吴金平，王永洁，田立业

(海军潜艇学院，山东 青岛 266100)

1 引言

作战仿真是作战实验的一种，是使用作战仿真方法进行的作战实验活动，主要根据指定的实验目的，采用实物仿真、半实物仿真和计算机仿真等手段，通过有计划地改变作战环境、作战任务、作战方案、作战兵力及作战行动等方面的重要因素，在虚拟对抗环境中模仿作战过程，考察不同条件下的作战进程与结局，分析各种参数与作战结果之间的关系，从而达到深入认识作战规律、更好指导未来作战实践的目的，主要用于作战行动方案的选择与优化。

潜艇作战仿真是使用作战仿真技术与方法进行潜艇作战问题研究的实验活动，主要针对潜艇作战问题研究，通过构建海战场虚拟环境、计算机生成兵力(CGF)、仿真计算中心和潜艇作战仿真模型体系等，实现对潜艇战/反潜战行为的建模与仿真，通过对仿真结果的分析，评估潜艇作战方案或行动的效果与效能，分析各作战要素对潜艇作战实施效果与效能的影响，最终实现对潜艇作战的分析、评估和优化等，为参验人员提供潜艇作战问题研究的方法与手段。

2 潜艇作战仿真系统的典型架构

基于分布交互式仿真技术，潜艇作战仿真系统的典型架构如图1所示，通常包括实装与装备仿真平台、兵力虚拟仿真功能台、仿真计算中心、仿真规划系统、仿真资源管理系统、仿真数据分析系统和数据中心等。

图1 潜艇作战仿真系统典型架构

实装与装备仿真平台主要实现对实艇装备的仿真，核心装设备通常使用实装或准实装方式实现，其它装设备通常使用半实物仿真方式实现；兵力虚拟仿真功能台主要以计算机生成兵力(CGF)方式实现对蓝方对抗兵力和红方协同兵力的仿真；仿真计算中心主要基于集群计算系统实现紧耦合的并行仿真计算，通常将某一仿真任务多次重复计算的工作分配到集群计算资源上，根据不同的参数及概率分布进行闭环重复计算，以对仿真结果数据进行统计分析，该计算中心同时为实装与装备仿真平台提供仿真模型服务；仿真规划系统主要实现对仿真的运行驱动，包括想定生成与编辑、仿真任务调度控制、仿真过程运行控制等；仿真资源管理系统主要实现对仿真资源的开发、配置与部署，包括仿真模型的配置与管理、仿真资源的配置与部署、仿真数据的系统管理等；仿真结果分析系统主要实现对仿真结果和仿真过程数据的分析与可视化显示(包括图形显示和数据表页显示两种)；数据中心主要为仿真提供仿真模型运行所需的基础数据以及仿真过程生成的各种数据的存储服务。

潜艇作战仿真系统的软件资源包括专用仿真应用软件、通用仿真应用软件、仿真服务软件和通用软件等。专用仿真应用软件是与仿真专题研究有关的软件，主要包括实装与装备仿真平台软件、兵力虚拟仿真功能台软件等，这类软件根据特定的需要不断开发完善；通用仿真应用软件是仿真环境必须的应用软件，包括仿真规划系统应用软件、仿真资源管理系统应用软件和仿真结果分析系统应用软件等；仿真服务软件主要包括仿真模型服务软件和仿真公共服务软件等，部署在仿真计算中心计算机上；通用软件主要包括计算机系统中的操作系统软件(Windows、Unix、Linux)和数据库系统软件(Oracle、SQL Server)等。

潜艇作战仿真系统的硬件资源包括专用硬件和通用硬件两类，专用硬件主要是指实装与装备仿真平台配置的硬件，通用硬件根据需要灵活配置台式计算机、高性能服务器和集群计算系统等。

3 闭环仿真方法设计

闭环仿真即人或硬件不在回路仿真，是指人或硬件不参与实验的仿真模式，这种模式下仿真实体按照模型逻辑程序自成一个封闭的运行回路。闭环仿真在仿真时间步进上可以变步长，从而实现超实时仿真，充分发挥计算资源效率，多用于作战分析、武器装备实验、作战计划研究、作战方案评估、作战方案的选择与优化和作战效能评估等。

3.1 任务调度方法

集群并行仿真环境下计算节点采用集群计算系统实现，这种模式下开展大规模重复的作战仿真是紧耦合的。为了充分发挥集群计算的优势，设计集群并行仿真任务调度方法见表1。

表1 集群并行仿真任务调度方法

根据以上任务调度方法，集群并行仿真任务调度(当l=4时)的工作过程如图2所示。

图2 集群并行仿真任务调度

3.2 蒙特卡罗并行仿真算法

明确仿真的目的后，潜艇作战闭环仿真并行算法的设计与实现就成为关键问题。并行算法是指一个过程可分配到不同的子进程在不同的处理器上同时处理的计算方法。对于类似潜艇作战这样的串行过程，并行计算主要可以采用两种方法，一种是将整个主进程划分成多个并行子进程，每个子进程中包含多个串行过程，各子进程串行化完成仿真任务后将计算结果传输给主进程处理；另一种是由主进程串行化处理仿真过程，将每个串行过程根据状态划分为多个子进程，每个子进程对应一个处理器，子进程之间通过实时通信交互实现并行计算。

在潜艇作战过程的蒙特卡罗并行仿真中，通常采用第一种方法，构建的并行仿真系统的处理结构如图3所示。主处理器负责主进程，对各子进程仿真任务进行分配，各子处理器负责执行子进程仿真任务，并将计算结果传递给主处理器的主进程，主处理器实现对计算结果的存储、管理、统计和分析等。

图3 并行仿真计算结构

潜艇作战过程蒙特卡罗并行仿真计算的关键是主处理器对子进程的任务分配，其实质是随机数产生的并行化与分配。[0，1]均匀分布串行随机数序列{r}满足如下递推公式：

(1)

其中，λ为乘因子，M为模，x0为初始随机数。

l个处理器对应的并行随机数序列{R}满足如下递推公式

视听说教程与其他课程在教学内容和形式上有差异，所以考核形式也不能单一地依赖传统的笔试，否则学生听力和口语上的表现将无法在成绩上有所体现，会挫伤部分学生的积极性，也不利于教师对学生学习真实情况的把握。因此，考核上应采取平时成绩、口语测试、笔试成绩三者相结合的方式。平时成绩占40%，考查本学期学生的出勤率、课堂表现、作业完成情况和随堂测试等分项；口语测试占30%，考查学生对所学内容的掌握程度及口语表达能力。听力笔试占30%，重点考查学生读写和听力能力；期末成绩将以上三项成绩量化计算得出，这样才能真正使视听说一体化教学得以实现。

(2)

(3)

4 开环仿真方法设计

开环仿真即人或硬件在回路仿真，是指人或硬件参与实验的仿真模式，这种模式下由于外部真实世界的人或硬件参与，使得仿真世界中的模型实体需要处理外部交互信息。开环仿真在仿真时间步进上一般与天文时间等步长，多用于作战方案演练、武器装备作战流程演练、推演评估和支持模拟训练等。

如图4所示，构建了以潜艇指控系统和其它分系统设备为核心的潜艇作战系统开环仿真系统。指控系统设备采用实装(或准实装)方式实现，其它分系统设备采用半实物仿真方式(装备仿真平台)实现，蓝方对抗兵力和红方协同兵力采用计算机生成兵力(CGF)方式实现。

图4 潜艇作战系统开环仿真系统

指控系统是潜艇作战系统的核心设备和战位，是全艇作战指挥的中枢，其信息化程度高，具有复杂的软件和信息交互流程，将实装指控系统设备嵌入到仿真系统中可以大大提高仿真应用的范围。在实艇上指控系统作为核心设备通过作战系统网与其它设备互联，分别完成信息综合处理、战场态势生成、辅助决策生成及武器发射控制等一系列复杂流程。因此驱动指控系统运行需要其它分系统设备(如声纳、雷达、武器系统等)提供信息，而仿真系统可以灵活生成虚拟的战场空间与环境信息，通过仿真服务接口将各种信息转换注入到指控系统中，从而驱动指控系统运行以实现虚实结合的LVC(L：livesimulation真实仿真，V：virtualsimulation虚拟仿真，C：constructivesimulation构造仿真)一体化仿真，实现与潜艇作战系统实艇装备相一致的功能。

这种开环仿真方法体现了“仿真即服务(simulation-as-a-service)”的理念，通过构建“即插即用”的仿真环境，实现了成本——效益最优的资源分配，实现了对异构系统互联互通互操作的支持，显著提高了系统仿真的灵活性和可扩展性。

5 潜艇作战仿真流程设计与优化

在分布交互式仿真技术体系下，设计并优化潜艇作战仿真流程如图5所示。

图5 潜艇作战仿真流程

1)根据研究课题的需要配置仿真环境，分析现存资源库中的仿真软硬件资源是否满足需要，如果满足需要则进行软硬件配置及仿真模型服务资源的部署，如果不能满足需要则按照分布交互式仿真技术体系下的规范开发模型及软件，形成的最终产品归入仿真资源库作为以后重用的资源；

2)仿真软硬件资源满足并配置完成后，根据仿真目的和课题研究内容编制仿真想定，仿真想定主要包含了仿真模式、想定内容(作战环境、作战任务、作战方案、作战兵力等)及仿真控制信息(仿真循环次数、仿真结束条件、数据记录设置等)等信息，这是开展仿真的数字化程序化脚本；

3)根据仿真模式选择启动相应的仿真应用程序，仿真模式取决于仿真的目的和具备的软硬件资源，可以选择闭环仿真模式或开环仿真模式；

4)根据仿真想定内容中的作战环境、作战兵力、作战任务、作战方案等信息创建仿真任务并进行仿真初始化，调用仿真模型服务器的模型组件生成初始战场空间，包括战场水文/气象/地理环境、各种对抗与配合兵力实体(含兵力的武器装备配置及兵力的行动任务规划)等，这些都以模型组件实例(即对象实例)的形式存储于仿真模型服务器中；

5)各实体模型组件(包括武器发射动态生成的鱼雷、导弹等实体)根据各自的仿真模型程序进行周期性计算并更新实体自身状态，根据需要调用仿真时间、交互管理、数据管理等公共服务组件实现仿真时间的推进、实体间信息的交互和数据的记录等；

6)根据单次仿真结束条件判断是否结束本次仿真，仿真结束条件在仿真想定的控制信息内设置，可能的结束条件包括时间上限、作战事件、主导实体时钟值等，取决于采用的仿真进程推进方法(时间步方法、事件表法、主导实体时钟值扫描法等)。满足本次仿真结束条件则可开始下次仿真，如果执行完所有仿真循环则结束仿真任务；

7)仿真执行过程中各种仿真过程数据(实体状态、决策信息、作战事件等)和仿真结果数据(发现目标情况、武器命中情况、目标毁伤情况等)可以记录在临时空间中，当仿真任务结束后可一次性存储到相应数据库文件中。根据仿真的应用目的，使用仿真结果分析软件对仿真过程数据和仿真结果数据进行分析，并得出相应的研究结论。

6 结束语

作战仿真是研究作战问题的一种重要手段，进入21世纪以来信息化局部战争的实践表明，作战仿真已经成为军事科学研究一种新的有效方法，通过作战仿真设计战争、研究战争、探寻战争规律、检验新的作战思想与理论、创新指挥人才培养以及论证部队编制体制与武器装备体系等，已经成为作战理论创新和军事技术发展的重要途径，对生成和提高部队战斗力发挥着越来越关键的作用。

对于潜艇作战问题研究，通过作战仿真，以定性和定量相结合的方式实现对特定问题的研究并得出相应的研究结论，可以为潜艇指挥员、参谋人员和研究人员等提供客观而又重要的决策依据，我研究所建设潜艇作战实验室的成功实践也已证明，潜艇作战仿真是潜艇作战问题研究的有效方法和手段。