基于GBB技術(shù)海軍作戰(zhàn)仿真中水下探測和水聲對抗設(shè)計與實現(xiàn)

王幸軍,唐 晨

(海軍指揮學(xué)院,江蘇南京 210016)

海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)通過構(gòu)建雙方多級或多方多級指揮所結(jié)構(gòu),模擬對海軍水面艦艇兵力、海軍潛艇兵力、海軍航空兵力、海軍陸戰(zhàn)兵力和海軍岸防兵力等海軍五大兵種的指揮對抗訓(xùn)練。這些兵力實體間交互形成的戰(zhàn)斗行動方式多樣,其中,一方潛艇對另一方水面艦艇、潛艇進(jìn)行攻擊,一方水面艦艇、反潛飛機、潛艇協(xié)同或獨立對另一方潛艇實施反潛,一直是指揮對抗訓(xùn)練的重點內(nèi)容之一。這種作戰(zhàn)行動中,主要體現(xiàn)作戰(zhàn)實體通過水下探測、水下攻擊、水聲對抗等過程,實現(xiàn)對目標(biāo)的識別與定位、攻擊與抗擊、干擾與反干擾、欺騙與反欺騙等。不同于大氣中的電磁探測與對抗過程,水下探測和水聲對抗受海洋環(huán)境、目標(biāo)狀態(tài)、平臺特征、戰(zhàn)場態(tài)勢等因素影響,呈現(xiàn)出多變性特點,是海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)的難點。本文通過對海軍作戰(zhàn)仿真中水下探測和水聲對抗功能需求、仿真實體類型和實體顆粒度進(jìn)行界定,基于GBB技術(shù)[1-2](通用黑板,Generic Blackboard,用于開發(fā)基于黑板結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的集成環(huán)境),構(gòu)建水下探測和水聲對抗模型體系,設(shè)計與GBB數(shù)據(jù)表交互的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及交互方式并進(jìn)行了實現(xiàn),且以實例分析的方法展現(xiàn)了利用該系統(tǒng)進(jìn)行水下探測和水聲對抗相關(guān)內(nèi)容的訓(xùn)練過程。

1 GBB技術(shù)的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在運用GBB技術(shù)的仿真系統(tǒng)中,傳統(tǒng)意義上的仿真實體模型并不存在,取而代之的是以數(shù)據(jù)框架和參數(shù)形式存在的數(shù)據(jù)模型。通用黑板作為仿真的數(shù)據(jù)中心,包含主實體表、實體表和描述符表,其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 通用黑板中表的關(guān)系

● 主實體表

每個通用黑板中只有唯一的主實體表,該表存儲當(dāng)前系統(tǒng)在通用黑板中的所有實體,主實體表包含的信息如下:

{主實體ID,實體創(chuàng)建時間,實體類型,實體關(guān)聯(lián)鍵}

● 實體表

通用黑板中存在大量的實體表,根據(jù)實體的不同類型保存不同的數(shù)據(jù),實體表包含的信息如下:

{實體ID,描述符關(guān)聯(lián)鍵1,描述符關(guān)聯(lián)鍵2,……}

● 描述符表

描述符表主要保存描述所有實體所需要用到的各類模型的數(shù)據(jù)。

采用GBB技術(shù)構(gòu)建仿真平臺,能夠支持模型、算法之間的并行計算,將所有模型實體的數(shù)據(jù)存儲在共享內(nèi)存當(dāng)中,并實現(xiàn)不同進(jìn)程間的算法對仿真實體數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。即仿真運行過程中,實體的不同功能通過調(diào)用不同的算法,進(jìn)行DIS和多Agent實現(xiàn)。海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)是一個實體類型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實體數(shù)量繁多,對實體操作多樣,模型計算量大的系統(tǒng),采用GBB技術(shù),可以滿足仿真計算和數(shù)據(jù)交互需求。

2 海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)對水下探測和水聲對抗功能需求和實體類型的界定

在描述海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)總目標(biāo)的基礎(chǔ)上,就該系統(tǒng)對水下探測和水聲對抗功能需求、仿真顆粒度及仿真實體類型進(jìn)行界定。

2.1 海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)總目標(biāo)

海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)構(gòu)建信息化海戰(zhàn)場中預(yù)警探測、情報偵察、通信指揮、電子對抗、兵力控制、兵力協(xié)同、兵力行動、武器運用等全過程仿真,突出對復(fù)雜電磁環(huán)境影響下“指揮的時效性、指揮決策的準(zhǔn)確性、指揮控制的穩(wěn)定性”等特征的仿真,以滿足指揮人員在此平臺上開展復(fù)雜電磁環(huán)境下指揮對抗模擬訓(xùn)練的需要。

2.2 系統(tǒng)對水下探測和水聲對抗功能需求的界定

水下探測和水聲對抗是海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的重要組成部分,體現(xiàn)指揮人員在一定的水文條件和戰(zhàn)場態(tài)勢下,運用水下探測裝備探測目標(biāo)及運用水聲對抗裝備進(jìn)行水聲對抗的行為過程,該行為的效果通過探測結(jié)果來表述,并且,探測結(jié)果是指揮人員進(jìn)行下一步?jīng)Q策的依據(jù)。其功能需求如下。

水下探測和水聲對抗能力表述要以海洋水文環(huán)境為基礎(chǔ),即其效能受海洋水文環(huán)境多方面因素綜合影響。

對水下目標(biāo)探測能力要體現(xiàn)實體類型及其狀態(tài)、裝備性能、指揮人員運用探測裝備的戰(zhàn)術(shù)。

對水下目標(biāo)探測結(jié)果要為戰(zhàn)場態(tài)勢、武器控制提供依據(jù),即探測結(jié)果為后者提供合理的輸入。

水聲對抗要體現(xiàn)指揮人員運用對抗裝備的戰(zhàn)術(shù)過程,并體現(xiàn)對水下探測的影響,即影響探測設(shè)備的探測效能和生成假目標(biāo)信息。

2.3 系統(tǒng)對水下探測和水聲對抗仿真顆粒度及仿真實體類型的界定

海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)以滿足訓(xùn)練海軍合同戰(zhàn)術(shù)指揮員為主其他軍兵種指揮員為輔的海軍諸兵種合同戰(zhàn)術(shù)層次的訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。與此相對應(yīng),對水下探測和水聲對抗仿真的實現(xiàn),以模擬指揮人員使用此類裝備進(jìn)行作戰(zhàn)行為過程以及描述此類裝備效能為目的。由此,仿真實體顆粒度以反映水下探測和水聲對抗效能為準(zhǔn)則,將指揮人員要指揮操作的仿真實體為被分辨的最小尺度,構(gòu)建以下六類仿真實體:

1)水文環(huán)境實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的水文環(huán)境相關(guān)內(nèi)容?；诤^(qū)水文條件(海水溫度、鹽度、密度,海區(qū)水深,海底地形與底質(zhì),海面海況等)數(shù)據(jù)庫,模擬動態(tài)的水文環(huán)境,實時提供水下探測與對抗仿真需要的環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。

2)聲吶實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的聲吶。以聲吶性能為基礎(chǔ),以聲吶搭載平臺特性及狀態(tài)、目標(biāo)平臺特性及狀態(tài)、戰(zhàn)場目標(biāo)態(tài)勢和水文條件為依據(jù),模擬聲吶在主動、被動或主被動聯(lián)合等三種工作模式條件下對目標(biāo)的探測效能。

3)偵察聲吶實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的偵察聲吶。以偵察聲吶性能為基礎(chǔ),以偵察聲吶搭載平臺特性及狀態(tài)、目標(biāo)聲吶特性、戰(zhàn)場目標(biāo)態(tài)勢和水文條件為依據(jù),模擬偵察聲吶對主動聲吶輻射信號的偵察效能。

4)聲誘餌實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的聲誘餌。以聲誘餌性能為基礎(chǔ),模擬聲誘餌運動特性(懸浮、自航、拖曳等)和工作方式(主動式、被動式),模擬其欺騙聲吶和來襲魚雷的過程。

5)噪聲干擾器實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的噪聲干擾器。以噪聲干擾器性能為基礎(chǔ),模擬噪聲干擾器運動特性(懸浮、自航、拖曳等)和噪聲工作方式,模擬其對聲吶進(jìn)行壓制和欺騙過程。

6)氣幕彈實體,對應(yīng)戰(zhàn)場中的氣幕彈。以氣幕彈物理特性為基礎(chǔ),模擬氣幕彈對聲波的反射、吸收和散射功能,模擬其對主動工作方式聲吶的欺騙和對被動聲吶探測目標(biāo)信號的屏蔽。

2.4 仿真系統(tǒng)聲吶探測采用的基本模型

聲吶探測目標(biāo)的判定由環(huán)境參數(shù)、目標(biāo)特征和聲吶基本性能來確定,其表述為聲吶方程[3],如公式(1)。

SE=S-N-DT

(1)

式中,SE為信號余量,S為聲吶收到的信號,N為聲吶噪聲,DT為檢測門限。仿真實現(xiàn)中,體現(xiàn)不同的探測概率,當(dāng)SE≥K1時,探測概率P≥0.85,探測效果良好;當(dāng)K1>SE>K2時,0.85>探測概率P>0.7,探測效果中等;當(dāng)K2≥SE≥K3時,0.7≥探測概率P≥0.5,探測效果差。

3 水下探測和水聲對抗仿真設(shè)計及其在GBB中實現(xiàn)

3.1 水下探測和水聲對抗仿真模型體系設(shè)計

水下探測和水聲對抗仿真模型體系是海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)模型體系的子體系。水下探測和水聲對抗仿真不僅要體現(xiàn)裝備基本效能,還要反映在海戰(zhàn)中的作用過程。采用面向?qū)ο蟮姆椒?將裝備的行為過程封裝形成對象模型,有效減少與海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)其他模型的耦合性,并提高模型配置的靈活性,如圖2。在對象模型中描述水下探測和水聲對抗的行為規(guī)律,通過對象模型之間的交互表達(dá)各實體對象之間的對抗與協(xié)同關(guān)系[4]。

圖2 水下探測和水聲對抗仿真模型體系結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 主要水下探測和水聲對抗GBB數(shù)據(jù)設(shè)計

3.2.1 GBB中主實體表、實體表和描述符表

在GBB數(shù)據(jù)中,水下探測和水聲對抗GBB數(shù)據(jù)主實體表、實體表和描述符表與海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容對應(yīng)。艦艇、水文環(huán)境描述為主實體表,艦艇主實體表關(guān)聯(lián)聲吶、偵察聲吶、誘餌、噪聲干擾器、氣幕彈等實體表,水文環(huán)境主實體表關(guān)聯(lián)聲速梯度、聲傳播損失等實體表,聲吶、偵察聲吶實體表關(guān)聯(lián)其狀態(tài)、探測結(jié)果等描述符表,其他實體關(guān)聯(lián)其狀態(tài)等描述符表。

3.2.2 水下探測描述符表述一致性設(shè)計

聲吶有多種工作模式,在不現(xiàn)工作模式中,由于作戰(zhàn)過程的多樣,探測結(jié)果也大不相同。由上文可知,探測結(jié)果要為戰(zhàn)場態(tài)勢、武器控制提供依據(jù),且探測結(jié)果要寫入GBB數(shù)據(jù)表,為使探測模塊便于與其他模塊進(jìn)行交互和GBB數(shù)據(jù)管理,對探測結(jié)果進(jìn)行一致性設(shè)計如下:將聲吶最大可能的探測字段進(jìn)行合并形成一個探測結(jié)構(gòu)——DetectionList,不同工作模式和工作過程的探測結(jié)果為其一個子集,并在此結(jié)構(gòu)中設(shè)一個子結(jié)構(gòu)ErrorScale,用于描述探測結(jié)果的誤差范圍大小。在具體實現(xiàn)時,ErrorScale中字段表示誤差范圍大小,全部初始化為負(fù)值,有誤差時,取其范圍,為正值。這樣,用一個探測結(jié)構(gòu),表征了聲吶在不同工作模式和不同作戰(zhàn)過程中的探測結(jié)果。DetectionList結(jié)構(gòu)和ErrorScale結(jié)構(gòu)如下所述。

struct DetectionList

{

int m-nId;∥目標(biāo)ID

int m-nTaskforce;∥目標(biāo)屬方

int m-nShape;∥目標(biāo)大小

int m-nType;∥目標(biāo)類型

GeoPoint m-sLong;∥目標(biāo)位置點

double m-dVelocity;∥目標(biāo)速度

double m-dAzimuth;∥目標(biāo)方位

double m-dRange;∥目標(biāo)距離

ErrorScale m-sError;∥誤差范圍大小

}

struct ErrorScale

{

double m-dPositionError;∥位置誤差

double m-dAzimuthError;∥方位誤差

double m-dRangeError;∥距離誤差

double m-dVelError;∥速度誤差

double m-dClass;∥目標(biāo)類別誤差

double m-dShape;∥目標(biāo)大小誤差

double m-dForce;∥目標(biāo)屬方誤差

}

3.3 水下探測和水聲對抗仿真Agent與通用黑板數(shù)據(jù)表交互設(shè)計

海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)基于GBB技術(shù),仿真運行過程中,實行DIS、多Agent運行模式。水文環(huán)境Agent,依據(jù)動態(tài)變化的海洋水文環(huán)境,實時提供水文環(huán)境信息;水聲對抗Agent,依據(jù)指揮員的指令,以水聲對抗實體性能為基礎(chǔ),實時提供戰(zhàn)場空間中水聲對抗信息;水下探測Agent,依據(jù)指揮員的指令,以水下探測實體性能為基礎(chǔ),并獲得戰(zhàn)場空間中水文環(huán)境信息、水聲對抗信息、平臺信息,實時提供當(dāng)前水下戰(zhàn)場感知態(tài)勢信息;水下探測信息是武器控制Agent和探測信息融合Agent的輸入,其一致性表述,實現(xiàn)了水下探測Agent與這兩Agent松耦合交互[5-6]。具體如圖3所示。

圖3 水下探測和水聲對抗仿真Agent與通用黑板交互關(guān)系圖

4 仿真實例分析

4.1 問題描述

在某一開闊海區(qū),海況W級,有三艘不同型號艦艇A、B、C,A艦艇攜偵察聲吶S1,以N1節(jié)速度向正南航行,B艦艇攜被動聲吶S2,以N2節(jié)速度向正北航行,C艦艇攜主動聲吶S3,以N3節(jié)速度向正北航行,且C艦艇在B艦艇聲吶盲區(qū)內(nèi)。艦艇航行的過程中,按指揮人員指令分別布放氣幕彈a,聲誘餌b,噪聲干擾c,分別驗證不同作戰(zhàn)態(tài)勢、聲抗條件下艦艇通過水下探測對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知情況。具體態(tài)勢如圖4所示。

圖4 水下探測和水聲對抗實例戰(zhàn)場態(tài)勢

4.2 水下探測和水聲對抗仿真控制流程

水下探測和水聲對抗仿真與海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)一致,分步長運行。系統(tǒng)運行前,對系統(tǒng)進(jìn)行初始化,設(shè)定仿真初始條件。仿真過程中,系統(tǒng)接收調(diào)整實體狀態(tài)、實施水下探測和水聲對抗等指令,各相應(yīng)Agent響應(yīng)指令消息,其中,水下探測和水聲對抗Agent響應(yīng)水下探測和水聲對抗指令,并進(jìn)行模擬計算,將計算結(jié)果以水下探測信息格式寫入GBB表。仿真控制流程如圖5。

4.3 實例模擬過程及相應(yīng)結(jié)果

對應(yīng)于圖4,模擬指揮人員指令,在戰(zhàn)場中艦艇A、艦艇B、艦艇C的基礎(chǔ)上,逐漸調(diào)整戰(zhàn)場態(tài)勢,觀測模擬結(jié)果,如表1。

據(jù)表1,可以進(jìn)一步分析:由態(tài)勢1可知,在一定海洋水文條件下,水下探測效能與戰(zhàn)場態(tài)勢、裝備性能密切相關(guān)。由態(tài)勢2可知,氣幕彈實現(xiàn)了對聲信號的隔離和形成主動聲信號虛擬假目標(biāo)。由態(tài)勢3可知,對艦艇C,艦艇A由迎頭變?yōu)檎龣M位置,主動聲吶反射信號增強,體現(xiàn)了目標(biāo)狀態(tài)對探測的影響。由態(tài)勢4可知,聲誘餌實現(xiàn)了模擬艦艇機動時產(chǎn)生的輻射噪聲信號和對主動聲吶的模擬回聲信號。由態(tài)勢5可知,噪聲干擾增加了水下探測背景噪聲信號,噪聲干擾c距離艦艇C較近,大大增加了其主動聲吶背景噪聲;噪聲干擾c在B艦艇聲吶盲區(qū)內(nèi),對艦艇B被動聲吶噪聲無影響;噪聲干擾c距離艦艇A較遠(yuǎn),其偵察聲吶背景噪聲影響不明顯。由態(tài)勢6可知,艦艇降速,航行自噪聲減小,增加其水下探測能力,體現(xiàn)指揮人員對戰(zhàn)場空間作戰(zhàn)實體作戰(zhàn)行為的控制過程及結(jié)果。

表1 水下探測和水聲對抗模擬過程及結(jié)果

圖5 仿真控制流程

5 結(jié)束語

基于GBB技術(shù),對海軍作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中水下探測和水聲對抗部分進(jìn)行了設(shè)計與實現(xiàn),并在此平臺上對水下探測和水聲對抗問題進(jìn)行了實例分析研究。通過實例分析可知,水下探測和水聲對抗效能發(fā)揮受水文環(huán)境狀態(tài)、實體裝備性能、實體狀態(tài)、戰(zhàn)場態(tài)勢等因素的綜合影響,與海上訓(xùn)練中實際效果基本相近,指揮人員可據(jù)此對實體狀態(tài)、類型與數(shù)量進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)控制,達(dá)到了利用系統(tǒng)對指揮人員進(jìn)行水下探測和水聲對抗相關(guān)內(nèi)容訓(xùn)練的目的。