基于CPN Tools的艦艇編隊護航反潛作戰建模

王廣明， 郭傳福， 劉喜作

(海軍大連艦艇學院 艦船指揮系， 遼寧 大連 116018)

隨著各國潛艇力量的發展，海上交通運輸線在戰時或者爆發局部沖突時，都可能會面臨嚴峻的潛艇威脅。由艦艇編隊實施反潛護航，是保障海上運輸安全的基本方法。對艦艇編隊反潛護航戰法的驗證有多種方法，可以通過實兵對抗演練，也可以通過計算機作戰模擬系統進行推演。但是，實兵演練組織復雜、成本高，反復組織難度大；計算機作戰模擬系統對作戰環境和裝備性能的細節模擬，與實際作戰存在一定的差距，但往往有些細節是實際作戰中不容忽視的。CPN建模方法是一種基于對系統狀態進行研究的建模方法，它不依賴于對細節本身的描述，只需要描述由細節產生的各種狀態之間的依賴關系，在研究異步并發系統方面具有獨特優勢[1]。而且，通過專門針對CPN的建模仿真分析軟件CPN Tools，可以使用Standard ML語言對模型進行詳細描述，進行交互仿真或自動仿真，以自定義的形式收集所需數據[2]。所以，對使用CPN建模方法進行艦艇編隊反潛護航戰法仿真驗證的方法，有必要積極探索。

1 艦艇編隊護航反潛作戰過程

以伴隨護航為例對艦艇編隊護航反潛作戰過程簡化描述。

伴隨護航中，護航編隊的對潛防御行動主要包括兵力配置、航渡組織、防潛警戒、對潛攻擊和對潛防御等幾個方面[3]。其對潛防御過程如圖1。

圖1 艦艇編隊對潛防御過程示意圖

敵潛艇對護航編隊進行伏擊的主要行動包括對目標船搜索、攻擊和自身防御等幾個方面[3]。其伏擊過程如圖2。

2 艦艇編隊護航反潛作戰CPN模型

紅方護航運輸隊由3艘護航艦艇和4艘商船組成，初始位置位于A點附近海域。護航艦艇配備聲納、魚雷和水聲對抗器材。紅方護航艦艇任務是將4艘商船從A點安全護送至B點。

藍方兵力為潛艇1艘，配備聲納、魚雷和水聲對抗器材，初始位置位于紅方運輸航線附近陣地，任務是待紅方護航運輸隊經過時，對商船實施攻擊，擊沉4艘商船。

根據對艦艇編隊護航反潛作戰過程的分析，運用CPN Tools建模軟件，建立艦艇編隊護航反潛作戰CPN模型。

2.1 模型結構設計

按照描述的對象不同，將模型劃分為交互模型和實體模型[4]。模型結構如圖3所示。

其中，交互模型設計為父層頁面decision_interact，實體模型設計為子層頁面，分別為merchant、warship和submarine[5]。交互是指實體間的相互作用。實體由實體標識、空間屬性和行為屬性等實體屬性來描述，實體屬性的值稱為狀態，實體的行為導致了實體狀態的改變和實體間的相互作用。所有實體的狀態構成了艦艇編隊護航反潛作戰整個過程不同的狀態。

圖2 潛艇伏擊過程示意圖

圖3 模型結構示意圖

2.2 決策交互模型

決策交互模型簡要描述了紅藍雙方指揮決策干預的過程以及各個實體之間交互作用。紅方決策干預動作主要包括：兵力配置、防潛觀察、對潛艇攻擊和對魚雷防御。藍方決策干預動作主要包括：對目標搜索、進行魚雷攻擊和組織防御。

實體交互規則進行假設描述如下：

1) 護航運輸隊進入潛艇伏擊陣地的概率為0.7；潛艇進入驅護艦聲納探測范圍的概率為0.3。

2) 如果敵潛艇位置在驅護艦聲納探測范圍內，則敵潛艇被發現的概率為0.7；如果商船位置在敵潛艇探測范圍內，則商船被發現的概率為0.7。

3) 如果敵潛艇實施1次攻擊，則商船被擊毀1艘的概率為0.7；如果紅方實施1次攻擊，則潛艇被擊毀概率為0.7。模型如圖4所示。模型中庫所和變遷的意義如表1所示。

圖4 決策交互模型

庫所意義(替代)變遷意義decision_dispose兵力配置決策merchant商船模型decision_detect_w防潛觀察決策warship驅護艦模型decision_attack_w_s對潛攻擊決策submarine敵潛艇模型decision_def_w對潛防御決策choose_dis定下配置方案a_b潛艇位置choose_det_w定下探測方案target_list發現目標列表choose_att_w定下打擊方案torpedo_s_m魚雷攻擊信息choose_def_w定下防御方案times_attack_m攻擊次數time_navigate航渡時間

2.3 商船模型

商船模型描述了商船按配置方案配置、由A點向B點航渡和受魚雷攻擊時的對潛防御等過程。商船狀態包括：實體標識(MERC_M)、空間屬性(POSI_MERC)。定義為：

colset MERC=index merc with 1.4;

colset POSI_RED=with A|AB_in|AB_out|B|NULL;

colset MERCHANT_P=product MERC*POSI_RED;

colset MERCHANT=MERCHANT_P timed

對魚雷防御過程簡化描述為：

if bernoulli(0.7)=1

then 1′(m1,NULL)

else 1′(m1,p_r)

與其他模型的交互作用，通過輸入端口○In，輸出端口○Out和讀取端口○In/Out實現。模型如圖5所示。模型中庫所和變遷的意義如表2所示。

2.4 驅護艦模型

驅護艦模型描述了驅護艦編隊按配置方案配置、進行防潛觀察、對潛攻擊與防御等過程。其探測過程簡化描述為：

if p_b=ab_in andalso bernoulli(0.7)=1

then 1′(s1,ab_in)

else empty

對潛攻擊時，魚雷信息定義為：

colset TORPEDO=with torpedo_0|torpedo_1;

colset TORPEDO_S=product SUBM*POSI_BLUE*

TORPEDO

模型如圖6所示。模型中庫所和變遷的意義如表3。

圖5 商船模型

庫所意義變遷意義A位于A點的商船dis-pose執行兵力配置方案A_B航渡中的商船de-fense防御機動B到達B點的商船lose損失判定result防御的結果arrive到達B點LOST被擊毀的商船

圖6 驅護艦模型

庫所意義變遷意義number_torpedo魚雷數量defense對潛防御動作detect對潛探測動作attack對潛攻擊動作

2.5 敵潛艇模型

敵潛艇模型簡要描述了敵潛艇按搜索方案對目標進行搜索、攻擊和組織自身防御等動作過程。

潛艇位置狀態更新簡要描述為：

var p_b1:POSI_BLUE;

input ();

output (p_b1);

action

if bernoulli(0.3)=1

then (ab_in)

else (ab_out)

模型如圖7。模型中庫所和變遷的意義如表4。

圖7 敵潛艇模型

庫所意義變遷意義A_B_M商船位置信息attack_m對商船攻擊動作A_B_W驅護艦位置信息attack_w對驅護艦攻擊動作

3 仿真驗證

對紅方3種不同的作戰方案，使用已建立的CPN模型，在CPN Tools軟件中進行仿真驗證。

紅方方案1：商船采用雙橫隊，驅護艦扇形配置。紅方方案2：商船采用雙橫隊，驅護艦采取縱線配置。紅方方案3：商船采用單縱隊，驅護艦采取縱線配置。

紅方方案對藍方決策的影響假設：在紅方商船采用雙橫隊時，不便于敵潛艇對后續商船實施連續攻擊；采用單縱隊時，利于實施連續攻擊。假設當利于實施連續攻擊時，實施后續攻擊的概率為0.8；不便于實施連續攻擊時，實施后續攻擊的概率為0.2。

當驅護艦采取扇形配置，對潛觀察嚴密，假設此情況下，潛艇對商船實施攻擊的概率為0.5，驅護艦采取縱線配置時，潛艇對商船實施攻擊的概率為0.8。

對紅方3種方案各進行100次仿真，得出紅藍雙方兵力損失情況如表5所示。

表5 紅藍雙方兵力損失對比

從仿真數據可以看出對比，紅方采用方案1時，任務成功率最高。比較方案2和方案3，說明商船采用雙橫隊要比采用單縱隊損失小。

4 結論

使用CPN模型進行仿真的結果，與實際情況基本相符，從而表明了使用CPN方法對艦艇編隊反潛護航戰法進行仿真驗證具有可行性。為了提高戰法仿真的真實性和對抗性，還需要對作戰過程的各種狀態進行細化，對各種決策與狀態之間的依賴關系進一步完善。