基于 EVM的水面舰艇编队反潜系统研究

任冠楠

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100036)

摘要 ：针对网络中心战条件下的水面舰艇编队反潜武器系统，介绍了国内外编队反潜的发展阶段和研究现状，对编队反潜武器系统的网络化进行研究。对嵌入式虚拟机-EVM技术在编队反潜武器系统的网络化设计中的应用进行初步探究，结果证明：基于EVM的编队反潜系统的网络化可以显著提高编队反潜网络的工作可靠程度。

关键词 ：EVM；网络化；编队反潜

由于潜艇发射的鱼雷威力之大、破坏性之强，因此，水下的威胁比空中的威胁还要严重。同时，随着高新技术在潜艇装备上的应用，使得水面舰艇对潜艇的探测更加困难，单一平台已经无法有效遂行反潜任务，水面舰艇编队网络一体化反潜集水面舰艇反潜、航空反潜优势于一体，是现代反潜主要的、行之有效的反潜方式。舰艇编队反潜系统是一个大系统，涵盖海空天电各个领域，它的综合作战效能不仅仅是编队中各个平台反潜效能的简单相加，而是充分利用编队平台的资源相互配合，将编队反潜作战效能充分发挥。编队中作战平台之间的“联络”成为编队信息共享、跨平台指挥控制的基础，联络一旦中断，编队中的作战平台都将成为海上孤城，失去和其他平台之间的联系，也就彻底失去了编队作战的概念。

目前，国内已有业内人士提出了水面舰艇编队网络一体化反潜的组织架构，并对这种体系结构如何提升编队反潜能力进行研究。文献中利用可靠度模型对网络化条件下舰艇编队跨平台武器通道组织的可靠性进行分析，证明了在网络中心战条件下舰艇编队武器系统的可靠度有了大幅度提升；文献中侧重于实现反舰作战网络的静态结构优化，对于作战过程中网络结构的动态变化缺乏考虑。面对现在的可能爆发的海战，一定是体系之间的对抗，所以海军装备所处的战场环境一定非常恶劣，只对网络进行静态结构的优化是不够的，有必要对编队网络结构进行动态优化。文献中建立了舰艇编队的基于平台的可靠性模型和基于网络的可靠性模型，总结出了在编队中某个平台的子系统发生故障时，舰艇上剩余的子系统可与其他舰艇上面的该类子系统组成完整的射击通道，继续作战，直至编队中所有平台的子系统无法构成射击通道，则编队作战能力丧失。可见，编队协同作战可靠性的提升本质上在于资源充分利用和系统具有重构能力。

基于以上现状，笔者提出一种“基于嵌入式虚拟机的无线控制网络”策略，并运用于水面舰艇编队反潜网络中。该策略可以实现对反潜任务的实时分配，并在反潜网络中节点的拓扑环境发生变化的情况下，对网络中的节点的任务进行动态调整，从而保证编队反潜任务的可靠执行，使得反潜作战的跨平台指挥控制变得更加可靠，反潜效果更加显著。

1 编队反潜系统组成

编队反潜系统属于编队作战系统管理下的一个子系统，主要任务是统筹编队中各个平台的信息及武器资源，组织各平台之间进行协同搜潜、反潜。对编队中的各个平台传感器搜集到的水下目标信息进行综合处理，并对敌我态势实时显示，在必要时刻，组织反潜武器通道展开对水下目标的有效打击，确保编队水下安全。据查，目前编队反潜系统的组成框架如图1所示：

图1 编队反潜系统的组成框架图
Fig.1 Composition framework of formation antisubmarine system

由图可知，编队反潜武器系统是一个抽象概念，它涵盖了水面舰艇编队中所有平台的反潜武器系统。编队反潜作战指挥系统作为编队反潜武器系统的最高指挥官，一般会部署在编队中充当“旗舰”角色的舰艇上面，该舰艇一般拥有相对于其他舰艇更加强大的信息处理、作战指挥能力。可以对来自编队其他平台的信息进行处理，对空中、水面、水下的目标态势实时显示，编队反潜武器系统在必要时刻可以指挥编队中的平台执行反潜作战任务。

司法鉴定的结果，杨小水一切正常。苏楠并没有多意外。吃过饭，苏楠给小周打电话，让她跟看守所预约好周一会见的时间。

图2 编队反潜网络抽象图
Fig.2 Formation anti-submarine network abstraction diagram

第二，根据某种特定的机制，将以上建立的控制模型转化为与平台无关的代码。

2 EVM简介及运行机制

2.1 EVM简介

虚拟任务分配器：主要用于虚拟任务的分配和在任务分配时执行一些调度分析。

在以上给定的任务移植机制和逻辑的前提下，现在描述在各种可预测的、不可预测的环境下主备节点之间的关系。更确切地说，就是考虑怎样去触发任务移植，在移植之前必须对节点和网络的调度进行分析。为了在无线网络控制系统中阐述这个问题，必须考虑a.自适应机制。b.运行任务重新分配到物理节点的逻辑。c.容错机制。在EVM中，集中在前两个方面并且将前两点运用到由不是错综复杂的简单节点和链路故障构成的简单的网络模型。

EVM(Embedded Virtual Machine)为网络集中控制提供了软件支持，将反潜任务作为一个虚拟部件分配到一组网络节点中，而不是将任务在设计时直接静态地映射到一个固定的节点中。EVM框架为虚拟部件内部的控制、数据和通信定义了明确的机制。EVM逻辑允许网络控制逻辑在拓扑发生变化的情况下，可以在不是太可靠的网络上无缝运行。我们的方式就是将反潜任务从固有的不可靠的物理节点上解耦，并且允许任务移植/适应拓扑的变化。

2.2 EVM框架

以节点为单位的EVM框架由：虚拟部件解释器、虚拟部件管理器、故障管理器、虚拟任务和本地任务组成，虚拟部件管理器又包括：网络管理器、虚拟任务分配器。

当时以长三角和珠三角地域为代表的外资企业和乡镇企业发展很快，两方面夹击之下，国有企业步履维艰，非常困难。产品能不能卖出去，决定着企业的生死存亡，当时很多的国有企业都难过那一道关，就被淘汰掉。

网络管理器：利用网络管理器提供的无线接口，可以接收其他无线节点传来的消息。

EVM-嵌入式虚拟机，是一门伴随着工业无线网络的发展而出现的一门新兴技术。在国外，有些研究人员已经将EVM技术应用于工业控制现场，取得了一定的经济效益；而在国内，还没有见到相关文章的公开发表。可见，对EVM技术进行研究是很有意义的。

2.3 任务分配机制

第三，再将以上得到的与平台无关的代码转化为与平台有关的二进制文件，利用分配与调度策略，将以上生成的二进制代码分发到具体的一组物理节点上。

再次，缺乏数据共享平台。数据共享平台是政府数据开放及应用的基础，也是必然途径，而目前数据共享平台建设并不合理，有些地方政府甚至不具备数据共享平台，而有些地区政府虽然建立数据共享平台，然而缺乏科学性及合理性，未能够使其作用得以发挥，从而使数据开放及应用受到不良影响。

2.4 任务运行机制

EVM技术目的在于允许控制工程师在没有底层网络协议、特定节点操作系统和硬件平台知识的情况下，可以将同样的网络控制逻辑用于无线网络。在每个虚拟部件中工作的虚拟机会利用虚拟部件对变化进行适应和重组，同时确保控制逻辑在其稳定约束之内。

2.5 EVM设计流

第一，首先，对需要设计的反潜控制系统进行建模，用simulink建模工具建立控制问题的模型。

以上的编队探测节点、编队指挥节点、编队武器节点是对编队反潜网络的高度抽象。第一，对于编队探测节点包括了由海上平台、空中平台携带的所有探测器材，舰载声呐、航空吊放声呐、浮标。第二，编队指挥节点，是对编队中作战指挥系统的高度抽象，在该节点的顶层运行着：接收任务、威胁评估任务、态势分析、制定作战方案任务、打击通道组织任务、发送任务。可以根据节点的处理性能对任务进行调整，将所有的任务集中在一个节点上面运行，或者将任务分散到单独的处理节点上面，但是这些节点共同组成一个VC单元。第三，编队武器节点，是对编队中武器系统的抽象，在该节点的顶层运行着：接收任务、诸元结算任务、发射控制任务、发送任务。武器节点的反潜武器分为：助飞鱼雷、管装鱼雷、火箭深弹、航空反潜武器。

任务分发机制决定了初始虚拟任务执行的分配以及如何在无线节点间通信和计算调度。在EVM中把虚拟任务分配问题的方程当作一个二进制线性优化问题，可利用著名的分支和约束的算法解决这个问题。

虚拟部件解释器主要作为定义和执行虚拟任务的一个接口。

图3 EVM设计流
Fig.3 EVM design flow

3 基于EVM的编队反潜系统网络

舰艇编队作战能力的充分发挥关键在于充分利用编队内部各个平台上的信息及武器系统资源，前提是即使在战场环境极其恶劣的情况下，编队中的某条链路(比如，一条完整的对潜打击链路，可能需要编队内部多个平台的参与。一条完整的反潜通道包括：对潜探测、威胁评估、组织武器通道、发射反潜武器)出现故障，仍要保证编队内部反潜任务的顺利执行，直至编队内部的所有平台无法构造出一条完整的对潜打击链路。

74 Expression of SOCS1 and SHP1 in JAK2V617F mutation positive myeloproliferative neoplasms and regulation effect of ruxolitinib

设想：在编队中的所有平台上面，均分布有大量的运行着EVM的无线节点，这些节点上面运行着探测任务、指挥控制任务、武器发射任务，对于探测任务则运行于控制反潜探测器材的控制器的顶层，对于武器发射任务则控制着反潜武器的发射过程，而对于处于中间的指挥任务节点则会对来自探测节点的目标数据进行处理，并将处理结果最终生成对潜打击指令，通过无线网络传递到武器发射节点上，最终由发射节点发射武器实施对潜攻击，探测节点同时对打击目标进行实时监测，评估打击效果，上报给指挥控制节点，由指挥控制节点做出决定是否再次进行打击目标。

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在以上任务节点执行的同时，它们的备选节点也在运行，只是主节点对备选节点的运行状态无法得到，备选节点可以实时监控主节点的运行状态，在其对应的任务主节点出现故障时，备选节点就会自动接替主节点执行任务。此外，由于海战场恶劣环境造成节点之间的通信链路质量下降甚至中断的情况下，可以自动规划无线路由信道，对无线网络拓扑结构进行动态调整，保证任务可靠执行。实现控制任务运行的无缝连接、可靠运行。

图4 EVM结构框图
Fig.4 EVM block diagram

编队反潜进程控制规则：我们考虑一个正在由三个平台协同完成的反潜作战任务正常进行，当其中的任意环节出现故障(包括：节点故障、平台之间或者平台内部节点的链路质量严重下降)，EVM的优势就会发挥作用，监测无线拓扑结构的状态，进行动态优化；在以上三个平台由于环境限制无法构成反潜作战通道(平台之间链路中断、平台内部节点资源耗尽)，其他的平台节点会自动融入之前中断的反潜作战通道，保证反潜作战的继续执行。直到编队中所有平台的反潜相关节点无法组成一条完整的打击通道，反潜任务彻底失败，但是这种状况出现的概率很低。

4 结语

本文的工作主要是将EVM这一新兴技术运用于编队反潜网络中进行初步探究，对EVM提高编队反潜网络拓扑的稳定性和可靠性进行阐述，以期可以得到业内同人的关注。

夏天挂了电话，叶晓晓从沙发上站起来。也许不是什么事情都可以沟通的，但我们可以去试一下，不试试怎么知道行不行呢？这是夏天说过的。也许老天爷没有给他双眼，所以特地给了他一颗善感而明澈的心。

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Antisubmarine system of surface vessel formation based on EVM

REN Guan-nan

(China Shipbuilding Industry Systems Engineering Research Institute, Beijing 100036, China)

Abstract : In view of the surface warship formation anti-submarine weapon system under the condition of network centric warfare, this paper introduces the development stages and research status of formation anti-submarine weapon system at home and abroad, and studies the networking of formation anti-submarine weapon system. The application of embedded virtual machine-EVM technology in networked design of formation anti-submarine weapon system is preliminarily explored. The results show that networked formation anti-submarine system based on EVM can significantly improve the reliability of formation anti-submarine network.

Key words : EVM; Networking; Formation anti-submarine

中图分类号 ：E925.4

文献标志码： A

文章编号： 1674-8646(2019)02-0035-03

收稿日期 ：2018-11-02

作者简介 ：任冠楠(1979-)，男，本科，工程师。

标签：EVM论文;  网络化论文;  编队反潜论文;  中国船舶工业系统工程研究院论文;