基于信息流的多Agent魚雷攻擊效能評估方法

劉星璇 徐棟

（1.海軍潛艇學(xué)院 山東省青島市 266000 2.海軍91040部隊(duì) 山東省青島市 266000）

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來海戰(zhàn)場的作戰(zhàn)形態(tài)發(fā)生根本變化，潛艇已經(jīng)成為海軍主要突擊兵力之一，對潛艇的作戰(zhàn)效能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，能夠?yàn)椴筷?duì)作戰(zhàn)、訓(xùn)練、裝備改造等提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義。

潛艇攻擊需要完成對目標(biāo)的偵察、識(shí)別、接敵、跟蹤、占位和射擊（引導(dǎo)）等一系列戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)[1]。當(dāng)前潛艇作戰(zhàn)的效能評估方法，文獻(xiàn)[2]為基于指數(shù)法，根據(jù)作戰(zhàn)能力要素?cái)?shù)量、能力系數(shù)和貢獻(xiàn)的大小，對效能進(jìn)行度量，文獻(xiàn)[3]為基于灰色系統(tǒng)理論，利用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度對作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估，文獻(xiàn)[4]為基于Vague集的作戰(zhàn)效能評估，在專家評價(jià)與理想Vague集進(jìn)行加權(quán)貼近度進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[5]為基于模糊綜合評判的方法，根據(jù)作戰(zhàn)效能模糊評價(jià)集上的值按照最大隸屬度原則進(jìn)行分析。以上方法多是相對靜態(tài)的效能評估，有一定的主觀性和模糊性，對單個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)效能評估不夠準(zhǔn)確、細(xì)致。

本文采取基于作戰(zhàn)信息流的多Agent建模仿真。由于基于Agent的仿真可以有效地彌補(bǔ)以往一些建模方法的不足，能比較客觀、真實(shí)地描述潛艇作戰(zhàn)過程中不確定性和非線性的作戰(zhàn)行為，為潛艇作戰(zhàn)推演系統(tǒng)的建立提供技術(shù)支撐[6][7][8]。因此，本文針對潛艇作戰(zhàn)實(shí)際情況，除了充分考慮潛艇武器本身的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)，還對戰(zhàn)場態(tài)勢、作戰(zhàn)流程、對戰(zhàn)雙方等要素進(jìn)行綜合動(dòng)態(tài)分析，建立潛艇攻擊作戰(zhàn)效能評估模型。

1 基于信息流的Agent模型結(jié)構(gòu)

1.1 潛艇攻擊信息過程

潛艇作戰(zhàn)的基本流程如圖1所示。

圖1：潛艇作戰(zhàn)基本流程圖

潛艇攻擊過程可以分為四個(gè)階段：搜索跟蹤階段、情報(bào)處理階段、作戰(zhàn)決策階段、潛艇攻擊階段[9]。攻擊方式根據(jù)攻擊目標(biāo)可以分為對潛、對艦、對岸攻擊；根據(jù)使用武器，可以分為魚雷攻擊和導(dǎo)彈攻擊兩種方式。

其中根據(jù)其作戰(zhàn)流程和任務(wù)劃分，可以再次細(xì)化，其中搜索跟蹤、情報(bào)處理、作戰(zhàn)決策的三個(gè)階段是由潛艇完成，潛艇攻擊階段是由潛艇和武器共同完成。因此可將作戰(zhàn)過程中的實(shí)體分為潛艇Agent和武器Agent，本文重點(diǎn)研究魚雷攻擊。

1.2 潛艇Agent模型結(jié)構(gòu)

在美軍“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”概念中， Agent可從三個(gè)層次進(jìn)行研究：物理域、信息域和認(rèn)知域[10]。本文根據(jù)其任務(wù)階段將模型結(jié)構(gòu)分為搜索跟蹤模塊、情報(bào)處理模塊、作戰(zhàn)決策模塊、潛艇攻擊模塊、潛艇運(yùn)動(dòng)模塊、任務(wù)狀態(tài)模塊和Agent交互模塊。潛艇Agent模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：潛艇Agent模型結(jié)構(gòu)圖

交互模塊用于Agent之間的信息和行動(dòng)交互，本文主要研究潛艇魚雷攻擊，主要有潛艇Agent、魚雷Agent之間的信息和行為交互。

搜索跟蹤模塊設(shè)置主動(dòng)和被動(dòng)聲納兩種工作方式，但在實(shí)際作戰(zhàn)中，為保證潛艇射擊前的隱蔽性，通常采用被動(dòng)聲納發(fā)現(xiàn)目標(biāo)方位后進(jìn)行解算。在該模塊可以獲得目標(biāo)信息，包含有目標(biāo)批號(hào)in，本文主要研究攻擊目標(biāo)為水面艦艇，其目標(biāo)點(diǎn)跡位置信息M=(xm,ym)n。

情報(bào)處理模塊對由搜索跟蹤模塊所傳遞的目標(biāo)的航跡數(shù)據(jù)M進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)模型。對已跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)；對新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)建立新的目標(biāo)批號(hào)和航跡；對丟失的目標(biāo)點(diǎn)跡，與原航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理。對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素Tm進(jìn)行解算，生成目標(biāo)航向和航速，得到運(yùn)動(dòng)要素。

潛艇攻擊模塊接收任務(wù)規(guī)劃模塊的發(fā)射指令；交互模塊用于Agent之間的信息和行為交互；作戰(zhàn)狀態(tài)模塊存儲(chǔ)所有Agent信息，接收任務(wù)狀態(tài)模塊的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)可攻性判斷An選擇立即攻擊、占位攻擊或不攻擊，選擇任務(wù)火力打擊、占領(lǐng)陣位或繼續(xù)搜索。

1.3 武器Agent模型結(jié)構(gòu)

潛艇攻擊可以根據(jù)武器分類為魚雷攻擊和導(dǎo)彈攻擊，本文主要以最常見的線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷為研究對象。根據(jù)魚雷攻擊任務(wù)，將魚雷Agent按層次劃分的模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3：魚雷Agent模型結(jié)構(gòu)圖

魚雷發(fā)射后，潛艇保持有利追蹤航向，并對魚雷進(jìn)行導(dǎo)引控制，然后魚雷借助自導(dǎo)裝置捕獲目標(biāo)并自動(dòng)控制。末自導(dǎo)裝置的捕獲條件為魚目距離Dfm小于魚雷非接觸作用距離Rf，且距離大于引信啟動(dòng)距離Rfuze。

2 潛艇攻擊模型

由于潛艇聲納及設(shè)備的精度誤差以及受水文氣象因素的影響，除發(fā)現(xiàn)概率外，所測得參數(shù)值具有誤差，在仿真時(shí)以真實(shí)點(diǎn)跡為中心的正態(tài)分布為聲納探測到的目標(biāo)點(diǎn)跡。

2.1 潛艇Agent數(shù)學(xué)模型

2.1.1 聲納目標(biāo)定位精度

聲納定位精度是指在測定目標(biāo)位置時(shí)的統(tǒng)計(jì)誤差，有測向和測距精度兩個(gè)指標(biāo)。在實(shí)際作戰(zhàn)中，為保證隱蔽性，潛艇對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)通常使用被動(dòng)聲納，因此本文在進(jìn)行分析時(shí)，主要考慮聲納測量目標(biāo)所在方位時(shí)的方向誤差。測向精度與基準(zhǔn)部件精度、隨動(dòng)系統(tǒng)精度、測向方法、水文氣象等因素有關(guān)，經(jīng)多次測量，近代聲納的測向精度約為0.25°～1°[17]。

圖4：方位平差法示意圖

本文誤差值設(shè)定為聲納測向誤差服從期望為0.625°，均方差σB的正態(tài)分布，方法選用潛艇對目標(biāo)實(shí)施隱蔽攻擊最常用的方位平差法進(jìn)行仿真，該算法適用于被動(dòng)聲納只獲得目標(biāo)方位的情況下解算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素。

2.1.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算模型

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算與信息的來源和種類有關(guān)。由于潛艇觀察器材所測得的目標(biāo)信息存在誤差，通常采用最小二乘濾波法來降低觀測誤差對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素解算的影響，主要包括方位平差法、一距離方位平差法、多方位多距離平差法等[9]。

建立以t_0時(shí)刻潛艇位置為原點(diǎn)，正東為X軸，正北為Y軸的直角坐標(biāo)系，如圖4所示[9]。設(shè)本艇航向和航速分別為Cw、Vw，目標(biāo)航向和航速分別為Cm、Vm，在某時(shí)刻tj目標(biāo)距離和方位分別為Dj、Bj，潛艇連續(xù)觀測到的目標(biāo)方位為B0,B1,…,Bn。

從X軸和Y軸上t0到tj時(shí)刻的距離，可以建立關(guān)系式：

令X=D0，Y=Vmsin Cm，Z=Vmcos Cm，aj=sin(B0-Bj)，bj=(tj-t0)cos Bj，cj=-(tj-t0)sin Bj，dj=cos Bj從式（1）中消去Dj，則

設(shè)F(X,Y,Z)=ajX+bjY+cjZ-dj，根據(jù)最小二乘原理，分別對X、Y、Z求偏導(dǎo)：

將式（3）（4）（5）求得公式按照矩陣形式列出：

根據(jù)潛艇觀測到的目標(biāo)參數(shù)，解方程（2），將數(shù)值代入公式（6）中，可求出X、Y、Z，則潛艇觀測到的目標(biāo)航向和速度分別為：

2.1.3 占領(lǐng)射擊陣位模型

潛艇在確定陣位時(shí)需要重點(diǎn)考慮占位射擊可行域和有利射擊陣位域[12]。

其中，有利射擊陣位是潛艇可行域中按作戰(zhàn)態(tài)勢而確定的，在一定戰(zhàn)術(shù)背景下對目標(biāo)攻擊效果達(dá)到一定要求的攻擊區(qū)域，該區(qū)域主要基于占位可行、魚雷命中率高、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)潛艇概率低的基本原則[13]。

通常潛艇有利射擊陣位受到魚雷射程和魚雷入射角影響，但由于現(xiàn)代潛射魚雷射程較遠(yuǎn)、目標(biāo)命中概率相對較高，因此對有利射擊陣位需求較傳統(tǒng)潛艇占位低。

2.2 魚雷Agent數(shù)學(xué)模型

2.2.1 潛艇魚雷射擊流程

在潛艇占領(lǐng)射擊陣位進(jìn)入戰(zhàn)斗航向，解算并裝訂魚雷射擊諸元后，發(fā)射魚雷，正常攻擊情況下，魚雷射擊諸元參數(shù)通過解算方程確定。潛艇的魚雷射擊流程主要是指從魚雷出管道命中目標(biāo)或航程耗盡的過程，按照自導(dǎo)方式分為直航魚雷、聲自導(dǎo)魚雷和尾流自導(dǎo)魚雷等，其射擊流程如圖5所示[9]。

圖5：潛艇魚雷射擊流程

2.2.2 線導(dǎo)+聲自導(dǎo)魚雷攻擊模型

以現(xiàn)在方位導(dǎo)引法建模，其導(dǎo)引準(zhǔn)則是將魚雷導(dǎo)引到現(xiàn)在時(shí)刻的導(dǎo)引艇和目標(biāo)連線上[14]。假設(shè)目標(biāo)作等速直航運(yùn)動(dòng)，只考慮水平面內(nèi)線導(dǎo)魚雷的運(yùn)動(dòng)情況，取魚雷發(fā)射點(diǎn)為原點(diǎn)，正東方向?yàn)閄軸，正北方向?yàn)閅軸，建立大地平面直角坐標(biāo)系。已知魚雷速度Vf、初始位置T(Xf0,Yf0)=(0,0)、導(dǎo)引時(shí)間間隔Δti；潛艇初始位置為W(Xw0,Yw0)=(0,0)，航向Cwi、航速Vw，聲納測得目標(biāo)方位Bi。現(xiàn)在方位導(dǎo)引法如圖6所示。

圖6：現(xiàn)在方位導(dǎo)引法圖式

圖7：戰(zhàn)術(shù)想定態(tài)勢圖

雷艇距離及方位為：

利用圖10坐標(biāo)系，已知目標(biāo)坐標(biāo)為M(Xmi,Ymi)，可知魚目相對距離為目標(biāo)相對魚雷航向的方位為魚雷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)舷角為

魚雷自導(dǎo)追蹤彈道有多種形式，較常用的有尾追式、固定提前角式、自動(dòng)調(diào)整提前角式導(dǎo)引彈道[14]，對于不同的彈道，其目標(biāo)追蹤航程不同。當(dāng)魚雷在某水文環(huán)境下的自導(dǎo)作用距離為r時(shí)，魚雷尾追式導(dǎo)引彈道的自導(dǎo)追蹤航程為其中m為目標(biāo)與魚雷速度比，即

因此，魚雷的總航程為Lfr、時(shí)刻i-1與i時(shí)刻間魚雷航行路程Sfi，當(dāng)線導(dǎo)魚雷有足夠自導(dǎo)追蹤航程情況且捕獲目標(biāo)的條件為：

3 應(yīng)用舉例

設(shè)某時(shí)刻目標(biāo)艦位于點(diǎn)M0(Xm0,Ym0)，并以航速Vm，航向Cm等速直航，潛艇初始位置為O(0,0)處，經(jīng)過轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)，獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素Tm=(Cm,Vm)，于點(diǎn)Wi(Xwi,Ywi)處發(fā)射魚雷進(jìn)行攻擊。水面艦艇目標(biāo)于Mj(Xmj,Ymj)處發(fā)現(xiàn)魚雷，并采取機(jī)動(dòng)措施，并當(dāng)魚雷進(jìn)入艦艇火力打擊范圍Rm內(nèi)進(jìn)行攔截。攻擊過程態(tài)勢圖如圖7。

本文可通過設(shè)定潛艇、魚雷和目標(biāo)的初始信息，隨后利用蒙特卡洛法對該條件進(jìn)行多次試驗(yàn)，在魚雷能否攻擊到目標(biāo)過程中，需要計(jì)算求得魚雷自導(dǎo)作用距離，得到綜合結(jié)果進(jìn)行分析判斷。

4 結(jié)束語

本文建立了基于多Agent潛艇魚雷攻擊的效能分析方法，構(gòu)造了基于信息流的Agent模型結(jié)構(gòu)，并對攻擊過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。本文中基于多Agent的效能分析方法，對單一對象和武器進(jìn)行了分析，該方法還具有可擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到多艦艇、多武器作戰(zhàn)。