CN114139357A - 针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统和方法 - Google Patents

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CN114139357A CN202111389633.2A CN202111389633A CN114139357A CN 114139357 A CN114139357 A CN 114139357A CN 202111389633 A CN202111389633 A CN 202111389633A CN 114139357 A CN114139357 A CN 114139357A
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Abstract

本发明公开了一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统和方法，其具体包括输入单元、仿真运行单元和输出单元，其中输入单元包括想定编辑子系统和行动制定子系统，想定编辑子系统用于编辑仿真推演过程中所涉及的遇险搜救任务要素的基本信息和遇险搜救任务想定信息；行动制定子系统用于根据已编辑的遇险搜救任务想定信息，完成遇险搜救行动方案的制定；仿真运行单元包括仿真推演子系统和动态监控子系统，输出单元包括数据显示子系统、数据预处理子系统和综合评估子系统。本发明方法的具体步骤包括想定准备、想定提炼、仿真实验和数据分析。本发明能客观地为实际搜救任务提供决策支持，可有效提高搜救成功率和搜救效率，最大限度争取有效的搜救时间。

Description

针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统和方法
技术领域
本发明涉及遇险搜救技术领域，尤其涉及一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统和方法。
背景技术
我国是拥有辽阔的海洋和陆上面积，每年的陆上或水上交通事故也是层出不穷，造成的人员伤亡和经济损失巨大，再加上我国每年搜救任务繁重，消耗大量时间和人力。尤其是面对广阔的海洋、森林或高原等人烟稀少的地区，仅仅依靠船舶或飞机等单一手段进行搜救难以达到理想的辖区搜寻率和效率。例如，对于海面遇险船只的人员搜救工作，传统方法使用飞机或者船只前往出事海域进行搜救，使用人工对可疑区域内进行观察，这种方法对人力需求较高，并且会因为观察人员的疲劳而产生漏判。无人机或无人艇在单独巡航搜救时，巡航搜救的范围小，效率低不能很好地达到高效巡航的目的。在多种搜救手段联合使用时，如何对多种手段与人工控制密切协同，形成高效可行的搜救方案，是目前需要解决的问题。
发明内容
针对在多种搜救手段联合使用时，如何对多种手段与人工控制密切协同，形成高效可行的搜救方案的问题，本发明公开了一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其具体包括输入单元、仿真运行单元和输出单元，输入单元和仿真运行单元相连接，仿真运行单元和输出单元相连接，其中输入单元包括想定编辑子系统和行动制定子系统，想定编辑子系统用于编辑仿真推演过程中所涉及的遇险搜救任务要素的基本信息和遇险搜救任务想定信息，遇险搜救任务要素的基本信息具体包括搜救方想定、待救目标想定、敌方想定和搜救环境，搜救方想定包括搜救装备类型、装备数量、装备性能和初始位置，待救目标想定包括待救目标位置、剩余生命、躲避敌方能力和最大移动速度，敌方想定包括敌方火力数量、敌方火力位置、移动速度和探测范围，搜救环境包括搜救地形、水文信息、气候和天气信息。
行动制定子系统用于根据已编辑的遇险搜救任务想定信息，根据遇险人员规模、敌方火力分布和威胁等级，选择相应的搜救装备组成，制定遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，完成遇险搜救行动方案的制定。
所述的遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，具体包括救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，以及救援直升机的的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线；
所述的救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援护航机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜救状态、掩护状态和护航状态；救援护航机抵达预定救援位置之后进入搜索状态，进入搜索状态后以特定搜索方式进行搜索，救援护航机的传感器在其扫掠宽度内获得待救援人员位置信息或接收到目标通讯信息，则判定为搜索成功，并向搜救指挥端发送待救援人员位置信息，救援护航机发送待救援人员位置信息后进入掩护状态；在掩护状态中，救援护航机以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测，对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在空中盘旋时接收到其他单位发送的攻击警告，则前往进行打击；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标，攻击警告优先度为待救援人员攻击警告优于救援直升机攻击警告，救援直升机攻击警告优于其探测到目标攻击的攻击警告；若救援直升机完成对待救援人员的救助，则救援护航机进入护航状态，以特定线路对救援直升机进行伴飞，并对敌方地面火力进行探测，并对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新进行伴飞，并继续对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断后，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标,该阶段的攻击警告优先度排序为，救援直升机攻击警告优先度高于救援护航机探测到目标攻击的攻击警告优先度。
所述的救援直升机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援直升机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜索状态和救援状态；在搜索状态中，救援直升机在基地等待遇险人员搜救任务，若救援直升机接到遇险人员搜救任务，并在遇险人员位置已知的情况下，从基地出发飞往救援位置；当救援直升机与遇险人员的距离D满足0＜D≤10km时，救援直升机的搜救装备采用目视探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pv为：
Figure BDA0003368292140000031
其中，H为搜救装备的高度,v为救援直升机的飞行速度,B为搜救装备的扫视宽度,Rv为执行遇险人员搜救任务时的能见度，Sm为遇险人员分布面积。
当救援直升机与遇险人员的距离D满足10km＜D≤75km时，救援直升机的搜救装备采用红外探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pi为：
Figure BDA0003368292140000032
其中，SNRd为搜救装备的初始阈值信噪比，SNR是在执行遇险人员搜救任务时搜救装备所处环境的阈值信噪比，T为遇险人员温度，T0为遇险人员所处环境的温度，P0为搜救装备的理想探测概率，ne表示遇险人员作为红外目标时的条带数。
当救援直升机与遇险人员的距离D满足75km＜D≤150km时，救援直升机的搜救装备采用雷达探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的雷达探测概率Pr为：
Figure BDA0003368292140000033
其中，K为搜救装备采用雷达探测方式时的技术完善性指标，D0为搜救装备采用雷达探测方式时的最大探测距离。
救援直升机到达救援位置后，进入救援状态，以预定的搜索方式进行搜索；若搜索到遇险人员，则救起遇险人员并返回基地；若未搜索到遇险人员，则继续搜索遇险人员，如果到达一定时间还未搜到遇险人员，则返回基地。在救援状态中，当救援直升机与遇险人员的距离小于某个值时，认为救援直升机搜到遇险人员，救援直升机前往遇险人员位置，根据遇险人员位置的地理形式和周边环境采取相应的救援方式；救援直升机根据遇险人员的伤情采用相应的应急救援方式，待遇险人员伤情稳定后将遇险人员送往预定的后送医院。
仿真运行单元包括仿真推演子系统和动态监控子系统，仿真推演子系统用于提供行动方案的仿真推演环境，以检查遇险搜救行动方案能否驱动仿真推演的执行并输出评估指标的原始数据，该子系统包括仿真初始设置模块、仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块，仿真初始设置模块与仿真进程控制模块相连接，仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块相连接，仿真初始设置模块用于设置初始的仿真参数,仿真进程控制模块用于根据输入的任务想定数据实现单次可控的仿真推演，且能够实现实时和超实时仿真，仿真模型驱动模块包括装备探测模型、救援直升机油耗模型、武器毁伤模型、敌方火力分布模型、敌方火力攻击模型和装备生存概率模型。动态监控子系统用于实时监控待救目标的状态、遇险人员搜救任务的进程以及敌方火力的动态，其包括人员状态监控模块、装备状态监控模块和敌方动态监控模块。在该仿真试验系统中，当仿真时间τ与实际任务时间T的比值τ/T＝1时，为实时仿真，当τ/T＜1时，为超实时仿真。
所述的装备生存概率模型，其对装备生存概率PS的计算过程为：
当
Figure BDA0003368292140000041
时，
Figure BDA0003368292140000042
当
Figure BDA0003368292140000043
时，
Figure BDA0003368292140000044
其中，r为敌方火力的攻击半径，h为搜救装备的高度，R1为救援直升机对地面目标进行攻击的可攻击区的最大宽度；PS为救援直升机的生存概率，PD为救援直升机对地面目标的毁伤概率，
Figure BDA0003368292140000051
为救援直升机未携带武器时的生存概率，与救援直升机在威胁区域内停留的时间和敌方火力探测时间有关；
Figure BDA0003368292140000052
为救援直升机未携带武器在经过敌方火力攻击范围边界和经过空间打击范围和地面打击范围交界处之间的时间范围内的生存概率；
Figure BDA0003368292140000053
为救援直升机未携带武器在经过空间打击范围和地面打击范围交界处和离开地面打击范围之间的时间范围内的生存概率。
输出单元包括数据显示子系统、数据预处理子系统和综合评估子系统，数据显示子系统用于实现仿真过程数据和评估指标原始数据的可视化，其包括行动方案执行可视化模块和评估指标数据可视化模块。数据预处理子系统用于对评估指标原始数据进行处理，以得到满足遇险搜救行动方案评估要求的评估数据，数据预处理子系统将所有评估指标原始数据输入数据预处理子系统的神经网络中，利用迭代公式
Figure BDA0003368292140000054
得到满足要求的评估数据，x(n)为第n次迭代得到的评估指标数据，λ为正则化参数，J()为关于评估指标数据的代价函数，
Figure BDA0003368292140000055
为代价函数的梯度下降率。数据预处理子系统包括数据抽取模块、数据清洗模块和数据转换模块，数据抽取模块与数据清洗模块相连接，数据清洗模块和数据转换模块相连接。
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，对遇险搜救行动方案进行综合评估，综合评估子系统包括评估过程控制模块、效应指数计算模块和评估结果分析模块，评估过程控制模块和效应指数计算模块均与评估结果分析模块相连接。评估过程控制模块用于对评估方法中的关键步骤进行启用或跳过控制，效应指数计算模块用于计算评估方法中的各评估指标的效应指数，并将其作为相应指标的权重，评估结果分析模块通过将评估数据和效应指数进行综合计算，得到遇险搜救行动方案的综合评估结果。
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，其具体过程包括，将航空装备的人员搜救体系贡献度定义为：将待评估装备或装备性能纳入到人员搜救体系后，人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力相对于不包含待评估装备或装备性能改变前的搜救效能或能力的变化程度；航空装备的人员搜救体系指标包括任务完成能力、执行行动能力、打击敌方能力、躲避敌方能力、抵御攻击能力和搜救任务成本六个分能力指标，每个分能力指标包含若干个航空装备的性能指标；在对航空装备的人员搜救体系贡献度进行评估时，先计算加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值，加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000061
其中，
Figure BDA0003368292140000062
为加入待评估装备ei或待评估装备ei性能变化后，航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的变化率，即对第j个分能力指标Sj的贡献度，i表示待评估装备序号，
Figure BDA0003368292140000063
为未加入待评估装备或装备性能变化前的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值，
Figure BDA0003368292140000064
为加入待评估装备ei后或待评估装备ei性能变化后的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值；再采用幂指数法得到人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力的变化值，即航空装备的人员搜救体系贡献度，航空装备的人员搜救体系贡献度的计算公式为:
Figure BDA0003368292140000065
conSoS为航空装备的人员搜救体系贡献度，wj为航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的权重值。
所述的航空装备的人员搜救体系指标的分能力指标的权重值的计算，其具体步骤包括：
利用Sobol序列对该分能力指标所包含的航空装备的性能指标进行抽样，得到N×2n维抽样矩阵，n为该分能力指标所包含的航空装备的性能指标的个数，N为性能指标的采样值数量，将矩阵前n列设置为矩阵A，后n列设置为矩阵B，其表达式分别为：
Figure BDA0003368292140000071
其中，xij为利用传感器获得的航空装备的第j个性能指标的第i个采样值，x′ij为对航空装备的第j个性能指标利用Sobol序列进行抽样得到的第i个采样值，将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，所得的矩阵记为Mi，将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，所得的矩阵记为M-i，Mi,j为将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，再将矩阵B的第j列换成矩阵A的第j列所得到的矩阵，M-i,-j为将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，再将矩阵A的第j列换成矩阵B的第j列所得到的矩阵；
用Y表示平方可积的方差分解函数，Y＝f(X)，其中X＝[x1,x2,…,xi,…,xn]，i＝1,2,…n，X为航空装备的性能指标集合，xi为航空装备的第i个性能指标，利用方差分解方法将f(X)其分解为：
Figure BDA0003368292140000072
其中，fi,j(xi,xj)表示f(X)关于航空装备的第i个指标和第j个指标的分解函数，f0表示f(X)的修正函数；用总方差V(Y)表示函数Y的所有输入变量对该函数输出的影响，V(Y)的表达式为：
Figure BDA0003368292140000073
当航空装备的第i个性能指标xi取值确定的前提下，Y的条件方差为V(Y|xi)，V(Y)和V(Y|xi)的差异反映了航空装备的第i个性能指标xi对Y的影响；在xi变化范围内对条件方差V(Y|xi)取均值，得到：
Figure BDA0003368292140000081
航空装备的第i个性能指标xi的主效应指数
Figure BDA0003368292140000082
的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000083
航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj的二阶交互效应指数
Figure BDA0003368292140000084
的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000085
其中，
Figure BDA0003368292140000086
表示航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj取值确定的前提下Y的条件方差；
对同一分能力下的每两个性能指标的二阶交互效应指数进行求和，得到该分能力指标的权重值w，
Figure BDA0003368292140000087
对每个分能力指标进行上述过程，计算得到每个分能力指标的权重值。
本发明还公开了一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验方法，其利用上述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统来实现，其具体步骤包括想定准备、想定提炼、仿真实验和数据分析，想定准备是在特定的遇险人员搜救任务下，根据试验关注的内容将需要试验的搜救装备加入试验过程中，为仿真试验准备基础的想定环境；想定提炼是在想定准备的基础之上，对搜救装备的行为进行构建，对搜救力量进行编，并建立通信网络，从而生成基本想定；仿真试验是基于想定准备和想定提炼生成的基本想定，通过更改装备性能、装备数量、装备编配等多种变量的方法生成多个仿真方案，并对生成的每个仿真方案分别进行仿真运行，得到仿真试验的结果；数据分析是基于仿真试验的结果，根据数据分析所需的指标体系，收集仿真试验数据并对该数据进行处理，对比分析各仿真方案的整体搜救能力，得到各仿真方案搜救体系能力的评价结果，从而优选出具有最佳搜救体系能力的搜救装备性能、搜救装备数量、搜救装备组成的组合。
本发明的有益效果为：
本发明提出的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，通过对遇险人员搜救方案进行综合仿真和评估，得到最优搜索方案，从而为指挥决策人员在面对实际搜救任务时做出高质量且最适合的决策提供重要参考和有力支撑，进而有效提高了搜救成功率和搜救效率，最大限度争取有效的搜救时间。
本发明通过对多种搜救场景进行想定，构建了逼真的仿真环境，为快速生成面向复杂搜救环境的搜救方案奠定了技术基础。
本发明提出的针对遇险人员搜救任务的仿真试验方法，可以系统地分析不确定性因素(如遇险人员状态的不确定性、敌方火力动态的不确定性、搜救环境的不确定性等)对搜救方案的影响，从而较为客观地反映实际行动过程，同时预置的评估方法能够对指标进行综合评估，评估结果更真实可靠且精度较高。
附图说明
图1为本发明的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统的基本组成和方法流程。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
图1为本发明的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统的基本组成和方法流程。
本发明公开了一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其具体包括输入单元、仿真运行单元和输出单元，输入单元和仿真运行单元相连接，仿真运行单元和输出单元相连接，其中输入单元包括想定编辑子系统和行动制定子系统，想定编辑子系统用于编辑仿真推演过程中所涉及的遇险搜救任务要素的基本信息和遇险搜救任务想定信息，遇险搜救任务要素的基本信息具体包括搜救方想定、待救目标想定、敌方想定和搜救环境，搜救方想定包括搜救装备类型、装备数量、装备性能和初始位置，待救目标想定包括待救目标位置、剩余生命、躲避敌方能力和最大移动速度，敌方想定包括敌方火力数量、敌方火力位置、移动速度和探测范围，搜救环境包括搜救地形、水文信息、气候和天气信息。
行动制定子系统用于根据已编辑的遇险搜救任务想定信息，根据遇险人员规模、敌方火力分布和威胁等级，选择相应的搜救装备组成(如当威胁等级高时，增加救援空中战斗巡逻机和近距空中支援飞机的数量；当遇险人员数量较多时，增加救援直升机和救援护航机的数量)，制定遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，完成遇险搜救行动方案的制定。
所述的遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，具体包括救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，以及救援直升机的的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线；
所述的救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援护航机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜救状态、掩护状态和护航状态；救援护航机抵达预定救援位置之后进入搜索状态，进入搜索状态后以特定搜索方式进行搜索，救援护航机的传感器在其扫掠宽度内获得待救援人员位置信息或接收到目标通讯信息，则判定为搜索成功，并向搜救指挥端发送待救援人员位置信息，救援护航机发送待救援人员位置信息后进入掩护状态；在掩护状态中，救援护航机以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测，对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在空中盘旋时接收到其他单位发送的攻击警告，则前往进行打击；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标，攻击警告优先度为待救援人员攻击警告优于救援直升机攻击警告，救援直升机攻击警告优于其探测到目标攻击的攻击警告；若救援直升机完成对待救援人员的救助，则救援护航机进入护航状态，以特定线路对救援直升机进行伴飞，并对敌方地面火力进行探测，并对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新进行伴飞，并继续对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断后，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标,该阶段的攻击警告优先度排序为，救援直升机攻击警告优先度高于救援护航机探测到目标攻击的攻击警告优先度。
所述的救援直升机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援直升机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜索状态和救援状态；在搜索状态中，救援直升机在基地等待遇险人员搜救任务，若救援直升机接到遇险人员搜救任务，并在遇险人员位置已知的情况下，从基地出发飞往救援位置；当救援直升机与遇险人员的距离D满足0＜D≤10km时，救援直升机的搜救装备采用目视探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pv为：
Figure BDA0003368292140000111
其中，H为搜救装备的高度,v为救援直升机的飞行速度,B为搜救装备的扫视宽度,Rv为执行遇险人员搜救任务时的能见度，Sm为遇险人员分布面积。
当救援直升机与遇险人员的距离D满足10km＜D≤75km时，救援直升机的搜救装备采用红外探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pi为：
Figure BDA0003368292140000112
其中，SNRd为搜救装备的初始阈值信噪比，SNR是在执行遇险人员搜救任务时搜救装备所处环境的阈值信噪比，T为遇险人员温度，T0为遇险人员所处环境的温度，P0为搜救装备的理想探测概率，ne表示遇险人员作为红外目标时的条带数。
当救援直升机与遇险人员的距离D满足75km＜D≤150km时，救援直升机的搜救装备采用雷达探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的雷达探测概率Pr为：
Figure BDA0003368292140000121
其中，K为搜救装备采用雷达探测方式时的技术完善性指标，通常取2～6，D0为搜救装备采用雷达探测方式时的最大探测距离。
救援直升机到达救援位置后，进入救援状态，以预定的搜索方式进行搜索；若搜索到遇险人员，则救起遇险人员并返回基地；若未搜索到遇险人员，则继续搜索遇险人员，如果到达一定时间还未搜到遇险人员，则返回基地。在救援状态中，当救援直升机与遇险人员的距离小于某个值时，认为救援直升机搜到遇险人员，救援直升机前往遇险人员位置，根据遇险人员位置的地理形式和周边环境采取相应的救援方式；救援直升机根据遇险人员的伤情采用相应的应急救援方式，待遇险人员伤情稳定后将遇险人员送往预定的后送医院。
仿真运行单元包括仿真推演子系统和动态监控子系统，仿真推演子系统用于提供行动方案的仿真推演环境，以检查遇险搜救行动方案能否驱动仿真推演的执行并输出评估指标的原始数据，该子系统包括仿真初始设置模块、仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块，仿真初始设置模块与仿真进程控制模块相连接，仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块相连接，仿真初始设置模块用于设置初始的仿真参数,仿真进程控制模块用于根据输入的任务想定数据实现单次可控的仿真推演，且能够实现实时和超实时仿真，仿真模型驱动模块包括装备探测模型、救援直升机油耗模型、武器毁伤模型、敌方火力分布模型、敌方火力攻击模型和装备生存概率模型。动态监控子系统用于实时监控待救目标的状态、遇险人员搜救任务的进程以及敌方火力的动态，其包括人员状态监控模块、装备状态监控模块和敌方动态监控模块。在该仿真试验系统中，当仿真时间τ与实际任务时间T的比值τ/T＝1时，为实时仿真，当τ/T＜1时，为超实时仿真。
所述的装备生存概率模型，其对装备生存概率PS的计算过程为：
当
Figure BDA0003368292140000131
时，
Figure BDA0003368292140000132
当
Figure BDA0003368292140000133
时，
Figure BDA0003368292140000134
其中，r为敌方火力的攻击半径，h为搜救装备的高度，R1为救援直升机对地面目标进行攻击的可攻击区的最大宽度；PS为救援直升机的生存概率，PD为救援直升机对地面目标的毁伤概率，
Figure BDA0003368292140000135
为救援直升机未携带武器时的生存概率，与救援直升机在威胁区域内停留的时间和敌方火力探测时间有关；
Figure BDA0003368292140000136
为救援直升机未携带武器在经过敌方火力攻击范围边界和经过空间打击范围和地面打击范围交界处之间的时间范围内的生存概率；
Figure BDA0003368292140000137
为救援直升机未携带武器在经过空间打击范围和地面打击范围交界处和离开地面打击范围之间的时间范围内的生存概率。
输出单元包括数据显示子系统、数据预处理子系统和综合评估子系统，数据显示子系统用于实现仿真过程数据和评估指标原始数据的可视化，其包括行动方案执行可视化模块和评估指标数据可视化模块。数据预处理子系统用于对评估指标原始数据进行如下处理：
将所有评估指标原始数据输入数据预处理子系统的神经网络中，利用迭代公式
Figure BDA0003368292140000138
得到满足要求的评估数据，x(n)为第n次迭代得到的评估指标数据，λ为正则化参数，J()为关于评估指标数据的代价函数，
Figure BDA0003368292140000139
为代价函数的梯度下降率。
以得到满足遇险搜救行动方案评估要求的评估数据，其包括数据抽取模块、数据清洗模块和数据转换模块，数据抽取模块与数据清洗模块相连接，数据清洗模块和数据转换模块相连接。
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，对遇险搜救行动方案进行综合评估，综合评估子系统包括评估过程控制模块、效应指数计算模块和评估结果分析模块，评估过程控制模块和效应指数计算模块均与评估结果分析模块相连接。评估过程控制模块用于对评估方法中的关键步骤进行启用或跳过控制，效应指数计算模块用于计算评估方法中的各评估指标的效应指数，并将其作为相应指标的权重，评估结果分析模块通过将评估数据和效应指数进行综合计算，得到遇险搜救行动方案的综合评估结果。
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，其具体过程包括，将航空装备的人员搜救体系贡献度定义为：将待评估装备或装备性能纳入到人员搜救体系后，人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力相对于不包含待评估装备或装备性能改变前的搜救效能或能力的变化程度；航空装备的人员搜救体系指标包括任务完成能力、执行行动能力、打击敌方能力、躲避敌方能力、抵御攻击能力和搜救任务成本六个分能力指标，每个分能力指标包含若干个航空装备的性能指标；在对航空装备的人员搜救体系贡献度进行评估时，先计算加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值，加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000141
其中，
Figure BDA0003368292140000142
为加入待评估装备ei或待评估装备ei性能变化后，航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的变化率，即对第j个分能力指标Sj的贡献度，i表示待评估装备序号，
Figure BDA0003368292140000143
为未加入待评估装备或装备性能变化前的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值，
Figure BDA0003368292140000144
为加入待评估装备ei后或待评估装备ei性能变化后的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值；再采用幂指数法得到人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力的变化值，即航空装备的人员搜救体系贡献度，航空装备的人员搜救体系贡献度的计算公式为:
Figure BDA0003368292140000151
conSoS为航空装备的人员搜救体系贡献度，wj为航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的权重值。
所述的航空装备的人员搜救体系指标的分能力指标的权重值的计算，其具体步骤包括：
利用Sobol序列对该分能力指标所包含的航空装备的性能指标进行抽样，得到N×2n维抽样矩阵，n为该分能力指标所包含的航空装备的性能指标的个数，N为性能指标的采样值数量，将矩阵前n列设置为矩阵A，后n列设置为矩阵B，其表达式分别为：
Figure BDA0003368292140000152
其中，xij为利用传感器获得的航空装备的第j个性能指标的第i个采样值，x′ij为对航空装备的第j个性能指标利用Sobol序列进行抽样得到的第i个采样值，将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，所得的矩阵记为Mi，将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，所得的矩阵记为M-i，Mi,j为将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，再将矩阵B的第j列换成矩阵A的第j列所得到的矩阵，M-i,-j为将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，再将矩阵A的第j列换成矩阵B的第j列所得到的矩阵；
用Y表示平方可积的方差分解函数，Y＝f(X)，其中X＝[x1,x2,…,xi,…,xn]，i＝1,2,…n，X为航空装备的性能指标集合，xi为航空装备的第i个性能指标，利用方差分解方法将f(X)其分解为：
Figure BDA0003368292140000153
其中，fi,j(xi,xj)表示f(X)关于航空装备的第i个指标和第j个指标的分解函数，f0表示f(X)的修正函数；用总方差V(Y)表示函数Y的所有输入变量对该函数输出的影响，V(Y)的表达式为：
Figure BDA0003368292140000161
当航空装备的第i个性能指标xi取值确定的前提下，Y的条件方差为V(Y|xi)，V(Y)和V(Y|xi)的差异反映了航空装备的第i个性能指标xi对Y的影响；在xi变化范围内对条件方差V(Y|xi)取均值，得到：
Figure BDA0003368292140000162
航空装备的第i个性能指标xi的主效应指数
Figure BDA0003368292140000163
的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000164
航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj的二阶交互效应指数
Figure BDA0003368292140000165
的计算公式为：
Figure BDA0003368292140000166
其中，
Figure BDA0003368292140000167
表示航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj取值确定的前提下Y的条件方差；
对同一分能力下的每两个性能指标的二阶交互效应指数进行求和，得到该分能力指标的权重值w，
Figure BDA0003368292140000168
对每个分能力指标进行上述过程，计算得到每个分能力指标的权重值。
本发明还公开了一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验方法，其利用上述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统来实现，其具体步骤包括想定准备、想定提炼、仿真实验和数据分析，想定准备是在特定的遇险人员搜救任务下，根据试验关注的内容将需要试验的搜救装备加入试验过程中，为仿真试验准备基础的想定环境；想定提炼是在想定准备的基础之上，对搜救装备的行为进行构建，对搜救力量进行编，并建立通信网络，从而生成基本想定，使得想定部署更为合理，想定空间更聚焦；仿真试验是基于想定准备和想定提炼生成的基本想定，通过更改装备性能、装备数量、装备编配等多种变量的方法生成多个仿真方案，并对生成的每个仿真方案分别进行仿真运行，得到仿真试验的结果；数据分析是基于仿真试验的结果，根据数据分析所需的指标体系，收集仿真试验数据并对该数据进行处理，对比分析各仿真方案的整体搜救能力，得到各仿真方案搜救体系能力的评价结果，从而优选出具有最佳搜救体系能力的搜救装备性能、搜救装备数量、搜救装备组成的组合。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，其具体包括输入单元、仿真运行单元和输出单元，输入单元和仿真运行单元相连接，仿真运行单元和输出单元相连接，其中输入单元包括想定编辑子系统和行动制定子系统，想定编辑子系统用于编辑仿真推演过程中所涉及的遇险搜救任务要素的基本信息和遇险搜救任务想定信息，遇险搜救任务要素的基本信息具体包括搜救方想定、待救目标想定、敌方想定和搜救环境，搜救方想定包括搜救装备类型、装备数量、装备性能和初始位置，待救目标想定包括待救目标位置、剩余生命、躲避敌方能力和最大移动速度，敌方想定包括敌方火力数量、敌方火力位置、移动速度和探测范围，搜救环境包括搜救地形、水文信息、气候和天气信息；
行动制定子系统用于根据已编辑的遇险搜救任务想定信息，根据遇险人员规模、敌方火力分布和威胁等级，选择相应的搜救装备组成，制定遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，完成遇险搜救行动方案的制定；
仿真运行单元包括仿真推演子系统和动态监控子系统，仿真推演子系统用于提供行动方案的仿真推演环境，以检查遇险搜救行动方案能否驱动仿真推演的执行并输出评估指标的原始数据，该子系统包括仿真初始设置模块、仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块，仿真初始设置模块与仿真进程控制模块相连接，仿真进程控制模块和仿真模型驱动模块相连接，仿真初始设置模块用于设置初始的仿真参数,仿真进程控制模块用于根据输入的任务想定数据实现单次可控的仿真推演，且能够实现实时和超实时仿真，仿真模型驱动模块包括装备探测模型、救援直升机油耗模型、武器毁伤模型、敌方火力分布模型、敌方火力攻击模型和装备生存概率模型；动态监控子系统用于实时监控待救目标的状态、遇险人员搜救任务的进程以及敌方火力的动态，其包括人员状态监控模块、装备状态监控模块和敌方动态监控模块；在该仿真试验系统中，当仿真时间τ与实际任务时间T的比值τ/T＝1时，为实时仿真，当τ/T＜1时，为超实时仿真；
输出单元包括数据显示子系统、数据预处理子系统和综合评估子系统，数据显示子系统用于实现仿真过程数据和评估指标原始数据的可视化，其包括行动方案执行可视化模块和评估指标数据可视化模块；
数据预处理子系统用于对评估指标原始数据进行处理，以得到满足遇险搜救行动方案评估要求的评估数据，数据预处理子系统在对评估指标原始数据进行处理时，将所有评估指标原始数据输入数据预处理子系统的神经网络中，利用迭代公式
Figure FDA0003368292130000021
得到满足要求的评估数据，x(n)为第n次迭代得到的评估指标数据，λ为正则化参数，J()为关于评估指标数据的代价函数，
Figure FDA0003368292130000022
为代价函数的梯度下降率；
数据预处理子系统包括数据抽取模块、数据清洗模块和数据转换模块，数据抽取模块与数据清洗模块相连接，数据清洗模块和数据转换模块相连接；
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，对遇险搜救行动方案进行综合评估，综合评估子系统包括评估过程控制模块、效应指数计算模块和评估结果分析模块，评估过程控制模块和效应指数计算模块均与评估结果分析模块相连接；评估过程控制模块用于对评估方法中的关键步骤进行启用或跳过控制，效应指数计算模块用于计算评估方法中的各评估指标的效应指数，并将其作为相应指标的权重，评估结果分析模块通过将评估数据和效应指数进行综合计算，得到遇险搜救行动方案的综合评估结果。
2.如权利要求1所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，
所述的装备生存概率模型，其对装备生存概率PS的计算过程为：
当
Figure FDA0003368292130000023
时，
Figure FDA0003368292130000024
当
Figure FDA0003368292130000025
时，
Figure FDA0003368292130000026
其中，r为敌方火力的攻击半径，h为搜救装备的高度，R1为救援直升机对地面目标进行攻击的可攻击区的最大宽度；PS为救援直升机的生存概率，PD为救援直升机对地面目标的毁伤概率，
Figure FDA0003368292130000031
为救援直升机未携带武器时的生存概率，与救援直升机在威胁区域内停留的时间和敌方火力探测时间有关；
Figure FDA0003368292130000032
为救援直升机未携带武器在经过敌方火力攻击范围边界和经过空间打击范围和地面打击范围交界处之间的时间范围内的生存概率；
Figure FDA0003368292130000033
为救援直升机未携带武器在经过空间打击范围和地面打击范围交界处和离开地面打击范围之间的时间范围内的生存概率。
3.如权利要求1所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，
所述的遇险搜救装备的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，具体包括救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，以及救援直升机的的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线。
4.如权利要求3所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，
所述的救援护航机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援护航机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜救状态、掩护状态和护航状态；救援护航机抵达预定救援位置之后进入搜索状态，进入搜索状态后以特定搜索方式进行搜索，救援护航机的传感器在其扫掠宽度内获得待救援人员位置信息或接收到目标通讯信息，则判定为搜索成功，并向搜救指挥端发送待救援人员位置信息，救援护航机发送待救援人员位置信息后进入掩护状态；在掩护状态中，救援护航机以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测，对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新以待救援人员位置为中心，以特定线路进行盘旋飞行，对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在空中盘旋时接收到其他单位发送的攻击警告，则前往进行打击；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标，攻击警告优先度为待救援人员攻击警告优于救援直升机攻击警告，救援直升机攻击警告优于其探测到目标攻击的攻击警告；若救援直升机完成对待救援人员的救助，则救援护航机进入护航状态，以特定线路对救援直升机进行伴飞，并对敌方地面火力进行探测，并对出现在探测范围内的敌方地面火力点进行打击，在打击完成后重新进行伴飞，并继续对敌方地面火力进行探测；若救援护航机在打击中接收到其他单位发送的攻击警告，则根据攻击警告优先度进行判断后，选择前往打击其他单位发送的攻击警告中的目标或继续攻击当前目标,该阶段的攻击警告优先度排序为，救援直升机攻击警告优先度高于救援护航机探测到目标攻击的攻击警告优先度。
5.如权利要求3所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，
所述的救援直升机的出动时序、出航路线、搜寻方式和返航路线，其具体包括：救援直升机在执行遇险人员搜救任务中，其行动状态包括搜索状态和救援状态；在搜索状态中，救援直升机在基地等待遇险人员搜救任务，若救援直升机接到遇险人员搜救任务，并在遇险人员位置已知的情况下，从基地出发飞往救援位置；当救援直升机与遇险人员的距离D满足0＜D≤10km时，救援直升机的搜救装备采用目视探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pv为：
Figure FDA0003368292130000041
其中，H为搜救装备的高度,v为救援直升机的飞行速度,B为搜救装备的扫视宽度,Rv为执行遇险人员搜救任务时的能见度，Sm为遇险人员分布面积；
当救援直升机与遇险人员的距离D满足10km＜D≤75km时，救援直升机的搜救装备采用红外探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的探测概率Pi为：
Figure FDA0003368292130000042
其中，SNRd为搜救装备的初始阈值信噪比，SNR是在执行遇险人员搜救任务时搜救装备所处环境的阈值信噪比，T为遇险人员温度，T0为遇险人员所处环境的温度，P0为搜救装备的理想探测概率，ne表示遇险人员作为红外目标时的条带数；
当救援直升机与遇险人员的距离D满足75km＜D≤150km时，救援直升机的搜救装备采用雷达探测方式对遇险人员进行搜索，其对遇险人员的雷达探测概率Pr为：
Figure FDA0003368292130000051
其中，K为搜救装备采用雷达探测方式时的技术完善性指标，D0为搜救装备采用雷达探测方式时的最大探测距离；
救援直升机到达救援位置后，进入救援状态，以预定的搜索方式进行搜索；若搜索到遇险人员，则救起遇险人员并返回基地；若未搜索到遇险人员，则继续搜索遇险人员，如果到达一定时间还未搜到遇险人员，则返回基地；在救援状态中，当救援直升机与遇险人员的距离小于某个值时，认为救援直升机搜到遇险人员，救援直升机前往遇险人员位置，根据遇险人员位置的地理形式和周边环境采取相应的救援方式；救援直升机根据遇险人员的伤情采用相应的应急救援方式，待遇险人员伤情稳定后将遇险人员送往预定的后送医院。
6.如权利要求1所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统，其特征在于，
综合评估子系统通过预置的评估方法，对搜救装备的人员搜救体系贡献度进行评估，其具体过程包括，将航空装备的人员搜救体系贡献度定义为：将待评估装备或装备性能纳入到人员搜救体系后，人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力相对于不包含待评估装备或装备性能改变前的搜救效能或能力的变化程度；航空装备的人员搜救体系指标包括任务完成能力、执行行动能力、打击敌方能力、躲避敌方能力、抵御攻击能力和搜救任务成本六个分能力指标，每个分能力指标包含若干个航空装备的性能指标；在对航空装备的人员搜救体系贡献度进行评估时，先计算加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值，加入待评估装备或待评估装备性能变化后对各个分能力的贡献度值的计算公式为：
Figure FDA0003368292130000061
其中，
Figure FDA0003368292130000062
为加入待评估装备ei或待评估装备ei性能变化后，航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的变化率，即对第j个分能力指标Sj的贡献度，i表示待评估装备序号，
Figure FDA0003368292130000063
为未加入待评估装备或装备性能变化前的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值，
Figure FDA0003368292130000064
为加入待评估装备ei后或待评估装备ei性能变化后的航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的能力值；再采用幂指数法得到人员搜救体系的搜救效能或由使命任务确定的搜救能力的变化值，即航空装备的人员搜救体系贡献度，航空装备的人员搜救体系贡献度的计算公式为:
Figure FDA0003368292130000065
conSoS为航空装备的人员搜救体系贡献度，wj为航空装备的人员搜救体系指标的第j个分能力指标Sj的权重值；
所述的航空装备的人员搜救体系指标的分能力指标的权重值的计算，其具体步骤包括：
利用Sobol序列对该分能力指标所包含的航空装备的性能指标进行抽样，得到N×2n维抽样矩阵，n为该分能力指标所包含的航空装备的性能指标的个数，N为性能指标的采样值数量，将矩阵前n列设置为矩阵A，后n列设置为矩阵B，其表达式分别为：
Figure FDA0003368292130000071
其中，xij为利用传感器获得的航空装备的第j个性能指标的第i个采样值，x′ij为对航空装备的第j个性能指标利用Sobol序列进行抽样得到的第i个采样值，将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，所得的矩阵记为Mi，将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，所得的矩阵记为M-i，Mi,j为将矩阵B的第i列换成矩阵A的第i列，再将矩阵B的第j列换成矩阵A的第j列所得到的矩阵，M-i,-j为将矩阵A的第i列换成矩阵B的第i列，再将矩阵A的第j列换成矩阵B的第j列所得到的矩阵；
用Y表示平方可积的方差分解函数，Y＝f(X)，其中X＝[x1,x2,…,xi,…,xn]，i＝1,2,…n，X为航空装备的性能指标集合，xi为航空装备的第i个性能指标，利用方差分解方法将f(X)其分解为：
Figure FDA0003368292130000072
其中，fi,j(xi,xj)表示f(X)关于航空装备的第i个指标和第j个指标的分解函数，f0表示f(X)的修正函数；用总方差V(Y)表示函数Y的所有输入变量对该函数输出的影响，V(Y)的表达式为：
Figure FDA0003368292130000073
当航空装备的第i个性能指标xi取值确定的前提下，Y的条件方差为V(Y|xi)，V(Y)和V(Y|xi)的差异反映了航空装备的第i个性能指标xi对Y的影响；在xi变化范围内对条件方差V(Y|xi)取均值，得到：
Figure FDA0003368292130000081
航空装备的第i个性能指标xi的主效应指数
Figure FDA0003368292130000082
的计算公式为：
Figure FDA0003368292130000083
航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj的二阶交互效应指数
Figure FDA0003368292130000084
的计算公式为：
Figure FDA0003368292130000085
其中，
Figure FDA0003368292130000086
表示航空装备的第i个性能指标xi和第j个性能指标xj取值确定的前提下Y的条件方差；
对同一分能力下的每两个性能指标的二阶交互效应指数进行求和，得到该分能力指标的权重值w，
Figure FDA0003368292130000087
对每个分能力指标进行上述过程，计算得到每个分能力指标的权重值。
7.一种针对遇险人员搜救任务的仿真试验方法，其利用权利要求1至6中任一项所述的针对遇险人员搜救任务的仿真试验系统来实现，其具体步骤包括想定准备、想定提炼、仿真实验和数据分析，想定准备是在特定的遇险人员搜救任务下，根据试验关注的内容将需要试验的搜救装备加入试验过程中，为仿真试验准备基础的想定环境；想定提炼是在想定准备的基础之上，对搜救装备的行为进行构建，对搜救力量进行编，并建立通信网络，从而生成基本想定；仿真试验是基于想定准备和想定提炼生成的基本想定，通过更改装备性能、装备数量、装备编配多种变量的方法生成多个仿真方案，并对生成的每个仿真方案分别进行仿真运行，得到仿真试验的结果；数据分析是基于仿真试验的结果，根据数据分析所需的指标体系，收集仿真试验数据并对该数据进行处理，对比分析各仿真方案的整体搜救能力，得到各仿真方案搜救体系能力的评价结果，从而优选出具有最佳搜救体系能力的搜救装备性能、搜救装备数量、搜救装备组成的组合。
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