海洋水下作战仿真系统的设计研究

李　卓，高大远，王庆裕

（1.海军92995部队训练部，山东　青岛　266100；2.海军潜艇学院，山东　青岛　266199）

海洋水下作战仿真系统的设计研究

李卓1，2，高大远2，王庆裕1

（1.海军92995部队训练部，山东青岛266100；2.海军潜艇学院，山东青岛266199）

水下作战对抗已经成为信息化海战的重要方面，但水下战场的特殊性和复杂性使对水下作战对抗的论证评估、演示分析和实验研究等都面临着更多的困难，设计研究水下作战仿真系统，对于水下作战对抗体系构成的验证、水下作战对抗模式的演示以及对抗效能分析和关键技术发展导向等都具有重要价值。在水下作战对抗的应用背景下研究设计了水下作战仿真系统，分析了系统的总体架构，重点从节点对象类、节点运动模式属性类以及功能属性类等方面对系统的模型体系进行设计，给出了系统的接口关系设计和驱动机制实现，仿真实例表明系统并能够为水下作战提供有效的论证评估手段和演示分析研究平台。

水下作战；视景仿真；模型体系；接口关系

水下作战是未来信息化海战的重要发展方向之一，随着水下对抗军事需求的加剧和技术发展的巨大驱动，水下作战为适应不同的作战任务衍生了多种作战样式和水下武器装备［1-2］。水下作战对抗与传统的海上作战、陆地作战和空中作战在作战模式、作战载体和关键技术实现等方面存在较大差异，同时水下战场空间具有迥异于其它战场空间的复杂性和特殊性，水下战场环境更加复杂和变幻莫测，采用已有的仿真系统视景展现、功能流程以及部署应用等多方面都难以满足需求［3］。基于此，论文以水下作战对抗为基本目标，根据水下作战对抗体系的构成和主要作战手段和模式，研究设计了面向水下对抗的仿真平台，为水下对抗体系的结构组成、对抗模式演示、对抗效能分析以及关键技术发展分析等提供有效的论证评估手段和演示分析研究平台，为促进水下作战对抗的发展奠定基础。

1　系统的总体架构

水下作战仿真系统开发的主要目标是对水下对抗系统进行对抗模式与过程的评估或者对单个对抗节点进行作战效能分析评估等。通过预先制定的作战想定，系统能够涵盖水下作战对抗的主要作战样式，可用于对水下战场空间控制权争夺和一体化军事对抗等大范围对抗仿真分析，还可实现对打击毁伤敌固定水下探测系统等小规模的水下作战等多种任务进行仿真分析。从系统组成的角度分析，水下作战仿真系统由仿真引擎、想定编辑工具、仿真运行管理工具、仿真场景表现工具（综合显示）和仿真数据辅助分析工具等组成，如图1所示。

图1　水下作战仿真系统的功能组成

其中，仿真引擎支持离散事件仿真，是仿真系统的核心，其功能是进行仿真事件处理。仿真模型编辑工具可对仿真模型数据进行编辑操作，还可作为想定编辑工具的输入项。仿真想定编辑工具主要生成仿真运行所需要的各方基本态势、行动计划及其它边界条件等。仿真运行管理是指通过启动仿真引擎，由仿真引擎来载入仿真想定，然后由该管理工具对仿真引擎的运行情况进行监视。仿真场景表现可在仿真运行的过程中实时广播和显示仿真场景信息，还可对仿真场景过程进行复现。仿真数据辅助分析可与仿真引擎同时运行，进行实时数据展示，还可以在仿真运行结束后，对结果进行事后分析。

水下对抗仿真系统的核心业务包括模型数据管理、实验想定编辑、仿真实验运行、仿真实验回放、仿真实验过程的实时表现、仿真实验数据获取、分析及可视化展示等，这些业务构成了一整套完整的业务流程，如图2所示。

图2　水下对抗仿真系统的业务流程

2　系统模型体系的设计

仿真模型体系是仿真系统中的核心部分，支撑系统内部的各类仿真分析以及确保仿真的有效进行，仿真系统模型体系的构建需要准确描述不同仿真实体在仿真运行中的属性变化、运动模式以及信息交换等情况。按照实现的功能差异，仿真系统模型体系划分为节点对象类、节点运动模式属性类以及功能属性类等类别。

2.1节点对象类的设计

为了保证系统功能的完整性，系统需要涵盖不同水下作战模式所涉及的各种对抗平台模型，包括各种机动类实体和固定类实体等。本系统重点考虑水下对抗仿真所对应的兵力实体，主要节点对象包含无人潜航器、水下滑翔器、水下固定节点、水下机动节点等。

从水下作战体系的角度分析，最能够反映水下作战特点的机动实体对象为无人潜航器（UUV）和水下滑翔器（SubGlider），这里重点对这两个节点对象进行类的设计描述。

无人潜航器（UUV）对象类和水下滑翔器（SubGlider）对象类的属性相似，主要属性包括：最大潜深、续航力、负载、航行速度、战术响应速度、动力类型等。其中，航行速度是指节点在满载负荷下的巡航速度；战术响应速度是指节点对作战指挥指令的响应速度；动力类型是指滑翔型、动力推进型和混合型等。设施实体（AssetFac）对象包括固定节点（FixedNode）、机场（Airbase）、港口（Port）等，其中固定节点（FixedNode）是水下作战对抗的重要一环。以固定通信中继类节点为例，其关键属性包括浮起计划、浮起速度等，浮起计划的内容包括通信中继时节点浮出水面的时机、时间长度等内容。

2.2节点运动模式属性类的设计

运动模式属性类主要指与机动实体节点有关的运动模式属性，根据水下作战的特点需求，机动节点涉及的主要运动模式包括固定位置运动、航线跟踪运动、编队运动、区域巡逻、往复巡逻以及由航线跟踪和巡逻运动复合而成的复杂运动。以下对典型的航线跟踪运动对象类进行描述。

航线跟踪运动类适用于大型运载型节点、移动搜索节点和通信中继节点等，其属性包括：滑翔航线（指定滑翔航行的大致区域）、机动航线路径点（数据结构）等。表1给出机动航线路径点数据结构的定义情况。

表1　机动航线路径点数据结构定义表

机动航线路径点数据结构既可用于描述平台的初始化运动计划，还可用于描述指挥控制生成的运动计划。被安排了航线跟踪运动计划的节点将沿航线机动，除非接收到新的指令安排需要转向的任务，否则将直到仿真结束。

2.3功能属性类的设计

根据作战对抗需求，水下对抗节点需要搭载不同的功能组件用以支持不同的作战任务，核心的功能组件包括通信设备、探测传感器、对抗武器、能源补给设备等，以下给出重点功能属性类的设计。

2.3.1通信类的设计水下作战对抗背景下的通信是具有一定规模终端的水声互联通信系统，复杂的水下作战环境下，水声通信往往存在较大的时延、丢包以及多途性等性质，很难完全按照预定的通信距离和速率来实现通信，水下作战通信类的设计必须充分考虑这些特点。概率矩阵模型可以较好地反映水下通信的这一特点，在概率矩阵模型中，消息和通信方案以简单的形式进行显式表达，而对链路终端、通信节点和网络进行隐式表达，所有计划通信均以用户设定的且小于1的概率进行（该概率充分考虑水下通信网络覆盖范围的限制、网络资源竞争以及其它复杂因素的影响）。因此，选择概率矩阵模型作为水下通信仿真模型，通信对象类的属性主要包括通信消息类型和概率矩阵模型方案属性。

水下通信消息类型包括接触报告、轨迹报告和指挥控制消息三类。接触报告指无关联的传感器报告，轨迹报告是指在指挥控制战术图中轨迹的更新数据。接触报告和轨迹报告的主要属性有以下方面：Sensor（Tracker）产生此接触的传感器名称/产生此轨迹的融合中心名称；Signatures（探测到的目标信号名称）；Status（新建、更新或丢失接触）；Detector（探测实体的名称）；Identification（被探测到的实体的名称）；Target（目标列表选项）；Classification（被探测到的实体类别列表选项）；Observation Time（从仿真开始到探测到目标的时间）；Generation Time（产生接触的时间）；position（被探测到的实体的经、纬度）；Depth（被探测到的实体的深度）；Course（被探测到的实体的航向）；Ground Speed（被探测到的实体的对地速度）。指挥控制消息有三个子类：指挥消息、受令实体状态和简单实体状态，包括指挥官的命令、命令确认、任务完成报告、实体/系统报告以及其它相关的消息。使用概率矩阵模型时，用户需要输入想定中模拟的每一方的概率矩阵模型方案。概率矩阵模型方案属性包括：Address Groups（由一系列发送者或接收者组成的地址群）；Plan Elements（列表选项，包括组成概率矩阵模型方案的多个元素）；Alliance（概率矩阵模型方案所属的联盟方）；Track Update Rate Table（对每个目标域轨迹的更新速率）。概率矩阵模型方案元素属性包括：Message Passing Probability（成功发送某类型消息的概率）；Message Types（消息类型列表）；Routeless Unassured Comms Delay Min（消息的最小传输延迟）；Routeless Unassured Comms Delay Max（消息的最大传输延迟）；Message Destinations（消息接收者列表）；Message Originators（消息发送者列表）。

2.3.2探测类的设计探测类设计的目标是模拟主要的探测传感器类型，包括被动探测传感器、跟踪传感器、主动探测传感器等。在水下作战环境中，被动探测可利用水下可靠声路径特性以及水下汇聚区等，探测概率与环境水声情况、目标距离、目标噪声大小有密切关系，在仿真中对被动探测传感器的属性可精简为探测范围和探测概率两个属性，其中探测概率是指探测和轨迹初始化的概率，探测范围是指以给定的探测概率和目标特性能探测到目标的最大范围或距离。对跟踪传感器属性的设计需要充分考虑移动节点的作战使命任务，包括在搜索模式和跟踪模式下所需的精度，因此跟踪传感器主要属性应包括：覆盖范围、运动学报告、ID/识别、毁伤报告、提示、速度门限、调度/激活和跟踪属性。鉴于水下作战对抗的隐蔽性需求，主动探测传感器的应用受到较大限制。对主动探测模型设计一般参照雷达模型建立的思路，基本属性包括覆盖范围、运动学报告、识别分类、BDA报告、线索、速度门限、调度/激活和跟踪等。另外，由于能耗是水下作战对抗体系中需重点考虑的要素，因此主动探测模型中还需加入工作时间间隔、单次工作时长、功率等属性。

2.3.3武器系统模型类的设计在对武器系统模型设计方面，必须满足想定规模和快速运行以及系统仿真精度的需求。基于这种考虑，对武器系统模型设定有以下要求：与武器系统物理特性相关的杀伤概率（Pk表）取决于武器、目标运动特性以及其它因素，在系统之外计算确定，作为系统属性参数输入；武器系统模型与搭载节点、目标距离、方位角、垂直角、目标接近速度以及其它因素相关，其交战范围随着相关节点移动而变化。

武器系统主要可划分为目标探测、目标跟踪和目标交战三类基础部件。在目标探测和目标跟踪的基础上，武器系统模型类的设计重点是目标交战。对于水下作战对抗而言，主要交战样式是己方节点航行至敌目标附近采取撞击、爆炸或者剪切等手段对敌实施毁伤。从仿真的角度来看，完整的进行这些过程的仿真无疑会极大的加大系统的设计难度。因此，从系统效能分析的角度，可直接给出毁伤效果、毁伤概率等属性值，而不对具体交战过程进行仿真演示，以减小计算量和仿真系统难度。

3　系统的开发及实现

3.1系统接口关系设计

在设计上，水下对抗仿真系统是以数据为中心进行的，包括模型管理、想定编辑和仿真实验运行等都是相关工具与数据库进行交互的过程，各功能模块与不同类别的数据库之间的交互关系如图3所示。

图3　各子系统与数据库的关系

水下对抗仿真系统在仿真运行时涉及不同的模型模板数据、模型实例档案数据、想定文件和实验方案文件等，不同的文件和数据之间存在大量的逻辑关系。相关的数据文件和数据库表之间存在的相互依赖关系如图4所设计。

图4　仿真系统数据文件相互依赖关系

其中，仿真引擎内置模型模板，模型模板决定了模型体系结构、模型的搭配能力、单个模型描述能力和仿真精度。模型实例档案是对单个模型的实例化。实例档案将模型模板中的参数进行实例化，由模板生成了确定化模型。此外，实例档案同时将模型的组合功能也实例化，即完成了实体模型的实际组合，提供了确定性的描述。模型实例中的存储的对象是供想定文件编辑者来部署或选择的。模型实例对于模型实例档案的关联是引用而非拷贝。同样想定文件中描述的对象实例是对模型实例的引用。实验方案则通过基本想定文件和想定偏移生成一系列的想定文件。

3.2驱动机制

仿真引擎是水下对抗仿真系统的核心，驱动机制则是仿真引擎的核心，仿真引擎的驱动机制如图5所示。

图5　仿真引擎的驱动机制流程

仿真引擎的基本流程包括三个阶段：启动准备阶段、启动运行阶段和结束清理阶段。启动准备阶段包括载入想定文件、解析想定文件及初始化裁决。启动运行阶段是循环过程，其中退出条件包括用户干预或运行状态达到预定值，循环体包括仿真事件处理过程及仿真裁决过程。结束清理阶段主要是保存仿真运行状态以及清理数据结构。

3.3视景仿真的原型实现

作战虚拟场景的构建是水下作战对抗仿真平台开发的基础一环，在实现上主要涉及作战虚拟场景模型的建立、视景驱动、仿真模型和界面的建立等［4］。水下作战场景较为复杂，涵盖了海面、水下、气候环境以及各种作战实体模型，为了仿真的真实性，由海面及水下场景组成的三维虚拟海洋环境构建的数据基于电子海图中提取的数据进行，水下场景中的水下地形模型数据基于电子海图中的水深和高程点信息来生成［5］。采用MultiGen Creator中的地形建模模块来完成对水下场景中地形的构建，对于水下作战涉及的各类作战实体模型，采用3dsMax 2012和Multigen Creator 3.0.1软件用手工建模的方法加以实现，采用VC++和OSG（Open Scence Graph）联合实现对视景的驱动，对OSG类库进行二次开发，基于MFC框架来实现仿真界面的设计开发［6］。

图6　仿真平台的全景作战态势图效果

图7水下作战仿真的部分场景效果

图6给出仿真场景的全景作战态势图。

图7给出了水下作战仿真的部分运行场景效果。运行场景分别为水下固定探测节点对敌潜艇的被动探测场景和UUV作为水下移动节点和水下固定探测网络共同组成水下探测网的演示效果。

4　结束语

水下作战对抗的复杂性给水下对抗体系发展战略、作战对抗模式和技术发展路线等带来了很大的不确定性。同时，水下战场环境的特殊性也导致现实中难以采用大量实验手段对水下对抗体系和关键技术进行反复论证、分析和评估，也难以实现对水下作战对抗运用的演示性验证和对抗效能评估等任务。本文研究了水下作战对抗实景仿真平台的设计方案，能够为水下作战对抗体系及技术发展提供论证评估和演示分析手段，并为水下战场建设提供参考，为相关技术发展奠定基础。

［1］Seo K M，Song H S，Kwon S J.Measurement of effectiveness for an anti-torpedo combat system using a discrete event systems specification-based underwater warfare simulator［J］.Journal ofDefense Modelingand Simulation，2011，8（3）:157-171.

［2］Floore T E，Gilman G H.Design and capabilities of an enhanced naval mine warfare simulation framework［C］//Proc of the Winter Simulation Conference，2011:2607-2613.

［3］李晓燕，王立冬，郭金良，等.电子战三维视景软件适应性架构设计［J］.电光与控制，2014，21（4）:86-90.

［4］Castaneda P，Wei C C，Chiam D.Advanced undersea warfare systems［C］//Proc of the AUVSI Unmanned Systems North America Conference，2011:691-693.

［5］刘喜作，梁德清.舰艇战术对抗视景仿真技术研究［J］.舰船电子工程，2013，33（11）：68-70.

［6］陈鸿.战场环境建模与态势生成关键技术研究［D］.北京：国防科学技术大学研究生院，2010.

Research on the Design of a Simulation System for Ocean Underwater Operation

LI Zhuo1，2，GAO Da-yuan2，WANG Qing-yu1
1.Training Department，Troop 92995 of the PLA Navy，Qingdao 266100，Shandong Province，China；
2.Naval Submarine Academy，Qingdao 266199，Shandong Province，China

Underwater operation and combat has become an important aspect of informationized naval battle.However，the demonstration，evaluation，analysis and experimental study of underwater operation are faced with multiple difficulties due to the particularity and complexity of underwater battlefield.Therefore，the design of an underwater operation simulation system has great value for verifying the structure of underwater combat system，demonstrating underwater combat mode，analyzing combat effectiveness and guiding key technology development.In this paper，an underwater operation simulation system is designed with its overall architecture analyzed under the context of applied underwater combat.The modelling system is designed focusing on the aspects of node objects，node movement mode attributes and functional attributes，with the system interface relations designed and driving mechanism realized.Simulation examples show that the presented system can provide an effective assessment means and demonstrating and analyzing platform for China's ocean underwater operation.

underwater operation；visual simulation；model system；interface relationship

U675.65

A

1003-2029（2016）03-0046-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.009

2015-08-18

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（AA8094027B）

李卓（1975-），男，博士后，工程师，主要从事模拟仿真、导航技术、水下作战理论等研究。E-mail：grambler@163.com