海洋環(huán)境效應虛擬仿真實驗研究型教學模式探究

唐 帥,笪良龍,張 弛

(海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

0 引 言

隨著信息技術的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)樣式的穩(wěn)定周期越來越短，運用虛擬仿真實驗[1-2]的方法研究作戰(zhàn)日益受到主要軍事強國的重視。特別是在水下作戰(zhàn)領域，隨著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)境條件的關系更為密切，與之相關的水下作戰(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)境依賴性強等。為此，在潛艇專業(yè)人才院校培養(yǎng)過程中，依托虛擬仿真實驗開展研究型教學，為學員創(chuàng)造更多創(chuàng)新學習、研究訓練、熟悉戰(zhàn)場的機會，對幫助學員掌握作戰(zhàn)科學規(guī)律、提升作戰(zhàn)科學思維、培養(yǎng)作戰(zhàn)科學行為具有重要意義，是大力推行實戰(zhàn)化教學的重要手段。

本文針對復雜戰(zhàn)場環(huán)境條件下高強度水下信息對抗訓練需求，從潛艇專業(yè)學員實戰(zhàn)化培養(yǎng)要求出發(fā)，分析海洋環(huán)境效應研究型教學對提高潛艇專業(yè)學員作戰(zhàn)科學素養(yǎng)的重要作用；探討海洋環(huán)境效應研究型教學實驗室平臺建設目標、分析基于高性能計算平臺的信號級虛擬仿真實驗室設計思路，并結合實驗室關鍵技術實現情況及應用情況，論述實驗室對潛艇專業(yè)學員海洋環(huán)境效應研究型教學組織、訓練內容及應用前景。

1 潛艇作戰(zhàn)海域背后的科學問題

為更好履行新世紀新階段海軍歷史使命，海軍正處在戰(zhàn)略轉型期，任務海區(qū)進一步擴展。在我周邊復雜作戰(zhàn)海域當中蘊含了一系列的科學問題。其中，較為典型的有[3]：

(1)在東海黑潮海域，發(fā)現聲納對不同方位的目標，探測距離差異明顯。這一現象背后的科學問題是海洋鋒中聲傳播的折射規(guī)律，即海洋鋒具有強烈的水平溫度梯度變化，對聲線的傳播具有強烈的反射、折射作用，嚴重影響聲波傳播路徑，產生一系列的聲傳播奇異區(qū)，因而海洋鋒對聲納的探測距離具有屏蔽阻隔作用。

(2)在臺灣以東海區(qū)，聲納作用距離產生了“跳躍性”變化，近距離難以發(fā)現目標卻可發(fā)現了幾十海里以外的目標。這一現象背后的科學問題是深海聲道中聲傳播的會聚規(guī)律，即在深海環(huán)境中，深海聲道型聲速剖面的存在，導致近距離聲波迅速向海底傳播，但在傳播過程中不觸及海底，并在遠距離上產生能量聚焦，從而導致聲納直達波距離很近，但利用深海會聚區(qū)效應又可以探測遠程目標。

(3)在巴士海峽以西海域，執(zhí)行正常的戰(zhàn)備訓練與巡邏任務的潛艇，突然失去控制，迅速掉深，造成艙室進水。這一現象背后的科學問題是海洋內波現象，即海水在受外力擾動后，在海水內部產生波動，其最大振幅發(fā)生在海洋內部，海洋內波的存在，破壞了海水的等密度面，導致潛艇浮力突然變小，潛艇平衡狀態(tài)被打破，在海流和密度變化的共同作用下，導致了潛艇突然下沉，若不及時采取適當措施，就可能釀成事故。

2 潛艇專業(yè)學員海洋環(huán)境效應研究型教學需求

鄧尼茨曾說過“指揮是一門藝術，是指揮員在戰(zhàn)場上的創(chuàng)造性發(fā)揮”。一名優(yōu)秀的潛艇指揮人才必須具有創(chuàng)新指揮能力，要善于創(chuàng)造性地運用傳統的戰(zhàn)法，善于運用新手段創(chuàng)造新戰(zhàn)法，善于針對不同作戰(zhàn)實際創(chuàng)新戰(zhàn)法。然而，創(chuàng)新指揮能力并不是與生俱來，在面對不同環(huán)境和條件下，為什么有的人能夠快速獲得正確的符合本質和規(guī)律的認識，而有的人認識卻出現誤區(qū)、偏差甚至錯誤？潛艇指揮員科學素養(yǎng)的個體差異是制約創(chuàng)新指揮的重要原因。為此，科學素養(yǎng)是培養(yǎng)適應信息化作戰(zhàn)創(chuàng)新指揮人才的重要前提。研究型教學是將與作戰(zhàn)相關的科學問題融入到課堂教學中的一種教學組織模式,將幫助潛艇專業(yè)學員體會、認知和掌握作戰(zhàn)問題背后科學規(guī)律，逐步提升實戰(zhàn)化軍事能力[4-5]，是推動實戰(zhàn)化教學的有效抓手和引擎，是大力推行實戰(zhàn)化教學不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

(1)掌握作戰(zhàn)科學規(guī)律是研究型教學基本目的。研究型教學是依據敵情、我情和海情，進一步認清作戰(zhàn)背后的科學問題的針對性教學方式。例如針對海區(qū)影響作戰(zhàn)的水聲環(huán)境科學問題開展系統性的研究型教學，研究一系列與作戰(zhàn)密切相關的海洋環(huán)境科學規(guī)律，研究潛艇和武器裝備與海洋環(huán)境的“最佳匹配”和最優(yōu)戰(zhàn)術使用方法。通過研究型教學，學員能夠深入掌握作戰(zhàn)兵力所處任務海域作戰(zhàn)基本科學規(guī)律，并逐步培養(yǎng)科學作戰(zhàn)思維和科學行為。

(2)提升作戰(zhàn)科學思維是研究型教學核心要求。研究型教學是潛艇專業(yè)學員在掌握科學分析方法基礎上，進一步提升作戰(zhàn)科學思維的教學方式。例如，結合某次演習成果開展教學，學員根據任務背景，深入剖析作戰(zhàn)切入點，并從實戰(zhàn)出發(fā)，逐步細化訓練內容，并采用虛擬仿真平臺開展作戰(zhàn)設計、作戰(zhàn)推演和作戰(zhàn)評估，分析不同因素對作戰(zhàn)訓練的影響，培養(yǎng)學員利用仿真推演研究作戰(zhàn)理念，優(yōu)化實兵對抗方案，并與實際海上實兵訓練數據進行分析比對，培養(yǎng)學員發(fā)現問題、分析問題、解決問題的能力。通過研究型教學，學員將逐步建立以“發(fā)現作戰(zhàn)問題—引發(fā)作戰(zhàn)思考—探究科學規(guī)律—組織訓練驗證—發(fā)現新問題”為主線的作戰(zhàn)思維模式，是對科學規(guī)律認知的進一步深化，是養(yǎng)成良好的作戰(zhàn)科學行為的重要前提。

(3)培養(yǎng)作戰(zhàn)科學行為是研究型教學最終目標。研究型教學是聚焦重難點問題而開展的,是著眼潛艇專業(yè)學員長期科學訓練養(yǎng)成、戰(zhàn)法創(chuàng)新的教學方式。例如，通過開展未來任務海區(qū)環(huán)境效應研究型教學，潛艇專業(yè)學員將針對任務海區(qū)環(huán)境特點，合理選擇航路、設置陣地、探測目標、占位攻擊。可見，通過研究型訓練，將潛移默化地培養(yǎng)學員的作戰(zhàn)科學行為，將對作戰(zhàn)科學規(guī)律的理解、思考、應用貫穿于作戰(zhàn)全過程，形成作戰(zhàn)“條件反射”，正如狙擊手射擊前首先會選擇掩體一樣，環(huán)境應用應形成本能，而非技能。

3 海洋環(huán)境效應虛擬仿真系統設計與實現

3.1 設計思路

針對潛艇專業(yè)學員海洋環(huán)境效應研究型教學需求，構建高逼真度的“人工戰(zhàn)場”是戰(zhàn)爭在實驗室打響的首要條件，即在大型數據庫的支撐下，構建符合信號級作戰(zhàn)實驗需要的海洋環(huán)境預報、信道傳輸、目標特性、兵力交戰(zhàn)等仿真模型體系，如圖1所示，為海洋環(huán)境效應虛擬仿真提供基礎條件，同時還必須滿足交戰(zhàn)仿真實時性要求，設計實現難度極大，主要設計理念為：

(1)作戰(zhàn)海域范圍廣、環(huán)境復雜多變，要實現精細化的信道環(huán)境仿真，需要建立具有良好海區(qū)適應性、精確性和實時性的信號波形預報模型，特別是應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)信號級水下作戰(zhàn)實驗需要對水下信息對抗的全流程實現信號級仿真，即從水下信息對抗的信號產生、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、跨學科，必須依托作戰(zhàn)并行仿真技術[6]實現，同時為了提高系統的高可用性、靈活性和易擴展性，并降低建設成本，必須實現基于高性能計算平臺的信號級并行仿真計算。

圖1 “人工海洋”仿真模型體系

3.2 設計實現

信號級海洋環(huán)境虛擬仿真[7-10]是以水中目標信號特征及其在海洋信道中傳輸為建模基礎，運用信號處理技術再現武器裝備探測和對抗過程中的信號交互過程，利用超算技術和系統分析、效能評估等方法，在人為控制條件下，考察水下作戰(zhàn)進程和結局，認識水下作戰(zhàn)規(guī)律的科學實驗活動。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，將各要素置于統一的時空和戰(zhàn)場環(huán)境背景條件下，構造全平臺、全系統、全要素、高逼真的虛擬作戰(zhàn)環(huán)境和體系化信號級仿真實驗能力，完整再現水下信息傳輸、探測和對抗的全過程，為海洋環(huán)境效應虛擬仿真研究型教學提供科學基礎。實驗室整體結構如圖2所示。

(1)高性能計算平臺。高性能計算平臺是提高實驗室研究水平和能力的重要基礎設施，采用了性能價格比高，且具有良好可擴展性的曙光刀片式并行機群解決方案，借助遠程管理功能實現虛擬的現場控制與管理，面向不同層次的應用問題和用戶，提供遠程作業(yè)提交，機群狀態(tài)查詢、機群故障遠程會商系統等功能，從而有效地利用機群的計算能力，主要完成復雜水聲傳播、聲納探測效能的高性能并行仿真計算；完成作戰(zhàn)應用級、模型級仿真與驗證。

圖2 實驗室整體結構圖

(2)水中目標和環(huán)境信息數據庫平臺。數據庫平臺建立海洋環(huán)境信息數據庫、模型庫和應用產品庫。該平臺數據庫軟件系統擬采用Oracle數據庫系統，利用數據倉庫(Data Warehouse)理論和設計方法，對海洋環(huán)境數據、模型和應用產品進行統一存儲和管理，為用戶提供基礎數據、數據產品和應用產品數據等分層的多級應用，在保證數據庫安全穩(wěn)定運行的同時，為數據庫存儲信息的交互共享、高效管理提供了保障。

(3)信號級聲納系統仿真平臺。該平臺主要功能包括信號源波形及其傳輸特性仿真，信號場和背景場仿真，聲納信號處理并行算法，采用共享內存與分布式存儲相結合的體系結構[11-12]，基于MPI+OpenMP混合并行編程模型，實現基于高性能計算平臺的信號級仿真，為海洋環(huán)境虛擬仿真實驗室提供傳感器級環(huán)境效應評估功能。

(4)可視化作戰(zhàn)應用研究平臺。可視化作戰(zhàn)應用研究平臺是實驗室重要的開放式海洋環(huán)境效應虛擬仿真研究和人機交互接口平臺之一，該平臺以基于高層體系結構(HLA)[13]的分布式兵力仿真技術和水下戰(zhàn)場環(huán)境三維可視化表達技術[14]為軟件平臺基礎，建立了兵力交戰(zhàn)級仿真系統和水下戰(zhàn)場環(huán)境可視化顯示系統，實現人在回路的兵力交戰(zhàn)級仿真以及水下戰(zhàn)場環(huán)境的三維可視化表達，可進一步提高學員對水下作戰(zhàn)空間的分析能力和決策水平。

4 海洋環(huán)境效應虛擬仿真實驗室研究型教學

4.1 研究型教學主要特點

實戰(zhàn)化軍事訓練是強軍戰(zhàn)略布局的重要支撐，是從實戰(zhàn)需要出發(fā)從難從嚴進行訓練，是軍事訓練的基本要求，是推進訓練與實戰(zhàn)達到一體化的重要保證。軍事院校為提高學員實戰(zhàn)化意識，教學中必須強化學員敵情、我情、海情分析能力，依托實驗室高新技術成果集成[15]，持續(xù)推進教學創(chuàng)新，進一步提高實戰(zhàn)化軍事訓練的綜合保障效益。研究型教學作為推動實戰(zhàn)化教學不可逾越的重要環(huán)節(jié)，應貫穿實戰(zhàn)化教學的全過程。主要具備以下幾個特點：

(1)科學性。以科學為導向，理論聯系實際。

(2)規(guī)律性。透過現象看本質，以不變應萬變。

(3)創(chuàng)新性。科學技術、戰(zhàn)術相融合，激勵戰(zhàn)法創(chuàng)新。

(4)全域性。貫穿于實戰(zhàn)化教學全過程，提高教學水平。

4.2 研究型教學組訓模式

研究型教學組訓模式是實現研究型教學目標的根本途徑，在研究型教學過程中起著聯結其他要素的紐帶作用，是實戰(zhàn)化教學體系的重要組成部分。研究型教學模式，堅持自上而下的頂層設計與自下而上的逐層落實相結合，遵循由簡到繁，由分到合、由低到高的原則，區(qū)分不同教學對象，重點加強單裝、專項和綜合研究型教學。

(1)單裝研究型教學。單裝研究型教學是以單一傳感器或武器平臺訓練入手，深挖武器裝備潛能，破解單裝教學向實戰(zhàn)化靠攏難題的研究型教學。該模式依托海洋環(huán)境效應虛擬仿真實驗室各聲納裝備仿真系統，積極構設各種復雜條件和戰(zhàn)場環(huán)境，突出環(huán)境運用、細化單裝平臺教學問題。如綜合聲納負躍層環(huán)境優(yōu)化深度探測效能訓練；無引導條件下，拖曳聲納搜索效能研究等。

(2)專項研究型教學。專項研究型教學是以專項課題為牽引，對特定海域、特定平臺，開展專攻精練，解決潛艇作戰(zhàn)重點問題的研究型教學。該模式以戰(zhàn)術訓練為軸線，熔技術、戰(zhàn)術科目于一爐，依托海洋環(huán)境效應虛擬仿真實驗室聲納裝備及兵力仿真系統，突破單平臺作戰(zhàn)重、難點教學問題。如“深海會聚區(qū)效應對潛艇探測能力影響分析”“海洋鋒對潛艇聲納探測能力影響分析”等。

(3)綜合研究型教學。綜合研究型教學是以綜合演練等大型教學任務為牽引，開展貼近實戰(zhàn)背景，側重聯考聯訓，采取對抗方式依托海洋環(huán)境效應虛擬仿真實驗室全要素全過程的研究型教學。該模式以聯合作戰(zhàn)訓練為主線，強化教戰(zhàn)一致，側重統籌謀劃，推進聯合教學有效落實問題。如“多艦機協同配合搜攻潛科目教學”“艦機應召體系反潛科目教學”等。

4.3 研究型教學幾點思考

(1)研究型教學必須在一定戰(zhàn)術背景下展開。研究型教學是推進教學與實戰(zhàn)一體化的必要過渡，必須要提高教學起點，突出實戰(zhàn)背景，充分利用信號級仿真實驗室海洋環(huán)境效應精細化仿真能力，使研究型教學從內容到形式更加貼近實戰(zhàn)。

(2)研究型教學不能流于表面，要入木三分。研究型教學必須摒棄急功近利、投機取巧的思想，防止研究僅停留在對概念的理解，要一個問題一個問題解決，杜絕形式主義、淺嘗輒止，充分發(fā)揮虛擬仿真的可再現性，組織學員針對某一課題，反復研討、相互比對，實事求是、求真務實。

(3)研究型教學應構建部隊-院校一體化教學合作機制，實現科學組訓、智力促學。研究型教學應充分發(fā)揮院校及作戰(zhàn)實驗室作用，實現部隊和院校智力資源、技術資源和教學訓練資源的有機融合，依靠先進技術降低教學成本，提高教學效果。

5 結 語

高素質的海軍艦艇指揮人才是未來信息化戰(zhàn)爭制勝的法寶，潛艇指揮員的科學素養(yǎng)是其提高復雜環(huán)境條件下信息化作戰(zhàn)能力根本因素，是潛艇部隊“能打仗、打勝仗”的客觀要求。為提升潛艇專業(yè)學員的科學素養(yǎng)、加快實戰(zhàn)化訓練戰(zhàn)斗力生成，軍事院校應充分利用實驗室虛擬仿真資源，為培養(yǎng)水下信息化作戰(zhàn)人才提供技術手段和平臺保障，推進現代信息技術與水下作戰(zhàn)環(huán)境實驗教學的深度融合，深度實踐研究型教學，幫助學員體會、認知和掌握作戰(zhàn)問題背后科學規(guī)律，打好科學作戰(zhàn)基礎，提升實戰(zhàn)化教學針對性和教學效益，提高院校實戰(zhàn)化教學訓練能力。