水雷作戰(zhàn)效能海洋環(huán)境影響評估

謝志敏，滕林蘋，馬 偉，郝曉玉

（1. 哈爾濱工程大學 水聲學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 軍事海洋環(huán)境建設辦公室，北京 100161；3. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；4. 清江創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

水雷是海軍作戰(zhàn)的重要兵器，也是當今具有戰(zhàn)略威懾和戰(zhàn)術毀傷雙重功能的常規(guī)武器。水雷隱蔽性好、打擊突然、持續(xù)作用時間長、威懾作用大，非常適合對敵進行港口封鎖[1]，水雷的作戰(zhàn)效能一般體現(xiàn)在水雷毀傷攻擊能力、目標探測能力和生命力等方面。水雷及水雷陣必須根據(jù)不同的海區(qū)信息并結合自身特點形成有效的使用組合，才能發(fā)揮水雷武器的最大作戰(zhàn)效能。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中布放使用水雷，首先根據(jù)戰(zhàn)爭規(guī)模、作戰(zhàn)對象，研究確定水雷封控區(qū)域和水雷分布的空間位置；其次通過掌握封控區(qū)域的戰(zhàn)場環(huán)境信息，并結合現(xiàn)役水雷打擊對象、封鎖半徑、適用水深范圍、抗流能力等戰(zhàn)技指標，選擇水雷類型，依據(jù)敵情我情戰(zhàn)場態(tài)勢以及封控區(qū)域周邊海洋環(huán)境信息，才能確定布雷方案[2]。

準確地根據(jù)環(huán)境信息，建立環(huán)境要素與水雷效能參數(shù)的關聯(lián)，開展海洋環(huán)境對水雷作戰(zhàn)效能影響的評估方法和算法模型研究，對水雷作戰(zhàn)效能進行評估，為部隊訓練和作戰(zhàn)提供參考和依據(jù)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中布放使用水雷的第1 步。然而，我軍在此方面起步晚，投入不足，模型構建及評價體系與國外相比有較大差距[3]。

水雷武器信息化智能化的發(fā)展，使得其對海洋環(huán)境更加敏感，水雷戰(zhàn)術效能的發(fā)揮更易受海洋環(huán)境變化和要素特性的影響。

本文分析了海洋環(huán)境對水雷作戰(zhàn)效能的影響，提出采用模糊隸屬函數(shù)方法，歸一化描述不同環(huán)境參數(shù)；采用層次分析法構建水雷作戰(zhàn)效能指標參數(shù)，然后建立水雷作戰(zhàn)效能與海洋環(huán)境之間的關聯(lián)和層次結構；提出采用機器學習方法對環(huán)境影響下水雷作戰(zhàn)效能進行評估，量化評估結果。

1 水雷的作戰(zhàn)效能

裝備作戰(zhàn)效能就是裝備在一定的作戰(zhàn)條件下，遂行給定作戰(zhàn)任務時達到預期可能目標的程度，也就是裝備在一定條件下完成作戰(zhàn)任務時所能發(fā)揮有效作用的程度[3]。

在過去和未來戰(zhàn)爭中，水雷兵器的主要使命任務是：1）在抗登陸作戰(zhàn)中，布設防御水雷障礙以打擊敵艦船和阻止敵人登陸行動；2）在海上主要航道上，布設攻勢和機動水雷障礙，打擊敵戰(zhàn)斗艦艇和運輸船，破壞敵海上運輸線，鉗制敵人，支援我方其他兵力完成戰(zhàn)斗任務；3） 封鎖敵島嶼 ?港口 ?基地，完成戰(zhàn)略任務?

與魚雷、深彈、導彈、艦炮等海軍直接殺傷性武器相比，水雷對目標的毀傷具備長時性、延時性、隱蔽性以及無人自主性等特點。無論是沉底雷、錨雷均以一定數(shù)量規(guī)模布設于某一海域形成較大面域的危險區(qū)域——雷障，在潛伏待機期間通過無人自主方式進行艦船或潛艇目標的探測、識別[4]，對進入雷障封控區(qū)域的攻擊目標通過原地引爆或主動打擊的方式進行無人化攻擊，從而實現(xiàn)限制敵艦隊、船舶行動，達到海域封鎖或控制的目的。因此水雷的作戰(zhàn)價值及效能評估體現(xiàn)于雷障整體形態(tài)、封控強度、危險等級及其堅韌性。

水雷裝備的作戰(zhàn)效能所關聯(lián)的主要因素有使用環(huán)境條件、引信動作區(qū)域特性、總體布放性能、抗自然干擾性能（抗風浪、流、海生物、潮汐、泥沙掩埋等性能）、抗掃性能、抗水中爆炸性能、抗鄰雷爆炸性能、水雷破壞半徑（爆炸威力）、安全保險功能、錨雷偏降性能等。

引信動作區(qū)域特性，是指當目標進入水雷破壞威力范圍以內時才引起動作的能力。通常要求水雷引信的動作區(qū)域特性與水雷裝藥的破壞半徑匹配[5]。

抗自然干擾性能，即布設在海水中的水雷應對包括暴雨、海浪、臺風等自然干擾的能力。

抗掃性能：水雷主要依賴非觸發(fā)引信智能化設計，通常通過研究艦船目標特性，采用多種難以模擬的艦船物理場引信，并以不同的組合排列方法來提高抗掃能力，同時在引信設計中采用定時、定次、防炸等多種方法增加掃雷的難度；在反獵對抗上，主要運用聲隱身和磁、光等非聲隱身技術采用特殊材料來制造雷體，防止水下探測設備對水雷的探測。

水雷破壞半徑，體現(xiàn)了單個水雷對目標的毀傷特性，與爆炸威力有關。水雷爆炸的重要特征是爆炸點周圍介質中發(fā)生急劇的壓力突躍，其對艦船的破壞作用主要與水雷的裝藥量及其炸藥特性、爆炸中心到艦船的距離、爆炸中心與艦船的相對位置、海深、海底底質、艦船結構和防護性能等因素有關。

2 影響水雷作戰(zhàn)效能的環(huán)境因素簡要分析

環(huán)境影響要素包含氣象環(huán)境要素、水文環(huán)境要素、水聲環(huán)境要素、地理環(huán)境要素、生物污損影響等。

布雷區(qū)域與駐泊點的航程距離及該航路涉及的海洋環(huán)境如海況、海流、最小深度等，會影響水雷型號的選擇；布雷點的深度關系著水雷類型的選擇；布雷區(qū)域的水文特性及變化規(guī)律，如水流剖面分布、水底特點和地形等影響錨雷偏降、沉底水雷掩埋，海洋生物的附生、海水溫度和鹽度影響水雷使用壽命；海流大小會對水雷姿態(tài)產(chǎn)生影響，從而影響非觸發(fā)引信動作性能及目標探測性能；海底坡度及底質影響著水雷漂移，極端情況會導致水雷失效或作用范圍減小；風浪、海水溫度和鹽度等會改變水聲環(huán)境，影響水聲傳播過程，從而影響水雷遠程水聲遙控距離、聲引信探測距離、聲引信對目標的識別效率；地磁、磁爆等會改變海洋磁場環(huán)境從而影響沉底水雷的磁引信性能，如磁值更啟動距離、磁值更識別性能等。

1）溫鹽度的影響。

水溫影響水雷電池的壽命。水溫越高，電池自然放電越快，壽命越短，從而縮短了水雷的戰(zhàn)斗有效期。

水溫高、鹽度大的海區(qū)使用錨雷，會使錨索的腐蝕加快，縮短雷索的使用壽命。

溫度和鹽度的差異可影響水層分布，進而影響水的聲性能和水雷探測器的聲性能。

2）深度的影響。

海區(qū)水深超過60 m，常規(guī)沉底雷爆炸后就不能對水面艦船造成足夠的殺傷作用。

3）海流的影響。

水雷入水時受海流沖擊，使其漂離預定位置，從而影響布雷準確性。若布雷水域流大，錨雷就會產(chǎn)生較大偏降，高潮時對吃水淺的敵艦船就會失去打擊作用，沉底水雷布下后將會出現(xiàn)嚴重位移，雷區(qū)范圍將會發(fā)生變化。

4）底質的影響。

若海底底質是較厚的淤泥，沉底雷布下后24 h內就會被完全掩埋，超聲和音響引信的水雷就會失去作用。

不規(guī)則的海底形貌和海底巖石區(qū)域，能形成聲屏蔽，水雷可容易地隱蔽起來，這些情況顯著體現(xiàn)在岸邊海灘和淺水區(qū)。

5）渦流的影響。

強烈的湍流和水中氣泡飽和度，使得聲、光探測系統(tǒng)失效。

6）潮汐的影響。

潮汐引起海面水位的周期性升降，直接影響水雷深度的改變。潮汐對水雷水壓的影響不能忽視。

對非觸發(fā)沉底水雷，潮汐引起的水深變化直接影響其水面破壞半徑的大小，水面上升時破壞半徑較小，水面下降時破壞半徑增大。

7）風浪的影響。

風浪大的海域，淺水錨雷容易出現(xiàn)斷索、雷體漂浮于水面的現(xiàn)象，不僅會造成雷區(qū)稀化、暴露布雷企圖，而且浮雷還會對非交戰(zhàn)方和己方航行艦船、海上設施造成危害。風浪同時影響水雷探測性能。

8）透明度的影響。

若海水透明度高，定深淺的錨雷和在淺水里航行的巡航水雷就易于被對方發(fā)現(xiàn)，失去其隱蔽性。

3 環(huán)境影響下水雷作戰(zhàn)效能評估

水雷及水雷陣必須根據(jù)不同的海區(qū)信息并結合自身特點形成有效的使用組合，才能發(fā)揮水雷武器的最大作戰(zhàn)效能。環(huán)境對作戰(zhàn)效能的影響，如何將定性分析與定量分析結合，為水雷戰(zhàn)決策指揮提供客觀、定量的決策參考，是目前急需解決的問題。

針對具體的打擊目標、封鎖區(qū)域、時長和不同的戰(zhàn)場敵我環(huán)境，不同的水雷有不同的作戰(zhàn)使命。環(huán)境影響下水雷作戰(zhàn)效能評估及量化的一般步驟簡要舉例如下。

第1 步：建立環(huán)境因素到作戰(zhàn)效能評估的層次結構。

從上到下，1 級效能為最終水雷作戰(zhàn)效能E，即完成既定任務的能力，2 級作戰(zhàn)效能為支持1 級效能的能力，可分為：毀傷攻擊能力E1、目標探測能力E2、生命力E3。

將2 級效能參數(shù)進一步細分為具體的參數(shù)指標：毀傷攻擊能力分為破壞威力、破壞半徑、動作概率；目標探測能力分為聲探測、磁探測、水壓探測能力；生命力分為抗獵掃能力、抗自然干擾能力和抗爆炸沖擊能力等。這些效能參數(shù)指標直接受環(huán)境影響，受影響的程度一般可以構造固定的數(shù)學或物理模型支撐，比如環(huán)境噪聲對聲探測的影響、涌浪對水壓探測的影響、水深對目標探測的影響等。最底層是相關的海洋環(huán)境要素，假設有n個環(huán)境要素。建立環(huán)境因素到作戰(zhàn)效能的模型層次結構如圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)效能評估的層次結構Fig. 1 Hierarchy of operational effectiveness evaluation

第2 步：構造模糊隸屬函數(shù)對環(huán)境要素歸一量化。

環(huán)境因素紛繁復雜，表征方式不一，根據(jù)不同的環(huán)境要素對水雷效能參數(shù)指標的影響程度，對各類環(huán)境因素歸一量化。把最有利于水雷作戰(zhàn)效能發(fā)揮的環(huán)境因素取值接近“1”，最不利的取值接近“0”。構造模糊隸屬函數(shù)對環(huán)境要素歸一量化。

本文以目標探測能力受涌浪、水深的影響程度，來說明對涌浪、水深這2 個海洋環(huán)境要素的歸一量化過程。

GJB 7868—2012ZZ《建模與仿真海洋環(huán)境數(shù)據(jù)通用要求》對涌浪分為9 個級別，如表1 中的前3 列所示。針對圖1 中的第3 級效能參數(shù)“水壓探測”，環(huán)境參數(shù)涌浪歸一量化構造的模糊隸屬函數(shù)為

表1 涌浪等級歸一量化Table 1 Normalization of swells

式中：μ為歸一量化涌浪值，待后續(xù)水雷作戰(zhàn)效能評估模型處理；x為得到的布雷區(qū)域涌浪預報海況級別。

海域水深對水雷效能有直接影響。假設水雷使用水深40 m，炸藥破壞半徑30 m，水深25 m 是其最佳使用水深，構造關于水深的中間對稱型正態(tài)模糊隸屬函數(shù)：

式中：μ為歸一量化水深值；x為得到的布雷區(qū)域水深，單位為m；k為常數(shù)，根據(jù)實際情況和經(jīng)驗調整。函數(shù)圖形如圖2。

圖2 正態(tài)模糊隸屬函數(shù)[6]Fig. 2 Normal fuzzy membership function

表2 水深歸一量化Table 2 Normalization of water depths

同理，對所有的海洋環(huán)境因素建立模糊隸屬函數(shù)。將獲取的水雷布放點環(huán)境參數(shù)帶入所建立的模糊隸屬函數(shù)，得到歸一量化值序列。

第3 步：水雷作戰(zhàn)效能評估。

采用圖3 所示的神經(jīng)網(wǎng)絡信號處理模型，對歸一量化值序列進行綜合處理，輸入為當前歸一量化的環(huán)境因素序列，輸出為量化的2 級效能評估參數(shù)。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡信號處理模型Fig. 3 Neural network processing mode

神經(jīng)網(wǎng)絡是一種復雜的非線性處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)復雜的非線性映射關系，更具吸引力的是，這種輸入／輸出映射關系可以通過自適應、自組織的有監(jiān)督機器學習來實現(xiàn)[7]。

神經(jīng)網(wǎng)絡模型是采用機器學習方式獲得的。

機器學習（Machine Learning）在各個領域中得到了廣泛的應用，并在應用領域中形成了自己固有的特色。目前最主要的應用領域有：專家系統(tǒng)、認識模擬、規(guī)劃和問題求解、數(shù)據(jù)挖掘等[8]。

環(huán)境因素到作戰(zhàn)效能參數(shù)評估的目的是尋找一個函數(shù)，將環(huán)境因素轉換為效能評估值。

機器學習首先要構建訓練學習樣本文件，依據(jù)專家知識構造或從數(shù)據(jù)庫中抽取訓練數(shù)據(jù)集。

訓練樣本數(shù)據(jù)組有n個輸入變量，yk是該組數(shù)據(jù)的效能影響輸出。將其定義為[0，1]區(qū)間上的一個數(shù)，用于描述不確定性觀測數(shù)據(jù)的模糊狀態(tài)，表示效能的可信度，“0”表示完全不能發(fā)揮效能，“1”表示能發(fā)揮最佳效能。

機器學習依次將所有樣本作用于神經(jīng)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡通過誤差反饋控制進行自適應學習，不斷調整神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)（連接權值與閾值），直到對應每個輸入的網(wǎng)絡實際輸出等于或接近期望輸出[9]。

依照相同的方法，分別完成水雷2 級作戰(zhàn)效能評估后，得到毀傷攻擊能力E1、目標探測能力E2、生命力E3，根據(jù)水雷布雷使命和具體任務，對2級作戰(zhàn)效能分配權重W1、W2、W3，各權重累加和為1，則水雷作戰(zhàn)效能E可表示為

4 結束語

本文提出并定性分析了海洋環(huán)境對水雷作戰(zhàn)效能的影響，基于層次分解與多方法互補思想，用層次分析法對水雷作戰(zhàn)效能水下環(huán)境影響評估問題作了結構分析，建立了水雷作戰(zhàn)效能與海洋環(huán)境之間的目標關聯(lián)和層次結構；提出了采用模糊隸屬函數(shù)對環(huán)境因素進行歸一量化，此基礎之上，提出了采用利用機器學習，代入專家經(jīng)驗，構造神經(jīng)網(wǎng)絡模型，建立環(huán)境因素到作戰(zhàn)效能的非線性映射，從而得到了量化的水雷的綜合作戰(zhàn)效能評估，對海洋環(huán)境對水雷作戰(zhàn)效能的影響提供了客觀、定量的決策參考。本文的研究成果可應用于水雷戰(zhàn)法研究和布雷作戰(zhàn)訓練。