基于碰撞檢測的艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真方法研究

王 偉，趙曉哲，王 勃，2（. 海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 608；2. 中國人民解放軍9289部隊(duì)，遼寧 大連 602）

基于碰撞檢測的艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真方法研究

王 偉1，趙曉哲1，王 勃1，2
（1. 海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2. 中國人民解放軍92819部隊(duì)，遼寧 大連 116021）

針對艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真適用于離散事件系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)，介紹了離散事件系統(tǒng)的仿真策略，分析了不同策略的側(cè)重點(diǎn)，結(jié)合海戰(zhàn)特點(diǎn)選取了適合艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃的仿真策略。對艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真進(jìn)行離散事件的分類，研究不同事件類型下的時(shí)間確定方法，其中重點(diǎn)闡述了通過"碰撞檢測"算法，計(jì)算艦艇作戰(zhàn)中重要條件事件發(fā)生時(shí)間的方法。在此方法基礎(chǔ)上，結(jié)合艦艇作戰(zhàn)流程給出了方法的應(yīng)用分析。提供一種可提高艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真效率的可行方法。

作戰(zhàn)計(jì)劃；離散事件系統(tǒng)仿真；仿真策略；碰撞檢測

0 引 言

作戰(zhàn)計(jì)劃是為完成作戰(zhàn)任務(wù)而制定的指導(dǎo)作戰(zhàn)準(zhǔn)備和作戰(zhàn)行動的指揮文書［1］。作戰(zhàn)計(jì)劃分析是預(yù)先對作戰(zhàn)進(jìn)程和結(jié)果進(jìn)行分析評估，將發(fā)現(xiàn)的問題加以更正和完善，進(jìn)而優(yōu)化作戰(zhàn)計(jì)劃，為實(shí)際的作戰(zhàn)行動提供支持。隨著技術(shù)的發(fā)展，海上作戰(zhàn)日益復(fù)雜，戰(zhàn)斗節(jié)奏不斷加快，傳統(tǒng)的艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃分析手段已無法滿足要求。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真分析技術(shù)已成為作戰(zhàn)計(jì)劃分析的主要技術(shù)途徑。

軍事作戰(zhàn)系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng)［2-3］。尤其在海戰(zhàn)中，戰(zhàn)爭的狀態(tài)并非連續(xù)變化，具有很強(qiáng)的跳躍性。作戰(zhàn)進(jìn)程依靠不連續(xù)的作戰(zhàn)行動驅(qū)動。本文結(jié)合水面艦艇作戰(zhàn)特點(diǎn)，提出一種基于碰撞檢測的仿真方法，用于求解海戰(zhàn)中重要條件事件的發(fā)生時(shí)間。本文所討論的艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃適用于戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)層面。

1 艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真的仿真策略

仿真策略是系統(tǒng)仿真模型的控制邏輯，從根本上決定了仿真模型的結(jié)構(gòu)，是仿真的核心問題。離散事件系統(tǒng)目前形成了 3 種典型的仿真策略：事件調(diào)度法（Event Scheduling，ES）、活動掃描法（Activity Scanning，AS）和進(jìn)程交互法（Process Interactive，PI）［4-5］。

以上 3 種仿真策略的差別主要體現(xiàn)在：事件調(diào)度法關(guān)心的重點(diǎn)是發(fā)生在某一時(shí)刻下的行為；活動掃描法的重點(diǎn)是某一狀態(tài)下發(fā)生的行為；進(jìn)程交互法的重點(diǎn)則是某一實(shí)體的完整生命周期的行為序列。

選擇何種方法，需要根據(jù)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求決定。海戰(zhàn)場中的基本作戰(zhàn)單元是平臺。攻擊行動的基本作戰(zhàn)流程是：由各平臺（預(yù)警機(jī)、艦船）進(jìn)行機(jī)動，利用裝備的電子偵察設(shè)備進(jìn)行預(yù)警探測；對探測到的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，取得目標(biāo)的軌跡、識別目標(biāo)性質(zhì)，進(jìn)而通過指揮控制系統(tǒng)為艦艇編隊(duì)中的打擊兵力進(jìn)行目標(biāo)指示，打擊兵力對目標(biāo)實(shí)施火力打擊；各偵察設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行毀傷評估。這一過程中，涉及眾多實(shí)體，交戰(zhàn)的一方會根據(jù)遭遇的事件做出相應(yīng)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)新的事件。由此可以看出，艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真中，一方產(chǎn)生事件或狀態(tài)發(fā)生改變，另一方將據(jù)此產(chǎn)生事件或改變狀態(tài)，事件的發(fā)生環(huán)環(huán)相扣。這一仿真過程中，比較關(guān)心的是事件發(fā)生的順序、時(shí)間。

從建模角度來看，事件調(diào)度法比較直觀，以事件作為其基本單元，與其他方法相比建模靈活簡便；活動掃描法需要設(shè)置每個(gè)實(shí)體的時(shí)間元，在實(shí)體較多時(shí)流程復(fù)雜；進(jìn)程交互法針對實(shí)體的生命周期建立，與艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真的運(yùn)行機(jī)制不相適應(yīng)。綜上所述，事件調(diào)度法更適合作為艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真的仿真策略。

2 基于碰撞檢測的仿真方法分析與研究

2.1 艦艇作戰(zhàn)中離散事件的分類

事件調(diào)度法中關(guān)鍵問題之一是確定事件發(fā)生的時(shí)間。離散事件分為確定性事件和條件事件。確定性事件的發(fā)生時(shí)間能提前知曉，條件事件的發(fā)生時(shí)間與條件相關(guān)，一般不能提前確定。

在艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真中，確定性事件是作戰(zhàn)計(jì)劃中規(guī)定要執(zhí)行的作戰(zhàn)行動，有明確的執(zhí)行主體、作用對象。作戰(zhàn)行動的行動序列中，行動時(shí)間也有明確的安排，所以對應(yīng)事件的發(fā)生時(shí)間已知，直接來源于作戰(zhàn)計(jì)劃。由于戰(zhàn)爭的復(fù)雜性，敵我雙方的對抗性，作戰(zhàn)過程的發(fā)展無法完全按照作戰(zhàn)計(jì)劃的內(nèi)容進(jìn)行，確定性事件的“確定”更多體現(xiàn)在仿真初期，起到對仿真狀態(tài)初始化的作用。作戰(zhàn)計(jì)劃的后續(xù)規(guī)定事件能否發(fā)生還要依賴于是否具備事件的發(fā)生條件。艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃中，確定性事件的典型例子是艦艇機(jī)動，艦艇機(jī)動是艦艇在指定時(shí)間按照規(guī)定的運(yùn)動要素（速度、航向）行進(jìn)。

條件事件的發(fā)生需要進(jìn)行條件判斷，其發(fā)生時(shí)間并不固定。在艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真中，大部分的仿真事件為條件事件。根據(jù)艦艇作戰(zhàn)的特點(diǎn)，敵我雙方兵力大部分時(shí)間都處于運(yùn)動狀態(tài)，所以不論是進(jìn)攻還是防御，首先都需要進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的位置。這是后續(xù)決策和交戰(zhàn)的基礎(chǔ)。所以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)可以看作是艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真中首要的條件事件，其時(shí)間確定后，后續(xù)其他條件事件的發(fā)生時(shí)間可以依據(jù)規(guī)則求解。

現(xiàn)在一般有 2 種方法確定條件事件的發(fā)生時(shí)間［4］：1）在確定性事件發(fā)生的同時(shí)，對各個(gè)條件事件發(fā)生的條件進(jìn)行判斷，如果滿足就處理；2）針對條件事件每隔一個(gè)“時(shí)間步長”判斷一次，如果滿足就處理。第一種方法無法精確求出條件事件的時(shí)間點(diǎn)；第 2 種方法在 2 個(gè)事件之間要進(jìn)行n次判斷。

Te2是下一事件 e2發(fā)生的時(shí)間，Te1是前一事件 e1發(fā)生的時(shí)間，Tinterval是時(shí)間步長。當(dāng) e1與 e2發(fā)生的時(shí)間間隔 TE2- TE1- Te1較大時(shí)，或者為了得到較高的時(shí)間精度而 Tinterval較小時(shí)，都會增加判斷次數(shù) n，降低仿真效率。

2.2 基于碰撞檢測的仿真方法

海戰(zhàn)中的探測是利用電子偵察設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行搜索、定位、識別。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的依據(jù)是目標(biāo)處于探測設(shè)備的作用范圍內(nèi)，本質(zhì)上是探測范圍對目標(biāo)的覆蓋。根據(jù)這一判斷準(zhǔn)則，可以利用碰撞檢測的方法來求解發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)間。這樣可以通過一次計(jì)算得出發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)間，有利于仿真效率的提高。

“碰撞檢測”是檢測 2 個(gè)（或多個(gè)）物體是否相交的技術(shù)［6］。最初用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃，使機(jī)器人能夠避開障礙物。后廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)游戲、計(jì)算機(jī)動畫等領(lǐng)域。碰撞檢測將確定 2 個(gè)物體是否、何時(shí)以及何處形成碰撞。在作戰(zhàn)計(jì)劃仿真中，碰撞檢測的對象并不是作戰(zhàn)實(shí)體，而是作戰(zhàn)實(shí)體執(zhí)行任務(wù)時(shí)所對應(yīng)的作用范圍。碰撞檢測的目的也不是為了避免碰撞，而是通過確定何時(shí)發(fā)生“碰撞”，得出離散事件的發(fā)生時(shí)刻。

海戰(zhàn)空間可以簡化為二維空間下的作戰(zhàn)環(huán)境，如果探測設(shè)備沒有角度的限制，則覆蓋范圍是一個(gè)圓形區(qū)域。設(shè)在 t0時(shí)刻，1 架我方預(yù)警機(jī)和 1 艘敵方艦船分別位于 C0和 P0處，速度矢量分別為 vf和 vs，預(yù)警機(jī)的探測范圍是以 C0為圓心，以探測距離 Rd為半徑的圓，如圖 1 所示。

將預(yù)警機(jī)探測范圍所覆蓋區(qū)域作為碰撞檢測的對象之一，與艦船進(jìn)行碰撞檢測。為了方便求解，將問題轉(zhuǎn)化為圓（預(yù)警機(jī)探測范圍）與質(zhì)點(diǎn)（艦船）間的動態(tài)碰撞檢測。在初始時(shí)刻 t0的狀態(tài)下，經(jīng)過時(shí)間 t后，圓與質(zhì)點(diǎn)位置發(fā)生變化，可表示為：

其中：tvf是預(yù)警機(jī)速度矢量為 vf的最后時(shí)刻，即在 tvf后預(yù)警機(jī)速度矢量發(fā)生改變；tvs是艦船速度矢量為 vs的最后時(shí)刻。

圖 1 t0時(shí)刻狀態(tài)Fig. 1 t0moment state

假設(shè)在 t 時(shí)刻，圓和質(zhì)點(diǎn)相交，即兩者發(fā)生碰撞。t 時(shí)刻圓心與質(zhì)點(diǎn)間的向量 d（t） 為

對 t 進(jìn)行求解。將式（3）代入式（4）得：

將式（5）化為二次方程的標(biāo)準(zhǔn)式：

圖 2 發(fā)生“碰撞”時(shí)刻Fig. 2 Collision time

2.3 碰撞檢測時(shí)作用距離的分析

因?yàn)樘綔y平臺可同時(shí)搭載多種偵察設(shè)備，不同的設(shè)備具有不同的作用距離，所以同一探測平臺具有多個(gè)覆蓋區(qū)域，利用最大的覆蓋區(qū)域進(jìn)行碰撞檢測，如果不發(fā)生碰撞，則其他覆蓋區(qū)域不必再進(jìn)行檢測。

對于同一種偵察設(shè)備，在不同環(huán)境下針對不同目標(biāo)，其作用距離也不同。以主動雷達(dá)為例，雷達(dá)作用距離為［7］：

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ 為波長；σ 為目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積（RCS）；k 為波爾茲曼常數(shù)；Ts為雷達(dá)接收系統(tǒng)噪聲溫度；C0為雜波譜密度；N0為熱噪聲譜密度；J0為干擾譜密度；（SNR）n 為脈沖數(shù) n 積累后的輸出信噪比；Lt為實(shí)際雷達(dá)各種損失；La為雙程大氣傳播引入損失。

由式（8）可以看出，實(shí)際作用距離和電磁環(huán)境、探測目標(biāo)有很大關(guān)系，其他偵察設(shè)備同理。所以在進(jìn)行碰撞檢測時(shí)，要根據(jù)具體環(huán)境、具體目標(biāo)來確定覆蓋區(qū)域。

除探測事件可以利用碰撞檢測求解時(shí)間外，武器發(fā)射也是一類重要的條件事件。發(fā)射的基本條件是目標(biāo)進(jìn)入武器射程。此時(shí)作用距離用武器射程表示，由武器射程的覆蓋區(qū)域與目標(biāo)進(jìn)行碰撞檢測求解發(fā)射時(shí)間。

3 實(shí)例分析

圖 3 為艦艇編隊(duì)抗擊導(dǎo)彈活動圖。預(yù)警機(jī)獲得導(dǎo)彈來襲情況后，對導(dǎo)彈進(jìn)行定位、識別，將導(dǎo)彈信息發(fā)送給艦艇編隊(duì)，編隊(duì)指揮對敵情進(jìn)行判斷后，做出防空決策。如果采用主動防御方式，則將導(dǎo)彈信息分配給各軟硬抗擊武器，各武器組織目標(biāo)搜索，進(jìn)入武器射程后實(shí)施抗擊。如果選擇撤退，則艦艇進(jìn)行機(jī)動以規(guī)避導(dǎo)彈。

圖 3 艦艇編隊(duì)抗擊導(dǎo)彈活動圖Fig. 3 Naval fleet against missile activity diagram

預(yù)警機(jī)在 t0時(shí)刻執(zhí)行預(yù)警探測任務(wù)，t0時(shí)刻是仿真的初始時(shí)刻，各平臺的位置和運(yùn)動要素已知。然后利用預(yù)警機(jī)的探測區(qū)域和來襲導(dǎo)彈進(jìn)行碰撞檢測，求出“碰撞”時(shí)刻 td。td值是預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈的時(shí)刻。將仿真時(shí)鐘從 t0推進(jìn)到 td，這一過程將跳過時(shí)間步長的中間環(huán)節(jié)，快速推進(jìn)到下一事件發(fā)生時(shí)刻。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)事件發(fā)生后，將觸發(fā)后續(xù)事件的產(chǎn)生。如發(fā)送信息事件，信息融合事件、指揮決策事件。這一系列事件的發(fā)生時(shí)間由處理事件的模型進(jìn)行計(jì)算［8］，分別為通信模型、信息處理模型和指揮決策模型。這些事件的時(shí)間不是交互式產(chǎn)生的，而是由一類模型內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。在經(jīng)過防空決策后，如果決定進(jìn)行主動防御，則各武器的發(fā)射時(shí)間仍采取碰撞檢測的方法取得。此時(shí)，武器射程所覆蓋的區(qū)域與導(dǎo)彈進(jìn)行碰撞檢測，發(fā)生“碰撞”的時(shí)刻即導(dǎo)彈進(jìn)入武器射程的時(shí)刻，滿足發(fā)射條件。圖 3 中 tm，tj，tf分別對應(yīng)防空導(dǎo)彈、干擾設(shè)備、艦載火炮發(fā)射的時(shí)刻。

4 結(jié) 語

在離散事件系統(tǒng)仿真中，不論使用哪種仿真策略，都需要確定事件的發(fā)生時(shí)間，所以本文提出的基于碰撞檢測的仿真方法有一定的通用性。碰撞檢測算法結(jié)合海戰(zhàn)的特點(diǎn)，是求解重要條件事件的一種有效方法，但仍需要不斷檢驗(yàn)和完善，提高艦艇作戰(zhàn)計(jì)劃仿真的效率，為指揮決策提供支持。

［1］《海軍軍語》編撰辦公室. 中國人民解放軍海軍軍語［M］. 北京: 海潮出版社， 2006: 11.

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［8］朱江， 白海濤， 馬文. 方案評估動態(tài)推演模型設(shè)計(jì)［J］. 指揮控制與仿真， 2012， 34（1）: 78–81. ZHU Jiang， BAI Hai-tao， MA Wen. Design of combat plan evaluation deduction model［J］. Command Control & Simulation， 2012， 34（1）: 78–81.

Warship operational plans simulation method based on collision detection research

WANG Wei1， ZHAO Xiao-zhe1， WANG Bo1，2
（1. Dalian Naval Academy， Dalian 116018， China； 2. No. 92819 Unit of PLA， Dalian 116021， China）

Warship operational plans simulation is suitable for the characteristics of discrete event system simulation，this paper introduces the discrete event system simulation strategy， analyzes the different emphasis of the strategy， combined with the characteristics of naval warfare has chosen for warship simulation strategy of the plan. For the classification of warship operational plans for discrete event simulation， studied the method of determining the time under different event types， which expounds the through the collision detection algorithm， calculation of warship important condition in the event of time method. Based on this method， method of application is given with warship process analysis. Provides a feasible way to improve the efficiency of warship operational plans simulation.

operational plans；discrete event system simulation；simulation strategy；collision detection

TP391.9

A

1672 – 7619（2016）04 – 0136 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.028

2015 – 10 – 28；

2015 – 11 – 30

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M562557）

王偉（1982 – ），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗媾炌ЫＥc仿真。