舰艇编队阶段性作战海上油料保障需求预测

2018-10-11吴书金李忠国

兵器装备工程学报 2018年9期

陈日，汪涛，吴书金，全琪,李忠国

(中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401331)

目前，油料保障需求预测理论和模型方法较多。如李少鸣等[1]指出要根据作战装备、编成、样式及环境特点等预测油料保障需求；李横等[2]指出预测方法要尽可能缩小油料保障需求波动区间；李兴明等[3]运用数列灰预测模型预测油料消耗量；刘国进等[4]、林平等[5]运用系数标准法分别预测油料需求量和舰艇编队油料消耗量；赖伟等[6]运用兰彻斯特方程预测飞机战损量，进而预测航空兵作战油料消耗量；倪聪等[7]运用灰色模型与支持向量机预测边境封控油料保障需求；陆思锡等[8]、余小平等[9]、孙涛等[10]运用了基于灰色理论和BP神经网络模型组合预测油料消耗量；龚杰等[11]运用改进粒子群算法对灰色模型、平滑指数模型和广义回归神经网络模型的预测结果加权求和，预测油料消耗量。舰艇编队海上油料保障与地面装备和飞机(直升机)油料保障相比，具有其特殊性，要围绕其战斗编成、作战样式、海况敌情等具体条件进行科学合理的预测。

1 舰艇编队战时海上油料保障概要

油料保障是战斗力生成的重要组成部分，海军油料保障的重点是保障海军的海上作战，在海军后方勤务中占有突出地位。战时海上油料保障可延长舰艇海上作战时间，扩大舰艇作战半径，增强舰艇作战能力，提高舰艇远航生存能力，海上油料保障能力是以舰艇编队为主的多兵种战术集群技、战术运用，火力展开的基础和前提，甚至影响着战争的进程和结局[12]。

1.1 舰艇编队战时海上油料保障特点

1) 油料保障数量较大，时间较长。舰艇油柜的容量普遍较大，世界各国大、中型水面舰艇的容量普遍可达百吨级甚至千吨级。因此，当舰艇远离岸基保障基地执行各项任务时，实施海上油料保障需求的数量较大，保障时间较长。近年来，海军正抓紧实现近海防御型向近海防御与远海护卫型结合转变。随着海军战略转型持续、深入推进，新列装舰艇大吨位化趋势明显，主、副油柜容量明显增加，对及时、准确、高效的实施舰艇海上油料保障提出了新的挑战。

2) 油料保障海域开阔，隐蔽性差。实施海上油料保障的海域远离岸基军港，四面一望无际，既没有天然遮蔽物作为隐蔽屏障，也没有岸基防御体系作为保护，海域开阔，隐蔽性差，易遭敌发现打击，这对海上油料保障的时机选取以及时效性提出了高要求。

3) 油料保障受环境影响较大，有利时机短。舰艇海上油料保障除易受敌方干扰破坏外，也容易遭遇气候、海况等自然因素的影响。如遇气候、海况等自然环境突变，转为恶劣天气，海上油料保障行动也会受影响，甚至中断保障。

1.2 舰艇编队战时海上油料保障主要方法的选用

目前，舰艇海上油料保障主要分为锚(漂)泊补给、航行补给两种方法，新型、隐蔽、高效、适应性极强的水下补给方法处于研究阶段，还没有有效应用的实例。两种海上油料保障方法依据采取的形式、样式之间的区别，又分为多种不同的方法，常用的补给方法共有7种，每种方法的特点各不相同，如表1所示。

由表1可知，舰艇海上油料保障方法中，航行补给的常用方法较多，锚(漂)泊补给的常用方法较少。由于锚(漂)泊补给对隐蔽性要求非常高，因此战时一般不采用这种方法进行油料保障；航行垂直补给要依托直升机完成，补给数量较少、效率较低，战时一般也不采用；战时通常选择航行纵向补给或航行横向补给具体样式中的一种。相比于航行纵向补给，航行横向补给的效率较高，相同时间内补给油料的数量较多，但对海情要求略高。

表1 海上油料保障的常用方法

1.3 舰艇编队战时海上油料保障与平时海上油料保障的区别

舰艇编队战时与平时海上油料保障，作战舰艇所处环境不同，担负任务不同，行动目的不同，区别也较为明显。

1) 舰艇采用的战斗、技术参数不同。舰艇编队作战，战机稍纵即逝，皆采用战时战斗技术参数进行，例如战时百海里油耗、战时小时油耗、战时航速等；而平时海上油料保障考虑到经济性及发动机寿命等因素，采用百海里油耗、小时油耗、标准航速等参数。

2) 海上油料保障方式选取不同。战时海上油料保障，较多选用航行补给方式，在确保战时补给海域隐秘性的同时尽可能提高油料补给效率，再加上海况及气候等因素的影响，补给海域及补给时机的选择具有不确定性；平时海上油料保障，隐秘性要求较低，在海况及气候较好的情况下，一般选用补给效率较高的锚泊补给方式进行，可同时为多艘舰艇加油，油料补给期间补给舰与受油舰艇皆为发动机停机加油，且一般将补给舰艇编入作战舰艇编队进行伴随保障，补给海域选择性较为广泛。

3) 海上油料保障影响因素不同。舰艇编队战时油料需求量要根据海况及气候、作战样式及强度等具体战斗环境因素确定，具有较强的波动性；而舰艇编队平时执行任务或训练，通常选在气候适宜、海况稳定的环境中进行，任务或训练形式及强度相对稳定，各因素对油料需求量的影响相对较低。

2 舰艇编队战时海上油料保障的影响因素

舰艇编队战时海上油料保障受海况及气候、作战样式及强度、作战时间等诸多因素的影响。舰艇编队阶段性作战海上油料保障需求预测一定要充分考虑这些因素对初步预测结果的影响，才能准确预测油料保障需求。

1) 海况及气候。海况指海区物理、化学、生物等性质及其变动情况，包括温度、盐度和密度的分布，水团和大洋环流的分布状况等；在风力作用下，根据视野内海面状况、波峰的形状及其破裂程度和浪花泡沫出现的多少等，把海况共分为10个等级。当其他条件相同时，海况等级越高，舰艇的油料消耗越大，温度越高，气候越干燥，油料的自然损耗越高，在油料补给的过程中也越容易出现气阻等现象，降低油料补给效率。

2) 作战样式及强度。不同的作战样式及作战强度，会导致舰艇发动机处于不同的工作状况，因而导致一段时间内的油料消耗量有所差异。根据作战行动目的、规模和条件，会有多种不同的作战样式，采取的战术、战法也会有所区别，因而影响油料需求量。

3) 作战时间。战时状态下，即使是在非交战时间段，舰艇也存在着油料消耗，在其他条件相同时，作战时间越长，油料的需求量越多；此外，作战时间越长，参战舰艇的数量可能越多，增加油料的需求量。

4) 其他因素。一是人员因素。油料业务人员素质高、业务能力强、技能娴熟，会相对提高油料保障效率，反之降低；二是加油、受油的设备设施工作状态良好，实用性较强，操作简单，也会相应提高油料保障效率，反之降低；战时状态下，也要考虑舰艇的作战损耗。

3 舰艇编队阶段性作战海上油料保障需求预测模型的构建

依据舰艇编队战时海上油料保障影响因素及特点，以3艘舰艇组成的舰艇编队为例，构建舰艇编队阶段性作战海上油料保障需求预测模型。

3.1 背景条件

此次阶段性作战，舰艇编队由集结海域出发，前往作战海域作战；作战过程中，综合补给舰从油料保障基地出发，航行至油料补给海域分别为编队舰艇依次补充油料一次，待第3艘作战舰艇补充完油料后，返回油料保障基地补充油料，油料补充完毕后，此作战阶段结束。

规定：同一时刻至少有两艘编队舰艇在作战海域作战；战时通常不为舰艇补给附属油料，本次油料需求预测只考虑舰艇消耗的液体燃料(主油，下同)，且品种唯一；所有舰艇在油料补给作业时的油料消耗量按照怠速油耗计算，其余阶段的油料消耗量按照战时百海里油耗及战时小时油耗计算，综合补给舰在油料保障基地补充油料为发动机停机加油且不计油料损耗；每次油料补给补充至受油装备主油总储量的90%(安全储量)；此作战阶段没有舰艇损毁。

该作战阶段战场分布如图1所示，海上油料保障时间轴如图2所示。

L1为集结海域至作战海域的距离(100 n mile)；L2为作战海域至油料补给海域的距离(100 n mile)；L3为油料补给海域至油料保障基地的距离(100 n mile)。

TA→TB为舰艇编队从油料保障基地航行至作战海域；TB→TO为舰艇编队作战；TB→TD为补充油料前，三艘舰艇同时在作战海域作战时间，记为t0(h)；TC→TD为综合补给舰从油料保障基地航行至油料补给海域；TD→TE为第一艘编队舰艇从作战海域航行至油料补给海域；TE→TF为综合补给舰为第一艘编队舰艇加油，记为t1(h)；TF→TG为第一艘编队舰艇返回作战海域；TG→TH为第二艘编队舰艇从作战海域航行至油料补给海域；TH→TI为综合补给舰为第二艘编队舰艇加油，记为t2(h)；TI→TJ为第二艘编队舰艇返回作战海域；TJ→TK为第三艘编队舰艇从作战海域航行至油料补给海域；TK→TL为综合补给舰为第三艘编队舰艇加油，记为t3(h)；TL→TM为第三艘编队舰艇返回作战海域；TL→TN为综合补给舰从油料补海域返回油料保障基地；TN→TO为综合补给舰在油料保障基地进行油料补给，记为ts(h)；TA→TO为舰艇编队阶段性作战。

3.2 确立模型

根据上述背景条件，则舰艇编队阶段性作战海上油料保障总需求量为

(1)

Qi为i型舰艇阶段性作战油料需求量；Qs为综合补给舰阶段性作战油料需求量(保障给其他舰艇的油料不计算在该舰需求量之内)。

则有：

(2)

(3)

(4)

(5)

Wi为i型舰艇战时百海里油耗(kg/100n mile)；Ws为综合补给舰战时百海里油耗(kg/100n mile)；Hi为i型舰艇战时小时油耗(kg/h)；Hs为s型舰艇战时小时油耗(kg/h)；Vi为i型舰艇战时航速(100n mile /h)；Vs为综合补给舰战时航速(100n mile /h)；δ为怠速油耗系数，可知 0<δ<1 ；θ为该作战阶段海况及气候、作战样式、强度以及其他影响因素的综合修正系数，一般有θ>1。

将式(2)～式(5)代入式(1)，则有：

(6)

3.3 模型求解

在任意一种给定的实际背景下，Li、Hi、Hs、Wi、Ws皆为已知量，δ、θ可依据舰艇及环境的具体状态确定，t0可依据作战进程确定，都为已知量，Vi、Vs、ti、ts为待求参数(i∈N+)。其中，H、V、W三者之间的关系为

Hi=ViWi

Hs=VsWs(i∈N+)

(7)

则Vi、Vs可求得。根据背景条件，可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

Pi为综合补给舰给i型舰艇加油时的加油速度(kg/h)；Ps为综合补给舰在油料保障基地加油时的加油速度(kg/h)；Bi为i型舰艇燃料油(主油)总储量(kg)；Bs为综合补给舰燃料油(主油)总储量(kg)；Ai为i型舰艇作战阶段开始前燃料油(主油)实际储量(kg)；As为综合补给舰作战阶段开始前燃料油(主油)实际储量(kg)。

Pi、Ps、Bi、Bs、Ai、As皆为已知量。因为t0为已知量，所以将ti、ts看作t0的函数，即：

ti=fi(t0) (i∈N+)

(12)

整理得：

(13)

(14)

(15)

式(15)中，εi、εs通过已知量可直接求得，ti为t0一元一次函数，可求；求得ti后，通过式(11)，ts可求，则Qi、Qs可求，解毕。