毛 鈺 吉春生

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266042）

1 引言

所謂遠(yuǎn)程魚雷，是指航程在百公里或者百公里以上，具有可控引信，能夠智能制導(dǎo)和遠(yuǎn)距離探測(cè)的重型魚雷［1］。與一般意義上的魚雷相比，遠(yuǎn)程魚雷具有攻擊距離遠(yuǎn)，可預(yù)先投放等特點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)以兵器機(jī)動(dòng)代替發(fā)射平臺(tái)機(jī)動(dòng)，可對(duì)平臺(tái)難以或無(wú)法接近敵區(qū)域進(jìn)行攻擊，同時(shí)也提高了發(fā)射平臺(tái)的安全性［2］。由于遠(yuǎn)程魚雷這些特性，就需要進(jìn)行從發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)位置區(qū)域的全程航路規(guī)劃，選擇一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的能夠避開(kāi)障礙物的最優(yōu)航行線路，才能最大化的發(fā)揮魚雷的作戰(zhàn)效能。

現(xiàn)階段航路規(guī)劃有很多種算法［3］，如：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火法、最優(yōu)控制法、啟發(fā)式搜索法、遺傳算法、蟻群算法等等，各種算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，算法的優(yōu)劣主要取決于算法的快速性、算法求出解的最優(yōu)性。本文運(yùn)用遺傳算法，綜合考慮航路距離和航路安全性，對(duì)遠(yuǎn)程魚雷的航路進(jìn)行規(guī)劃，并對(duì)算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。

2 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃

2.1 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃的基本含義［4］

遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃，是指在綜合考慮作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標(biāo)基本性能及運(yùn)動(dòng)要素、遠(yuǎn)程魚雷基本性能、作戰(zhàn)海區(qū)相關(guān)情況和航行時(shí)間等各種約束因素條件下，找到一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或最佳的可行航行軌跡。遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃也稱任務(wù)規(guī)劃，是指揮員根據(jù)作戰(zhàn)目的、戰(zhàn)場(chǎng)情況和敵方艦艇的機(jī)動(dòng)能力，選擇魚雷從發(fā)射出管后到預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)航路的規(guī)劃方法，從而為指揮員實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)術(shù)意圖提供良好的技術(shù)支撐。隨著魚雷航程的不斷增大，航路規(guī)劃在遠(yuǎn)程魚雷的作戰(zhàn)運(yùn)用中起著越來(lái)越重要的作用。該規(guī)劃包括選定魚雷航向、航速、航路點(diǎn)及末段自導(dǎo)方式，通過(guò)合理設(shè)置魚雷的航路規(guī)劃點(diǎn)，指揮員可以對(duì)目標(biāo)實(shí)施多方向攻擊和飽和攻擊，或通過(guò)繞過(guò)敵方的嚴(yán)密防空區(qū)提高魚雷的命中能力，實(shí)施隱蔽攻擊。目前，潛射遠(yuǎn)程魚雷具有航路規(guī)劃功能，在魚雷航程及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)允許的情況下，潛艇指揮員可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)意圖及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，靈活設(shè)定魚雷的航路點(diǎn)，以充分發(fā)揮魚雷的作戰(zhàn)效能。

2.2 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃的特性

與其他魚雷武器相比，遠(yuǎn)程魚雷作為一種新形勢(shì)下產(chǎn)生的信息化武器，通過(guò)航路規(guī)劃具有一定的特性［4～5］，主要有：

1）“火力機(jī)動(dòng)”攻擊能力?？梢栽O(shè)置多個(gè)航路點(diǎn)，以“火力機(jī)動(dòng)”代替“兵力機(jī)動(dòng)”對(duì)目標(biāo)實(shí)施多方向、多航路飽和攻擊，攻擊時(shí)可以避開(kāi)島嶼、敵方兵力密集區(qū)，增加武器的突防能力。

2）發(fā)射平臺(tái)及魚雷的隱蔽性提高。遠(yuǎn)程魚雷經(jīng)過(guò)各個(gè)航路點(diǎn)轉(zhuǎn)向后可從敵目標(biāo)意想不到的方向發(fā)起攻擊，不僅提高了攻擊的突然性，減少了敵抗擊時(shí)間，而且攻擊方向與發(fā)射平臺(tái)的位置沒(méi)有必然的聯(lián)系，敵方很難通過(guò)攻擊方向判斷出發(fā)射平臺(tái)的概略位置，有利于兵力的隱蔽行動(dòng)。發(fā)射平臺(tái)可以充分利用島岸等有利地形為掩護(hù)，或者在我方兵力控制范圍內(nèi)發(fā)射遠(yuǎn)程魚雷對(duì)目標(biāo)實(shí)施火力機(jī)動(dòng)打擊，有效提高攻擊的隱蔽性和攻擊兵力的生存能力。

3）對(duì)信息的需求更高。由于魚雷航程、航時(shí)的加大，魚雷的發(fā)射出管后，需要相關(guān)指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確導(dǎo)引定位，并適時(shí)進(jìn)行信息的傳遞，保障魚雷能安全到達(dá)攻擊區(qū)域，從而對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊。

3 遺傳算法應(yīng)用條件及概述

3.1 應(yīng)用條件

在用該算法做航跡規(guī)劃時(shí)，本文有以下假設(shè)：

1）遠(yuǎn)程魚雷通常由發(fā)射平臺(tái)發(fā)射，然后進(jìn)入一定深度自主航行，因此航路規(guī)劃可以建立在二維平面的基礎(chǔ)上。

2）遠(yuǎn)程魚雷的環(huán)境威脅主要考慮島礁、碼頭等障礙物的威脅。根據(jù)各自相應(yīng)的形狀特點(diǎn)，可以將島礁碼頭等障礙物簡(jiǎn)化成規(guī)則圖形表示的威脅區(qū)域。通過(guò)對(duì)威脅的簡(jiǎn)化處理，得到相應(yīng)深度的威脅分布平面，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行航路規(guī)劃。

3.2 算法概述

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制的一種算法，即遵循適者生存、優(yōu)勝劣汰的法則，也就是尋優(yōu)過(guò)程中有用的保留，無(wú)用的則去除。在科學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)為，在所有可能的解決方法中找出最符合該問(wèn)題所要求的條件的解決方法，即找出一個(gè)最優(yōu)解［6］。本文在算法設(shè)計(jì)中提出一種基于Voronoi圖的遺傳優(yōu)化算法

1）首先根據(jù)已知的威脅分布情況，構(gòu)造出威脅及障礙分布的 Voronoi圖［7］；

2）根據(jù)威脅及障礙邊界點(diǎn)，得出基本航路集合；

3）在Voronoi圖的基礎(chǔ)上，用遺傳算法計(jì)算得出最優(yōu)航路。

4 算法的描述

4.1 Voronoi圖的構(gòu)造［7～8］

綜合考慮遠(yuǎn)程魚雷從發(fā)射出管后到目標(biāo)位置區(qū)域整個(gè)航行過(guò)程中可能航路的地域威脅和障礙發(fā)布，構(gòu)造出威脅及障礙分布的Voronoi圖，如圖1所示。

圖1 威脅及障礙分布Voronoi圖

圖中，S為起點(diǎn)，Z為終點(diǎn)，陰影部分為威脅分布區(qū)域，圖中虛線即為Voronoi邊，連接出發(fā)點(diǎn)到就位點(diǎn)的這些Voronoi邊的組合，中間構(gòu)成基本航路集合。Voronoi圖的中間點(diǎn)構(gòu)成基本路徑的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，即中途主要的航路點(diǎn)。路徑規(guī)劃的任務(wù)是找出從出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)魚雷能回避敵方威脅，安全到達(dá)攻擊區(qū)域?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)構(gòu)造Voronoi圖，將路徑規(guī)劃問(wèn)題從多維空間的搜索問(wèn)題簡(jiǎn)化到二維空間搜索的問(wèn)題，即路徑規(guī)劃只要在Voronoi圖所確定的路徑集合中進(jìn)行，避免了直接使用遺傳算法求最優(yōu)解的盲目性，可以較容易的找出局部最優(yōu)解，克服了遺傳算法局部尋優(yōu)能力不足的特點(diǎn)，提高了計(jì)算效率。

4.2 使用遺傳算法進(jìn)行路徑選擇［11～13］

4.2.1 編碼

算法的編碼方式，直接關(guān)系到算法的可行性和效率。本文對(duì)遠(yuǎn)程魚雷的航行區(qū)域在Voronoi圖的基礎(chǔ)上采用坐標(biāo)系表示。定義航路的起點(diǎn)S為坐標(biāo)的原點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)的連線為橫軸，其垂線為縱軸。這樣，在Voronoi圖所確定的路徑集就都可以表示成由若干個(gè)坐標(biāo)系上的點(diǎn)組成。假設(shè)航路上的航點(diǎn)為S，S0，S1，S2…Si…Z，其中S，Z分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)，不參與編碼。Si為第i個(gè)航點(diǎn)，i＝1，2，3，…N。這樣航線上的某個(gè)位置點(diǎn)就可以表示為坐標(biāo)點(diǎn)。

取各障礙物的邊角為臨界區(qū)域點(diǎn)，就可以避免魚雷航行中與障礙物和威脅區(qū)域接近發(fā)生碰撞。選Mi作為基因值，則M1，M2，M3，…MN為一個(gè)染色體。

4.2.2 適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)

遺傳算法中，計(jì)算得到的結(jié)果是通過(guò)適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)的，因此適應(yīng)度函數(shù)的確定就是將航路規(guī)劃時(shí)的因素和要求包含進(jìn)去。適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)決定了最優(yōu)解的要求和算法的收斂性，這里采用的適用度評(píng)價(jià)函數(shù)包含的航路安全系數(shù)和航程［5］。

安全系數(shù)主要考慮魚雷在航行中能否避開(kāi)障礙物或威脅區(qū)域，假設(shè)障礙物是圓形區(qū)域，半徑為r，航路到障礙物中心點(diǎn)的距離為d，則安全系數(shù)可表示為

適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)可以表示為

式中，L定義為航路總航程；Mi，i＋1定義為位置點(diǎn)Mi到Mi＋1之間的距離；ki定義為安全系數(shù)，介于0～1之間，當(dāng)ki越趨于0，安全性越低，也就是航路越靠近威脅區(qū)域；反之，越趨近于1，安全性越高，但航程越大。

5 計(jì)算機(jī)仿真

通過(guò)算法設(shè)計(jì)，采用VC語(yǔ)言進(jìn)行仿真計(jì)算，考慮ki的取值，分別選取不同的安全性和航程。算法采用三個(gè)基本遺傳算子：選擇，交叉和變異。設(shè)定的仿真參數(shù)為：群體大?。?00，進(jìn)化代數(shù)為200，交叉概率＝0.7，變異概率＝0.1。仿真結(jié)果如圖2及圖3所示：

圖2 重視航程的方案

圖3 重視安全性的方案

6 結(jié)語(yǔ)

隨著魚雷航程的不斷加大，航路規(guī)劃問(wèn)題將成為提高魚雷作戰(zhàn)效能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文提出了基于Voronoi圖的遺傳優(yōu)化算法，對(duì)遠(yuǎn)程魚雷這型信息化武器的航路規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，通過(guò)仿真結(jié)果證明，這個(gè)算法設(shè)計(jì)是可行的，便于遠(yuǎn)程魚雷的優(yōu)化控制和實(shí)時(shí)航路規(guī)劃，有利于進(jìn)一步的研究。

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