海洋环境效应虚拟仿真实验研究型教学模式探究

唐 帅,笪良龙,张 弛

(海军潜艇学院，山东 青岛 266199)

0 引 言

随着信息技术的飞速发展，未来战争中作战样式的稳定周期越来越短，运用虚拟仿真实验[1-2]的方法研究作战日益受到主要军事强国的重视。特别是在水下作战领域，随着武器装备信息化水平的日益提高，水声探测器材的作用距离不断增加，传感器、武器、兵力行动与海洋环境条件的关系更为密切，与之相关的水下作战实验有其鲜明的特殊性，如外界不确定因素多、信息传感器交互频繁、环境依赖性强等。为此，在潜艇专业人才院校培养过程中，依托虚拟仿真实验开展研究型教学，为学员创造更多创新学习、研究训练、熟悉战场的机会，对帮助学员掌握作战科学规律、提升作战科学思维、培养作战科学行为具有重要意义，是大力推行实战化教学的重要手段。

本文针对复杂战场环境条件下高强度水下信息对抗训练需求，从潜艇专业学员实战化培养要求出发，分析海洋环境效应研究型教学对提高潜艇专业学员作战科学素养的重要作用；探讨海洋环境效应研究型教学实验室平台建设目标、分析基于高性能计算平台的信号级虚拟仿真实验室设计思路，并结合实验室关键技术实现情况及应用情况，论述实验室对潜艇专业学员海洋环境效应研究型教学组织、训练内容及应用前景。

1 潜艇作战海域背后的科学问题

为更好履行新世纪新阶段海军历史使命，海军正处在战略转型期，任务海区进一步扩展。在我周边复杂作战海域当中蕴含了一系列的科学问题。其中，较为典型的有[3]：

(1)在东海黑潮海域，发现声纳对不同方位的目标，探测距离差异明显。这一现象背后的科学问题是海洋锋中声传播的折射规律，即海洋锋具有强烈的水平温度梯度变化，对声线的传播具有强烈的反射、折射作用，严重影响声波传播路径，产生一系列的声传播奇异区，因而海洋锋对声纳的探测距离具有屏蔽阻隔作用。

(2)在台湾以东海区，声纳作用距离产生了“跳跃性”变化，近距离难以发现目标却可发现了几十海里以外的目标。这一现象背后的科学问题是深海声道中声传播的会聚规律，即在深海环境中，深海声道型声速剖面的存在，导致近距离声波迅速向海底传播，但在传播过程中不触及海底，并在远距离上产生能量聚焦，从而导致声纳直达波距离很近，但利用深海会聚区效应又可以探测远程目标。

(3)在巴士海峡以西海域，执行正常的战备训练与巡逻任务的潜艇，突然失去控制，迅速掉深，造成舱室进水。这一现象背后的科学问题是海洋内波现象，即海水在受外力扰动后，在海水内部产生波动，其最大振幅发生在海洋内部，海洋内波的存在，破坏了海水的等密度面，导致潜艇浮力突然变小，潜艇平衡状态被打破，在海流和密度变化的共同作用下，导致了潜艇突然下沉，若不及时采取适当措施，就可能酿成事故。

2 潜艇专业学员海洋环境效应研究型教学需求

邓尼茨曾说过“指挥是一门艺术，是指挥员在战场上的创造性发挥”。一名优秀的潜艇指挥人才必须具有创新指挥能力，要善于创造性地运用传统的战法，善于运用新手段创造新战法，善于针对不同作战实际创新战法。然而，创新指挥能力并不是与生俱来，在面对不同环境和条件下，为什么有的人能够快速获得正确的符合本质和规律的认识，而有的人认识却出现误区、偏差甚至错误？潜艇指挥员科学素养的个体差异是制约创新指挥的重要原因。为此，科学素养是培养适应信息化作战创新指挥人才的重要前提。研究型教学是将与作战相关的科学问题融入到课堂教学中的一种教学组织模式,将帮助潜艇专业学员体会、认知和掌握作战问题背后科学规律，逐步提升实战化军事能力[4-5]，是推动实战化教学的有效抓手和引擎，是大力推行实战化教学不可缺少的重要环节。

(1)掌握作战科学规律是研究型教学基本目的。研究型教学是依据敌情、我情和海情，进一步认清作战背后的科学问题的针对性教学方式。例如针对海区影响作战的水声环境科学问题开展系统性的研究型教学，研究一系列与作战密切相关的海洋环境科学规律，研究潜艇和武器装备与海洋环境的“最佳匹配”和最优战术使用方法。通过研究型教学，学员能够深入掌握作战兵力所处任务海域作战基本科学规律，并逐步培养科学作战思维和科学行为。

(2)提升作战科学思维是研究型教学核心要求。研究型教学是潜艇专业学员在掌握科学分析方法基础上，进一步提升作战科学思维的教学方式。例如，结合某次演习成果开展教学，学员根据任务背景，深入剖析作战切入点，并从实战出发，逐步细化训练内容，并采用虚拟仿真平台开展作战设计、作战推演和作战评估，分析不同因素对作战训练的影响，培养学员利用仿真推演研究作战理念，优化实兵对抗方案，并与实际海上实兵训练数据进行分析比对，培养学员发现问题、分析问题、解决问题的能力。通过研究型教学，学员将逐步建立以“发现作战问题—引发作战思考—探究科学规律—组织训练验证—发现新问题”为主线的作战思维模式，是对科学规律认知的进一步深化，是养成良好的作战科学行为的重要前提。

(3)培养作战科学行为是研究型教学最终目标。研究型教学是聚焦重难点问题而开展的,是着眼潜艇专业学员长期科学训练养成、战法创新的教学方式。例如，通过开展未来任务海区环境效应研究型教学，潜艇专业学员将针对任务海区环境特点，合理选择航路、设置阵地、探测目标、占位攻击。可见，通过研究型训练，将潜移默化地培养学员的作战科学行为，将对作战科学规律的理解、思考、应用贯穿于作战全过程，形成作战“条件反射”，正如狙击手射击前首先会选择掩体一样，环境应用应形成本能，而非技能。

3 海洋环境效应虚拟仿真系统设计与实现

3.1 设计思路

针对潜艇专业学员海洋环境效应研究型教学需求，构建高逼真度的“人工战场”是战争在实验室打响的首要条件，即在大型数据库的支撑下，构建符合信号级作战实验需要的海洋环境预报、信道传输、目标特性、兵力交战等仿真模型体系，如图1所示，为海洋环境效应虚拟仿真提供基础条件，同时还必须满足交战仿真实时性要求，设计实现难度极大，主要设计理念为：

(1)作战海域范围广、环境复杂多变，要实现精细化的信道环境仿真，需要建立具有良好海区适应性、精确性和实时性的信号波形预报模型，特别是应具备对海洋水平非均匀环境的精确化仿真。

(2)实际仿真中，需要将多平台、多传感器、多武器置于统一的时空条件下，不仅要解决环境与传感器、武器的耦合问题，还要解决交战级仿真与信号级仿真不同时空粒度及其时空耦合问题。

(3)信号级水下作战实验需要对水下信息对抗的全流程实现信号级仿真，即从水下信息对抗的信号产生、传输、交互、获取、信号处理等全过程均与实际作战一致，其仿真时间粒度为秒级，而且涉及跨平台、跨系统、跨学科，必须依托作战并行仿真技术[6]实现，同时为了提高系统的高可用性、灵活性和易扩展性，并降低建设成本，必须实现基于高性能计算平台的信号级并行仿真计算。

图1 “人工海洋”仿真模型体系

3.2 设计实现

信号级海洋环境虚拟仿真[7-10]是以水中目标信号特征及其在海洋信道中传输为建模基础，运用信号处理技术再现武器装备探测和对抗过程中的信号交互过程，利用超算技术和系统分析、效能评估等方法，在人为控制条件下，考察水下作战进程和结局，认识水下作战规律的科学实验活动。其核心思想是从信息的原始形式——信号波形中捕捉复杂战场环境对传感器、武器、平台的影响，将各要素置于统一的时空和战场环境背景条件下，构造全平台、全系统、全要素、高逼真的虚拟作战环境和体系化信号级仿真实验能力，完整再现水下信息传输、探测和对抗的全过程，为海洋环境效应虚拟仿真研究型教学提供科学基础。实验室整体结构如图2所示。

(1)高性能计算平台。高性能计算平台是提高实验室研究水平和能力的重要基础设施，采用了性能价格比高，且具有良好可扩展性的曙光刀片式并行机群解决方案，借助远程管理功能实现虚拟的现场控制与管理，面向不同层次的应用问题和用户，提供远程作业提交，机群状态查询、机群故障远程会商系统等功能，从而有效地利用机群的计算能力，主要完成复杂水声传播、声纳探测效能的高性能并行仿真计算；完成作战应用级、模型级仿真与验证。

图2 实验室整体结构图

(2)水中目标和环境信息数据库平台。数据库平台建立海洋环境信息数据库、模型库和应用产品库。该平台数据库软件系统拟采用Oracle数据库系统，利用数据仓库(Data Warehouse)理论和设计方法，对海洋环境数据、模型和应用产品进行统一存储和管理，为用户提供基础数据、数据产品和应用产品数据等分层的多级应用，在保证数据库安全稳定运行的同时，为数据库存储信息的交互共享、高效管理提供了保障。

(3)信号级声纳系统仿真平台。该平台主要功能包括信号源波形及其传输特性仿真，信号场和背景场仿真，声纳信号处理并行算法，采用共享内存与分布式存储相结合的体系结构[11-12]，基于MPI+OpenMP混合并行编程模型，实现基于高性能计算平台的信号级仿真，为海洋环境虚拟仿真实验室提供传感器级环境效应评估功能。

(4)可视化作战应用研究平台。可视化作战应用研究平台是实验室重要的开放式海洋环境效应虚拟仿真研究和人机交互接口平台之一，该平台以基于高层体系结构(HLA)[13]的分布式兵力仿真技术和水下战场环境三维可视化表达技术[14]为软件平台基础，建立了兵力交战级仿真系统和水下战场环境可视化显示系统，实现人在回路的兵力交战级仿真以及水下战场环境的三维可视化表达，可进一步提高学员对水下作战空间的分析能力和决策水平。

4 海洋环境效应虚拟仿真实验室研究型教学

4.1 研究型教学主要特点

实战化军事训练是强军战略布局的重要支撑，是从实战需要出发从难从严进行训练，是军事训练的基本要求，是推进训练与实战达到一体化的重要保证。军事院校为提高学员实战化意识，教学中必须强化学员敌情、我情、海情分析能力，依托实验室高新技术成果集成[15]，持续推进教学创新，进一步提高实战化军事训练的综合保障效益。研究型教学作为推动实战化教学不可逾越的重要环节，应贯穿实战化教学的全过程。主要具备以下几个特点：

(1)科学性。以科学为导向，理论联系实际。

(2)规律性。透过现象看本质，以不变应万变。

(3)创新性。科学技术、战术相融合，激励战法创新。

(4)全域性。贯穿于实战化教学全过程，提高教学水平。

4.2 研究型教学组训模式

研究型教学组训模式是实现研究型教学目标的根本途径，在研究型教学过程中起着联结其他要素的纽带作用，是实战化教学体系的重要组成部分。研究型教学模式，坚持自上而下的顶层设计与自下而上的逐层落实相结合，遵循由简到繁，由分到合、由低到高的原则，区分不同教学对象，重点加强单装、专项和综合研究型教学。

(1)单装研究型教学。单装研究型教学是以单一传感器或武器平台训练入手，深挖武器装备潜能，破解单装教学向实战化靠拢难题的研究型教学。该模式依托海洋环境效应虚拟仿真实验室各声纳装备仿真系统，积极构设各种复杂条件和战场环境，突出环境运用、细化单装平台教学问题。如综合声纳负跃层环境优化深度探测效能训练；无引导条件下，拖曳声纳搜索效能研究等。

(2)专项研究型教学。专项研究型教学是以专项课题为牵引，对特定海域、特定平台，开展专攻精练，解决潜艇作战重点问题的研究型教学。该模式以战术训练为轴线，熔技术、战术科目于一炉，依托海洋环境效应虚拟仿真实验室声纳装备及兵力仿真系统，突破单平台作战重、难点教学问题。如“深海会聚区效应对潜艇探测能力影响分析”“海洋锋对潜艇声纳探测能力影响分析”等。

(3)综合研究型教学。综合研究型教学是以综合演练等大型教学任务为牵引，开展贴近实战背景，侧重联考联训，采取对抗方式依托海洋环境效应虚拟仿真实验室全要素全过程的研究型教学。该模式以联合作战训练为主线，强化教战一致，侧重统筹谋划，推进联合教学有效落实问题。如“多舰机协同配合搜攻潜科目教学”“舰机应召体系反潜科目教学”等。

4.3 研究型教学几点思考

(1)研究型教学必须在一定战术背景下展开。研究型教学是推进教学与实战一体化的必要过渡，必须要提高教学起点，突出实战背景，充分利用信号级仿真实验室海洋环境效应精细化仿真能力，使研究型教学从内容到形式更加贴近实战。

(2)研究型教学不能流于表面，要入木三分。研究型教学必须摒弃急功近利、投机取巧的思想，防止研究仅停留在对概念的理解，要一个问题一个问题解决，杜绝形式主义、浅尝辄止，充分发挥虚拟仿真的可再现性，组织学员针对某一课题，反复研讨、相互比对，实事求是、求真务实。

(3)研究型教学应构建部队-院校一体化教学合作机制，实现科学组训、智力促学。研究型教学应充分发挥院校及作战实验室作用，实现部队和院校智力资源、技术资源和教学训练资源的有机融合，依靠先进技术降低教学成本，提高教学效果。

5 结 语

高素质的海军舰艇指挥人才是未来信息化战争制胜的法宝，潜艇指挥员的科学素养是其提高复杂环境条件下信息化作战能力根本因素，是潜艇部队“能打仗、打胜仗”的客观要求。为提升潜艇专业学员的科学素养、加快实战化训练战斗力生成，军事院校应充分利用实验室虚拟仿真资源，为培养水下信息化作战人才提供技术手段和平台保障，推进现代信息技术与水下作战环境实验教学的深度融合，深度实践研究型教学，帮助学员体会、认知和掌握作战问题背后科学规律，打好科学作战基础，提升实战化教学针对性和教学效益，提高院校实战化教学训练能力。