布雷辅助决策系统的设计与实现*

2010-04-26高洪林王新华

舰船电子工程 2010年4期

周杰高洪林王新华

(海军潜艇学院战略导弹与水中兵器系青岛 266071)

1 引言

现代水下的作战环境日益复杂,武器装备的种类和性能不断提高,对指挥员在作战和训练中的要求也越来越高[1]。然而随着计算机技术的发展,利用作战软件来辅助指挥员完成作战和训练过程中遇到的复杂计算和决策问题,已成为必然的发展趋势。

在水雷布放决策部署过程中,涉及到大量数据的计算和各种因素的权衡,必须遵循一系列的方法、规范[2]。传统做法主要依靠人力和经验,效率低下、随意性强、准确性不高,难以适应快速高效布雷的需求。布雷辅助决策系统充分利用计算机处理信息迅速、准确、直观等优势,能较好地为布雷方案的制定提供科学合理的决策支持,辅助指挥员根据水雷的战技术指标和海战场环境制定相应的布雷方案。

2 系统简介

布雷辅助决策系统主要研究水雷武器在攻势和防御布雷中作战使用,系统对雷区的战场环境和布雷方案、触雷期望值、触雷概率及布雷数量进行分析计算,并对水雷障碍效率的评估计算,根据计算结果制定最佳实施计划,计划内容包括雷型选择、布雷方式、定次和定时指标、设定引信目标和预设雷区时间等。

布雷辅助决策系统以信息化的技术手段使部队人员在系统软件上进行布雷文书的学习和制定。同时将电子海图技术应用于布雷训练系统中,实现布雷障碍图的标定信息化、电子化。

布雷辅助决策系统建立现役的主战水雷数据库、目标舰船数据库和海战场环境数据库,方便部队平时学习、掌握水雷的基础知识和制定布雷作战计划时使用。

3 系统设计

图1 体系结构

系统采用三层体系结构,如图1所示。数据层用于储存应用程序处理的所有数据。应用程序层接受用户层的数据请求,生成相应的 SQL语句,存取数据库,并把结果传送给用户层或数据层[1]。

布雷辅助决策系统模块结构如图2所示。各模块通过人机交互界面和数据库获得结算需要的各种数据,包括目标舰船的物理特性、水雷的主要参数和战场环境指标,各模块功能如下:

图2 布雷辅助决策系统模块图

1)水雷破坏能力评估模块

主要计算触发式水雷的破口长度和破口深度。并利用冲击波压力法、冲击因子法和冲击加速度法计算非触发式水雷的破坏能力。

2)水雷需求数量计算模块

该模块在确定布雷作战战术和目的,合理选择和明确水雷障碍所需达到的作战效能指标后,可以根据不同的效能指标,计算所需的水雷数量。

3)水雷毁伤效能评估模块

毁伤效能是衡量水雷作战效能的基础性指标。包括计算目标舰船的条件毁伤概率,即计算目标舰船在遭遇水雷障碍的情况下,分别被1～3枚水雷击中的概率;计算舰船毁伤期望,即对舰船目标流所有舰船被水雷毁伤数量之期望。

4)水雷障碍生命力评估模块

水雷障碍生命力是指在敌方实施反水雷作战和布雷海区自然环境及水雷自身因素的影响下,水雷障碍能够保持其规定战斗功能的能力。它主要取决于水雷障碍战斗坚持力和布雷海区海战场环境的影响[3]。该模块主要根据敌方使用反水雷兵力清除水雷所需时间、水雷战斗有效期、布雷水域水深、潮汐、风浪、地形、水质等数据综合评估水雷障碍生命力。由于评估水雷障碍生命力涉及的因素较多,很难定量计算,系统建立专家系统进行定性分析后,得到量化指标。

5)水雷障碍作战性能评估模块

确定评估指标体系,利用专家系统评估指标,使用层次分析法评估水雷障碍作战性能。

6)布雷障碍图绘制模块

利用电子海图系统,调用电子海图数据库,绘制布雷障碍图。系统自动监控默认目录,将绘制的电子布雷障碍图自动拷贝到剪贴板,并利用COM(组件对象模型Component Object Model)技术插入布雷文书Word文档。

7)布雷文书模块

从文书模板数据库调用各种布雷文书的模板,并调用Word按文书规定格式显示和编辑。

4 关键技术

4.1 水雷障碍效能评估体系指标的确定

谋划布雷作战时,通常需要以所要求达到的作战效果预期指标为依据,对水雷障碍结构优化、水雷和布雷兵力的需求数量等一系列问题进行定量决策,而这些问题的解决又都是以水雷障碍作战效能的评估方法为基础的。评估布雷作战效能时需要基于水雷个体的作战能力和水雷障碍的具体构成,对水雷障碍所能达成预期作战目的的程度进行估计。作战效能难以采用一个指标予以全面衡量,研究水雷障碍作战效能评估方法必须首先建立其作战效能评估的指标体系[4]。本文建立水雷障碍作战效能评估体系如图3所示。

4.2 水雷障碍生命力评估专家系统的实现

水雷障碍生命力受多种人为和自然因素的影响,很难进行定量计算,系统利用专家系统对其进行定性分析后,再得出定量指标。

图3 指标体系

专家系统主要是利用知识的推理来求解问题,其核心技术是知识的产生和处理。将所有影响因素通过知识工程的处理转化为可用形式,以规则的形式存放于知识库。知识采用产生式规则表示,其一般形式如下:

IF 前提1 and前提2 and…and前提n

THEN 结论1,结论2,…,结论n

对于具有多个关系的情况,其推理是根据这些前提间的逻辑关系分解成多条上述形式的规则[5]。

图4 产生式规则表示方法

在知识库中,每条规则如图4所示。规则中的R_Name是规则名;Pre和Con分别是本条规则中的前提链和结论链;Next_Rule为指向下一条规则的指针。在建立规则结构前,将规则中的所有规则以及它们前提和结论进行统一编号,这样R_Name、前提链和结论链的各节点只存放相应的编号即可。利用Visual C++提供的指针功能,实现链表来构造知识库。

建立知识库后,还必须建立推理机。推理机是用来控制整个专家系统运行的一组程序,本系统采用正向推理。所谓正向推理,是指从原始数据出发正向运用知识库中的规则知识,由已经提供的事实推断新的事实,直到无可用规则或者求得了所要求的解为止。系统推理过程如下:

1)从数据库中得到影响水雷障碍生命力各因素的数据,转化为规则形式表述。

2)扫描规则库,找出与当前规则相匹配的规则。

3)判断匹配成功规则的结论部分的事实是否在数据库中,若无,将结论部分的事实加人数据库。

4)利用更新后的事实库重复上述两步,直到不再有规则适用为止。

这种方法的优点在于推理机可以很快地对输入的数据做出反映,迅速地对目标状态变量赋值。推理机程序流程图如图5所示。

4.3 水雷障碍作战效能评估的实现

为使布雷作战效能的评估充分考虑各种因素的影响,得到科学合理的评估结果,为布雷计划的最终制定提供有力依据。系统根据评估指标体系,从目标舰船数据库、水雷性能数据库和海战场环境数据库中得到目标特性、水雷性能和战场环境数据,利用这些数据对指标体系中的定量指标舰船毁伤期望和毁伤概率进行计算,利用建立的专家系统对定性指标水雷战斗坚持力和抗自然稀化能力进行量化评估,并将各指标与标准值相比,实现指标标准化。采用“专家判断矩阵法”确定各指标权重,即各指标制成矩阵表后发给各位精选的专家,要求专家凭着自己的知识、经验按层次分析法中的1～9标度法填写比较判断的结果,然后进行统计和综合处理,以此求得各指标的权重。以尽量减少或抵消非理性和主观因素对权重的影响。最后利用层次分析法对水雷障碍作战效能进行整体评估,系统流程图如图6所示。

4.4 布雷文书的编辑

布雷文书多为Word文档且有规定格式,为方便显示和打印,系统采用COM 技术实现Office自动化。COM是微软公司的最高级的,包罗万象的二进制通讯规范。用于软件组件间跨进程,跨机器和操作系统进行交互操作[6]。系统程序使用COM接口自动调用Word组件,从数据库读取文书模板,按照规定格式显示布雷文书,用户可利用Word实现对文书的输入和打印。

由于布雷文书要求插入布雷障碍图,系统采用多线程技术,使用Visual C++语言的API函数CreatProcess,实现对电子海图系统的调用,同时使用API函数ReadDirectoryChangesW,对其默认存储路径进行监控。用户绘制新的布雷障碍图后,系统使用COM技术将障碍图插入新建布雷计划文档中的适宜位置,根据不同使用需求系统还可以直接利用图像处理技术将BMP格式的障碍图存入剪贴板,供用户下一步使用。程序流程如图7所示。