基于CPN Tools的艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)建模

王廣明， 郭傳福， 劉喜作

(海軍大連艦艇學(xué)院 艦船指揮系， 遼寧 大連 116018)

隨著各國(guó)潛艇力量的發(fā)展，海上交通運(yùn)輸線在戰(zhàn)時(shí)或者爆發(fā)局部沖突時(shí)，都可能會(huì)面臨嚴(yán)峻的潛艇威脅。由艦艇編隊(duì)實(shí)施反潛護(hù)航，是保障海上運(yùn)輸安全的基本方法。對(duì)艦艇編隊(duì)反潛護(hù)航戰(zhàn)法的驗(yàn)證有多種方法，可以通過實(shí)兵對(duì)抗演練，也可以通過計(jì)算機(jī)作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)進(jìn)行推演。但是，實(shí)兵演練組織復(fù)雜、成本高，反復(fù)組織難度大；計(jì)算機(jī)作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境和裝備性能的細(xì)節(jié)模擬，與實(shí)際作戰(zhàn)存在一定的差距，但往往有些細(xì)節(jié)是實(shí)際作戰(zhàn)中不容忽視的。CPN建模方法是一種基于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行研究的建模方法，它不依賴于對(duì)細(xì)節(jié)本身的描述，只需要描述由細(xì)節(jié)產(chǎn)生的各種狀態(tài)之間的依賴關(guān)系，在研究異步并發(fā)系統(tǒng)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1]。而且，通過專門針對(duì)CPN的建模仿真分析軟件CPN Tools，可以使用Standard ML語(yǔ)言對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)描述，進(jìn)行交互仿真或自動(dòng)仿真，以自定義的形式收集所需數(shù)據(jù)[2]。所以，對(duì)使用CPN建模方法進(jìn)行艦艇編隊(duì)反潛護(hù)航戰(zhàn)法仿真驗(yàn)證的方法，有必要積極探索。

1 艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)過程

以伴隨護(hù)航為例對(duì)艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)過程簡(jiǎn)化描述。

伴隨護(hù)航中，護(hù)航編隊(duì)的對(duì)潛防御行動(dòng)主要包括兵力配置、航渡組織、防潛警戒、對(duì)潛攻擊和對(duì)潛防御等幾個(gè)方面[3]。其對(duì)潛防御過程如圖1。

圖1 艦艇編隊(duì)對(duì)潛防御過程示意圖

敵潛艇對(duì)護(hù)航編隊(duì)進(jìn)行伏擊的主要行動(dòng)包括對(duì)目標(biāo)船搜索、攻擊和自身防御等幾個(gè)方面[3]。其伏擊過程如圖2。

2 艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)CPN模型

紅方護(hù)航運(yùn)輸隊(duì)由3艘護(hù)航艦艇和4艘商船組成，初始位置位于A點(diǎn)附近海域。護(hù)航艦艇配備聲納、魚雷和水聲對(duì)抗器材。紅方護(hù)航艦艇任務(wù)是將4艘商船從A點(diǎn)安全護(hù)送至B點(diǎn)。

藍(lán)方兵力為潛艇1艘，配備聲納、魚雷和水聲對(duì)抗器材，初始位置位于紅方運(yùn)輸航線附近陣地，任務(wù)是待紅方護(hù)航運(yùn)輸隊(duì)經(jīng)過時(shí)，對(duì)商船實(shí)施攻擊，擊沉4艘商船。

根據(jù)對(duì)艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)過程的分析，運(yùn)用CPN Tools建模軟件，建立艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)CPN模型。

2.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照描述的對(duì)象不同，將模型劃分為交互模型和實(shí)體模型[4]。模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，交互模型設(shè)計(jì)為父層頁(yè)面decision_interact，實(shí)體模型設(shè)計(jì)為子層頁(yè)面，分別為merchant、warship和submarine[5]。交互是指實(shí)體間的相互作用。實(shí)體由實(shí)體標(biāo)識(shí)、空間屬性和行為屬性等實(shí)體屬性來描述，實(shí)體屬性的值稱為狀態(tài)，實(shí)體的行為導(dǎo)致了實(shí)體狀態(tài)的改變和實(shí)體間的相互作用。所有實(shí)體的狀態(tài)構(gòu)成了艦艇編隊(duì)護(hù)航反潛作戰(zhàn)整個(gè)過程不同的狀態(tài)。

圖2 潛艇伏擊過程示意圖

圖3 模型結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 決策交互模型

決策交互模型簡(jiǎn)要描述了紅藍(lán)雙方指揮決策干預(yù)的過程以及各個(gè)實(shí)體之間交互作用。紅方?jīng)Q策干預(yù)動(dòng)作主要包括：兵力配置、防潛觀察、對(duì)潛艇攻擊和對(duì)魚雷防御。藍(lán)方?jīng)Q策干預(yù)動(dòng)作主要包括：對(duì)目標(biāo)搜索、進(jìn)行魚雷攻擊和組織防御。

實(shí)體交互規(guī)則進(jìn)行假設(shè)描述如下：

1) 護(hù)航運(yùn)輸隊(duì)進(jìn)入潛艇伏擊陣地的概率為0.7；潛艇進(jìn)入驅(qū)護(hù)艦聲納探測(cè)范圍的概率為0.3。

2) 如果敵潛艇位置在驅(qū)護(hù)艦聲納探測(cè)范圍內(nèi)，則敵潛艇被發(fā)現(xiàn)的概率為0.7；如果商船位置在敵潛艇探測(cè)范圍內(nèi)，則商船被發(fā)現(xiàn)的概率為0.7。

3) 如果敵潛艇實(shí)施1次攻擊，則商船被擊毀1艘的概率為0.7；如果紅方實(shí)施1次攻擊，則潛艇被擊毀概率為0.7。模型如圖4所示。模型中庫(kù)所和變遷的意義如表1所示。

圖4 決策交互模型

庫(kù)所意義(替代)變遷意義decision_dispose兵力配置決策merchant商船模型decision_detect_w防潛觀察決策warship驅(qū)護(hù)艦?zāi)Ｐ蚫ecision_attack_w_s對(duì)潛攻擊決策submarine敵潛艇模型decision_def_w對(duì)潛防御決策choose_dis定下配置方案a_b潛艇位置choose_det_w定下探測(cè)方案target_list發(fā)現(xiàn)目標(biāo)列表choose_att_w定下打擊方案torpedo_s_m魚雷攻擊信息choose_def_w定下防御方案times_attack_m攻擊次數(shù)time_navigate航渡時(shí)間

2.3 商船模型

商船模型描述了商船按配置方案配置、由A點(diǎn)向B點(diǎn)航渡和受魚雷攻擊時(shí)的對(duì)潛防御等過程。商船狀態(tài)包括：實(shí)體標(biāo)識(shí)(MERC_M)、空間屬性(POSI_MERC)。定義為：

colset MERC=index merc with 1.4;

colset POSI_RED=with A|AB_in|AB_out|B|NULL;

colset MERCHANT_P=product MERC*POSI_RED;

colset MERCHANT=MERCHANT_P timed

對(duì)魚雷防御過程簡(jiǎn)化描述為：

if bernoulli(0.7)=1

then 1′(m1,NULL)

else 1′(m1,p_r)

與其他模型的交互作用，通過輸入端口○In，輸出端口○Out和讀取端口○In/Out實(shí)現(xiàn)。模型如圖5所示。模型中庫(kù)所和變遷的意義如表2所示。

2.4 驅(qū)護(hù)艦?zāi)Ｐ?/h3>

驅(qū)護(hù)艦?zāi)Ｐ兔枋隽蓑?qū)護(hù)艦編隊(duì)按配置方案配置、進(jìn)行防潛觀察、對(duì)潛攻擊與防御等過程。其探測(cè)過程簡(jiǎn)化描述為：

if p_b=ab_in andalso bernoulli(0.7)=1

then 1′(s1,ab_in)

else empty

對(duì)潛攻擊時(shí)，魚雷信息定義為：

colset TORPEDO=with torpedo_0|torpedo_1;

colset TORPEDO_S=product SUBM*POSI_BLUE*

TORPEDO

模型如圖6所示。模型中庫(kù)所和變遷的意義如表3。

圖5 商船模型

庫(kù)所意義變遷意義A位于A點(diǎn)的商船dis-pose執(zhí)行兵力配置方案A_B航渡中的商船de-fense防御機(jī)動(dòng)B到達(dá)B點(diǎn)的商船lose損失判定result防御的結(jié)果arrive到達(dá)B點(diǎn)LOST被擊毀的商船

圖6 驅(qū)護(hù)艦?zāi)Ｐ?/p>

庫(kù)所意義變遷意義number_torpedo魚雷數(shù)量defense對(duì)潛防御動(dòng)作detect對(duì)潛探測(cè)動(dòng)作attack對(duì)潛攻擊動(dòng)作

2.5 敵潛艇模型

敵潛艇模型簡(jiǎn)要描述了敵潛艇按搜索方案對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、攻擊和組織自身防御等動(dòng)作過程。

潛艇位置狀態(tài)更新簡(jiǎn)要描述為：

var p_b1:POSI_BLUE;

input ();

output (p_b1);

action

if bernoulli(0.3)=1

then (ab_in)

else (ab_out)

模型如圖7。模型中庫(kù)所和變遷的意義如表4。

圖7 敵潛艇模型

庫(kù)所意義變遷意義A_B_M商船位置信息attack_m對(duì)商船攻擊動(dòng)作A_B_W驅(qū)護(hù)艦位置信息attack_w對(duì)驅(qū)護(hù)艦攻擊動(dòng)作

3 仿真驗(yàn)證

對(duì)紅方3種不同的作戰(zhàn)方案，使用已建立的CPN模型，在CPN Tools軟件中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

紅方方案1：商船采用雙橫隊(duì)，驅(qū)護(hù)艦扇形配置。紅方方案2：商船采用雙橫隊(duì)，驅(qū)護(hù)艦采取縱線配置。紅方方案3：商船采用單縱隊(duì)，驅(qū)護(hù)艦采取縱線配置。

紅方方案對(duì)藍(lán)方?jīng)Q策的影響假設(shè)：在紅方商船采用雙橫隊(duì)時(shí)，不便于敵潛艇對(duì)后續(xù)商船實(shí)施連續(xù)攻擊；采用單縱隊(duì)時(shí)，利于實(shí)施連續(xù)攻擊。假設(shè)當(dāng)利于實(shí)施連續(xù)攻擊時(shí)，實(shí)施后續(xù)攻擊的概率為0.8；不便于實(shí)施連續(xù)攻擊時(shí)，實(shí)施后續(xù)攻擊的概率為0.2。

當(dāng)驅(qū)護(hù)艦采取扇形配置，對(duì)潛觀察嚴(yán)密，假設(shè)此情況下，潛艇對(duì)商船實(shí)施攻擊的概率為0.5，驅(qū)護(hù)艦采取縱線配置時(shí)，潛艇對(duì)商船實(shí)施攻擊的概率為0.8。

對(duì)紅方3種方案各進(jìn)行100次仿真，得出紅藍(lán)雙方兵力損失情況如表5所示。

表5 紅藍(lán)雙方兵力損失對(duì)比

從仿真數(shù)據(jù)可以看出對(duì)比，紅方采用方案1時(shí)，任務(wù)成功率最高。比較方案2和方案3，說明商船采用雙橫隊(duì)要比采用單縱隊(duì)損失小。

4 結(jié)論

使用CPN模型進(jìn)行仿真的結(jié)果，與實(shí)際情況基本相符，從而表明了使用CPN方法對(duì)艦艇編隊(duì)反潛護(hù)航戰(zhàn)法進(jìn)行仿真驗(yàn)證具有可行性。為了提高戰(zhàn)法仿真的真實(shí)性和對(duì)抗性，還需要對(duì)作戰(zhàn)過程的各種狀態(tài)進(jìn)行細(xì)化，對(duì)各種決策與狀態(tài)之間的依賴關(guān)系進(jìn)一步完善。