李 偉 李天偉 王書曉周 兵 張 勇

（1.海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)院辦公室 大連 116018）

1 引言

隨著海軍艦艇裝備發(fā)展和使命任務(wù)的變化，大型艦艇編隊(duì)作為海上作戰(zhàn)集群形式將越來(lái)越普遍。艦艇編隊(duì)的組成主要根據(jù)作戰(zhàn)對(duì)象、作戰(zhàn)環(huán)境、海上作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)時(shí)機(jī)、作戰(zhàn)海域等不同條件進(jìn)行合理編組，根據(jù)作戰(zhàn)需要按照決策實(shí)時(shí)應(yīng)變隊(duì)形形式，達(dá)到打擊、消滅敵人保存自己的目的［1］。相比于單個(gè)艦艇，多艦艇協(xié)作具有容錯(cuò)性和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，艦艇編隊(duì)在航行中可以形成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，各艦艇之間通過(guò)分工合作迅速準(zhǔn)確地感知船隊(duì)所在區(qū)域的環(huán)境信息，從而加快系統(tǒng)任務(wù)的完成，提高系統(tǒng)的工作效率［2］。艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制是指通過(guò)選取合適的控制策略，使得多艘同類或不同類型艦艇組成的海上作戰(zhàn)集團(tuán)保持期望的相對(duì)態(tài)勢(shì)，維持編隊(duì)隊(duì)形的協(xié)同運(yùn)動(dòng)和變換，同時(shí)適應(yīng)環(huán)境及作戰(zhàn)條件約束，最終完成特定作戰(zhàn)任務(wù)的控制技術(shù)。編隊(duì)隊(duì)形最優(yōu)化配置、及時(shí)準(zhǔn)確變換和保持隊(duì)形是實(shí)現(xiàn)編隊(duì)綜合防御能力和作戰(zhàn)效能最大化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制任務(wù)

艦船編隊(duì)隊(duì)形控制相關(guān)問(wèn)題出發(fā)點(diǎn)主要是便于艦艇編隊(duì)的航渡組織、火力發(fā)揮以及綜合防御效能。編隊(duì)隊(duì)形的生成主要解決編隊(duì)內(nèi)部艦艇相互之間的相對(duì)位置配置問(wèn)題。配置編隊(duì)防御隊(duì)形的基本要求包括：防御武器最有效的使用、降低敵打擊效果、電子器材的電磁兼容性、嚴(yán)密觀察、自由機(jī)動(dòng)、便于指揮等；在進(jìn)行導(dǎo)彈攻擊組織時(shí)，編隊(duì)內(nèi)部不同型號(hào)水面艦艇裝備的反艦導(dǎo)彈型號(hào)一般不相同，其技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能也不相同，艦艇編隊(duì)?wèi)?yīng)根據(jù)各目標(biāo)的威脅程度、本編隊(duì)各艦艇反艦導(dǎo)彈的性能和每艘艦艇的打擊效果，確定出最優(yōu)的火力分配方案，使艦艇編隊(duì)的整體作戰(zhàn)效能達(dá)到最大［3］；在組織導(dǎo)彈對(duì)空防御和對(duì)潛防御時(shí)，為便于編隊(duì)防御的組織［4］，還需要考慮編隊(duì)對(duì)空對(duì)潛觀察組織、防御的完整性、編隊(duì)成員之間的任務(wù)分配等［5］；除此之外，編隊(duì)作戰(zhàn)還應(yīng)進(jìn)行備件優(yōu)化配置、作戰(zhàn)效能分析等。大型海上作戰(zhàn)集群是現(xiàn)代海戰(zhàn)中奪取制空權(quán)和制海權(quán)的重要利器，但是它面臨的空中和水下威脅也越來(lái)越嚴(yán)峻。因此，利用艦艇編隊(duì)內(nèi)部的有限艦艇兵力，進(jìn)行最優(yōu)化的隊(duì)形配置，以實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)最優(yōu)的對(duì)空對(duì)潛防御能力，對(duì)于提高艦艇編隊(duì)的生命力和作戰(zhàn)能力具有重要意義［6］。

艦艇編隊(duì)成員均具有多種傳感器，編隊(duì)內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交換和態(tài)勢(shì)感知，通過(guò)分享數(shù)據(jù)獲得較為全面的環(huán)境信息，具有良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性［7］。為了實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制，提升系統(tǒng)對(duì)環(huán)境自適應(yīng)能力，擴(kuò)大任務(wù)范圍，提高任務(wù)執(zhí)行效率、完成質(zhì)量和在高危環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，必須解決艦載模塊的狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)融合、任務(wù)分配和航跡規(guī)劃、編隊(duì)控制和通信組網(wǎng)等多個(gè)技術(shù)，并研究多項(xiàng)技術(shù)間的協(xié)同作用［8～10］。編隊(duì)隊(duì)形控制一般是借助成員間的局部交互實(shí)現(xiàn)多成員系統(tǒng)的群體行為，從而解決全局性的任務(wù)，具體需要解決的問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面。

1）編隊(duì)隊(duì)形配置［11］：在滿足約束條件的前提下，確定編隊(duì)內(nèi)部成員相互位置關(guān)系的問(wèn)題；

2）編隊(duì)隊(duì)形保持：通過(guò)隊(duì)形控制實(shí)現(xiàn)編隊(duì)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)中保持隊(duì)形的穩(wěn)定，即保證編隊(duì)內(nèi)部成員相對(duì)位置關(guān)系不變；

3）編隊(duì)隊(duì)形變換：編隊(duì)系統(tǒng)按照任務(wù)需求，通過(guò)不同成員機(jī)動(dòng)從一種隊(duì)形變換到另一種隊(duì)形的問(wèn)題；

4）編隊(duì)威脅規(guī)避：運(yùn)動(dòng)中遇到障礙或威脅因子時(shí)，整體改變編隊(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃或改變編隊(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)避潛在威脅的問(wèn)題；

5）編隊(duì)自適應(yīng)技術(shù)［12］：在動(dòng)態(tài)不可預(yù)判的復(fù)雜環(huán)境下，編隊(duì)系統(tǒng)自動(dòng)保持或改變編隊(duì)隊(duì)形，實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)境適應(yīng)的問(wèn)題。

3 艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制過(guò)程

3.1 艦艇編隊(duì)海上活動(dòng)階段劃分

艦艇編隊(duì)自有的海上存在特性，決定了艦艇控制主要解決編隊(duì)航渡隊(duì)形組織，以及組成既定攻擊或防御隊(duì)形時(shí)的問(wèn)題［13］。

編隊(duì)艦艇從各自不同的始發(fā)港口或待機(jī)錨地出發(fā)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)定集結(jié)點(diǎn)，通過(guò)一定的艦艇機(jī)動(dòng)組成預(yù)定的編隊(duì)隊(duì)形。隊(duì)形組成完畢，赴預(yù)定任務(wù)區(qū)航渡，期間必定會(huì)進(jìn)行航向調(diào)整、規(guī)避障礙物或海上目標(biāo)等，在此過(guò)程中需控制編隊(duì)內(nèi)部艦艇因子，以保持編隊(duì)隊(duì)形的穩(wěn)定。為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜海區(qū)環(huán)境或編隊(duì)防御任務(wù)轉(zhuǎn)換，可能需要對(duì)編隊(duì)隊(duì)形進(jìn)行調(diào)整或重構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)編隊(duì)整體監(jiān)控或警戒范圍的延伸，還需要排遣單個(gè)或多個(gè)艦艇，脫離編隊(duì)執(zhí)行偵察或警戒等任務(wù)，并應(yīng)保持與原編隊(duì)整體的同步機(jī)動(dòng)。出列艦艇執(zhí)行任務(wù)完畢需要回歸編隊(duì)，有時(shí)根據(jù)情況亦可能要求內(nèi)部某個(gè)艦艇因子向基準(zhǔn)艦靠攏，也就是召回某艦。進(jìn)入任務(wù)區(qū)域后，編隊(duì)需根據(jù)任務(wù)進(jìn)行決策，編隊(duì)內(nèi)部艦艇執(zhí)行各自的任務(wù)，在此過(guò)程中，內(nèi)部艦艇因子可能會(huì)出現(xiàn)損毀。同時(shí)，敵我態(tài)勢(shì)的隨時(shí)變化可能導(dǎo)致攻防態(tài)勢(shì)的轉(zhuǎn)化，需要根據(jù)編隊(duì)內(nèi)部情況和外部態(tài)勢(shì)調(diào)整編隊(duì)隊(duì)形。

任務(wù)完成之后，航渡返回過(guò)程中同樣需要控制艦艇因子以保持隊(duì)形。返回某個(gè)預(yù)定解散點(diǎn)后，編隊(duì)解散，一般大型編隊(duì)艦艇因子駐泊港口較為分散，編隊(duì)內(nèi)部相同駐泊方向的艦艇又需要重新集結(jié)共同返回駐泊地。

3.2 艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制過(guò)程劃分

按照編隊(duì)海上航渡、作戰(zhàn)流程，總體可以分為以下8個(gè)階段，如圖1所示。按照各個(gè)不同階段的使命任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)編隊(duì)控制的過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)劃分。編隊(duì)生成和編隊(duì)解散所涉及的問(wèn)題主要是編隊(duì)集結(jié)問(wèn)題，艦艇編隊(duì)赴預(yù)定任務(wù)區(qū)航渡和編隊(duì)返回基地組織則可歸結(jié)為編隊(duì)保持問(wèn)題，編隊(duì)航渡過(guò)程隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整和編隊(duì)作戰(zhàn)隊(duì)形則涉及到編隊(duì)隊(duì)形變換問(wèn)題，編隊(duì)出列和歸隊(duì)則可歸為出入列問(wèn)題。

4 艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制關(guān)鍵問(wèn)題解析

4.1 艦艇編隊(duì)集結(jié)機(jī)動(dòng)解算

編隊(duì)集結(jié)主要考慮三個(gè)方面的問(wèn)題。首先要保證從任意初始狀態(tài)開(kāi)始，依據(jù)特定約束條件，通過(guò)擬訂合理航渡計(jì)劃，最終使所有艦艇因子能夠在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)某個(gè)集結(jié)點(diǎn)。一般而言，約束條件包括：編隊(duì)集結(jié)完成時(shí)間最短；能夠有效地避開(kāi)障礙物或威脅；避免各艦艇因子之間的沖突或碰撞；艦艇因子速度限制；消耗燃油量最少等。其次，要設(shè)定或選取合適的隊(duì)形，主要考慮武器的使用效能、航行安全等因素。最后，還應(yīng)保證所有艦艇因子經(jīng)過(guò)合適的機(jī)動(dòng)后進(jìn)入編隊(duì)隊(duì)形內(nèi)指定的陣位，通常按照占領(lǐng)陣位方法進(jìn)行計(jì)算。在機(jī)動(dòng)過(guò)程中同樣需要滿足一些約束條件，包括機(jī)動(dòng)所需區(qū)域盡可能小、執(zhí)行簡(jiǎn)單、迅速、便于檢查、不影響編隊(duì)其他艦艇機(jī)動(dòng)及特殊情況下的武器使用等。

4.2 艦艇編隊(duì)集結(jié)機(jī)動(dòng)解算

編隊(duì)隊(duì)形保持主要指在編隊(duì)航渡過(guò)程中，如何實(shí)時(shí)地控制各個(gè)艦艇因子的運(yùn)動(dòng)軌跡，以保持編隊(duì)隊(duì)形的幾何關(guān)系不變。編隊(duì)保持有很重要的意義，比如在組成對(duì)空防御隊(duì)形或?qū)摲烙?duì)形時(shí)，艦艇編隊(duì)隊(duì)形的改變將直接影響到防御效果，甚至?xí)?dǎo)致防御漏洞的出現(xiàn)。正常航行中編隊(duì)隊(duì)形保持并不是太大的問(wèn)題，在艦艇編隊(duì)整體規(guī)避障礙物或威脅以及編隊(duì)轉(zhuǎn)向，一旦航向放生變化，艦艇編隊(duì)內(nèi)部的各艦艇因子之間的陣位關(guān)系也將改變。因此，需要按照一定的規(guī)則進(jìn)行機(jī)動(dòng)使編隊(duì)各艦重新組成預(yù)設(shè)隊(duì)形。編隊(duì)隊(duì)形保持主要包括兩類問(wèn)題，即編隊(duì)整體規(guī)避問(wèn)題和編隊(duì)轉(zhuǎn)向解算。

4.3 艦艇編隊(duì)隊(duì)形變換機(jī)動(dòng)解算

艦艇編隊(duì)在航渡過(guò)程中，可能會(huì)遇到障礙物或敵方目標(biāo)，或者編隊(duì)內(nèi)部某個(gè)艦艇因子出現(xiàn)故障或被摧毀，或者敵方情況發(fā)生較大變化時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境或態(tài)勢(shì)及時(shí)地改變編隊(duì)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到避險(xiǎn)或提高任務(wù)效能的目的。在一個(gè)隊(duì)形或隊(duì)列中的艦艇嚴(yán)格地按照規(guī)定進(jìn)行行動(dòng)，并依次編成各種式樣的隊(duì)形稱為隊(duì)形變換，主要表現(xiàn)為改變隊(duì)形的樣式、變換艦艇在隊(duì)形中的位置和改變艦艇之間的距離。隊(duì)形變換與保持從本質(zhì)上講是同一類問(wèn)題，變換是編隊(duì)內(nèi)各艦從初始陣位占領(lǐng)基準(zhǔn)艦的指定陣位從而組成或變化成新的隊(duì)形，保持是變換的特殊形式，是指當(dāng)基準(zhǔn)艦轉(zhuǎn)向?qū)е缕溆嗯炌ш囄蛔兓瘯r(shí)編隊(duì)各艦重新組成原隊(duì)形。

目前，艦艇編隊(duì)隊(duì)形變換與保持問(wèn)題一般簡(jiǎn)化為占位機(jī)動(dòng)求解，對(duì)艦艇間距較大的松散隊(duì)形適用，但對(duì)于較密集的編隊(duì)來(lái)說(shuō)則缺乏對(duì)艦艇航行安全的考慮；為方便編隊(duì)隊(duì)形變換控制，也制定了編隊(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)則來(lái)規(guī)范和協(xié)調(diào)艦艇隊(duì)形的變換，主要出發(fā)角度在于編隊(duì)的航行安全，只適用于小型編隊(duì)，對(duì)于復(fù)雜隊(duì)形的變換目前還沒(méi)有比較成熟的方法。

4.4 編隊(duì)艦艇出入列機(jī)動(dòng)解算

出入列機(jī)動(dòng)也是編隊(duì)隊(duì)形變換的一種類型，指編隊(duì)中某一艘艦艇或某幾艘艦艇由于戰(zhàn)術(shù)需要離開(kāi)編隊(duì)序列，完成戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)后重新回到原序列的過(guò)程。與通常意義的變換與保持機(jī)動(dòng)內(nèi)容不同，艦艇的變換與保持機(jī)動(dòng)主要考慮機(jī)動(dòng)艦與基準(zhǔn)艦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而出入列機(jī)動(dòng)是為了特定的戰(zhàn)術(shù)目的而進(jìn)行的機(jī)動(dòng)，需要討論其與基準(zhǔn)艦、目標(biāo)（或限制條件）三者的關(guān)系。此外，在進(jìn)行出入列機(jī)動(dòng)解算時(shí)，還需要考慮入列時(shí)間、基準(zhǔn)艦運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)及海區(qū)環(huán)境等約束條件。歸隊(duì)機(jī)動(dòng)是出入列機(jī)動(dòng)的一種特殊形式，主要指在情況需要時(shí)要求某個(gè)艦艇因子向基準(zhǔn)艦靠攏時(shí)所進(jìn)行的機(jī)動(dòng)。

4.5 機(jī)動(dòng)解算與智能體編隊(duì)控制方法的結(jié)合

艦艇編隊(duì)隊(duì)形保持與變化的機(jī)動(dòng)解算，主要基于三角函數(shù)原理進(jìn)行圖上繪算，處理目標(biāo)信息有限，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理雖然可以大幅度提高機(jī)動(dòng)繪算速度，但對(duì)于多艦艇的編隊(duì)隊(duì)形變換缺乏有效的數(shù)學(xué)模型，在結(jié)合艦艇編隊(duì)軍事活動(dòng)，從宏觀上解決編隊(duì)內(nèi)部基于作戰(zhàn)和任務(wù)需求的簡(jiǎn)單隊(duì)形變換的基礎(chǔ)上，艦艇編隊(duì)隊(duì)形的控制應(yīng)借鑒智能體系統(tǒng)隊(duì)形控制技術(shù)的前沿性成果展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)隊(duì)形控制的智能化輔助決策支持，解決海上大型編隊(duì)隊(duì)形控制的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

艦艇編隊(duì)控制的研究涉及到艦艇武器裝備性能、艦艇操縱能力、自動(dòng)化控制、編隊(duì)航路規(guī)劃、多傳感器信息融合、管理決策及效能評(píng)估等諸多內(nèi)容，雖然取得了一定的研究進(jìn)展和成果，但距離實(shí)現(xiàn)大型艦艇編隊(duì)隊(duì)形實(shí)時(shí)有效控制還有很大差距，迫切需要開(kāi)展在作戰(zhàn)任務(wù)需求和復(fù)雜海區(qū)條件約束下的強(qiáng)魯棒、高精度艦艇編隊(duì)隊(duì)形控制技術(shù)與方法研究。