舰艇编队反潜战海洋环境影响指标体系构建与实验建模*

刘科峰，张 韧，庞云峰，陈奕德

(1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101;2.南京军区气象水文中心，江苏 南京 211103)

水面舰艇编队是海军兵力行动的主要形式。大型水面舰艇编队由于体积庞大、隐蔽性差等，很容易成为潜艇攻击的对象。因此，反潜作战对水面舰艇编队的生存具有决定意义。反潜作战中，海洋环境首先影响反潜武器装备的性能，继而制约水面舰艇、舰载机、潜艇等作战平台反潜效能的发挥，最终在水面舰艇编队整体反潜作战效能上体现出来。因此，海洋环境对水面舰艇编队反潜作战效能的影响评估是军事海洋学研究和海战场环境保障的重要内容和热点课题。如何定量评估海洋环境对不同反潜作战平台反潜作战效能的影响，为决策者科学合理确定反潜兵力的编成提供客观、定量、准确的决策支持，是海战场环境保障中亟待解决的问题［1］。

1 水面舰艇编队反潜作战体系的组成

水面舰艇编队反潜作战是水面舰艇、舰载机和潜艇等多种作战平台和多兵种协同配合的作战过程，十分复杂。因此，要建立海洋环境对水面舰艇编队反潜作战效能影响评估指标体系，开展海洋环境对水面舰艇编队反潜作战效能影响评估，必须对水面舰艇编队反潜作战的兵力构成、编队方式和协同作战的体系和原则有基本的认识和了解。现代战争中，潜艇战斗能力和生存能力逐步提高使得单一反潜作战平台很难完成反潜任务，通常由水面舰艇、舰载反潜直升机和潜艇协同完成［2-3］。水面舰艇和舰载反潜直升机负责直接警戒区和近程警戒区的反潜警戒;远程警戒区的反潜警戒由舰载反潜直升机和潜艇完成。水面舰艇反潜作战中常使用的反潜装备包括声纳(舰壳型、拖曳型、变深型)、反潜鱼雷、反潜导弹和火箭深弹等。直升机反潜作战中常使用的反潜装备包括吊放式声纳、反潜鱼雷和反潜深弹等。潜艇反潜作战中常使用的反潜装备包括声纳、反潜鱼雷和反潜导弹等［3-6］。通过对大型水面舰艇编队反潜作战体系的分析，可为海洋环境影响大型水面舰艇编队反潜作战的指标体系提供依据和参考。

2 海洋环境影响效能指标体系

构建海洋环境影响效能指标体系常用的研究方法包括:多属性效用分析法、模糊综合评估法、灰色关联分析法、层次分析法等［7-8］。层次分析法可以将复杂的问题层次化、条理化，突出事物的因果联系，抓住事件的主要矛盾，是研究复杂问题的有效手段。针对大型水面舰艇编队反潜作战样式，采用层次分析法构建大型水面舰艇反潜作战海洋环境影响效能指标体系［8］。

为了定量化表征海洋环境对反潜作战平台、反潜探测装备等装备的影响，引入益损指数概念，定义作战平台和武器装备的效能益损指数。如直升机反潜效能益损指数，表征海洋环境对直升机反潜作战效能的增益/伤损程度或益损率。指数取值范围在(0，1)之间。关于益损指数的详细定义，参见文献［8-9］。

反潜作战效能的评估是一个复杂的系统工程，影响因素很多。一般认为，某一平台的反潜作战效能由探潜能力和攻潜能力两大部分综合而成。考虑到反潜作战是建立在作战平台安全基础上，同时与战斗人员生理状态有关。因此，还应考虑海洋环境对作战平台安全和战斗人员状态的影响。

水面舰艇、反潜直升机、潜艇等探潜时使用的都是声纳，而声纳探测距离与海水温度、盐度、密度和海况等水文条件密切相关。水文条件对水声探测与传播的影响很大，其主要影响接收信号的空间相干性和声线垂直到达的方向，则可能降低无垂直俯仰的声纳探测性能，改变接收信号谱特性，降低目标识别能力。海洋中普遍存在的海洋现象如温跃层、中尺度涡、内波、海洋锋等，对水声探测性能也有很大的影响。温跃层的存在使得声纳作用距离明显缩短;海洋内波可使声传播产生25～30dB的声起伏;海洋锋可产生多达25dB的额外声传播损失;中尺度涡会造成20～30dB的声场不均匀［1，5］。由此可以看出，海洋环境对声纳探测的影响主要体现在两个方面:一是对声纳探测距离的影响，二是探测盲区范围的影响。

攻潜的能力与鱼雷、反潜导弹、火箭深弹等武器的作战效能有关。武器的作战效能受海洋环境影响很大。如海流会影响线导鱼雷位置坐标;海面风、海浪会影响空投鱼雷的入水姿态，进而影响鱼雷命中精度［1］。

反潜作战平台在执行反潜作战任务时，自身安全会受到海况的影响。如海浪会引起舰船的摇摆，强烈时会造成舰船的倾覆;海雾会对舰船航行安全构成很大的威胁;海流会影响舰船的航向和航速;内波会使航行其上的潜艇产生颠簸，易对潜艇及其附属结构造成损失，极端条件下甚至会把潜艇拖出水面或压入海底;恶劣的海况和侧风会对舰载机的起降安全构成很大的影响;海上能见度会对舰载机的飞行造成很大的影响。此外，海洋环境也会对人的心理和生理产生影响，进而影响反潜作战任务。

综上分析，可构建海洋环境影响大型水面舰艇编队反潜作战效能指标体系，如图1所示。

图1 海洋环境影响大型水面舰艇编队反潜作战效能指标体系

3 仿真实验建模

大型水面舰艇编队反潜效能由直接警戒区反潜作战效能、近程警戒区反潜作战效能、远程警戒区反潜作战效能构成。为了使问题简单化，又不失一般性，此处仅建立直接警戒区反潜作战效能评估模型，建立评估模型的过程中，直升机仅考虑反潜鱼雷和吊放式声纳，水面舰艇仅考虑反潜鱼雷、火箭深弹和拖曳式声纳。根据上述指标体系思想，可以对直接警戒区反潜作战效能指标体系进一步细化并给出经验关系模型。

3.1 关系模型

3.1.1 直接警戒区反潜作战效能益损指数(一级指标)

直接警戒区反潜作战效能益损指数(MI)是由水面舰艇反潜效能益损指数(JT)、反潜直升机反潜效能益损指数(ZJ)两个指标构成，由于水面舰艇与反潜直升机反潜既相互补充又相对独立，根据指标运算法则［7］和反潜作战体系特点，定义其关系模型为

其中，w1，w2为水面舰艇反潜效能益损指数和反潜直升机反潜效能益损指数相对于直接警戒区反潜作战效能益损指数的权重，且满足:w1+w2=1。

3.1.2 作战平台反潜效能益损指数(二级指标)

1)直升机反潜效能益损指数

直升机反潜效能益损指数由直升机安全效能益损指数(ZA)、反潜鱼雷益损指数(YL)、声纳益损指数(TS)和战斗人员状态指数(TL)4项指标构成。其中，声纳属于探测系统，反潜鱼雷属于战斗系统，人员状态属于辅助系统，航行安全则属于决定型指标，根据各指数之间的内在关系和指标合成法则，直升机反潜作战中反潜效能益损指数的计算公式为

2)水面舰艇反潜效能益损指数

水面舰艇反潜效能益损指数由舰艇安全效能益损指数(JA)、火箭深弹益损指数(HD)、声纳益损指数(TS)、反潜鱼雷益损指数(YL)和战斗人员状态指数(TL)5项指标构成。其中，声纳属于探测系统，反潜鱼雷和火箭深弹属于战斗系统，人员状态属于辅助系统，航行安全则属于决定型指标，根据各指数之间的内在关系和指标合成法则，水面舰艇反潜效能益损指数计算公式为:

3.1.3 分项指标益损指数(三级指标)

战斗人员状态益损指数一般由风寒体感指数(FH)、晕船指数(YC)和湿热体感指数(SR)3项指标构成。根据指标合成法则，战斗人员状态益损指数计算公式为

直升机安全效能益损指数是由能见度影响指数(ZA-VIS)、风影响指数(ZA-WIN)和雷暴影响指数(ZA-THU)、云底高影响指数(ZA-YDG)4项指标构成。根据指标合成法则，直升机安全指数的表达式为

舰艇安全效能益损指数是由能见度影响指数(JAVIS)、海况影响指数(JA-SSA)2项指标构成。根据指标合成法则，舰艇安全指数的表达式为

火箭深弹作战效能益损指数是由风影响指数HDWIND、海况影响指数HD-SSA、海流影响指数HD-HAL 3项指标构成。根据指标合成法则，火箭深弹益损指数的表达式为

反潜鱼雷作战效能益损指数由海流影响指数(YLHAL)、温跃层影响指数(YL-HWQ)、海洋锋影响指数(YL-HYF)、中尺度涡影响指数(YL-ZCD)、内波影响指数(YL-NEB)和海况影响指数(YL-SSA)6项指标构成。根据指标合成法则，反潜鱼雷攻击效能益损指数的表达式为

声纳探测效能益损指数由温度跃层影响指数(TSHWQ)、海流影响指数(TS-HAL)、内波影响指数(TSNEB)、中尺度涡影响指数(TS-ZHW)、海洋锋面影响指数(TS-HAF)、海况影响指数(TS-SSA)6项指标构成。根据指标合成法则，舰载声纳探测效能益损指数的表达式为

3.1.4 环境影响指数(四级指标)

风寒指数是指寒冷环境对编队作战人员影响的效能函数。主要影响因子有相对风速、相对湿度和环境温度。表达式为

式中，Kv为风寒指数，Vr为相对风速(m/s)，RH为相对湿度(%)，t为环境温度(℃)。计算时，若相对湿度低于50%，则RH=50%。

风寒指数不同，人们的感觉也不同，风寒指数越大，人体感到越冷。风寒体感指数与风寒指数的对应关系如表1所示。

表1 风寒体感指数换算表

湿热指数是一种用来评估在不同气象条件下人体舒适程度的判据。湿热指数主要是受环境温度、湿度和风等要素所制约。在不考虑风速影响的情况下，制约因子是环境温度和湿度，通常计算湿热指数如下:

其中，THI为湿热指数，t为环境温度(℃)，RH为相对湿度(%)。湿热指数不同，人的感觉也不一样，湿热指数越大，感觉不舒适的人就越多。湿热体感指数与湿热指数对应关系如表2所示。

表2 湿热体感指数关系表

晕船指数的主要影响因子有海况、船的大小(吨位)。晕船指数不同，人们的感觉也不同，晕船指数越大，人体感到越不舒服。根据经验可建立晕船指数和海况、船吨位的对应关系，如表3所示。

表3 晕船指数换算表

3.2 映射函数模型

海洋气象水文要素对武器的影响是一个渐变、连续的复杂过程。目前，关于海洋环境对作战武器装备影响的研究不够深入，只是一些零散的保障经验和一些极值条件，缺乏海洋环境要素对武器装备影响的解析关系表达式。如何利用零散的保障经验和知识，建立海洋环境对武器装备影响的关系模型是开展海洋环境武器效能评估非常重要的一个问题。样条函数拟合能够根据散点知识的分布特征，按照一定的规律和法则拟合出连续的多级函数，来描述模糊的影响过程。样条函数常用的有三次样条和B样条。B样条曲线中，能够对原有的B样条曲线加以扩展，且拟合效果较三次样条函数拟合更为理想［8］。因此，本文基于离散的保障经验，拟采用B样条曲线建立大海洋环境要素与武器装备效能益损指数之间的函数关系。下面以直升机安全效能益损指数为例，说明构建直升机安全效能益损指数与海洋环境要素之间的映射模型的过程。

由公式(5)可知，直升机安全效能益损指数是由能见度影响指数(ZA-VIS)、风影响指数(ZA-WIN)和雷暴影响指数(ZA-THU)、云底高影响指数(ZA-YDG)4项指标构成。在梳理总结保障经验基础上，将保障经验进行量化，建立保障要素映射数据库，如表4～7所示。

表4 影响直升机安全的能见度影响指数表

表5 影响直升机安全的风影响指数表

表6 影响直升机安全的雷暴影响指数表

表7 影响直升机安全的云底高影响指数表

根据B样条计算公式对映射数据进行多项式曲线拟合，得到拟合函数曲线，如图2所示。

图2 函数拟合曲线图

假设当时环境下能见度为1.8km、风速为8m/s、雷暴发生概率70%、云底高400m，根据拟合的函数关系，可分别计算出影响直升机安全的能见度影响指数、风影响指数、雷暴影响指数、云底高影响指数分别为0.29、0.79、0.30、0.60。构建互反判断矩阵，并对其进行一致性检验，当矩阵符合一致性条件时，所求特征向量即为权值。具体方法参见文献［7-9］。权值 W=［0.26 0.17 0.33 0.24］，根据公式(5)可求出此时直升机安全益损指数为0.4。

按照以上的方法步骤，可建立其它益损指数的函数关系。在建立跃层影响指数、中尺度涡影响指数、海洋锋影响指数、内波影响指数的函数关系时，跃层强度用跃层温度差表示;中尺度涡强度用中尺度涡的半径来表示;海洋锋的强度用边界温度差表示;内波的强度用内波的振幅表示。

由于海洋环境要素对不同的作战武器装备影响的程度不同，因此，需要建立同一海洋要素对不同武器装备映射函数模型。根据映射函数模型可以得到不同海洋环境要素对武器平台的影响指数，然后根据相应的武器平台益损指数计算公式得到相应的益损指数值。

3.3 评估示例

假设舰船排水量为5500t，现有3个任务海域，3个海域的海洋环境要素如表8所示。

表8 不同海区的海洋环境要素

利用构造的映射函数可以计算出3个海域的海洋环境影响指数，然后利用特征向量法计算权值，再根据所定义的函数关系式即可计算出3个海域的直升机反潜作战效能益损指数和舰艇反潜作战效能益损指数(如表9所示)。关于权值的计算方法，相关文献［7-11］已有详尽介绍，不再赘述。

表9 不同海域的反潜作战效能益损指数

根据关系模型MI=1-［(1-JT)w1×(1-ZJ)w2］计算出3个海区直接警戒区反潜作战效能益损指数分别为:0.69、0.55、0.47。评估结果表明，不同海区反潜作战效能不同，其中A海区，反潜效能最好。

4 结束语

本文研究构建了海洋环境对大型水面舰艇编队反潜作战影响效能评估指标体系，并开展了实验评估建模。首先就大型水面舰艇编队反潜作战的兵力构成和反潜作战样式进行了简要的分析和讨论，随后，基于大型水面舰艇编队的反潜作战样式，构建了海洋环境影响大型水面舰艇编队反潜作战的效能指标评估体系，最后以直接警戒区反潜作战样式为例，进行了海洋环境对直接警戒区反潜作战效能影响的评估。

大型水面舰艇编队的反潜作战效能的海洋环境影响评估是一个极为复杂的系统工程，涉及武器装备、军事战略战术和海洋学知识的综合应用，以及军事运筹和系统优化等学科领域的新理论、新方法的交叉融合和优势互补。此外，目前，海洋环境对武器装备的影响作用机理还不是很清楚，缺乏海洋环境要素和武器装备之间的影响关系模型。本文基于海洋环境保障中的定性经验，建立了大型水面舰艇编队反潜作战的海洋环境影响的指标体系，该指标体系还需进一步细化完善。

［1］ 方书甲，刘郑国，史正乐，等.海军武器装备与海战场环境概论［M］.北京:海洋出版社，2007.

［2］ 丁松林，杜源.编队对潜防御及效能评估［J］.情报指挥控制系统与仿真技术，2005，27(5):49-51.

［3］ 倪卫星.直升机在美军航母编队反潜体系中的使用研究［J］.直升机技术，2013，1:63-66.

［4］ 宋汝刚，吴金平，等.水面舰艇编队反潜战攻防决策CGF建模［J］.火力与指挥控制，2010，35(11):149-152.

［5］ 刘清宇.海洋中尺度现象下的声传播研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006.

［6］ 陈盼，沈闽锋，王国胜，等.水面舰艇反潜作战效能的FAHP 评估法［J］.舰船电子工程，2008，28(3):57-61.

［7］ 张韧，庞云峰，洪梅，等.海洋环境特征诊断与海上军事活动风险评估［M］.北京:师范大学出版社，2010.

［8］ 庞云峰.海洋环境影响航母编队的保障指标体系与装备效能评估［D］.南京:解放军理工大学，2009.

［9］ 庞云峰，张韧，徐志升，等.基于多级层次结构的潜艇作战效能水下环境影响评估［J］.解放军理工大学学报，2009(10):33-37.

［10］庞云峰，张韧，黄志松，等.大气-海洋环境对舰载雷达探测效能的影响评估［J］.指挥控制与仿真，2009，31(2):65-69.

［11］彭鹏，张韧，李佳讯，等.基于益损分析的鱼雷战术效能的海洋环境影响评估［J］.指挥控制与仿真，2010，32(3):54-57.