陳 菁,何心怡,張思宇,程善政

(海軍研究院,北京 100161)

水面艦艇編隊(duì)火力通道組織指水面艦艇編隊(duì)在保證使命任務(wù)的前提下,綜合水下態(tài)勢(shì)和編隊(duì)反潛武器信息,進(jìn)行最優(yōu)武器通道組織的過程。水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織是編隊(duì)反潛作戰(zhàn)能力、編隊(duì)使命任務(wù)和指揮員作戰(zhàn)意圖的綜合體現(xiàn),其實(shí)質(zhì)是最優(yōu)武器通道組織。如何在確保編隊(duì)安全的前提下,高效率、高效能地對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行火力通道組織是需要重點(diǎn)研究的問題。

因此,針對(duì)水面艦艇編隊(duì)反潛作戰(zhàn)條件下多目標(biāo)的最優(yōu)武器通道組織問題,本文采用可攻性判斷方法和多目標(biāo)決策方法,提出了基于層次分解法的編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織方法,運(yùn)用兩種火力通道組織方法進(jìn)行建模仿真,驗(yàn)證了方法的正確性與有效性。

1 編隊(duì)火力通道組織原則

由于編隊(duì)反潛火力通道數(shù)量繁多,分配過程中不僅要考慮火力通道與目標(biāo)的分配,還需考慮協(xié)同難度、資源沖突等問題。水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織原則是研究編隊(duì)火力通道組織的重要依據(jù)?；谑姑蝿?wù)的編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織研究應(yīng)遵從以下原則:

1)時(shí)效性:編隊(duì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后應(yīng)快速進(jìn)行火力通道組織,搶占有利時(shí)機(jī),具備先發(fā)制敵條件;

2)高效性:主要包含兩個(gè)方面,一是盡可能多地打擊目標(biāo),二是盡可能選擇具備高作戰(zhàn)效能的火力通道組織方[1];

3)高效費(fèi)比:盡可能使用較少武器達(dá)到預(yù)期反潛作戰(zhàn)效果;

4)攻擊連續(xù)性:編隊(duì)作戰(zhàn)不是分時(shí)段的,而是連貫的,進(jìn)行火力通道組織時(shí)要考慮多輪打擊的攻擊連續(xù)性[2]。

2 編隊(duì)火力通道組織方法

水面艦艇編隊(duì)是由數(shù)艘水面艦艇組成的,編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)和成員艦級(jí)反潛武器系統(tǒng)屬于上下級(jí)的關(guān)系。為了避免資源沖突、更加便捷地進(jìn)行水面艦艇編隊(duì)的火力通道組織,運(yùn)用層次分解[3]的思想,把復(fù)雜問題簡(jiǎn)化:先按就近原則由一級(jí)系統(tǒng)(編隊(duì)反潛武器系統(tǒng))將目標(biāo)分配給二級(jí)系統(tǒng)(艦級(jí)反潛武器系統(tǒng)),再由二級(jí)系統(tǒng)根據(jù)已經(jīng)成熟的艦級(jí)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分配。

圖1是多層次分解的水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織決策步驟圖。如圖所示,基于多層次分解的編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織執(zhí)行流程具體分為以下三步:1)初始目標(biāo)分配,即依據(jù)就近原則將目標(biāo)分配到艦;2)對(duì)攻潛方案進(jìn)行可攻性判斷,篩選可行方案;3)通過評(píng)估指標(biāo)多目標(biāo)決策方法,擇選編隊(duì)最優(yōu)火力通道組織方案,并輸出火力通道組織結(jié)果。

3 火力通道可攻性判斷

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和反潛武器自身狀態(tài)直接影響火力通道組織方案的生成[4]。進(jìn)行可攻性判斷采用可攻擊系數(shù)F來表征:0表示某反潛武器通道不可對(duì)某目標(biāo)攻擊,即該火力通道組織方案不可行;1表示某反潛武器通道可以對(duì)某目標(biāo)攻擊,即該火力通道組織方案可行。

(1)

綜合反潛作戰(zhàn)因素對(duì)反潛武器可攻性判斷影響的分析,可將火力通道組織初始方案是否可攻的判斷準(zhǔn)則分為兩類,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境屬性和反潛武器屬性，如圖2所示。

1)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境屬性

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)反潛武器的使用有著決定性的意義,包括海區(qū)深度、戰(zhàn)時(shí)海況和戰(zhàn)場(chǎng)氣象環(huán)境等。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境屬性主要考慮海區(qū)深度和戰(zhàn)時(shí)海況兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織的影響。若目標(biāo)和編隊(duì)所處戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境達(dá)不到反潛武器發(fā)射條件,則該火力通道組織方案不可行。海區(qū)深度系數(shù)、戰(zhàn)時(shí)海況系數(shù)分別用Fd、Fs表示:

(2)

(3)

2)反潛武器屬性

反潛武器屬性包括武器射程、武器彈藥儲(chǔ)量、武器性能和射擊安全性。若敵我距離不滿足武器射程要求,則火力通道組織方案不可行;武器彈藥儲(chǔ)量反映了反潛武器彈藥儲(chǔ)量是否滿足對(duì)某一目標(biāo)進(jìn)行一次打擊;武器性能表示反潛武器的性能是否能夠滿足對(duì)某一目標(biāo)進(jìn)行可靠打擊的要求;射擊安全性表示反潛武器系統(tǒng)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊時(shí)是否會(huì)威脅編隊(duì)成員或友鄰艦艇,造成誤傷等情況。武器射程系數(shù)、武器彈藥儲(chǔ)量系數(shù)、武器性能系數(shù)和射擊安全性系數(shù)分別用Fr、Far、Fre、Ffs表示:

(4)

(5)

(6)

(7)

綜上所述,編隊(duì)反潛火力通道組織方案可攻性判斷公式如下:

F=Fd·Fs·Fr·Far·Fre·Ffs

(8)

4 編隊(duì)火力通道組織方案多目標(biāo)決策

編隊(duì)火力通道組織是多屬性的多目標(biāo)決策過程[5]。首先確定編隊(duì)火力通道組織方案的評(píng)估指標(biāo)體系,考慮專家建議和指揮員特點(diǎn),得到評(píng)估指標(biāo)權(quán)重模糊矩陣,通過多目標(biāo)決策方法,選擇最優(yōu)方案。

4.1 火力通道組織方案評(píng)估指標(biāo)與決策矩陣

火力通道組織方案的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)受指揮員的主觀意識(shí)影響而變化。受指揮員個(gè)人指揮風(fēng)格和編隊(duì)使命任務(wù)影響,編隊(duì)反潛火力通道組織方案的評(píng)估指標(biāo)權(quán)重不是一成不變的;在實(shí)際作戰(zhàn)演練中提前研究制定好火力通道組織方案評(píng)估指標(biāo)是編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織的前提?；鹆νǖ澜M織方案評(píng)估是多屬性優(yōu)選問題[6],評(píng)估指標(biāo)值的取值范圍可用[0,1]區(qū)間表示。

相較潛艇而言水面艦艇編隊(duì)隱蔽性較差,極易被敵潛艇先行攻擊,故反潛武器攻擊時(shí)效性是決定火力通道組織方案的因素之一;火力通道組織方案的打擊效果也為指揮員決策提供重要輔助;編隊(duì)反潛作戰(zhàn)又涉及多火力通道協(xié)同打擊、統(tǒng)籌規(guī)劃的問題,因此選取反潛武器攻擊時(shí)效性、命中概率和指揮協(xié)同難度這三方面作為編隊(duì)反潛火力通道組織方案評(píng)估指標(biāo),即:

U={攻擊時(shí)效性,命中概率,指揮協(xié)同難度}

1) 反潛武器攻擊時(shí)效性

反潛武器的攻擊時(shí)效性由反應(yīng)時(shí)間與攻擊時(shí)間之和來表征。

反應(yīng)時(shí)間是指反潛武器從發(fā)射到出管所用時(shí)間,受反潛武器類型、作戰(zhàn)狀態(tài)等因素影響。反潛武器的攻擊時(shí)間與武器類型、當(dāng)前敵我態(tài)勢(shì)有關(guān),需要利用反潛武器攻潛仿真模型解算具體攻擊時(shí)間,在進(jìn)行火力通道組織時(shí)可以適當(dāng)進(jìn)行模糊處理無須進(jìn)行高精度解算。反潛武器的攻擊時(shí)間可以通過蒙特卡羅法[7]模擬仿真獲得,也可根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)從數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)用獲得。

反潛武器攻潛的反應(yīng)時(shí)間與攻擊時(shí)間均可計(jì)算獲得。反潛武器攻擊時(shí)效性評(píng)估指標(biāo)值取值范圍為[0,1],分?jǐn)?shù)越高,表示某反潛武器攻擊某目標(biāo)所需時(shí)間較短;分?jǐn)?shù)越低,表示某反潛武器攻擊某目標(biāo)所需時(shí)間較長(zhǎng)。假設(shè)有N個(gè)編隊(duì)火力通道組織方案,則攻擊時(shí)效性指標(biāo):

U1={u11,u12,…,u1N}T

(9)

2) 反潛武器命中概率

受限于反潛武器系統(tǒng)任務(wù)界面,目前助飛魚雷和管裝魚雷(聲自導(dǎo)魚雷)的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型只能計(jì)算到發(fā)現(xiàn)概率;火箭深彈作戰(zhàn)效能評(píng)估模型可以直接計(jì)算命中概率。為方便理解,這里將聲自導(dǎo)魚雷的發(fā)現(xiàn)概率和火箭深彈的命中概率統(tǒng)稱為反潛武器命中概率。反潛武器命中概率與當(dāng)前敵我態(tài)勢(shì)有關(guān),可以通過蒙特卡羅法[7]進(jìn)行反潛武器作戰(zhàn)效能評(píng)估,解算命中概率;或者通過解析法[7]快速獲取反潛武器命中概率。在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,為滿足反潛時(shí)效性要求,建議采用二者相結(jié)合的方法獲得命中概率,既快速又精準(zhǔn)。

由于命中概率的取值范圍是[0,1],可以直接取用反潛武器命中概率作為評(píng)估指標(biāo)值。假設(shè)有N個(gè)編隊(duì)火力通道組織方案,則命中概率指標(biāo):

U2={u21,u22,…,u2N}T

(10)

3)反潛武器指揮協(xié)同難度

反潛武器指揮協(xié)同難度是指揮協(xié)同該型武器進(jìn)行反潛作戰(zhàn)難易程度的模糊度量。存在編隊(duì)的指揮協(xié)同能力無法滿足反潛火力通道組織方案的情況,故對(duì)指揮協(xié)同難度的考量是反潛方案評(píng)估中不可或缺的。指揮協(xié)同難度不易定量描述,故采用專家打分法對(duì)指揮協(xié)同難度進(jìn)行打分,再將分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為指揮協(xié)同難度的評(píng)估指標(biāo)值,具體轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。

表1 分?jǐn)?shù)與評(píng)估指標(biāo)值轉(zhuǎn)換表

注:也可選擇中間值,評(píng)估指標(biāo)值最小單位為0.05。

假設(shè)有N個(gè)編隊(duì)火力通道組織方案,則指揮協(xié)同難度指標(biāo):

U3={u31,u32,…,u3N}T

(11)

由式(9)～(11)構(gòu)造編隊(duì)火力通道組織方案決策矩陣:

(12)

4.2 熵值法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重模糊矩陣

假設(shè)有N個(gè)火力通道組織方案,v個(gè)方案評(píng)估指標(biāo),利用熵值法[8]計(jì)算火力通道組織方案評(píng)估指標(biāo)權(quán)重矩陣,方法由以下三步組成:

1)計(jì)算第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)下、方案i的指標(biāo)數(shù)值的比重pij

(13)

式中,i為方案代號(hào),N為方案總數(shù),j為方案評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng),v為評(píng)估指標(biāo)總數(shù)。

2)計(jì)算第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值ej

(14)

3)計(jì)算火力通道組織方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣W

(15)

W={w1,w2,…,wv}T

(16)

4.3 最優(yōu)火力通道組織方案確定

已知編隊(duì)火力通道組織方案決策矩陣U和方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重模糊矩陣W,可得編隊(duì)火力通道組織方案模糊評(píng)價(jià)值K:

K=U·W={k1,k2,…,ki,…}T

(17)

比較編隊(duì)火力通道組織方案模糊評(píng)價(jià)值ki大小,ki越大,表示火力通道組織方案i的綜合評(píng)分最高。模糊評(píng)價(jià)值最大的火力通道組織方案即為編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)最優(yōu)火力通道組織方案。

ki=max(K)?i為編隊(duì)最優(yōu)火力通道組織方案

5 仿真分析

假設(shè)我方水面艦艇編隊(duì)由2艘護(hù)衛(wèi)艦(A、C)和1艘驅(qū)逐艦(B)共三艘水面艦艇組成。其中A、C裝載的反潛武器及其發(fā)控設(shè)備種類一致,包括助飛魚雷、管裝魚雷和火箭深彈;B裝載的反潛武器及其發(fā)控設(shè)備為管裝魚雷。編隊(duì)以航速18 kn、航向350°保持編隊(duì)陣型同速同向航行。任務(wù)海區(qū)深度100 m,戰(zhàn)時(shí)海況5級(jí)。

某時(shí)刻,在編隊(duì)附近發(fā)現(xiàn)2個(gè)不明目標(biāo),通過對(duì)情報(bào)和目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理,識(shí)別目標(biāo)為2艘敵方潛艇(目標(biāo)1、目標(biāo)2)。初始時(shí)刻目標(biāo)航行參數(shù)見表2。初始時(shí)刻敵我態(tài)勢(shì)如圖3所示。

表2 初始時(shí)刻目標(biāo)航行參數(shù)表

注:表中目標(biāo)距離、目標(biāo)方位均以A為參考點(diǎn)。

編隊(duì)接到指揮員下達(dá)的反潛任務(wù),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊。A、B、C反潛武器系統(tǒng)正常且彈藥余量充足。根據(jù)初始態(tài)勢(shì),采用編隊(duì)火力通道組織方法計(jì)算從初始時(shí)刻起60 s時(shí)的水面艦艇編隊(duì)火力通道組織方案。60 s時(shí)刻敵我態(tài)勢(shì)示意圖見圖4。

經(jīng)火控系統(tǒng)解算,60 s時(shí)目標(biāo)與編隊(duì)各艦距離見表3。

表3 60 s時(shí)目標(biāo)與編隊(duì)各艦距離

運(yùn)行水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)威脅判斷模塊,得到當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的威脅程度排序結(jié)果為1>2,故編隊(duì)反潛火力通道組織順序?yàn)?先對(duì)目標(biāo)1、后對(duì)目標(biāo)2進(jìn)行火力通道組織。

根據(jù)就近原則:

DA1

DC2

對(duì)目標(biāo)1的火力通道組織方案集S1和對(duì)目標(biāo)2的火力通道組織方案集S2分別為:

S1={sA助,sA管,sA深}

(18)

S2={sC助,sC管,sC深}

(19)

對(duì)火力通道組織方案進(jìn)行可攻性判斷,如表4所示。

經(jīng)可攻性判斷,水面艦艇編隊(duì)對(duì)目標(biāo)1和目標(biāo)2的火力通道組織可行方案分別為:

S1={sA助,sA管}

(20)

S2={sC助,sC管}

(21)

計(jì)算火力通道組織方案模糊評(píng)價(jià)值K:

表4 可攻性判斷分析表

K1={kA助,kA管}={0.8701,0.5478}

(22)

K2={kC助,kC管}={0.8147,0.6293}

(23)

max(K1)=KA助

(24)

max(K2)=KC助

(25)

綜合以上分析,故最終編隊(duì)反潛火力通道組織最優(yōu)方案如表5所示。仿真結(jié)果與實(shí)際相符。

表5 編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織結(jié)果

6 結(jié)束語

本文基于“編隊(duì)-平臺(tái)-反潛武器通道”的層次關(guān)系及分析思路,針對(duì)水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)作戰(zhàn)輔助指揮決策的火力通道組織問題,采用了多目標(biāo)決策與模糊理論法相結(jié)合的方法對(duì)水下潛艇目標(biāo)進(jìn)行火力分配研究,提岀了水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織模型。模型適用于不同作戰(zhàn)環(huán)境下水面艦艇編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)火力分配?；诙鄬哟畏纸獾木庩?duì)反潛武器系統(tǒng)火力通道組織方法給予編隊(duì)成員艦艇足夠的自主權(quán),將目標(biāo)分配給艦級(jí)反潛武器系統(tǒng)進(jìn)行火力通道組織;充分利用艦級(jí)反潛武器系統(tǒng)的計(jì)算空間,為編隊(duì)反潛武器系統(tǒng)釋放足夠的內(nèi)存空間,達(dá)到快速、準(zhǔn)確分配反潛火力資源的目的,有助于助指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)決策,為后續(xù)編隊(duì)反潛作戰(zhàn)提供有力支撐。