基于數(shù)字氣象預報與動態(tài)規(guī)劃的無人艇航路優(yōu)選?

李 偉 李天偉 周 兵

（1.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院辦公室 大連 116018）

1 引言

新世紀以來，無人艇（Unmanned Surface Vessel，USV）技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢受到世界各國的青睞，相繼研發(fā)出性能優(yōu)越的產(chǎn)品并大量裝備部隊。最近十年，世界主要軍事強國繼續(xù)把無人艇做大做強，使其航程和載荷出現(xiàn)大幅增加，能夠執(zhí)行越來越復雜的任務(wù)［1］。但是，隨著航程的增加，航行途中的安全問題逐漸突顯，海面惡劣的海況隨時為形體較小的無人艇帶來滅頂之災，所以，進行航路優(yōu)選以規(guī)避惡劣海況、保證無人艇的航行安全成為一個重要的研究課題。

2 需求與可行性分析

在世界范圍內(nèi)，美國2018年服役的“海上獵人”型反潛無人艇是典型的首款遠程無人艇，該艇長約40m，自重140t，采用三體結(jié)構(gòu)，最高航速可達31節(jié)，在12節(jié)的巡航速度下可連續(xù)航行10000海里［2］。“海上獵人”主要用于偵察和跟蹤潛艇，裝有聲吶和光電傳感器，能與反潛巡邏機、偵察機、反潛聲吶浮標等組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，可用于全球海域的長時間海洋監(jiān)視。在性能上，雖然美軍方聲稱該艇“能在四級海況下工作”，但是無人艇畢竟是小型海上裝備，又加之其獨特的三體結(jié)構(gòu)，更使其大風浪航行時的穩(wěn)性毫無保障，而一旦船體傾覆則造成裝備盡毀，任何使命任務(wù)均無從談起。

從公開發(fā)表的實驗數(shù)據(jù)看，排水量小于50t的小型海上船舶，在四級海況以上、尤其是側(cè)浪航行時具有極高的傾覆風險。在遠海打擊的情況下，無人艇從脫離母艦或基地到接近目標一般距離較遠［2］，在寬闊的洋面上有多種航行路徑可以選擇，如果能夠事先根據(jù)海洋預報信息選擇相對安全的航路將能大幅提高無人艇的海上生命力，對于完成既定使命任務(wù)意義重大，而近年來蓬勃發(fā)展的數(shù)值氣象預報技術(shù)使這種設(shè)想成為可能。

3 基于數(shù)字氣象預報的航行安全性評估

數(shù)字氣象預報，從專業(yè)角度講就是利用各種大型氣象模擬軟件對特定海域海洋環(huán)境信息進行處理所得的數(shù)值預報產(chǎn)品，可以獲得任意尺度、任意層高、任意時間（段）的溫濕度、氣壓（差）數(shù)字信息，進而推知海區(qū)的浪高浪向、風力風向，然后據(jù)此判定無人艇航行的安全或危險指數(shù)。

浪高浪向：一般來說，在兩米以下浪高時艦船航行安全有較高保障，隨著浪高增大，其對艦船的破壞力和航行安全影響呈幾何級數(shù)增加；頂浪或順浪航行時艦船安全性較好，側(cè)浪航行時危險性最大。

風力風向：風對艦船航行的影響總體弱于浪，橫風時影響較大。

當溫度長期極低時洋面結(jié)冰，無人艇不能破冰航行。

當各個航段的航行危險指數(shù)悉數(shù)求得以后，整條航路（包括多個航段）的危險指數(shù)便可累加獲得，如果航路有多種可能，可用動態(tài)規(guī)劃理論進行優(yōu)選。整個過程可用圖1表示。

圖1 基于數(shù)字氣象預報與動態(tài)規(guī)劃的無人艇航路優(yōu)選過程

4 動態(tài)規(guī)劃建模分析

根據(jù)無人艇海上航渡的實際情況和動態(tài)規(guī)劃的建模要求，可以把問題描述為以下幾個方面［3］。

4.1 將航渡過程劃分為若干個狀態(tài)節(jié)點和航渡階段

動態(tài)規(guī)劃模型要求把任務(wù)的整個過程劃分為n個狀態(tài)節(jié)點和n-1個階段，在這樣的要求下，可以把無人艇海上遠程航渡的過程分為脫離母艦、到達一島鏈、到達二島鏈、到達三島鏈和攻擊完成5個狀態(tài)和接近一島鏈航渡、接近二島鏈航渡、接近三島鏈航渡、抵近突防4個階段。

4.2 確定狀態(tài)變量

令sk為第k(k=n-1'n-2'…1)個階段開始時無人艇所處的地理坐標，則sk即為狀態(tài)變量。根據(jù)問題實際，除了首尾2個狀態(tài)以外，其余狀態(tài)均有可能有多種選擇（本例中即為某島鏈上不同的海峽水道），狀態(tài)變量的集合即為此狀態(tài)所有可能的選擇，用Ak表示。

4.3 確定每階段的允許決策集合和決策變量

允許決策集合Dk(sk)即為在狀態(tài)sk時向下一狀態(tài)推進時可以選擇的不同地理坐標，顯然，有Dk(sk)?Ak+1。決策變量xk(sk)表示在sk位置上時做出的選擇，同時也成為下一階段的初始狀態(tài)。

4.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程

本例所指狀態(tài)變量是離散的且是確定性的，故狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程sk+1=xk(sk)。

4.5 指標函數(shù)、最優(yōu)指標函數(shù)與遞推方程

設(shè)Vkn表示指標函數(shù)，則：

其中，dj(sj'sj+1)即為從sj到sj+1的航段危險指數(shù)。每一個航段的危險指數(shù)在形式上都可以表示為浪高浪向因子w、風速風向因子g、海區(qū)溫濕度因子m等的函數(shù)，故定義

最優(yōu)指標函數(shù)fk(sk)表示在第k階段處于sk位置上，采用最優(yōu)航路完成航渡的最小危險指數(shù)。

遞推方程為：

5 算例

假設(shè)某無人艇需要橫跨三道島鏈才能最終接敵完成特定任務(wù)，從離開母艦（A）開始，在第一島鏈有3種航門水道可選（B1、B2、B3）、在第二島鏈有2種航門水道可選（C1、C2），在第三島鏈有3種航門水道可選（D1、D2、D3），最終從第三島鏈上某處抵近攻擊（E），任意兩個相鄰狀態(tài)之間的危險指數(shù)經(jīng)測算并標于狀態(tài)之間的連線之上。

動態(tài)規(guī)劃路線圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)規(guī)劃路線示意圖

下面按照遞推方程示范優(yōu)選過程。

1）從第三島鏈至攻擊完成階段。

當k=4時，因s4可取D1、D2、D3三種狀態(tài)，應分別計算。

所以x4(D1)=E，最安全路線為D1→E。

同理，f4(D2)=7，x4(D2)=E，當前最安全路線為D2→E。

f4(D3)=11，x4(D3)=E，當前最安全路線為D3→E。

2）從第二島鏈至第三島鏈階段。

當k=3時，因s3可取C1、C2兩種狀態(tài)，應分別計算。

所以x3(C1)=D2，當前最安全路線為C1→D2。

同理，f3(C2)=min{12'10'15}=10，所以，x3(C2)=D2，當前最安全路線為C2→D2。

3）從第一島鏈至第二島鏈階段。

當k=2時，因s2可取B1、B2、B3三種狀態(tài)，應分別計算。

所以x2(B1)=C2，當前最安全路線為B1→C2。

同理，f2(B2)=min{20'13}=13，x2(B2)=C2，當前最安全路線為B2→C2。

f2(B3)=min{29'22}=22，x2(B3)=C2，當前最安全路線為B3→C2。

4）脫離母艦至第一島鏈階段。

當k=1時，s1只有A一種狀態(tài)，故

所以x1(A)=B2，當前最安全路線為A→B2。

綜上，逆向推導可得最佳航路為A→B2→C2→D2→E，最低危險系數(shù)為29。

6 結(jié)語

基于數(shù)字氣象預報和動態(tài)規(guī)劃的航路優(yōu)選辦法能夠為無人艇優(yōu)選一條最平穩(wěn)的航路，具有計算速度快、易編程、易擴展等優(yōu)點，是海面無人裝備航路設(shè)計的有益參考［4］。在無人艇遠程航渡接敵階段，航行安全是最大的安全，只要能夠安全接近目標，就能實施偵察或有效消耗敵方作戰(zhàn)資源，為己方其他方面作戰(zhàn)贏得主動［5］。航路規(guī)劃是未來無人艇智能化的重要一環(huán)，它能夠顯著提高無人裝備的海上生命力，對于裝備發(fā)展具有重要意義。