海上作戰電子智能控制系統的仿真技術

劉紅健

(廣州航海學院，廣東 廣州510725)

0 引 言

隨著電子信息技術的飛速發展，信息化在軍事作戰領域中扮演著越來越重要的角色。一個相應快速、定位精準的船艦作戰電子智能控制系統［1-2］往往成為整個海上戰爭成敗的關鍵。而現代化的智能指揮控制系統結構復雜、自動化程度較高、應用場景變化多端，如何構造一個接近真實的外部環境對整個系統進行功能、性能測試往往是解決問題的關鍵。對系統的仿真建模，進行半實物模擬，即真實設備與模擬環境相互結合的測試系統，成為海面作戰電子智能控制系統很重要的研究方向。

本文首先研究整個作戰電子智能控制的系統結構、工作流程及系統特征;然后，利用對復雜系統的功能化分析及仿真平臺的控制技術，提出針對海面作戰電子智能控制的仿真系統原型，構建其系統的核心數學模型;最后，利用Netlogo 仿真平臺［3-4］對智能控制系統進行仿真試驗。試驗表明，其具有較好的實時性，提升了仿真平臺的網絡互通性，提高了艦隊作戰電子智能控制系統測試的效率和質量。

1 船艦電子智能控制系統仿真平臺

1.1 仿真平臺組成結構

艦隊作戰電子智能控制系統由終端顯示組件﹑模擬真實環境的虛擬仿真組件﹑海上戰爭中的情景條件組件﹑數據信息存儲交換以及篩選組件﹑系統評估組件以及接受的其他外部信息組件(如雷達﹑傳感器數據，上級及同級友鄰艦隊發送的信息，偵察機情報探測信息以及岸基情報信息等)［5］。電子智能控制系統組成如圖1所示。

圖1 作戰電子智能控制系統組成框圖Fig.1 The diagram of combat electronic intelligent control system

1.2 仿真平臺工作流程

艦船電子智能控制系統仿真平臺工作流程如下:

1)系統根據測試具體功能從總體數據配置庫中獲取總體設定，控制系統分發至各分布式數據庫各自控制庫中，完成初始化設置。

2)總控制系統給各分系統分發時鐘同步，各分系統收到命令后各自同步自身時鐘。

3)從艦隊總體數據庫中讀取裝備數據，各分節點自身記錄。

4)各分系統數據初始化完畢后，平臺環境控制組件發出命令，測試某一環境下的系統運行情況，并對其進行監視。

5)從情景條件組件中讀取不同的戰爭背景，產生不同的戰爭環境進行測試。

6)采集整個船艦作戰電子智能控制系統數據，進行顯示評估。

系統流程如圖2所示。

2 艦隊作戰電子智能控制系統數學模型

2.1 數學模型構造

在敵我雙方艦隊競爭中的作戰策略復雜多樣，本仿真平臺主要對敵對軍艦組隊中的多次往返對戰中，使用的最優策略算法進行建模，通過對艦隊組中單只策略的概率組合，設計總體對戰策略。

模型構造如下:

圖2 仿真測試系統工作流程Fig.2 Process of simulation test system

我方以統計概率x 對策略方針進行選取，假設選取策略為a1，選取策略a2的概率則為1-x;同樣，敵方以統計概率y 對策略仿真進行選取，假設選取策略為β1，選取策略β2的概率則為1-y;則4種策略對戰(αi-βi) (i=1，2)中，我方贏取戰爭的期望概率為:

下面利用二階矩陣理論對問題進行解析。假設我方贏得戰爭的概率矩陣是2 ×2 階，設概率G={S1，S2，A}，S1={a1，a2}，S2={β1，β2}，系數。

假設我方以統計概率x1選取戰爭方案a1，以統計概率x2選取戰爭方案a2。則敵方利用最優策略算法對艦隊使用策略β1，我方贏取戰爭的期望值為

反之，敵方利用最優策略算法對艦隊使用策略β2，我方贏取戰爭的期望值為

對式(2)和式(3)求解方程組:

求解式(4)，我方選用混合策略a1，a2的概率為:

敵方選用混合策略β1，β2的概率為:

2.2 建模數據分析

上節中我方選取的2 種策略a1，a2。假設分別用在白天和晚上，其中白天為a1，晚上為a2。敵方選取的2 種策略β1，β2。假設分別用在白天和晚上，其中白天為β1，晚上為β2。我方贏取的概率矩陣表如表1所示。

表1 我方勝利概率矩陣Tab.1 The matrix of victory probability

分析表1 可知，當我方取x=0.5，則贏取戰爭的期望值E(x，y)=0.4，也就是說，當我方以概率為0.5 使用策略a1，用1-0.5 使用策略a2，則我方贏取戰爭的概率為0.4，概率值比之用單一策略贏取的概率要大。

構建海上船艦作戰電子智能控制系統的戰略選擇數學模型主要有2個目的:

1)尋找海上戰爭策略選擇對戰爭成敗的規律，對艦隊作戰選擇進行分析，為整個海上戰爭的控制體系尋找有效的手段。

2)對戰爭節點的控制系統穩定性進行研究，為其尋找保護措施。

3 基于Netlogo 平臺的軟件模塊實現

3.1 軟件語言描述

使用主流的面向對象OO的語言［6］及UML 建模對其進行描述。

在整個海上艦船電子智能控制系統中，各部件通過各自的通信接口處理外來以及內部信息的接受及發送，經過統一的數據處理接口對數據格式進行統一處理，再由虛擬仿真組件對各種信息進行關聯﹑融合處理，結合海面艦隊戰爭中的情景條件組件、數據信息存儲交換以及篩選組件得到接近真實的戰場環境。

采集信息部件與數據處理不加進行說明，語言描述如下:

上面是海上艦船電子智能控制系統中數據處理部分的部分原生語言描述。模擬真實環境的虛擬仿真組件的語言描述與數據處理組件一致。

上面給出了海上艦船電子智能控制系統中組件的語言描述，下面給出在Netlogo 平臺的軟件實現。

3.2 Netlogo 平臺的軟件實現

操作系統:Netlogo 可運行在Windows XP 以上操作系統;Mac OS X 10.4 以上的系統，同時還可運行在安裝了JAVA的LINUX 15.0 以上版本的系統。

語言:面向對象，可擴展語言，支持Logo 內置語言，支持內置原語，并且支持雙精度浮點運算，在不同平臺之間移植性較好。

圖3 給出了海上艦船電子智能控制系統Netlogo平臺的軟件結構圖。

圖3 電子智能控制系統軟件模型Fig.3 Software model of combat electronic intelligent control system

在Netlogo 平臺中，先建立基本的平臺環境，如在考慮我方敵方對抗時，需要同時考慮到雙方指揮能力、士兵士氣、雙方火力等各種因素影響，每個因素有一個名稱，編程時以to 開始，以end 結束，語言如下:

最后給出，我方在以概率為0.5 使用策略a1，用1-0.5 使用策略a2，敵方也以相同概率選擇策略β1，β2，雙方艦隊對抗曲線圖如圖4所示。

圖4 對抗過程曲線圖Fig.4 Curve graph of course of war

圖4 中，曲線1 表示我方兵力，曲線2 表示對方兵力，雖然敵方初始兵力比我方多，但由于我方指揮戰術、兵力素質以及獲取情報比敵方先進，隨著對抗增抗次數增多，損失兵力比敵方小，逐漸擊敗對方。

4 結 語

海上艦船電子智能控制系統是海上戰陣信息化、科技化中關鍵的指揮系統，而對其有效的建模及如何構造仿真環境進行功能及性能測試又是基礎。本文對艦船作戰控制系統的仿真環境進行模塊化分解，并構建了戰爭策略的數學模型，最后利用Netlogo 仿真平臺對其進行了編程及測試。仿真環境能滿足戰爭環境的需求變換以及敵我雙方各中個戰爭要素的改變，來驗證整個系統的功能、性能是否達標。

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