基于信息流的多Agent魚雷攻擊效能評估方法

劉星璇 徐棟

（1.海軍潛艇學院 山東省青島市 266000 2.海軍91040部隊 山東省青島市 266000）

隨著信息技術的發展，未來海戰場的作戰形態發生根本變化，潛艇已經成為海軍主要突擊兵力之一，對潛艇的作戰效能進行準確評估，能夠為部隊作戰、訓練、裝備改造等提供科學依據，具有十分重要的意義。

潛艇攻擊需要完成對目標的偵察、識別、接敵、跟蹤、占位和射擊（引導）等一系列戰術行動[1]。當前潛艇作戰的效能評估方法，文獻[2]為基于指數法，根據作戰能力要素數量、能力系數和貢獻的大小，對效能進行度量，文獻[3]為基于灰色系統理論，利用加權灰色關聯度對作戰效能進行評估，文獻[4]為基于Vague集的作戰效能評估，在專家評價與理想Vague集進行加權貼近度進行分析，文獻[5]為基于模糊綜合評判的方法，根據作戰效能模糊評價集上的值按照最大隸屬度原則進行分析。以上方法多是相對靜態的效能評估，有一定的主觀性和模糊性，對單個作戰行動效能評估不夠準確、細致。

本文采取基于作戰信息流的多Agent建模仿真。由于基于Agent的仿真可以有效地彌補以往一些建模方法的不足，能比較客觀、真實地描述潛艇作戰過程中不確定性和非線性的作戰行為，為潛艇作戰推演系統的建立提供技術支撐[6][7][8]。因此，本文針對潛艇作戰實際情況，除了充分考慮潛艇武器本身的戰技術指標，還對戰場態勢、作戰流程、對戰雙方等要素進行綜合動態分析，建立潛艇攻擊作戰效能評估模型。

1 基于信息流的Agent模型結構

1.1 潛艇攻擊信息過程

潛艇作戰的基本流程如圖1所示。

圖1：潛艇作戰基本流程圖

潛艇攻擊過程可以分為四個階段：搜索跟蹤階段、情報處理階段、作戰決策階段、潛艇攻擊階段[9]。攻擊方式根據攻擊目標可以分為對潛、對艦、對岸攻擊；根據使用武器，可以分為魚雷攻擊和導彈攻擊兩種方式。

其中根據其作戰流程和任務劃分，可以再次細化，其中搜索跟蹤、情報處理、作戰決策的三個階段是由潛艇完成，潛艇攻擊階段是由潛艇和武器共同完成。因此可將作戰過程中的實體分為潛艇Agent和武器Agent，本文重點研究魚雷攻擊。

1.2 潛艇Agent模型結構

在美軍“網絡中心戰”概念中， Agent可從三個層次進行研究：物理域、信息域和認知域[10]。本文根據其任務階段將模型結構分為搜索跟蹤模塊、情報處理模塊、作戰決策模塊、潛艇攻擊模塊、潛艇運動模塊、任務狀態模塊和Agent交互模塊。潛艇Agent模型結構如圖2所示。

圖2：潛艇Agent模型結構圖

交互模塊用于Agent之間的信息和行動交互，本文主要研究潛艇魚雷攻擊，主要有潛艇Agent、魚雷Agent之間的信息和行為交互。

搜索跟蹤模塊設置主動和被動聲納兩種工作方式，但在實際作戰中，為保證潛艇射擊前的隱蔽性，通常采用被動聲納發現目標方位后進行解算。在該模塊可以獲得目標信息，包含有目標批號in，本文主要研究攻擊目標為水面艦艇，其目標點跡位置信息M=(xm,ym)n。

情報處理模塊對由搜索跟蹤模塊所傳遞的目標的航跡數據M進行關聯，建立目標航跡關聯模型。對已跟蹤的目標進行航跡關聯；對新發現的目標建立新的目標批號和航跡；對丟失的目標點跡，與原航跡進行關聯處理。對目標運動要素Tm進行解算，生成目標航向和航速，得到運動要素。

潛艇攻擊模塊接收任務規劃模塊的發射指令；交互模塊用于Agent之間的信息和行為交互；作戰狀態模塊存儲所有Agent信息，接收任務狀態模塊的數據信息，根據可攻性判斷An選擇立即攻擊、占位攻擊或不攻擊，選擇任務火力打擊、占領陣位或繼續搜索。

1.3 武器Agent模型結構

潛艇攻擊可以根據武器分類為魚雷攻擊和導彈攻擊，本文主要以最常見的線導+聲自導魚雷為研究對象。根據魚雷攻擊任務，將魚雷Agent按層次劃分的模型結構圖如圖3所示。

圖3：魚雷Agent模型結構圖

魚雷發射后，潛艇保持有利追蹤航向，并對魚雷進行導引控制，然后魚雷借助自導裝置捕獲目標并自動控制。末自導裝置的捕獲條件為魚目距離Dfm小于魚雷非接觸作用距離Rf，且距離大于引信啟動距離Rfuze。

2 潛艇攻擊模型

由于潛艇聲納及設備的精度誤差以及受水文氣象因素的影響，除發現概率外，所測得參數值具有誤差，在仿真時以真實點跡為中心的正態分布為聲納探測到的目標點跡。

2.1 潛艇Agent數學模型

2.1.1 聲納目標定位精度

聲納定位精度是指在測定目標位置時的統計誤差，有測向和測距精度兩個指標。在實際作戰中，為保證隱蔽性，潛艇對目標的發現通常使用被動聲納，因此本文在進行分析時，主要考慮聲納測量目標所在方位時的方向誤差。測向精度與基準部件精度、隨動系統精度、測向方法、水文氣象等因素有關，經多次測量，近代聲納的測向精度約為0.25°～1°[17]。

圖4：方位平差法示意圖

本文誤差值設定為聲納測向誤差服從期望為0.625°，均方差σB的正態分布，方法選用潛艇對目標實施隱蔽攻擊最常用的方位平差法進行仿真，該算法適用于被動聲納只獲得目標方位的情況下解算目標運動要素。

2.1.2 目標運動要素解算模型

目標運動要素解算與信息的來源和種類有關。由于潛艇觀察器材所測得的目標信息存在誤差，通常采用最小二乘濾波法來降低觀測誤差對目標運動要素解算的影響，主要包括方位平差法、一距離方位平差法、多方位多距離平差法等[9]。

建立以t_0時刻潛艇位置為原點，正東為X軸，正北為Y軸的直角坐標系，如圖4所示[9]。設本艇航向和航速分別為Cw、Vw，目標航向和航速分別為Cm、Vm，在某時刻tj目標距離和方位分別為Dj、Bj，潛艇連續觀測到的目標方位為B0,B1,…,Bn。

從X軸和Y軸上t0到tj時刻的距離，可以建立關系式：

令X=D0，Y=Vmsin Cm，Z=Vmcos Cm，aj=sin(B0-Bj)，bj=(tj-t0)cos Bj，cj=-(tj-t0)sin Bj，dj=cos Bj從式（1）中消去Dj，則

設F(X,Y,Z)=ajX+bjY+cjZ-dj，根據最小二乘原理，分別對X、Y、Z求偏導：

將式（3）（4）（5）求得公式按照矩陣形式列出：

根據潛艇觀測到的目標參數，解方程（2），將數值代入公式（6）中，可求出X、Y、Z，則潛艇觀測到的目標航向和速度分別為：

2.1.3 占領射擊陣位模型

潛艇在確定陣位時需要重點考慮占位射擊可行域和有利射擊陣位域[12]。

其中，有利射擊陣位是潛艇可行域中按作戰態勢而確定的，在一定戰術背景下對目標攻擊效果達到一定要求的攻擊區域，該區域主要基于占位可行、魚雷命中率高、目標發現潛艇概率低的基本原則[13]。

通常潛艇有利射擊陣位受到魚雷射程和魚雷入射角影響，但由于現代潛射魚雷射程較遠、目標命中概率相對較高，因此對有利射擊陣位需求較傳統潛艇占位低。

2.2 魚雷Agent數學模型

2.2.1 潛艇魚雷射擊流程

在潛艇占領射擊陣位進入戰斗航向，解算并裝訂魚雷射擊諸元后，發射魚雷，正常攻擊情況下，魚雷射擊諸元參數通過解算方程確定。潛艇的魚雷射擊流程主要是指從魚雷出管道命中目標或航程耗盡的過程，按照自導方式分為直航魚雷、聲自導魚雷和尾流自導魚雷等，其射擊流程如圖5所示[9]。

圖5：潛艇魚雷射擊流程

2.2.2 線導+聲自導魚雷攻擊模型

以現在方位導引法建模，其導引準則是將魚雷導引到現在時刻的導引艇和目標連線上[14]。假設目標作等速直航運動，只考慮水平面內線導魚雷的運動情況，取魚雷發射點為原點，正東方向為X軸，正北方向為Y軸，建立大地平面直角坐標系。已知魚雷速度Vf、初始位置T(Xf0,Yf0)=(0,0)、導引時間間隔Δti；潛艇初始位置為W(Xw0,Yw0)=(0,0)，航向Cwi、航速Vw，聲納測得目標方位Bi。現在方位導引法如圖6所示。

圖6：現在方位導引法圖式

圖7：戰術想定態勢圖

雷艇距離及方位為：

利用圖10坐標系，已知目標坐標為M(Xmi,Ymi)，可知魚目相對距離為目標相對魚雷航向的方位為魚雷發現目標舷角為

魚雷自導追蹤彈道有多種形式，較常用的有尾追式、固定提前角式、自動調整提前角式導引彈道[14]，對于不同的彈道，其目標追蹤航程不同。當魚雷在某水文環境下的自導作用距離為r時，魚雷尾追式導引彈道的自導追蹤航程為其中m為目標與魚雷速度比，即

因此，魚雷的總航程為Lfr、時刻i-1與i時刻間魚雷航行路程Sfi，當線導魚雷有足夠自導追蹤航程情況且捕獲目標的條件為：

3 應用舉例

設某時刻目標艦位于點M0(Xm0,Ym0)，并以航速Vm，航向Cm等速直航，潛艇初始位置為O(0,0)處，經過轉向機動，獲取目標運動要素Tm=(Cm,Vm)，于點Wi(Xwi,Ywi)處發射魚雷進行攻擊。水面艦艇目標于Mj(Xmj,Ymj)處發現魚雷，并采取機動措施，并當魚雷進入艦艇火力打擊范圍Rm內進行攔截。攻擊過程態勢圖如圖7。

本文可通過設定潛艇、魚雷和目標的初始信息，隨后利用蒙特卡洛法對該條件進行多次試驗，在魚雷能否攻擊到目標過程中，需要計算求得魚雷自導作用距離，得到綜合結果進行分析判斷。

4 結束語

本文建立了基于多Agent潛艇魚雷攻擊的效能分析方法，構造了基于信息流的Agent模型結構，并對攻擊過程進行了詳細分析。本文中基于多Agent的效能分析方法，對單一對象和武器進行了分析，該方法還具有可擴展性，可擴展到多艦艇、多武器作戰。