潜艇使用自航式声诱饵防御声自导鱼雷模型研究

反鱼雷技术什么是反鱼雷技术反鱼雷技术是指各国海军为其水面舰艇和潜艇提供足够的对抗鱼雷攻击所研制和应用的技术。

反鱼雷技术的类型水面舰艇是未来海战的主要兵力之一。

随着鱼雷技术的不断发展，鱼雷对水面舰艇和潜艇的威胁越来越大，已成为制约水面舰艇发展的因素之一。

随着鱼雷从自控鱼雷、声自导鱼雷、线导鱼雷，逐渐发展到最先进的尾流自导鱼雷，各国海军研制的反鱼雷技术也在不断向前发展，目前已形成了比较完善的反鱼雷防御系统。

为了抗击鱼雷的攻击，目前世界各国研究开发的反鱼雷技术可分为两类：一:是被动防御，二:是主动进攻。

被动防御主要是通过在舰艇上涂层、贴片、敷设橡胶等措施来降低舰艇的噪音，使舰艇隐身，以降低被敌声纳发现的概率和减小声自导鱼雷的自导作用距离，从而达到减少被声自导鱼雷命中的目的。

如原苏联潜艇表面的吸声材料“集束卫士（Clusterguard）”，能吸收入射波的1/3，而且由于吸声层使入射声波成漫反射，类似尾流层回波，影声纳工作，使声纳探测和鱼雷自导装置的作用距离缩短约1/3。

潜艇指挥塔部分涂敷这吸声材料，使声纳识别图象中的最显著特征消失，难以识别。

同时，在舰艇两侧或尾部拖带防鱼雷网，以阻拦鱼雷，使舰艇免受损伤；或改进舰艇装甲，采用钛等高强度合金材料；或将舰艇外壳作成耐冲压隔层（称舰舷防雷结构）或防雷隔舱（一般用在潜艇上，使固壳和外壳间有一段距离），以对抗鱼雷战斗部的穿甲和杀伤力。

个别舰艇还进行了消磁处理，降低磁探仪的探测效果，并且导致磁和电磁引信鱼雷失效。

主动防御又可分为战术防御和器材对抗防御。

战术防御主要通过改变舰艇的航向、航速及航深（用于潜艇）的方法来规避直航鱼雷的雷迹和自导鱼雷的探测，从而达到避开被敌雷击中的目的。

器材对抗措施又包括软杀伤（软对抗）和硬杀伤（硬对抗）两种。

软杀伤主要是通过采用各种诱饵、干扰器和气幕弹等，使来袭鱼雷跟踪或攻击假目标或偏离航向，迷盲、消耗鱼雷的动力，造成鱼雷攻击失效。

硬杀伤主要是使用反鱼雷浮标、反鱼雷深弹（炸弹）、反鱼雷水雷、反鱼雷鱼雷等，把来袭鱼雷拦截、摧毁或让其失去战斗力。

船舶的鱼雷与反鱼雷作战技术1. 鱼雷的定义与分类鱼雷是一种水中兵器，它通过自身的动力装置推进，依靠声纳系统制导，用以攻击潜艇、舰船和其他水中目标。

鱼雷的分类方法有多种，按动力来源分，可分为电动鱼雷和蒸汽鱼雷；按制导方式分，可分为自导鱼雷和线导鱼雷；按作战用途分，可分为攻击型鱼雷和防御型鱼雷。

2. 鱼雷的作战原理鱼雷的作战原理主要依赖于其动力装置、制导系统和战斗部。

动力装置为鱼雷提供推进力，使其在水中高速航行；制导系统通过声纳或其他传感器探测目标，并引导鱼雷准确命中目标；战斗部则用于对目标进行破坏。

3. 反鱼雷作战技术反鱼雷作战技术是指采取一系列措施，以防止敌方鱼雷攻击成功。

主要包括以下几个方面：3.1 防御鱼雷防御鱼雷是指通过发射干扰信号、施放声纳诱饵等手段，干扰敌方鱼雷的制导系统，使其无法准确锁定目标。

此外，还可以利用声纳系统对周边水域进行监测，发现敌方鱼雷的信号，并及时采取措施进行规避。

3.2 硬防护措施硬防护措施主要包括采用消声材料降低舰船的噪声，以及安装防护装甲板，提高舰船对鱼雷攻击的生存能力。

3.3 软防护措施软防护措施主要是指利用电子战手段，对敌方鱼雷进行干扰，使其无法正常工作。

例如，通过发射强烈的电磁干扰，干扰鱼雷的导引系统；或者利用声纳系统发射干扰信号，干扰鱼雷的声纳系统。

3.4 综合防御系统综合防御系统是将多种防御手段进行整合，形成一个完整的防御体系。

例如，可以结合防御鱼雷、硬防护措施和软防护措施，以及对敌方鱼雷的预警和跟踪系统，实现对鱼雷攻击的全方位防御。

4. 发展趋势与挑战随着科技的发展，鱼雷与反鱼雷作战技术也在不断进步。

一方面，鱼雷的隐蔽性、精确性和威力不断提高，对舰船的威胁越来越大；另一方面，反鱼雷作战技术也在不断发展，力求破解敌方鱼雷的攻击。

未来的发展趋势主要包括：智能化、无人化、多功能化、网络化等。

同时，这也给反鱼雷作战技术带来了新的挑战，需要不断研究和创新，以适应新的作战环境。

第４１卷第６期２０１９年１２月指挥控制与仿真ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ＆ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＶｏｌ ４１㊀Ｎｏ ６Ｄｅｃ ２０１９文章编号：１６７３⁃３８１９（２０１９）０６⁃００４８⁃０４潜艇使用声抗器材防御鱼雷方案优化模型及模型求解策略程㊀健，张㊀会（海军潜艇学院，山东青岛㊀２６６１９９）摘㊀要：建立了基于多实体有限状态机的潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算 过程仿真 模型和以此为基础的 过程仿真＋方案搜索 防御方案优化模型㊂为降低方案优化模型的计算复杂度，设计并实现了针对 求使得过程中指标函数最小值最大方案 优化模型㊁提高方案优化模型求解效率的 淘汰标准即时提高㊁劣等方案及时淘汰 方案求解策略，并编制了单线程和多线程程序，对求解效率进行实验㊂实验情况表明，其可有效提高模型的求解效率㊂关键词：声抗器材；鱼雷防御；优化模型；求解策略；多线程程序中图分类号：ＴＪ９６；Ｅ９３５㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃３８１９．２０１９．０６．００９ＯｐｔｉｍａｌＭｏｄｅｌａｎｄＭｏｄｅｌＳｏｌｖｉｎｇＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＳｕｂｍａｒｉｎｅＴｏｒｐｅｄｏＤｅｆｅｎｃｅＵｓｉｎｇＡｃｏｕｓｔｉｃＣｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣＨＥＮＧＪｉａｎ，ＺＨＡＮＧＨｕｉ（ＮａｖｙＳｕｂｍａｒｉｎｅＡｃａｄｅｍｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１９９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ⁃ｅｎｔｉｔｙｆｉｎｉｔｅｓｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｔｏｒｐｅｄｏｄｅｆｅｎｓｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｍａｒｉｎｅｕｓｉｎｇａｃｏｕｓｔｉｃｒｅａｃｔａｎｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄａｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｐｒｏｃｅｓｓ＂ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ＋ｓｃｈｅｍｅｓｅａｒｃｈ＂ｄｅｆｅｎｓｅｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｍｏｄｅｌａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄ⁃ｅｌ，ａｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｏｆ＂ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ，ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｉｎｆｅｒｉｏｒｓｃｈｅｍｅｓｉｎｔｉｍｅ＂ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔｅｄ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆ＂ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇａｎｄｍａｘｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｉｎｄｅｘｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ＂ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ａｓｉｎｇｌｅ⁃ｔｈｒｅａｄｅｄａｎｄｍｕｌｔｉ⁃ｔｈｒｅａｄｅｄｐｒｏｇｒａｍｉｓｃｏｍｐｉｌｅｄｔｏｔｅｓｔｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｏｌｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃｒｅａｃｔａｎｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｔｏｒｐｅｄｏｄｅｆｅｎｃｅ；ｏｐｔｉｍａｌｍｏｄｅｌ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ；ｍｕｌｔｉ⁃ｔｈｒｅａｄｅｄｐｒｏｇｒａｍ收稿日期：２０１９⁃０３⁃２４修回日期：２０１９⁃０４⁃０３作者简介：程㊀健（１９６２ ），男，安徽怀宁人，高级工程师，研究方向为潜艇作战软件和水声目标识别㊂张㊀会（１９７１ ），女，博士，副教授㊂㊀㊀在探潜和反潜技术迅速发展的现代海战条件下，潜艇的防御行动显得越来越重要［１］㊂对于潜艇而言，其威胁主要来自于自导㊁线导等重型鱼雷以及空投㊁火箭助飞等轻型鱼雷㊂潜艇防御鱼雷一般是使用水声对抗器材结合潜艇自身的规避机动来实现的㊂潜用水声对抗器材主要有气幕弹㊁噪声干扰器和声诱饵㊂其中，自航式声诱饵不仅能模拟潜艇的辐射噪声特性和声反射特性，还能模拟潜艇的运动特性，对鱼雷具有很大的欺骗性㊂使用自航式声诱饵防御声自导鱼雷已成为潜艇水下防御的主要手段之一［２⁃３］㊂潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷方案决策涉及的决策变量多，方案计算可用时间短，如何实现高效可靠的防御方案优化计算是潜艇战术决策模型设计的一个难点问题㊂本文对潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷方案优化方法进行研究，目的是提供一种防御方案优化计算的思路和方法㊂简单起见，所编制的计算实验程序将鱼雷对潜艇和诱饵的探测范围均简化为扇面，将潜艇和诱饵的转向机动均简化为匀速圆周运动㊂文中所提供的方案优化方法对使用更复杂的机动和探测模型时的方案优化计算依然适用㊂１㊀ 过程仿真＋方案搜索 的防御方案优化模型及存在问题㊀㊀由于潜艇鱼雷防御行动的持续时间短，不能忽略潜艇和诱饵的转向过程对防御效果的影响，而对转向机动目标的搜索效果的准确判断难以用解析方法实现，故需要使用 过程仿真 模型进行鱼雷搜索和防御过程效果判定，使用 过程仿真＋方案搜索 类模型进行防御方案的搜索优化㊂１ １㊀基于多实体有限状态机的防御方案效能计算模型㊀㊀潜艇使用自航式诱饵防御鱼雷过程仿真，涉及潜艇㊁鱼雷以及诱饵三个实体，为清晰起见，选择使用多实体有限状态机表示鱼雷防御过程中各实体运动过第６期指挥控制与仿真４９㊀程，建立防御方案效能计算模型如下㊂１ １ １㊀鱼雷防御态势和防御方案表示潜艇鱼雷报警态势用鱼雷到潜艇的距离Ｄ和鱼雷所处的潜艇舷角Ｘ表示㊂潜艇的鱼雷防御方案表示为四元组（αｍ，αｙ１，ｔｙ１，αｙ２），其中αｍ，αｙ１，ｔｙ１，αｙ２分别为潜艇转向角，诱饵的第一次转向角㊁第一段直航时间和第二次转向角㊂防御过程为：潜艇鱼雷报警后立即发射诱饵，并转向αｍ角度规避，诱饵出水后首先转向αｙ１，直航ｔｙ１，然后转向αｙ２，然后再直航至航程终了㊂１ １ ２㊀效能指标使用安全余量作为效能和方案优化指标㊂安全余量分为瞬时安全余量和过程安全余量两种㊂瞬时安全余量定义为Ｊ＝ｄ（Ｍ，Ｃ）Ｍ∉Ｃ０ＭɪＣ{其中，Ｍ为潜艇位置点，Ｃ为鱼雷搜索扇面，ｄ（Ｍ，Ｃ）为点Ｍ到扇面Ｃ的距离㊂过程安全余量定义为整个过程中安全余量的最小值㊂１ １ ３㊀基于多实体有限状态机的效能计算模型根据潜艇㊁诱饵和鱼雷的运动控制逻辑，可建立潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型如图１所示㊂图１㊀潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型㊀㊀根据图１中的潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算的多实体有限状态机模型进行过程仿真，可以实现潜艇使用声抗器材防御鱼雷效能计算㊂使用过程仿真方法进行作战效能计算思路简单，需要注意的是，临界情况下可能发生事件遗漏（例如漏掉发现鱼雷发现诱饵事件），从而导致效能计算结果发生较大偏差㊂为了降低事件遗漏的可能，进行仿真计算时需要尽量减小仿真的时间步长，这样就会大幅增加过程仿真的计算复杂度㊂１ ２㊀ 过程仿真＋方案搜索 的方案优化模型以效能计算过程仿真模型为基础，构建 过程仿真＋方案搜索 的潜艇使用声抗器材防御鱼雷优化方案模型㊂方案优化模型的最优方案搜索流程如图２所示㊂图２中符号ａｅｒｆａｍ㊁ａｅｒｆａｙ１㊁ｔｙ１㊁ａｅｒｆａｙ２分别为潜艇转向角㊁诱饵第一次转向角㊁诱饵第一段直航时间㊁诱饵第二次转向角㊂Ｎａｅｒｆａｍ㊁Ｎａｅｒｆａｙ１㊁Ｎｔｙ１㊁Ｎａｅｒｆａｙ２分别为潜艇转向角㊁诱饵第一次转向角㊁诱饵第一段直航时间㊁诱饵第二次转向角搜索步数㊂ｄｅｌｔａｅｒｆａｍ㊁ｄｅｌｔａｅｒｆａｙ１㊁ｄｅｌｔｔｙ１㊁ｄｅｌｔａｅｒｆａｙ２分别为潜艇转向角㊁诱饵第一次转向角㊁诱饵第一段直航时间㊁诱饵第二次转向角搜索步长㊂１ ３㊀ 过程仿真＋方案搜索 方案优化模型存在的问题㊀㊀ 过程仿真＋方案搜索 方案优化模型为方案四维搜索优化与效能计算过程仿真的嵌套㊂除了前述过程仿真时间步长要充分小（仿真步数足够多）的要求外，为了保证所得的优化方案与最优方案实际值充分接近，方案搜索步长也要充分小（搜索的步数足够多）㊂如此导致 过程仿真＋方案搜索 的方案优化模型计算量非常大，难以满足临场决策的需要㊂２㊀劣等方案尽早淘汰的方案优化方法所建立的防御方案优化模型是一种 求使得过程中指标函数最小值最大方案 的优化模型，即效能指标为某个量在过程中的最小值，例如模型中的效能指标为过程安全余量，即规避过程中潜艇到鱼雷搜索扇面的距离的最小值，而方案优化的目的是找出使得效能指标最大的方案㊂这类问题在战术决策软件开发过程５０㊀程㊀健，等：潜艇使用声抗器材防御鱼雷方案优化模型及模型求解策略第４１卷图２㊀潜艇使用声抗器材防御鱼雷优化方案搜索流程中经常使用㊂为了提高 过程仿真＋方案搜索 模型求解效率，借鉴整数规划提高算法效率的思想，设计一种淘汰标准即时提高㊁劣等方案及时淘汰 的模型求解加速机制㊂求解整数规划的隐枚举法和分支定界法，核心思想都是尽早判定某些方案不可能是最优方案，从而对其不再进行进一步的搜索计算，达到减少搜索计算量㊁提高计算效率的目的［４⁃５］㊂借鉴这种思想设计的 淘汰标准即时提高的劣等方案及时淘汰 的模型求解加速机制基本思想如下㊂如果已经找到一个效能指标为Ｄｍｉｎ０的方案，则其他的效能指标不高于Ｄｍｉｎ０的方案都不可能是最优方案，而在过程安全余量仿真计算过程中，如果某时刻的安全余量小于等于Ｄｍｉｎ０，则立刻可以判定该方案效能指标已不可能高于Ｄｍｉｎ０，故马上就可终止该方案效能计算㊂最优方案搜索过程中，根据已选出的当前最佳方案，逐步提高Ｄｍｉｎ０的值，也就是提高淘汰标准，从而进一步加速方案优化计算的速度㊂３㊀计算实验根据所设计的模型求解机制编制了模型求解程序，进行计算实验，并与普通的 效能过程仿真＋方案搜索 方案程序进行计算结果和计算耗费时间比较㊂并在处理器多核计算环境下，采用多线程程序进行最优方案求解㊂简单地把第一个方案参数取值的可能空间等分为ｎ份，每个进程负责一个区间内的最优方案的搜索，主进程根据各进程的计算结果确定最佳方案值㊂取潜艇鱼雷报警时鱼雷到目标距离为２ｎｍｉｌｅ，鱼雷所处的潜艇舷角６０ʎ，潜艇速度１８ｋｎ，转向半径０ ３ｎｍｉｌｅ；诱饵速度１２ｋｎ，转向半径０ １ｎｍｉｌｅ，可用航程３ｎｍｉｌｅ；鱼雷搜索航向－９３ ６ʎ（正常提前角攻击方向），鱼雷速度３５ｎｍｉｌｅ，搜索扇面半角６０ʎ，鱼雷对潜艇探测距离０ ８ｎｍｉｌｅ，对诱饵探测距离０ ８ｎｍｉｌｅ，对诱饵识别距离０ ０５ｎｍｉｌｅ㊂每个方案参数搜索步数均为２０，过程仿真时间步长１ｓ㊂计算参数设置和结果显示如图３所示，三种方法所得最优方案效能指标相同，普通方法耗时８１ ３ｓ，引入劣等方案尽快淘汰机制的单线程程序耗时２７ ２ｓ㊁多线程程序耗时１１ ６ｓ㊂实验程序在个人笔记本电脑上运行，笔记本电脑处理器为４核处理器，多线程程序为４线程程序㊂实验结果表明， 淘汰标准逐步提高㊁劣等方案尽早淘汰 机制的引入，可有效提高 过程仿真＋方案搜索 方案优化模型的求解效率㊂而且，这种机制可很方便地应用于多线程并行仿真和决策程序开发㊂４㊀结束语本文建立了 过程仿真＋方案搜索 的潜艇使用声抗器材防御鱼雷方案优化模型，设计实现了 淘汰标准逐步提高，劣等方案尽早淘汰 的 过程仿真＋方案搜索 方案优化模型求解策略㊂该策略的基本思想是：设第６期指挥控制与仿真５１㊀图３㊀ 方案搜索＋过程仿真 使用声抗器材防御鱼雷方案优化方法比较立一个淘汰标准，并在方案优化过程中不断提高该标准，尽早判定劣等方案效能指标已不可能高于淘汰标准，尽早将其淘汰，从而可大幅减少仿真计算量㊂计算实验表明，淘汰标准初值的设置影响方案优化效率以及是否能得到最优方案计算结果，该值越高，非最优方案就能越早被淘汰，故计算效率越高，但若该值大于能搜索到的最优方案值，会导致无法得到解㊂实际使用时可以结合普通的 效能过程仿真＋方案搜索 使用，或者事先积累对于最优方案效能指标的取值范围的经验，作为临场方案优化计算的效能指标淘汰标准值初值㊂参考文献：［１］㊀夏佩伦，李本昌．潜用自航式声诱饵发展有关问题探讨［Ｊ］．火力与指挥控制，２０１２，３７（３）：１⁃３．［２］㊀侯琳，胡波，章桂永．潜艇自航式声诱饵发射方向仿真研究［Ｊ］．计算机仿真，２００９，２６（６）：２３⁃２５．［３］㊀李斌，王顺杰．潜艇应用自航式声诱饵防御声自导鱼雷仿真研究［Ｊ］．指挥控制与仿真，２０１４，３６（３）：９８⁃１０３．［４］㊀于战科，倪明放，汪泽焱，等．整数线性规划的改进分支定界算法［Ｊ］．计算机应用，２０１１，３１（ｚ２）：３６⁃３８．［５］㊀温大伟，谢文环．求解整数规划的一种隐枚举法［Ｊ］．数学教学研究，２０１２，３１（１１）：６０⁃６１．（责任编辑：许韦韦）。