基于潛艇聲探測能力預測的感知行為決策方法

張東俊，張濤，王石

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基于潛艇聲探測能力預測的感知行為決策方法

張東俊，張濤，王石

(海軍92337部隊，遼寧大連 116023)

針對作戰行為對潛艇作戰結果的影響較大，且難以通過傳統基于指標體系的方法來尋求戰法創新的問題，提出了基于潛艇聲探測能力預測的感知行為決策方法，用于目標搜索階段的優化決策。首先分析了傳播環境、平臺特性及作戰行為對聲探測能力的影響；其次建立了聲探測能力的形式化表達，并針對影響因素的特點建立了可實時修正的預測模型，實現行為驅動的聲探測能力預測；然后建立了總體約束下的感知行為優化框架及具體優化流程；最后以要地搜反潛為例對所提方法進行了實驗驗證。實驗結果表明，該方法可在目標搜索階段為感知行為決策提供了有效優化。

能力預測；行為決策；優化控制；作戰實驗

0 引言

“知己知彼，百戰不殆”，一直都是人們在戰爭中追求的目標?！爸褐恕笔恰鞍賾鸩淮钡幕A和前提，尤其在現代戰爭中，往往起著決定性的作用[1]。它一方面要求指揮員能有效地感知戰場態勢，同時對自身的感知能力有清醒的認識并能夠通過指揮操縱等行為對感知能力進行優化。

作戰實驗是通過探索作戰的因果關系以深入認識戰爭規律和指導規律的科學方法[2]。對于交戰結果與交戰進程呈強相關的作戰類型，需要能夠描述裝備作戰能力隨作戰進程所呈現的動態變化特性。例如，潛艇對潛、對艦作戰中，交戰結果具有較大的偶然性，并不能通過對比指標參數等方式來決定勝負，而是交戰過程中某些關鍵行為決定了結果的走向。

在水下作戰空間，聲探測是作戰裝備探測感知的主要手段，受環境和平臺狀態的影響較大，具有較強的時變和空變特性[3]。目前聲探測能力研究主要集中在平臺裝備戰技術性能的影響分析上[4-5]，但對于在平臺目標搜索階段提高聲探測能力的感知行為決策方面的研究并不多見。本文通過分析影響聲探測能力的因素，建立潛艇聲探測能力預測模型，實現動態連續估計，并搭建能力需求與行為決策之間的關系，以尋求在目標搜索過程中行為決策的科學性、合理性。

1 潛艇聲探測能力影響因素分析

1.1 聲探測原理

潛艇通過艏端、舷側、拖曳等主/被動聲吶探測目標。聲吶系統的工作模型如圖1所示。目標聲源級對于被動聲吶就是目標輻射噪聲聲源級，對于通信聲吶就是對方發射器聲源級，對于主動聲吶就是目標回聲聲源級(這里是發射聲源級，是傳播損失，是目標強度)。

圖1 聲吶系統工作模型

由圖1可以看出，影響聲探測能力的因素主要有三個：(1) 裝備自身特性(功率、波形及接收指向性等)；(2) 目標特性(噪聲聲級、頻率分布、散射特性等)；(3) 信道影響(衰減、畸變、干擾等)[6]。

由于目標特性不可控，故在作戰運用中，僅考慮通過作戰行為驅動以及利用環境或改變自身特性來改善聲探測能力，將可以改變或利用的因素分為三大類：(1) 傳播環境；(2) 平臺特性；(3) 作戰行為。它們一起作用于聲吶方程中的傳播損失、接收指向性指數、混響級、檢測閾等。

1.2 傳播環境影響分析

聲探測能力受環境的影響非常大，水聲傳播環境是一個復雜多變的信道。海洋介質中存在著分散或密集的非均勻散射體、海水不同尺度的流動以及溫度和深度的影響，共同導致了海水的非均勻性，引起水聲傳播速度的變化、路徑的變化以及衰減的差異。

海水中聲速受溫度、鹽度、壓力的影響，其表達式為

海水中的傳播損失根據環境的不同，呈現出巨大的差異：

同時，海底地形、結構、沉積層以及聲信道的時變、空變特性都影響著聲波的吸收、散射和反射，最終反映到探測距離的變化。

1.3 平臺特性影響分析

聲吶系統的探測能力受所在平臺的影響，主要是由于平臺在不同任務下所采取的航行工況不同，導致不同的平臺自噪聲水平，影響接收時的信噪比，從而影響對目標的探測[7]。平臺自噪聲主要由機械振動噪聲、流級噪聲及螺旋槳噪聲組成，對不同平臺聲吶其接收的信號各不一樣。

1.4 作戰行為影響分析

相對于平臺噪聲水平可能在較長一段時間內保持穩定，而變向、變速、變深機動等作戰行為以及設備動用可能引起平臺瞬時噪聲發生變化，進而對聲吶探測能力產生嚴重影響。

對拖曳聲吶而言，平臺的變向機動會造成陣形發生不同程度的改變，畸變陣因平臺航速不同近似為拋物線形、勾形或圓弧形[8]，如圖2所示。雖然可以通過陣形檢測和補償使聲吶系統仍保持探測的能力，但其探測距離和聲吶的指向性都將發生較大的變化。

同時，由于拖曳陣隨潛艇航行狀態的改變具有滯后性，在潛艇變深、變向等機動的過程中，應根據拖曳陣所處的實際情況，而不是依據艇的情況來估計拖曳聲吶的探測距離和指向性。

圖2 拖曳陣隨潛艇機動產生陣形畸變

2 聲探測能力預測方法

2.1 基于傳播環境的探測能力預測方法

海洋環境的復雜多變性使得裝備的聲探測能力受海水深度、季節、海區位置、海底底質等多種因素影響，給探測帶來了不確定性。需要通過建立基于海洋環境數據的預測模型，實時、動態地預測裝備聲探測能力。

影響聲探測能力的海洋環境因素主要有：海況、水深和水聲環境。海況可分為良好、一般、惡劣三檔；水深可分為深海、淺海；水聲環境隨季節、海區位置而變化，其中聲速梯度(正梯度、負梯度、溫躍層、深海聲道、表面聲道、匯聚區等)對聲探測的影響非常明顯，典型的聲速梯度對于水聲傳播的影響如圖3所示。

圖3 典型聲速梯度對水聲傳播的影響

從式(1)可知，聲速受海水溫度的影響，隨季節的變化而變化。圖4為在某海域一個月的實測的溫度數據。

圖4 某海域一個月實測溫度變化情況

由于傳播環境對聲探測影響的復雜性，本文僅以傳播損失為例進行說明。聲速梯度是影響傳播損失的最主要因素，同時還跟聲吶系統所處的深度密切相關。圖5為在某海域實測的聲源深度對傳播損失的影響情況。

圖5 實測聲源深度對傳播損失影響

由圖5可以看出，由于聲源處于不同的深度(5 m和30 m)，相應的聲速梯度不同(5 m處為正梯度，30 m處為負梯度)，故傳播損失的差異非常明顯。在損失相同聲能的情況下，更深位置的聲信號傳播的距離增加1倍以上。

綜上所述，傳播環境不僅影響聲吶的探測距離，同時影響探測包絡的形狀。

最后，估計出下潛到不同深度時對應的聲探測能力大小。

2.2 基于平臺自噪聲的探測能力預測方法

……

2.3 基于陣形估計的聲探測能力預測方法

受拖曳平臺機動、海流擾動以及水動力的影響，拖曳陣陣形會發生不同程度的畸變，直接影響探測距離、探測包絡以及探測精度(包括方位精度、距離精度和深度精度)。

融合后更新聲探測能力包絡形狀，實現對聲探測能力的實時預測。

傳播環境、平臺特性、作戰行為對聲探測能力產生的綜合影響，根據各因素的影響情況綜合預測聲探測能力：

3 總體能力約束下的感知行為優化決策

在執行某項作戰任務的感知階段，需要通過行為驅動以調整探測能力、實現對戰場態勢感知的最優化。由于探測能力與隱蔽能力、攻擊能力、防御能力以及保障能力相關，有時候不能一味追求探測能力的最優而損害了其他能力的發揮。所以需要在總體能力的優化控制下采取合適的感知行為，實現約束下的最優感知。

3.1 感知行為建模

感知行為是為調整或保持探測感知能力而采用的作戰行為，包括指揮行為和操縱行為。指揮行為主要是作戰進程中指揮員的口令，可表示為

操縱行為主要是在作戰進程中，各戰位依據操縱規程對指揮員口令的響應，并作用于裝備系統?？杀硎緸?/p>

指揮行為與操縱行為之間的關系為：

3.2 總體能力約束下的感知行為優化決策

3.2.1 動態約束條件設置

不同的作戰任務對裝備的各能力需求存在較大差異。且同一個作戰任務的不同作戰階段，對裝備各能力的需求也是不一樣的，隨著作戰進程的推進動態地變化。

對探測感知能力的優化需考慮總體能力需求的動態約束。將作戰進程劃分為作戰能量積蓄、感知、傳遞、轉化四個階段[12]，根據作戰階段和作戰目的構建動態約束條件。

約束條件包括裝備各能力的范圍及控制優先級。可表示為

3.2.2 感知行為優化決策

在作戰過程中，最為常見的行為是根據態勢變化不斷調整自身的狀態(能力)以適應作戰要求。但通常情況下，作戰單元對態勢的了解是不完全的，備選方案和策略也不是完全的，而且在不同的階段所期望達到的目標也不一樣，這就難以實現決策的全局最優，而優化決策的目的是求取在可選方案下對階段目標的滿意解。

對于感知行為優化決策，就是要在總體能力約束條件下通過方案尋優，實現在備選方案空間內的最優滿意解，以滿足感知階段對平臺裝備感知能力的需求。感知行為優化框架如圖6所示。

感知行為優化過程如下：

(1) 創建感知行為方案個體。根據感知行為集，構建由單個指揮行為或指揮行為序列(包括響應指揮行為的操縱行為)，形成行為方案；

(2) 總體能力估計。對行為方案所引起的裝備系統狀態變化以及空間位置變化等進行各分項能力估計，判斷其是否滿足約束條件(指揮員根據對作戰任務的理解以及對戰場態勢的判斷確定總體能力約束條件)；

圖6 感知行為的優化流程

(3) 構建精英種群。對于滿足約束條件的行為方案個體，則加入精英種群；

(4) 行動方案的感知能力預測。對精英種群中的行動方案個體，根據其引起的探測感知裝備的狀態變化以及平臺的空間變化，通過第2節中的聲探測能力預測方法，預測執行該行動方案的感知能力的影響；

最優解即為下一步感知能力優化的行動方案，實現了感知行為的優化決策。

4 實例分析

4.1 想定設置

4.2 感知行為優化決策

(1) 優化參數設置

(2) 初始態勢

紅方作戰平臺A初始位置位于海區Q下邊沿中間，藍方作戰平臺B初始位置隨機位于海區Q內。

(3) 實驗結果

按照總體約束下的感知行為優化流程，仿真得到1 000個行為方案個體執行后對感知能力需求的滿足度，其中超過滿意解門限的個體數量為33，如圖7所示。

圖7 行為方案滿意度評估

5 結語

在潛艇作戰任務中，能否對目標實現探測感知是其能否克敵制勝的首要條件。潛艇聲探測作為最主要的探測感知手段，受到環境、作戰行為的影響和驅動，在尋求感知能力優化的同時往往涉及到其他能力的總體平衡，在復雜場景下僅僅依靠人來決策是不夠的，還應增加基于能力預測的輔助決策手段幫助指揮員采取合理的行動策略。

本文據此提出的基于聲探測能力預測的感知行為決策方法，有助于在潛艇目標搜索階段提供科學合理的感知行為決策，可為作戰實驗自動化仿真推演、戰法訓法快速創新提供一種行之有效的實現途徑。

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A perceptual behavior decision method based on acoustic detectability prediction ofsubmarine

ZHANG Dong-jun, ZHANG Tao, WANG Shi

(Navy 92337 Troop, Dalian 116023, Liaoning, China)

Aiming at the problems that the combat result of submarine is affected greatly by combat behaviors and that the new combat method is difficult to seek based on traditional index system method, a perceptual behavior decision method, which is used for optimum decision in the target search stage, is proposed based on the prediction of acoustic detectability of the submarine. Firstly, the influence of acoustic propagation environment, platform characteristics and combat behaviors on acoustic detectability is analyzed. On the basis, the formal expression of acoustic detectability is found and the real-time correctable prediction model is established according to the characteristics of influence factors. The prediction of acoustic detectability is realized by behavior driven. Secondly, the framework of perceptual behavior optimization and its specific optimization process are set up under the overall constraint. Finally, the proposed method is verified by the example of anti-submarine in important sea area. The results show that this method can effectively optimize the perceptual behavior in the target search stage.

detectability prediction; behavior decision; optimization control; operational experiment

O429

A

1000-3630(2018)-04-0309-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.003

2018-03-08;

2018-05-08

中國博士后科學基金面上項目(2017M613384)

張東俊(1966－), 男, 遼寧大連人, 碩士, 高級工程師, 研究方向為武器裝備鑒定與作戰實驗建模仿真。

張濤,E-mail: radarads@sina.com