Optimizing defensive naval minefields through network interdiction modeling

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-06-15
Department
Major/Subject
Systems and Operations Research
Mcode
SCI3055
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
85 + 7
Series
Abstract
Naval mine warfare has been an important feature in military operations since the 16th century. Deploying mines to a contested area has the capability to direct and channel the movement of enemy forces and potentially to prevent the use of some key areas entirely. As such, mining is a force multiplier providing a smaller naval force with an advantage. Mines are, however, limited in number despite their generally good availability. Thus, placing mines into an area of operations such that their effectiveness is optimized is key. Finding this optimal placement is the defensive minefield planning problem. Minefield planning is typically conducted by experienced officers manually or using simulation for decision support. The main contribution of this thesis is the representation of an area of operations as a network and consequently using optimization and a network interdiction framework and models to solve the defensive minefield planning problem. These models are given as mixed integer programs. Furthermore, a novel approach for measuring the effectiveness of any planned minefield, using quantifiable network properties is introduced. Contrary to existing literature where the probability of hitting deployed mines is measured, this thesis presents novel measurements that quantify the operational objectives of a minefield: how well is access through an area prevented and how much of an area becomes restricted. The test results presented in this thesis demonstrate that network inter-diction models provide optimal solutions to the defensive minefield planning problem and that network interdiction is a valid theoretical framework for minefield planning and associated decision support. Results also imply that the novel measurements of effectiveness quantify the quality of obtained solutions well, while simultaneously measuring several different objectives. Overall, the employed network interdiction models and the measurements of effectiveness provide improved alternatives to the planning models and quality measurements found in existing literature.

Merimiinoittaminen on ollut merkittävä osa merisodankäyntiä jo 1500-luvulta alkaen. Miinojen käytöllä vihollisen liikettä voidaan ohjata puolustajan kannalta edullisille alueille tai alueiden käyttö voidaan estää. Merimiinat antavat saatavuuteensa ja edullisuutensa ansiosta selkeän edun erityisesti pienille sotavoimille. Edullisuudestaan huolimatta käyttöön saatavien miinojen määrä on rajallinen. Tämän takia niiden sijoittelulla on kyettävä vastaamaan miinoitteelle asetettuihin operatiivisiin tavoitteisiin mahdollisimman hyvin. Tämän sijoittelun määrittäminen on tässä työssä käsitelty merimiinoittamisen suunnitteluongelma. Miinoitteiden suunnittelu tehdään tyypillisesti asiantuntijatyönä. Tässä työssä esitetään uusi lähestymistapa miinoitussuunnitelman laatimiseksi sekalukuoptimoinnilla. Lähestymistavassa toiminta-aluetta käsitellään verkkona, jonka käyttö estetään optimoimalla sijoituspaikat rajatulle määrälle miinoja. Lisäksi työssä muodostetaan verkon ominaisuuksiin perustuvat operatiiviset mittarit miinoitteen laadulle. Olemassa olevassa kirjallisuudessa miinoitteen laatua mitataan miinaan ajamisen todennäköisyytenä, mutta tässä työssä mittareita laajennetaan mittaamaan miinoitteen operatiivisen tavoitteen saavuttamista. Mittareita voidaan myös hyödyntää millä tahansa muulla suunnittelumenetelmällä tehdyn miinoitteen arviointiin. Tässä työssä esitelty lähestymistapa sekä menetelmät ja mittarit ovat uusia, eikä niille löydy vastinetta olemassa olevasta kirjallisuudesta. Työn yhteydessä toteutettujen testien perusteella käytetyt optimointimenetelmät osoittautuivat toimiviksi miinoitteiden suunnitteluun. Verkon käytön estämisen (network interdiction) eri malleja ja menetelmiä ei ole aiemmin hyödynnetty merimiinoittamisen kontekstissa, mutta tämän työn tuloksena verkon käytön estäminen havaittiin hyvin soveltuvaksi lähestymistavaksi miinoitteiden suunnitteluun. Myös laaditut mittarit osoittautuivat toimiviksi.
Description
Supervisor
Virtanen, Kai
Thesis advisor
Kujala, Markku
Keywords
naval mine warfare, network optimization, network interdiction, decision support, mixed integer programming
Other note
Citation