潜艇使用声抗器材防御鱼雷方案优化模型及模型求解策略
程 健,张 会
(海军潜艇学院,山东 青岛 266199)
摘 要: 建立了基于多实体有限状态机的潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算“过程仿真”模型和以此为基础的“过程仿真+方案搜索”防御方案优化模型。为降低方案优化模型的计算复杂度,设计并实现了针对“求使得过程中指标函数最小值最大方案”优化模型、提高方案优化模型求解效率的“淘汰标准即时提高、劣等方案及时淘汰”方案求解策略,并编制了单线程和多线程程序,对求解效率进行实验。实验情况表明,其可有效提高模型的求解效率。
关键词: 声抗器材;鱼雷防御;优化模型;求解策略;多线程程序
在探潜和反潜技术迅速发展的现代海战条件下,潜艇的防御行动显得越来越重要[1]。对于潜艇而言,其威胁主要来自于自导、线导等重型鱼雷以及空投、火箭助飞等轻型鱼雷。潜艇防御鱼雷一般是使用水声对抗器材结合潜艇自身的规避机动来实现的。
因此，遵循职业院校自身的教学原则，加强学生实习过程管理，建立系统、科学、可操作的质量评价体系，引导学校进行动态评价，并根据评价结果，采取有效措施加以控制，确保人才培养质量，已成为职业院校亟待解决的主要问题。
潜用水声对抗器材主要有气幕弹、噪声干扰器和声诱饵。其中,自航式声诱饵不仅能模拟潜艇的辐射噪声特性和声反射特性,还能模拟潜艇的运动特性,对鱼雷具有很大的欺骗性。使用自航式声诱饵防御声自导鱼雷已成为潜艇水下防御的主要手段之一[2-3]。潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷方案决策涉及的决策变量多,方案计算可用时间短,如何实现高效可靠的防御方案优化计算是潜艇战术决策模型设计的一个难点问题。
本文对潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷方案优化方法进行研究,目的是提供一种防御方案优化计算的思路和方法。简单起见,所编制的计算实验程序将鱼雷对潜艇和诱饵的探测范围均简化为扇面,将潜艇和诱饵的转向机动均简化为匀速圆周运动。文中所提供的方案优化方法对使用更复杂的机动和探测模型时的方案优化计算依然适用。
1 “过程仿真+方案搜索”的防御方案优化模型及存在问题
由于潜艇鱼雷防御行动的持续时间短,不能忽略潜艇和诱饵的转向过程对防御效果的影响,而对转向机动目标的搜索效果的准确判断难以用解析方法实现,故需要使用“过程仿真”模型进行鱼雷搜索和防御过程效果判定,使用“过程仿真+方案搜索”类模型进行防御方案的搜索优化。
1.1 基于多实体有限状态机的防御方案效能计算模型
潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷过程仿真,涉及潜艇、鱼雷以及诱饵三个实体,为清晰起见,选择使用多实体有限状态机表示鱼雷防御过程中各实体运动过程,建立防御方案效能计算模型如下。
1.1.1 鱼雷防御态势和防御方案表示
以效能计算过程仿真模型为基础,构建“过程仿真+方案搜索”的潜艇使用声抗器材防御鱼雷优化方案模型。方案优化模型的最优方案搜索流程如图2所示。图2中符号aerfam、aerfay1、ty1、aerfay2分别为潜艇转向角、诱饵第一次转向角、诱饵第一段直航时间、诱饵第二次转向角。Naerfam、Naerfay1、Nty1、Naerfay2分别为潜艇转向角、诱饵第一次转向角、诱饵第一段直航时间、诱饵第二次转向角搜索步数。deltaerfam、deltaerfay1、deltty1、deltaerfay2分别为潜艇转向角、诱饵第一次转向角、诱饵第一段直航时间、诱饵第二次转向角搜索步长。
其中,M 为潜艇位置点,C 为鱼雷搜索扇面,d (M ,C )为点M 到扇面C 的距离。过程安全余量定义为整个过程中安全余量的最小值。
所建立的防御方案优化模型是一种“求使得过程中指标函数最小值最大方案”的优化模型,即效能指标为某个量在过程中的最小值,例如模型中的效能指标为过程安全余量,即规避过程中潜艇到鱼雷搜索扇面的距离的最小值,而方案优化的目的是找出使得效能指标最大的方案。这类问题在战术决策软件开发过程中经常使用。为了提高“过程仿真+方案搜索”模型求解效率,借鉴整数规划提高算法效率的思想,设计一种“淘汰标准即时提高、劣等方案及时淘汰”的模型求解加速机制。
如果已经找到一个效能指标为D min0的方案,则其他的效能指标不高于D min0的方案都不可能是最优方案,而在过程安全余量仿真计算过程中,如果某时刻的安全余量小于等于D min0,则立刻可以判定该方案效能指标已不可能高于D min0,故马上就可终止该方案效能计算。最优方案搜索过程中,根据已选出的当前最佳方案,逐步提高D min0的值,也就是提高淘汰标准,从而进一步加速方案优化计算的速度。
潜艇鱼雷报警态势用鱼雷到潜艇的距离D 和鱼雷所处的潜艇舷角X 表示。潜艇的鱼雷防御方案表示为四元组(α m ,α y1 ,t y1 ,α y2 ),其中α m ,α y1 ,t y1 ,α y2 分别为潜艇转向角,诱饵的第一次转向角、第一段直航时间和第二次转向角。防御过程为:潜艇鱼雷报警后立即发射诱饵,并转向α m 角度规避,诱饵出水后首先转向α y1 ,直航t y1 ,然后转向α y2 ,然后再直航至航程终了。
使用过程仿真方法进行作战效能计算思路简单,需要注意的是，临界情况下可能发生事件遗漏(例如漏掉发现鱼雷发现诱饵事件),从而导致效能计算结果发生较大偏差。为了降低事件遗漏的可能,进行仿真计算时需要尽量减小仿真的时间步长,这样就会大幅增加过程仿真的计算复杂度。
1.1.3 基于多实体有限状态机的效能计算模型
王志荣：“三基建设”是省委安排部署党建工作的突破口和切入点。“三基工作”的重要性，省委书记骆惠宁讲得很透彻：基层组织、基础工作、基本能力是我们各项工作的脚，脚不好就站不稳、走不正、行不远。
根据潜艇、诱饵和鱼雷的运动控制逻辑,可建立潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型如图1所示。
图1 潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型
根据图1中的潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型进行过程仿真,可以实现潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算。
人耳对语音信号的相位信息不是很敏感,可以认为语音信号的相位在处理过程中不改变,因此的相位谱可用Y(m,k)的相位谱近似代替,最后对其进行傅里叶逆变换便可得到增强后的语音信号的时域表示。由此可见,在维纳滤波算法中,对G(m,k)的求解至关重要。基于最小均方误差准则,定义增益函数G(m,k)为:
1.2 “过程仿真+方案搜索”的方案优化模型
现阶段公路质量管理工作存在着诸多问题，主要包括前期的准备工作不足，没有进行合理的公路设计。给后期的公路养护和配套设施的建设造成了不便，盲目的施工给公路管理造成了一定压力。没有统一有效的管理手段，这对于整个公路工程建设是灾难性的，导致了工程建设阶段不能进行有效的管理，丧失了对工程质量的全面把控。另外施工队伍整体素质也不高，没有严格遵守公路工程建设的相关标准。导致了工程质量不稳定，管理手段的缺乏，使工程质量管理形同虚设，从而影响整个工程施工的质量。
1.3 “过程仿真+方案搜索”方案优化模型存在的问题
“过程仿真+方案搜索”方案优化模型为方案四维搜索优化与效能计算过程仿真的嵌套。除了前述过程仿真时间步长要充分小(仿真步数足够多)的要求外,为了保证所得的优化方案与最优方案实际值充分接近,方案搜索步长也要充分小(搜索的步数足够多)。如此导致“过程仿真+方案搜索”的方案优化模型计算量非常大,难以满足临场决策的需要。
图2 潜艇使用声抗器材防御鱼雷优化方案搜索流程
2 劣等方案尽早淘汰的方案优化方法
1.1.2 效能指标
求解整数规划的隐枚举法和分支定界法,核心思想都是尽早判定某些方案不可能是最优方案,从而对其不再进行进一步的搜索计算,达到减少搜索计算量、提高计算效率的目的[4-5]。借鉴这种思想设计的“淘汰标准即时提高的劣等方案及时淘汰”的模型求解加速机制基本思想如下。
使用安全余量作为效能和方案优化指标。安全余量分为瞬时安全余量和过程安全余量两种。瞬时安全余量定义为
3 计算实验
根据所设计的模型求解机制编制了模型求解程序,进行计算实验,并与普通的“效能过程仿真+方案搜索”方案程序进行计算结果和计算耗费时间比较。并在处理器多核计算环境下,采用多线程程序进行最优方案求解。简单地把第一个方案参数取值的可能空间等分为n 份,每个进程负责一个区间内的最优方案的搜索,主进程根据各进程的计算结果确定最佳方案值。
取潜艇鱼雷报警时鱼雷到目标距离为2 n mile,鱼雷所处的潜艇舷角60°,潜艇速度18 kn,转向半径0.3 n mile;诱饵速度12 kn,转向半径0.1 n mile,可用航程3 n mile;鱼雷搜索航向-93.6°(正常提前角攻击方向),鱼雷速度35 n mile,搜索扇面半角60°,鱼雷对潜艇探测距离0.8 n mile,对诱饵探测距离0.8 n mile,对诱饵识别距离0.05 n mile。每个方案参数搜索步数均为20,过程仿真时间步长1 s。计算参数设置和结果显示如图3所示,三种方法所得最优方案效能指标相同,普通方法耗时81.3 s,引入劣等方案尽快淘汰机制的单线程程序耗时27.2 s、多线程程序耗时11.6 s。实验程序在个人笔记本电脑上运行,笔记本电脑处理器为4核处理器,多线程程序为4线程程序。
实验结果表明,“淘汰标准逐步提高、劣等方案尽早淘汰”机制的引入,可有效提高“过程仿真+方案搜索”方案优化模型的求解效率。而且,这种机制可很方便地应用于多线程并行仿真和决策程序开发。
图3 “方案搜索+过程仿真”使用声抗器材防御鱼雷方案优化方法比较
4 结束语
本文建立了“过程仿真+方案搜索”的潜艇使用声抗器材防御鱼雷方案优化模型,设计实现了“淘汰标准逐步提高,劣等方案尽早淘汰”的“过程仿真+方案搜索”方案优化模型求解策略。该策略的基本思想是:设立一个淘汰标准,并在方案优化过程中不断提高该标准,尽早判定劣等方案效能指标已不可能高于淘汰标准,尽早将其淘汰,从而可大幅减少仿真计算量。
诚然，政治究竟过不过硬，不由我们自己说了算。党的十九大报告指出，一个政党，一个政权，其前途命运取决于人心向背。民心是最大的政治。人民群众反对什么、痛恨什么，我们就要防范和纠正什么。对十八大以来全面从严治党取得的卓著成效，人民群众给予了很高评价，之所以如此，追根溯源就在于我们紧紧抓住了人民群众反对和痛恨的作风问题、腐败问题不放松，下大气力、用真功夫加以解决和遏制，办成了许多大事、解决了不少难题，从而赢得了党心民心。
计算实验表明,淘汰标准初值的设置影响方案优化效率以及是否能得到最优方案计算结果,该值越高,非最优方案就能越早被淘汰,故计算效率越高,但若该值大于能搜索到的最优方案值,会导致无法得到解。实际使用时可以结合普通的“效能过程仿真+方案搜索”使用,或者事先积累对于最优方案效能指标的取值范围的经验,作为临场方案优化计算的效能指标淘汰标准值初值。
参考文献:
[1]夏佩伦,李本昌.潜用自航式声诱饵发展有关问题探讨[J].火力与指挥控制, 2012, 37(3):1-3.
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[3]李斌,王顺杰.潜艇应用自航式声诱饵防御声自导鱼雷仿真研究[J].指挥控制与仿真, 2014, 36(3): 98-103.
[4]于战科,倪明放,汪泽焱,等.整数线性规划的改进分支定界算法[J].计算机应用, 2011, 31(z2):36-38.
[5]温大伟,谢文环.求解整数规划的一种隐枚举法[J].数学教学研究,2012, 31(11):60-61.
Optimal Model and Model Solving Strategy of Submarine Torpedo Defence Using Acoustic Countermeasure Equipment
CHENG Jian, ZHANG Hui
(Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)
Abstract :A process simulation model based on multi-entity finite state machine for torpedo defense effectiveness calculation of submarine using acoustic reactance equipment and an optimization model of process "simulation+scheme search" defense scheme based on this model are established.In order to reduce the computational complexity of the scheme optimization model, a solution strategy of "eliminating standard immediately, eliminating inferior schemes in time" is designed and implemented, aiming at the optimization model of "minimizing and maximizing the index function in the process" and improving the solution efficiency of the scheme optimization model.A single-threaded and multi-threaded program is compiled to test the solution efficiency.Experiments show that it can effectively improve the solving efficiency.
Key words :acoustic reactance equipment; torpedo defence; optimal model; solution strategy; multi-threaded program
中图分类号: TJ96；E935
文献标志码: A
DOI :10.3969/j.issn.1673-3819.2019.06.009
文章编号： 1673-3819(2019)06-0048-04
收稿日期： 2019-03-24
修回日期： 2019-04-03
作者简介： 程 健(1962—),男,安徽怀宁人,高级工程师,研究方向为潜艇作战软件和水声目标识别。
张 会(1971—),女,博士,副教授。
总之，理论是指导实践活动的基础，在译者伦理的指导下，译者才能译出出色的译文。因此，商务英语教学要根据社会企业的需要，以培养出不仅能翻译好译文而且具有高尚职业道德的译者为目标，教学中必须重视学生译者伦理观的培养，使学生成为社会和企业的栋梁之才。
毫无疑问，以上的文献构成了本文的研究基础。但是他们对贸易便利化与贸易边际增长关系的研究都基于二元边际层面，并未将集约边际深入分解为数量边际和价格边际，从而不能更为全面地揭示物流绩效水平改善带来的可观的贸易带动效果。对此，本文从三元边际——扩展边际、数量边际和价格边际的角度，来分析“一带一路”物流绩效指数 （LPI）及6个分项指标对中国机械运输设备出口的影响。
(责任编辑:许韦韦)