周 杰 高洪林 王新華

(海軍潛艇學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系 青島 266071)

1 引言

現(xiàn)代水下的作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜,武器裝備的種類和性能不斷提高,對(duì)指揮員在作戰(zhàn)和訓(xùn)練中的要求也越來越高[1]。然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用作戰(zhàn)軟件來輔助指揮員完成作戰(zhàn)和訓(xùn)練過程中遇到的復(fù)雜計(jì)算和決策問題,已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

在水雷布放決策部署過程中,涉及到大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和各種因素的權(quán)衡,必須遵循一系列的方法、規(guī)范[2]。傳統(tǒng)做法主要依靠人力和經(jīng)驗(yàn),效率低下、隨意性強(qiáng)、準(zhǔn)確性不高,難以適應(yīng)快速高效布雷的需求。布雷輔助決策系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)處理信息迅速、準(zhǔn)確、直觀等優(yōu)勢(shì),能較好地為布雷方案的制定提供科學(xué)合理的決策支持,輔助指揮員根據(jù)水雷的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)和海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境制定相應(yīng)的布雷方案。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

布雷輔助決策系統(tǒng)主要研究水雷武器在攻勢(shì)和防御布雷中作戰(zhàn)使用,系統(tǒng)對(duì)雷區(qū)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和布雷方案、觸雷期望值、觸雷概率及布雷數(shù)量進(jìn)行分析計(jì)算,并對(duì)水雷障礙效率的評(píng)估計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果制定最佳實(shí)施計(jì)劃,計(jì)劃內(nèi)容包括雷型選擇、布雷方式、定次和定時(shí)指標(biāo)、設(shè)定引信目標(biāo)和預(yù)設(shè)雷區(qū)時(shí)間等。

布雷輔助決策系統(tǒng)以信息化的技術(shù)手段使部隊(duì)人員在系統(tǒng)軟件上進(jìn)行布雷文書的學(xué)習(xí)和制定。同時(shí)將電子海圖技術(shù)應(yīng)用于布雷訓(xùn)練系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)布雷障礙圖的標(biāo)定信息化、電子化。

布雷輔助決策系統(tǒng)建立現(xiàn)役的主戰(zhàn)水雷數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)艦船數(shù)據(jù)庫和海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫,方便部隊(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)、掌握水雷的基礎(chǔ)知識(shí)和制定布雷作戰(zhàn)計(jì)劃時(shí)使用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu),如圖1所示。數(shù)據(jù)層用于儲(chǔ)存應(yīng)用程序處理的所有數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序?qū)咏邮苡脩魧拥臄?shù)據(jù)請(qǐng)求,生成相應(yīng)的 SQL語句,存取數(shù)據(jù)庫,并把結(jié)果傳送給用戶層或數(shù)據(jù)層[1]。

布雷輔助決策系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。各模塊通過人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)庫獲得結(jié)算需要的各種數(shù)據(jù),包括目標(biāo)艦船的物理特性、水雷的主要參數(shù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo),各模塊功能如下:

圖2 布雷輔助決策系統(tǒng)模塊圖

1)水雷破壞能力評(píng)估模塊

主要計(jì)算觸發(fā)式水雷的破口長(zhǎng)度和破口深度。并利用沖擊波壓力法、沖擊因子法和沖擊加速度法計(jì)算非觸發(fā)式水雷的破壞能力。

2)水雷需求數(shù)量計(jì)算模塊

該模塊在確定布雷作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)和目的,合理選擇和明確水雷障礙所需達(dá)到的作戰(zhàn)效能指標(biāo)后,可以根據(jù)不同的效能指標(biāo),計(jì)算所需的水雷數(shù)量。

3)水雷毀傷效能評(píng)估模塊

毀傷效能是衡量水雷作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)性指標(biāo)。包括計(jì)算目標(biāo)艦船的條件毀傷概率,即計(jì)算目標(biāo)艦船在遭遇水雷障礙的情況下,分別被1～3枚水雷擊中的概率;計(jì)算艦船毀傷期望,即對(duì)艦船目標(biāo)流所有艦船被水雷毀傷數(shù)量之期望。

4)水雷障礙生命力評(píng)估模塊

水雷障礙生命力是指在敵方實(shí)施反水雷作戰(zhàn)和布雷海區(qū)自然環(huán)境及水雷自身因素的影響下,水雷障礙能夠保持其規(guī)定戰(zhàn)斗功能的能力。它主要取決于水雷障礙戰(zhàn)斗堅(jiān)持力和布雷海區(qū)海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的影響[3]。該模塊主要根據(jù)敵方使用反水雷兵力清除水雷所需時(shí)間、水雷戰(zhàn)斗有效期、布雷水域水深、潮汐、風(fēng)浪、地形、水質(zhì)等數(shù)據(jù)綜合評(píng)估水雷障礙生命力。由于評(píng)估水雷障礙生命力涉及的因素較多,很難定量計(jì)算,系統(tǒng)建立專家系統(tǒng)進(jìn)行定性分析后,得到量化指標(biāo)。

5)水雷障礙作戰(zhàn)性能評(píng)估模塊

確定評(píng)估指標(biāo)體系,利用專家系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo),使用層次分析法評(píng)估水雷障礙作戰(zhàn)性能。

6)布雷障礙圖繪制模塊

利用電子海圖系統(tǒng),調(diào)用電子海圖數(shù)據(jù)庫,繪制布雷障礙圖。系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控默認(rèn)目錄,將繪制的電子布雷障礙圖自動(dòng)拷貝到剪貼板,并利用COM(組件對(duì)象模型Component Object Model)技術(shù)插入布雷文書Word文檔。

7)布雷文書模塊

從文書模板數(shù)據(jù)庫調(diào)用各種布雷文書的模板,并調(diào)用Word按文書規(guī)定格式顯示和編輯。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 水雷障礙效能評(píng)估體系指標(biāo)的確定

謀劃布雷作戰(zhàn)時(shí),通常需要以所要求達(dá)到的作戰(zhàn)效果預(yù)期指標(biāo)為依據(jù),對(duì)水雷障礙結(jié)構(gòu)優(yōu)化、水雷和布雷兵力的需求數(shù)量等一系列問題進(jìn)行定量決策,而這些問題的解決又都是以水雷障礙作戰(zhàn)效能的評(píng)估方法為基礎(chǔ)的。評(píng)估布雷作戰(zhàn)效能時(shí)需要基于水雷個(gè)體的作戰(zhàn)能力和水雷障礙的具體構(gòu)成,對(duì)水雷障礙所能達(dá)成預(yù)期作戰(zhàn)目的的程度進(jìn)行估計(jì)。作戰(zhàn)效能難以采用一個(gè)指標(biāo)予以全面衡量,研究水雷障礙作戰(zhàn)效能評(píng)估方法必須首先建立其作戰(zhàn)效能評(píng)估的指標(biāo)體系[4]。本文建立水雷障礙作戰(zhàn)效能評(píng)估體系如圖3所示。

4.2 水雷障礙生命力評(píng)估專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

水雷障礙生命力受多種人為和自然因素的影響,很難進(jìn)行定量計(jì)算,系統(tǒng)利用專家系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行定性分析后,再得出定量指標(biāo)。

圖3 指標(biāo)體系

專家系統(tǒng)主要是利用知識(shí)的推理來求解問題,其核心技術(shù)是知識(shí)的產(chǎn)生和處理。將所有影響因素通過知識(shí)工程的處理轉(zhuǎn)化為可用形式,以規(guī)則的形式存放于知識(shí)庫。知識(shí)采用產(chǎn)生式規(guī)則表示,其一般形式如下:

IF 前提1 and前提2 and…and前提n

THEN 結(jié)論1,結(jié)論2,…,結(jié)論n

對(duì)于具有多個(gè)關(guān)系的情況,其推理是根據(jù)這些前提間的邏輯關(guān)系分解成多條上述形式的規(guī)則[5]。

圖4 產(chǎn)生式規(guī)則表示方法

在知識(shí)庫中,每條規(guī)則如圖4所示。規(guī)則中的R_Name是規(guī)則名;Pre和Con分別是本條規(guī)則中的前提鏈和結(jié)論鏈;Next_Rule為指向下一條規(guī)則的指針。在建立規(guī)則結(jié)構(gòu)前,將規(guī)則中的所有規(guī)則以及它們前提和結(jié)論進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào),這樣R_Name、前提鏈和結(jié)論鏈的各節(jié)點(diǎn)只存放相應(yīng)的編號(hào)即可。利用Visual C++提供的指針功能,實(shí)現(xiàn)鏈表來構(gòu)造知識(shí)庫。

建立知識(shí)庫后,還必須建立推理機(jī)。推理機(jī)是用來控制整個(gè)專家系統(tǒng)運(yùn)行的一組程序,本系統(tǒng)采用正向推理。所謂正向推理,是指從原始數(shù)據(jù)出發(fā)正向運(yùn)用知識(shí)庫中的規(guī)則知識(shí),由已經(jīng)提供的事實(shí)推斷新的事實(shí),直到無可用規(guī)則或者求得了所要求的解為止。系統(tǒng)推理過程如下:

1)從數(shù)據(jù)庫中得到影響水雷障礙生命力各因素的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為規(guī)則形式表述。

2)掃描規(guī)則庫,找出與當(dāng)前規(guī)則相匹配的規(guī)則。

3)判斷匹配成功規(guī)則的結(jié)論部分的事實(shí)是否在數(shù)據(jù)庫中,若無,將結(jié)論部分的事實(shí)加人數(shù)據(jù)庫。

4)利用更新后的事實(shí)庫重復(fù)上述兩步,直到不再有規(guī)則適用為止。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于推理機(jī)可以很快地對(duì)輸入的數(shù)據(jù)做出反映,迅速地對(duì)目標(biāo)狀態(tài)變量賦值。推理機(jī)程序流程圖如圖5所示。

4.3 水雷障礙作戰(zhàn)效能評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

為使布雷作戰(zhàn)效能的評(píng)估充分考慮各種因素的影響,得到科學(xué)合理的評(píng)估結(jié)果,為布雷計(jì)劃的最終制定提供有力依據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系,從目標(biāo)艦船數(shù)據(jù)庫、水雷性能數(shù)據(jù)庫和海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫中得到目標(biāo)特性、水雷性能和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)對(duì)指標(biāo)體系中的定量指標(biāo)艦船毀傷期望和毀傷概率進(jìn)行計(jì)算,利用建立的專家系統(tǒng)對(duì)定性指標(biāo)水雷戰(zhàn)斗堅(jiān)持力和抗自然稀化能力進(jìn)行量化評(píng)估,并將各指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值相比,實(shí)現(xiàn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化。采用“專家判斷矩陣法”確定各指標(biāo)權(quán)重,即各指標(biāo)制成矩陣表后發(fā)給各位精選的專家,要求專家憑著自己的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)按層次分析法中的1～9標(biāo)度法填寫比較判斷的結(jié)果,然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和綜合處理,以此求得各指標(biāo)的權(quán)重。以盡量減少或抵消非理性和主觀因素對(duì)權(quán)重的影響。最后利用層次分析法對(duì)水雷障礙作戰(zhàn)效能進(jìn)行整體評(píng)估,系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

4.4 布雷文書的編輯

布雷文書多為Word文檔且有規(guī)定格式,為方便顯示和打印,系統(tǒng)采用COM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)Office自動(dòng)化。COM是微軟公司的最高級(jí)的,包羅萬象的二進(jìn)制通訊規(guī)范。用于軟件組件間跨進(jìn)程,跨機(jī)器和操作系統(tǒng)進(jìn)行交互操作[6]。系統(tǒng)程序使用COM接口自動(dòng)調(diào)用Word組件,從數(shù)據(jù)庫讀取文書模板,按照規(guī)定格式顯示布雷文書,用戶可利用Word實(shí)現(xiàn)對(duì)文書的輸入和打印。

由于布雷文書要求插入布雷障礙圖,系統(tǒng)采用多線程技術(shù),使用Visual C++語言的API函數(shù)CreatProcess,實(shí)現(xiàn)對(duì)電子海圖系統(tǒng)的調(diào)用,同時(shí)使用API函數(shù)ReadDirectoryChangesW,對(duì)其默認(rèn)存儲(chǔ)路徑進(jìn)行監(jiān)控。用戶繪制新的布雷障礙圖后,系統(tǒng)使用COM技術(shù)將障礙圖插入新建布雷計(jì)劃文檔中的適宜位置,根據(jù)不同使用需求系統(tǒng)還可以直接利用圖像處理技術(shù)將BMP格式的障礙圖存入剪貼板,供用戶下一步使用。程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

5 結(jié)語

布雷輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)使決策人員免于大量重復(fù)繁瑣的計(jì)算,直觀、形象、準(zhǔn)確地獲取信息。本系統(tǒng)在一臺(tái)普通的PC上即可實(shí)現(xiàn)制定布雷計(jì)劃所需的所有相關(guān)計(jì)算,系統(tǒng)的硬件配置要求低、推廣應(yīng)用成本低。本系統(tǒng)具有較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益,所涉及的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其他輔助決策系統(tǒng)開發(fā)也具有重要參考價(jià)值。

[1]凌韜,黃志軍,張立平.艦船裝備保障輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2008,28(6):158～160

[2]汪致遠(yuǎn).海軍武器裝備[M].北京:原子能出版社,2003

[3]韓鵬,李玉才.水中兵器概論(水雷分冊(cè))[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007

[4]佘湖清.水雷總體技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009

[5]季永清.船舶避碰輔助決策支持系統(tǒng)研究[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,9(2):176～180

[6]劉銳寧,宋坤.Visual C++開發(fā)典型模塊大全[M].北京:人民郵電出版社,2009