基于碰撞檢測的艦艇作戰計劃仿真方法研究

王 偉，趙曉哲，王 勃，2（. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 608；2. 中國人民解放軍9289部隊，遼寧 大連 602）

基于碰撞檢測的艦艇作戰計劃仿真方法研究

王 偉1，趙曉哲1，王 勃1，2
（1. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2. 中國人民解放軍92819部隊，遼寧 大連 116021）

針對艦艇作戰計劃仿真適用于離散事件系統仿真的特點，介紹了離散事件系統的仿真策略，分析了不同策略的側重點，結合海戰特點選取了適合艦艇作戰計劃的仿真策略。對艦艇作戰計劃仿真進行離散事件的分類，研究不同事件類型下的時間確定方法，其中重點闡述了通過"碰撞檢測"算法，計算艦艇作戰中重要條件事件發生時間的方法。在此方法基礎上，結合艦艇作戰流程給出了方法的應用分析。提供一種可提高艦艇作戰計劃仿真效率的可行方法。

作戰計劃；離散事件系統仿真；仿真策略；碰撞檢測

0 引 言

作戰計劃是為完成作戰任務而制定的指導作戰準備和作戰行動的指揮文書［1］。作戰計劃分析是預先對作戰進程和結果進行分析評估，將發現的問題加以更正和完善，進而優化作戰計劃，為實際的作戰行動提供支持。隨著技術的發展，海上作戰日益復雜，戰斗節奏不斷加快，傳統的艦艇作戰計劃分析手段已無法滿足要求。隨著計算機仿真技術的發展，仿真分析技術已成為作戰計劃分析的主要技術途徑。

軍事作戰系統是典型的離散事件系統［2-3］。尤其在海戰中，戰爭的狀態并非連續變化，具有很強的跳躍性。作戰進程依靠不連續的作戰行動驅動。本文結合水面艦艇作戰特點，提出一種基于碰撞檢測的仿真方法，用于求解海戰中重要條件事件的發生時間。本文所討論的艦艇作戰計劃適用于戰役、戰術層面。

1 艦艇作戰計劃仿真的仿真策略

仿真策略是系統仿真模型的控制邏輯，從根本上決定了仿真模型的結構，是仿真的核心問題。離散事件系統目前形成了 3 種典型的仿真策略：事件調度法（Event Scheduling，ES）、活動掃描法（Activity Scanning，AS）和進程交互法（Process Interactive，PI）［4-5］。

以上 3 種仿真策略的差別主要體現在：事件調度法關心的重點是發生在某一時刻下的行為；活動掃描法的重點是某一狀態下發生的行為；進程交互法的重點則是某一實體的完整生命周期的行為序列。

選擇何種方法，需要根據仿真系統的特點和需求決定。海戰場中的基本作戰單元是平臺。攻擊行動的基本作戰流程是：由各平臺（預警機、艦船）進行機動，利用裝備的電子偵察設備進行預警探測；對探測到的目標信息進行數據融合，取得目標的軌跡、識別目標性質，進而通過指揮控制系統為艦艇編隊中的打擊兵力進行目標指示，打擊兵力對目標實施火力打擊；各偵察設備對目標進行毀傷評估。這一過程中，涉及眾多實體，交戰的一方會根據遭遇的事件做出相應反應，進而引發新的事件。由此可以看出，艦艇作戰計劃仿真中，一方產生事件或狀態發生改變，另一方將據此產生事件或改變狀態，事件的發生環環相扣。這一仿真過程中，比較關心的是事件發生的順序、時間。

從建模角度來看，事件調度法比較直觀，以事件作為其基本單元，與其他方法相比建模靈活簡便；活動掃描法需要設置每個實體的時間元，在實體較多時流程復雜；進程交互法針對實體的生命周期建立，與艦艇作戰計劃仿真的運行機制不相適應。綜上所述，事件調度法更適合作為艦艇作戰計劃仿真的仿真策略。

2 基于碰撞檢測的仿真方法分析與研究

2.1 艦艇作戰中離散事件的分類

事件調度法中關鍵問題之一是確定事件發生的時間。離散事件分為確定性事件和條件事件。確定性事件的發生時間能提前知曉，條件事件的發生時間與條件相關，一般不能提前確定。

在艦艇作戰計劃仿真中，確定性事件是作戰計劃中規定要執行的作戰行動，有明確的執行主體、作用對象。作戰行動的行動序列中，行動時間也有明確的安排，所以對應事件的發生時間已知，直接來源于作戰計劃。由于戰爭的復雜性，敵我雙方的對抗性，作戰過程的發展無法完全按照作戰計劃的內容進行，確定性事件的“確定”更多體現在仿真初期，起到對仿真狀態初始化的作用。作戰計劃的后續規定事件能否發生還要依賴于是否具備事件的發生條件。艦艇作戰計劃中，確定性事件的典型例子是艦艇機動，艦艇機動是艦艇在指定時間按照規定的運動要素（速度、航向）行進。

條件事件的發生需要進行條件判斷，其發生時間并不固定。在艦艇作戰計劃仿真中，大部分的仿真事件為條件事件。根據艦艇作戰的特點，敵我雙方兵力大部分時間都處于運動狀態，所以不論是進攻還是防御，首先都需要進行探測，發現目標的位置。這是后續決策和交戰的基礎。所以發現目標可以看作是艦艇作戰計劃仿真中首要的條件事件，其時間確定后，后續其他條件事件的發生時間可以依據規則求解。

現在一般有 2 種方法確定條件事件的發生時間［4］：1）在確定性事件發生的同時，對各個條件事件發生的條件進行判斷，如果滿足就處理；2）針對條件事件每隔一個“時間步長”判斷一次，如果滿足就處理。第一種方法無法精確求出條件事件的時間點；第 2 種方法在 2 個事件之間要進行n次判斷。

Te2是下一事件 e2發生的時間，Te1是前一事件 e1發生的時間，Tinterval是時間步長。當 e1與 e2發生的時間間隔 TE2- TE1- Te1較大時，或者為了得到較高的時間精度而 Tinterval較小時，都會增加判斷次數 n，降低仿真效率。

2.2 基于碰撞檢測的仿真方法

海戰中的探測是利用電子偵察設備對目標進行搜索、定位、識別。發現目標的依據是目標處于探測設備的作用范圍內，本質上是探測范圍對目標的覆蓋。根據這一判斷準則，可以利用碰撞檢測的方法來求解發現目標的時間。這樣可以通過一次計算得出發現目標的時間，有利于仿真效率的提高。

“碰撞檢測”是檢測 2 個（或多個）物體是否相交的技術［6］。最初用于機器人的路徑規劃，使機器人能夠避開障礙物。后廣泛應用于計算機游戲、計算機動畫等領域。碰撞檢測將確定 2 個物體是否、何時以及何處形成碰撞。在作戰計劃仿真中，碰撞檢測的對象并不是作戰實體，而是作戰實體執行任務時所對應的作用范圍。碰撞檢測的目的也不是為了避免碰撞，而是通過確定何時發生“碰撞”，得出離散事件的發生時刻。

海戰空間可以簡化為二維空間下的作戰環境，如果探測設備沒有角度的限制，則覆蓋范圍是一個圓形區域。設在 t0時刻，1 架我方預警機和 1 艘敵方艦船分別位于 C0和 P0處，速度矢量分別為 vf和 vs，預警機的探測范圍是以 C0為圓心，以探測距離 Rd為半徑的圓，如圖 1 所示。

將預警機探測范圍所覆蓋區域作為碰撞檢測的對象之一，與艦船進行碰撞檢測。為了方便求解，將問題轉化為圓（預警機探測范圍）與質點（艦船）間的動態碰撞檢測。在初始時刻 t0的狀態下，經過時間 t后，圓與質點位置發生變化，可表示為：

其中：tvf是預警機速度矢量為 vf的最后時刻，即在 tvf后預警機速度矢量發生改變；tvs是艦船速度矢量為 vs的最后時刻。

圖 1 t0時刻狀態Fig. 1 t0moment state

假設在 t 時刻，圓和質點相交，即兩者發生碰撞。t 時刻圓心與質點間的向量 d（t） 為

對 t 進行求解。將式（3）代入式（4）得：

將式（5）化為二次方程的標準式：

圖 2 發生“碰撞”時刻Fig. 2 Collision time

2.3 碰撞檢測時作用距離的分析

因為探測平臺可同時搭載多種偵察設備，不同的設備具有不同的作用距離，所以同一探測平臺具有多個覆蓋區域，利用最大的覆蓋區域進行碰撞檢測，如果不發生碰撞，則其他覆蓋區域不必再進行檢測。

對于同一種偵察設備，在不同環境下針對不同目標，其作用距離也不同。以主動雷達為例，雷達作用距離為［7］：

式中：Pt為雷達發射機功率；Gt為發射天線增益；Gr為接收天線增益；λ 為波長；σ 為目標的雷達反射截面積（RCS）；k 為波爾茲曼常數；Ts為雷達接收系統噪聲溫度；C0為雜波譜密度；N0為熱噪聲譜密度；J0為干擾譜密度；（SNR）n 為脈沖數 n 積累后的輸出信噪比；Lt為實際雷達各種損失；La為雙程大氣傳播引入損失。

由式（8）可以看出，實際作用距離和電磁環境、探測目標有很大關系，其他偵察設備同理。所以在進行碰撞檢測時，要根據具體環境、具體目標來確定覆蓋區域。

除探測事件可以利用碰撞檢測求解時間外，武器發射也是一類重要的條件事件。發射的基本條件是目標進入武器射程。此時作用距離用武器射程表示，由武器射程的覆蓋區域與目標進行碰撞檢測求解發射時間。

3 實例分析

圖 3 為艦艇編隊抗擊導彈活動圖。預警機獲得導彈來襲情況后，對導彈進行定位、識別，將導彈信息發送給艦艇編隊，編隊指揮對敵情進行判斷后，做出防空決策。如果采用主動防御方式，則將導彈信息分配給各軟硬抗擊武器，各武器組織目標搜索，進入武器射程后實施抗擊。如果選擇撤退，則艦艇進行機動以規避導彈。

圖 3 艦艇編隊抗擊導彈活動圖Fig. 3 Naval fleet against missile activity diagram

預警機在 t0時刻執行預警探測任務，t0時刻是仿真的初始時刻，各平臺的位置和運動要素已知。然后利用預警機的探測區域和來襲導彈進行碰撞檢測，求出“碰撞”時刻 td。td值是預警機發現導彈的時刻。將仿真時鐘從 t0推進到 td，這一過程將跳過時間步長的中間環節，快速推進到下一事件發生時刻。發現目標事件發生后，將觸發后續事件的產生。如發送信息事件，信息融合事件、指揮決策事件。這一系列事件的發生時間由處理事件的模型進行計算［8］，分別為通信模型、信息處理模型和指揮決策模型。這些事件的時間不是交互式產生的，而是由一類模型內部進行計算的結果。在經過防空決策后，如果決定進行主動防御，則各武器的發射時間仍采取碰撞檢測的方法取得。此時，武器射程所覆蓋的區域與導彈進行碰撞檢測，發生“碰撞”的時刻即導彈進入武器射程的時刻，滿足發射條件。圖 3 中 tm，tj，tf分別對應防空導彈、干擾設備、艦載火炮發射的時刻。

4 結 語

在離散事件系統仿真中，不論使用哪種仿真策略，都需要確定事件的發生時間，所以本文提出的基于碰撞檢測的仿真方法有一定的通用性。碰撞檢測算法結合海戰的特點，是求解重要條件事件的一種有效方法，但仍需要不斷檢驗和完善，提高艦艇作戰計劃仿真的效率，為指揮決策提供支持。

［1］《海軍軍語》編撰辦公室. 中國人民解放軍海軍軍語［M］. 北京: 海潮出版社， 2006: 11.

［2］劉興堂， 周自全， 李為民， 等. 仿真科學技術及工程［M］. 北京:科學出版社， 2013.

［3］李京， 王子明， 李冬. 基于DEVS的作戰指揮行為建模研究［J］.兵工自動化， 2014， 33（8）: 11–15. LI Jing， WANG Zi-ming， LI Dong. Study on combat commanding behavior modeling based on DEVS［J］. Ordnance Industry Automation， 2014， 33（8）: 11–15.

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［5］鄧書晶. 計算機離散事件仿真的原理［J］. 計算機與現代化，2009（6）: 74–77. DENG Shu-jing. Principle of computer’s discrete event simulation［J］. Computer and Modernization， 2009（6）: 74–77.

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［8］朱江， 白海濤， 馬文. 方案評估動態推演模型設計［J］. 指揮控制與仿真， 2012， 34（1）: 78–81. ZHU Jiang， BAI Hai-tao， MA Wen. Design of combat plan evaluation deduction model［J］. Command Control & Simulation， 2012， 34（1）: 78–81.

Warship operational plans simulation method based on collision detection research

WANG Wei1， ZHAO Xiao-zhe1， WANG Bo1，2
（1. Dalian Naval Academy， Dalian 116018， China； 2. No. 92819 Unit of PLA， Dalian 116021， China）

Warship operational plans simulation is suitable for the characteristics of discrete event system simulation，this paper introduces the discrete event system simulation strategy， analyzes the different emphasis of the strategy， combined with the characteristics of naval warfare has chosen for warship simulation strategy of the plan. For the classification of warship operational plans for discrete event simulation， studied the method of determining the time under different event types， which expounds the through the collision detection algorithm， calculation of warship important condition in the event of time method. Based on this method， method of application is given with warship process analysis. Provides a feasible way to improve the efficiency of warship operational plans simulation.

operational plans；discrete event system simulation；simulation strategy；collision detection

TP391.9

A

1672 – 7619（2016）04 – 0136 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.028

2015 – 10 – 28；

2015 – 11 – 30

中國博士后科學基金資助項目（2014M562557）

王偉（1982 – ），男，博士研究生，主要研究方向為水面艦艇建模與仿真。