[科普中國(guó)]-水雷[危險(xiǎn)]區(qū)

簡(jiǎn)介

由于現(xiàn)代海戰(zhàn)的非對(duì)稱、非接觸和快速性等特點(diǎn)，現(xiàn)代反水雷作戰(zhàn)的主要目的是在戰(zhàn)時(shí)以最短的時(shí)間開(kāi)辟能夠保證戰(zhàn)斗艦艇編隊(duì)或其他任務(wù)艦船安全通過(guò)雷區(qū)的可靠航道，打破敵方的水雷封鎖、阻滯或圍堵，確保后續(xù)作戰(zhàn)行動(dòng)的順利開(kāi)展和海軍作戰(zhàn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在這一情況下，戰(zhàn)時(shí)反水雷作戰(zhàn)兵力面臨的最主要任務(wù)將是水雷偵查、航線探查、反水雷導(dǎo)航以及為盡快開(kāi)辟安全航道而進(jìn)行的航道疏通和局部水雷清除等任務(wù)。為在最短時(shí)間內(nèi)為任務(wù)艦船開(kāi)辟安全可靠的航道，可以采取使用探雷聲納在雷區(qū)中快速確定部分雷區(qū)邊界和搜索薦用航道的方法，進(jìn)而盡快打破敵方水雷封鎖，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目的。搜索薦用航道需在已知部分雷區(qū)邊界和水雷位置的前提下開(kāi)展規(guī)劃，其推薦航道的安全性、合理性和快速性將直接影響反水雷作戰(zhàn)任務(wù)的完成效果。為提高反水雷艦艇在執(zhí)行航線探查任務(wù)中的作戰(zhàn)效能，分析其進(jìn)行薦用航道判定的條件和步驟，并利用搜索最短路徑的迷宮算法基本原理進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，為反水雷作戰(zhàn)中快速合理的實(shí)現(xiàn)薦用航道判定提供方法1。

搜索薦用航道的實(shí)施方法薦用航道搜索任務(wù)指利用獵雷聲納的探測(cè)識(shí)別功能，通過(guò)對(duì)雷區(qū)或水雷可疑區(qū)域進(jìn)行偵查，并對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行記錄，快速搜尋出一條或數(shù)條通道，為我任務(wù)艦船通過(guò)雷區(qū)或水雷危險(xiǎn)區(qū)提供安全保證。

實(shí)施薦用航道搜索任務(wù)時(shí)，應(yīng)制定搜索計(jì)劃將雷區(qū)或水雷可疑區(qū)劃分為若干個(gè)平行搜索帶，搜索帶的方向與艦船穿越的方向要基本一致，從中心搜索帶開(kāi)始搜索并逐步依次向兩邊擴(kuò)展，并逐帶記錄下探測(cè)結(jié)果。若已搜尋過(guò)的航線總寬度滿足通航航線寬度要求時(shí)，檢查已發(fā)現(xiàn)的水雷位置是否確實(shí)允許艦船通航，其要求是搜尋出的薦用航道必須是直線或有限轉(zhuǎn)向的簡(jiǎn)單折線，如果在探測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可用航道，則繼續(xù)按原搜索計(jì)劃擴(kuò)大搜索范圍，直至找到可用航道。完成搜索任務(wù)后，應(yīng)根據(jù)水雷和其他礙航目標(biāo)分布情況和通航航道的寬度要求進(jìn)行薦用航道判定，其判定結(jié)果的準(zhǔn)確性、合理性和快速性將直接影響任務(wù)艦船的通航安全和后續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)的順利進(jìn)行。

基于迷宮算法的薦用航道判定方法1 基于迷宮算法的薦用航道判定基本思想

能否根據(jù)薦用航道的搜索結(jié)果對(duì)薦用航道進(jìn)行正確判定直接影響到任務(wù)艦船的通航安全和反水雷作戰(zhàn)任務(wù)的順利完成。錯(cuò)誤的薦用航道判定結(jié)果會(huì)導(dǎo)致任務(wù)艦船遭到水雷打擊，致使反水雷任務(wù)的失敗，而對(duì)于復(fù)雜雷區(qū)薦用航道的人工判定需要大量的繪圖工作和經(jīng)驗(yàn)的積累，判定過(guò)程通常需要消耗較長(zhǎng)時(shí)間，可能造成任務(wù)艦船行動(dòng)遲滯和貽誤戰(zhàn)機(jī)等嚴(yán)重后果。

在完成快速確定部分雷區(qū)邊界和搜索薦用航道的基礎(chǔ)上，為了能夠快速、合理地對(duì)薦用航道進(jìn)行科學(xué)判定，可采用某種搜索算法進(jìn)行快速查找和計(jì)算。由Lee 最先提出的李氏迷宮算法作為一種廣度優(yōu)先的搜索算法可應(yīng)用于對(duì)薦用航道的判定工作。其基本方法是在矩形網(wǎng)格中針對(duì)每個(gè)單元位置采用上下左右4 個(gè)擴(kuò)展方向進(jìn)行障礙物繞行，從而找到出發(fā)點(diǎn)Start 和目的點(diǎn)Target 之間的最短路徑。

李氏迷宮算法的基本思想可以按照對(duì)波的傳播過(guò)程來(lái)描述，即在一個(gè)存在障礙物的水面上，搜索2 點(diǎn)之間的最短傳播路徑，設(shè)Start 點(diǎn)為一波源并朝4 個(gè)方向進(jìn)行波的傳播，傳播時(shí)無(wú)能量損失，觀察波的傳播情況，當(dāng)遇到障礙時(shí)，波會(huì)產(chǎn)生反射，到達(dá)水面邊緣時(shí)也會(huì)產(chǎn)生反射，而最先到達(dá)目的點(diǎn)Target 的波顯然所經(jīng)過(guò)的路徑最短。只要起點(diǎn)和終點(diǎn)間存在通路，該算法經(jīng)必然能夠找到一條最短路徑。

2 薦用航道判定基本步驟

假定任務(wù)艦船計(jì)劃穿越某雷區(qū)，反水雷艦艇已在該雷區(qū)根據(jù)任務(wù)艦船預(yù)定航線和航道海區(qū)地理情況確定了雷區(qū)邊界，由于任務(wù)艦船的預(yù)定航線大致上為自南至北，其航道中線只穿越了雷區(qū)南北兩條邊界，因此只需確定雷區(qū)南北2 條邊界即可。根據(jù)薦用航道搜索的實(shí)施方法，將雷區(qū)分為若干個(gè)方向與任務(wù)艦船預(yù)定航線平行的搜索帶，從中心搜索帶開(kāi)始搜索并逐步依次向兩邊擴(kuò)展，逐帶記錄探測(cè)結(jié)果。完成薦用航道搜索步驟后，將2 條邊界內(nèi)的雷區(qū)劃出若干個(gè)方格組成的長(zhǎng)方陣形成迷宮，方格寬度和迷宮的設(shè)定步驟如下：

1) 將水雷和沉船、淺灘、巖礁等其他礙航物標(biāo)記在迷宮中。

2) 根據(jù)礙航物的性質(zhì)及其對(duì)任務(wù)艦船航行安全產(chǎn)生影響的最大范圍確定方格寬度，對(duì)于水雷而言，應(yīng)首先確定其危險(xiǎn)圓半徑。

3) 由于水雷爆炸對(duì)艦船航行安全產(chǎn)生影響的范圍最大，因此把確保任務(wù)艦船航行安全的航道寬度作為迷宮方格的寬度。

4) 根據(jù)已偵查得到的部分雷區(qū)邊界和迷宮方格寬度，將雷區(qū)劃為方格組成的長(zhǎng)方陣迷宮。

3 薦用航道判定的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)雷區(qū)迷宮的設(shè)定，設(shè)計(jì)迷宮算法，并繪制出迷宮2 點(diǎn)之間的合理路徑，其基本步驟是：

1) 定義二維數(shù)組存儲(chǔ)迷宮數(shù)據(jù)，迷宮數(shù)據(jù)根據(jù)搜索得到的雷區(qū)邊界、任務(wù)艦船安全航道寬度B 和水雷及其他礙航物在雷區(qū)中位置設(shè)定。

2) 在迷宮中設(shè)置某方格為出發(fā)點(diǎn)Start，并作為程序運(yùn)算的當(dāng)前位置，再設(shè)置迷宮中某方格為目的點(diǎn)Target，以0 和1 分別標(biāo)示為迷宮中的通路方格和障礙物方格，定義1 個(gè)以鏈表作存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的棧類型。

3) 編寫求解迷宮的遞歸程序，迷宮各方格以三元組的形式輸出：tij(x, y, d) (3)

其中：tij 為迷宮中的某一點(diǎn)；x 為tij 的橫坐標(biāo)；y為tij 的縱坐標(biāo)；d 為步進(jìn)到下一點(diǎn)的方向，0 為北，1 為南，2 為西，3 為東。從當(dāng)前位置向某一方向步進(jìn)，同時(shí)將原位置設(shè)為障礙物方格，步進(jìn)后判斷新的位置是否為目的點(diǎn)Target，若是則找到路徑，搜索結(jié)束，直接跳至步驟5)，否則，放置障礙物方格于新位置，以防再次繞回該位置。

4) 檢測(cè)相連單元是否存在障礙物方格，若不存在，則步進(jìn)至該相鄰位置，并將該相鄰位置存入堆棧中，然后令該位置為當(dāng)前位置，跳回至步驟3)，若存在障礙物方格，則選擇其他方向的另一個(gè)相鄰位置按照上述步驟繼續(xù)搜索，如果當(dāng)前位置所有相鄰位置均被搜索過(guò)且都存在障礙物方格，則當(dāng)前位置不能通往出口，從堆棧中彈出一個(gè)元素作為新的當(dāng)前位置，以此位置的一個(gè)未被選擇過(guò)的相鄰方向繼續(xù)搜索。

5) 將堆棧中所有位置依次連成一條路徑，即得到出發(fā)點(diǎn)Start 和目的點(diǎn)Target 最短路徑。薦用航道判定過(guò)程中，可先將雷區(qū)中任務(wù)艦船預(yù)定航線起始位置的無(wú)障礙方格作為起始出發(fā)點(diǎn)Start 位置，而目的點(diǎn)Target 可從預(yù)定航線在雷區(qū)中的終點(diǎn)位置無(wú)障礙方格開(kāi)始設(shè)定，如沒(méi)有滿足條件的航線在向兩側(cè)的無(wú)障礙方格擴(kuò)展，直至找到最短安全航道。

在探雷聲納完成的一定寬度的雷區(qū)偵查基礎(chǔ)上，若存在滿足要求的薦用航道則停止搜索，將滿足條件的航道從圖上標(biāo)注出來(lái)。若沒(méi)有找到滿足要求的薦用航道則繼續(xù)擴(kuò)大搜索范圍，直到找到滿足要求的航道，或是在某一區(qū)域通過(guò)清除最少數(shù)量的水雷滿足任務(wù)艦船的通航要求，此時(shí)任務(wù)艦船的出發(fā)點(diǎn)Start 應(yīng)向航線起始位置兩側(cè)擴(kuò)展再進(jìn)行判定2。

薦用航道判定方法的應(yīng)用擴(kuò)展以上基于迷宮算法的薦用航道判定方法立足于4 個(gè)擴(kuò)展方向，在實(shí)際使用過(guò)程中，如果方格寬度較大，最短路徑轉(zhuǎn)向較多，則會(huì)產(chǎn)生較遠(yuǎn)的迂回現(xiàn)象，此時(shí)可通過(guò)將單元位置擴(kuò)展方向增至8 向或16向進(jìn)行改進(jìn)，但計(jì)算量也會(huì)因此增大。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)任務(wù)艦船兩側(cè)旋回、單側(cè)旋回、單向航行3 種任務(wù)要求，由于其根本區(qū)別在于安全航道的寬度不同，因此也可通過(guò)改變迷宮方格寬度的方式分別獲得不同情況下的薦用航道，也可以為最短時(shí)間完成航道疏通任務(wù)提供依據(jù)。若雷區(qū)水雷密度較小，而任務(wù)艦船由于機(jī)動(dòng)能力的限制，其轉(zhuǎn)向次數(shù)和角度只能限定在一定數(shù)值以內(nèi)，此時(shí)可采取在障礙物方格密度較小的雷區(qū)內(nèi)進(jìn)行人工分段設(shè)置出發(fā)點(diǎn)Start 位置和目的點(diǎn)Target 位置的方法，以確保薦用航道為直、斜或是有限的轉(zhuǎn)向次數(shù)。

總結(jié)對(duì)反水雷艦艇航線探查任務(wù)實(shí)施過(guò)程和對(duì)薦用航道判斷方法原理本質(zhì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)李氏迷宮算法的主要思想，提出了基于迷宮算法的水雷危險(xiǎn)區(qū)薦用航道判定方法，并給出了基本步驟和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。驗(yàn)證結(jié)果表明：基于迷宮算法的薦用航道判定方法能夠繪制出迷宮2 點(diǎn)之間的最合理路徑，為快速合理地實(shí)現(xiàn)任務(wù)艦船薦用航道判定提供方法和途徑3。