艦艇編隊反潛戰(zhàn)海洋環(huán)境影響指標(biāo)體系構(gòu)建與實驗建模*

劉科峰，張 韌，龐云峰，陳奕德

(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101;2.南京軍區(qū)氣象水文中心，江蘇 南京 211103)

水面艦艇編隊是海軍兵力行動的主要形式。大型水面艦艇編隊由于體積龐大、隱蔽性差等，很容易成為潛艇攻擊的對象。因此，反潛作戰(zhàn)對水面艦艇編隊的生存具有決定意義。反潛作戰(zhàn)中，海洋環(huán)境首先影響反潛武器裝備的性能，繼而制約水面艦艇、艦載機、潛艇等作戰(zhàn)平臺反潛效能的發(fā)揮，最終在水面艦艇編隊整體反潛作戰(zhàn)效能上體現(xiàn)出來。因此，海洋環(huán)境對水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)效能的影響評估是軍事海洋學(xué)研究和海戰(zhàn)場環(huán)境保障的重要內(nèi)容和熱點課題。如何定量評估海洋環(huán)境對不同反潛作戰(zhàn)平臺反潛作戰(zhàn)效能的影響，為決策者科學(xué)合理確定反潛兵力的編成提供客觀、定量、準(zhǔn)確的決策支持，是海戰(zhàn)場環(huán)境保障中亟待解決的問題［1］。

1 水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)體系的組成

水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)是水面艦艇、艦載機和潛艇等多種作戰(zhàn)平臺和多兵種協(xié)同配合的作戰(zhàn)過程，十分復(fù)雜。因此，要建立海洋環(huán)境對水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)效能影響評估指標(biāo)體系，開展海洋環(huán)境對水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)效能影響評估，必須對水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的兵力構(gòu)成、編隊方式和協(xié)同作戰(zhàn)的體系和原則有基本的認(rèn)識和了解。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，潛艇戰(zhàn)斗能力和生存能力逐步提高使得單一反潛作戰(zhàn)平臺很難完成反潛任務(wù)，通常由水面艦艇、艦載反潛直升機和潛艇協(xié)同完成［2-3］。水面艦艇和艦載反潛直升機負(fù)責(zé)直接警戒區(qū)和近程警戒區(qū)的反潛警戒;遠(yuǎn)程警戒區(qū)的反潛警戒由艦載反潛直升機和潛艇完成。水面艦艇反潛作戰(zhàn)中常使用的反潛裝備包括聲納(艦殼型、拖曳型、變深型)、反潛魚雷、反潛導(dǎo)彈和火箭深彈等。直升機反潛作戰(zhàn)中常使用的反潛裝備包括吊放式聲納、反潛魚雷和反潛深彈等。潛艇反潛作戰(zhàn)中常使用的反潛裝備包括聲納、反潛魚雷和反潛導(dǎo)彈等［3-6］。通過對大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)體系的分析，可為海洋環(huán)境影響大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的指標(biāo)體系提供依據(jù)和參考。

2 海洋環(huán)境影響效能指標(biāo)體系

構(gòu)建海洋環(huán)境影響效能指標(biāo)體系常用的研究方法包括:多屬性效用分析法、模糊綜合評估法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法等［7-8］。層次分析法可以將復(fù)雜的問題層次化、條理化，突出事物的因果聯(lián)系，抓住事件的主要矛盾，是研究復(fù)雜問題的有效手段。針對大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)樣式，采用層次分析法構(gòu)建大型水面艦艇反潛作戰(zhàn)海洋環(huán)境影響效能指標(biāo)體系［8］。

為了定量化表征海洋環(huán)境對反潛作戰(zhàn)平臺、反潛探測裝備等裝備的影響，引入益損指數(shù)概念，定義作戰(zhàn)平臺和武器裝備的效能益損指數(shù)。如直升機反潛效能益損指數(shù)，表征海洋環(huán)境對直升機反潛作戰(zhàn)效能的增益/傷損程度或益損率。指數(shù)取值范圍在(0，1)之間。關(guān)于益損指數(shù)的詳細(xì)定義，參見文獻(xiàn)［8-9］。

反潛作戰(zhàn)效能的評估是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響因素很多。一般認(rèn)為，某一平臺的反潛作戰(zhàn)效能由探潛能力和攻潛能力兩大部分綜合而成。考慮到反潛作戰(zhàn)是建立在作戰(zhàn)平臺安全基礎(chǔ)上，同時與戰(zhàn)斗人員生理狀態(tài)有關(guān)。因此，還應(yīng)考慮海洋環(huán)境對作戰(zhàn)平臺安全和戰(zhàn)斗人員狀態(tài)的影響。

水面艦艇、反潛直升機、潛艇等探潛時使用的都是聲納，而聲納探測距離與海水溫度、鹽度、密度和海況等水文條件密切相關(guān)。水文條件對水聲探測與傳播的影響很大，其主要影響接收信號的空間相干性和聲線垂直到達(dá)的方向，則可能降低無垂直俯仰的聲納探測性能，改變接收信號譜特性，降低目標(biāo)識別能力。海洋中普遍存在的海洋現(xiàn)象如溫躍層、中尺度渦、內(nèi)波、海洋鋒等，對水聲探測性能也有很大的影響。溫躍層的存在使得聲納作用距離明顯縮短;海洋內(nèi)波可使聲傳播產(chǎn)生25～30dB的聲起伏;海洋鋒可產(chǎn)生多達(dá)25dB的額外聲傳播損失;中尺度渦會造成20～30dB的聲場不均勻［1，5］。由此可以看出，海洋環(huán)境對聲納探測的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一是對聲納探測距離的影響，二是探測盲區(qū)范圍的影響。

攻潛的能力與魚雷、反潛導(dǎo)彈、火箭深彈等武器的作戰(zhàn)效能有關(guān)。武器的作戰(zhàn)效能受海洋環(huán)境影響很大。如海流會影響線導(dǎo)魚雷位置坐標(biāo);海面風(fēng)、海浪會影響空投魚雷的入水姿態(tài)，進(jìn)而影響魚雷命中精度［1］。

反潛作戰(zhàn)平臺在執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)時，自身安全會受到海況的影響。如海浪會引起艦船的搖擺，強烈時會造成艦船的傾覆;海霧會對艦船航行安全構(gòu)成很大的威脅;海流會影響艦船的航向和航速;內(nèi)波會使航行其上的潛艇產(chǎn)生顛簸，易對潛艇及其附屬結(jié)構(gòu)造成損失，極端條件下甚至?xí)褲撏铣鏊婊驂喝牒５?惡劣的海況和側(cè)風(fēng)會對艦載機的起降安全構(gòu)成很大的影響;海上能見度會對艦載機的飛行造成很大的影響。此外，海洋環(huán)境也會對人的心理和生理產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響反潛作戰(zhàn)任務(wù)。

綜上分析，可構(gòu)建海洋環(huán)境影響大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境影響大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系

3 仿真實驗建模

大型水面艦艇編隊反潛效能由直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能、近程警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能、遠(yuǎn)程警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能構(gòu)成。為了使問題簡單化，又不失一般性，此處僅建立直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能評估模型，建立評估模型的過程中，直升機僅考慮反潛魚雷和吊放式聲納，水面艦艇僅考慮反潛魚雷、火箭深彈和拖曳式聲納。根據(jù)上述指標(biāo)體系思想，可以對直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系進(jìn)一步細(xì)化并給出經(jīng)驗關(guān)系模型。

3.1 關(guān)系模型

3.1.1 直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)(一級指標(biāo))

直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)(MI)是由水面艦艇反潛效能益損指數(shù)(JT)、反潛直升機反潛效能益損指數(shù)(ZJ)兩個指標(biāo)構(gòu)成，由于水面艦艇與反潛直升機反潛既相互補充又相對獨立，根據(jù)指標(biāo)運算法則［7］和反潛作戰(zhàn)體系特點，定義其關(guān)系模型為

其中，w1，w2為水面艦艇反潛效能益損指數(shù)和反潛直升機反潛效能益損指數(shù)相對于直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)的權(quán)重，且滿足:w1+w2=1。

3.1.2 作戰(zhàn)平臺反潛效能益損指數(shù)(二級指標(biāo))

1)直升機反潛效能益損指數(shù)

直升機反潛效能益損指數(shù)由直升機安全效能益損指數(shù)(ZA)、反潛魚雷益損指數(shù)(YL)、聲納益損指數(shù)(TS)和戰(zhàn)斗人員狀態(tài)指數(shù)(TL)4項指標(biāo)構(gòu)成。其中，聲納屬于探測系統(tǒng)，反潛魚雷屬于戰(zhàn)斗系統(tǒng)，人員狀態(tài)屬于輔助系統(tǒng)，航行安全則屬于決定型指標(biāo)，根據(jù)各指數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系和指標(biāo)合成法則，直升機反潛作戰(zhàn)中反潛效能益損指數(shù)的計算公式為

2)水面艦艇反潛效能益損指數(shù)

水面艦艇反潛效能益損指數(shù)由艦艇安全效能益損指數(shù)(JA)、火箭深彈益損指數(shù)(HD)、聲納益損指數(shù)(TS)、反潛魚雷益損指數(shù)(YL)和戰(zhàn)斗人員狀態(tài)指數(shù)(TL)5項指標(biāo)構(gòu)成。其中，聲納屬于探測系統(tǒng)，反潛魚雷和火箭深彈屬于戰(zhàn)斗系統(tǒng)，人員狀態(tài)屬于輔助系統(tǒng)，航行安全則屬于決定型指標(biāo)，根據(jù)各指數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系和指標(biāo)合成法則，水面艦艇反潛效能益損指數(shù)計算公式為:

3.1.3 分項指標(biāo)益損指數(shù)(三級指標(biāo))

戰(zhàn)斗人員狀態(tài)益損指數(shù)一般由風(fēng)寒體感指數(shù)(FH)、暈船指數(shù)(YC)和濕熱體感指數(shù)(SR)3項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，戰(zhàn)斗人員狀態(tài)益損指數(shù)計算公式為

直升機安全效能益損指數(shù)是由能見度影響指數(shù)(ZA-VIS)、風(fēng)影響指數(shù)(ZA-WIN)和雷暴影響指數(shù)(ZA-THU)、云底高影響指數(shù)(ZA-YDG)4項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，直升機安全指數(shù)的表達(dá)式為

艦艇安全效能益損指數(shù)是由能見度影響指數(shù)(JAVIS)、海況影響指數(shù)(JA-SSA)2項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，艦艇安全指數(shù)的表達(dá)式為

火箭深彈作戰(zhàn)效能益損指數(shù)是由風(fēng)影響指數(shù)HDWIND、海況影響指數(shù)HD-SSA、海流影響指數(shù)HD-HAL 3項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，火箭深彈益損指數(shù)的表達(dá)式為

反潛魚雷作戰(zhàn)效能益損指數(shù)由海流影響指數(shù)(YLHAL)、溫躍層影響指數(shù)(YL-HWQ)、海洋鋒影響指數(shù)(YL-HYF)、中尺度渦影響指數(shù)(YL-ZCD)、內(nèi)波影響指數(shù)(YL-NEB)和海況影響指數(shù)(YL-SSA)6項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，反潛魚雷攻擊效能益損指數(shù)的表達(dá)式為

聲納探測效能益損指數(shù)由溫度躍層影響指數(shù)(TSHWQ)、海流影響指數(shù)(TS-HAL)、內(nèi)波影響指數(shù)(TSNEB)、中尺度渦影響指數(shù)(TS-ZHW)、海洋鋒面影響指數(shù)(TS-HAF)、海況影響指數(shù)(TS-SSA)6項指標(biāo)構(gòu)成。根據(jù)指標(biāo)合成法則，艦載聲納探測效能益損指數(shù)的表達(dá)式為

3.1.4 環(huán)境影響指數(shù)(四級指標(biāo))

風(fēng)寒指數(shù)是指寒冷環(huán)境對編隊作戰(zhàn)人員影響的效能函數(shù)。主要影響因子有相對風(fēng)速、相對濕度和環(huán)境溫度。表達(dá)式為

式中，Kv為風(fēng)寒指數(shù)，Vr為相對風(fēng)速(m/s)，RH為相對濕度(%)，t為環(huán)境溫度(℃)。計算時，若相對濕度低于50%，則RH=50%。

風(fēng)寒指數(shù)不同，人們的感覺也不同，風(fēng)寒指數(shù)越大，人體感到越冷。風(fēng)寒體感指數(shù)與風(fēng)寒指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 風(fēng)寒體感指數(shù)換算表

濕熱指數(shù)是一種用來評估在不同氣象條件下人體舒適程度的判據(jù)。濕熱指數(shù)主要是受環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)等要素所制約。在不考慮風(fēng)速影響的情況下，制約因子是環(huán)境溫度和濕度，通常計算濕熱指數(shù)如下:

其中，THI為濕熱指數(shù)，t為環(huán)境溫度(℃)，RH為相對濕度(%)。濕熱指數(shù)不同，人的感覺也不一樣，濕熱指數(shù)越大，感覺不舒適的人就越多。濕熱體感指數(shù)與濕熱指數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 濕熱體感指數(shù)關(guān)系表

暈船指數(shù)的主要影響因子有海況、船的大小(噸位)。暈船指數(shù)不同，人們的感覺也不同，暈船指數(shù)越大，人體感到越不舒服。根據(jù)經(jīng)驗可建立暈船指數(shù)和海況、船噸位的對應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

表3 暈船指數(shù)換算表

3.2 映射函數(shù)模型

海洋氣象水文要素對武器的影響是一個漸變、連續(xù)的復(fù)雜過程。目前，關(guān)于海洋環(huán)境對作戰(zhàn)武器裝備影響的研究不夠深入，只是一些零散的保障經(jīng)驗和一些極值條件，缺乏海洋環(huán)境要素對武器裝備影響的解析關(guān)系表達(dá)式。如何利用零散的保障經(jīng)驗和知識，建立海洋環(huán)境對武器裝備影響的關(guān)系模型是開展海洋環(huán)境武器效能評估非常重要的一個問題。樣條函數(shù)擬合能夠根據(jù)散點知識的分布特征，按照一定的規(guī)律和法則擬合出連續(xù)的多級函數(shù)，來描述模糊的影響過程。樣條函數(shù)常用的有三次樣條和B樣條。B樣條曲線中，能夠?qū)υ械腂樣條曲線加以擴展，且擬合效果較三次樣條函數(shù)擬合更為理想［8］。因此，本文基于離散的保障經(jīng)驗，擬采用B樣條曲線建立大海洋環(huán)境要素與武器裝備效能益損指數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。下面以直升機安全效能益損指數(shù)為例，說明構(gòu)建直升機安全效能益損指數(shù)與海洋環(huán)境要素之間的映射模型的過程。

由公式(5)可知，直升機安全效能益損指數(shù)是由能見度影響指數(shù)(ZA-VIS)、風(fēng)影響指數(shù)(ZA-WIN)和雷暴影響指數(shù)(ZA-THU)、云底高影響指數(shù)(ZA-YDG)4項指標(biāo)構(gòu)成。在梳理總結(jié)保障經(jīng)驗基礎(chǔ)上，將保障經(jīng)驗進(jìn)行量化，建立保障要素映射數(shù)據(jù)庫，如表4～7所示。

表4 影響直升機安全的能見度影響指數(shù)表

表5 影響直升機安全的風(fēng)影響指數(shù)表

表6 影響直升機安全的雷暴影響指數(shù)表

表7 影響直升機安全的云底高影響指數(shù)表

根據(jù)B樣條計算公式對映射數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式曲線擬合，得到擬合函數(shù)曲線，如圖2所示。

圖2 函數(shù)擬合曲線圖

假設(shè)當(dāng)時環(huán)境下能見度為1.8km、風(fēng)速為8m/s、雷暴發(fā)生概率70%、云底高400m，根據(jù)擬合的函數(shù)關(guān)系，可分別計算出影響直升機安全的能見度影響指數(shù)、風(fēng)影響指數(shù)、雷暴影響指數(shù)、云底高影響指數(shù)分別為0.29、0.79、0.30、0.60。構(gòu)建互反判斷矩陣，并對其進(jìn)行一致性檢驗，當(dāng)矩陣符合一致性條件時，所求特征向量即為權(quán)值。具體方法參見文獻(xiàn)［7-9］。權(quán)值 W=［0.26 0.17 0.33 0.24］，根據(jù)公式(5)可求出此時直升機安全益損指數(shù)為0.4。

按照以上的方法步驟，可建立其它益損指數(shù)的函數(shù)關(guān)系。在建立躍層影響指數(shù)、中尺度渦影響指數(shù)、海洋鋒影響指數(shù)、內(nèi)波影響指數(shù)的函數(shù)關(guān)系時，躍層強度用躍層溫度差表示;中尺度渦強度用中尺度渦的半徑來表示;海洋鋒的強度用邊界溫度差表示;內(nèi)波的強度用內(nèi)波的振幅表示。

由于海洋環(huán)境要素對不同的作戰(zhàn)武器裝備影響的程度不同，因此，需要建立同一海洋要素對不同武器裝備映射函數(shù)模型。根據(jù)映射函數(shù)模型可以得到不同海洋環(huán)境要素對武器平臺的影響指數(shù)，然后根據(jù)相應(yīng)的武器平臺益損指數(shù)計算公式得到相應(yīng)的益損指數(shù)值。

3.3 評估示例

假設(shè)艦船排水量為5500t，現(xiàn)有3個任務(wù)海域，3個海域的海洋環(huán)境要素如表8所示。

表8 不同海區(qū)的海洋環(huán)境要素

利用構(gòu)造的映射函數(shù)可以計算出3個海域的海洋環(huán)境影響指數(shù)，然后利用特征向量法計算權(quán)值，再根據(jù)所定義的函數(shù)關(guān)系式即可計算出3個海域的直升機反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)和艦艇反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)(如表9所示)。關(guān)于權(quán)值的計算方法，相關(guān)文獻(xiàn)［7-11］已有詳盡介紹，不再贅述。

表9 不同海域的反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)

根據(jù)關(guān)系模型MI=1-［(1-JT)w1×(1-ZJ)w2］計算出3個海區(qū)直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能益損指數(shù)分別為:0.69、0.55、0.47。評估結(jié)果表明，不同海區(qū)反潛作戰(zhàn)效能不同，其中A海區(qū)，反潛效能最好。

4 結(jié)束語

本文研究構(gòu)建了海洋環(huán)境對大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)影響效能評估指標(biāo)體系，并開展了實驗評估建模。首先就大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的兵力構(gòu)成和反潛作戰(zhàn)樣式進(jìn)行了簡要的分析和討論，隨后，基于大型水面艦艇編隊的反潛作戰(zhàn)樣式，構(gòu)建了海洋環(huán)境影響大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的效能指標(biāo)評估體系，最后以直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)樣式為例，進(jìn)行了海洋環(huán)境對直接警戒區(qū)反潛作戰(zhàn)效能影響的評估。

大型水面艦艇編隊的反潛作戰(zhàn)效能的海洋環(huán)境影響評估是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及武器裝備、軍事戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)和海洋學(xué)知識的綜合應(yīng)用，以及軍事運籌和系統(tǒng)優(yōu)化等學(xué)科領(lǐng)域的新理論、新方法的交叉融合和優(yōu)勢互補。此外，目前，海洋環(huán)境對武器裝備的影響作用機理還不是很清楚，缺乏海洋環(huán)境要素和武器裝備之間的影響關(guān)系模型。本文基于海洋環(huán)境保障中的定性經(jīng)驗，建立了大型水面艦艇編隊反潛作戰(zhàn)的海洋環(huán)境影響的指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系還需進(jìn)一步細(xì)化完善。

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