基于威脅度評估的護航任務(wù)航路規(guī)劃

鄒建宇，黃炎焱，陳天德

(南京理工大學自動化學院，江蘇 南京 210094)

1 引言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進，我國海外投資、經(jīng)商和旅游等重大項目日益開展起來，海上運輸在“21世紀海上絲綢之路”中扮演著重要角色[1-2]。而海運作為最主要的運輸方式在我國海外貿(mào)易中的地位日益凸顯。因此，海上通道暢通與否，直接關(guān)系到“一帶一路”戰(zhàn)略的推進，海上貿(mào)易通道也就成為了中國外貿(mào)的生命線[3]。然而長期以來，在重要的海上戰(zhàn)略通道上，海盜活動極為猖獗，已成為一個全球性“痼疾”和國際公害，對國際航運、海上貿(mào)易和海上安全構(gòu)成嚴重威脅[4]。

在海外護航行動中，我方護航船只數(shù)量有限，而敵方往往具有隱蔽性強、目標數(shù)量多的特點，因為在無法同時對多個威脅度不同的目標進行驅(qū)逐且對障礙物進行避碰。所以需要尋求一個符合海外背景的動態(tài)航路規(guī)劃算法。目前關(guān)于海上目標路徑規(guī)劃的研究主要圍繞對障礙物進行避碰來展開，且只有一個目標點，而在海外護航任務(wù)中，具有多目標、多障礙物以及影響因素復(fù)雜的特點，傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃無法滿足護航任務(wù)需求。常用的航路規(guī)劃算法包括可視圖法、A*算法、人工勢場法、隨機路標圖法、混沌遺傳算法等等。由于人工勢場法其具有模型簡單、解算快速和動態(tài)實時的特點，并且易將多個目標護航船只的影響進行耦合，將其綜合體現(xiàn)在護航船只的動態(tài)航路規(guī)劃中。

本文針對目標威脅度動態(tài)變化和對不同威脅值的多個目標同時進行驅(qū)逐或避碰的問題，量化指標中引入登船威脅度和距離威脅度，利用層次分析法實現(xiàn)實時威脅度評估模型；基于威脅度的實時評估和傳統(tǒng)人工勢場法，提出一種新的引力函數(shù)模型，并增加距離威脅度影響因素和應(yīng)答判斷，解決的多目標驅(qū)逐或避碰的問題。通過Matlab仿真結(jié)果表明，采用該方法得到了平滑的護航路徑，有效的解決了具有動態(tài)威脅度的多目標護航航路規(guī)劃問題。

2 威脅度評估模型框架

威脅評估模型通過建立多層次的評價指標體系，采用各指標效用函數(shù)賦權(quán)求和得到可疑船只的威脅度。模型由兩部分組成，一部分是敵我雙方的應(yīng)答識別，對可疑船只進行敵我應(yīng)答識別時，如果并未進行準確應(yīng)答，則判斷為敵方船只。另一部分是目標各時刻的威脅值。其中各個時刻的威脅度可分為：可疑船只意圖、可疑船只登船危險度和可疑船只距離?？梢纱灰鈭D包括目標類型和目標武器荷載；可疑船只登船危險度由目標距離、目標航向和目標航速進行耦合。在與海盜實際作戰(zhàn)的過程中，并非所有船只都選擇登船作戰(zhàn)，一些船只在一定距離內(nèi)會對我方目標進行火力打擊，所以加上把距離要素單獨作為準則層的一個要素。

圖1 可疑船只威脅度評估模型框架

2.1 威脅度評估指標量化

2.1.1 可疑船只意圖

目標的威脅類型屬于定性指標，對于海上可疑目標，可通過雷達、AIS或其它手段判別。本文依據(jù)海外常見的目標類型分為漁船、貨船和快艇。當目標為快艇時，對我方商船具有潛在攻擊性和登船危險，具有較大的威脅性，故在量化過程中取值較大；當目標為貨船時，其機動能力較弱，但也具有一定潛在威脅，故在量化時取值適中；而目標為漁船時，由于海盜具有一定的偽裝性，仍需要有一定的警惕意識，故在量化時取較小值[5]。根據(jù)專家相關(guān)經(jīng)驗，威脅類型量化表如表1所示。

表1 威脅類型量化表

目標的武器載荷屬于定性指標，對于海上可疑目標，本文將其劃分為有明確武器、無明確武器和未裝備武器[5]。通過對可疑目標的態(tài)勢信息的分析處理，判斷其武器荷載程度，對于有明確武器的目標在量化時取較高的值；對于無明確武器的目標，應(yīng)當考慮其有潛在武器或者隱蔽武器空間，量化值取適中；而對于已證實目標沒有負載武器的空間與性能的目標，量化值取較低值。根據(jù)專家相關(guān)經(jīng)驗，威脅類型量化表如表2所示。

表2 武器荷載量化表

2.1.2 可疑船只登船威脅度

在海外航行中，海盜等海外軍事勢力可能會對來往商船劫持行動，以便于獲取物資或者采取勒索行動。在可疑來船存在登船威脅的情況下，通過借鑒船舶領(lǐng)域中最近會遇距離(DCPA)與最小會遇時間(TCPA)的概念，將兩船的速度、間距、航向等相耦合來建立登船威脅度的評估方法。

我船與可疑船只位置關(guān)系如圖2所示。對設(shè)我船坐標(x0，y0)，航速v0，航向φ0；可疑船只坐標(xT0，yT0)，航速vT，航向φT；以我船為參照，可疑船只相對于我船的航向為φR，可疑船只相對于我船的真方位角為αT。來船相對于本船的航速為vR，航向為φR，來船相對于本船的舷角為θT，來船相對于本船的真方位角為αT，來船與本船的距離為RT[6-7]。具體計算如下：

(1)

vR=

(2)

(3)

(4)

DCPA=RT·sin(φR-αT-π)

(5)

(6)

式中，α與arctan()中分子和分母有關(guān)

(7)

圖2 我船與可疑船只位置關(guān)系圖

1) 空間威脅度

空間威脅度模型利用DCPA量化出登船可能性的大??；首先引入最低安全避讓距離d1，指我船周圍所保持的與可疑船只間的最低安全避讓距離[6-7]；相對于最低安全避讓距離d1，空間威脅度零邊界d2是指在空間威脅度中，圍繞我船周圍且空間威脅度為零的DCPA值，通常d2≈2d1[6]。

空間威脅度udT定義為

(8)

(9)

(10)

2) 時間威脅度

時間威脅度模型利用TCPA和d1的比較，量化出登船威脅的緊迫程度[6-7]。當可疑船只與本船相對距離大于D1時，即使存在空間登船的可能，但由于在相對距離過遠，發(fā)生登船危險的緊迫程度不高，則定義在此范圍外，時間威脅度為0。當相對距離小于D1時，進行時間威脅度的評估。

時間威脅度utT定義為

(11)

(12)

3) 登船威脅度總模型

由于TCPA<0表示可疑船只已駛過兩船安全避讓點[9]，因此此時的可疑船只與我船不存在登船威脅，因此威脅度總模型[8]為

(13)

2.1.3 可疑船只距離威脅

本文中雖在登船威脅度中耦合了距離要素，但在不具備登船威脅度時，可疑船只仍在一定范圍內(nèi)具有對商船的攻擊性，故將可疑船只距離威脅度單獨作為一個準則層的一個要素。

當可疑船只與我船的距離越近，則對我船的威脅程度越大，反之，對我船的威脅程度越小。除此之外，距離越近時，威脅度增大的越快，距離越遠時，威脅度增大的越慢，即威脅度與距離應(yīng)是一個指數(shù)關(guān)系。由此，可疑船只與我船距離要素的效用函數(shù)為

(14)

式中，dsafe為距離威脅度零邊界，即可疑船只與我船距離大于該值，則在距離上不對我船構(gòu)成威脅；dalarm為我船的警戒距離，即在這個距離之內(nèi)，可疑船只的威脅度直接為1；RT為可疑船只與我船的距離。λ、ζ為兩個不小于1的正補償系數(shù)。

3 基于層次分析法的實時威脅度評估模型

3.1 確定目標權(quán)重

層次分析法(AHP)通過將復(fù)雜問題的各個因素梳理為相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?，是一種定性與定量相結(jié)合的多目標決策分析方法[9]。本文通過賦權(quán)將各個影響要素的效用函數(shù)值加權(quán)求和，以此得到總的威脅度。海上可疑船只威脅度評估總模型為

(15)

式中，ωd、ωhi和ωT為對應(yīng)要素的權(quán)重，且ωd+ωhi+ωT=1。利用層次分析法求權(quán)重具體步驟參考文獻9。

設(shè)文中距離單位為海里(n mile)。威脅度評估模型中的參數(shù)設(shè)置為：安全距離為1.5 n mile，警戒距離為0.25 n mile。由專家打分并通過層次分析法得到的權(quán)重為：ωd=0.25，ωhi=0.3，ωT=0.45。

3.2 威脅度實時評估

如圖3所示，本文首先設(shè)定一個威脅度閾值ω，每間隔一定時間T，檢測計算目標當前時刻的威脅度，當?shù)螖?shù)達到門限值θ次之后，選取當前時刻前后ΔT內(nèi)各時刻的威脅度計算威脅度超過閾值次數(shù)的百分比λ，當λ>λ0時，判定目標為敵對船只。其中各個時刻的威脅度可分為：可疑船只意圖、距離威脅度和可疑船只登船危險度?？梢纱灰鈭D包括目標類型和目標武器荷載；可疑船只登船危險度由目標距離、目標航向和目標航速進行耦合。

圖3 實時威脅度評估流程

4 基于威脅度評估模型的動態(tài)航路規(guī)劃

4.1 傳統(tǒng)人工勢場法的方法

人工勢場法是將物體的運動視為一種在虛擬人工受力場中的運動[10]。人工勢場由引力場和斥力場構(gòu)成，其中目標點對物體產(chǎn)生引力，障礙物對目標產(chǎn)生斥力，物體所受到的引力和斥力的合力，驅(qū)動物體進行運動。在動態(tài)環(huán)境下，其引力勢能函數(shù)如下

Uatt(qrobot，vrobot)=ξqρm(qrobot，qgoal)

(16)

式中，qrobot和qgoal分別為機器人和目標的位置坐標；vrobot和vgoal分別為機器人和目標的速度；ρ(qrobot，qgoal)為機器人到目標的距離；ξq為受距離影響的引力場增益系數(shù)；m和n為正常數(shù)。對應(yīng)的引力函數(shù)Fatt(qrobot，vrobot)為引力勢能函數(shù)的負梯度。傳統(tǒng)斥力勢能函數(shù)[11]如下

(17)

式中，η是斥力場增益系數(shù)；ρ(qrobot，qobs)是機器人到障礙物的最短距離；qobs是障礙物上的一個點，機器人到該點的距離是機器人到該障礙物的最短距離。對應(yīng)的斥力函數(shù)Frep(qrobot)為斥力勢能函數(shù)的負梯度。

4.2 人工勢場法在海外驅(qū)逐行動中的難點

在海外非戰(zhàn)爭環(huán)境中，需要考慮地理、環(huán)境、政治等多方面復(fù)雜的因素，所以面對海盜襲擊，護航部隊首先是采取驅(qū)逐的措施，所以需要考慮以下幾個因素：

1) 傳統(tǒng)的引力函數(shù)中，對多目標進行驅(qū)逐時，驅(qū)逐目標在距離較遠時，引力反而較大，機器人往遠距離的目標移動。

2) 如果在驅(qū)逐過程中，與驅(qū)逐目標的距離太近，可能會發(fā)生碰撞，不利于驅(qū)逐的進行。

3) 在驅(qū)逐過程中，已證實為友方船只的單位或固定障礙物不具備引力，需要對其進行正常避碰措施。

4.3 改進措施

1) 為了解決多目標下的引力問題，本文引入一種新的引力函數(shù)：

(18)

2) 在驅(qū)逐的過程中，為保持安全距離進行驅(qū)逐行動，引入距離威脅度影響因素ξd，約束引力函數(shù)內(nèi)的距離模塊，行駛到目標船和障礙物的安全距離內(nèi)，引力函數(shù)如下：

(19)

其中ρ(qrobot，qobs)為敵對目標到護航船只的距離；dalarm為警戒安全距離

3) 在態(tài)勢感知的過程中，通過雷達/AIS等系統(tǒng)，進行敵我應(yīng)答QA和其它方式識別，判斷可疑船只是否為敵方目標或者靜止障礙物，若為敵方目標或靜止障礙物則進行驅(qū)逐行動，若為友方目標則進行正常的避碰措施。

(20)

綜合以上海外驅(qū)逐行動影響因素的改進措施，可以得到引力函數(shù)總模型為

(21)

4.4 航路規(guī)劃總模型

將上述改進措施結(jié)合傳統(tǒng)人工勢場法，其航路規(guī)劃總執(zhí)行過程如圖4所示。首先判斷驅(qū)逐行動是否完成，若完成驅(qū)逐行動，則返回護航目標的位置，進行正常航行。若還有可疑船只在安全范圍以內(nèi)，則先對可疑船只進行敵我應(yīng)答識別，然后對其進行威脅評估。整個航路規(guī)劃的目的是為了驅(qū)逐對護航目標造成威脅的可疑船只，并且不與友方目標碰撞。其中在威脅評估中，利用登船威脅度、目標意圖和目標距離威脅度來進行實時威脅率的計算，綜合判斷海盜威脅行為的影響。對于通過敵我應(yīng)答識別的船只和靜止的障礙物進行正常避碰措施，對于判斷為威脅目標的船只引入一種新的引力函數(shù)，進行驅(qū)逐行動。然后繼續(xù)進行實時的威脅評估直到所有威脅目標離開安全范圍，則返回護航目標點繼續(xù)正常航行。

圖4 航路規(guī)劃總模型

5 仿真結(jié)果

設(shè)在動態(tài)環(huán)境中，護衛(wèi)目標位置為(-1，-1)，護航船只位置(0，0)，在此海域中存在6個非己方船只和一個靜態(tài)障礙物。通過雷達獲取的目標在初始時刻的目標的威脅類型、武器載荷、速度、距離和航向角等信息如表3所示。

表3 初始時刻目標特征信息

如圖5所示，首先通過敵我應(yīng)答識別，判斷出兩個友方目標，在圖中標為藍色。然后對其它四個可以目標進行威脅評估判斷可疑目標D的威脅度最大，則對其進行驅(qū)逐，途徑一個靜態(tài)障礙物，進行正常避碰。

圖5 t=80s時路徑

如圖6所示，可疑目標D加速運動，護航船只進行轉(zhuǎn)向，繼續(xù)對其進行驅(qū)逐警示。

圖6 t=110s時路徑圖

如圖7所示，可疑目標D開始駛離安全范圍，威脅度降低，同時可疑目標B和可疑目標C開始接近護航目標，威脅度增加，護航船只進行轉(zhuǎn)向，對其進行驅(qū)逐警示。

圖7 t=135s時路徑圖

如圖8和圖9所示，在對可疑目標B和C驅(qū)逐過程中，可疑目標C仍處于安全范圍內(nèi)，威脅度保持較高水平，而可疑目標B航向偏移，逐漸駛離安全范圍，威脅度降低，則護航船只對可疑目標C繼續(xù)進行驅(qū)逐。在驅(qū)逐過程中，二者被判斷為威脅目標，且威脅度相似，所以護航船只有往二者中間航行的趨勢，兼顧兩個目標進行驅(qū)逐行動。

圖8 t=160s時路徑圖

圖9 t=220s時路徑圖

如圖10所示，在所有威脅船只均駛離安全范圍后，護航船只回到護航目標位置，繼續(xù)進行正常航行。

圖10 t=350s時路徑圖

所有時刻的威脅率下如表4所示。

表4 各目標實時威脅度

6 結(jié)束語

本文針對目標威脅度動態(tài)變化和對不同威脅值的多個目標同時進行驅(qū)逐或避碰的問題，在傳統(tǒng)量化指標的基礎(chǔ)上，根據(jù)海外護航行動的特點，引入登船威脅度和距離威脅度，解決海外船只意圖判斷不明的問題。利用層次分析法對目標進行實時威脅評估，利用設(shè)置威脅度門限值獲取目標威脅率，對意圖判斷的問題進行進一步優(yōu)化?；谕{度的實時評估模型和傳統(tǒng)人工勢場法，引入一種新的引力函數(shù)，使護航船只航行到合適的位置對多個目標進行警戒驅(qū)逐，同時對障礙物進行避碰。在此基礎(chǔ)上增加了距離威脅度和應(yīng)答判斷，增加了威脅評估效率，優(yōu)化了護航船只在威脅度過大的船只附近的震蕩問題。通過Matlab仿真結(jié)果表明，本文建立的模型是有效可行的。