侯文姝

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）

1 引言

在面臨反潛魚雷來襲威脅時，潛艇指揮員根據(jù)傳感器的探測信息、告警信息、指控輔助、潛艇自身性能和自身海上經(jīng)驗選擇水聲對抗和機動規(guī)避的時機和方案。在此過程中，如何合理地選擇對抗的時機達成效果而不加大暴露可能性，如何綜合使用能夠使對抗效果呈現(xiàn)系統(tǒng)化的特點使效能倍增，如何有效利用指控輔助等問題都亟待解決。指控系統(tǒng)的情報分析處理、戰(zhàn)場態(tài)勢認知、指揮決策支持[1]等方面的智能化程度將極大地影響潛艇指揮員對其信任程度，人機協(xié)同情況決定了能否在更深層次上實現(xiàn)高效的指揮決策，從而影響潛艇防御魚雷的成敗。

建立潛艇智能防御魚雷水聲對抗模型體系是人在環(huán)外的機主人輔戰(zhàn)術(shù)級人機協(xié)同智能指揮決策，該體系主要包括智能態(tài)勢感知和智能指揮決策，智能態(tài)勢感知對敵平臺（包括艦艇、潛艇和飛機）發(fā)射的魚雷進行態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測及態(tài)勢評估，智能指揮決策綜合敵平臺和魚雷情況采用智能算法對潛艇防御魚雷機動規(guī)避和水聲對抗方案進行優(yōu)化，將為高效指揮決策提供有力支撐。

2 智能態(tài)勢感知

智能態(tài)勢感知包括態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測及態(tài)勢評估[1]。潛艇魚雷防御行動的持續(xù)時間短[2]，一旦發(fā)現(xiàn)魚雷來襲，立即進行機動規(guī)避，并施放水聲對抗器材進行干擾[3]，因此潛艇智能防御魚雷智能態(tài)勢感知的重點是態(tài)勢覺察和態(tài)勢理解。

2.1 態(tài)勢覺察

態(tài)勢覺察主要是覺察到以下因素：1）魚雷相對于本艇的方位、距離和速度。2）魚雷類型。3）魚雷所處階段，如入水階段、動力推進階段（直航、圓周搜索和蛇形搜索）和聲自導(dǎo)階段。4）敵平臺類型，包括艦艇、潛艇和飛機（包括固定翼飛機和直升機）。5）敵平臺相對于本艇的方位、距離和速度。6）海洋環(huán)境，包括聲速剖面、海況和海底地形。

按魚雷攻擊時間序，人機協(xié)同魚雷態(tài)勢覺察主要包括人機協(xié)同魚雷入水態(tài)勢覺察、魚雷動力推進態(tài)勢覺察和魚雷聲自導(dǎo)態(tài)勢覺察。下面以人機協(xié)同魚雷入水態(tài)勢覺察為例進行介紹，如圖1所示，魚雷入水態(tài)勢覺察發(fā)現(xiàn)魚雷并分辨從各種平臺發(fā)射的魚雷類型，如潛艇魚雷管發(fā)射的魚雷、水面艦艇發(fā)射的火箭助飛魚雷和飛機空投魚雷[4]。

圖1 人機協(xié)同魚雷入水態(tài)勢覺察

圖1中魚雷入水時會產(chǎn)生水下瞬態(tài)信號，潛射魚雷入水主要是魚雷發(fā)射管開蓋聲，火箭助飛魚雷和空投魚雷入水時的擊水聲是寬帶沖擊信號，入水的氣泡脈動聲是低頻脈沖信號[5]。潛艇探測魚雷的手段有主動方式和被動方式，為避免暴露，一般采用被動方式，如采用艇艏聲納、舷側(cè)聲納陣、拖曳聲納陣進行水聲探測，在未來配備潛載UUV后，其聲納也將納入探測魚雷的手段。潛艇聲納接收到魚雷入水信號后，潛艇聲納分析員或聽音員可以發(fā)現(xiàn)強度或特征比較明顯的信號并告警。海中存在海洋環(huán)境噪聲和多種瞬態(tài)信號，如海洋地震信號，各類海洋生物活動聲音等[6]，當(dāng)魚雷入水信號較弱時，將海洋內(nèi)部產(chǎn)生的人工識別難度較大，機系統(tǒng)的智能系統(tǒng)能夠從中篩選出魚雷入水信號并進行類型判別。機系統(tǒng)的智能系統(tǒng)首先基于環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)庫進行智能降噪，然后基于潛射魚雷數(shù)據(jù)庫、火箭助飛魚雷數(shù)據(jù)庫和空投魚雷數(shù)據(jù)庫中魚雷入水信號特點進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）[7]，最后基于機系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)和魚雷數(shù)據(jù)庫采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行深度學(xué)習(xí)，對魚雷入水信號進行篩選和分類。魚雷類型判別結(jié)果將發(fā)給機系統(tǒng)的智能決策系統(tǒng)、顯示報警系統(tǒng)和機系統(tǒng)的智能決策系統(tǒng)，顯示報警系統(tǒng)結(jié)果供人認知判別，然后反饋給機系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)供其學(xué)習(xí)比對。人認知判別獲得人系統(tǒng)感覺系統(tǒng)和機系統(tǒng)的智能系統(tǒng)判別的魚雷類型信息，可以直接反饋給執(zhí)行系統(tǒng)，也可以對機系統(tǒng)的判別結(jié)果予以確認和否認，該結(jié)果一方面供機系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)從而供其形成更貼近實際的智能算法，另一方面該結(jié)果將發(fā)給控制系統(tǒng)進行態(tài)勢預(yù)測及威脅評估。

魚雷動力推進態(tài)勢覺察和魚雷聲自導(dǎo)態(tài)勢覺察與圖1所示人機協(xié)同魚雷入水態(tài)勢覺察的人機協(xié)同基本原理相同，但信號形式不同導(dǎo)致機系統(tǒng)的智能系統(tǒng)不同。有別于魚雷入水信號這種瞬態(tài)非平穩(wěn)信號，魚雷動力推進裝置啟動和加速過程具有一組變化率很高的線譜，圓周搜索段的尋的信號具有大的多普勒頻移和強度起伏[5]，導(dǎo)致相應(yīng)的機系統(tǒng)的智能系統(tǒng)內(nèi)部智能算法和組成不同。

2.2 態(tài)勢理解

一旦覺察到魚雷，無論魚雷攻擊目標(biāo)是否為本艇，機智能系統(tǒng)第一時間根據(jù)態(tài)勢覺察獲得的信息進行態(tài)勢理解。然后基于態(tài)勢集數(shù)據(jù)庫，采用分類準(zhǔn)則對當(dāng)前態(tài)勢進行分類理解，便于進行威脅評估和態(tài)勢預(yù)測。

基于態(tài)勢集數(shù)據(jù)庫，對敵平臺態(tài)勢覺察、魚雷入水態(tài)勢覺察、魚雷動力推進態(tài)勢覺察、魚雷聲自導(dǎo)態(tài)勢覺察進行態(tài)勢理解。潛射魚雷、空投魚雷和火箭助飛魚雷特點及平臺協(xié)同作戰(zhàn)方式存在差異，三者態(tài)勢理解并不相同，以潛射魚雷態(tài)勢理解為例進行介紹，如圖2所示。

圖2中，潛射魚雷態(tài)勢理解分為態(tài)勢初步理解、態(tài)勢進階理解和態(tài)勢深度理解三個階段[1]。態(tài)勢初步理解主要是根據(jù)本艇態(tài)勢和魚雷入水態(tài)勢覺察出的潛射魚雷的方位和距離關(guān)系，初步劃分牽涉魚雷相對于本艇的眩角和距離關(guān)系。態(tài)勢進階理解主要根據(jù)敵平臺態(tài)勢覺察和魚雷動力推進態(tài)勢覺察的部分航行狀態(tài)，基于機系統(tǒng)的態(tài)勢理解深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)，來判別魚雷攻擊意圖[8]、魚雷處于線導(dǎo)階段還是聲自導(dǎo)階段。魚雷動力推進態(tài)勢覺察的搜索和追蹤彈道以及魚雷聲自導(dǎo)覺察結(jié)果判別魚雷是否處于聲自導(dǎo)階段，便于進行機動規(guī)避和指揮決策。態(tài)勢深度理解主要是結(jié)合態(tài)勢進階理解獲得的魚雷攻擊意圖及敵平臺態(tài)勢覺察來綜合判斷。

圖2 潛射魚雷態(tài)勢理解

2.3 態(tài)勢預(yù)測

態(tài)勢預(yù)測主要針對魚雷距離本艇較遠的情況，側(cè)重于預(yù)測魚雷發(fā)射平臺再發(fā)射一枚魚雷的情況。態(tài)勢預(yù)測主要預(yù)測Δt時間后：1）本艇位置和速度。2）發(fā)射魚雷的平臺相對于本艇的方位、距離和速度。3）魚雷相對于本艇的方位、距離和速度。4）魚雷進入我水聲對抗防御圈的時間。5）魚雷發(fā)射平臺再發(fā)射一枚魚雷的可能性。

2.4 態(tài)勢評估

態(tài)勢評估主要對態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測進行威脅評估[1]，主要評估以下幾點：1）發(fā)射魚雷的平臺對本艇的威脅程度以及發(fā)現(xiàn)本艇的概率。2）魚雷對本艇的威脅程度、發(fā)現(xiàn)本艇的概率。3）該平臺再發(fā)射一枚魚雷對本艇的威脅程度。

3 智能指揮決策

潛艇防御魚雷智能指揮決策需要潛艇指揮員在短時間內(nèi)進行正確的決策，確定機動規(guī)避的時機、潛艇轉(zhuǎn)向角、航速、航深、是否采用聲抗器材進行水聲對抗以及選用的水聲對抗器材類型和參數(shù)，如選用聲誘餌需確定第一次轉(zhuǎn)角、第一段直航時間、第二次轉(zhuǎn)向角等參數(shù)，選擇小口徑聲誘餌和大口徑聲誘餌組合還需考慮大口徑聲誘餌準(zhǔn)備時間，此外還需要考慮水聲對抗器材的使用原則以及對抗效能，因此采用機器計算最優(yōu)的機動規(guī)避和水聲對抗方案尤為必要。潛艇防御魚雷智能指揮決策如圖3所示。

圖3中魚雷態(tài)勢感知結(jié)果一方面通過顯示系統(tǒng)發(fā)送給人認知判別，另一方面機系統(tǒng)智能指揮決策系統(tǒng)基于魚雷對抗方案數(shù)據(jù)庫提供可供人選擇的優(yōu)化目標(biāo)，再由人機協(xié)同選擇是否采用潛艇機動規(guī)避、選擇采用的水聲對抗器材，從而確定采用智能算法的類型，篩選出最終的機動規(guī)避和水聲對抗方案。

圖3中魚雷對抗方案數(shù)據(jù)庫主要存儲計算實驗對態(tài)勢集中的各種態(tài)勢的作戰(zhàn)分析及預(yù)測和演習(xí)魚雷對抗方案實例，提供水聲對抗過程中需要注意的優(yōu)化目標(biāo)供選擇，便于指導(dǎo)實際作戰(zhàn)。

圖3 智能指揮決策

圖3中智能算法主要有單目標(biāo)智能優(yōu)化算法、多目標(biāo)智能優(yōu)化算法、動態(tài)單目標(biāo)智能優(yōu)化算法和動態(tài)多目標(biāo)智能優(yōu)化算法，類型由目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量、選擇機動規(guī)避和水聲對抗器材的情況確定。潛艇使用聲抗器材防御魚雷是“過程仿真”模型[2]，文獻[9]在潛艇自航式誘餌的組合使用過程中對所有符合條件的值進行遍歷求得最優(yōu)初始航向，使得魚雷與潛艇距離最大。但是在實際使用中并不能滿足使用要求，一方面等步長遍歷搜索方法在實時性方面比較欠缺，另一方面一個目標(biāo)函數(shù)（使得魚雷與潛艇距離最大）并不能完全滿足防御魚雷需求，誘餌航向的選擇還應(yīng)遵循保證魚雷先發(fā)現(xiàn)誘餌的原則。并行計算[2，10]和智能算法[4，11～12]被引入解決實時性的問題，文獻[2]設(shè)計實現(xiàn)了“淘汰標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，劣等方案盡早淘汰”的“過程仿真+方案搜索”方案優(yōu)化模型求解策略。文獻[10]提出了2級并行策略，在進程和線程間劃分仿真循環(huán)，通過數(shù)據(jù)交換作出最優(yōu)決策，有效解決了實時方案決策的問題。文獻[12]基于遺傳算法的潛艇組合使用聲誘餌防御魚雷技術(shù)，采用定性和定量分析相結(jié)合的方法計算和優(yōu)化組合參數(shù)。文獻[4]和[12]采用的遺傳算法屬于單目標(biāo)智能優(yōu)化算法，文獻[4]目標(biāo)函數(shù)是潛艇的生存概率最大，文獻[12]目標(biāo)函數(shù)使得魚雷與潛艇距離最大。對于此類模型基礎(chǔ)上增加優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的問題可用多目標(biāo)智能算法解決。而潛艇使用聲抗器材防御魚雷模型與時間有關(guān)，因此建立動態(tài)問題模型以及采用動態(tài)優(yōu)化算法求解更符合實際需求。

4 結(jié)語

本文基于人機協(xié)同的智能指揮模型體系，初步研究了潛艇智能防御魚雷水聲對抗模型體系，提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)和智能優(yōu)化算法等方法實現(xiàn)智能態(tài)勢感知和智能指揮決策。模型對新型系統(tǒng)研制具有一定的參考價值，其數(shù)學(xué)模型建立及工程實現(xiàn)方法是需進一步解決的問題。