基于探索性分析的水声对抗方案评估

李本江陈泓洲

1.海军潜艇学院作战指挥系；2. 海军潜艇学院学员3队 266071

基于探索性分析的水声对抗方案评估

李本江1陈泓洲2

1.海军潜艇学院作战指挥系；2. 海军潜艇学院学员3队 266071

介绍了探索性分析的基本思想，常用分析方法以及应用中的难点问题和关键技术。分析了水声对抗方案的主要探索内容，给出了基于探索性分析的水声对抗仿真评估框架，并说明了探索过程，为水声对抗方案评估提供了一种新的思路和方法。

水声对抗;评估;仿真;探索性分析

引言

水声对抗效果受舰艇自身机动能力、水声对抗器材性能、对抗环境、对抗目标等多种因素的影响。要科学合理地评估水声对抗方案，必须结合战术背景和对抗环境，综合分析各种不确定因素的影响，这样的评估才具有说服力。探索性分析为水声对抗方案评估提供了很好的思路。采用探索性分析方法评估水声对抗方案，可通过多分辨率、多视角建模实现对水声对抗方案的“穷举”，从而能全面分析不同方案下的对抗效果，实现对水声对抗方案的合理评估。

1 探索性分析

探索性分析（Exploratory Analysis，EA）是RAND公司在二十世纪90年代开发的系统分析方法[1]，目前已广泛应用于军事研究领域，进行作战结果分析、作战效能评估和武器装备论证，表现出分析大型复杂不确定性问题的能力[2][3]。

1.1 探索性分析的基本思想

探索性分析的基本思路是通过考察大量不确定条件下各种方案的不同结果，理解和发现复杂现象背后数据变量之间的影响关系，并广泛试探各种可能的结果。与传统的分析方法不同，探索性分析是一个更全面、更深入的分析方法。传统的分析往往强调寻找一个最优解，而探索性分析则强调在输入与输出之间进行双向探索来分析解的变化规律，寻找满足不同需求的多种解决方案。

1.2 探索性分析常用方法[3][4]

根据不确定性因素的特点及处理方式，探索性分析方法可以分为参数探索、概率探索和混合探索。

参数探索是将各种合理的参数或研究者所关心的参量定义为离散化的变量，并将各变量的各种取值进行组合，多次运行模型，从而对结果进行综合分析的方法。通过参数探索，可以了解哪些变量在何时比较敏感，这对于确定水声对抗方案中关键决策变量具有特殊的意义。作为参数探索的补充，概率探索将输入参数表示为具有特定分布规律的随机变量，运用解析方法或蒙特卡洛方法来计算结果，主要分析各种输入的不确定性条件对结果的影响。最常用的方法是将前面的两种方法相结合进行混合探索。

1.3 探索性分析的难点及关键技术[3][4][5]

探索性分析的计算量随着变量个数及其取值的增加而迅速扩大，使用中容易产生维数灾难和组合爆炸。层次化的多分辨率建模技术，元模型技术以及探索空间优化技术为减少问题分析规模、提高运行效率提供了有效的手段，可极大地减少探索计算的规模与计算时间。

探索性分析过程中会产生大量的数据，需要对探索数据进行有效的管理、处理及分析，故一般采用大型数据库、数据挖掘、数据分析、知识发现等方法帮助分析人员从海量的数据中获得满意的分析结论。另外，借助于图形化的数据分析工具，可实现对各种数据的形象化显示，从而大大提高数据分析的效率。

2 水声对抗方案探索内容

在给定平台声学特性、平台机动性能、水声对抗装备性能和水声环境的条件下，水声对抗效果主要由平台的机动方案和水声对抗装备使用方案共同决定。

2.1 平台机动方案

对抗平台的战术机动措施贯穿于水声对抗的整个过程，无论是单纯机动规避还是配合声抗装备使用，平台机动都是影响对抗效果的重要因素。对抗平台不同的战术机动措施具体表现为其采用的机动速度、机动航向以及机动深度（水下平台）的不同组合。

2.1.1 机动速度

机动速度决定平台的辐射噪声和自噪声并影响武器的发射。速度过高会导致平台的辐射噪声和自噪声增大，进而使自身暴露概率增大、探测距离降低；而机动速度过低将降低平台驶出对方探测或攻击范围的可能性。

2.1.2 机动航向

机动航向也是影响水声对抗成败的另一关键因素，它与机动速度共同决定着平台驶出对方探测或攻击范围的可能性。同时，对抗双方的相对舷角也和机动航向密切相关，因此平台自身的探测能力和目标强度也会受机动航向的影响。此外，对抗平台在发射水声对抗器材以后，自身是否处于器材的有效作用范围之内也受机动航向的影响。

2.1.3 机动深度

水下平台的螺旋桨空化噪声会随航深的改变而变化，一般情况下，深度越大，空化噪声越小。通常，声纳探测范围在垂直面都存在几何盲区，因此对抗平台之间的深度差也可用来判定对抗平台是否处于对方声纳垂直搜索盲区的依据。此外，水下平台对水声环境的利用也主要体现在其深度的选择上。

2.2 水声对抗装备使用方案

水声对抗装备的使用问题是一个非常复杂的在有约束条件下的非线性规划问题，用纯解析计算的方法几乎是不可能的。在仿真系统的支持下，用探索性分析方法进行方案的受控穷举是一种新思路。探索水声对抗装备使用方案也即是要分析其不同的使用时机、使用方式及平台的机动措施所产生的对抗效果。

2.2.1 使用时机

各类水声对抗装备仅为对抗平台提供了实施水声对抗的硬件基础，要使其真正发挥效能还必须结合具体的环境和态势，合理选择使用时机。合理的使用能够为对抗平台创造有利的局面，反之则不能取得好的对抗效果甚至会适得其反。

2.2.2 使用方式

在对抗某一目标时，选择何种对抗装备，是单独使用还是组合使用以及发射参数怎么确定都是有待探索的重要内容。具体使用方式要结合对抗态势、平台机动性能、对方探测能力等因素进行综合考虑。

2.2.3 平台机动措施

不论使用哪一种水声对抗装备，欲想尽可能发挥其对抗效果，平台正确合理的机动措施是必不可少的。

3 基于探索性分析的水声对抗仿真评估系统

3.1 系统框架

基于探索性分析的水声对抗方案仿真评估系统的结构如图1所示。

图1 水声对抗仿真评估系统结构图

系统采用HLA仿真体系结构，以综合数据库为运行基础，以模型服务器为推进引擎。综合数据库提供模型服务器等其它邦员所需要的相关数据并负责存储仿真过程数据。模型服务器向各个邦员提供统一的模型管理和应用服务，具有各对抗平台的机动仿真能力、武器弹道仿真以及命中效果分析能力等。攻击方和防御方是对抗的两大主体，它们从模型服务器获取行为服务。综合管理台负责仿真初始设置，数据库维护以及实施人工干预。评估子系统根据不容的对抗内容进行决策方案探索，依据评估准则对仿真数据进行分析评估。显示子系统将对抗过程进行二维或三维显示，提供可视化的数据分析功能，将分析结果以文字、图表及图像等形式输出。

3.2 水声对抗方案探索过程

探索性分析只是一种分析解决问题的思想，实施起来并没有固定的模式和步骤。使用探索性分析方法评估水声对抗方案，关键要将水声对抗方案的探索统一转化为参数探索。首先要确定对抗对象和对抗内容，如：谁和谁对抗，是对抗平台探测跟踪还是对抗声自导武器攻击。在此基础上确定水声对抗方案的决策变量和影响因素，然后将决策变量和影响因素的可能取值进行组合形成决策方案集。如果决策变量或影响因素为连续型变量，需按一定的取值间隔进行离散化处理。取值间隔不宜过小，否则计算量将难以承受，如航向的取值间隔可定为10°。为减小探索计算的规模，在组合方案之前需对决策变量和影响因素的取值范围进行分析和优化。比如，对抗平台使用声干扰器之后，平台的机动航向不必360°全部遍历，可缩小至声干扰器水平作用扇面之内。然后将每个方案进行仿真，仿真过程中的关键数据和结果自动录入数据库。最后将所有仿真数据和结果进行分析，从而得到评估结论和方案建议。

3.3 评估模型选择

系统采用了多层次多分辨率探索模型体系，既有基于原理的原理性仿真模型也有基于数据分析的统计模型。针对底层过程，系统建立高精度的原理性模型。对于上层分析运用，系统建立了低分辨率的原理模型或统计模型。使用过程中，评估者可根据需要灵活选择合适的模型和方法。

4 结束语

探索性分析思想为水声对抗方案评估提供了一种新的思路和方法。将探索性分析方法运用到仿真评估系统，可对水声对抗方案进行“穷举”仿真，通过分析大量的仿真样本，可发现决策变量对水声对抗效果的影响规律，从而获得有价值的评估结论。

[1]Steve Bankes. Exploratory Modeling for Analysis[R]. USA:RAND,RP-211,1993.

[2]曾宪钊，蔡游飞，黄谦等.基于作战仿真和探索性分析的海战效能评估[J].系统仿真学报.2005，17(3)：763-766．

[3]李志猛,谈群,汪彦明等.基于探索性分析的信息系统效能评估方法[J]. 科学技术与工程.2009,9(22)：6702-6706.

[4]陈进科,任义广,沙基昌.探索性分析方法研究[J].先进制造与管理.2007,26(11)：32-34.

[5]胡晓峰，胡剑文. 面向信息化战争整体需求的探索性分析方法[J].计算机仿真. 2005,22（06）：1-14.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.16.018

李本江 (1957-), 男, 副教授, 研究方向为潜艇攻防战术;

陈泓洲(1986-), 男, 在读研究生, 研究方向为兵种战术。