舰艇抗损性的全系统建模及仿真平台研究

王康勃， 侯岳， 浦金云， 柴卓野

(1.海军工程大学 动力工程学院， 湖北 武汉430033； 2. 91872部队， 北京 102442)

0　引言

舰艇抗损性是指在受到敌方武器攻击而损伤后，舰艇能够继续保持漂浮、航行和作战等各项任务能力的可能性[1]。舰艇抗损性是舰艇生命力的重要组成部分，关系着舰艇的生死存亡和作战能力的发挥[2]。因此，在舰艇设计阶段，就需要对舰艇的抗损能力进行准确的评估计算，以掌握抗损性指标，并据此进行设计方案的选择、改进和优化。2006年，英国海军报道了以SURVIVE仿真平台为标志性成果的抗损性评估方法和仿真平台[3]。2012年～2014年，芬兰学者KotiRanta发表了SUMRA生命力评估系统的一系列研究状况，并在北欧国家海军进行了广泛应用[4]。然而，目前的评估技术依然存在以下问题：1)抗损能力的任务逻辑建模是以单个系统为对象构建的，没有考虑不同系统之间的关联性和耦合性，即没有考虑任务能力的全系统建模。例如，武器系统功能的建模只考虑了武器装备，未考虑武器装备使用所必须的电力系统、冷却水系统等保障系统；2)任务逻辑建模只考虑了线性树状逻辑关系，未考虑网络状系统的非线性逻辑关系。然而，遍布全舰的水消防管网、电力网络、蒸汽网路被命中的概率更大，网络状系统的抗损能力尤其关键[5]；3)仿真平台的方案自定义能力、自编辑能力不强，只能针对特定的逻辑关系进行计算，无法进行逻辑关系的自定义，缺少编辑任务逻辑关系的算法和功能。

为解决以上问题，本文在前期抗损性计算研究、实践和工程应用的基础上，成功构建了全系统的耦合关联性模型及仿真算法，并开发了抗损性通用仿真平台。该成果解决了评估滞后于设计的难题，实现了设计方案的快速数字化、模型化和快速采集，满足了舰艇边设计边评估的需求。

1　抗损性评估的全系统描述

1.1　抗损性评估理念的革新

国外海军在经历多次现代海战之后，其舰艇抗损性评估理念也发生了较大的变化[6]。传统的舰艇抗损性只针对特定的系统(例如动力系统、武器系统)进行评估，评估结论也只针对系统自身的抗损能力进行描述。然而，舰艇是一个复杂的系统和完整的作战平台。在实战条件下，舰艇抗损性评估更关注的是剩余任务能力，而不是具体的系统功能[7]。因此，抗损性评估理念的更新，对抗损性评估的方法和手段提出了新要求。

1.2　抗损性的全系统描述

舰艇抗损性的评估指标是指舰艇剩余的任务能力，剩余的任务能力是与舰艇多个系统相关联的。当舰艇受到武器攻击后，需要根据装备的损伤清单，对剩余的不沉能力、机动能力和作战能力进行评估。不同任务能力的保障又与多个系统、设备密切相关(见图1)。例如，作战能力的发挥需要良好的平台、船保系统的冷却水管网、电力系统的供电网络和各类武器系统装备的共同保障[8]。如图2所示，作战能力与系统装备之间是复杂、相互影响的非线性逻辑关系。其中，冷却水管网、电力网络的逻辑关系都不是传统的线性功能树所能够描述的。值得提出的是，即使武器装备自身未受损，而为其供应冷却水的船保系统或者供电路径全部失效，则该装备同样无法使用[9]。因此，全系统的描述与以往逻辑建模的关键区别在于能够综合考虑各系统设备的损伤情况来评估剩余任务能力。

2　抗损性的逻辑建模

在以往研究中，主要采用逻辑或门、逻辑与门进行系统功能(任务能力)的建模，即认为系统(能力)的构成设备之间只有并联关系或者串联关系。然而，当考虑电力供应路径、冷却水供应路径等网络化的逻辑关系后，剩余能力的逻辑建模将变得非常复杂。图3所示为典型作战能力的逻辑关系框图。图3中上半部分仅考虑了武器系统自身的串联、并联逻辑关系，下半部分考虑了电力管网和冷却水管网的功能保障逻辑关系。传统的串联、并联逻辑关系算法比较成熟，下文将主要针对网络类的逻辑关系模型进行描述。

对于供电、供冷却水、供油、供汽等网络状供应系统，一般都有多个供应源头(发电机、消防泵、油泵、锅炉等)，并且多个源头之间通过阀门、电缆、管路进行联接。一般来讲，每个源头都存在到达用户的供应路径，每个用户的供应路径一般包括多条，且不同供应路径之间可以转换和支援。因此，使用传统的方式对不同的供应路径进行分析将相当困难。为解决该问题，本文设计了路径搜索算法，通过遍历查找所有的供应路径，将供应路径复杂的逻辑关系线性化(见图4)。

2.1　逻辑图模型

由于网络状系统都具有明显的点线特征和流动特征，本文使用图论的分析方法对其进行建模[10]。下面以冷却水管网为例建立供水路径搜索算法。冷却水管网来自消防水管网，因此以全舰消防水管网为对象进行建模。具体步骤如下：

步骤1供水管网有向图的顶点建模。图模型的顶点分为4种类型，即输入设备、输出设备、管路和阀门。输入设备用于提供消防水给输出设备使用，管路用于将输入设备的消防水供应至输出设备，阀门用于控制消防水是否可以在管路中流动。

步骤2供水管网有向图的边建模。输入设备、输出设备、管路和阀门四者之间的相邻关系构成图模型的边。顶点相邻关系表数据字段格式如表1所示。

表1　顶点相邻关系表的数据格式Tab.1　Data format of vertices adjacent relationship

2.2　供应路径搜索算法

Tree(V)算子是指以顶点V为父节点、以顶点V相邻集合中的元素为分枝进行扩展所构成的一棵多叉树。可通过查找顶点相邻关系表的相邻顶点字段获得。

对于任意消防水泵(输入设备)Yi和冷却水用户(输出设备)Wi，本文设计了供水路径搜素算法。具体步骤如下：

步骤1建立多叉树Tree-search，并将消防水泵Yi作为当前多叉树Tree-search的第1层叶子。

步骤2对于当前多叉树Tree-search的每个最底层叶子Vi，执行Tree(Vi)操作。

步骤3针对每个Tree(Vi)的所有叶子，如果存在阀门，则在当前修改后的顶点相邻关系表中查找该阀门点的顶点状态字段。如果该字段为关闭或破损，则将该叶子从Tree(Vi)的叶子中删除。

步骤4对于每个Tree(Vi)的每个当前叶子，如果存在处于完好状态的冷却水用户Wi，则说明存在消防水泵Yi到冷却水用户Wi的供水路径，算法结束。如果不存在，则跳转到步骤2.

使用上述算法搜索每一个消防水泵到冷却水用户Wi的供水路径并取并集，可得到冷却水用户Wi的供水路径集合。当该集合不为空(存在一条供水路径)时，可以使用图4所示的逻辑图将非线性网络逻辑线性化，并作为图3的一个子功能树。至此，就完成了图3中的全系统逻辑模型的构建。

3　逻辑关系自定义模型设计

目前，国内外现有类似仿真平台的开发都是针对特定逻辑关系进行的，即任务树的逻辑关系不能由用户改变。然而，抗损性仿真平台的关键是时效性，即能够实现方案设计和评估的同步进行。该平台注重解决逻辑关系的自定义难题。用户可以随时自设定全系统任务功能的逻辑关系，包括逻辑节点(与、或、非)、事件节点、设备节点的任意添加、修改和删除。通过将固定的逻辑关系可编辑化，实时反映设计方案的变更，如图5所示。另外，该平台还具备子功能树的封装功能，并提供子功能树的组合和外挂接口。通过将复杂、大型的逻辑关系模块化，以减小大型复杂逻辑关系的输入难度和管理难度。

在功能树逻辑字串中，用“*{}”表示与门，用“+{}”表示或门，用“-{}”表示非门，用“T:名称”表示事件节点，用“E:名称”表示设备节点，用“S:名称”表示子功能树节点，相邻节点之间用半角逗号隔开。对于如图6所示的功能树，其逻辑字串为顶事件+{T:K1-{E:K5}, T:K2*{E:K6, E:K7}, T:K3, T:K4+{E:K8,S:K9}}。

通过将通用功能树的逻辑关系转化为计算机语言可识别的逻辑字串，就可以实现逻辑关系的自定义和通用描述。基于计算机语言中的逻辑字串操作函数，该算法结合宽度优先搜索算法实现逻辑关系字符串的辨识、修改和删除。通过Vs.net软件平台预先封装好的逻辑字符串操作函数，大大提高了算法的执行效率。以逻辑关系节点的增加为例，使用VB.net中的字符串操作函数，算法操作步骤如图7所示。

4　抗损性评估的仿真流程

为了对比分析不同舰艇设计方案的抗损性指标，本文采用蒙特卡洛原理对特定任务功能的发生概率进行计算，如图8所示。针对抗损性评估仿真流程中的关键要点如下：

1)评估要素的数据采集。数据的采集过程也是对舰船生命力诸要素的数字化过程。抗损性评估所需要的基础数据种类多、数据量大。数据采集类型包括船体型线、舱室基本信息、舱室几何信息、设备基本信息、设备几何信息、设备逻辑关系、任务能力的全系统逻辑模型、设备损伤模式和损伤阈值等。

2)威胁武器的设定，包括威胁武器的名称、种类、等效破坏当量、损伤体积、炸点分布规律等。本文构建的仿真平台使用文献[11]中的损伤椭球体法。炸点分布函数包括均匀分布、线形分布和正态分布。

3)任务功能能否完成的判断，实现全系统逻辑模型的线性化之后，使用传统功能树算法，并根据当前损伤清单进行判别[12-14]，不再赘述。

5　仿真平台的开发

5.1　仿真平台架构

如图9所示，开发的仿真平台包括输入层、输出层、可视化呈现层、关键模型层、基础数据层和系统支持层。

1)输入层，主要实现设计数据的导入、威胁武器的自定义、逻辑关系的自定义、评估案例的选择与保存、评估案例的管理与查看。值得提出的是，由于该软件的数据量较大，为了提高数据采集的效率，对于船体、舱室等数据的采集，开发了与设计所直接对接的数据导入模块，提高了数据采集效率，保持了数据格式的一致性。

2)输出层，主要以列表、三维图形的方式为用户提供任务功能的概率、威胁武器炸点及损伤清单，并自动生成评估报告。在软件设计时，用户可以浏览任意一个炸点对应的损伤清单和任务功能完成情况，也可显示所有炸点的任务功能完成情况。考虑到待评估的任务功能可能有多个，因此不同类别的任务功能以不同的颜色进行区分和显示。用户可以自由组合要查看的任务功能类型。

3)可视化呈现层，主要是通过调用OpenGL三维动态链接库的方式，对舰船及系统装备的评估对象、炸点分布、损伤设备等实时显示、编辑和渲染。

4)关键模型层，包括炸点随机生成模型、损伤仿真模型、系统功能判别模型以及蒙特卡洛仿真模型。其中：炸点随机生成模型的功能是根据用户的威胁武器输入和仿真环境设置，随机生成炸点的位置；损伤仿真模型的功能是针对随机生成的每个炸点，计算损伤清单；系统功能判别模型的功能是根据损伤清单和全系统任务的功能逻辑关系，判别任务能力的完成情况。通过蒙特卡洛仿真模型完成炸点随机生成、损伤仿真和系统功能判别等仿真过程的组织实施。

5)基础数据层，包括静态数据和动态数据两类。静态数据是软件运行过程中只调用不编辑的数据，包括船体数据、舱室数据、设备数据、逻辑关系数据和威胁武器特征数据。动态数据是软件计算需要临时存储的重要数据，包括武器炸点列表和损伤清单列表。

6)系统支持层，是对仿真平台环境的整体描述。该仿真平台在Visual Studio.NET开发环境下通过调用OpenGL动态链接库实现，数据库环境是SQL Server环境。

5.2　操作界面

在如图10所示的评估对象三维可视化界面中，舰艇设计人员可以自由浏览船体、舱室和设备的三维图形。舱室默认为绿色，设备默认为黄色；被选舱室标记为粉色，被选设备默认为红色。

在如图11所示的功能树逻辑关系编辑界面中，舰艇设计人员可以自由绘制系统功能与设备、保障系统子功能树之间的逻辑关系。

在如图12所示的抗损性评估结果输出界面中，可以查看威胁武器的名称、炸点分布区间、炸点分布函数和损伤半径。通过设置攻击次数并点击仿真计算按钮，可以自动生成威胁武器炸点清单，并可浏览各次攻击对应的损伤舱室、损伤设备、顶事件发生的功能树。基于蒙特卡洛定理，最终得出各功能树的发生概率。舰艇设计人员根据各功能树的发生概率，能够定量对比不同设计方案的抗损性差异。

点击图12中的三维显示按钮，可进入如图13所示的抗损性评估结果输出界面。在该界面中，当次攻击选中的炸点标记为黄色星形，当次攻击的损伤舱室标记为粉色，当次攻击损伤的设备标记为红色。此外，不仅可以将设备按所属系统分图层显示并将舱室按所属甲板分图层显示，而且可以将不同系统的设备标记为不同颜色。通过上述手段便于舰艇设计人员对各次攻击产生的损伤态势有直观认识。

6　结论

舰船抗损性的仿真和评估一直是舰船生命力评估研究领域的热点和难点。为能够快速准确地评估舰艇设计方案的抗损性指标，本文提出了基于蒙特卡洛方法的舰艇抗损性评估模型，主要结论如下：

1)本文在理论上提出的逻辑图模型是一种适合任务能力逻辑关系的建模方法，有效改进了传统的系统级、线性逻辑关系。该模型具有描述“任务能力—系统功能—设备单元”之间从顶层到底层映射关系的能力。

2)在舰艇设计过程中，设计方案和系统逻辑关系会随着设计要素的深入而改变，因此对评估手段和仿真平台的通用性要求较高。本文设计并开发的仿真平台具有较强的通用性、交互性和可视化能力，可实时构建逻辑关系，是设计人员进行抗损性分析的有效工具。

本文构建的理论模型和仿真平台适用范围广，通过将来的适应性改进，可推广应用到陆军和空军作战平台的抗损性评估工作中。

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