毛 鈺 吉春生

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266042）

1 引言

所謂遠(yuǎn)程魚雷，是指航程在百公里或者百公里以上，具有可控引信，能夠智能制導(dǎo)和遠(yuǎn)距離探測的重型魚雷［1］。與一般意義上的魚雷相比，遠(yuǎn)程魚雷具有攻擊距離遠(yuǎn)，可預(yù)先投放等特點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)以兵器機(jī)動代替發(fā)射平臺機(jī)動，可對平臺難以或無法接近敵區(qū)域進(jìn)行攻擊，同時也提高了發(fā)射平臺的安全性［2］。由于遠(yuǎn)程魚雷這些特性，就需要進(jìn)行從發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)位置區(qū)域的全程航路規(guī)劃，選擇一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的能夠避開障礙物的最優(yōu)航行線路，才能最大化的發(fā)揮魚雷的作戰(zhàn)效能。

現(xiàn)階段航路規(guī)劃有很多種算法［3］，如：動態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火法、最優(yōu)控制法、啟發(fā)式搜索法、遺傳算法、蟻群算法等等，各種算法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，算法的優(yōu)劣主要取決于算法的快速性、算法求出解的最優(yōu)性。本文運(yùn)用遺傳算法，綜合考慮航路距離和航路安全性，對遠(yuǎn)程魚雷的航路進(jìn)行規(guī)劃，并對算法進(jìn)行了計算機(jī)仿真。

2 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃

2.1 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃的基本含義［4］

遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃，是指在綜合考慮作戰(zhàn)任務(wù)、敵目標(biāo)基本性能及運(yùn)動要素、遠(yuǎn)程魚雷基本性能、作戰(zhàn)海區(qū)相關(guān)情況和航行時間等各種約束因素條件下，找到一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或最佳的可行航行軌跡。遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃也稱任務(wù)規(guī)劃，是指揮員根據(jù)作戰(zhàn)目的、戰(zhàn)場情況和敵方艦艇的機(jī)動能力，選擇魚雷從發(fā)射出管后到預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)航路的規(guī)劃方法，從而為指揮員實(shí)現(xiàn)各種戰(zhàn)術(shù)意圖提供良好的技術(shù)支撐。隨著魚雷航程的不斷增大，航路規(guī)劃在遠(yuǎn)程魚雷的作戰(zhàn)運(yùn)用中起著越來越重要的作用。該規(guī)劃包括選定魚雷航向、航速、航路點(diǎn)及末段自導(dǎo)方式，通過合理設(shè)置魚雷的航路規(guī)劃點(diǎn)，指揮員可以對目標(biāo)實(shí)施多方向攻擊和飽和攻擊，或通過繞過敵方的嚴(yán)密防空區(qū)提高魚雷的命中能力，實(shí)施隱蔽攻擊。目前，潛射遠(yuǎn)程魚雷具有航路規(guī)劃功能，在魚雷航程及戰(zhàn)場態(tài)勢允許的情況下，潛艇指揮員可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)意圖及戰(zhàn)場態(tài)勢，靈活設(shè)定魚雷的航路點(diǎn)，以充分發(fā)揮魚雷的作戰(zhàn)效能。

2.2 遠(yuǎn)程魚雷航路規(guī)劃的特性

與其他魚雷武器相比，遠(yuǎn)程魚雷作為一種新形勢下產(chǎn)生的信息化武器，通過航路規(guī)劃具有一定的特性［4～5］，主要有：

1）“火力機(jī)動”攻擊能力?？梢栽O(shè)置多個航路點(diǎn)，以“火力機(jī)動”代替“兵力機(jī)動”對目標(biāo)實(shí)施多方向、多航路飽和攻擊，攻擊時可以避開島嶼、敵方兵力密集區(qū)，增加武器的突防能力。

2）發(fā)射平臺及魚雷的隱蔽性提高。遠(yuǎn)程魚雷經(jīng)過各個航路點(diǎn)轉(zhuǎn)向后可從敵目標(biāo)意想不到的方向發(fā)起攻擊，不僅提高了攻擊的突然性，減少了敵抗擊時間，而且攻擊方向與發(fā)射平臺的位置沒有必然的聯(lián)系，敵方很難通過攻擊方向判斷出發(fā)射平臺的概略位置，有利于兵力的隱蔽行動。發(fā)射平臺可以充分利用島岸等有利地形為掩護(hù)，或者在我方兵力控制范圍內(nèi)發(fā)射遠(yuǎn)程魚雷對目標(biāo)實(shí)施火力機(jī)動打擊，有效提高攻擊的隱蔽性和攻擊兵力的生存能力。

3）對信息的需求更高。由于魚雷航程、航時的加大，魚雷的發(fā)射出管后，需要相關(guān)指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確導(dǎo)引定位，并適時進(jìn)行信息的傳遞，保障魚雷能安全到達(dá)攻擊區(qū)域，從而對目標(biāo)實(shí)施攻擊。

3 遺傳算法應(yīng)用條件及概述

3.1 應(yīng)用條件

在用該算法做航跡規(guī)劃時，本文有以下假設(shè)：

1）遠(yuǎn)程魚雷通常由發(fā)射平臺發(fā)射，然后進(jìn)入一定深度自主航行，因此航路規(guī)劃可以建立在二維平面的基礎(chǔ)上。

2）遠(yuǎn)程魚雷的環(huán)境威脅主要考慮島礁、碼頭等障礙物的威脅。根據(jù)各自相應(yīng)的形狀特點(diǎn)，可以將島礁碼頭等障礙物簡化成規(guī)則圖形表示的威脅區(qū)域。通過對威脅的簡化處理，得到相應(yīng)深度的威脅分布平面，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行航路規(guī)劃。

3.2 算法概述

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是模擬自然界生物進(jìn)化機(jī)制的一種算法，即遵循適者生存、優(yōu)勝劣汰的法則，也就是尋優(yōu)過程中有用的保留，無用的則去除。在科學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)為，在所有可能的解決方法中找出最符合該問題所要求的條件的解決方法，即找出一個最優(yōu)解［6］。本文在算法設(shè)計中提出一種基于Voronoi圖的遺傳優(yōu)化算法

1）首先根據(jù)已知的威脅分布情況，構(gòu)造出威脅及障礙分布的 Voronoi圖［7］；

2）根據(jù)威脅及障礙邊界點(diǎn)，得出基本航路集合；

3）在Voronoi圖的基礎(chǔ)上，用遺傳算法計算得出最優(yōu)航路。

4 算法的描述

4.1 Voronoi圖的構(gòu)造［7～8］

綜合考慮遠(yuǎn)程魚雷從發(fā)射出管后到目標(biāo)位置區(qū)域整個航行過程中可能航路的地域威脅和障礙發(fā)布，構(gòu)造出威脅及障礙分布的Voronoi圖，如圖1所示。

圖1 威脅及障礙分布Voronoi圖

圖中，S為起點(diǎn)，Z為終點(diǎn)，陰影部分為威脅分布區(qū)域，圖中虛線即為Voronoi邊，連接出發(fā)點(diǎn)到就位點(diǎn)的這些Voronoi邊的組合，中間構(gòu)成基本航路集合。Voronoi圖的中間點(diǎn)構(gòu)成基本路徑的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，即中途主要的航路點(diǎn)。路徑規(guī)劃的任務(wù)是找出從出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)魚雷能回避敵方威脅，安全到達(dá)攻擊區(qū)域。可以看出，通過構(gòu)造Voronoi圖，將路徑規(guī)劃問題從多維空間的搜索問題簡化到二維空間搜索的問題，即路徑規(guī)劃只要在Voronoi圖所確定的路徑集合中進(jìn)行，避免了直接使用遺傳算法求最優(yōu)解的盲目性，可以較容易的找出局部最優(yōu)解，克服了遺傳算法局部尋優(yōu)能力不足的特點(diǎn)，提高了計算效率。

4.2 使用遺傳算法進(jìn)行路徑選擇［11～13］

4.2.1 編碼

算法的編碼方式，直接關(guān)系到算法的可行性和效率。本文對遠(yuǎn)程魚雷的航行區(qū)域在Voronoi圖的基礎(chǔ)上采用坐標(biāo)系表示。定義航路的起點(diǎn)S為坐標(biāo)的原點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)的連線為橫軸，其垂線為縱軸。這樣，在Voronoi圖所確定的路徑集就都可以表示成由若干個坐標(biāo)系上的點(diǎn)組成。假設(shè)航路上的航點(diǎn)為S，S0，S1，S2…Si…Z，其中S，Z分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)，不參與編碼。Si為第i個航點(diǎn)，i＝1，2，3，…N。這樣航線上的某個位置點(diǎn)就可以表示為坐標(biāo)點(diǎn)。

取各障礙物的邊角為臨界區(qū)域點(diǎn)，就可以避免魚雷航行中與障礙物和威脅區(qū)域接近發(fā)生碰撞。選Mi作為基因值，則M1，M2，M3，…MN為一個染色體。

4.2.2 適應(yīng)度評價函數(shù)

遺傳算法中，計算得到的結(jié)果是通過適應(yīng)度評價函數(shù)來進(jìn)行評價的，因此適應(yīng)度函數(shù)的確定就是將航路規(guī)劃時的因素和要求包含進(jìn)去。適應(yīng)度評價函數(shù)決定了最優(yōu)解的要求和算法的收斂性，這里采用的適用度評價函數(shù)包含的航路安全系數(shù)和航程［5］。

安全系數(shù)主要考慮魚雷在航行中能否避開障礙物或威脅區(qū)域，假設(shè)障礙物是圓形區(qū)域，半徑為r，航路到障礙物中心點(diǎn)的距離為d，則安全系數(shù)可表示為

適應(yīng)度評價函數(shù)可以表示為

式中，L定義為航路總航程；Mi，i＋1定義為位置點(diǎn)Mi到Mi＋1之間的距離；ki定義為安全系數(shù)，介于0～1之間，當(dāng)ki越趨于0，安全性越低，也就是航路越靠近威脅區(qū)域；反之，越趨近于1，安全性越高，但航程越大。

5 計算機(jī)仿真

通過算法設(shè)計，采用VC語言進(jìn)行仿真計算，考慮ki的取值，分別選取不同的安全性和航程。算法采用三個基本遺傳算子：選擇，交叉和變異。設(shè)定的仿真參數(shù)為：群體大小＝200，進(jìn)化代數(shù)為200，交叉概率＝0.7，變異概率＝0.1。仿真結(jié)果如圖2及圖3所示：

圖2 重視航程的方案

圖3 重視安全性的方案

6 結(jié)語

隨著魚雷航程的不斷加大，航路規(guī)劃問題將成為提高魚雷作戰(zhàn)效能的一個重要環(huán)節(jié)。本文提出了基于Voronoi圖的遺傳優(yōu)化算法，對遠(yuǎn)程魚雷這型信息化武器的航路規(guī)劃問題進(jìn)行了初步探討，通過仿真結(jié)果證明，這個算法設(shè)計是可行的，便于遠(yuǎn)程魚雷的優(yōu)化控制和實(shí)時航路規(guī)劃，有利于進(jìn)一步的研究。

［1］李本昌，梁濤.遠(yuǎn)程魚雷的作戰(zhàn)樣式及其技術(shù)需求［J］.魚雷技術(shù)，2008，16（4）：54－57.

［2］顧險峰，錢建平.魚雷武器遠(yuǎn)程精確打擊導(dǎo)引模式和技術(shù)架構(gòu)初步探索［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2003，25（3）：7－10.

［3］周彬彬，王學(xué)偉.無人機(jī)航路規(guī)劃問題初步研究［J］.中國西部科技，2011，10（4）：32－34.

［4］龍飛.航路規(guī)劃技術(shù)對反艦導(dǎo)彈攻擊影響的探討［J］.飛航導(dǎo)彈，2005，12：26－28.

［5］沈建鋒，許誠.遺傳算法在反艦導(dǎo)彈航路規(guī)劃中的應(yīng)用［J］.飛行力學(xué)，2005，23（3）：52－55.

［6］李華昌，謝淑蘭，易忠勝.遺傳算法的原理與應(yīng)用［J］.礦冶，2005，14（1）：87－90.

［7］王曉東，廖士中.基于Voronoi圖的定性路徑［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（21）：193－196.

［8］劉鋼，老松楊.反艦導(dǎo)彈航路規(guī)劃圖形化快速逆推方法［J］.彈道學(xué)報，2011，23（2）：52－56.

［9］肖支才，程春華.基于改進(jìn)遺傳算法的反艦導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2010（5）.

［10］鞏固，郝國生，楊帆.一種改進(jìn)的抑制早熟收斂的遺傳算法［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2009（5）.

［11］羅翔，陳戈.基于遺傳算法的自航水雷航路規(guī)劃［J］.火力與指揮控制，2009，34（3）：99－101.

［12］鄭銳，馮振明.基于遺傳算法的無人機(jī)航路規(guī)劃優(yōu)化研究［J］.計算機(jī)仿真，2011，28（6）：88－91.

［13］徐劍，周德云.基于改進(jìn)遺傳算法的多無人機(jī)路徑規(guī)劃［J］.航空計算技術(shù)，2009（4）.