基于SEM的潛艇反魚雷作戰能力評估探討?

張永峰 李志偉

（中國人民解放軍91388部隊 湛江 524022）

基于SEM的潛艇反魚雷作戰能力評估探討?

張永峰 李志偉

（中國人民解放軍91388部隊 湛江 524022）

使用水聲對抗防御敵魚雷目標是潛艇海上防御作戰的重要內容，對抗作戰效能直接體現了潛艇反魚雷防御作戰能力。論文構建了作戰能力與作戰效能之間的指標體系圖，利用結構方程模型方法對兩者間的相關性進行了分析，給出了潛艇反魚雷對抗防御作戰能力的評估方法和評估步驟，對于開展專項作戰能力評估具有一定的借鑒價值。

水聲對抗系統；結構方程模型（SEM）；作戰能力；作戰效能

1 引言

隨著魚雷技術的快速發展，高航速、遠航程、低噪音、強殺傷力［1］等新型智能魚雷不斷涌現，對潛艇的水下生存空間構成了嚴重的威脅。為此，現代潛艇采用降低本艇噪聲、艇殼加吸聲保護層或涂料等聲學處理技術［2］，同時裝備先進的水聲對抗系統，通過施放聲誘餌、聲干擾器等水聲對抗器材對來襲魚雷進行防御。潛艇反魚雷水聲對抗防御作戰主要依托水聲對抗系統進行，潛艇水聲對抗系統主要由偵察探測裝備、指揮控制裝備、水聲對抗裝備及其發射裝置等一系列具有獨立工作能力且又相互關聯的分系統組成，其反魚雷水聲對抗作戰能力是反映潛艇對抗魚雷的作戰防御能力的重要量度。水聲對抗系統各部分間的協同作戰運用，直接影響水聲對抗防御作戰能力，直接關系到潛艇的生存機率，因此如何反映和評估其實際作戰能力，是水聲對抗系統試驗和檢驗需要解決的關鍵問題。本文在構建潛艇反魚雷水聲對抗能力指標體系的基礎上，利用結構方程模型［3～5］（SEM），建立了反魚雷水聲對抗作戰能力評估模型，給出了反魚雷水聲對抗作戰能力的評估方法。

2 潛艇水聲對抗作戰能力評估方法

2.1 水聲對抗作戰流程分析

單艘潛艇在大洋中巡航，對外界信息的獲取主要依靠自身裝載的各型聲納傳感器。當遇到特殊情況時，這些傳感器能夠快速將各類威脅信息傳遞給潛艇指控系統及潛指進行處理。魚雷的攻擊對潛艇的生存威脅最大，潛艇如遭遇魚雷攻擊時，水聲對抗系統將快速做出下述反應：

第一階段，偵察探測系統對各聲納信息進行數據融合、特征分析，完成來襲魚雷的探測和識別，進行魚雷報警，并迅速解算目標來襲方位、估計目標距離；第二階段，戰術軟件水聲對抗決策模塊將估算的魚雷參數，結合環境信息、戰術信息進行聯合決策，做出本艇如何規避和發射何種對抗器材的具體對抗策略等；第三階段，在本艇機動規避中，水聲對抗系統組織對抗通道發射對抗器材，同時，偵察探測系統繼續監測魚雷運動情況，觀察評估水聲對抗效果，以決定下一步的行動方案。

按照以上作戰流程，潛艇水聲對抗作戰主要分為偵察探測、目標識別、參數解算、指揮決策和實施對抗等過程，因此水聲對抗作戰能力可分為探測識別能力、指揮決策能力、平臺保障能力和有效對抗能力，涵蓋了前端傳感器的探測報警、指控系統的參數解算及對抗方案決策、后端對抗裝備武器的發控和水聲對抗、平臺系統可用性和可靠性等關鍵作戰要素。

2.2 水聲對抗作戰能力評估體系構建

從整個水聲對抗作戰流程來看，能否有效對抗目標是對抗作戰任務成功與否的關鍵，因而可以將有效對抗能力作為衡量各種對抗作戰方案優劣的重要依據和最終指標。系統的各種對抗作戰能力之間又存在邏輯關聯性，主要體現在有效對抗能力和其他對抗作戰能力指標的關系以及其他對抗作戰能力指標之間的相互關系。第一種關聯性主要是通過水聲對抗系統對抗防御作戰流程體現的。有效對抗目標是對抗作戰流程的重要環節和最終環節，因此有效對抗能力是系統對抗作戰能力評估的核心指標。該指標的順利完成受到系統中其他幾種對抗作戰能力的共同影響。第二種關聯性主要是通過水聲對抗系統各分系統的功能關系體現的。探測識別能力與指揮決策能力相互影響；指揮決策能力與平臺保障能力作為影響對抗是否有效這一全局的重要因素，與體系中其他指標互有關聯。

反映潛艇防御作戰效果的指標主要有系統對抗作戰能力和系統對抗作戰效能兩個概念，二者既有區別又有聯系。作戰能力是指系統完成其任務使命的“本領”或潛力，是系統的整體特性和固有屬性，是一個靜態的概念；而作戰效能是指在給定威脅、條件、環境和作戰方案下，系統實現特定作戰任務目標的有效程度，是一個動態的概念［6］。可見，系統作戰能力是系統的固有屬性，是作戰效能的基礎，而作戰效能是作戰能力的發揮和外在實現［7～9］，即系統對抗作戰能力需要通過作戰效能來體現，因此可按圖1建立水聲對抗作戰能力與作戰效能指標間的定量關系。反魚雷對抗作戰能力指標由探測識別能力、指揮決策能力、平臺保障能力和有效對抗能力四項作戰能力指標組成，各項作戰能力與作戰效能指標間存在對應關系，即可以通過計算作戰效能指標值對系統的各種作戰能力作出評估。

其中，探測識別能力指系統的魚雷報警能力，包括識別目標、魚雷報警和跟蹤測量魚雷等過程，主要由反映系統在不同環境條件下魚雷報警的最大距離、對魚雷的測向誤差及正確發現魚雷目標的概率等來表征，分別對應魚雷報警最大距離、魚雷報警方位精度、報警正確探測率等效能指標；指揮決策能力指系統對所戰場信息態勢的綜合處理判斷能力，包括戰場敵我態勢的綜合分析及對抗決策處理等過程，主要由反映系統對抗決策的快速性、可信性、執行對抗決策的時間響應速度等來表征，分別對應對抗決策快速性、對抗決策可信度和系統反應時間等效能指標。平臺保障能力是指平臺及對抗系統各裝備組成對作戰使用的保障支持能力，主要由反映裝備性能的可用性、可靠性及平臺噪聲水平等來表征，分別對應、探測裝備故障率、發射裝置故障率和平臺噪聲級等效能指標；有效對抗能力指發射對抗器材、本艇規避機動等對抗措施的實施對對抗成功或對抗效果的貢獻率，包括對抗器材對魚雷的誘騙、魚雷跟蹤器材的航程損耗及最終是否擺脫魚雷的攻擊等過程，主要由潛艇、魚雷及對抗器材的空間、時間關系及潛艇處于危險的程度等來表征，分別對應有效對抗時間、最大有效對抗距離、最小雷目距離、魚雷航程消耗、潛艇生存概率等效能指標。

3 基于SEM的水聲對抗作戰能力評估模型

3.1 SEM的理論、概念及基本形式

SEM理論是一種新型多元統計分析方法，其基本思想是在顯變量和潛變量定性關系模型的基礎上，通過利用顯變量的觀測數據將該定性關系模型轉換為定量關系模型，并對該定量關系模型不斷進行修正直到符合一定的擬合標準。其中潛變量是指蘊含在某個對象中的固有屬性，不能被直接觀測的因素或特質，是一種無法用現存的方法直接測量的客觀存在，但它可以通過顯變量體現和測量，比如需要評估的系統作戰能力指標；顯變量是指可以直接觀測或度量的變量，比如系統的作戰效能指標。因此可以通過研究作戰效能指標對反魚雷水聲對抗作戰能力進行評估。

SEM中，除了顯變量與潛變量，還分為內生變量與外生變量［10～12］。內生變量是指在一個假定的因果關系模型中，受其他變量影響或被其他變量說明的變量，也稱因變量；外生變量是指只影響其他變量而不受其他變量影響的變量，也稱自變量。SEM［3］包括測量模型與結構模型兩部分。測量模型反映的是顯變量與潛變量之間的關系。測量方程為

結構模型反映的是潛變量與潛變量之間的關系。結構方程為

其中：X是由p個外生顯變量組成的p×1維向量；Y是由q個內生顯變量組成的q×1維向量；Λx是X在ξ上的p×m維負荷矩陣，反應了外生顯變量與外生潛變量之間的關系；Λy是Y在η上的q×n維負荷矩陣，反應了內生顯變量與內生潛變量之間的關系；δ是由p個測量誤差組成的p×1維向量，是外生顯變量X的誤差量；ε是由q個測量誤差組成的q×1維向量，是內生顯變量Y的誤差量；ξ是由m個外生潛變量組成的m×1維向量；η是由n個內生潛變量組成的n×1維向量；B是由n×n維系數矩陣，表示內生潛變量之間的相互關系；Γ是由n×m維系數矩陣，表示外生潛變量ξ對內生潛變量η的影響；ζ是由n個解釋誤差組成的n×1維向量，表示結構方程的殘差項。

若使用θ代表上述方程中需要估計的未知參數，則SEM的協方差矩陣可表示為∑(θ)，在θ估計出來前，協方差矩陣∑(θ)是無法得到的。通常將樣本測量指標數據的協方差矩陣記為S，使S-∑(θ)最小，進而求出參數的估計值，最后便可得到測量方程和結構方程中的系數估計值。

3.2 潛艇水聲對抗作戰能力評估的SEM

根據圖1所示作戰能力指標與作戰效能關系以及SEM的基本原理，建立變量對應關系，見表1。將測量方程和結構方程關系反映到同一張表中，形成如圖2所示的反魚雷對抗防御作戰能力評估的SEM。

表1 各類變量對應關系表

則模型的測量方程為

4 基于SEM的評估方法步驟

式中：p是內生可測變量個數；q是外生可測變量個數。圖2中未知參數個數=35，(p+q)(p+q+1)/2=（5+6）（5+6+1）/2=66，按照上述規則建立的模型是可識別的。

2）評估數據的獲取。對作戰任務及方案進行想定，基于任務想定開展系統作戰任務試驗（包括仿真試驗）獲得系統作戰效能仿真數據，對數據進行標準化預處理。

潛艇反魚雷防御作戰受作戰環境、對抗器材選擇使用、戰術策略等諸多方面的影響，表現出來的對抗防御作戰能力相差甚遠，但是使用對抗器材進行防御作戰的流程是基本相同的，包含反映防御作戰效能的要素也基本一致，因此在對抗能力評估數據獲取中應盡可能設置不同的防御作戰方案，涵蓋不同樣式的、大量的、具有代表性的作戰案例，以此便可取得多樣式作戰行動中各階段的關鍵效能數據。需要注意的是，防御作戰方案要盡可能窮盡系統的各種使用方式，這樣每個方案的關鍵數據對于結構模型參數的估計才最為充分，模型建立才最為科學、準確。但是不可否認，效能數據中有許多是概率類的統計指標，單次或數次海上實航試驗難以

對潛艇反魚雷防御作戰能力進行評估，可按照圖3所示步驟進行。

1）SEM模型構建和識別。在2.2節水聲對抗作戰能力評估體系構建的基礎上，利用SEM構建潛艇反魚雷水聲對抗作戰能力評估模型，使用T規則對其進行識別驗證。

在SEM中，共有(p+q)個可測變量，可以得到(p+q)(p+q+1)/2個不同的含有未知參數的方程。因此只要待估計的未知參數的個數t滿足下式，SEM就是可識別的。滿足此類指標數據的統計要求，通常需要借助解析的方法來實現，因此評估數據的獲取主要依靠大量的仿真試驗、部分的實航試驗以及專家評分相結合的方法。

3）SEM模型的參數估計與模型修正。利用上述作戰效能仿真數據求取作戰效能指標的協方差矩陣，將其輸入系統作戰能力評估的SEM中，利用極大似然估計法對模型的參數進行估計，并對估計的參數以及由此得到的SEM進行評估。在SEM中，主要的評估包括參數的檢驗和模型的擬合程度檢驗。擬合程度檢驗又分為擬合程度（χ2統計量）檢驗、近似誤差均方根（RMSEA）檢驗、標準擬合指數（NFI），非標準化擬合指數（NNFI）、比較擬合指數（CFI）。表3為模型擬合參數的評估標準及檢驗值。

表3 擬合參數的評估標準表

4）求解反魚雷水聲對抗作戰能力指標值并給出評估結論。模型參數估計及評估完成以后，便可得到系統作戰效能與作戰能力指標的定量關系模型，利用該模型便可求解系統作戰能力指標值，給出評估結論。

5 結語

利用SEM對系統的反魚雷作戰能力評估，實際上就是對系統在不同對抗作戰方案中反映出的作戰能力的評估。其對專家知識依賴度相對較低，且具備對所構建模型的擬合評估功能，所以依據該理論建立的作戰效能和反魚雷作戰能力指標定量關系模型具有較強的說服力。但是，由于該模型評估依賴于作戰能力指標體系的構建及作戰效能指標數據的獲取，因此，下步需在指標體系構建合理性和數據獲取可行性方面進行研究，通過獲取大想定集下的對抗作戰仿真試驗數據，解決理論模型與數據的匹配問題，提高評估模型的可信度和實際應用的可行性。

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Evaluation of Submarine Anti-torpedo Operational Capability Based on SEM

ZHANG Yongfeng LI Zhiwei
（No.91388 Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

It is an important part of submarine maritime detense operations to use underwater acoustic countermeasures to de?fend the enemy torpedo target，the combat effectiveness reflects the submarine anti-torpedo defense capability directly.The paper constructs an index system between operational capability and operational effectiveness，and the correlation between them is ana?lyzed by structural equation modeling method，the method and procedure to evaluate the operational capability of submarine an?ti-torpedo defense is given，which has certain reference value for carrying out special operations capability evaluation.

underwater acoustic countermeasure system，structural equation model，operational capability，operational ef?fectiveness

T917

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.028

Class Number T917

2017年5月13日，

2017年6月19日

張永峰，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向：武器系統試驗。李志偉，男，碩士研究生，工程師，研究方向：武器系統試驗。