唐 帥, 笪良龍, 李玉陽, 韓 梅, 范培勤

(海軍潛艇學(xué)院二系, 山東 青島 266199)

0 引 言

“一流軍隊設(shè)計戰(zhàn)爭、二流軍隊?wèi)?yīng)付戰(zhàn)爭、三流軍隊尾隨戰(zhàn)爭”,隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,未來戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)樣式的穩(wěn)定周期越來越短,運(yùn)用實驗的方法研究作戰(zhàn)日益受到主要軍事強(qiáng)國的重視。近期發(fā)生的局部戰(zhàn)爭也充分證明這點(diǎn),越是最近的戰(zhàn)爭越帶有明顯的“被設(shè)計”痕跡。作戰(zhàn)實驗[1-2]正是運(yùn)用建模仿真、系統(tǒng)分析、效能分析等技術(shù)與方法,在人為控制條件下,根據(jù)不同目的改變相關(guān)條件,考察作戰(zhàn)進(jìn)程和結(jié)局、探索作戰(zhàn)思路,驗證未來軍隊建設(shè)仿真、編制體制、作戰(zhàn)構(gòu)想、作戰(zhàn)方案,演示各種可能在戰(zhàn)場上運(yùn)用的新概念、新模式、新技術(shù),從而認(rèn)識戰(zhàn)爭規(guī)律的研究活動。

當(dāng)前,海軍正處于軍事戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型過渡期,迫切需要開展作戰(zhàn)實驗。通過作戰(zhàn)實驗探索作戰(zhàn)概念,創(chuàng)新戰(zhàn)斗力生成模式,驗證未來軍隊的建設(shè)方針、編制體制、作戰(zhàn)構(gòu)想、作戰(zhàn)方案、演示各種可能在戰(zhàn)場上運(yùn)用的新技術(shù)、新概念、新模式、將成為海軍實現(xiàn)跨越式發(fā)展的必然趨勢。特別是在水下作戰(zhàn)領(lǐng)域,隨著聲納武器裝備信息化水平的日益提高,水聲探測器材的作用距離不斷增加,傳感器、武器、兵力行動與海洋環(huán)境條件的關(guān)系更為密切,與之相關(guān)的水下作戰(zhàn)實驗有其鮮明的特殊性,如外界不確定因素多、信息傳感器交互頻繁、環(huán)境依賴性強(qiáng)等。為此,僅僅依靠實兵演習(xí)難以窮盡各種環(huán)境條件及作戰(zhàn)樣式,必須通過豐富多樣作戰(zhàn)實驗仿真手段,為部隊創(chuàng)造更多參與訓(xùn)練、創(chuàng)新戰(zhàn)法、研究戰(zhàn)場的機(jī)會,開展大量聲納探測效能作戰(zhàn)實驗,促進(jìn)作戰(zhàn)方案推演與完善、海上實兵復(fù)盤與評估以及戰(zhàn)法理論創(chuàng)新,高效探索新的戰(zhàn)法和與戰(zhàn)術(shù)概念,通過戰(zhàn)法理論創(chuàng)新、牽引裝備建設(shè)發(fā)展、創(chuàng)新部隊訓(xùn)練模式引領(lǐng)戰(zhàn)斗力生成模式轉(zhuǎn)變。

本文從復(fù)雜聲納系統(tǒng)水下信息攻防精細(xì)化仿真及復(fù)雜系統(tǒng)高性能計算2類應(yīng)用需求出發(fā),討論了發(fā)展信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展需求,介紹了國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)概況;從信號級仿真建模與高性能計算和大規(guī)模信號級仿真復(fù)雜信息流控制2個方面分析了信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真需要重點(diǎn)研究的科學(xué)問題,并針對水聲信號寬帶波形快速預(yù)報、基于高性能平臺的信號級仿真建模及大規(guī)模信號級仿真系統(tǒng)調(diào)控策略等3個方面重點(diǎn)論述了信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真關(guān)鍵技術(shù),最后給出了信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜系統(tǒng)聲納仿真技術(shù)發(fā)展展望。

1 復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真發(fā)展需求

1.1 水下信息攻防作戰(zhàn)精細(xì)化仿真技術(shù)需求

水下作戰(zhàn)的核心是攻守雙方傳感器信息交互對抗的過程,如圖1所示,其關(guān)鍵問題是信道的復(fù)雜性導(dǎo)致信號傳輸相位和能量發(fā)生改變,傳統(tǒng)能量級和功能性仿真采用的簡單能量加減仿真模式難以真實反映信號精細(xì)化結(jié)構(gòu)及對抗過程中非線性、超非線性特征。信號級聲納系統(tǒng)水下作戰(zhàn)

實驗正是以水中目標(biāo)信號特征及其在海洋信道中傳輸為建?；A(chǔ),運(yùn)用信號處理技術(shù)再現(xiàn)武器裝備探測和對抗過程中的信號交互過程,利用超算技術(shù)和系統(tǒng)分析、效能評估等方法,在人為控制條件下,考察水下作戰(zhàn)進(jìn)程和結(jié)局,認(rèn)識水下作戰(zhàn)規(guī)律的科學(xué)實驗活動。其核心思想是從信息的原始形式——信號波形中捕捉復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境對傳感器、武器、平臺的影響,將各要素置于統(tǒng)一的時空和戰(zhàn)場環(huán)境背景條件下,構(gòu)造全平臺、全系統(tǒng)、全要素、高逼真的作戰(zhàn)環(huán)境和體系化信號級仿真實驗?zāi)芰?完整再現(xiàn)水下聲信息傳輸、探測和對抗的全過程,為作戰(zhàn)設(shè)計、作戰(zhàn)實驗和作戰(zhàn)評估提供科學(xué)基礎(chǔ)。信號級水下聲納系統(tǒng)仿真信息流程如圖2所示。

圖1 水下作戰(zhàn)復(fù)雜信息交互Fig.1 Underwater operation complex information interaction

1.2 信號級作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)高性能仿真技術(shù)需求

信號級水下作戰(zhàn)實驗聲納系統(tǒng)是典型的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng),主要特征體現(xiàn)在以下4個方面:①作戰(zhàn)實驗仿真規(guī)模大,涉及傳感器、武器、平臺3大類上百種仿真實體和信號源,各實體行為復(fù)雜、信息多樣、信號交互頻繁且存在強(qiáng)耦合;②作戰(zhàn)實驗實時性要求高,現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化程度高、戰(zhàn)爭進(jìn)程快,需要采用“超實時”仿真模式,在相對短的時間內(nèi)完成盡可能多的樣本分析和趨勢預(yù)測,優(yōu)選作戰(zhàn)方案;③作戰(zhàn)過程非線性強(qiáng),作戰(zhàn)實驗需要對多變量、全要素、強(qiáng)不確定性、超非線性的作戰(zhàn)過程進(jìn)行信號級仿真;④作戰(zhàn)實驗海域復(fù)雜,涵蓋了淺海、深海、過渡海區(qū)、島礁區(qū)等多種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境且具有很強(qiáng)的時空易變性。由此可見,開展大規(guī)模、高逼真、精細(xì)化信號級水下聲納仿真對計算及通信資源需求呈指數(shù)增加,只有采用高性能計算技術(shù)才能滿足大規(guī)模作戰(zhàn)仿真對計算資源和可擴(kuò)展性的要求,目前已經(jīng)成為世界發(fā)展的趨勢,各軍事強(qiáng)國的大規(guī)模作戰(zhàn)實驗、高精尖武器研發(fā)及核試驗?zāi)M等均依托高性能計算實現(xiàn)。

1.3 國內(nèi)外技術(shù)研究概括

國外方面,美國海軍在信號級聲納仿真方面,開發(fā)了聲納仿真工具箱(sonar simulation toolkit,SST)[3],用于構(gòu)建“人工海洋”,該仿真軟件能夠輸出陣元級和波束級多通道時間序列信號,并采用實時仿真和先進(jìn)的二維、三維可視化技術(shù),構(gòu)建了集復(fù)雜水聲環(huán)境、水聲目標(biāo)特性、聲納傳感器和戰(zhàn)場態(tài)勢仿真的交互式多傳感器分析訓(xùn)練(interactive multi-sensor analysis training, IMAT)系統(tǒng)[4-5],支持交戰(zhàn)級多傳感器、多平臺作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃和作戰(zhàn)過程分析,提供戰(zhàn)場環(huán)境作戰(zhàn)應(yīng)用研究和訓(xùn)練功能,用于提升部隊在復(fù)雜環(huán)境條件下的作戰(zhàn)訓(xùn)練水平。同時,美國高度重視高性能計算技術(shù)在作戰(zhàn)實驗中應(yīng)用。1998年,由DARPA資助的SF Express項目,集合13臺并行計算機(jī),使用了1 386個處理器,成功模擬了100 298個戰(zhàn)斗實體,并致力于將各個實驗室的計算能力進(jìn)行整合,方便隨時進(jìn)行大規(guī)模作戰(zhàn)仿真。

國內(nèi)方面,文獻(xiàn)[6-11]開展了基于集群的信號級被動聲納仿真系統(tǒng)研究,初步實現(xiàn)了平臺及其體系對抗環(huán)境條件下,從目標(biāo)特性、傳輸信道到聲納裝備的水下聲信息對抗全過程信號級仿真,在目標(biāo)噪聲建模、寬帶信號波形預(yù)報、信號級聲納仿真以及高性能并行計算等方面做出了有益的嘗試。

2 信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真科學(xué)問題

信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)研究涵蓋內(nèi)容多、體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實時性要求高、技術(shù)難度大,需要重點(diǎn)關(guān)注兩個方面的研究內(nèi)容。

2.1 信號級仿真建模與高性能計算

構(gòu)建高逼真度的“人工戰(zhàn)場”是戰(zhàn)爭在實驗室打響的首要條件,即在大型數(shù)據(jù)庫(包括環(huán)境庫、目標(biāo)庫、裝備庫、戰(zhàn)術(shù)庫等)的支撐下,構(gòu)建符合信號級聲納作戰(zhàn)仿真需要的海洋環(huán)境預(yù)報、信道傳輸、目標(biāo)特性、兵力交戰(zhàn)等仿真模型體系,如圖3所示。

為水下信息對抗仿真提供基礎(chǔ)條件,同時還必須滿足交戰(zhàn)仿真超實時性的要求,研究難度極大,是急需突破的科學(xué)問題之一,主要體現(xiàn)在:

(1)作戰(zhàn)海域范圍廣、環(huán)境復(fù)雜多變,要實現(xiàn)精細(xì)化的信道環(huán)境仿真,需要建立具有良好海區(qū)適應(yīng)性、精確性和實時性的信號波形預(yù)報模型,特別是應(yīng)具備對海洋水平非均勻環(huán)境的精確化仿真;

(2)實際仿真中,需要將多平臺、多傳感器、多武器置于統(tǒng)一的時空條件下,不僅要解決環(huán)境與傳感器、武器的耦合問題,還要解決交戰(zhàn)級仿真與信號級仿真不同時空粒度及其時空耦合問題;

(3)信號級水下聲納作戰(zhàn)仿真需要對水下信息對抗的全流程實現(xiàn)信號級仿真,即從水下信息對抗的信號產(chǎn)生、傳輸、交互、獲取、信號處理等全過程均與實際作戰(zhàn)一致,其仿真時間粒度為秒級,而且涉及跨平臺、跨系統(tǒng)、跨學(xué)科,必須依托作戰(zhàn)并行仿真技術(shù)[12]實現(xiàn),同時為了提高系統(tǒng)的高可用性、靈活性和易擴(kuò)展性,并降低建設(shè)成本,必須實現(xiàn)基于高性能計算平臺的信號級并行仿真計算。

2.2 大規(guī)模信號級仿真復(fù)雜信息流控制與系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)控

要實現(xiàn)水下作戰(zhàn)實驗中信號級武器、傳感器裝備體系對抗仿真,需要建立具有緊耦合關(guān)系的仿真模型體系,模型越精細(xì)、復(fù)雜度越高、耦合關(guān)系越復(fù)雜,系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)載不平衡及不穩(wěn)定的幾率也就越高。以單艇與單艦對抗為例,仿真規(guī)模僅為十幾個實體(2型平臺、4型傳感器、6型武器、5類模型)、近百個交互環(huán)節(jié);而當(dāng)組織航母編隊級對抗時,則迅速增加至上百個實體、幾千個交互環(huán)節(jié)和上萬個進(jìn)程,信息交互和計算量呈指數(shù)增長,如圖4所示,特別是出現(xiàn)主動信號攻防交互時,信號流由單向變?yōu)槎嘞蝰詈?系統(tǒng)不穩(wěn)定性顯著加大,此時如果缺乏有效的仿真資源組織、管理機(jī)制和有效的仿真系統(tǒng)運(yùn)行支撐機(jī)制,必將導(dǎo)致大規(guī)模信號級仿真系統(tǒng)信息流調(diào)控復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性難以控制。因此,如何實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境條件下對抗過程信息流傳遞與控制、解決大規(guī)模耦合仿真作業(yè)的調(diào)度、流程管理、網(wǎng)絡(luò)或IO瓶頸及系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題,最大限度地提高仿真實驗效率,是大規(guī)模信號級仿真面臨的重大科學(xué)問題之一。

圖4 不同規(guī)模信號級水下作戰(zhàn)實驗信息交互關(guān)系Fig.4 Interactive information of different signal-level underwater operational experiment scales

3 信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水聲信號寬帶波形快速預(yù)報技術(shù)

水聲信號寬帶波形預(yù)報技術(shù)是通過海洋環(huán)境模型和基礎(chǔ)聲學(xué)模型的結(jié)合,構(gòu)建“虛擬海洋”,該技術(shù)是信號級作戰(zhàn)實驗仿真的核心。寬帶水聲傳播建模采用頻域方法和時域方法兩類,如圖5所示。

圖5 信號級水聲信道波形仿真技術(shù)途徑Fig.5 Technical approach of signal-level acoustic waveform simulation

利用頻域近似展開并行算法求得水聲傳播信道的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)或者利用時域并行算法求得水聲傳播信道的脈沖響應(yīng)函數(shù)。以頻域方法實現(xiàn)水聲信號寬帶波形預(yù)報為例,采用波束位移射線簡正波(beam displacement ray normal-mode,BDRM)模型作為基礎(chǔ)模型。通過研究發(fā)現(xiàn),在負(fù)躍層環(huán)境和深海聲道典型海洋環(huán)境中,在滿足波形預(yù)報精度和信號帶寬前提下,利用傅里葉合成方法計算寬帶波形時間分別是383.31 s和692.33 s(P4 3.0 GHz),但是信號級聲納/武器仿真系統(tǒng)對信號寬帶波形實時性需求小于2 s?？梢?雖然BDRM理論在計算速度上較傳統(tǒng)簡正波方法存在明顯優(yōu)勢,但仍然無法解決寬帶聲場的實時預(yù)報問題。

通過對BDRM模型分析發(fā)現(xiàn),本征值方程和本征函數(shù)的解算是求解水下信道頻率響應(yīng)函數(shù)的關(guān)鍵,而頻域方法求解寬帶信號波形正是利用在頻率范圍內(nèi),大量離散頻率上多次執(zhí)行現(xiàn)有聲傳播模型,得到寬帶信號波形預(yù)報結(jié)果。因此,本征值方程和本征函數(shù)的大量解算是導(dǎo)致計算時間延長的直接原因,而且隨著聲場結(jié)構(gòu)復(fù)雜性(從淺海到深海)和信號頻率的升高,對應(yīng)的本征聲線號數(shù)越來越多,計算量將越來越大,對計算時間的影響也就越明顯。另外,在寬帶信號波形仿真過程中,為了防止時域混疊,需要足夠的采樣頻率,從而需要計算更多的頻率點(diǎn)。因此,在保證必要精度的前提下,如何解決水聲信號寬帶波形預(yù)報的實時性是該項目研究的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一。

針對寬帶模型計算時間較長的問題,可通過寬帶模型頻域近似展開方法和寬帶模型并行化兩種方式,如圖6所示,實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的寬帶信號波形預(yù)報。計算結(jié)果表明,在不同的海洋環(huán)境模型條件下,合理選擇頻域展開階數(shù)和頻域插值區(qū)間可以滿足不同的精度要求和速度要求,在負(fù)躍層環(huán)境和深海聲道環(huán)境模型中,計算速度分別提高6.5倍和10.3倍,與傳統(tǒng)簡正波模型KRAKEN結(jié)果相關(guān)系數(shù)均在0.95以上,如圖7所示。

圖6 頻域?qū)拵Ｐ涂焖兕A(yù)報方法Fig.6 Fast prediction method of frequency domain broadband modeling

圖7 預(yù)報波形與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)報結(jié)果比較Fig.7 Contrast of predicting waveform between KRAKEN model and paralleling broadband model based on BDRM

寬帶模型頻域近似展開方法的并行化,進(jìn)一步提高了計算速度,在負(fù)躍層環(huán)境和深海聲道環(huán)境模型中,相對串行模型計算速度分別提高42.3倍和39.7倍,滿足信號級作戰(zhàn)仿真實時性需求。

3.2 基于高性能計算平臺的信號級仿真建模技術(shù)

為實現(xiàn)大規(guī)模信號級水下聲納作戰(zhàn)實驗,高性能計算平臺是傳感器、武器信號仿真機(jī)處理通用平臺的合理選擇,可以有效解決傳統(tǒng)基于數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)的仿真系統(tǒng)的配置不夠靈活和資源浪費(fèi)問題,實現(xiàn)聲納及武器系統(tǒng)信號級、全數(shù)字、分布式仿真。但同時也產(chǎn)生了波束形成高精度時延需求與計算節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸延遲之間的矛盾。計算表明,高性能計算平臺對每次采樣數(shù)據(jù)傳輸存在微秒級延遲,對等間隔直線陣陣正橫附近的目標(biāo),將導(dǎo)致幾度的方位誤差,如圖8所示。因此,如何解決高性能計算平臺各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t問題是實現(xiàn)信號級仿真建模的重要挑戰(zhàn)。

圖8 波束形成高精度時延需求與計算節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸延遲之間的矛盾Fig.8 Contradiction between high precision delay demand for beamforming and compute node data transfer delay

為解決上述問題,可采用共享內(nèi)存與分布式存儲相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)[13-16],基于MPI+OpenMP混合并行編程模型,實現(xiàn)基于高性能計算平臺的信號級仿真。其中,傳感器陣元信號模擬和信號處理采用共享內(nèi)存模式并行實現(xiàn),避免各任務(wù)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸,滿足了信號波束形成的高精度時延需求;信息交互分配到另一節(jié)點(diǎn),避免信息交互對傳感器信號實時處理產(chǎn)生影響。

圖9是MPI+OpenMP混合并行編程模型結(jié)構(gòu)圖。首先,采用MPI消息傳遞模式,按照粗粒度劃分方式將傳感器仿真系統(tǒng)功能分為:信號處理和信息交互兩個功能模塊,并分配到不同的計算節(jié)點(diǎn);其次,在節(jié)點(diǎn)內(nèi)采用OpenMP共享內(nèi)存并行編程模式,分別實現(xiàn)傳感器3種波束形成算法對陣元仿真信號數(shù)據(jù)的共享和信息交互,避免了數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間頻繁交互帶來的通信開銷。

圖9 MPI+OpenMP混合并行編程模型結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Hybrid parallel programming model between MPI and OpenMP

實驗結(jié)果證明,利用技術(shù)從可有效解決高性能計算平臺節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸引起的延遲問題,仿真方位誤差均方差為0.15°滿足聲納波束形成的高精度時延需求。

3.3 大規(guī)模信號級仿真系統(tǒng)調(diào)控策略技術(shù)

基于高性能計算仿真的信號級水下聲納作戰(zhàn)實驗系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性,如圖10所示。

圖10 信號級水下聲納作戰(zhàn)實驗系統(tǒng)可擴(kuò)展體系架構(gòu)圖Fig.10 Extensible architecture diagram of signal-level underwater sonar operational experiment system

當(dāng)條件允許時,可以隨意更換或增減系統(tǒng)硬件環(huán)境的數(shù)量,通過簡單配置,就可以保證軟件環(huán)境的完整性。尤其對于機(jī)群系統(tǒng)來說,硬件環(huán)境的改變,不會影響到仿真系統(tǒng)除了仿真速度以外的其他運(yùn)行特點(diǎn)。采用信號級并行仿真技術(shù)后,底層軟硬件環(huán)境的可靠性不斷增強(qiáng),但仿真軟件的可靠性卻不斷下降。一是因為并行程序的調(diào)試還缺乏有效的手段,難免會存在程序漏洞;二是作戰(zhàn)并行仿真涉及到上百個進(jìn)程、上千個線程,軟件故障率不斷增大;三是相對于集中式的使用來說,分布式的部署,導(dǎo)致初始化數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、任務(wù)分割、任務(wù)分配、交互關(guān)系約定、運(yùn)行管理與控制、結(jié)果記錄與處理等各個方面都陡增很多工作量,軟件故障、異常、不可信等現(xiàn)象產(chǎn)生概率大大增加。由此可見,解決水下信號級作戰(zhàn)實驗過程中信息流激增問題是實現(xiàn)信號級仿真系統(tǒng)調(diào)控及管理的重要挑戰(zhàn),其中,仿真耦合規(guī)模與系統(tǒng)調(diào)控管理自動化程度、性能優(yōu)化效果、調(diào)控策略普適性和擴(kuò)展性方面都存在不確定性。

針對大規(guī)模信號級聲納仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息交互種類多、實時性要求高等特點(diǎn),定義了影響調(diào)度策略的不同維度的因素,包括應(yīng)用類型、應(yīng)用規(guī)模、實時性要求、計算資源需求等各種維度管理資源的可用量和服務(wù)級別,集成現(xiàn)有的調(diào)度策略,如先來先服務(wù)、靜態(tài)/動態(tài)優(yōu)先級、預(yù)約/回填、多級搶占策略、公平共享策略,結(jié)合節(jié)點(diǎn)獨(dú)占、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔{(diào)度、能耗、斷點(diǎn)續(xù)算等特性制定一種適合信號級水下作戰(zhàn)實驗的動態(tài)調(diào)整作業(yè)調(diào)度策略,如圖11所示,并基于歷史/實時數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,保證資源使用的公平性。

圖11 基于動態(tài)負(fù)載調(diào)度的多分辨率時空耦合調(diào)控策略Fig.11 Multi-resolution spatial temporal coupling strategy based on dynamic load scheduling

主要調(diào)控策略包括：①通過簡單配置實現(xiàn)面向不同場景的調(diào)度策略,如最佳匹配、負(fù)載均衡等,實現(xiàn)調(diào)度算法可伸縮性;②通過通用資源描述方法,靈活擴(kuò)展要監(jiān)控和調(diào)度的資源類型;通過對調(diào)度流程進(jìn)行充分的抽象和分解,輔以插件化設(shè)計和插件實現(xiàn)方式的多樣化,最大限度的保證調(diào)度算法的可擴(kuò)展性;③采用內(nèi)存共享、集中控制技術(shù),解決了HLA體系內(nèi)作戰(zhàn)方案推演過程各作戰(zhàn)單元時空一致性問題,有效提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率;④采用局部廣播和點(diǎn)對點(diǎn)通信相結(jié)合的通信技術(shù),解決了Windows系統(tǒng)終端顯示控制軟件與Linux系統(tǒng)并行計算軟件的信息交互問題,有效節(jié)省了通信資源,減輕了各節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)荷;⑤采用集中式廣播模式統(tǒng)一發(fā)布作戰(zhàn)想定、作戰(zhàn)推演過程中數(shù)據(jù)量較小的信息,提升了系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展能力;⑥采用單機(jī)雙網(wǎng)HLA/DIS混合編程模式進(jìn)行總體集成,實現(xiàn)了多平臺、跨系統(tǒng)時空狀態(tài)同步與系統(tǒng)集成。

以基于動態(tài)負(fù)載調(diào)度的三維聲傳播并行計算為例,三維聲傳播并行算法采用對扇面進(jìn)行劃分,在完成扇面劃分后,將任務(wù)分配到不同節(jié)點(diǎn)上并行計算。由于不同扇面上海水深度變化較大,造成了不同扇面上聲傳播計算量變化劇烈,采用靜態(tài)調(diào)度算法必然會引起任務(wù)負(fù)載不均衡,降低并行程序的執(zhí)行效率。在并行實現(xiàn)中,采用基于主——從模式的動態(tài)負(fù)載調(diào)度算法。其中:主進(jìn)程實時監(jiān)控從進(jìn)程的工作狀態(tài),發(fā)現(xiàn)從進(jìn)程處于空閑狀態(tài)時,立刻向從進(jìn)程發(fā)送計算任務(wù),從而實現(xiàn)計算任務(wù)的動態(tài)分配;從進(jìn)程負(fù)責(zé)具體聲傳播計算,并將計算結(jié)果傳遞給主進(jìn)程。

圖12給出了深海海域計算網(wǎng)格為128×512時,靜態(tài)任務(wù)調(diào)度算法和動態(tài)任務(wù)調(diào)度算法對應(yīng)加速比和效率。

圖12 基于動態(tài)負(fù)載調(diào)度的三維聲場并行計算加速比和效率Fig.12 Parallel computation speedup and efficiency of 3D sound field based on dynamic load scheduling

從圖12中可以看出,與靜態(tài)任務(wù)調(diào)度算法相比,采用動態(tài)任務(wù)調(diào)度算法,程序的計算時間大大減小,并行效率提高近20%,達(dá)到85%以上,加速比接近線性關(guān)系。

4 結(jié) 論

信號級水下聲納作戰(zhàn)實驗是部隊發(fā)展建設(shè)面臨的緊迫任務(wù),特別是海軍艦艇部隊面臨著任務(wù)重、作戰(zhàn)海域環(huán)境復(fù)雜等困境,傳統(tǒng)能量級和功能性仿真已難以支撐部隊?wèi)?zhàn)法、訓(xùn)法創(chuàng)新和實踐。本文從水下信息攻防作戰(zhàn)精細(xì)化仿真和信號級復(fù)雜系統(tǒng)仿真技術(shù)需求出發(fā),分析了信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展需求,明確了信號級仿真是破解水下信息攻防作戰(zhàn)瓶頸問題的核心手段,高性能并行仿真是構(gòu)建信號級復(fù)雜系統(tǒng)的根本途徑;在此基礎(chǔ)上,從信號級仿真建模和復(fù)雜系統(tǒng)信息控制2個方面歸納了信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)仿真技術(shù)急需突破的基礎(chǔ)科學(xué)問題,并針對科學(xué)問題,重點(diǎn)分析了水聲信號寬帶波形快速預(yù)報技術(shù)、基于高性能平臺的信號級仿真建模技術(shù)及大規(guī)模信號級仿真系統(tǒng)調(diào)控策略技術(shù)等構(gòu)建信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)、實現(xiàn)手段和仿真結(jié)果。本文分析結(jié)果對于進(jìn)一步優(yōu)化完善水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)及武器、平臺等作戰(zhàn)試驗系統(tǒng),滿足不斷深入的海上戰(zhàn)爭進(jìn)程研究需求,牽引作戰(zhàn)、訓(xùn)練及武器裝備的快速發(fā)展具有重要意義。通過研究發(fā)現(xiàn),由于受到網(wǎng)絡(luò)信息、安全加密及移動訪問等技術(shù)發(fā)展限制,現(xiàn)階段研究的作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)體系架構(gòu)大多依托各作戰(zhàn)實驗室建設(shè),作戰(zhàn)實驗研究參與者還不夠廣泛、作戰(zhàn)實驗數(shù)據(jù)積累和分析還不夠深入,各作戰(zhàn)單位之間缺乏有效的對抗交流手段,限制了全體作戰(zhàn)人員的創(chuàng)新性和積極性,阻礙了作戰(zhàn)實驗理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新。因此,信號級水下作戰(zhàn)實驗復(fù)雜聲納系統(tǒng)“實驗室+部隊”服務(wù)架構(gòu)體系是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

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