试验风险控制的拆分与合成技术研究

王天忠, 张东俊, 李运赫

(海军92337部队，辽宁大连116023)

0 引言

在组织型号首制潜艇装备使用试验边界性能试验以及复杂条件试验过程中，安全性是首先要考虑的问题，然而随着武器装备和未来战场形势的发展，潜艇装备外场试验的任务实施与贴近实战的作战使用要求之间矛盾更加突出，潜艇装备的外场试验工作面临着更大的挑战，试验安全风险不断增加[1]。本文运用拆分与合成技术，探索潜艇边界性能试验安控方法。

1 基于拆分试验技术的验前安全性试验设计

1.1 拆分试验方法指导思想

1） 并非所有作战性能试验都需要实现一整套作战过程。比如在鱼雷攻防对抗试验中，潜艇的防御机动性能分析评价中的风险因素，可以通过只包含潜艇实体平台的单独试验而进行消除。

2）对于需要进行大量探索性试验分析的场合，使用低分辨率试验设计。针对需要缩减的不确定性风险因素，尽量使试验所使用视图最小化。比如要缩减潜艇防御机动性能试验中的风险因素，试验中只需要反映足够的潜艇动力学特性即可。

3） 外场试验的设计是可以给后续试验数据分析评估结果的说理性提供某些指导。毫无疑问，外场试验的设计过程必然反映对于目标问题的求解过程。因为试验的设计过程也是分析人员对问题求解过程思路的一种反映，这个思路也反映了从条件到问题结果的因果关系。分析人员通过不同的试验结果数据，逐步聚集、精练，最终给出问题结果。

根据上面三点结论，提出基于拆分试验技术的验前安全性试验设计方法，其基本思想是：逐步缩减不确定性空间，采用多分辨率层次化试验设计，同时使所进行的试验能够提高性能评估结果的说理性。

1.2 拆分试验方法的逻辑步骤

拆分试验方法包含以下几个逻辑步骤：

1）对系统进行分析，找出所有不确定因素及其继承关系，根据继承关系将其分类。分类的原则是某个层次的不确定因素只继承低层次或者同层次的不确定因素，而不继承高层次的不确定因素。不确定因素层次划分示意图见图1：

假设已知不确定因素的集合π(A) ={A1,A2,A3, ......An}，以及π(A)中元素的直接继承关系集合 R (A) = {(Ai,Aj)|i,j∈ ( 1,n),i≠j} ，利用分类原则将 π(A)分为子集π1( A) , π2(A) . .....πm(A)。

图中 Ai→Aj表示不确定因素Ai继承不确定因素Aj。

值得注意的是，复杂系统内的不确定因素之间的关系错综复杂，通常需要对系统非常了解的专门人员进行不确定因素的提取以及继承关系的决定。

2） 根据划分的不确定因素层次关系，在不同层次上设计同一实体试验的不同分辨率或不同类型的版本。

3） 根据划分的不确定因素层次关系和建立的各层模型，设计各个层次上的外场试验。目的是缩减所在层次的不确定空间。

每个层次上的试验可以由若干个子试验组成，每个子试验的输出结果可以直接或间接地缩减该试验层次所对应不确定空间中的某些不确定性。试验层次划分与不确定因素层次对应关系见图2。

2 基于合成试验技术的试验安全控制

2.1 合成试验技术原理

合成试验将以艇载嵌入式环境生成系统为基础，通过与潜艇实装以及实装模拟训练装置协同工作完成试验任务。艇载嵌入式合成试验环境生成系统产生具有对抗性的训练态势，从探测系统注入到实装上，为作战系统提供目标来源[2]。警戒探测系统在不实际发射声波的情况下模拟战场感知，进行战场信息获取，将模拟获取的战场信息输入到作战系统内部，按照真实的作战信息流程在作战系统内部进行相应的处理后，给指挥员呈现一个战场态势图像。使指挥员在如同实战的背景下，进行目标识别、威胁判断、目标分配、火力打击等指挥决策。武器系统收到目标指示，在指挥员下达火力打击命令后进行武器哑射，通过鱼雷武器半实物模拟装置模拟鱼雷攻击全过程。在此过程中，重点实现鱼雷的线导阶段的导引过程与潜艇防御机动措施的实时交互，调整作战兵力态势，实现闭环试验。

2.2 基于合成试验技术的试验方案设计

功能需求。要实现防御机动合成试验必须具备以下条件：

1)驱动潜艇作战系统现有设备（目标/环境模拟器和导航参数模拟器），包括产生目标信息和本艇导航信息；

2) 实现潜艇操纵仿真，按照设定的潜艇初始状态，操作实际操艇设备（综导显控台或者操艇模拟器），仿真潜艇的各种机动过程；

3) 能够设定试验内容生成试验环境包括海洋环境和对抗兵力，仿真蓝方对抗兵力的作战行动；

4) 结合潜艇现有设备（鱼雷模拟器、导弹模拟器、水声对抗模拟器），实现武器攻击效果仿真；

5) 根据作战试验想定，可以记录试验过程数据特别是相关设备的战技参数；

6) 能够根据试验过程数据，实现装备试验过程回放和装备作战性能评定。

在上述必备条件中设定试验内容和蓝方兵力的仿真由便携式军用计算机作为导演台和蓝方台完成，潜艇作战系统的驱动和潜艇操纵的仿真需要配置专用的接口设备，由导演台按照潜艇实装目标/环境模拟器和导航参数模拟器信息格式生成数字信息，包括海洋环境信息、目标信息、本艇初始状态信息，通过接口发送至潜艇有关设备，驱动相关设备正常工作，潜艇指挥和各战位操纵人员按照海上作战流程进行执行操艇动作，各种武器发控信息通过专用接口回送至导演台，由导演台仿真各种武器的攻击效果，评定作战效能。

潜艇合成试验环境生成系统组成。潜艇合成试验主要包括支撑平台、接口设备、鱼雷导引头半实物模拟装置以及潜艇实装设备组成，如图3所示。其中，潜艇实装可根据试验规模确定一般至少应包括潜艇操艇系统、综导显控台、导航参数模拟器、声纳及目标环境模拟器、指控系统和武器发控设备以及武器发控模拟器等。接口设备及其与艇上设备的连接电缆需固定安装和敷设在潜艇适当位置。

3 利用拆分与合成技术解决鱼攻下潜艇防御机动试验安控问题

3.1 划分影响安全风险不确定因素层次

通过对双方攻防过程的分析可以找出试验中存在的不确定因素有：声纳探测距离、目标发现概率、鱼雷命中概率、战术使用、机动方式、状态工况、系统设备使用等。

这些不确定因素的相互继承关系见图 4。利用不确定因素层次划分方法对不确定因素的继承关系进行层次划分，可得到其层次关系，见图5。

可以发现经过划分以后，每个层次包含了若干个不确定因素。这些不确定因素只继承于同层或高层的不确定因素。

3.2 设计分层试验

分层试验设计按照以下几个步骤进行，如图6所示：

1）试验需求分析：从试验需求出发，明确试验目标和试验任务基本信息。

2）层次化模型族的建立：根据影响风险因素层次，建立交战级仿真模型；在此基础上通过解构等方法建立使用级模型框架，在外场试验数据的基础上拟合出使用级预测模型。

3）制定作战和使用策略：由试验总体规划提供的试验任务等基本信息，制定作战策略和装备使用策略。

4）编制仿真想定：由需要研究的使用不确定性因素（试验因子）组成基本想定（探索空间）。

5）设置试验框架：通过试验设计方法确定探索空间中各关键因素的取值（水平）。可以针对实验目标的不同，采用不同的试验设计方法，如正交试验设计、均匀试验设计、单因素试验设计和全面试验试验设计，其中正交试验设计主要用于探索性分析。

6）运行交战级仿真试验：运行交战级仿真试验，确定交战级仿真检索使用模型输入条件，将使用级预测元模型嵌入到交战级仿真中，并按照性能指标体系采集试验数据。

7）潜艇装备使用试验方案设计：改变装备使用策略及探索空间中的关键因素取值，探索装备使用特性，最终得到使用试验设计方案。

3.2 开展合成试验的具体实施方法

其工作流程如图7所示。

1）设定合成试验想定内容，包括潜艇作战任务想定（以潜艇反潜任务为例），确定装备在进行相应的战术机动决策时依据的技术指标（航速、最大低噪音航速、最小低噪音航速、各作战任务下水下最大一次连续航行时间、设备组合使用噪声振动、潜艇变声时间、回转半径等），明确战场环境和兵力对象。

2）合成试验开始，启动合成试验环境生成系统，开始潜艇反潜仿真过程，将红方（防御方）初始状态信息发送至目标环境模拟器，驱动潜艇操艇系统可接受操作命令，完成潜艇操纵。试验过程中，指控系统实时将本艇状态信息发送至蓝方台（攻击方）。

3）试验过程中，导演台周期性的向目标/环境模拟器发送潜艇各探测系统获得的红方目标信息，这些信息均由合成试验环境生成系统按照战场兵力态势、海洋环境、目标状态实时计算生成，目标/环境模拟器将这些信息处理后发送至综合声纳系统显控台，操纵人员对目标进行搜索跟踪然后将目标信息发送至指控系统。

4）指控系统接收到目标信息后，指挥员可以进行对目标的攻防行为，包括接敌机动、直至发射鱼雷武器。此时鱼雷导引头开始运行。

5）发射鱼雷武器后，导演台立刻向导航参数模拟器注入合成试验环境生成系统中红方台（防御方）的实时方位信息；鱼雷导引头将实时数据信息通过数据总线发送至目标环境模拟器，本艇操纵人员根据目标信息作出相应防御机动。指控系统实时将本艇信息发送至红方台（防御方）。

6）鱼雷导引头处于线导过程的时候，潜艇不断将自身方位注入鱼雷发控仪，实时控制鱼雷导引头作出相应调整；同时鱼雷导引头不断将实时方位姿态数据发送至目标环境模拟器，直到本艇指控系统线导结束。

7）试验环境生成系统根据发射武器参数和双方态势实施描述各种武器的攻击效果包括，各类武器和水声对抗器材。

8）试验过程中，导演台实时记录试验过程，以及各类试验数据和装备的战技指标参数值。

9）试验结束后，根据试验数据评价装备的作战综合性能，同时根据各种任务下相应使用设备系统的技术指标参数，得出一整套装备不同使用条件下指标参数的柔性区间。

4 结论

基于拆分试验与合成试验的实现潜艇边界性能试验的安全控制，可以充分地利用潜艇攻防对抗试验中不确定风险因素之间继承关系的层次性去设计外场实验。按照此方法设计的试验层次进行外场试验，可以在高维的不确定空间中进行的探索，提高试验的效率。同时也降低了试验的安全风险。

[1]阎耀东,肖杰,秦佰雄. 武器装备作战试验研究[J].国防科技, 2009, 30 (5):32-36.

[2]白银生等. 声纳数据合成与环境仿真研究[J]. 系统仿真学报, 2004,16(8) : 1634-1637.