基于潛艇聲探測能力預(yù)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(yù)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(zhàn)行為對潛艇作戰(zhàn)結(jié)果的影響較大，且難以通過傳統(tǒng)基于指標體系的方法來尋求戰(zhàn)法創(chuàng)新的問題，提出了基于潛艇聲探測能力預(yù)測的感知行為決策方法，用于目標搜索階段的優(yōu)化決策。首先分析了傳播環(huán)境、平臺特性及作戰(zhàn)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(yù)測模型，實現(xiàn)行為驅(qū)動的聲探測能力預(yù)測；然后建立了總體約束下的感知行為優(yōu)化框架及具體優(yōu)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(jié)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(yōu)化。

能力預(yù)測；行為決策；優(yōu)化控制；作戰(zhàn)實驗

0 引言

“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，一直都是人們在戰(zhàn)爭中追求的目標?！爸褐恕笔恰鞍賾?zhàn)不殆”的基礎(chǔ)和前提，尤其在現(xiàn)代戰(zhàn)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(zhàn)場態(tài)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(yōu)化。

作戰(zhàn)實驗是通過探索作戰(zhàn)的因果關(guān)系以深入認識戰(zhàn)爭規(guī)律和指導(dǎo)規(guī)律的科學(xué)方法[2]。對于交戰(zhàn)結(jié)果與交戰(zhàn)進程呈強相關(guān)的作戰(zhàn)類型，需要能夠描述裝備作戰(zhàn)能力隨作戰(zhàn)進程所呈現(xiàn)的動態(tài)變化特性。例如，潛艇對潛、對艦作戰(zhàn)中，交戰(zhàn)結(jié)果具有較大的偶然性，并不能通過對比指標參數(shù)等方式來決定勝負，而是交戰(zhàn)過程中某些關(guān)鍵行為決定了結(jié)果的走向。

在水下作戰(zhàn)空間，聲探測是作戰(zhàn)裝備探測感知的主要手段，受環(huán)境和平臺狀態(tài)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(zhàn)技術(shù)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(yù)測模型，實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)估計，并搭建能力需求與行為決策之間的關(guān)系，以尋求在目標搜索過程中行為決策的科學(xué)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(cè)、拖曳等主/被動聲吶探測目標。聲吶系統(tǒng)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(fā)射器聲源級，對于主動聲吶就是目標回聲聲源級(這里是發(fā)射聲源級，是傳播損失，是目標強度)。

圖1 聲吶系統(tǒng)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(zhàn)運用中，僅考慮通過作戰(zhàn)行為驅(qū)動以及利用環(huán)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(huán)境；(2) 平臺特性；(3) 作戰(zhàn)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(shù)、混響級、檢測閾等。

1.2 傳播環(huán)境影響分析

聲探測能力受環(huán)境的影響非常大，水聲傳播環(huán)境是一個復(fù)雜多變的信道。海洋介質(zhì)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(dǎo)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(jù)環(huán)境的不同，呈現(xiàn)出巨大的差異：

同時，海底地形、結(jié)構(gòu)、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(tǒng)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(wù)下所采取的航行工況不同，導(dǎo)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(zhàn)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(nèi)保持穩(wěn)定，而變向、變速、變深機動等作戰(zhàn)行為以及設(shè)備動用可能引起平臺瞬時噪聲發(fā)生變化，進而對聲吶探測能力產(chǎn)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(fā)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(tǒng)仍保持探測的能力，但其探測距離和聲吶的指向性都將發(fā)生較大的變化。

同時，由于拖曳陣隨潛艇航行狀態(tài)的改變具有滯后性，在潛艇變深、變向等機動的過程中，應(yīng)根據(jù)拖曳陣所處的實際情況，而不是依據(jù)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(chǎn)生陣形畸變

2 聲探測能力預(yù)測方法

2.1 基于傳播環(huán)境的探測能力預(yù)測方法

海洋環(huán)境的復(fù)雜多變性使得裝備的聲探測能力受海水深度、季節(jié)、海區(qū)位置、海底底質(zhì)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(huán)境數(shù)據(jù)的預(yù)測模型，實時、動態(tài)地預(yù)測裝備聲探測能力。

影響聲探測能力的海洋環(huán)境因素主要有：海況、水深和水聲環(huán)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(huán)境隨季節(jié)、海區(qū)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(qū)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(jié)的變化而變化。圖4為在某海域一個月的實測的溫度數(shù)據(jù)。

圖4 某海域一個月實測溫度變化情況

由于傳播環(huán)境對聲探測影響的復(fù)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(tǒng)所處的深度密切相關(guān)。圖5為在某海域?qū)崪y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(yīng)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(huán)境不僅影響聲吶的探測距離，同時影響探測包絡(luò)的形狀。

最后，估計出下潛到不同深度時對應(yīng)的聲探測能力大小。

2.2 基于平臺自噪聲的探測能力預(yù)測方法

……

2.3 基于陣形估計的聲探測能力預(yù)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(fā)生不同程度的畸變，直接影響探測距離、探測包絡(luò)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(luò)形狀，實現(xiàn)對聲探測能力的實時預(yù)測。

傳播環(huán)境、平臺特性、作戰(zhàn)行為對聲探測能力產(chǎn)生的綜合影響，根據(jù)各因素的影響情況綜合預(yù)測聲探測能力：

3 總體能力約束下的感知行為優(yōu)化決策

在執(zhí)行某項作戰(zhàn)任務(wù)的感知階段，需要通過行為驅(qū)動以調(diào)整探測能力、實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢感知的最優(yōu)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(guān)，有時候不能一味追求探測能力的最優(yōu)而損害了其他能力的發(fā)揮。所以需要在總體能力的優(yōu)化控制下采取合適的感知行為，實現(xiàn)約束下的最優(yōu)感知。

3.1 感知行為建模

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

操縱行為主要是在作戰(zhàn)進程中，各戰(zhàn)位依據(jù)操縱規(guī)程對指揮員口令的響應(yīng)，并作用于裝備系統(tǒng)?？杀硎緸?/p>

指揮行為與操縱行為之間的關(guān)系為：

3.2 總體能力約束下的感知行為優(yōu)化決策

3.2.1 動態(tài)約束條件設(shè)置

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

對探測感知能力的優(yōu)化需考慮總體能力需求的動態(tài)約束。將作戰(zhàn)進程劃分為作戰(zhàn)能量積蓄、感知、傳遞、轉(zhuǎn)化四個階段[12]，根據(jù)作戰(zhàn)階段和作戰(zhàn)目的構(gòu)建動態(tài)約束條件。

約束條件包括裝備各能力的范圍及控制優(yōu)先級?？杀硎緸?/p>

3.2.2 感知行為優(yōu)化決策

在作戰(zhàn)過程中，最為常見的行為是根據(jù)態(tài)勢變化不斷調(diào)整自身的狀態(tài)(能力)以適應(yīng)作戰(zhàn)要求。但通常情況下，作戰(zhàn)單元對態(tài)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(xiàn)決策的全局最優(yōu)，而優(yōu)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(yōu)化決策，就是要在總體能力約束條件下通過方案尋優(yōu)，實現(xiàn)在備選方案空間內(nèi)的最優(yōu)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(yōu)化框架如圖6所示。

感知行為優(yōu)化過程如下：

(1) 創(chuàng)建感知行為方案個體。根據(jù)感知行為集，構(gòu)建由單個指揮行為或指揮行為序列(包括響應(yīng)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(tǒng)狀態(tài)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(jù)對作戰(zhàn)任務(wù)的理解以及對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷確定總體能力約束條件)；

圖6 感知行為的優(yōu)化流程

(3) 構(gòu)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(yù)測。對精英種群中的行動方案個體，根據(jù)其引起的探測感知裝備的狀態(tài)變化以及平臺的空間變化，通過第2節(jié)中的聲探測能力預(yù)測方法，預(yù)測執(zhí)行該行動方案的感知能力的影響；

最優(yōu)解即為下一步感知能力優(yōu)化的行動方案，實現(xiàn)了感知行為的優(yōu)化決策。

4 實例分析

4.1 想定設(shè)置

4.2 感知行為優(yōu)化決策

(1) 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

(2) 初始態(tài)勢

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

(3) 實驗結(jié)果

按照總體約束下的感知行為優(yōu)化流程，仿真得到1 000個行為方案個體執(zhí)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(shù)量為33，如圖7所示。

圖7 行為方案滿意度評估

5 結(jié)語

在潛艇作戰(zhàn)任務(wù)中，能否對目標實現(xiàn)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(huán)境、作戰(zhàn)行為的影響和驅(qū)動，在尋求感知能力優(yōu)化的同時往往涉及到其他能力的總體平衡，在復(fù)雜場景下僅僅依靠人來決策是不夠的，還應(yīng)增加基于能力預(yù)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(jù)此提出的基于聲探測能力預(yù)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(xué)合理的感知行為決策，可為作戰(zhàn)實驗自動化仿真推演、戰(zhàn)法訓(xùn)法快速創(chuàng)新提供一種行之有效的實現(xiàn)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(xué)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(zhàn)實驗建模仿真。

張濤,E-mail: radarads@sina.com