潜艇对水面舰艇威胁评估模型的设计思路

林宗祥, 孙永侃, 李雪飞



潜艇对水面舰艇威胁评估模型的设计思路

林宗祥, 孙永侃, 李雪飞

(海军大连舰艇学院 科研部, 辽宁 大连, 116018)

为了提高水面舰艇反潜作战指挥决策水平, 降低反潜过程中遭受敌潜艇反击的可能性, 分析了潜艇对水面舰艇威胁评估的必要性, 给出了威胁评估的目的和原则, 提出了潜艇对水面舰艇威胁评估模型的设计思路,详细论述了威胁评估结构和评估步骤, 并重点对攻击意图推理和攻击能力评估2个子模型进行了深入探讨, 为实现潜艇对水面舰艇威胁评估提供了参考。

水面舰艇; 潜艇; 威胁评估; 攻击意图; 攻击能力

0 引言

随着高新技术的发展及应用, 现代潜艇的综合作战能力有了巨大提高。具体表现为远距离探测能力、远距离攻击能力、艇体机动能力以及作战持久力。潜艇综合作战能力的提高对遂行反潜作战的水面舰艇构成了严重威胁, 水面舰艇在对潜搜索、跟踪和攻击的整个反潜作战过程中随时可能遭到敌潜艇的攻击。为此, 必须对潜艇的威胁程度进行评估, 以便为指挥员决策提供参考。

1 潜艇对水面舰艇威胁评估的必要性

1.1 应对潜艇先发制敌的需要

先发制敌一直是潜艇应对水面舰艇威胁的重要手段。因此, 在整个反潜作战过程中, 水面舰艇如何避免遭到敌潜艇的攻击是指挥员应考虑的重要问题之一。1944年6月6日, 日军驱逐舰“水无月”号在6 n mile左右的距离发现美军潜艇“哈德”号并高速驶向潜艇, “哈德”号立即高速下潜, 并左满舵转向。当日军驱逐舰接近到0.55 n mile左右的距离时, “哈德”号艇尾齐射3条鱼雷, 命中2条, 击沉日军“水无月”号驱逐舰[1]。可见, 潜艇在明确自身可能遭受水面舰艇攻击时, 很可能会采取先发制敌的战术抢先发射武器攻击。如果不对潜艇的威胁进行评估而贸然接近敌潜艇, 水面舰艇很可能会遭到敌潜艇的反击。现代潜艇的探测距离和攻击距离都有了长足提高, 潜艇在遭受威胁时更加便于采取先发制敌的战术, 因此, 潜艇对水面舰艇威胁评估的作用更为突出。

1.2 提高指挥决策水平的需要

水面舰艇反潜作战是水面舰艇与潜艇长时间的对抗过程, 正确的决策是水面舰艇反潜作战成功的关键。对潜艇的威胁进行评估可以促进指挥决策水平的提高。一方面, 对潜威胁评估有助于指挥员更加快速地感知战场态势, 提高指挥员指挥决策的及时性; 另一方面, 对潜威胁评估可以增强指挥员对战场态势的理解, 提高指挥员决策的正确性, 从而帮助指挥员更好地将信息优势转化为决策优势。总之, 对潜威胁评估可以帮助指挥员及时地做出正确的决策。

2 潜艇对水面舰艇威胁评估的目的和基本原则

2.1 潜艇对水面舰艇威胁评估的目的

威胁评估是根据敌我武器装备性能、电子设备性能、敌我作战条令和策略等, 综合敌方的破坏能力、机动能力及行动意图, 做出关于敌方杀伤能力及对我方威胁程度的定量评估, 或给出敌方威胁等级的度量[2]。威胁评估重在推理敌方的意图和目的, 量化判断敌方对我方的威胁程度。

潜艇对水面舰艇威胁评估与对空中目标的威胁评估的最终目的都是为指挥决策提供支持, 这是二者的共同点。二者的不同之处: 对空威胁评估的结果能够为指挥决策提供直接的支持, 其威胁评估结果可以直接用于防空武器的目标指示和火力分配; 对潜威胁评估则更多的是作为对战场态势评估的一部分, 其对指挥决策的支持作用体现在可以提高指挥员对战场态势的感知和理解能力, 从而帮助指挥员及时准确地做出决策。

2.2 潜艇对水面舰艇威胁评估的基本准则

由于水下目标密度低, 目标信息的获取时间长, 对潜威胁评估是一个随着信息的获取和确认持续深入的过程。结合水面舰艇反潜作战的实际, 潜艇对水面舰艇威胁评估的基本准则如下。

1) 采用决策理论的悲观准则进行评估, 从谨慎的角度出发, 对于未知和不确定的影响因素, 在评估过程中应以对我舰最不利的情况进行考虑, 即进行威胁评估时采用决策理论中的悲观准则;

2) 评估结果应符合反潜作战的一般原则和经验;

3) 从满足实战需要的角度对威胁等级进行合理划分, 例如, 威胁程度可分为强、中、弱3个等级或强、较强、中、较弱、弱5个等级等。

3 潜艇对水面舰艇威胁的评估结构和评估步骤

3.1 潜艇对水面舰艇威胁的评估结构

潜艇对水面舰艇威胁评估可以分为对潜艇的攻击意图推断和攻击能力评估两个方面[3], 评估结构如图1所示。首先, 根据目标信息, 利用潜艇攻击意图推理模型获得潜艇的攻击意图; 其次, 根据目标信息推断目标型号, 利用型号-攻击能力数据库匹配获得潜艇的攻击能力; 最后, 利用多属性决策方法求得威胁评估结果。

图1 潜艇对水面舰艇威胁评估结构

3.2 潜艇对水面舰艇威胁评估步骤

潜艇对水面舰艇威胁评估首先要确定评估模型需要的数据种类, 即模型的评价属性; 其次是获取各属性的数据; 然后依据模型对这些属性数据进行处理, 判断潜艇的攻击意图、攻击能力; 最后对威胁程度进行量化和排序。通常包括以下5个步骤[4]。

1) 确定各个功能模型的评价属性

潜艇对水面舰艇威胁评估模型本身以及其子模型的建立, 首先必须确定各功能模型要采用哪些评价属性数据作为模型的评估依据及输入信息。这些评价属性必须符合潜艇对水面舰艇威胁评估的基本准则需要, 且属性值的获取方式科学合理, 能满足时效性要求。

2) 对评价属性数据进行提取和规范

潜艇对水面舰艇威胁评估所需信息、数据来自战场各个方面: 有上级通报的数据、有传感器获取的数据、也有指挥员的判断决策信息等。这些信息和数据有确定的、也有不确定的; 有精确的、也有模糊的; 有经验判断的、也有严谨分析的。信息、数据格式也是多种多样的: 有精确数值的、有模糊数的、有语言判断的、有概率表示的等等。为了对这些信息、数据综合利用, 首先必须对所有信息、数据的描述方式进行规范统一, 然后才能利用模型进行评估、判断。

3) 推断潜艇的攻击意图

潜艇的攻击意图是威胁评估的重要参考依据。在没有通信侦察情报或其他人工情报、上级通报的情况下, 攻击意图主要根据潜艇的活动情况进行推理、判断。对潜艇作战意图的推理、判断可以从以下几方面考虑: 敌潜艇的历史航迹; 敌潜艇的现行运动状态; 敌潜艇运动状态的改变情况; 敌潜艇的作战条令; 敌潜艇的通常战术等。

4) 评估潜艇的攻击能力

潜艇的攻击能力与潜艇的型号密切相关。由于同一型号的潜艇在排水量、动力系统、探测系统、指控系统以及武器系统方面具有很大的相似性, 从而导致同一型号的潜艇在机动能力、探测能力、攻击半径以及战斗持久力方面能力相当。这些能力很大程度上决定了潜艇的攻击能力。此外, 潜艇攻击前需要较长时间的占位机动, 潜艇占位能力也是构成攻击能力的重要组成部分。

5) 确定威胁等级

威胁等级的确定基于对潜艇攻击能力和作战意图的加权处理结果。确定威胁等级的关键是选择适当的方法对潜艇攻击能力评估结果和攻击意图的推断结果进行集结。集结方法不同, 直接影响威胁评估等级。

4 潜艇攻击意图推理模型

潜艇作战意图是其主观作战目的和作战期望, 难以直接观测。但潜艇的作战行动则是在作战意图指导下展开的一系列战术动作, 是作战意图的实现手段。作战行动的背后是作战意图驱动, 作战行动隐含着作战意图。因此, 可通过对目标作战行动的观察推断来判断目标作战意图[5]。

4.1 潜艇攻击意图推理子模型

根据潜艇作战行动特征, 能够获取的目标信息从难到易排序: 舷角、舷角变化率; 距离、距离变化率; 航向、航向变化率, 航速、航速变化率。其中, 类型信息需要根据对敌潜艇特性的分析获得。这些信息可以划分为以下几个相对独立的部分, 分别建立与目标意图之间的推理模型。

1) 舷角变化——意图推理模型

潜艇攻击的有利阵位位于某一舷角范围内。在不满足鱼雷攻击条件时, 潜艇需要占领阵位。这一战术行动必然引起潜艇所处舷角的变化。因此, 舷角的变化表征了敌潜艇对我舰的攻击意图。例如, 敌潜艇所处舷角从舰尾大舷角向正横方向改变时, 如若这一变化由敌潜艇引起, 表明其可能在占领阵位试图对我舰进行攻击。

2) 距离变化——意图推理模型

为满足潜艇武器攻击条件, 当敌我距离较远时, 潜艇必须与我舰接近到武器射程内才能发起攻击。因此, 敌我距离的变化可以表征潜艇的攻击意图。一般而言, 敌我距离变小, 则表明潜艇对我攻击意图强烈, 但距离变大不一定表明潜艇对我舰的攻击意图降低。

3) 航向——意图推理模型

包括航向和航向变化率。潜艇航向是其战术行动最重要的外在表现之一。假设潜艇当前航向为C, 潜艇占领有利阵位的航向为,D=|C-|。D越小或D逐渐变小, 表明潜艇攻击意图越强;D越大或D逐渐变大, 表明潜艇攻击意图越弱。

4.2 潜艇攻击意图的推理步骤

如图2所示, 潜艇攻击意图推理步骤如下。

1) 获取相对独立特征推理信息。将探测信息按照相对独立性划分为距离、航向和舷角等, 分别建立相对独立信息对潜艇攻击意图的推理模型。基于反潜作战的实际, 建立相对独立信息与潜艇攻击意图的推理模型, 主要有舷角变化——意图推理模型、距离变化——意图推理模型和航向——意图推理模型。

2) 综合信息, 推断潜艇的攻击意图。根据各相对独立信息与攻击意图的推理结果, 建立空袭目标攻击意图判断多属性决策模型。考虑到战场环境复杂, 模型的输入信息不能保证实时获取, 多属性决策模型应可以动态确定权重, 实现模型权重确定自动化调整功能。

图2 潜艇攻击意图推理模型

5 潜艇攻击能力评估模型

5.1 潜艇攻击能力评估步骤

潜艇攻击能力是以下几种能力的综合: 一是潜艇的探测能力, 主要与潜艇装备的探测器材的性能相关; 二是潜艇的攻击半径, 由潜艇携带武器的性能决定; 三是潜艇的占位能力, 由潜艇机动能力和当前所处的阵位决定。当潜艇速度大于水面舰艇速度且续航能力满足要求时, 理论上潜艇能够占领任何阵位; 当潜艇速度小于水面舰艇速度时, 只有≤0+D时, 才有攻击的可能性。其中:为潜艇所处目标舷角;0=arcsin(V/V)为潜艇攻击临界角,V为潜艇速度,V为水面舰艇速度;D=arcsin(射距/发现)为攻击极限角,射距为鱼雷射距,发现为潜艇发现水面舰艇的距离。

对于某一型号的潜艇而言, 其装备的探测器材和攻击武器都是固定的, 因而其探测能力、攻击半径和机动能力也是固定的。在某一具体态势下, 其占位能力也是确定的。可见, 潜艇型号和攻击能力具有一对应的关系。对潜艇攻击能力的评估可转化为以下3个步骤进行。

1) 建立潜艇型号-攻击能力的对应模型, 生成相应的数据库;

2) 根据探测信息和战场情况推断潜艇型号;

3) 根据潜艇型号, 从潜艇型号-攻击能力数据库中提取攻击能力的数据。

5.2 潜艇型号推理过程分析

潜艇型号推理是指根据已知信息推断敌潜艇的型号。不同类型的潜艇由于采用的动力不同, 其机动性能以及能声电磁特征等存在明显不同。此外, 不同国家的潜艇活动海区具有相对确定性, 一个国家的潜艇一般在某些比较固定的区域活动。这些特征差异为潜艇型号推理提供了可能[6]。

潜艇型号推断过程如图3所示。首先, 将潜艇进行分类, 例如分为核动力潜艇、柴电动力潜艇两大类等。然后根据提取的潜艇信号特征, 结合上级通报和海区环境, 推断潜艇目标类型。之后, 根据潜艇目标类型、海区地理位置信息, 推断潜艇国别。最后, 结合潜艇目标类型信息和国别信息, 推断潜艇型号。

图3 潜艇型号推断过程

5.3 潜艇攻击能力数据库的建立

在一定的态势下, 对于某一型号的潜艇, 其攻击能力是确定的, 因此, 可以建立潜艇型号-攻击能力数据库。根据以上分析, 潜艇攻击能力可以分解为3个方面, 即探测能力、占位能力和攻击半径。为此, 分别建立潜艇型号-探测能力推理、潜艇型号-攻击半径推理、潜艇型号-占位能力推理3个子模型, 然后根据多属性决策原理, 选取适当的方法对3个子模型的推理结果进行集结, 求得潜艇的攻击能力并存入数据库中, 如图4所示。

图4 潜艇型号-攻击能力数据库的建立流程

6 结束语

潜艇对水面舰艇威胁评估是水面舰艇反潜作战指挥辅助决策的重要内容, 评估结果可为指挥决策提供重要依据。根据反潜作战的实际需求, 提出了潜艇对水面舰艇威胁评估模型的设计思路, 重点对潜艇的攻击意图推理模型和攻击能力评估模型的建立进行了深入分析。下一步研究的重点是选择合理的多属性决策方法实现潜艇威胁评估模型及其攻击意图和攻击能力评估子模型。

[1] 海军潜艇学院. 潜艇袭击水面战斗舰艇编队战例选编[M]. 青岛: 海军潜艇学院, 1982.

[2] 陈东锋, 雷英杰. 威胁评估中的一种直觉模糊推理方法[J]. 指挥控制与仿真, 2006, 28(4): 21-24. Chen Dong-feng, Lei Ying-jie. An Intuitionistic Fuzzy Inference Method for Threat Assessment[J]. Command Control & Simulation, 2006, 28(4): 21-24.

[3] 李进军, 丛蓉, 熊吉光. 舰艇编队对空中目标的威胁程度判断模型[J]. 火力与指挥控制, 2005, 30(7): 31-35.Li Jin-jun, Cong Rong, Xiong Ji-guang. Analysis of the Threat Assessment Model of Aerial Targets of Warship Fleets [J]. Fire Control & Command Control, 2005, 30(7): 31-35.

[4] 徐泽水. 不确定多属性决策方法及应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[5] 宋元, 章新华, 郭辉东. 空中目标战术意图层次推理框架及实现[J]. 情报指挥控制系统与仿真技术, 2005, 27(5): 63-66.Song Yuan, Zhang Xin-hua, Guo Hui-dong. Hierarchical Inference Frame and Realization of Air Target Tactical Intention[J]. Information Command Control System & Simulation Technolgy. 2005, 27(5): 63-66.

[6] 陈航, 李志舜, 梁红. 水下目标分类专家系统的推理方法与实现[J]. 系统工程与电子技术, 2002, 2(42): 66-67, 72.Chen Hang, Li Zhi-Shun, Liang Hong. Inference Method and Realization of Underwater Target Classification Expert System[J]. Systems Engineering and Electronics, 2002, 2(42): 66-67, 72.

AnIdea of Designing a Submarine Threat Evaluation Model for Surface Vessels

LIN Zong-xiang, SUN Yong-kan, LI Xue-fei

(Scientific Research Department, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

To improve decision-making ability of a surface vessel against a submarine, so as to decrease the counterattack possibility of the submarine in the process of antisubmarine warfare, the necessity of evaluation of submarine threat against surface vessel is analyzed, and the purpose and principle of the threat evaluation are discussed. An idea of designing a submarine threat evaluation model for surface vessels is put forward. The steps and architecture of the threat evaluation model are described in detail, and two main submodels, i.e. the attack intention inference model and the attack ability evaluation model, are discussed intensively. The idea may offer a reference for realizing submarine threat evaluation for surface vessels.

surface vessel; submarine; threat evaluation; attack intention; attack ability

E925.66

A

1673-1948(2012)04-0306-04

2012-03-21;

2012-04-10.

林宗祥(1984-), 男, 在读博士, 研究方向为水面舰艇反潜作战辅助决策.

(责任编辑: 许 妍)