基于探索性分析的水聲對抗方案評估

李本江陳泓洲

1.海軍潛艇學院作戰指揮系；2. 海軍潛艇學院學員3隊 266071

基于探索性分析的水聲對抗方案評估

李本江1陳泓洲2

1.海軍潛艇學院作戰指揮系；2. 海軍潛艇學院學員3隊 266071

介紹了探索性分析的基本思想，常用分析方法以及應用中的難點問題和關鍵技術。分析了水聲對抗方案的主要探索內容，給出了基于探索性分析的水聲對抗仿真評估框架，并說明了探索過程，為水聲對抗方案評估提供了一種新的思路和方法。

水聲對抗;評估;仿真;探索性分析

引言

水聲對抗效果受艦艇自身機動能力、水聲對抗器材性能、對抗環境、對抗目標等多種因素的影響。要科學合理地評估水聲對抗方案，必須結合戰術背景和對抗環境，綜合分析各種不確定因素的影響，這樣的評估才具有說服力。探索性分析為水聲對抗方案評估提供了很好的思路。采用探索性分析方法評估水聲對抗方案，可通過多分辨率、多視角建模實現對水聲對抗方案的“窮舉”，從而能全面分析不同方案下的對抗效果，實現對水聲對抗方案的合理評估。

1 探索性分析

探索性分析（Exploratory Analysis，EA）是RAND公司在二十世紀90年代開發的系統分析方法[1]，目前已廣泛應用于軍事研究領域，進行作戰結果分析、作戰效能評估和武器裝備論證，表現出分析大型復雜不確定性問題的能力[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考察大量不確定條件下各種方案的不同結果，理解和發現復雜現象背后數據變量之間的影響關系，并廣泛試探各種可能的結果。與傳統的分析方法不同，探索性分析是一個更全面、更深入的分析方法。傳統的分析往往強調尋找一個最優解，而探索性分析則強調在輸入與輸出之間進行雙向探索來分析解的變化規律，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]

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

參數探索是將各種合理的參數或研究者所關心的參量定義為離散化的變量，并將各變量的各種取值進行組合，多次運行模型，從而對結果進行綜合分析的方法。通過參數探索，可以了解哪些變量在何時比較敏感，這對于確定水聲對抗方案中關鍵決策變量具有特殊的意義。作為參數探索的補充，概率探索將輸入參數表示為具有特定分布規律的隨機變量，運用解析方法或蒙特卡洛方法來計算結果，主要分析各種輸入的不確定性條件對結果的影響。最常用的方法是將前面的兩種方法相結合進行混合探索。

1.3 探索性分析的難點及關鍵技術[3][4][5]

探索性分析的計算量隨著變量個數及其取值的增加而迅速擴大，使用中容易產生維數災難和組合爆炸。層次化的多分辨率建模技術，元模型技術以及探索空間優化技術為減少問題分析規模、提高運行效率提供了有效的手段，可極大地減少探索計算的規模與計算時間。

探索性分析過程中會產生大量的數據，需要對探索數據進行有效的管理、處理及分析，故一般采用大型數據庫、數據挖掘、數據分析、知識發現等方法幫助分析人員從海量的數據中獲得滿意的分析結論。另外，借助于圖形化的數據分析工具，可實現對各種數據的形象化顯示，從而大大提高數據分析的效率。

2 水聲對抗方案探索內容

在給定平臺聲學特性、平臺機動性能、水聲對抗裝備性能和水聲環境的條件下，水聲對抗效果主要由平臺的機動方案和水聲對抗裝備使用方案共同決定。

2.1 平臺機動方案

對抗平臺的戰術機動措施貫穿于水聲對抗的整個過程，無論是單純機動規避還是配合聲抗裝備使用，平臺機動都是影響對抗效果的重要因素。對抗平臺不同的戰術機動措施具體表現為其采用的機動速度、機動航向以及機動深度（水下平臺）的不同組合。

2.1.1 機動速度

機動速度決定平臺的輻射噪聲和自噪聲并影響武器的發射。速度過高會導致平臺的輻射噪聲和自噪聲增大，進而使自身暴露概率增大、探測距離降低；而機動速度過低將降低平臺駛出對方探測或攻擊范圍的可能性。

2.1.2 機動航向

機動航向也是影響水聲對抗成敗的另一關鍵因素，它與機動速度共同決定著平臺駛出對方探測或攻擊范圍的可能性。同時，對抗雙方的相對舷角也和機動航向密切相關，因此平臺自身的探測能力和目標強度也會受機動航向的影響。此外，對抗平臺在發射水聲對抗器材以后，自身是否處于器材的有效作用范圍之內也受機動航向的影響。

2.1.3 機動深度

水下平臺的螺旋槳空化噪聲會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，聲納探測范圍在垂直面都存在幾何盲區，因此對抗平臺之間的深度差也可用來判定對抗平臺是否處于對方聲納垂直搜索盲區的依據。此外，水下平臺對水聲環境的利用也主要體現在其深度的選擇上。

2.2 水聲對抗裝備使用方案

水聲對抗裝備的使用問題是一個非常復雜的在有約束條件下的非線性規劃問題，用純解析計算的方法幾乎是不可能的。在仿真系統的支持下，用探索性分析方法進行方案的受控窮舉是一種新思路。探索水聲對抗裝備使用方案也即是要分析其不同的使用時機、使用方式及平臺的機動措施所產生的對抗效果。

2.2.1 使用時機

各類水聲對抗裝備僅為對抗平臺提供了實施水聲對抗的硬件基礎，要使其真正發揮效能還必須結合具體的環境和態勢，合理選擇使用時機。合理的使用能夠為對抗平臺創造有利的局面，反之則不能取得好的對抗效果甚至會適得其反。

2.2.2 使用方式

在對抗某一目標時，選擇何種對抗裝備，是單獨使用還是組合使用以及發射參數怎么確定都是有待探索的重要內容。具體使用方式要結合對抗態勢、平臺機動性能、對方探測能力等因素進行綜合考慮。

2.2.3 平臺機動措施

不論使用哪一種水聲對抗裝備，欲想盡可能發揮其對抗效果，平臺正確合理的機動措施是必不可少的。

3 基于探索性分析的水聲對抗仿真評估系統

3.1 系統框架

基于探索性分析的水聲對抗方案仿真評估系統的結構如圖1所示。

圖1 水聲對抗仿真評估系統結構圖

系統采用HLA仿真體系結構，以綜合數據庫為運行基礎，以模型服務器為推進引擎。綜合數據庫提供模型服務器等其它邦員所需要的相關數據并負責存儲仿真過程數據。模型服務器向各個邦員提供統一的模型管理和應用服務，具有各對抗平臺的機動仿真能力、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抗的兩大主體，它們從模型服務器獲取行為服務。綜合管理臺負責仿真初始設置，數據庫維護以及實施人工干預。評估子系統根據不容的對抗內容進行決策方案探索，依據評估準則對仿真數據進行分析評估。顯示子系統將對抗過程進行二維或三維顯示，提供可視化的數據分析功能，將分析結果以文字、圖表及圖像等形式輸出。

3.2 水聲對抗方案探索過程

探索性分析只是一種分析解決問題的思想，實施起來并沒有固定的模式和步驟。使用探索性分析方法評估水聲對抗方案，關鍵要將水聲對抗方案的探索統一轉化為參數探索。首先要確定對抗對象和對抗內容，如：誰和誰對抗，是對抗平臺探測跟蹤還是對抗聲自導武器攻擊。在此基礎上確定水聲對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行組合形成決策方案集。如果決策變量或影響因素為連續型變量，需按一定的取值間隔進行離散化處理。取值間隔不宜過小，否則計算量將難以承受，如航向的取值間隔可定為10°。為減小探索計算的規模，在組合方案之前需對決策變量和影響因素的取值范圍進行分析和優化。比如，對抗平臺使用聲干擾器之后，平臺的機動航向不必360°全部遍歷，可縮小至聲干擾器水平作用扇面之內。然后將每個方案進行仿真，仿真過程中的關鍵數據和結果自動錄入數據庫。最后將所有仿真數據和結果進行分析，從而得到評估結論和方案建議。

3.3 評估模型選擇

系統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據分析的統計模型。針對底層過程，系統建立高精度的原理性模型。對于上層分析運用，系統建立了低分辨率的原理模型或統計模型。使用過程中，評估者可根據需要靈活選擇合適的模型和方法。

4 結束語

探索性分析思想為水聲對抗方案評估提供了一種新的思路和方法。將探索性分析方法運用到仿真評估系統，可對水聲對抗方案進行“窮舉”仿真，通過分析大量的仿真樣本，可發現決策變量對水聲對抗效果的影響規律，從而獲得有價值的評估結論。

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

[2]曾憲釗，蔡游飛，黃謙等.基于作戰仿真和探索性分析的海戰效能評估[J].系統仿真學報.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效能評估方法[J]. 科學技術與工程.2009,9(22)：6702-6706.

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

[5]胡曉峰，胡劍文. 面向信息化戰爭整體需求的探索性分析方法[J].計算機仿真. 2005,22（06）：1-14.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.16.018

李本江 (1957-), 男, 副教授, 研究方向為潛艇攻防戰術;

陳泓洲(1986-), 男, 在讀研究生, 研究方向為兵種戰術。