布雷輔助決策系統的設計與實現*

周 杰 高洪林 王新華

(海軍潛艇學院戰略導彈與水中兵器系 青島 266071)

1 引言

現代水下的作戰環境日益復雜,武器裝備的種類和性能不斷提高,對指揮員在作戰和訓練中的要求也越來越高[1]。然而隨著計算機技術的發展,利用作戰軟件來輔助指揮員完成作戰和訓練過程中遇到的復雜計算和決策問題,已成為必然的發展趨勢。

在水雷布放決策部署過程中,涉及到大量數據的計算和各種因素的權衡,必須遵循一系列的方法、規范[2]。傳統做法主要依靠人力和經驗,效率低下、隨意性強、準確性不高,難以適應快速高效布雷的需求。布雷輔助決策系統充分利用計算機處理信息迅速、準確、直觀等優勢,能較好地為布雷方案的制定提供科學合理的決策支持,輔助指揮員根據水雷的戰技術指標和海戰場環境制定相應的布雷方案。

2 系統簡介

布雷輔助決策系統主要研究水雷武器在攻勢和防御布雷中作戰使用,系統對雷區的戰場環境和布雷方案、觸雷期望值、觸雷概率及布雷數量進行分析計算,并對水雷障礙效率的評估計算,根據計算結果制定最佳實施計劃,計劃內容包括雷型選擇、布雷方式、定次和定時指標、設定引信目標和預設雷區時間等。

布雷輔助決策系統以信息化的技術手段使部隊人員在系統軟件上進行布雷文書的學習和制定。同時將電子海圖技術應用于布雷訓練系統中,實現布雷障礙圖的標定信息化、電子化。

布雷輔助決策系統建立現役的主戰水雷數據庫、目標艦船數據庫和海戰場環境數據庫,方便部隊平時學習、掌握水雷的基礎知識和制定布雷作戰計劃時使用。

3 系統設計

圖1 體系結構

系統采用三層體系結構,如圖1所示。數據層用于儲存應用程序處理的所有數據。應用程序層接受用戶層的數據請求,生成相應的 SQL語句,存取數據庫,并把結果傳送給用戶層或數據層[1]。

布雷輔助決策系統模塊結構如圖2所示。各模塊通過人機交互界面和數據庫獲得結算需要的各種數據,包括目標艦船的物理特性、水雷的主要參數和戰場環境指標,各模塊功能如下:

圖2 布雷輔助決策系統模塊圖

1)水雷破壞能力評估模塊

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

2)水雷需求數量計算模塊

該模塊在確定布雷作戰戰術和目的,合理選擇和明確水雷障礙所需達到的作戰效能指標后,可以根據不同的效能指標,計算所需的水雷數量。

3)水雷毀傷效能評估模塊

毀傷效能是衡量水雷作戰效能的基礎性指標。包括計算目標艦船的條件毀傷概率,即計算目標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;計算艦船毀傷期望,即對艦船目標流所有艦船被水雷毀傷數量之期望。

4)水雷障礙生命力評估模塊

水雷障礙生命力是指在敵方實施反水雷作戰和布雷海區自然環境及水雷自身因素的影響下,水雷障礙能夠保持其規定戰斗功能的能力。它主要取決于水雷障礙戰斗堅持力和布雷海區海戰場環境的影響[3]。該模塊主要根據敵方使用反水雷兵力清除水雷所需時間、水雷戰斗有效期、布雷水域水深、潮汐、風浪、地形、水質等數據綜合評估水雷障礙生命力。由于評估水雷障礙生命力涉及的因素較多,很難定量計算,系統建立專家系統進行定性分析后,得到量化指標。

5)水雷障礙作戰性能評估模塊

確定評估指標體系,利用專家系統評估指標,使用層次分析法評估水雷障礙作戰性能。

6)布雷障礙圖繪制模塊

利用電子海圖系統,調用電子海圖數據庫,繪制布雷障礙圖。系統自動監控默認目錄,將繪制的電子布雷障礙圖自動拷貝到剪貼板,并利用COM(組件對象模型Component Object Model)技術插入布雷文書Word文檔。

7)布雷文書模塊

從文書模板數據庫調用各種布雷文書的模板,并調用Word按文書規定格式顯示和編輯。

4 關鍵技術

4.1 水雷障礙效能評估體系指標的確定

謀劃布雷作戰時,通常需要以所要求達到的作戰效果預期指標為依據,對水雷障礙結構優化、水雷和布雷兵力的需求數量等一系列問題進行定量決策,而這些問題的解決又都是以水雷障礙作戰效能的評估方法為基礎的。評估布雷作戰效能時需要基于水雷個體的作戰能力和水雷障礙的具體構成,對水雷障礙所能達成預期作戰目的的程度進行估計。作戰效能難以采用一個指標予以全面衡量,研究水雷障礙作戰效能評估方法必須首先建立其作戰效能評估的指標體系[4]。本文建立水雷障礙作戰效能評估體系如圖3所示。

4.2 水雷障礙生命力評估專家系統的實現

水雷障礙生命力受多種人為和自然因素的影響,很難進行定量計算,系統利用專家系統對其進行定性分析后,再得出定量指標。

圖3 指標體系

專家系統主要是利用知識的推理來求解問題,其核心技術是知識的產生和處理。將所有影響因素通過知識工程的處理轉化為可用形式,以規則的形式存放于知識庫。知識采用產生式規則表示,其一般形式如下:

IF 前提1 and前提2 and…and前提n

THEN 結論1,結論2,…,結論n

對于具有多個關系的情況,其推理是根據這些前提間的邏輯關系分解成多條上述形式的規則[5]。

圖4 產生式規則表示方法

在知識庫中,每條規則如圖4所示。規則中的R_Name是規則名;Pre和Con分別是本條規則中的前提鏈和結論鏈;Next_Rule為指向下一條規則的指針。在建立規則結構前,將規則中的所有規則以及它們前提和結論進行統一編號,這樣R_Name、前提鏈和結論鏈的各節點只存放相應的編號即可。利用Visual C++提供的指針功能,實現鏈表來構造知識庫。

建立知識庫后,還必須建立推理機。推理機是用來控制整個專家系統運行的一組程序,本系統采用正向推理。所謂正向推理,是指從原始數據出發正向運用知識庫中的規則知識,由已經提供的事實推斷新的事實,直到無可用規則或者求得了所要求的解為止。系統推理過程如下:

1)從數據庫中得到影響水雷障礙生命力各因素的數據,轉化為規則形式表述。

2)掃描規則庫,找出與當前規則相匹配的規則。

3)判斷匹配成功規則的結論部分的事實是否在數據庫中,若無,將結論部分的事實加人數據庫。

4)利用更新后的事實庫重復上述兩步,直到不再有規則適用為止。

這種方法的優點在于推理機可以很快地對輸入的數據做出反映,迅速地對目標狀態變量賦值。推理機程序流程圖如圖5所示。

4.3 水雷障礙作戰效能評估的實現

為使布雷作戰效能的評估充分考慮各種因素的影響,得到科學合理的評估結果,為布雷計劃的最終制定提供有力依據。系統根據評估指標體系,從目標艦船數據庫、水雷性能數據庫和海戰場環境數據庫中得到目標特性、水雷性能和戰場環境數據,利用這些數據對指標體系中的定量指標艦船毀傷期望和毀傷概率進行計算,利用建立的專家系統對定性指標水雷戰斗堅持力和抗自然稀化能力進行量化評估,并將各指標與標準值相比,實現指標標準化。采用“專家判斷矩陣法”確定各指標權重,即各指標制成矩陣表后發給各位精選的專家,要求專家憑著自己的知識、經驗按層次分析法中的1～9標度法填寫比較判斷的結果,然后進行統計和綜合處理,以此求得各指標的權重。以盡量減少或抵消非理性和主觀因素對權重的影響。最后利用層次分析法對水雷障礙作戰效能進行整體評估,系統流程圖如圖6所示。

4.4 布雷文書的編輯

布雷文書多為Word文檔且有規定格式,為方便顯示和打印,系統采用COM 技術實現Office自動化。COM是微軟公司的最高級的,包羅萬象的二進制通訊規范。用于軟件組件間跨進程,跨機器和操作系統進行交互操作[6]。系統程序使用COM接口自動調用Word組件,從數據庫讀取文書模板,按照規定格式顯示布雷文書,用戶可利用Word實現對文書的輸入和打印。

由于布雷文書要求插入布雷障礙圖,系統采用多線程技術,使用Visual C++語言的API函數CreatProcess,實現對電子海圖系統的調用,同時使用API函數ReadDirectoryChangesW,對其默認存儲路徑進行監控。用戶繪制新的布雷障礙圖后,系統使用COM技術將障礙圖插入新建布雷計劃文檔中的適宜位置,根據不同使用需求系統還可以直接利用圖像處理技術將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 結語

布雷輔助決策系統的開發使決策人員免于大量重復繁瑣的計算,直觀、形象、準確地獲取信息。本系統在一臺普通的PC上即可實現制定布雷計劃所需的所有相關計算,系統的硬件配置要求低、推廣應用成本低。本系統具有較大的軍事和經濟效益,所涉及的關鍵技術對其他輔助決策系統開發也具有重要參考價值。

[1]凌韜,黃志軍,張立平.艦船裝備保障輔助決策系統的設計與實現[J].艦船電子工程,2008,28(6):158～160

[2]汪致遠.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)[M].西安:西北工業大學出版社,2007

[4]佘湖清.水雷總體技術[M].北京:國防工業出版社,2009

[5]季永清.船舶避碰輔助決策支持系統研究[J].集美大學學報(自然科學版),2004,9(2):176～180

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