单舰反潜目标威胁评估排序模型研究

张弘弨, 王德石, 彭京徽



单舰反潜目标威胁评估排序模型研究

张弘弨, 王德石, 彭京徽

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

针对单舰反潜威胁评估的可信度与效率等问题, 文中研究了潜艇目标的威胁排序规则及威胁评估模型。根据反潜作战特点, 选取描述威胁的指标并建立了威胁评估指标体系。对目标威胁进行评估的基础上, 在采用模糊层次分析法(AHP), 融合了对目标的可攻性判断, 使模型可考虑战场环境目标武器状态等因素。仿真结果表明, 文中方法可准确、快速评估水下目标威胁, 可为水面舰艇编队反潜作战辅助决策提供依据。

单舰反潜; 威胁评估; 排序规则; 模糊层次分析法

0 引言

随着装备技术和信息技术的不断发展, 未来的水下威胁将更加复杂多变, 潜艇将会是水面舰艇的主要威胁。威胁判断是反潜武器系统作战指挥辅助决策的重要环节, 直接影响后续火力通道组织等步骤。为完善水面舰艇辅助决策能力, 提高水面舰艇反潜武器系统作战能力, 需要建立水面舰艇对水下潜艇威胁判断排序模型, 以满足对潜艇目标的实时威胁判断与排序。反潜作战威胁主要来自敌方潜艇及潜艇携带的鱼雷, 由于对潜艇威胁评估属于反潜攻击的范畴, 而对鱼雷威胁评估属于反潜防御的范畴, 故文中在威胁评估中只考虑敌方潜艇威胁。

自20世纪80年代起, 国内外在反潜威胁评估领域开展相关研究工作, 部分成果已应用于水面舰艇作战平台, 由于保密原因, 可查到的资料有限, 而目标威胁评估研究在防空作战及电子战方面可查阅资料较多。目标威胁评估方法主要包括: 多属性决策[1]、专家系统方法[2]、灰色理论[3]、TOPSIS方法[4]、贝叶斯网络[5]、直觉模糊集[6]及多准则妥协解排序法(multicriteria compromise so- lution ranking method, VIKOR)[7]等。王鑫等[7]基于标尺量化函数对定性指标进行量化, 采用VIKOR对电子战目标进行威胁排序, 使得在整体效用最大的同时达到个体遗憾最小, 与实际结合紧密。陈菁等[8]研究提出了基于单舰视角的编队反潜武器系统威胁判断分步排序法, 并通过仿真说明了此方法的正确性和有效性。李亦伟等[9]根据空袭与反空袭战术理论, 应用模糊数学理论、多属性决策方法进行威胁判断, 对空中的威胁目标流进行威胁大小排序。但在可查阅的资料中缺少对于战场环境与目标武器状态的分析。

文中借鉴防空作战威胁评估方法, 采用模糊层次分析法(analytic hierarchy process, AHP), 同时融入对目标鱼雷武器的可攻性判断, 以更加全面合理地分析问题, 采用分级排序法在兼顾准确性和效率的前提下, 解决水面舰艇对水下多目标的威胁评估问题。从而为作战辅助决策提供研究基础。

1 单舰作战条件下的作战态势

为便于威胁评估模型的建立, 需将威胁评估问题简化抽象为数学问题, 首先对敌我双方平台与武器的战术指标、单舰作战条件下的作战态势进行设定, 同时给出代表符号。

假设敌我平台与武器的战术指标如下:

1) 我方舰艇具备一定的反潜能力, 反潜武器有效作战半径R, 预警机与声呐在内的有效主动探测距离L;

2) 舰艇水下威胁来自敌方两型潜艇, 其中, Ⅰ型潜艇最大航速I、管装重型鱼雷最大载弹量1枚、携带鱼雷的航速VI、有效射程RI; Ⅱ型潜艇最大航速Ⅱ、管装重型鱼雷最大载弹量2枚、携带鱼雷的航速VⅡ、有效射程RII。

在建立敌我平台与武器战术指标的基础上, 对目标态势进行假定。在仅仅考虑单舰作战的情形下, 为了研究水下目标威胁, 考虑不失一般性, 假定威胁目标分布如图1所示。

图1 作战态势假定图

作战态势如下:

1) 作战海域深度H; 海况N级, 水文条件良好;

2) 1艘我方舰艇执行反潜任务, 保持航速V, 航向C行驶;

3) 以当前我方舰艇位置为坐标原点, 以正北方为建立平面坐标系;

敌我双方成对抗态势, 敌方潜艇群欲对我舰进行攻击, 我舰针对当前态势进行反潜作战, 并依据作战态势中敌方潜艇的距离、方位、航速、航向、深度以及鱼雷储量和鱼雷航速等要素对来袭目标进行威胁评估。

2 目标威胁属性分析

目标威胁排序结果是由当前战场环境下敌我双方的多种属性共同决定的, 故可采用多属性决策法来考虑该问题。将1个潜艇目标看作1个备选方案, 方案集由所有潜艇目标构成, 决策准则是潜艇目标对我舰的威胁程度。威胁排序的影响因素考虑2个方面: 目标对我舰的攻击意图和目标的作战能力。

1) 目标攻击意图属性(a,H)

目标对我舰的相对航向与敌我连线间的夹角称作目标攻击角a。潜艇群作战的战术战法主要有区域游猎方式、阵地伏击方式、潜艇幕方式和引导截击方式[10]。除区域游猎方式和阵地伏击方式外, 以其他方式对水面舰艇进行打击时, 首先需要占领射击阵位, 此时潜艇威胁与攻击角有关; 潜艇以阵地伏击方式或区域游猎方式对水面舰艇进行打击时, 需提前在其预计航路上进行隐蔽, 待其进入攻击范围后实施打击, 此时潜艇威胁与攻击角无关, 而与我舰是否进入目标攻击半径内有关。故当敌我距离小于目标鱼雷射击半径, 即当D<R时, 目标威胁最高且与攻击角无关;当敌我距离大于等于目标鱼雷射击半径, 即当D≥R时, 目标威胁与攻击角有关, 且当目标航向直指我舰时, 目标具有高概率占领射击阵位, 威胁较高; 反之, 威胁就较小。攻击角可反映目标对我舰的攻击意图, 其也为威胁因素之一。

潜艇按照航行深度不同可分为水面航行状态、半潜航行状态、潜望深度航行状态及工作深度航行状态[11]。以目前的技术还无法对潜艇的深度进行探测, 在此仅将深度分为水面航行状态(半潜航行状态)和非水面航行状态2类。当目标深度H=0时, 潜艇处于水面航行状态和半潜航行状态时, 潜艇不具备作战能力, 威胁极低; 当H>0时, 潜艇处于非水面航行状态, 此时潜艇作战性能最佳, 对我舰攻击意图明显。目标深度可反映目标对我舰的攻击意图, 故将其作为威胁因素之一。

2) 目标作战能力属性(type,K)

目标作战能力需由作战平台的作战能力和武器系统的作战能力共同决定, 在此考虑目标类型type和目标对我舰的毁伤能力K两方面。

以动力方式为标准, 将type划分为核动力潜艇和常规动力潜艇。我舰可通过声呐探测得到的数据推断出目标类型[12]。对目标类型的考虑实际上是对作战平台作战能力的考虑, 不同类型目标的机动性和隐蔽性不同, 故对我舰所造成的威胁不同。将type作为威胁因素之一。

K是对目标武器系统作战能力的反应, 在此只考虑鱼雷武器系统。目标的作战能力最终由末端的毁伤效能反映, 但必须具有可攻性, 因而需进行武器可攻性判断, 由于可攻性判断是主观判断目标对我舰进攻的可能性, 故当且仅当我方能够确定目标在当前状态下无法进攻时, 才可排除目标可攻性, 其余情况按照目标具有可攻性计算。

目标对我舰可攻性判断在此考虑剩余弹药数量、目标携带武器的作战海区深度和作战海况。剩余弹药数量直接决定目标火力通道的选择, 潜艇上装备的鱼雷数目较少, 容易计数, 若某潜艇弹药用尽, 则鱼雷武器系统无法使用。目标武器的作战海区深度和作战海况两项指标直接决定武器系统是否可用, 若达不到反潜武器发射条件, 则该武器通道不可用, 此时目标对我舰威胁很小。

在鱼雷武器毁伤能力上, 同时综合我舰声呐所能探测到的信息, 将目标在当前位置发射鱼雷到鱼雷到达距我舰鱼雷拦截半径所用的时间称作我舰的防御时间, 以此作为鱼雷武器毁伤能力的评判依据, 并用t表示。t越小, 留给我舰的防御时间越短, 威胁越大。将武器系统作战能力作为一个威胁因素。

以上分析了4项水下目标威胁因素的判断属性, 从不同方面反映了目标的威胁程度。4项因素构成决策的属性集可以较全面地描述目标的威胁程度。即

采用AHP法递阶层次结构表示见图2。

3 目标属性权值

由于威胁程度没有明确的定义, 具有模糊性, 故可采用模糊数学的方法对其进行定量描述。对基于多属性决策的威胁评估属性用模糊集表示, 属性值由隶属函数刻画。

根据潜艇在不同深度下航行状态的特点, 可对深度威胁隶属度函数进行如下设定

规定目标攻击角α是以我舰与目标连线为基准, 顺时针方向为正, 则以我舰为参考系目标的相对速度方向

式中:C为目标相对我舰航向;V为目标的速度;C为目标的航向;V为我舰速度;A为目标相对我舰方位。

式中:=1;=0。

核动力潜艇用type(Ⅰ)表示, 常规动力潜艇用type(Ⅱ)表示, 由于该指标需通过水声信息推断得到, 获取难度较大, 在此规定若目标型号未知则按照最恶劣情况考虑。综合考虑2类潜艇性能, 假定目标类型威胁隶属度函数为

目标武器可攻性系数用表示。=0表示该武器在当前状态下不可攻;=1表示该武器在当前状态下可攻, 若对目标的可攻性不明确, 按照目标可攻计算。剩余弹药可攻性系数、海区深度可攻性系数、作战海况可攻性系数分别用1、2和3表示, 则有

对剩余弹药进行可攻性判断时, 剩余1枚及以上鱼雷时威胁值视为1, 当该目标没有鱼雷时威胁值视为0, 若目标剩余弹药量未知则按照剩余弹药充足计算。目标鱼雷剩余量可攻性系数

鱼雷对作战海区深度和作战海况要求较大, 通常管装鱼雷的作战海区深度大于40 m, 若对于目标作战海况小于5级, 作战海区深度可攻性系数为

作战海况可攻性系数

我舰防御时间t可由解析法求解。通常舰艇的鱼雷拦截半径为3 km, 从鱼雷报警至助飞式干扰器入水正常工作时间通常不大于60 s, 若防御时间小于60 s, 则我舰难以有效防御; 通常目标采用鱼雷对我舰进行打击的有效射程为15 km, 当目标距离大于15 km后鱼雷命中概率较低, 当目标距离大于22.5 km后认为对我舰威胁很低, 此时我舰防御时间为750 s。设定当t≤60 s时,µ()=1, 当t≥750 s时,µ()=0。若因目标携带的鱼雷性能未知而无法计算防御时间时, 以该目标可能携带的性能最优鱼雷计算。目标杀伤能力隶属度函数可采用岭形分布中的偏小型分布[13], 其函数

式中:1=60 s;2=750 s。

由式(7)和式(11)得目标杀伤能力隶属度函数

则目标的威胁属性模糊集

而各属性的相对重要程度是不同的, 在评估值中所占的权重也不同, 需确定各属性的权值。设由各权值组成的权向量

可采用AHP法和专家打分的方法获得各属性的权值。这里采用AHP法中最小偏差的模糊互补判断矩阵排序方法[14], 各属性权值矩阵表示为

建立模糊互补判断矩阵。专家对上述4个属性进行两两比较, 按互补型0.1~0.9进行赋值, 最小步长为0.05, 判断矩阵赋值对应含义见表1。

表1 判断矩阵赋值含义表

给出模糊互补判断矩阵

为保证模糊互补判断矩阵满足一致性要求, 对模糊互补判断矩阵进行一致性评判。经计算一致性比例=/=0.0019<0.1, 故模糊互补判断矩阵满足一致性要求。由模糊互补判断矩阵B计算属性权重

计算目标的威胁值

4 目标威胁等级划分及排序

在单舰作战中, 整个反潜作战只能靠本舰自身的武器系统进行, 目标的威胁排序只有在我舰有效射程范围以内才有意义。根据我舰有效射程范围可将目标分为两级。

设我舰向C方向以某一航速V航行, 此时刻目标在我舰方位为A、距离为D, 以航向C、航速V航行, 将我舰火箭助飞鱼雷单雷射击命中概率为80%的距离作为我舰有效射程, 用R表示, 如图3所示。

由于威胁判断是为下一步火力通道组织做准备, 故以我舰有效舰射程R作为划分目标威胁指标,比较敌方目标与我舰距离D与R的大小, 若

图3 目标威胁等级划分判断示意图

I级威胁表示此刻威胁目标在我舰有效攻击范围之内。由于我舰可直接对目标进行有效打击, 故此类目标的威胁排序整体靠前。I级威胁目标的排序准则为目标的威胁值, 即越大, 在I级威胁内排序越靠前;越小, 在I级威胁内排序越靠后。

II级威胁表示此刻目标在我舰攻击范围之外, 由于我舰不可直接对目标进行有效打击, 威胁排序整体靠后。II级威胁目标的排序准则为II级威胁目标变为I级威胁目标的时间, 用T表示, II级威胁目标按T从小到大进行威胁排序。

T的计算方法如下: 在直角坐标系中, 以我舰为参考系, 目标相对我舰航向为C, 目标相对我舰的速度为V, 则目标相对航向

相对速度

式中:V为目标航速;V为我舰航速。

由解析法可得到我舰位置坐标

式中, (X,Y)表示目标当前位置坐标。

解方程组: 若方程组无解, 则认为当前态势条件下该敌舰艇无法到达我舰有效射程以内, 即该目标对本见威胁较小; 若存在一个解, 则以该点计算时间T; 若存在(1,1)和(2,2)2个解, 需选取目标较早到达的一点计算时间T, 则

取=min(1,2), 则时间

综上, 水面舰艇反潜威胁评估的排序原则为: I级目标的威胁程度大于II级目标, I级目标靠前。I级目标内部按照威胁值由大到小排序; II级目标排序时, 将有解的排在前, 无解的排在后; 其中, 有解目标按照按T从小到大进行威胁排序, 无解威胁目标按敌我距离由小到大排序。

5 案例与分析

据第1章作战态势假定, 给定敌我双方平台及武器系统的性能参数: 有效作战半径R=30 km, 有效主动探测距离L=40km; Ⅰ型潜艇最大航速I=25kn, 所携带管装重型鱼雷最大载弹量6枚, 航速VI50 kn, 有效射程RI=15 000 m; Ⅱ型潜艇最大航速Ⅱ=20 kn, 有效射程RⅡ=15000 m,所携带管装重型鱼雷最大载弹量6枚, 鱼雷航速VⅡ=45 kn。以此为基础对以下案例进行分析。

案例1: 在某一时刻, 我方舰艇所处海域深度800 m, 海况3级, 水文条件良好, 以航速V= 18 kn、航向C=0°行使。我方声呐发现水下来袭目标, 显示如图4所示。目标方位、距离、深度、目标方位及其他属性如表2所示。

图4 作战态势图

表2 假定目标参数表

采用文中给出的方法, 根据第3章和第4章建立的威胁模型对假设背景中的敌方潜艇进行威胁判断。输出威胁评估结果如表3所示。

在图4中比较目标1、2和3, 影响3个目标威胁值的主要原因是与我舰的距离不同, 在3个目标中只有3与我舰的距离D1大于15 km, 故1在攻击意图和毁伤能力方面的威胁较2和3低,1较2、3相差较大, 而2和3由于目标类型和毁伤能力不同存在一定的差距, 故2较高; 比较目标1、4, 二者主要的差别是攻击角的不同,α1=71.6°, α4=0.23°, 故4较高; 比较目标3和5,5弹药余量为0, 对我舰不可攻, 而3弹药余量充足, 故3高于5; 目标6处于攻击的绝佳位置, 但由于某种原因上浮至水面, 故攻击意图下降很多, 但由于弹药余量充足, 不排除会重新下潜对我舰进行打击的可能性, 故6比2小, 但总威胁值仍较高。

表3 战场环境满足可攻性判断的目标威胁排序表

若在武器杀伤能力属性中不考虑可攻性判断或威胁排序过程中不进行分级排序, 其他步骤与该方法一致, 则输出威胁评估结果见表4。比较表3和表4, 对各目标从威胁值和威胁排序上进行比较可得到:5的威胁值有大幅上升, 威胁排序由4上升至2。原因为: 在不考虑可攻性判断的威胁评估下,5此时具备攻击能力且已占领射击阵位, 故威胁值高。实际上5的鱼雷剩余量不足以支持其完成打击, 故威胁值较与其作战状态类似而剩余弹药量不为0的3、6应偏低, 故在武器杀伤能力属性中不考虑可攻性判断会导致判断排序有误。表5为不考虑目标分级的目标威胁排序。

表4 不考虑可攻性的目标威胁排序表

表5 不考虑目标分级的目标威胁排序表

比较表3和表5, 对各目标从威胁排序上进行比较可得到:8威胁排序由7上升至5。原因为:8处于我舰必经的航道, 疑似对我舰上采取阵地伏击战术, 在不进行分级的威胁排序下威胁值较高, 但8处于我舰攻击范围之外, 我舰无法对其进行打击, 应排于我舰攻击范威内的1、4之后。故分级排序在此较为合理。

案例2: 在案例1的基础上, 将海况改为6级, 其他条件即参数不变。根据文中的威胁评估模型对假设背景中的敌方潜艇进行威胁排序, 威胁排序输出结果如表6。

表6 战场环境不满足可攻性判断的目标威胁排序表

在6级海况下, 所有目标的管装鱼雷武器均不可攻, 此时杀伤能力属性µ()=0, 威胁评估应仅与攻击角、深度和目标类型有关。综合比较目标的这3项属性, 表6的输出结果与经验相符。

6 结束语

针对水面舰艇作战辅助决策中的目标威胁评估问题, 采用了多属性决策与模糊理论法相结合的方法对水下潜艇目标进行威胁排序研究。在试验中: 案例1检验并比较了相同态势不同评估方法下的威胁评估结果, 所提出的威胁评估方法分别与未进行威胁等级划分的评估方法和不进行可攻性判断的评估方法进行对比; 案例2检验并比较相同评估方法不同态势两组仿真试验, 重点对比了战时海况和海区深度对潜艇目标威胁评估结果的影响。试验结果表明, 该方法较传统的评估方法考虑的因素更多, 评估结果更合理, 能够准确、快速地评估水下目标威胁, 为反潜作战辅助决策提供支持, 为多舰协同作战下的威胁评估打下基础。

下一步研究可讨论在综合考虑多种反潜武器系统与信息传输效率下的威胁评估模型, 以提高模型的准确性及效率。

[1] Chen S J, wang C L. Fuzzy Multiple Attribute Decision Making: Methods and Applications[M]. German: Springer, 1992: 289-486.

[2] Johnson W T, Dall I W. From Kinematics to Symbolics for Situation and Threat Evaluation[C]//Information, Decision and Control, 1999. IDC 99. Edmonton, Alberta, Ca- nada: IEEE, 1999: 497-502.

[3] 罗乐, 夏斌, 张锦春. 基于组合赋权灰色关联投影的通信目标威胁评估[J]. 火力与指挥控制, 2015, 40(11): 87-90. Luo Le, Xia Bin, Zhang Jin-chun. Evaluation of Comm- unicate Targets Threat Based on Combination Weighting and Grey Relation Projection Method[J]. Fire Control & Command Control, 2015, 40(11): 87-90.

[4] 王海洋, 代立超, 李霖. 基于TOPSIS法的电子侦察目标威胁评估[J]. 舰船电子对抗, 2013, 36(6): 106-108, 120.Wang Hai-yang, Dai Li-chao, Li Lin. Threat Evaluation of Electronic Reconnaissance Target Based on TOPSIS[J]. Ship-board Electronic Countermeasure, 2013, 36(6): 106- 108, 120.

[5] Yu Z, Chen Z, Zhou R. Study on Algorithm of Threat Level Evaluation Based on Bayesian Network[J]. Acta Simulate Systematical Sonica, 2005, 3(4):33-45.

[6] 陈云翔, 蔡忠义, 张诤敏, 等. 基于证据理论和直觉模糊集的群决策信息集结方法[J]. 系统工程与电子技术, 2015, 37(3): 594-598.Chen Yun-xiang, Cai Zhong-yi, Zhang Zheng-min, et al. Method for Group Decision-making Information Integra- tion Based on Evidence Theory and Intuitionistic Fuzzy Set[J]. Systems Engineering and Electronics, 2015, 37(3): 594-598.

[7] 王鑫, 吴华, 赵玉. 电子战目标威胁评估的折衷排序方法[J]. 电光与控制, 2013, 20(8): 14-17.Wang Xin, Wu Hua, Zhao Yu, et al. A Compromise Sor- ting Method for Electronic Warfare Target Threat Assess- ment[J]. Electronics Optics & Control, 2013, 20(8): 14- 17.

[8] 陈菁, 何心怡, 高贺, 等. 水面舰艇编队反潜武器系统架构与关键技术[J]. 指挥控制与仿真, 2016, 38(6): 12-15.Chen Jing, He Xin-yi, Gao He, et al. Structure and Key Technologies of Anti-submarine Weapon System for Sur- face Warship Formation[J]. Command Control & Simul- ation, 2016, 38(6):12-15.

[9] 李亦伟, 杨文亮. 水面舰艇火力兼容技术研究[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(1): 21-22.Li Yi-wei, Yang Wen-liang. Research on Technique of Fi- re-power Compatible for Warship[J]. Ship Electronic Engineering, 2009, 29(1): 21-22.

[10] 邹侃, 郭鹏程. 潜艇伏击阵地设置优化研究[J]. 科技创新导报, 2008(12): 200-201.

[11] 屈也频. 反潜巡逻飞机搜潜辅助决策系统建模与仿真研究[D]. 湖南: 国防科学技术大学, 2008.

[12] 朱慧, 杨秀庭. 舰载声呐及作战使用[M]. 大连: 海军大连舰艇学院出版社, 2008.

[13] 胡方, 黄建国, 董仲臣. 鱼雷效能模糊综合评估方法研究[J]. 鱼雷技术, 2007, 15(2): 52-56.Hu Fang, Huang Jian-guo, Dong Zhong-chen. Compre- hensive Fuzzy Evaluation of Torpedo Operational Effectiveness[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(2): 52-56.

[14] 陈辉, 龚奇. 基于整体作战效能的目标威胁排序[J]. 电子科技, 2013, 28(7): 97-100.Chen Hui, Gong Qi. Threat Ordering Method Based on Overall Combat Effectiveness[J]. Electronic Science and Technology, 2013, 28(7): 97-100.

Research on Target Threat Assessment and Ranking Model of Single Ship against Submarine

ZHANG Hong-chao, WANG De-shi, PENG Jing-hui

(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

Aiming at the threat assessment reliability and efficiency of single ship against a submarine, the threat ranking rules and threat assessment model of submarine targets are studied. According to the characteristics of anti-submarine operation, the specifications describing threat are selected and the specification system of threat assessment is established. Based on the fuzzy analytic hierarchy process(AHP) method, the attacking judgment of the target is fused, so that the model can consider the factors such as the state of the target weapon in the battlefield environment. The simulation results show that the proposed method can be used to assess underwater target threats accurately and quickly. It provides the research foundation for developing the command and decision-making system of surface warship formation anti-submarine operation.

single ship againstsubmarine; threat assessment; ranking rule; fuzzy analytic hierarchy process

张弘弨, 王德石, 彭京徽. 单舰反潜目标威胁评估排序模型研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 37-44.

TJ630;E911

A

2096-3920(2019)01-0037-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.007

2018-07-16;

2018-11-21.

张弘弨(1993-), 男, 在读硕士, 主要从事兵器发射与动力推进技术研究.

(责任编辑: 杨力军)