现、可接近的满足作战 训练需求的 LVC 训练技术支撑环境。
5结论
美军将建模与仿真技术看作是军队和经费效率的倍增器，是“五角大楼”处理事务的核心方法和战略性技术，LVC训练方法已经成为美军“第二次训练革命”的核心内容和主要动力，建设能够支撑 LVC 训练的 JLVC2020 必将成为美军联合训练环境建设的重点［14］。美军将会树立“仿真即服务” 理念，通过发展基于 CEMS 的仿真训练环境，最终实现JLVC2020 计划所承诺的目标: 缩减运行和维护费用，克服JLVC 联邦技术问题，最终形成一个贴近实战、方便快捷的训练支撑环境。认清历史现状是创新的前提，未来需求是创新的动力，顺应时代潮流是创新的生命力，借鉴也不失为落后者追赶先进者的一种创新方法。深入剖析美军 JLVC2020 的提出背景，研究其框架、关键技术和发展规划，有利于我军借鉴吸收美军在发展仿真训练系统中的有利经验和少走弯路， 提升我军仿真建设水平。
参考文献：略
注：本文发表于《计算机仿真》2015年1期。向作者和编辑部表示敬意！