海洋環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展，未來戰爭中作戰樣式的穩定周期越來越短，運用虛擬仿真實驗[1-2]的方法研究作戰日益受到主要軍事強國的重視。特別是在水下作戰領域，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、兵力行動與海洋環境條件的關系更為密切，與之相關的水下作戰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、環境依賴性強等。為此，在潛艇專業人才院校培養過程中，依托虛擬仿真實驗開展研究型教學，為學員創造更多創新學習、研究訓練、熟悉戰場的機會，對幫助學員掌握作戰科學規律、提升作戰科學思維、培養作戰科學行為具有重要意義，是大力推行實戰化教學的重要手段。

本文針對復雜戰場環境條件下高強度水下信息對抗訓練需求，從潛艇專業學員實戰化培養要求出發，分析海洋環境效應研究型教學對提高潛艇專業學員作戰科學素養的重要作用；探討海洋環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學員海洋環境效應研究型教學組織、訓練內容及應用前景。

1 潛艇作戰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，海軍正處在戰略轉型期，任務海區進一步擴展。在我周邊復雜作戰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，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，聲納作用距離產生了“跳躍性”變化，近距離難以發現目標卻可發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律，即在深海環境中，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，但利用深海會聚區效應又可以探測遠程目標。

(3)在巴士海峽以西海域，執行正常的戰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 潛艇專業學員海洋環境效應研究型教學需求

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

(1)掌握作戰科學規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，進一步認清作戰背后的科學問題的針對性教學方式。例如針對海區影響作戰的水聲環境科學問題開展系統性的研究型教學，研究一系列與作戰密切相關的海洋環境科學規律，研究潛艇和武器裝備與海洋環境的“最佳匹配”和最優戰術使用方法。通過研究型教學，學員能夠深入掌握作戰兵力所處任務海域作戰基本科學規律，并逐步培養科學作戰思維和科學行為。

(2)提升作戰科學思維是研究型教學核心要求。研究型教學是潛艇專業學員在掌握科學分析方法基礎上，進一步提升作戰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，深入剖析作戰切入點，并從實戰出發，逐步細化訓練內容，并采用虛擬仿真平臺開展作戰設計、作戰推演和作戰評估，分析不同因素對作戰訓練的影響，培養學員利用仿真推演研究作戰理念，優化實兵對抗方案，并與實際海上實兵訓練數據進行分析比對，培養學員發現問題、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“發現作戰問題—引發作戰思考—探究科學規律—組織訓練驗證—發現新問題”為主線的作戰思維模式，是對科學規律認知的進一步深化，是養成良好的作戰科學行為的重要前提。

(3)培養作戰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,是著眼潛艇專業學員長期科學訓練養成、戰法創新的教學方式。例如，通過開展未來任務海區環境效應研究型教學，潛艇專業學員將針對任務海區環境特點，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，將潛移默化地培養學員的作戰科學行為，將對作戰科學規律的理解、思考、應用貫穿于作戰全過程，形成作戰“條件反射”，正如狙擊手射擊前首先會選擇掩體一樣，環境應用應形成本能，而非技能。

3 海洋環境效應虛擬仿真系統設計與實現

3.1 設計思路

針對潛艇專業學員海洋環境效應研究型教學需求，構建高逼真度的“人工戰場”是戰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實驗需要的海洋環境預報、信道傳輸、目標特性、兵力交戰等仿真模型體系，如圖1所示，為海洋環境效應虛擬仿真提供基礎條件，同時還必須滿足交戰仿真實時性要求，設計實現難度極大，主要設計理念為：

(1)作戰海域范圍廣、環境復雜多變，要實現精細化的信道環境仿真，需要建立具有良好海區適應性、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，不僅要解決環境與傳感器、武器的耦合問題，還要解決交戰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，考察水下作戰進程和結局，認識水下作戰規律的科學實驗活動。其核心思想是從信息的原始形式——信號波形中捕捉復雜戰場環境對傳感器、武器、平臺的影響，將各要素置于統一的時空和戰場環境背景條件下，構造全平臺、全系統、全要素、高逼真的虛擬作戰環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，提供遠程作業提交，機群狀態查詢、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)水中目標和環境信息數據庫平臺。數據庫平臺建立海洋環境信息數據庫、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，為海洋環境虛擬仿真實驗室提供傳感器級環境效應評估功能。

(4)可視化作戰應用研究平臺。可視化作戰應用研究平臺是實驗室重要的開放式海洋環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場環境三維可視化表達技術[14]為軟件平臺基礎，建立了兵力交戰級仿真系統和水下戰場環境可視化顯示系統，實現人在回路的兵力交戰級仿真以及水下戰場環境的三維可視化表達，可進一步提高學員對水下作戰空間的分析能力和決策水平。

4 海洋環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

實戰化軍事訓練是強軍戰略布局的重要支撐，是從實戰需要出發從難從嚴進行訓練，是軍事訓練的基本要求，是推進訓練與實戰達到一體化的重要保證。軍事院校為提高學員實戰化意識，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]，持續推進教學創新，進一步提高實戰化軍事訓練的綜合保障效益。研究型教學作為推動實戰化教學不可逾越的重要環節，應貫穿實戰化教學的全過程。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)規律性。透過現象看本質，以不變應萬變。

(3)創新性。科學技術、戰術相融合，激勵戰法創新。

(4)全域性。貫穿于實戰化教學全過程，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化靠攏難題的研究型教學。該模式依托海洋環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場環境，突出環境運用、細化單裝平臺教學問題。如綜合聲納負躍層環境優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，解決潛艇作戰重點問題的研究型教學。該模式以戰術訓練為軸線，熔技術、戰術科目于一爐，依托海洋環境效應虛擬仿真實驗室聲納裝備及兵力仿真系統，突破單平臺作戰重、難點教學問題。如“深海會聚區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，開展貼近實戰背景，側重聯考聯訓，采取對抗方式依托海洋環境效應虛擬仿真實驗室全要素全過程的研究型教學。該模式以聯合作戰訓練為主線，強化教戰一致，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術背景下展開。研究型教學是推進教學與實戰一體化的必要過渡，必須要提高教學起點，突出實戰背景，充分利用信號級仿真實驗室海洋環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。

(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揮院校及作戰實驗室作用，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爭制勝的法寶，潛艇指揮員的科學素養是其提高復雜環境條件下信息化作戰能力根本因素，是潛艇部隊“能打仗、打勝仗”的客觀要求。為提升潛艇專業學員的科學素養、加快實戰化訓練戰斗力生成，軍事院校應充分利用實驗室虛擬仿真資源，為培養水下信息化作戰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環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、認知和掌握作戰問題背后科學規律，打好科學作戰基礎，提升實戰化教學針對性和教學效益，提高院校實戰化教學訓練能力。