基于SEM的潜艇反鱼雷作战能力评估探讨∗

张永峰 李志伟

（中国人民解放军91388部队 湛江 524022）

基于SEM的潜艇反鱼雷作战能力评估探讨∗

张永峰 李志伟

（中国人民解放军91388部队 湛江 524022）

使用水声对抗防御敌鱼雷目标是潜艇海上防御作战的重要内容，对抗作战效能直接体现了潜艇反鱼雷防御作战能力。论文构建了作战能力与作战效能之间的指标体系图，利用结构方程模型方法对两者间的相关性进行了分析，给出了潜艇反鱼雷对抗防御作战能力的评估方法和评估步骤，对于开展专项作战能力评估具有一定的借鉴价值。

水声对抗系统；结构方程模型（SEM）；作战能力；作战效能

1 引言

随着鱼雷技术的快速发展，高航速、远航程、低噪音、强杀伤力［1］等新型智能鱼雷不断涌现，对潜艇的水下生存空间构成了严重的威胁。为此，现代潜艇采用降低本艇噪声、艇壳加吸声保护层或涂料等声学处理技术［2］，同时装备先进的水声对抗系统，通过施放声诱饵、声干扰器等水声对抗器材对来袭鱼雷进行防御。潜艇反鱼雷水声对抗防御作战主要依托水声对抗系统进行，潜艇水声对抗系统主要由侦察探测装备、指挥控制装备、水声对抗装备及其发射装置等一系列具有独立工作能力且又相互关联的分系统组成，其反鱼雷水声对抗作战能力是反映潜艇对抗鱼雷的作战防御能力的重要量度。水声对抗系统各部分间的协同作战运用，直接影响水声对抗防御作战能力，直接关系到潜艇的生存机率，因此如何反映和评估其实际作战能力，是水声对抗系统试验和检验需要解决的关键问题。本文在构建潜艇反鱼雷水声对抗能力指标体系的基础上，利用结构方程模型［3～5］（SEM），建立了反鱼雷水声对抗作战能力评估模型，给出了反鱼雷水声对抗作战能力的评估方法。

2 潜艇水声对抗作战能力评估方法

2.1 水声对抗作战流程分析

单艘潜艇在大洋中巡航，对外界信息的获取主要依靠自身装载的各型声纳传感器。当遇到特殊情况时，这些传感器能够快速将各类威胁信息传递给潜艇指控系统及潜指进行处理。鱼雷的攻击对潜艇的生存威胁最大，潜艇如遭遇鱼雷攻击时，水声对抗系统将快速做出下述反应：

第一阶段，侦察探测系统对各声纳信息进行数据融合、特征分析，完成来袭鱼雷的探测和识别，进行鱼雷报警，并迅速解算目标来袭方位、估计目标距离；第二阶段，战术软件水声对抗决策模块将估算的鱼雷参数，结合环境信息、战术信息进行联合决策，做出本艇如何规避和发射何种对抗器材的具体对抗策略等；第三阶段，在本艇机动规避中，水声对抗系统组织对抗通道发射对抗器材，同时，侦察探测系统继续监测鱼雷运动情况，观察评估水声对抗效果，以决定下一步的行动方案。

按照以上作战流程，潜艇水声对抗作战主要分为侦察探测、目标识别、参数解算、指挥决策和实施对抗等过程，因此水声对抗作战能力可分为探测识别能力、指挥决策能力、平台保障能力和有效对抗能力，涵盖了前端传感器的探测报警、指控系统的参数解算及对抗方案决策、后端对抗装备武器的发控和水声对抗、平台系统可用性和可靠性等关键作战要素。

2.2 水声对抗作战能力评估体系构建

从整个水声对抗作战流程来看，能否有效对抗目标是对抗作战任务成功与否的关键，因而可以将有效对抗能力作为衡量各种对抗作战方案优劣的重要依据和最终指标。系统的各种对抗作战能力之间又存在逻辑关联性，主要体现在有效对抗能力和其他对抗作战能力指标的关系以及其他对抗作战能力指标之间的相互关系。第一种关联性主要是通过水声对抗系统对抗防御作战流程体现的。有效对抗目标是对抗作战流程的重要环节和最终环节，因此有效对抗能力是系统对抗作战能力评估的核心指标。该指标的顺利完成受到系统中其他几种对抗作战能力的共同影响。第二种关联性主要是通过水声对抗系统各分系统的功能关系体现的。探测识别能力与指挥决策能力相互影响；指挥决策能力与平台保障能力作为影响对抗是否有效这一全局的重要因素，与体系中其他指标互有关联。

反映潜艇防御作战效果的指标主要有系统对抗作战能力和系统对抗作战效能两个概念，二者既有区别又有联系。作战能力是指系统完成其任务使命的“本领”或潜力，是系统的整体特性和固有属性，是一个静态的概念；而作战效能是指在给定威胁、条件、环境和作战方案下，系统实现特定作战任务目标的有效程度，是一个动态的概念［6］。可见，系统作战能力是系统的固有属性，是作战效能的基础，而作战效能是作战能力的发挥和外在实现［7～9］，即系统对抗作战能力需要通过作战效能来体现，因此可按图1建立水声对抗作战能力与作战效能指标间的定量关系。反鱼雷对抗作战能力指标由探测识别能力、指挥决策能力、平台保障能力和有效对抗能力四项作战能力指标组成，各项作战能力与作战效能指标间存在对应关系，即可以通过计算作战效能指标值对系统的各种作战能力作出评估。

其中，探测识别能力指系统的鱼雷报警能力，包括识别目标、鱼雷报警和跟踪测量鱼雷等过程，主要由反映系统在不同环境条件下鱼雷报警的最大距离、对鱼雷的测向误差及正确发现鱼雷目标的概率等来表征，分别对应鱼雷报警最大距离、鱼雷报警方位精度、报警正确探测率等效能指标；指挥决策能力指系统对所战场信息态势的综合处理判断能力，包括战场敌我态势的综合分析及对抗决策处理等过程，主要由反映系统对抗决策的快速性、可信性、执行对抗决策的时间响应速度等来表征，分别对应对抗决策快速性、对抗决策可信度和系统反应时间等效能指标。平台保障能力是指平台及对抗系统各装备组成对作战使用的保障支持能力，主要由反映装备性能的可用性、可靠性及平台噪声水平等来表征，分别对应、探测装备故障率、发射装置故障率和平台噪声级等效能指标；有效对抗能力指发射对抗器材、本艇规避机动等对抗措施的实施对对抗成功或对抗效果的贡献率，包括对抗器材对鱼雷的诱骗、鱼雷跟踪器材的航程损耗及最终是否摆脱鱼雷的攻击等过程，主要由潜艇、鱼雷及对抗器材的空间、时间关系及潜艇处于危险的程度等来表征，分别对应有效对抗时间、最大有效对抗距离、最小雷目距离、鱼雷航程消耗、潜艇生存概率等效能指标。

3 基于SEM的水声对抗作战能力评估模型

3.1 SEM的理论、概念及基本形式

SEM理论是一种新型多元统计分析方法，其基本思想是在显变量和潜变量定性关系模型的基础上，通过利用显变量的观测数据将该定性关系模型转换为定量关系模型，并对该定量关系模型不断进行修正直到符合一定的拟合标准。其中潜变量是指蕴含在某个对象中的固有属性，不能被直接观测的因素或特质，是一种无法用现存的方法直接测量的客观存在，但它可以通过显变量体现和测量，比如需要评估的系统作战能力指标；显变量是指可以直接观测或度量的变量，比如系统的作战效能指标。因此可以通过研究作战效能指标对反鱼雷水声对抗作战能力进行评估。

SEM中，除了显变量与潜变量，还分为内生变量与外生变量［10～12］。内生变量是指在一个假定的因果关系模型中，受其他变量影响或被其他变量说明的变量，也称因变量；外生变量是指只影响其他变量而不受其他变量影响的变量，也称自变量。SEM［3］包括测量模型与结构模型两部分。测量模型反映的是显变量与潜变量之间的关系。测量方程为

结构模型反映的是潜变量与潜变量之间的关系。结构方程为

其中：X是由p个外生显变量组成的p×1维向量；Y是由q个内生显变量组成的q×1维向量；Λx是X在ξ上的p×m维负荷矩阵，反应了外生显变量与外生潜变量之间的关系；Λy是Y在η上的q×n维负荷矩阵，反应了内生显变量与内生潜变量之间的关系；δ是由p个测量误差组成的p×1维向量，是外生显变量X的误差量；ε是由q个测量误差组成的q×1维向量，是内生显变量Y的误差量；ξ是由m个外生潜变量组成的m×1维向量；η是由n个内生潜变量组成的n×1维向量；B是由n×n维系数矩阵，表示内生潜变量之间的相互关系；Γ是由n×m维系数矩阵，表示外生潜变量ξ对内生潜变量η的影响；ζ是由n个解释误差组成的n×1维向量，表示结构方程的残差项。

若使用θ代表上述方程中需要估计的未知参数，则SEM的协方差矩阵可表示为∑(θ)，在θ估计出来前，协方差矩阵∑(θ)是无法得到的。通常将样本测量指标数据的协方差矩阵记为S，使S-∑(θ)最小，进而求出参数的估计值，最后便可得到测量方程和结构方程中的系数估计值。

3.2 潜艇水声对抗作战能力评估的SEM

根据图1所示作战能力指标与作战效能关系以及SEM的基本原理，建立变量对应关系，见表1。将测量方程和结构方程关系反映到同一张表中，形成如图2所示的反鱼雷对抗防御作战能力评估的SEM。

表1 各类变量对应关系表

则模型的测量方程为

4 基于SEM的评估方法步骤

式中：p是内生可测变量个数；q是外生可测变量个数。图2中未知参数个数=35，(p+q)(p+q+1)/2=（5+6）（5+6+1）/2=66，按照上述规则建立的模型是可识别的。

2）评估数据的获取。对作战任务及方案进行想定，基于任务想定开展系统作战任务试验（包括仿真试验）获得系统作战效能仿真数据，对数据进行标准化预处理。

潜艇反鱼雷防御作战受作战环境、对抗器材选择使用、战术策略等诸多方面的影响，表现出来的对抗防御作战能力相差甚远，但是使用对抗器材进行防御作战的流程是基本相同的，包含反映防御作战效能的要素也基本一致，因此在对抗能力评估数据获取中应尽可能设置不同的防御作战方案，涵盖不同样式的、大量的、具有代表性的作战案例，以此便可取得多样式作战行动中各阶段的关键效能数据。需要注意的是，防御作战方案要尽可能穷尽系统的各种使用方式，这样每个方案的关键数据对于结构模型参数的估计才最为充分，模型建立才最为科学、准确。但是不可否认，效能数据中有许多是概率类的统计指标，单次或数次海上实航试验难以

对潜艇反鱼雷防御作战能力进行评估，可按照图3所示步骤进行。

1）SEM模型构建和识别。在2.2节水声对抗作战能力评估体系构建的基础上，利用SEM构建潜艇反鱼雷水声对抗作战能力评估模型，使用T规则对其进行识别验证。

在SEM中，共有(p+q)个可测变量，可以得到(p+q)(p+q+1)/2个不同的含有未知参数的方程。因此只要待估计的未知参数的个数t满足下式，SEM就是可识别的。满足此类指标数据的统计要求，通常需要借助解析的方法来实现，因此评估数据的获取主要依靠大量的仿真试验、部分的实航试验以及专家评分相结合的方法。

3）SEM模型的参数估计与模型修正。利用上述作战效能仿真数据求取作战效能指标的协方差矩阵，将其输入系统作战能力评估的SEM中，利用极大似然估计法对模型的参数进行估计，并对估计的参数以及由此得到的SEM进行评估。在SEM中，主要的评估包括参数的检验和模型的拟合程度检验。拟合程度检验又分为拟合程度（χ2统计量）检验、近似误差均方根（RMSEA）检验、标准拟合指数（NFI），非标准化拟合指数（NNFI）、比较拟合指数（CFI）。表3为模型拟合参数的评估标准及检验值。

表3 拟合参数的评估标准表

4）求解反鱼雷水声对抗作战能力指标值并给出评估结论。模型参数估计及评估完成以后，便可得到系统作战效能与作战能力指标的定量关系模型，利用该模型便可求解系统作战能力指标值，给出评估结论。

5 结语

利用SEM对系统的反鱼雷作战能力评估，实际上就是对系统在不同对抗作战方案中反映出的作战能力的评估。其对专家知识依赖度相对较低，且具备对所构建模型的拟合评估功能，所以依据该理论建立的作战效能和反鱼雷作战能力指标定量关系模型具有较强的说服力。但是，由于该模型评估依赖于作战能力指标体系的构建及作战效能指标数据的获取，因此，下步需在指标体系构建合理性和数据获取可行性方面进行研究，通过获取大想定集下的对抗作战仿真试验数据，解决理论模型与数据的匹配问题，提高评估模型的可信度和实际应用的可行性。

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Evaluation of Submarine Anti-torpedo Operational Capability Based on SEM

ZHANG Yongfeng LI Zhiwei
（No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

It is an important part of submarine maritime detense operations to use underwater acoustic countermeasures to de⁃fend the enemy torpedo target，the combat effectiveness reflects the submarine anti-torpedo defense capability directly.The paper constructs an index system between operational capability and operational effectiveness，and the correlation between them is ana⁃lyzed by structural equation modeling method，the method and procedure to evaluate the operational capability of submarine an⁃ti-torpedo defense is given，which has certain reference value for carrying out special operations capability evaluation.

underwater acoustic countermeasure system，structural equation model，operational capability，operational ef⁃fectiveness

T917

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.028

Class Number T917

2017年5月13日，

2017年6月19日

张永峰，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：武器系统试验。李志伟，男，硕士研究生，工程师，研究方向：武器系统试验。