攻擊型UUV 效能評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒啟明,宋書龍,彭遠(yuǎn)鳴,王夢豪,周景軍

(中國船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

攻擊型無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)是指以大型UUV 為帶載平臺,以水下攻擊武器為末端戰(zhàn)斗載荷所構(gòu)成的,可自主完成近程防御/警戒、遠(yuǎn)程時(shí)敏打擊任務(wù)的未來新一代智能化戰(zhàn)術(shù)/戰(zhàn)略型海戰(zhàn)裝備,主要作戰(zhàn)任務(wù)是對大型水面艦實(shí)施有效打擊,從而達(dá)到對大型水面艦戰(zhàn)斗群強(qiáng)力震懾、區(qū)域拒止的戰(zhàn)略目的。

攻擊型UUV 體系作戰(zhàn)效能評估,是通過構(gòu)建模擬對抗綜合仿真平臺[1],分別建立攻防雙方平臺模型,包括UUV 平臺實(shí)體模型、水下攻擊武器實(shí)體模型、軟硬殺傷武器實(shí)體模型、大型水面艦戰(zhàn)斗群以及雙方的作戰(zhàn)策略組件模型[2-4],同時(shí)建立組件化的水聲物理場效應(yīng)模型,依托攻擊型UUV 體系作戰(zhàn)建模與仿真環(huán)境[5],構(gòu)造不同的攻防作戰(zhàn)想定和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,支持實(shí)現(xiàn)攻防對抗仿真全過程,從而實(shí)現(xiàn)攻擊型UUV 水下作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

按照攻擊型UUV 效能評估系統(tǒng)框架描述,以攻擊型UUV 打擊大型水面艦戰(zhàn)斗群為背景[6],對UUV 水下作戰(zhàn)效能展開研究。攻擊型UUV 作戰(zhàn)能力受其自身、UUV 發(fā)射平臺以及攻擊型UUV武器系統(tǒng)等因素影響。因此,需要分層次對指標(biāo)體系進(jìn)行研究,逐層建立UUV 單項(xiàng)效能評估指標(biāo)和系統(tǒng)效能評估指標(biāo)。在建立UUV 作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系的過程中,重點(diǎn)解決作戰(zhàn)中各種能力的描述,形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)描述方法,梳理形成UUV 體系指標(biāo)關(guān)系。攻擊型UUV 作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)的建立目標(biāo)是構(gòu)造仿真環(huán)境,能夠支撐體系級的仿真,實(shí)現(xiàn)UUV 不同粒度等級下的作戰(zhàn)效能評估,如圖1 所示。

圖1 攻擊型UUV 效能評估系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the effectiveness evaluation system for attacking UUVs

實(shí)時(shí)仿真可視化子系統(tǒng)的建設(shè)是從技術(shù)方面提供逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,全方位展示UUV 仿真試驗(yàn)過程,支持多物理場耦合條件下虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究。

為解決攻擊型UUV 作戰(zhàn)使用、方案論證、研制、試驗(yàn)和訓(xùn)練等問題,構(gòu)建模擬UUV 對抗綜合仿真平臺[7],如圖2 所示,同時(shí)建立組件化的水聲物理場效應(yīng)模型,依托UUV 作戰(zhàn)系統(tǒng),可構(gòu)造不同的攻防作戰(zhàn)想定和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,支撐實(shí)現(xiàn)攻防對抗全過程仿真推演。

圖2 對抗綜合仿真平臺Fig.2 Integrated simulation platform for underwater confrontations

作戰(zhàn)效能評估系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？梢钥闯?對抗綜合仿真平臺依托戰(zhàn)役級聯(lián)合建模與仿真環(huán)境,分別建立攻防雙方平臺模型,包括發(fā)射艦艇實(shí)體模型、水下攻擊武器實(shí)體模型、軟硬殺傷武器實(shí)體模型,以及雙方的作戰(zhàn)策略組件模型,同時(shí)建立組件化的水聲物理場效應(yīng)模型,依托戰(zhàn)役級聯(lián)合建模與仿真環(huán)境,可構(gòu)造不同的攻防作戰(zhàn)想定和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,支持實(shí)現(xiàn)攻防對抗仿真全過程。

圖3 效能評估系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Hardware framework diagram of the effectiveness evaluation system

1.2 系統(tǒng)流程

整個仿真系統(tǒng)由想定推演、體系建模、試驗(yàn)仿真、估優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理五部分組成,如圖4 所示。

圖4 效能評估流程Fig.4 Flow chart of effectiveness evaluation

1) 想定推演

在想定推演階段,依據(jù)體系模型,選取作戰(zhàn)想定,以可擴(kuò)展標(biāo)記語言(extensible markup language,XML)文件的形式對仿真批次、控制參數(shù)、仿真模型實(shí)例參數(shù)等配置情況進(jìn)行描述,實(shí)現(xiàn)規(guī)范管理;通過界面對想定進(jìn)行生成、修改和存儲,對想定文件的存儲位置進(jìn)行指定。

2) 體系建模

按照組件化建模的思想指定模型描述規(guī)范,實(shí)現(xiàn)仿真模型的裝配,采用需求管理工具、體系建模工具、體系設(shè)計(jì)工具和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具,對作戰(zhàn)需求和裝備需求進(jìn)行分析,確定體系的組成、功能、結(jié)構(gòu)、接口、交互和戰(zhàn)技指標(biāo),其成果是系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型。按照仿真實(shí)體功能完成功能計(jì)算模型開發(fā),按照描述規(guī)范和適配接口,實(shí)現(xiàn)具體仿真模型的封裝,形成模型庫,包括UUV 模型、水下攻擊武器模型和目標(biāo)模型等,供任務(wù)想定設(shè)計(jì)和仿真推演使用。

3) 試驗(yàn)仿真

根據(jù)想定文件按照控制參數(shù)、仿真模型實(shí)體參數(shù)調(diào)用模型適配接口,完成批次管理、仿真初始化、仿真執(zhí)行及仿真復(fù)位等仿真控制,完成試驗(yàn)仿真推演,將仿真數(shù)據(jù)入庫。

4) 效能評估

該功能模塊由指標(biāo)描述、權(quán)重計(jì)算和指標(biāo)聚合三部分構(gòu)成。指標(biāo)描述功能利用QT 中的XML操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)對方案、系統(tǒng)效能指標(biāo)樹的描述、建立、加載、修改和保存功能。為進(jìn)行效能評估,集成用于對指標(biāo)樹進(jìn)行自下而上分析的權(quán)重聚合算法、數(shù)據(jù)對比方法等效能評估算法。

5) 數(shù)據(jù)管理

對仿真數(shù)據(jù)、想定和評估指標(biāo)體系進(jìn)行規(guī)范管理,設(shè)計(jì)相應(yīng)的體系論證和頂層設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫,使戰(zhàn)場態(tài)勢、性能數(shù)據(jù)能夠通過3D 技術(shù)進(jìn)行可視化演示。

1.3 效能評估方法

攻擊型UUV 效能評估方法框架如圖5 所示。其主要針對單項(xiàng)指標(biāo)效能、系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能三類評估目標(biāo)提供默認(rèn)的指標(biāo)體系模板,支持多種權(quán)重設(shè)置方式。算法模型可對動態(tài)數(shù)據(jù)(如彈道、速度、姿態(tài)等時(shí)間序列數(shù)據(jù))及靜態(tài)數(shù)據(jù)(如命中精度和干擾概率)展開處理分析。

圖5 效能評估方法框架 Fig.5 Framework of the effectiveness evaluation method

從攻擊型UUV 模型級和系統(tǒng)級2 個層次進(jìn)行模型校核和驗(yàn)證,對仿真結(jié)果置信度進(jìn)行量化評估[8]。模型級以動態(tài)數(shù)據(jù)為主,系統(tǒng)級以結(jié)果性靜態(tài)數(shù)據(jù)為主。模型校核驗(yàn)證系統(tǒng)通過攻擊型UUV 數(shù)據(jù)管理模塊對對抗仿真子環(huán)境或外部分布式仿真網(wǎng)絡(luò)中的仿真數(shù)據(jù)以及試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫管理,并通過擴(kuò)容功能對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證數(shù)據(jù)資源擴(kuò)容。

1) 動態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析是針對動態(tài)性能指標(biāo)而設(shè)計(jì)的,主要利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果分別構(gòu)造出真實(shí)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)輸出序列的標(biāo)量函數(shù),通過衡量函數(shù)值范圍確定兩系統(tǒng)的相似度 。

2) 靜態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證主要分析UUV 發(fā)射的載體脫靶量、命中目標(biāo)位置、殺傷目標(biāo)概率等與時(shí)間無關(guān)的隨機(jī)變量,從而獲得真實(shí)試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)的樣本,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分布的一致性。靜態(tài)驗(yàn)證算法主要是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析類方法,如正態(tài)性檢驗(yàn)、假設(shè)檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)、秩和檢驗(yàn)和游程檢驗(yàn)等。

該評估方法支持自底向上依據(jù)指標(biāo)設(shè)定計(jì)算獲取最終評估值,主要分析功能應(yīng)包括敏感性分析、多種數(shù)據(jù)擬合模型(線性、指數(shù)、對數(shù)、多項(xiàng)式、冪)對指標(biāo)值變化趨勢的分析。

2 效能評估模型

攻擊型UUV 作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系的建立,需重點(diǎn)解決對作戰(zhàn)中各種能力的描述,形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)描述方法,梳理形成UUV 體系指標(biāo)關(guān)系。攻擊型UUV 指標(biāo)評估模型軟件初步規(guī)劃如圖6 所示。

圖6 指標(biāo)評估模型框架Fig.6 Framework of the index evaluation model

攻擊型UUV 指標(biāo)評估模型初步規(guī)劃由平臺信息獲取能力、平臺決策能力、平臺保障能力和對抗能力構(gòu)成,具體模型如下:

1) 平臺信息獲取能力指UUV 武器系統(tǒng)的探測和捕獲敵方目標(biāo)能力,UUV 能夠在多大程度上發(fā)現(xiàn)目標(biāo),考核指標(biāo)包括目標(biāo)探測概率、目標(biāo)探測精度、目標(biāo)探測方位角以及攻擊型UUV 和目標(biāo)的距離等;

2) 平臺決策能力指UUV 對戰(zhàn)場態(tài)勢的綜合判斷能力,包括水下作戰(zhàn)態(tài)勢分析、UUV 協(xié)同作戰(zhàn)決策、對抗與反對抗決策處理及射擊諸元解算等;

3) 平臺保障能力指系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力、續(xù)航能力以及任務(wù)規(guī)劃能力,主要包括對抗決策處理過程信息感知度、信息準(zhǔn)確度、目指信息時(shí)延和目標(biāo)特征準(zhǔn)確度等;

4) 對抗能力指魚雷能夠在多大程度上對目標(biāo)造成毀傷的能力,主要由魚雷對抗與反對抗能力、攻擊目標(biāo)時(shí)間、命中目標(biāo)概率、毀傷目標(biāo)概率和魚雷被攔截概率等組成。

3 模型驗(yàn)證評估案例

攻擊型UUV 效能評估的指標(biāo)加載實(shí)例如圖7所示。指標(biāo)加載后,按層次計(jì)算權(quán)重,分別進(jìn)行脫靶量正態(tài)驗(yàn)證和符號驗(yàn)證,對非線性、非定常、非確定性的攻擊型UUV 而言,集成了靜態(tài)分析、驗(yàn)證類方法,動態(tài)相似和特征類比較。靜態(tài)分析方法中正態(tài)性檢驗(yàn)是假設(shè)檢驗(yàn)的前提,常用檢驗(yàn)方法有W 檢驗(yàn)和峰度檢驗(yàn)。假設(shè)檢驗(yàn)法包括UUV 指標(biāo)參數(shù)假設(shè)和非參數(shù)假設(shè)。根據(jù)分布函數(shù)的已知條件,UUV 指標(biāo)參數(shù)假設(shè)適用于正態(tài)分布,通過構(gòu)造服從指標(biāo)參數(shù)分布特性的統(tǒng)計(jì),從而對效能評估樣本中的UUV 重要指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷。常用的攻擊型UUV 指標(biāo)參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)方法有F 分布假設(shè)檢驗(yàn)法和t 分布假設(shè)檢驗(yàn)法。

圖7 攻擊型UUV 指標(biāo)加載實(shí)例Fig.7 Indicator loading example of an attacking UUV

動態(tài)驗(yàn)證模塊是針對攻擊型UUV 動態(tài)性能指標(biāo)而設(shè)計(jì)的,包括相關(guān)系數(shù)法、角余弦函數(shù)法、賽式不等式法和灰色關(guān)聯(lián)分析法[9]等時(shí)域驗(yàn)證方法,這些時(shí)域驗(yàn)證方法的共同特點(diǎn)是在相同輸入條件下,把試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)看作2 個動態(tài)時(shí)間序列,分別構(gòu)造出真實(shí)和仿真系統(tǒng)標(biāo)量函數(shù),通過衡量2 個系統(tǒng)的函數(shù)值范圍確定試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)的相似程度。靜、動態(tài)模型驗(yàn)證軟件界面如圖8 和圖9 所示。

圖8 靜態(tài)模型驗(yàn)證界面Fig.8 Verification interface of the static model

圖9 動態(tài)模型驗(yàn)證界面Fig.9 Verification interface of the dynamic model

攻擊型UUV 效能置信度評估模塊由效能評估指標(biāo)體系和效能評估方法兩部分組成[10]。效能評估方法采用“主觀+客觀”評估方法,綜合各驗(yàn)?zāi)Ｖ笜?biāo)值,給出唯一模型置信度評估結(jié)果來衡量模型的相似程度。經(jīng)過聚合計(jì)算,最終置信度為0.7365。所有節(jié)點(diǎn)計(jì)算完成后,指標(biāo)體系如圖10所示。

圖10 指標(biāo)聚合計(jì)算流程Fig.10 Calculation flow of index aggregation

4 結(jié)束語

作為未來新一代智能化、集群化海戰(zhàn)裝備,攻擊型UUV 主要肩負(fù)近程防御/警戒、遠(yuǎn)程時(shí)敏打擊的主要作戰(zhàn)任務(wù),為了更有效地突出其作戰(zhàn)實(shí)用性,文中構(gòu)建了攻擊型UUV 對抗綜合仿真平臺,對攻擊型UUV 數(shù)學(xué)建模仿真、體系作戰(zhàn)、效能評估以及方法進(jìn)行研究。通過模型驗(yàn)證評估案例,按層次計(jì)算權(quán)重加載,經(jīng)過攻擊型UUV 效能評估系統(tǒng)置信度聚合計(jì)算以及置信度評估,形成了攻擊型UUV 水下作戰(zhàn)攻防對抗效能評估方案。該系統(tǒng)可為攻擊型UUV 集群作戰(zhàn)、效能評估和輔助決策提供參考。