孫玉山，馬陳飛，張國成，吳新雨，唐同澤

(哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

21世紀是海洋的世紀，潛艇因其具有獨特的隱蔽性和突擊力強、機動性好、自持力久等優(yōu)勢，在海戰(zhàn)中扮演著重要的角色[1]。潛艇的抗沉性是其能在戰(zhàn)爭中取得勝利的關鍵因素之一，特別是近年隨著計算機技術的發(fā)展，關于抗沉性的研究進入到了一個全新的領域，即輔助決策系統(tǒng)。本文重點分析了國內(nèi)外潛艇抗沉性的方法以及輔助決策系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。

1 潛艇抗沉性及常用抗沉方法

潛艇抗沉性是指潛艇抵抗海損事故危害的防沉和抗沉能力，是組成潛艇生命力的重要部分，也是潛艇能夠在事故中存活下來的必要條件[2]。潛艇的抗沉性體現(xiàn)在潛艇的生命力上，總的來說包括2個方面，從廣義角度來說包括損害前的規(guī)避能力以及發(fā)生損害后的抗損性等，從狹義角度說是潛艇抵制安全事故，最大限度保持潛艇航行性能的能力[3]。

潛艇的抗沉性代表了隔艙及與其相鄰的主壓載水艙破損進水后，仍然能保持一定的浮性、穩(wěn)性而不沉的固有特性和安全漂浮、上浮下潛、潛行，甚至戰(zhàn)斗的能力[4]。由于潛艇特殊的工作性質(zhì)和惡劣的工作環(huán)境，其在航行過程中會產(chǎn)生各種海損事故和戰(zhàn)斗損傷，它們會直接或間接地影響潛艇的生命力，使?jié)撏适д：叫械哪芰?，更有甚者會導致潛艇坐沉海底，造成嚴重的安全事故[2]，因此在設計建造過程中就應該提前考慮到潛艇抗沉性的要求。

潛艇在海上的工作狀態(tài)可以分為水上和水下2種，而半潛可以視為2種狀態(tài)的過渡狀態(tài)[5]，因此討論潛艇的抗沉性應從水上抗沉性和水下抗沉性出發(fā)。目前，潛艇水上抗沉性的定義有多種不同的說法，其中較為主流的是潛艇處于水上正常狀態(tài)時，在一定的“破損條件”下，仍具有足夠的浮性、穩(wěn)性而漂浮于水面、被拖帶或獨立航行（當機電等設備尚能滿足航行要求時）的能力[4]。潛艇在剛開始發(fā)明出來投入使用時是以水上航行為主，經(jīng)過這么多年的研究水上抗沉性已基本形成理論體系，并被應用于潛艇設計和實際使用中[2]。二戰(zhàn)后，潛艇的設計有了很大的要求，為了提高潛艇的水動力性能和適應現(xiàn)代海戰(zhàn)的發(fā)展，潛艇的線型、結構、貯備浮力占潛艇排水量的百分比有了變化，同時由于電子計算機技術的發(fā)展，反潛兵器的加強，使得現(xiàn)代潛艇都是以水下航行狀態(tài)為主，并經(jīng)常在大深度海區(qū)活動，因此潛艇水下抗沉性已越來越成為有關潛艇生命力的主要問題[2]。

早在20世紀60年代就有國外學者從潛艇的結構和制造的角度對抗沉性進行了分析，在70年代潛艇抗沉理論有了巨大的發(fā)展，逐漸提出了2種主流的抗沉方法，一種是利用潛艇儲存的高壓氣對壓載水箱進行吹除達到上浮的目的，另一種是在潛艇進水量不大的情況下，通過增加速度或者操適當舵角進行調(diào)整，使艇安全航行[6-7]，除此之外還可以進行封艙、堵漏、主壓載水艙排水等水下破損基本抗沉措施[8]。

2 潛艇抗沉輔助決策系統(tǒng)現(xiàn)狀

破艙輔助決策就是當潛艇發(fā)生事故時，給潛艇上的指揮人員提供有用的信息，輔助指揮人員做出此時此刻相對正確的決策來幫助潛艇脫離險境，以實現(xiàn)抗沉成功[7]。當潛艇在水下航行發(fā)生安全事故時，指揮人員很難在那種緊張的情緒下快速、準確地做出判斷，甚至可能會做出錯誤的判斷，使后果更加嚴重。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，從二戰(zhàn)至今的大多數(shù)潛艇事故都是人為造成的，要是在事故發(fā)生之后做出準確的事故判斷是可以避免的。

輔助決策系統(tǒng)最開始是用于船舶的，所以首先討論船舶的破損輔助決策。國外最開始將計算機與人工智能應用于抗沉性研究的是美國的Ballast于1984年開發(fā)應用于FFG-30艦上的損管系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控并分析艦船的浮態(tài)和穩(wěn)性，針對各種情況，提供調(diào)整浮態(tài)的解決方案以供選擇[9]。海軍司令部1990年利用了船體特性程序（SHCP）的標準算法研發(fā)了FCCS（進水事故控制軟件），能夠?qū)崟r記錄艦船載荷，艦船損傷等信息，可以提供航行過程對穩(wěn)性的影響性分析[10]。2004年，Graphics Research Corporation（GRC）公司開發(fā)了一種艦船穩(wěn)性分析軟件（Seagoing paramarine），可以通過艦船載況的改變，實時分析艦船的完整穩(wěn)性，針對穩(wěn)性的變化做出相應的調(diào)整，保證艦船的生命力[11]。2005年，Dongkon Lee[12]利用專家系統(tǒng)制定不同破損狀態(tài)時的壓艙策略，調(diào)整艦船的姿態(tài)來提高艦船的穩(wěn)性和縱向強度來實現(xiàn)抗沉輔助決策。國外關于艦船輔助決策方面的研究已經(jīng)趨于成熟，但是由于保密性等原因，公開發(fā)表的文獻較少。

國內(nèi)關于這方面的研究起步較晚，但近年來也取得了很大的進展。2001年程虹等[13]從浮態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的組成及原理上探討了試驗艦船的浮態(tài)調(diào)整方法，該系統(tǒng)通過實驗實時提供的數(shù)據(jù)，計算艦船穩(wěn)性及油水消耗情況，最后結合實驗給出調(diào)整措施，該浮態(tài)調(diào)整系統(tǒng)也可應用于其他艦船。在此項研究的基礎上，利用液艙調(diào)整浮態(tài)的基本原理，又研究出一種自動生成艦船浮態(tài)調(diào)整方案的實時運算方法[14]，解決了利用液艙進行浮態(tài)調(diào)整時遇到的問題。

2007年，馬坤等[15]將計算機仿真技術應用到艦船完整穩(wěn)性的計算當中，基于靜力學基本原理，提出任意浮態(tài)下載況的實時計算方法，該方法得到液艙實時數(shù)據(jù)，通過計算機仿程序得到艦船浮態(tài)、穩(wěn)性等，根據(jù)結果輔助操作人員進行調(diào)整。2010年胡麗芬等[16]研究開發(fā)了可以快速生成抗沉方案的計算方法，即MH法，根據(jù)抗沉性標板圖的數(shù)據(jù)，不依賴優(yōu)化數(shù)學模型，快速得到抗沉方案[17-18]。

2014年，胡麗芬等[19]通過改進的遺傳算法，采用可用的抗沉艙來調(diào)整船舶浮態(tài)，以傾斜角和橫傾角作為停止準則，計算液艙注水方案，對艦船的抗沉方案進行決策，適合于緊急情況下快速決策。2017年張維英等[20]為縮短艦船抗沉的反應時間，將逼近理想解排序法（TOPSIS）應用于輔助決策系統(tǒng)研究，除去已破損的艙室，以剩余穩(wěn)性和浮態(tài)參數(shù)作為目標函數(shù)，最后輸出船舶破損后的信息，抗沉艙的實施順序以及實施方案后的效果，簡單快捷且實用。

關于潛艇破艙輔助決策的研究是從21世紀初才開始明確提出的，國內(nèi)最早用計算機仿真對潛艇抗沉性做出研究的是上海交通大學，利用計算機模擬潛艇水下運動規(guī)律，以039潛艇作為研究對象，模擬潛艇艙室進水事故，然后又進行了潛艇動力抗沉實艇實驗，得出了相對可靠的潛艇動力抗沉規(guī)律，為以后潛艇抗沉性的更深一步研究積累了寶貴的經(jīng)驗。

國外最早開始進行潛艇破損輔助決策研究的是韓國的DONGGKON LEE，文章指出潛艇指揮員的指揮是基于個人經(jīng)驗、已有的數(shù)據(jù)以及可用的電子信息，但是在緊急的情況下，這種判斷是不夠的，所以創(chuàng)造一個可以自動做出反應并且給指揮員關于如何保持破損潛艇生命力建議的系統(tǒng)是至關重要的。這個智能輔助決策系統(tǒng)是利用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的，并且主要設計了潛艇殼體破損和管路破損的決策樹，當上述情況發(fā)生時系統(tǒng)根據(jù)條件做出指令決定潛艇是繼續(xù)留在海上還是浮出海面[21]。

3 潛艇抗沉輔助決策系統(tǒng)設計

近些年來，由于人工智能和計算機仿真技術的發(fā)展，潛艇抗沉輔助決策系統(tǒng)的研究取得了許多的進展，雖然有許多理論還未能應用在實踐中，但是相較以往已經(jīng)有了巨大的突破。

3.1 當發(fā)生某種特定故障時的輔助決策系統(tǒng)

當潛艇發(fā)生安全事故時，許多因素都會導致潛艇坐沉海底，影響潛艇的生命力其中主要包括破損進水的時間、進水量的多少、破口的大小、潛艇破損艙室的位置，破損時潛艇的姿態(tài)以及深度等，有時為了研究的方便，通常選用對潛艇生命力威脅最大的因素來制定輔助決策系統(tǒng)。

有研究表明，當潛艇首部艙室破損時對潛艇生命力的影響是最大的，故設計了當首部艙室破損進水時才啟動的輔助決策系統(tǒng)，此時根據(jù)要求和現(xiàn)實條件對抗沉方式進行選擇，流程圖如圖1所示。

當潛艇發(fā)生故障時，對故障進行檢查，如果不是首部艙室破損進水，則啟動常規(guī)控制系統(tǒng)，反之則啟動智能抗沉系統(tǒng)，根據(jù)潛艇破損時所處的環(huán)境及具體作戰(zhàn)要求選擇是保持當前深度還是應急浮出水面[22]。

此外，還有通過對潛艇破艙進水這一故障的實時監(jiān)視管理，準確地獲取潛艇水下破損進水量和進水位置信息，輔助潛艇指揮員采取及時有效的抗沉手段。潛艇破損進水實時監(jiān)視管理系統(tǒng)由EKF（拓展卡爾曼濾波）、數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機和解釋機制等5部分組成。傳感器把潛艇的各種信息傳給EKF，通過濾波算法，得出損失浮力、力矩的估計值，然后將各種值存放在數(shù)據(jù)庫中以及算出損失浮力的力臂并存儲，然后將信息傳達給推理機，推理機把數(shù)據(jù)庫中的事實與知識庫中的規(guī)則前提事實進行匹配，若某規(guī)則匹配成功則滿足條件，最后由解釋機制向潛艇指揮員解釋推理結果，以供指揮員做出抗沉決策[23-24]。

圖1 潛艇控制流程圖Fig.1 Chinese submarine no.418

圖2 潛艇破損進水實時監(jiān)視管理系統(tǒng)結構圖Fig.2 "KURSK" nuclear submarine

3.2 基于數(shù)學模型的輔助決策系統(tǒng)

根據(jù)潛艇不沉性理論，結合潛艇不沉性的數(shù)學模型，針對潛艇破損情況，建立輔助決策模型，給出包括浮態(tài)、穩(wěn)性、破損艙室灌注時間等信息的計算方法，基于潛艇水下抗沉要求，提出高壓氣使用的優(yōu)選方案和平衡艇體的步驟，對潛艇抗沉訓練，戰(zhàn)場搶修和生命力保障提供了信息支持。該系統(tǒng)采用模塊化設計，有利于后續(xù)研究者在此基礎上進一步拓展，抗沉輔助決策系統(tǒng)預先輸入潛艇的基本參數(shù)以及數(shù)學模型曲線，然后針對可能發(fā)生的情況給出相應的缺省方案同時將潛艇破損后的浮態(tài)顯示在界面上，最后將最優(yōu)化的抗沉預案以及此預案下的抗沉結果以文字的形式顯示在界面上[5]。

3.3 基于專家系統(tǒng)的輔助決策系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能的重要組成部分，是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，此專家系統(tǒng)的組成來源一般是基于潛艇的設計資料、設計經(jīng)驗以及操縱者的經(jīng)驗等。有人研究應用專家系統(tǒng)理論對潛艇破損進水等危險情況下的決策進行建模，然后動態(tài)判斷潛艇的實時狀態(tài)，制定出對潛艇最有利的抗沉方案。決策系統(tǒng)是與潛艇模擬操縱系統(tǒng)連接在一起，模擬潛艇在各種情況下的損管決策過程。系統(tǒng)結構圖如圖3所示，其中滲漏狀況分析模塊接收傳感器發(fā)來的各種滲漏信息，對目標可能造成的危險度進行分析推理，選取主要滲漏目標，推理部分以規(guī)則庫為基礎，根據(jù)態(tài)勢分析結果，建立動態(tài)事實庫，由推理機給出當前滲漏局面應采取的決策方案，方案優(yōu)化部分則根據(jù)不同的約束條件，判斷當前方案是否可行，方案執(zhí)行后，系統(tǒng)在新的條件下進行新的態(tài)勢分析與推理[25]。

圖3 潛艇水下抗沉程序流程圖Fig.3 Submarine control flow chart

圖4 決策系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structure diagram of decision system

4 發(fā)展趨勢

從已有的研究結果上看，潛艇破艙輔助決策系統(tǒng)在未來的發(fā)展過程中會越來越趨于模塊化，系統(tǒng)的各個組成部分既相互獨立又共同協(xié)同作用保證系統(tǒng)的正常運行，各個模塊在后續(xù)的使用或者研究中可以根據(jù)使用要求不斷改進，也有利于系統(tǒng)的升級和維護。

潛艇破損輔助決策的專家系統(tǒng)知識庫會不斷完善，除了已有的人工輸入的各種原始數(shù)據(jù)外，還會在工作過程中實時動態(tài)的自動添加潛艇在航行過程中遇到的各種狀況以及其應對情況，以供指揮人員遇到事故時決策參考。

潛艇輔助決策系統(tǒng)最終所呈現(xiàn)的解決方案，不止一種，應該根據(jù)系統(tǒng)判斷給出若干條按優(yōu)先級排序的方案，以供指揮員在輔助決策系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)自己的豐富經(jīng)驗進行選擇，兩相結合，減少損失。

5 尚未解決的難題

抗沉知識庫需要完善。潛艇發(fā)生安全事故與許多的因素有關，比如艙室進水、管道破損、耐壓殼體破損以及卡舵等，但是已有的研究都不夠全面，不能考慮到潛艇的全部甚至是大部分失事原因來建立潛艇破損輔助決策系統(tǒng)。當發(fā)生某些沒有考慮到的失事原因時，輔助決策系統(tǒng)并不會啟動，甚至會給潛艇指揮員造成潛艇還在正常航行的錯覺，損失獲救時間。

抗沉知識的表示方法有待進一步改進。從已有的研究來看，對知識的表示都是使用IF…THEN…結構，所有的知識都需要量化成特定的程序，但是有時這種方法也會導致與實際情況相悖。

在潛艇航行的過程中，總會有各種各樣的狀況發(fā)生，有時會存在信息缺失的情況，信息缺失情況下的輔助決策系統(tǒng)研究還有待進一步深入。

6 結 語

為了提高潛艇的戰(zhàn)斗力，加強潛艇的抗沉性是必不可少的一環(huán)。由于人工智能和計算機技術的發(fā)展，將抗沉性研究與人工智能結合是當下研究的一大趨勢和熱點，即抗沉輔助決策系統(tǒng)。國外關于抗沉輔助決策系統(tǒng)的研究已經(jīng)可以應用于潛艇并取得不錯的效果，國內(nèi)大部分研究都停留在理論層面上，距離實際應用還有一段距離，不過隨著研究的深入和人工智能的發(fā)展，國內(nèi)抗沉輔助決策系統(tǒng)也取得了很多成果，與國外的差距也在不斷縮小。