宿 勇

(海軍裝備部，北京100000)

0 引 言

智能識別系統(tǒng)需要解決以下幾方面的問題:航跡是否與已知的民用航線重合，或是位于2 個民用港口之間;目標(biāo)是否突然偏離民用航線;是否正在捕魚區(qū)域作業(yè);是否正向我水面艦船或受我艦船保護(hù)的設(shè)施行進(jìn);是否有對我方潛在的攻擊行為。

解決上述問題還需考察所關(guān)注的目標(biāo)航跡與其他航跡間存在的可能關(guān)系，以及各機(jī)動之間的相關(guān)性。這些問題都對水面威脅識別提出了自動化、智能化的要求，旨在降低艦員的工作量，減少人為錯誤的發(fā)生，這也是水面威脅智能識別系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題之一。

1 智能識別系統(tǒng)功能

水面威脅智能識別系統(tǒng)按照圖1 所示的各層次分析航跡和威脅識別相關(guān)數(shù)據(jù)，最后對威脅識別結(jié)果提出相關(guān)建議。

圖1 中，數(shù)據(jù)輸入管理器先把來自不同源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式放于同一位置;然后對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級處理，包括濾波和變換等處理，以及數(shù)據(jù)路徑分割和合理性檢查等處理。合理性檢查會去除有明顯錯誤的數(shù)據(jù)，并糾正由前面錯誤數(shù)據(jù)引起的后續(xù)錯誤。路徑分割會根據(jù)多次機(jī)動將航跡劃分成許多相對直的小片段。該級處理會根據(jù)“合并-分離”法分離航跡數(shù)據(jù)，并在其他部件中提前啟動分析工作(以機(jī)動開始或結(jié)束，或按照“合并-分離”法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析)。

第二級處理旨在通過推理分析得出數(shù)據(jù)中包括哪幾條航跡，哪些航跡是確實(shí)存在的，也就是確認(rèn)每條航跡代表的艦船類型及其所屬關(guān)系(國家、民用或恐怖分子)，分析其經(jīng)過多次“合并- 分離”過程或消失-再現(xiàn)的真實(shí)路徑，研究它與其他艦船的相互關(guān)系。威脅識別處理分析識別相關(guān)數(shù)據(jù)(視覺報告、敵我識別、前視紅外等)，使用分層方法對目標(biāo)類型及其歸屬做出推斷，同時為各個推斷標(biāo)定可能性。路徑分析實(shí)質(zhì)上也是在實(shí)現(xiàn)同樣的功能，通過分析目標(biāo)的已知路徑，將其與已知民用航線和區(qū)域及其他平臺路徑做比較。路徑分析還可由平臺路徑推斷得出平臺的動機(jī)，以此完成對航跡敵意的評估?！昂喜?分離”處理對由“合并-分離”或消失-再現(xiàn)得出的假設(shè)進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)淘汰推理過程，解決不同航跡容易出現(xiàn)混淆的問題。

圖1 水面威脅智能識別系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent identification system architecture

第三級處理(即最高級)的目的是理解和掌握所探測到的平臺的動機(jī)，并將這些信息轉(zhuǎn)換為該平臺對我構(gòu)成的威脅估計。在具體的威脅處理中，要利用平臺可能的歸屬、平臺類型、相關(guān)武器射程、傳感器探測范圍和航速等因素來估計每條航跡對我方平臺或受我方保護(hù)的高價值設(shè)備構(gòu)成的威脅。觸發(fā)處理通過分析所有與航跡相關(guān)的數(shù)據(jù)，決定是否執(zhí)行觸發(fā)操作。該處理旨在簡化推理過程，可由作戰(zhàn)人員自行設(shè)定。如，任何時候一旦發(fā)現(xiàn)有平臺快速接近我方平臺或受我方保護(hù)的平臺時，一次典型的觸發(fā)處理操作將會啟動，馬上通知相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行處理。這種做法可以避免由于對威脅平臺的視覺識別失誤而導(dǎo)致新錯誤的出現(xiàn)。

“建議層”的功能是分析目標(biāo)航跡的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢以及每個航跡的信息狀態(tài)，并給出相關(guān)識別結(jié)果。如，哪條航跡應(yīng)該首先進(jìn)行視覺識別;我方平臺應(yīng)該使用何種識別設(shè)備，采取什么樣的機(jī)動方式(通過觀察目標(biāo)航跡對我方機(jī)動的反應(yīng))，以此直接或間接增加我方能夠搜集到的額外識別數(shù)據(jù)。上述建議以及其它重要信息都會發(fā)送給用戶界面管理器，供艦上相關(guān)人員使用。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程

1)通過多重假設(shè)對航跡“合并-分離”、航跡消失和推理處理

隨著航跡的合并和分離(或者在相對臨近的區(qū)域內(nèi)消失、再現(xiàn))，系統(tǒng)必須隨時意識到任何一條航跡都可能是新出現(xiàn)的。因此，系統(tǒng)需要對每條航跡做多重假設(shè)，并具備處理級聯(lián)情形的能力。當(dāng)系統(tǒng)收到能夠充分消除各種假設(shè)之間模糊性的識別信息時，就會用淘汰推理處理方法自動識別相關(guān)航跡。

2)機(jī)動相關(guān)檢測

這一功能用于對航跡機(jī)動進(jìn)行分析，以決定不同航跡之間，或航跡與友艦的機(jī)動是否存在相互關(guān)系。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵诮－h(huán)境中，航跡數(shù)量太多，無法完全靠監(jiān)視人員完成對其機(jī)動相關(guān)性的檢測。該功能關(guān)注航跡和友艦之間的關(guān)系:比如該航跡是否總在避開被攔截點(diǎn)或接近點(diǎn)的位置，是否總試圖與我方保持一定距離，是否通過躲開某個最近接近點(diǎn)(CPA)距離來避免被我方發(fā)現(xiàn)和識別。此外，該功能還關(guān)注不同航跡間的相互配合，如保持特定隊(duì)形、相互集結(jié)或與第3 條航跡集結(jié)。

3)水面威脅識別處理、融合和行為分析

由于涉及的航跡數(shù)量巨大，監(jiān)視人員不可能充分監(jiān)視每條航跡并處理形成識別報告。系統(tǒng)收到識別報告信息(視頻、前視紅外、聲信號特征、特定發(fā)射機(jī)識別碼、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)、電子偵察(ES)等)時，必須根據(jù)所感知到的航跡航速和機(jī)動性自動識別每種平臺的類型、屬性和動機(jī)。平臺行為包括:民船離開已知航線、漁船未朝捕魚區(qū)域行進(jìn)、游輪未駛向娛樂區(qū)而朝友艦行進(jìn)、對友艦航線進(jìn)行攔截、出現(xiàn)連續(xù)的“合并-分離”過程、與其它平臺之間的配合行為以及與友艦機(jī)動的關(guān)系等，這些都是判斷敵艦屬性和敵意時要考慮的。

4)基于試探法的行動建議

有許多試探法或經(jīng)驗(yàn)法則可用于在特定情形中為特定行動提出特定的建議。包括:通過己艦機(jī)動來避免威脅、做出響應(yīng)或爭取時間;使用無人機(jī)、無人水面艇和用于威脅識別的直升機(jī)來識別威脅、做出響應(yīng)、監(jiān)視或跟蹤可疑航跡;使用非致命手段以及外部通信功能確認(rèn)威脅，如對正在接近的艦船進(jìn)行無線電詢問或發(fā)出5 次鳴笛詢問。在做出上述建議時，水面威脅智能識別系統(tǒng)必須考慮海上艦船密集的程度、地理?xiàng)l件，、水下地形、環(huán)境因素、可用系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向問題，任務(wù)類型等。

5)為點(diǎn)跡識別、區(qū)域搜索提供路線規(guī)劃

給出需要分類、識別的點(diǎn)跡集合以及需要搜索的區(qū)域，該功能為選定的有人和無人識別工具規(guī)劃最優(yōu)的接近目標(biāo)航跡的路線。

6)實(shí)時修改航跡標(biāo)識、警戒和建議行為

由于現(xiàn)代艦船的作戰(zhàn)環(huán)境和范圍很廣，所以很多時候需要戰(zhàn)術(shù)人員對系統(tǒng)行為進(jìn)行修改，以適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境。大部分的系統(tǒng)控制行為以類似于流程圖的形式給出。這種表示形式便于沒有任何編程經(jīng)驗(yàn)的戰(zhàn)術(shù)人員理解和修改航跡標(biāo)識。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵分析

系統(tǒng)使用大量人工智能及其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水面威脅智能識別系統(tǒng)。使用了最初為仿真戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢中實(shí)時決策開發(fā)的模糊邏輯(FL)和行為變遷網(wǎng)絡(luò)，對航跡行為和相關(guān)信息識別進(jìn)行分析。這些模糊邏輯規(guī)則和行為變遷網(wǎng)絡(luò)通常通過對航跡航速、相對位置及其他參數(shù)做向量運(yùn)算，以確定敵方對我攔截路線、最接近點(diǎn)以及相對航速，判斷航跡是沿已知航線行進(jìn)還是離開航線。

真值維護(hù)軟件對由“合并-分離”引發(fā)的多重假設(shè)進(jìn)行管理，這些假設(shè)包括各個不同級別可能性的假設(shè)，同時軟件還完成淘汰推理的邏輯過程。水面威脅智能識別系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)、路線規(guī)劃技術(shù)以及人為推理試探法，為主動采取行動和使用識別傳感器提供相關(guān)建議。

1)路徑分析

路徑分析是按照多數(shù)民船通常都會按照直線路經(jīng)向目的地行進(jìn)這樣一個事實(shí)。民船通常在出發(fā)地和目的地之間的直線路徑上以最經(jīng)濟(jì)的航速前行。除了讓路之外，它們通常不會對其它艦船的行動有反應(yīng)。如果民船以不明原因進(jìn)行了機(jī)動，我們自然需要對其做進(jìn)一步的研究。

從某種程度上講，若水面航跡原本在典型民用航線上行進(jìn)，后來離開該航線，開始朝高價值設(shè)備行進(jìn)，如果此時它的CPA 較近，我們對它敵意的可能性就會增加;反之，敵意可能性就會減少。如果它離高價值設(shè)備的距離非常接近其武器投射范圍(小于10 min 航程)，威脅性就會很高，否則就會相對較低。航跡威脅可能性為“極有可能”時，確認(rèn)其為敵方平臺的可能性相應(yīng)增加。

可能性分為幾個等級:0，不太可能，可能，極有可能，確定。這里的“確定”是指“有把握，會有交戰(zhàn)”，而非在邏輯上相當(dāng)于100%確定。“確定”偶然也存在錯誤，水面威脅智能識別系統(tǒng)也需要能處理類似的問題。

2)“合并-分離”處理

“合并-分離”威脅識別跟蹤系統(tǒng)可對目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤，尤其是在某條航跡進(jìn)行兩次或多次“合并-分離”時，更需要確定其身份。對于某條“合并-分離”之后的航跡，需要追溯其所有可能的前身，并根據(jù)當(dāng)前假設(shè)和可能前身是否有矛盾來逐步縮小篩選范圍。當(dāng)范圍縮小到最后只剩下一條航跡時，就將其作為當(dāng)前航跡的“母航跡”，并將所得結(jié)果信息發(fā)送到同一級的其它航跡，最終形成一個“航跡繼承關(guān)系表”。該表對于那些與母航跡之間存在模糊性，但與更上級的繼承關(guān)系已確定的航跡非常有用。

3)威脅識別處理

威脅識別處理用于確定航跡的類型、航跡可能的歸屬以及可能性估計。這一分析由行為變遷網(wǎng)絡(luò)完成，該網(wǎng)絡(luò)可由用戶編輯，靈活性很強(qiáng)。行為是一種分級的決策樹，它通過分析航跡的當(dāng)前和歷史信息，將航跡按識別的種類進(jìn)行劃分(藍(lán)色、紅色、灰色、白色)并給出可能性。出現(xiàn)航跡新數(shù)據(jù)通常會引發(fā)分析的再次執(zhí)行。

航跡的當(dāng)前和歷史信息包括:正在處理的航跡表現(xiàn)出了與歷史記錄中某威脅識別種類一直保持一致的特征;發(fā)射機(jī)識別特征;之前為該航跡確定的可能性;航跡位置與搜集到的情報數(shù)據(jù)的吻合程度等。

4)威脅處理

威脅處理組件決定何時確立一個可能的威脅并通知用戶。用戶可以借助圖形化編輯的方式對威脅進(jìn)行分析，具體編輯可以通過行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)完成。威脅處理基于多種考慮因素，尋找潛在威脅并做出威脅嚴(yán)重性的評估。例如，若1 艘未識別的艦船正在接近友艦，就需要判定這艘未識別的艦船是否是友艦，攜帶何種武器以及它是否有侵害動機(jī)。經(jīng)過判斷，就可以決定其威脅的嚴(yán)重程度。

威脅判定的考慮因素包括:為航跡確定的顏色;傳感器探測范圍;武器打擊范圍;到達(dá)傳感器和武器打擊范圍所需時間等。

5)威脅處理數(shù)據(jù)合理性校驗(yàn)

合理性校驗(yàn)器在當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)下對接收到的數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。若搜索接受的數(shù)據(jù)不合理，系統(tǒng)將判斷數(shù)據(jù)是有用數(shù)據(jù)還是噪聲。合理性校驗(yàn)器的工作分為兩部分:判斷數(shù)據(jù)是否“不正常”;判斷數(shù)據(jù)是噪聲還是可以用來修正航跡模型的重要信息。合理性校驗(yàn)非常直接:根據(jù)已知的航跡信息，判斷數(shù)據(jù)的新改變從可能性上講是否合理。如果不合理，合理性校驗(yàn)器會完成基本的分析檢查。

6)觸發(fā)處理

觸發(fā)處理組件對由用戶圖形化定義的觸發(fā)行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)完成。多數(shù)行為都會考慮所建議的航跡種類的標(biāo)準(zhǔn)行為，并將平臺的實(shí)際行為與之作對比，如果存在較大差異，則通知用戶。這與提供獨(dú)立警戒機(jī)制的威脅處理相似但又相互獨(dú)立。如，用戶可能有這樣的要求，不管在任何時間，不管航跡歸屬是誰，一旦有平臺在相近的攔截路線上朝藍(lán)色平臺高速行進(jìn)，都需要通知用戶。這樣，如果某威脅平臺能夠混淆視聽被誤分類為民船，用戶仍然能夠接收到危險行為的通知。如果被認(rèn)為是漁船的航速超過了應(yīng)有的最大航速，仍然會引發(fā)自動通知行為。

7)行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)(BTN)

行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)通過將行為分層，經(jīng)過判斷轉(zhuǎn)移到后續(xù)任務(wù)。當(dāng)前任務(wù)通常會持續(xù)執(zhí)行，直到某次轉(zhuǎn)移發(fā)生，然后轉(zhuǎn)向完成箭頭所指的任務(wù)。如果同時發(fā)生多個轉(zhuǎn)移，就需要對其做評估排序，如圖中行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字所示。深色線所框的任務(wù)表示該任務(wù)本身也是可進(jìn)一步向下擴(kuò)展形成新的行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。

例如圖2 左圖所示的水面威脅識別行為，從任務(wù)一開始就表示形成了一個“確定”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。若“確定”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)能完成航跡識別和分類，則整個識別工作完成。否則轉(zhuǎn)向到“可能”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。水面威脅識別系統(tǒng)根據(jù)航跡威脅高低可能性做不同的分類，然后由高到低逐級向下分類，直到最終判斷出航跡真實(shí)類型，并完成識別行為。圖2 右圖為“不太可能”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，與左圖相比顯得更為復(fù)雜。“不太可能”行為變遷網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)都是不可再分的最小單位，它們?nèi)恐苯訄?zhí)行，不能進(jìn)一步分解為另外的行為變遷網(wǎng)絡(luò)。在此行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)下，從任務(wù)啟動一開始，系統(tǒng)直接搜尋逆合成孔徑雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)入逆合成孔徑雷達(dá)識別任務(wù)，否則檢查航跡的前視紅外(FLIR)數(shù)據(jù)是否存在——然后是電子偵察(ES)數(shù)據(jù)——視覺識別(UVID)信息。只有當(dāng)視覺識別仍無法實(shí)現(xiàn)航跡分類時才會轉(zhuǎn)入“不太可能”網(wǎng)絡(luò)。如果航跡的這4 種數(shù)據(jù)都不存在，行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)工作就此結(jié)束。

圖2 行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Behavior transition network

4 結(jié) 語

當(dāng)前美國海軍面臨許多挑戰(zhàn)，如處理水面航跡的模糊性、存儲和處理以往航跡數(shù)據(jù)、評估航跡威脅程度以及過濾不合理的數(shù)據(jù)等。水面威脅智能識別系統(tǒng)能夠自動分析目標(biāo)航跡相關(guān)數(shù)據(jù)，通過假設(shè)推理進(jìn)行航跡推斷，并提出相關(guān)識別建議。此外，水面威脅智能識別系統(tǒng)采用了許多已有成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，如系統(tǒng)中使用了“合并-分離”假設(shè)，而維護(hù)及推理應(yīng)用了成熟的真值維護(hù)技術(shù)和淘汰推理的處理方法。

［1］RICHARDS，ROBERT，RICHARDS S，et al.Intelligent identification software module(IISM)for the US navy′s combat center［C］//2006 IEEE Aerospace Conference Proceedings.Big Sky，2006，3:4-11.

［2］PETROV P V，STOYEN A D，HICKS J D，et al. 21st century systems，inc.′ s agent enabled decision guide environment(AEDGETM)［C］//IAT 2001 Maebahsi，Japan，2001，10.