基于俄罗斯潜艇设计理念的作战系统顶层优化设计

温 洪，李世令，张 泉

(1.华中科技大学，湖北 武汉 430074;2.海军潜艇学院，山东 青岛 266042;3.解放军92001部队装备部，山东 青岛 266011)

随着计算机、自动控制等技术的发展，特别是作战对象、作战样式的变化，潜艇作战系统对武器实现快速控制的需求日益增加。新一代潜艇作战系统设计提出了创新设计理念，以作战使用需求为牵引，以提高潜艇综合作战效能为目标，通过顶层优化设计实现最优的作战效能。潜艇作战系统除具备对目标的警戒、探测跟踪、数据处理、战场态势描述和辅助决策等功能外，其核心需求［1］是对目标实施鱼雷、导弹攻击和对敌兵力或来袭鱼雷的防御，因此作战系统的设计应该以指挥员方便灵活地使用武器系统为出发点，兼顾作战系统的其他功能。

本文分析借鉴俄罗斯潜艇作战系统设计理念，以如何使作战系统能够更好地满足指挥员对武器系统控制的需求为出发点，首先分析武器系统的使用需求［2］和潜艇的任务特点，提出作战系统的顶层优化设计思想，进而给出潜艇作战系统的构架，以期对新型潜艇作战系统的顶层优化设计提供参考。

1 俄罗斯潜艇作战系统设计理念

俄罗斯潜艇作战系统设计充分体现了以作战使用需求为牵引，系统结构以火控系统为核心，与侦察探测系统、导航系统、通信系统、武器及其发射装置等多个子系统组成了潜艇作战系统。以火控系统为核心体现在三个方面:1)系统任务模块化设计便于指挥员方便快速的控制使用武器;2)针对潜艇的作战对象，实现快速攻击和连续攻击;3)系统自动化程度高，实现武器系统集中操控，提高系统作战反应时间。

1.1 符合潜艇攻击特点的任务模块划分

按潜艇作战特点划分任务模块，将潜艇攻击任务分解为目标跟踪与数据处理、本艇导航与姿态数据处理、指挥决策与机动控制、目标运动要素解算、鱼雷射击参数解算、发射系统准备、鱼雷射前准备、导弹射击参数解算、导弹射前准备、武器发射与恢复等，便于指挥人员根据战场环境需要组合和调用。

1.2 快速鱼雷攻击能力

潜艇攻击要求能够“先敌发现，先敌攻击”，特别是对潜攻击时，由于敌我处于相同的环境中，潜艇的隐蔽优势不复存在，当我发现敌时，意味着敌也发现了我。反潜作战要求先敌攻击，系统反应速度往往决定了生死。俄罗斯潜艇作战系统设计上从各个方面采取措施以提高系统的反应速度，例如鱼雷可长时间“值班”，鱼雷准备时间短等。在潜艇攻击的各个任务环节上，都采取措施缩短时间。

1.3 连续鱼雷攻击能力

在对舰鱼雷攻击时，尤其是对编队目标时，潜艇处于水声环境的优势地位，往往是潜艇首先发现水面舰艇。但是潜艇一旦发射鱼雷，由于鱼雷的发射噪声和航行噪声，水面舰艇易于发现潜艇。此时，快速准备能力不是关键，潜艇必须具备快速连续鱼雷攻击的能力，既能对护航舰艇进行以攻代守的自卫，又可在战术条件许可时对同一目标实施连续打击。

1.4 自动化程度高

通过提高自动化程度来降低操作员的工作量，特别是武器发射系统的自动化，在减少艇员数量、人工操作环节的同时，缩短攻击准备时间。

2 潜艇作战系统任务分析

2.1 鱼雷攻击

鱼雷攻击需要完成的几项任务包括目标数据处理、本艇数据处理、目标运动分析、鱼雷射击参数解算、鱼雷射前准备、发射系统准备、武器发射与恢复、线导鱼雷导引、机动占位等，这一系列工作通常可由艇员操作仪器设备来完成。在鱼雷攻击过程中，指挥员需要做出的指挥决策包括上述任务的开始时机，需要手动输入的数据，在水文分析、本艇机动建议、已知情报等辅助下进行攻击武器、攻击方式和占位机动方式等决策。

2.2 潜射反舰巡航导弹攻击

潜射反舰巡航导弹攻击与鱼雷攻击相比，其特点是由攻击一个点变为攻击一个区域;由单艇单独攻击变为在统一指挥下的火力集中;由需要快速准备并发射变为自动化控制发射。

潜射反舰巡航导弹攻击需完成的主要任务包括目标数据处理、本艇数据处理、目标运动分析、导弹射击参数解算、导弹射前准备、发射系统准备、武器发射与恢复、机动占位、指挥决策等任务，与鱼雷攻击最大的区别在于导弹武器具有非快速准备暴露攻击等特点，因此导弹射击参数解算、导弹射前准备、发射系统准备、武器发射与恢复等工作整合为统一的自动化过程。

其他相关任务包括软武器使用，作战系统的启动与初始化、断开、各子系统工况的协同，受控设备供电等。

2.3 潜艇攻击任务特点

上述各任务本质上是并发执行，有一些有先后关系，但主要是相互协作和限制的关系而非时序关系。非时序关系是指设计作战系统时，应考虑到潜艇攻击可以在任意时间、整个作战系统(包括武器和发射系统)的任意状态(要求不影响本艇安全)下开始，作战系统应能适应这种要求，只有这样才能真正满足指挥员对武器系统的控制需求，不能像以往把潜艇攻击作为一整个过程用流程描述，因为战场环境是不可预测、瞬息万变的，艇长应能始终处于主导地位，而不能被流程牵着走，此外用流程描述潜艇攻击过程将会使作战系统设计变得非常复杂低效，且各部门的配合也随之复杂。

3 作战系统设计原则及构架

3.1 优化设计原则

作战系统的优化设计原则是资源共享、系统集约、功能高效和集中操控。核心就是整合，包括技术实现和操作逻辑两个层面。技术实现上，使用计算机分布式控制;操作逻辑上，科学划分任务。具体包括:1)将作战系统相关部门的设备在作战时通过集中人-机操控界面实现其显示与操作控制;2)将潜艇作战行动的各个工作环节按任务分工划分，相对独立的任务模块有利于将复杂问题化为多个简单问题的组合，指挥员不需要考虑技术实现，也进一步减少各部门的协同，可以专心于指挥决策，避免了指挥员被攻击流程牵着走的被动局面，更方便指挥员自主行为的实现;3)指挥与控制自动化，在发射系统等实现机械化的前提下，自动完成发射系统准备和武器发射控制，以减少电子设备的影响并提高可靠性和减少准备时间，在此基础上使用信息化手段完成远程集中操控与监视。

作战系统除满足潜艇攻击和防御行动的使用需求外，还需要满足装备性能包括系统供电、可靠性、易用性、自动化、可扩充、实时性、灵活性等要求。

优化设计首先从满足需求着手进行功能或者说是任务划分，由此产生逻辑上的任务模块(或称算题)的概念，即从潜艇攻击与防御行动的角度划分模块。然后挑出适应以上功能和性能要求的、并有一定前瞻性和易于扩充的技术来实现。现阶段分布式计算机控制系统能够满足要求［3］，未来采用智能信号器与执行机构的现场总线技术。人机界面设计应集成、自动，利用模块进行逻辑化。

3.2 作战系统构架

3.2.1 基本构架

从火控系统的角度看，分布式作战系统包含两类子系统:一是与火控系统有命令与响应关系的探测、导航等系统，此类系统一般单独工作;二是除传统的鱼雷武器控制外，还包括导弹控制、发射系统控制和水声对抗控制等设备的分布式火控系统，如图1所示。

在分布式作战系统中，目标探测、综合导航、集中控制、视频监控等独立工作的系统不再直接与火控系统计算机连接，而是通过其系统显控台或网关的标准接口连接到作战系统数据总线或网络上，并且可以通过采用冗余网络提高通信可靠性，不但提高了全系统的可靠性，而且易实现全系统的系列化、标准化、模块化，具有极好的扩展能力。若作战系统网络不能满足某两个子系统间的通信需求，比如导弹发射时的导航信息，可以在此两系统设备(显控台或网关)间单独增加通信线路。

3.2.2 中央控制台

图1中，指挥显控台为潜艇指挥员的操作控制台，同时也是作战系统网络的控制者和数据服务器。指挥员可以通过相互热备份的指挥显控台对全系统进行监视和控制。在当前潜艇设计上，各系统显控台一般集中部署在指挥舱，由于指挥显控台主要用于作战，可以将指挥显控台的功能合并到火控系统显控台(中央控制台)上并取消指挥显控台。这样火控系统中央控制台不仅仅是设备控制中心也是信息处理的中心。火控系统也就成为了带有信息处理任务的计算机控制系统。中央控制台或指挥显控台在硬件上均可以采用多功能台实现其功能，只是其在整个作战系统网络中的地位高于其它显控台。

在潜艇二级部署时，作战系统除火控系统外，其它子系统和设备均应开机工作，各子系统间关系平等并相互独立工作，只是利用作战系统网络进行通信，例如，声纳的工作需要综合导航系统提供本艇航向。在潜艇一级部署时，全系统开机工作，各子系统按照火控系统中央控制台的命令各自独立工作，潜艇指挥员通过中央控制台控制武器解算与发射控制、命令其它子系统的工作，例如，全系统的工况由中央控制台来协调，由中央控制台来控制网络通信等。

3.2.3 分布式火控系统

图1中分布式火控系统就是典型的分布式计算机控制系统，取消了传统意义上的中央计算机而将众多的计算机分布在火控系统的各个控制设备中，如线导遥控设备、电源控制设备、发射装置控制设备等处。中央控制台用来处理全系统的数据并进行显示，提供人机操作界面、操作建议等，采用双机热备［4］形式工作。人机界面包括软件控制的图形界面以及控制自身和各分机的电源开关、工作状态开关、状态指示灯等硬件界面。

若火控系统网络不能满足某两分机间的通信需求，也可以在此两分机间单独增加通信线路;中央控制台作为网关若不能满足两个网络之间的数据转发功能，控制分机也可直接连接作战系统总线或直接与作战系统子系统连接。

上述分布式火控系统是在原有的机械与继电器控制的自动化基础上改进为数字式计算机控制，而现今的计算机控制系统已逐步向现场总线控制系统发展。20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器仪表中，实现了传感器和执行机构的智能化，由此，现场总线的概念首先在欧洲提出。现场总线主要应用于智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准数字式通信链路，可进行全数字、双向、多站总线式的信息数字通信，实现相互操作以及数据共享。火控系统也逐步向现场总线控制系统发展。

4 结束语

潜艇作战系统的功能主要是对目标实施攻击和防御，其设计应该为指挥员方便灵活地使用武器系统提供服务。在设计作战系统时应考虑到潜艇攻击和防御行动可以在任意时间、整个作战系统的任意状态下开始，只要这样才能真正满足指挥员对武器系统控制的需要，具体来说要解决三个问题:一是将作战系统相关部门的设备在作战时通过集中人机操控界面实现其显示与操作控制;二是将潜艇作战行动的各项工作按任务划分，相对独立的任务模块有利于将复杂问题简化为多个简单问题的组合，提高作战系统的工作效率，更方便指挥员自主行为的实现;三是在技术层面上指挥与控制自动化，主要使用机械化手段完成自动化，用以减少电子设备的影响并提高可靠性和减少准备时间，使用信息化手段完成远程集中操控与监视。

［1］赵正业.潜艇火控原理［M］.北京:国防工业出版社，2003.

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