李本江陳泓洲

1.海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系；2. 海軍潛艇學(xué)院學(xué)員3隊(duì) 266071

基于探索性分析的水聲對(duì)抗方案評(píng)估

李本江1陳泓洲2

1.海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系；2. 海軍潛艇學(xué)院學(xué)員3隊(duì) 266071

介紹了探索性分析的基本思想，常用分析方法以及應(yīng)用中的難點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)。分析了水聲對(duì)抗方案的主要探索內(nèi)容，給出了基于探索性分析的水聲對(duì)抗仿真評(píng)估框架，并說(shuō)明了探索過(guò)程，為水聲對(duì)抗方案評(píng)估提供了一種新的思路和方法。

水聲對(duì)抗;評(píng)估;仿真;探索性分析

引言

水聲對(duì)抗效果受艦艇自身機(jī)動(dòng)能力、水聲對(duì)抗器材性能、對(duì)抗環(huán)境、對(duì)抗目標(biāo)等多種因素的影響。要科學(xué)合理地評(píng)估水聲對(duì)抗方案，必須結(jié)合戰(zhàn)術(shù)背景和對(duì)抗環(huán)境，綜合分析各種不確定因素的影響，這樣的評(píng)估才具有說(shuō)服力。探索性分析為水聲對(duì)抗方案評(píng)估提供了很好的思路。采用探索性分析方法評(píng)估水聲對(duì)抗方案，可通過(guò)多分辨率、多視角建模實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲對(duì)抗方案的“窮舉”，從而能全面分析不同方案下的對(duì)抗效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲對(duì)抗方案的合理評(píng)估。

1 探索性分析

探索性分析（Exploratory Analysis，EA）是RAND公司在二十世紀(jì)90年代開發(fā)的系統(tǒng)分析方法[1]，目前已廣泛應(yīng)用于軍事研究領(lǐng)域，進(jìn)行作戰(zhàn)結(jié)果分析、作戰(zhàn)效能評(píng)估和武器裝備論證，表現(xiàn)出分析大型復(fù)雜不確定性問(wèn)題的能力[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過(guò)考察大量不確定條件下各種方案的不同結(jié)果，理解和發(fā)現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象背后數(shù)據(jù)變量之間的影響關(guān)系，并廣泛試探各種可能的結(jié)果。與傳統(tǒng)的分析方法不同，探索性分析是一個(gè)更全面、更深入的分析方法。傳統(tǒng)的分析往往強(qiáng)調(diào)尋找一個(gè)最優(yōu)解，而探索性分析則強(qiáng)調(diào)在輸入與輸出之間進(jìn)行雙向探索來(lái)分析解的變化規(guī)律，尋找滿足不同需求的多種解決方案。

1.2 探索性分析常用方法[3][4]

根據(jù)不確定性因素的特點(diǎn)及處理方式，探索性分析方法可以分為參數(shù)探索、概率探索和混合探索。

參數(shù)探索是將各種合理的參數(shù)或研究者所關(guān)心的參量定義為離散化的變量，并將各變量的各種取值進(jìn)行組合，多次運(yùn)行模型，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析的方法。通過(guò)參數(shù)探索，可以了解哪些變量在何時(shí)比較敏感，這對(duì)于確定水聲對(duì)抗方案中關(guān)鍵決策變量具有特殊的意義。作為參數(shù)探索的補(bǔ)充，概率探索將輸入?yún)?shù)表示為具有特定分布規(guī)律的隨機(jī)變量，運(yùn)用解析方法或蒙特卡洛方法來(lái)計(jì)算結(jié)果，主要分析各種輸入的不確定性條件對(duì)結(jié)果的影響。最常用的方法是將前面的兩種方法相結(jié)合進(jìn)行混合探索。

1.3 探索性分析的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)[3][4][5]

探索性分析的計(jì)算量隨著變量個(gè)數(shù)及其取值的增加而迅速擴(kuò)大，使用中容易產(chǎn)生維數(shù)災(zāi)難和組合爆炸。層次化的多分辨率建模技術(shù)，元模型技術(shù)以及探索空間優(yōu)化技術(shù)為減少問(wèn)題分析規(guī)模、提高運(yùn)行效率提供了有效的手段，可極大地減少探索計(jì)算的規(guī)模與計(jì)算時(shí)間。

探索性分析過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要對(duì)探索數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理、處理及分析，故一般采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析、知識(shí)發(fā)現(xiàn)等方法幫助分析人員從海量的數(shù)據(jù)中獲得滿意的分析結(jié)論。另外，借助于圖形化的數(shù)據(jù)分析工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的形象化顯示，從而大大提高數(shù)據(jù)分析的效率。

2 水聲對(duì)抗方案探索內(nèi)容

在給定平臺(tái)聲學(xué)特性、平臺(tái)機(jī)動(dòng)性能、水聲對(duì)抗裝備性能和水聲環(huán)境的條件下，水聲對(duì)抗效果主要由平臺(tái)的機(jī)動(dòng)方案和水聲對(duì)抗裝備使用方案共同決定。

2.1 平臺(tái)機(jī)動(dòng)方案

對(duì)抗平臺(tái)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)措施貫穿于水聲對(duì)抗的整個(gè)過(guò)程，無(wú)論是單純機(jī)動(dòng)規(guī)避還是配合聲抗裝備使用，平臺(tái)機(jī)動(dòng)都是影響對(duì)抗效果的重要因素。對(duì)抗平臺(tái)不同的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)措施具體表現(xiàn)為其采用的機(jī)動(dòng)速度、機(jī)動(dòng)航向以及機(jī)動(dòng)深度（水下平臺(tái)）的不同組合。

2.1.1 機(jī)動(dòng)速度

機(jī)動(dòng)速度決定平臺(tái)的輻射噪聲和自噪聲并影響武器的發(fā)射。速度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)的輻射噪聲和自噪聲增大，進(jìn)而使自身暴露概率增大、探測(cè)距離降低；而機(jī)動(dòng)速度過(guò)低將降低平臺(tái)駛出對(duì)方探測(cè)或攻擊范圍的可能性。

2.1.2 機(jī)動(dòng)航向

機(jī)動(dòng)航向也是影響水聲對(duì)抗成敗的另一關(guān)鍵因素，它與機(jī)動(dòng)速度共同決定著平臺(tái)駛出對(duì)方探測(cè)或攻擊范圍的可能性。同時(shí)，對(duì)抗雙方的相對(duì)舷角也和機(jī)動(dòng)航向密切相關(guān)，因此平臺(tái)自身的探測(cè)能力和目標(biāo)強(qiáng)度也會(huì)受機(jī)動(dòng)航向的影響。此外，對(duì)抗平臺(tái)在發(fā)射水聲對(duì)抗器材以后，自身是否處于器材的有效作用范圍之內(nèi)也受機(jī)動(dòng)航向的影響。

2.1.3 機(jī)動(dòng)深度

水下平臺(tái)的螺旋槳空化噪聲會(huì)隨航深的改變而變化，一般情況下，深度越大，空化噪聲越小。通常，聲納探測(cè)范圍在垂直面都存在幾何盲區(qū)，因此對(duì)抗平臺(tái)之間的深度差也可用來(lái)判定對(duì)抗平臺(tái)是否處于對(duì)方聲納垂直搜索盲區(qū)的依據(jù)。此外，水下平臺(tái)對(duì)水聲環(huán)境的利用也主要體現(xiàn)在其深度的選擇上。

2.2 水聲對(duì)抗裝備使用方案

水聲對(duì)抗裝備的使用問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的在有約束條件下的非線性規(guī)劃問(wèn)題，用純解析計(jì)算的方法幾乎是不可能的。在仿真系統(tǒng)的支持下，用探索性分析方法進(jìn)行方案的受控窮舉是一種新思路。探索水聲對(duì)抗裝備使用方案也即是要分析其不同的使用時(shí)機(jī)、使用方式及平臺(tái)的機(jī)動(dòng)措施所產(chǎn)生的對(duì)抗效果。

2.2.1 使用時(shí)機(jī)

各類水聲對(duì)抗裝備僅為對(duì)抗平臺(tái)提供了實(shí)施水聲對(duì)抗的硬件基礎(chǔ)，要使其真正發(fā)揮效能還必須結(jié)合具體的環(huán)境和態(tài)勢(shì)，合理選擇使用時(shí)機(jī)。合理的使用能夠?yàn)閷?duì)抗平臺(tái)創(chuàng)造有利的局面，反之則不能取得好的對(duì)抗效果甚至?xí)m得其反。

2.2.2 使用方式

在對(duì)抗某一目標(biāo)時(shí)，選擇何種對(duì)抗裝備，是單獨(dú)使用還是組合使用以及發(fā)射參數(shù)怎么確定都是有待探索的重要內(nèi)容。具體使用方式要結(jié)合對(duì)抗態(tài)勢(shì)、平臺(tái)機(jī)動(dòng)性能、對(duì)方探測(cè)能力等因素進(jìn)行綜合考慮。

2.2.3 平臺(tái)機(jī)動(dòng)措施

不論使用哪一種水聲對(duì)抗裝備，欲想盡可能發(fā)揮其對(duì)抗效果，平臺(tái)正確合理的機(jī)動(dòng)措施是必不可少的。

3 基于探索性分析的水聲對(duì)抗仿真評(píng)估系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)框架

基于探索性分析的水聲對(duì)抗方案仿真評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水聲對(duì)抗仿真評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用HLA仿真體系結(jié)構(gòu)，以綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為運(yùn)行基礎(chǔ)，以模型服務(wù)器為推進(jìn)引擎。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)提供模型服務(wù)器等其它邦員所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)存儲(chǔ)仿真過(guò)程數(shù)據(jù)。模型服務(wù)器向各個(gè)邦員提供統(tǒng)一的模型管理和應(yīng)用服務(wù)，具有各對(duì)抗平臺(tái)的機(jī)動(dòng)仿真能力、武器彈道仿真以及命中效果分析能力等。攻擊方和防御方是對(duì)抗的兩大主體，它們從模型服務(wù)器獲取行為服務(wù)。綜合管理臺(tái)負(fù)責(zé)仿真初始設(shè)置，數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)以及實(shí)施人工干預(yù)。評(píng)估子系統(tǒng)根據(jù)不容的對(duì)抗內(nèi)容進(jìn)行決策方案探索，依據(jù)評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估。顯示子系統(tǒng)將對(duì)抗過(guò)程進(jìn)行二維或三維顯示，提供可視化的數(shù)據(jù)分析功能，將分析結(jié)果以文字、圖表及圖像等形式輸出。

3.2 水聲對(duì)抗方案探索過(guò)程

探索性分析只是一種分析解決問(wèn)題的思想，實(shí)施起來(lái)并沒(méi)有固定的模式和步驟。使用探索性分析方法評(píng)估水聲對(duì)抗方案，關(guān)鍵要將水聲對(duì)抗方案的探索統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為參數(shù)探索。首先要確定對(duì)抗對(duì)象和對(duì)抗內(nèi)容，如：誰(shuí)和誰(shuí)對(duì)抗，是對(duì)抗平臺(tái)探測(cè)跟蹤還是對(duì)抗聲自導(dǎo)武器攻擊。在此基礎(chǔ)上確定水聲對(duì)抗方案的決策變量和影響因素，然后將決策變量和影響因素的可能取值進(jìn)行組合形成決策方案集。如果決策變量或影響因素為連續(xù)型變量，需按一定的取值間隔進(jìn)行離散化處理。取值間隔不宜過(guò)小，否則計(jì)算量將難以承受，如航向的取值間隔可定為10°。為減小探索計(jì)算的規(guī)模，在組合方案之前需對(duì)決策變量和影響因素的取值范圍進(jìn)行分析和優(yōu)化。比如，對(duì)抗平臺(tái)使用聲干擾器之后，平臺(tái)的機(jī)動(dòng)航向不必360°全部遍歷，可縮小至聲干擾器水平作用扇面之內(nèi)。然后將每個(gè)方案進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和結(jié)果自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。最后將所有仿真數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到評(píng)估結(jié)論和方案建議。

3.3 評(píng)估模型選擇

系統(tǒng)采用了多層次多分辨率探索模型體系，既有基于原理的原理性仿真模型也有基于數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計(jì)模型。針對(duì)底層過(guò)程，系統(tǒng)建立高精度的原理性模型。對(duì)于上層分析運(yùn)用，系統(tǒng)建立了低分辨率的原理模型或統(tǒng)計(jì)模型。使用過(guò)程中，評(píng)估者可根據(jù)需要靈活選擇合適的模型和方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

探索性分析思想為水聲對(duì)抗方案評(píng)估提供了一種新的思路和方法。將探索性分析方法運(yùn)用到仿真評(píng)估系統(tǒng)，可對(duì)水聲對(duì)抗方案進(jìn)行“窮舉”仿真，通過(guò)分析大量的仿真樣本，可發(fā)現(xiàn)決策變量對(duì)水聲對(duì)抗效果的影響規(guī)律，從而獲得有價(jià)值的評(píng)估結(jié)論。

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

[2]曾憲釗，蔡游飛，黃謙等.基于作戰(zhàn)仿真和探索性分析的海戰(zhàn)效能評(píng)估[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2005，17(3)：763-766．

[3]李志猛,談群,汪彥明等.基于探索性分析的信息系統(tǒng)效能評(píng)估方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程.2009,9(22)：6702-6706.

[4]陳進(jìn)科,任義廣,沙基昌.探索性分析方法研究[J].先進(jìn)制造與管理.2007,26(11)：32-34.

[5]胡曉峰，胡劍文. 面向信息化戰(zhàn)爭(zhēng)整體需求的探索性分析方法[J].計(jì)算機(jī)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?yàn)闈撏Чシ缿?zhàn)術(shù);

陳泓洲(1986-), 男, 在讀研究生, 研究方向?yàn)楸N戰(zhàn)術(shù)。