水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性自適應(yīng)評估研究*

王 蕾 劉 洋 譚 波

（海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

隨著潛艇消聲降噪技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，采用長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作為潛艇綜合作戰(zhàn)武器成為未來反潛作戰(zhàn)的重要趨勢，長航程持續(xù)反潛型水面無人艇具有高航速、大航程、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性好、生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，通過反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤水面無人艇實(shí)現(xiàn)對敵海上和水下目標(biāo)打擊，可以有效提升我方的生存能力，研究長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)可靠性評估模型，結(jié)合智能尋優(yōu)算法，利用聲吶探測信息，進(jìn)行反潛武器的火控解算，提高系統(tǒng)可靠性［1］。

長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估受限的因子具有多樣性和不確定性，為了提高評估效能，降低己方損傷，當(dāng)前方法對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的評估方法主要有線性評估模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法、粒子群尋優(yōu)的可靠性評估方法等，當(dāng)前方法對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估的環(huán)境適應(yīng)度水平不高［2］，自適應(yīng)性不好。針對上述問題，本文提出基于深度學(xué)習(xí)和尋優(yōu)控制的長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估模型。首先構(gòu)建系統(tǒng)可靠性評估的總體結(jié)構(gòu)和指標(biāo)參數(shù)模型，以指揮控制系統(tǒng)、態(tài)勢感知系統(tǒng)、軟硬武器系統(tǒng)、救生勤務(wù)系統(tǒng)、航行控制系統(tǒng)作為評價(jià)對象，結(jié)合對作戰(zhàn)指標(biāo)參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估，最后進(jìn)行仿真測試分析，展示了本文方法在提高長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估準(zhǔn)確性和環(huán)境適用性方面的優(yōu)越性能。

2 模型參數(shù)和評估指標(biāo)體系

2.1 作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性分配結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估模型構(gòu)造，結(jié)合長航程持續(xù)反潛型無人艇的主要任務(wù)特征，根據(jù)部署節(jié)點(diǎn)需求，通過對基地、港口、錨地、島礁等近海要域的巡邏反潛任務(wù)分布，采用作戰(zhàn)兵力、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺、探測設(shè)備聯(lián)合控制方法，利用聲吶設(shè)備對水下目標(biāo)進(jìn)行偵察搜索進(jìn)行長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)參數(shù)分析，通過決策、移動(dòng)、打擊、探測等行為模型參數(shù)法分析，結(jié)合模型單元測試，采用艇載懸空無人平臺警戒偵查技術(shù)，利用長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)單元參數(shù)融合模型分析，實(shí)現(xiàn)對縱向及橫向移動(dòng)控制，構(gòu)建長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)實(shí)體單元模型［3～5］，如圖1所示。

圖1 長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)實(shí)體的Agent單元模型

根據(jù)圖1 的總體結(jié)構(gòu)模型，利用聲吶探測信息，進(jìn)行反潛武器的火控解算，對艦艇編隊(duì)集結(jié)區(qū)域、運(yùn)輸航線、任務(wù)區(qū)域和敵方潛艇活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)搜索，采用靈活搭載擴(kuò)音器、閃光器的方法，實(shí)現(xiàn)對無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性參數(shù)分析，得到可靠性評估的參數(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性評估參數(shù)體系結(jié)構(gòu)

2.2 評估指標(biāo)參數(shù)分析

以長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)中驅(qū)逐艦的核心功能是否毀傷為攻擊判斷依據(jù)，采用模糊分類技術(shù)進(jìn)行命損傷、火力毀傷、機(jī)動(dòng)毀傷的權(quán)重分析［6］，得到指標(biāo)分布權(quán)重為

在k+1 時(shí)刻，反艦戰(zhàn)斗部是在艦船艙室內(nèi)進(jìn)行爆炸的特征方程為

其中，{α'β} 為超壓峰值和正壓作用時(shí)間，根據(jù)長航程持續(xù)反潛型水面無人艇的爆戰(zhàn)斗部的威力分析［7］，通過指數(shù)性融合模型，得到數(shù)據(jù)挖掘的統(tǒng)計(jì)函數(shù)為

其中，xi為長航程持續(xù)反潛型水面無人艇航行安全數(shù)據(jù)采樣標(biāo)量時(shí)間序列，ximin為長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)可靠性評估的中心權(quán)系數(shù)，c為近鄰樣本數(shù)，根據(jù)適應(yīng)度參數(shù)調(diào)節(jié)，得到點(diǎn)火增長反應(yīng)速率目標(biāo)函數(shù)G(Yj'ωi)為

其中，{p1'p2'p3} 為水面無人艇作戰(zhàn)的模糊狀態(tài)識別參數(shù)，p1+p2+p3=1。

3 可靠性評估尋優(yōu)算法

通過威脅判斷、目標(biāo)分配、武器分配等作戰(zhàn)決策部署模型，采用深度學(xué)習(xí)模型，計(jì)算無人艇作戰(zhàn)全過程的性能參數(shù)［8］，得到作戰(zhàn)性能的自適應(yīng)探測節(jié)點(diǎn)va，vb和vc，作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的自主攻擊的可靠性分布概率為

其中，yi'a為每個(gè)子系統(tǒng)的可靠度，ea為各個(gè)子系統(tǒng)的可用度，根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)需求，長航程持續(xù)反潛型無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)支持情報(bào)的分形指向性函數(shù)為

考慮全局優(yōu)化問題min｛f（x）｝，采用深度學(xué)習(xí)和尋優(yōu)控制的方法實(shí)現(xiàn)對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)武器的火控解算［9］，有效指導(dǎo)控制武器實(shí)施射擊，建立長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)效能最有效下的有效打擊概率為

其中，dist(i'Fg)為長航程持續(xù)反潛型水面無人艇的打擊因子，N為完成任務(wù)過程中向第j 中狀態(tài)轉(zhuǎn)移量，根據(jù)上述分析，得到長航程持續(xù)反潛型水面無人艇可靠性評估的自適應(yīng)尋優(yōu)控制模型［10］，尋優(yōu)控制的自相關(guān)加權(quán)權(quán)重：

其中，ωs為輕小型拖曳線列陣聲吶發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)后的可用性特征參數(shù)，ωe為開闊海域的大范圍機(jī)動(dòng)搜潛效能參數(shù)，Ic作戰(zhàn)效能的均衡狀態(tài)，Imax為最優(yōu)狀態(tài)分布集。綜上分析，采用深度學(xué)習(xí)和尋優(yōu)控制的方法實(shí)現(xiàn)對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)武器的火控解算，有效指導(dǎo)控制武器實(shí)施射擊，根據(jù)射擊效果實(shí)現(xiàn)對水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性自適應(yīng)評估［11～13］。

4 仿真測試與性能評估

為了驗(yàn)證本文方法在評估長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性方面的性能，采用Matlab 仿真設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)考慮了25 個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)中，使用監(jiān)視器計(jì)算出載體的俯仰角和滾動(dòng)角，采用vpIsectorHAT（Height Above Terrain）用于長航程持續(xù)反潛型無人艇的航行和攻擊階段的軌跡模擬，檢測器從其中心垂直向下射出一條直線直達(dá)地表面，創(chuàng)建碰撞檢測器，設(shè)置碰撞對象相交掩碼，在仿真過程中，檢測器會(huì)一直判斷相交矢，仿真實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)上述仿真參數(shù)設(shè)定，建立長航程持續(xù)反潛型水面無人艇的仿真實(shí)驗(yàn)場景如圖4所示。

圖4 長航程持續(xù)反潛型水面無人艇的仿真實(shí)驗(yàn)場景

根據(jù)圖4 的仿真場景和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行作戰(zhàn)參數(shù)解算，如圖5所示。

圖5 作戰(zhàn)參數(shù)解算結(jié)果

分析圖5 得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇的作戰(zhàn)參數(shù)解算，提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的可靠性，測試可靠性評估穩(wěn)定性，如圖6所示，分析圖6 得知，本文方法對長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估的準(zhǔn)確性較好。

圖6 長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估準(zhǔn)確性對比

5 結(jié)語

本文提出基于深度學(xué)習(xí)和尋優(yōu)控制的長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估模型。結(jié)合長航程持續(xù)反潛型無人艇的主要任務(wù)特征，根據(jù)部署節(jié)點(diǎn)需求，通過對基地、港口、錨地、島礁等近海要域的巡邏反潛任務(wù)分布，采用作戰(zhàn)兵力、作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺、探測設(shè)備聯(lián)合控制方法，利用聲吶設(shè)備對水下目標(biāo)進(jìn)行偵察搜索進(jìn)行長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)參數(shù)分析，采用模糊分類技術(shù)進(jìn)行命損傷、火力毀傷、機(jī)動(dòng)毀傷的權(quán)重分析。研究得知，本文方法進(jìn)行長航程持續(xù)反潛型水面無人艇作戰(zhàn)系統(tǒng)可靠性評估的提高了武器系統(tǒng)的命中率和可靠性，評估適應(yīng)性較強(qiáng)。