試驗風險控制的拆分與合成技術研究

王天忠, 張東俊, 李運赫

(海軍92337部隊，遼寧大連116023)

0 引言

在組織型號首制潛艇裝備使用試驗邊界性能試驗以及復雜條件試驗過程中，安全性是首先要考慮的問題，然而隨著武器裝備和未來戰場形勢的發展，潛艇裝備外場試驗的任務實施與貼近實戰的作戰使用要求之間矛盾更加突出，潛艇裝備的外場試驗工作面臨著更大的挑戰，試驗安全風險不斷增加[1]。本文運用拆分與合成技術，探索潛艇邊界性能試驗安控方法。

1 基于拆分試驗技術的驗前安全性試驗設計

1.1 拆分試驗方法指導思想

1） 并非所有作戰性能試驗都需要實現一整套作戰過程。比如在魚雷攻防對抗試驗中，潛艇的防御機動性能分析評價中的風險因素，可以通過只包含潛艇實體平臺的單獨試驗而進行消除。

2）對于需要進行大量探索性試驗分析的場合，使用低分辨率試驗設計。針對需要縮減的不確定性風險因素，盡量使試驗所使用視圖最小化。比如要縮減潛艇防御機動性能試驗中的風險因素，試驗中只需要反映足夠的潛艇動力學特性即可。

3） 外場試驗的設計是可以給后續試驗數據分析評估結果的說理性提供某些指導。毫無疑問，外場試驗的設計過程必然反映對于目標問題的求解過程。因為試驗的設計過程也是分析人員對問題求解過程思路的一種反映，這個思路也反映了從條件到問題結果的因果關系。分析人員通過不同的試驗結果數據，逐步聚集、精練，最終給出問題結果。

根據上面三點結論，提出基于拆分試驗技術的驗前安全性試驗設計方法，其基本思想是：逐步縮減不確定性空間，采用多分辨率層次化試驗設計，同時使所進行的試驗能夠提高性能評估結果的說理性。

1.2 拆分試驗方法的邏輯步驟

拆分試驗方法包含以下幾個邏輯步驟：

1）對系統進行分析，找出所有不確定因素及其繼承關系，根據繼承關系將其分類。分類的原則是某個層次的不確定因素只繼承低層次或者同層次的不確定因素，而不繼承高層次的不確定因素。不確定因素層次劃分示意圖見圖1：

假設已知不確定因素的集合π(A) ={A1,A2,A3, ......An}，以及π(A)中元素的直接繼承關系集合 R (A) = {(Ai,Aj)|i,j∈ ( 1,n),i≠j} ，利用分類原則將 π(A)分為子集π1( A) , π2(A) . .....πm(A)。

圖中 Ai→Aj表示不確定因素Ai繼承不確定因素Aj。

值得注意的是，復雜系統內的不確定因素之間的關系錯綜復雜，通常需要對系統非常了解的專門人員進行不確定因素的提取以及繼承關系的決定。

2） 根據劃分的不確定因素層次關系，在不同層次上設計同一實體試驗的不同分辨率或不同類型的版本。

3） 根據劃分的不確定因素層次關系和建立的各層模型，設計各個層次上的外場試驗。目的是縮減所在層次的不確定空間。

每個層次上的試驗可以由若干個子試驗組成，每個子試驗的輸出結果可以直接或間接地縮減該試驗層次所對應不確定空間中的某些不確定性。試驗層次劃分與不確定因素層次對應關系見圖2。

2 基于合成試驗技術的試驗安全控制

2.1 合成試驗技術原理

合成試驗將以艇載嵌入式環境生成系統為基礎，通過與潛艇實裝以及實裝模擬訓練裝置協同工作完成試驗任務。艇載嵌入式合成試驗環境生成系統產生具有對抗性的訓練態勢，從探測系統注入到實裝上，為作戰系統提供目標來源[2]。警戒探測系統在不實際發射聲波的情況下模擬戰場感知，進行戰場信息獲取，將模擬獲取的戰場信息輸入到作戰系統內部，按照真實的作戰信息流程在作戰系統內部進行相應的處理后，給指揮員呈現一個戰場態勢圖像。使指揮員在如同實戰的背景下，進行目標識別、威脅判斷、目標分配、火力打擊等指揮決策。武器系統收到目標指示，在指揮員下達火力打擊命令后進行武器啞射，通過魚雷武器半實物模擬裝置模擬魚雷攻擊全過程。在此過程中，重點實現魚雷的線導階段的導引過程與潛艇防御機動措施的實時交互，調整作戰兵力態勢，實現閉環試驗。

2.2 基于合成試驗技術的試驗方案設計

功能需求。要實現防御機動合成試驗必須具備以下條件：

1)驅動潛艇作戰系統現有設備（目標/環境模擬器和導航參數模擬器），包括產生目標信息和本艇導航信息；

2) 實現潛艇操縱仿真，按照設定的潛艇初始狀態，操作實際操艇設備（綜導顯控臺或者操艇模擬器），仿真潛艇的各種機動過程；

3) 能夠設定試驗內容生成試驗環境包括海洋環境和對抗兵力，仿真藍方對抗兵力的作戰行動；

4) 結合潛艇現有設備（魚雷模擬器、導彈模擬器、水聲對抗模擬器），實現武器攻擊效果仿真；

5) 根據作戰試驗想定，可以記錄試驗過程數據特別是相關設備的戰技參數；

6) 能夠根據試驗過程數據，實現裝備試驗過程回放和裝備作戰性能評定。

在上述必備條件中設定試驗內容和藍方兵力的仿真由便攜式軍用計算機作為導演臺和藍方臺完成，潛艇作戰系統的驅動和潛艇操縱的仿真需要配置專用的接口設備，由導演臺按照潛艇實裝目標/環境模擬器和導航參數模擬器信息格式生成數字信息，包括海洋環境信息、目標信息、本艇初始狀態信息，通過接口發送至潛艇有關設備，驅動相關設備正常工作，潛艇指揮和各戰位操縱人員按照海上作戰流程進行執行操艇動作，各種武器發控信息通過專用接口回送至導演臺，由導演臺仿真各種武器的攻擊效果，評定作戰效能。

潛艇合成試驗環境生成系統組成。潛艇合成試驗主要包括支撐平臺、接口設備、魚雷導引頭半實物模擬裝置以及潛艇實裝設備組成，如圖3所示。其中，潛艇實裝可根據試驗規模確定一般至少應包括潛艇操艇系統、綜導顯控臺、導航參數模擬器、聲納及目標環境模擬器、指控系統和武器發控設備以及武器發控模擬器等。接口設備及其與艇上設備的連接電纜需固定安裝和敷設在潛艇適當位置。

3 利用拆分與合成技術解決魚攻下潛艇防御機動試驗安控問題

3.1 劃分影響安全風險不確定因素層次

通過對雙方攻防過程的分析可以找出試驗中存在的不確定因素有：聲納探測距離、目標發現概率、魚雷命中概率、戰術使用、機動方式、狀態工況、系統設備使用等。

這些不確定因素的相互繼承關系見圖 4。利用不確定因素層次劃分方法對不確定因素的繼承關系進行層次劃分，可得到其層次關系，見圖5。

可以發現經過劃分以后，每個層次包含了若干個不確定因素。這些不確定因素只繼承于同層或高層的不確定因素。

3.2 設計分層試驗

分層試驗設計按照以下幾個步驟進行，如圖6所示：

1）試驗需求分析：從試驗需求出發，明確試驗目標和試驗任務基本信息。

2）層次化模型族的建立：根據影響風險因素層次，建立交戰級仿真模型；在此基礎上通過解構等方法建立使用級模型框架，在外場試驗數據的基礎上擬合出使用級預測模型。

3）制定作戰和使用策略：由試驗總體規劃提供的試驗任務等基本信息，制定作戰策略和裝備使用策略。

4）編制仿真想定：由需要研究的使用不確定性因素（試驗因子）組成基本想定（探索空間）。

5）設置試驗框架：通過試驗設計方法確定探索空間中各關鍵因素的取值（水平）?？梢葬槍嶒災繕说牟煌?，采用不同的試驗設計方法，如正交試驗設計、均勻試驗設計、單因素試驗設計和全面試驗試驗設計，其中正交試驗設計主要用于探索性分析。

6）運行交戰級仿真試驗：運行交戰級仿真試驗，確定交戰級仿真檢索使用模型輸入條件，將使用級預測元模型嵌入到交戰級仿真中，并按照性能指標體系采集試驗數據。

7）潛艇裝備使用試驗方案設計：改變裝備使用策略及探索空間中的關鍵因素取值，探索裝備使用特性，最終得到使用試驗設計方案。

3.2 開展合成試驗的具體實施方法

其工作流程如圖7所示。

1）設定合成試驗想定內容，包括潛艇作戰任務想定（以潛艇反潛任務為例），確定裝備在進行相應的戰術機動決策時依據的技術指標（航速、最大低噪音航速、最小低噪音航速、各作戰任務下水下最大一次連續航行時間、設備組合使用噪聲振動、潛艇變聲時間、回轉半徑等），明確戰場環境和兵力對象。

2）合成試驗開始，啟動合成試驗環境生成系統，開始潛艇反潛仿真過程，將紅方（防御方）初始狀態信息發送至目標環境模擬器，驅動潛艇操艇系統可接受操作命令，完成潛艇操縱。試驗過程中，指控系統實時將本艇狀態信息發送至藍方臺（攻擊方）。

3）試驗過程中，導演臺周期性的向目標/環境模擬器發送潛艇各探測系統獲得的紅方目標信息，這些信息均由合成試驗環境生成系統按照戰場兵力態勢、海洋環境、目標狀態實時計算生成，目標/環境模擬器將這些信息處理后發送至綜合聲納系統顯控臺，操縱人員對目標進行搜索跟蹤然后將目標信息發送至指控系統。

4）指控系統接收到目標信息后，指揮員可以進行對目標的攻防行為，包括接敵機動、直至發射魚雷武器。此時魚雷導引頭開始運行。

5）發射魚雷武器后，導演臺立刻向導航參數模擬器注入合成試驗環境生成系統中紅方臺（防御方）的實時方位信息；魚雷導引頭將實時數據信息通過數據總線發送至目標環境模擬器，本艇操縱人員根據目標信息作出相應防御機動。指控系統實時將本艇信息發送至紅方臺（防御方）。

6）魚雷導引頭處于線導過程的時候，潛艇不斷將自身方位注入魚雷發控儀，實時控制魚雷導引頭作出相應調整；同時魚雷導引頭不斷將實時方位姿態數據發送至目標環境模擬器，直到本艇指控系統線導結束。

7）試驗環境生成系統根據發射武器參數和雙方態勢實施描述各種武器的攻擊效果包括，各類武器和水聲對抗器材。

8）試驗過程中，導演臺實時記錄試驗過程，以及各類試驗數據和裝備的戰技指標參數值。

9）試驗結束后，根據試驗數據評價裝備的作戰綜合性能，同時根據各種任務下相應使用設備系統的技術指標參數，得出一整套裝備不同使用條件下指標參數的柔性區間。

4 結論

基于拆分試驗與合成試驗的實現潛艇邊界性能試驗的安全控制，可以充分地利用潛艇攻防對抗試驗中不確定風險因素之間繼承關系的層次性去設計外場實驗。按照此方法設計的試驗層次進行外場試驗，可以在高維的不確定空間中進行的探索，提高試驗的效率。同時也降低了試驗的安全風險。

[1]閻耀東,肖杰,秦佰雄. 武器裝備作戰試驗研究[J].國防科技, 2009, 30 (5):32-36.

[2]白銀生等. 聲納數據合成與環境仿真研究[J]. 系統仿真學報, 2004,16(8) : 1634-1637.