賀文紅

(北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841)

?

海上防御作戰(zhàn)中的空中目標(biāo)威脅評(píng)估技術(shù)*

賀文紅

(北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841)

針對(duì)海上防御作戰(zhàn)中的空中目標(biāo)威脅評(píng)估問(wèn)題,本文分析了威脅評(píng)估任務(wù)特性及評(píng)判準(zhǔn)則、威脅評(píng)估要素提取與選擇,探討了層次分析法、多屬性決策法、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法等目標(biāo)威脅評(píng)估方法,為有效打擊多個(gè)威脅目標(biāo)提供切實(shí)可靠的決策依據(jù)。

防御作戰(zhàn); 空中目標(biāo); 威脅評(píng)估

Class Number E917

1 引言

在海上防御作戰(zhàn)中,目標(biāo)威脅評(píng)估是實(shí)現(xiàn)防空作戰(zhàn)指揮自動(dòng)化諸環(huán)節(jié)中極其重要的一環(huán),它是火力分配和戰(zhàn)術(shù)決策的前提條件[1～2]。目標(biāo)威脅評(píng)估是信息融合中高層次的信息融合處理,即對(duì)艦載指控系統(tǒng)所獲取的敵或不明目標(biāo),綜合目標(biāo)多種特征信息,遵循一定的規(guī)則,以定量形式計(jì)算對(duì)我方的威脅程度系數(shù),給出排序,確定威脅等級(jí)。對(duì)目標(biāo)威脅程度的正確判斷是制定防御指揮決策的前提和基礎(chǔ)。

2 面向海上防御作戰(zhàn)的空中目標(biāo)威脅評(píng)估

2.1 威脅評(píng)估任務(wù)特性

以滿(mǎn)足海上艦艇防御作戰(zhàn)行動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)需求為根本目的,以艦載指控系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境的目標(biāo)威脅評(píng)估,主要具有以下特性:

1) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

艦載防御偵察系統(tǒng)利用各類(lèi)偵察設(shè)備捕捉大量信息數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與跟蹤,由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)性,則需對(duì)其獲取運(yùn)動(dòng)趨向、周?chē)鷳B(tài)勢(shì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與傳輸,才能確保指控系統(tǒng)及時(shí)做出防御決策。

2) 目標(biāo)類(lèi)型多樣性

目標(biāo)類(lèi)型多種多樣,偵察設(shè)備捕捉到的目標(biāo)的信息數(shù)據(jù)是該目標(biāo)反射的電磁波或聲信號(hào),經(jīng)數(shù)字化處理后,目標(biāo)的物理外觀特征被隱瞞了;空中目標(biāo)采用隱身等偽裝技術(shù)使被探測(cè)的電磁、聲信號(hào)嚴(yán)重變形,因此,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估時(shí)不能完全確定其具體類(lèi)型,只能根據(jù)目標(biāo)的其它參數(shù)諸如來(lái)襲速度來(lái)估計(jì)它的類(lèi)型。

3) 目標(biāo)攻擊方式多樣性

目標(biāo)攻擊方式是由其本身屬性和采用的戰(zhàn)術(shù)等因素決定的。來(lái)襲目標(biāo)逐步向多批次、小編隊(duì)、多方向的連續(xù)攻擊特性發(fā)展,目標(biāo)攻擊方式及策略難以事先預(yù)料,我方指控系統(tǒng)必須適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的眾多情況,利用最短的時(shí)間制定防御措施,合理組織防御武器進(jìn)行打擊摧毀。

2.2 空中目標(biāo)威脅評(píng)估的依據(jù)和原則

綜合海上艦艇防御作戰(zhàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的瞬時(shí)性、各個(gè)模型功能處理的實(shí)時(shí)性,以及指揮員的思維習(xí)慣等方面因素,將來(lái)襲空中目標(biāo)的威脅等級(jí)劃分為三個(gè)等級(jí):Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)。Ⅰ級(jí)為目標(biāo)已在我方防線之內(nèi)、威脅程度較大、防御時(shí)間緊迫,應(yīng)立即對(duì)其采取防御措施。Ⅱ級(jí)為目標(biāo)已侵入防線之內(nèi)、威脅程度適中、防御時(shí)間較充分或雖然威脅程度較大,但與Ⅰ級(jí)目標(biāo)相比有足夠的防御時(shí)間,可立即采取防御措施或繼續(xù)跟蹤監(jiān)視。Ⅲ級(jí)為目標(biāo)還未侵入或剛侵入防線、威脅程度較小,有充足的防御時(shí)間。

空中目標(biāo)威脅評(píng)估的主要依據(jù)是上級(jí)意圖和敵來(lái)襲目標(biāo)的特征,威脅評(píng)判準(zhǔn)則為:

1) 上級(jí)指示的目標(biāo)始終作為威脅程度最大的目標(biāo);

2) 來(lái)襲目標(biāo)航路捷徑越小,威脅越大;

3) 目標(biāo)飛行速度大的目標(biāo),其威脅程度也大;

4) 低空目標(biāo)的威脅程度大于非低空目標(biāo)的威脅程度;

5) 電子干擾強(qiáng)度越大,威脅越大;

6) 目標(biāo)飛臨的時(shí)間越長(zhǎng),目標(biāo)的威脅程度越小。

2.3 空中目標(biāo)威脅評(píng)估要素提取與選擇

在海上防空作戰(zhàn)實(shí)際中,往往需要用多個(gè)要素刻畫(huà)空襲目標(biāo)的本質(zhì)與特征。空襲目標(biāo)特征一般可由目標(biāo)類(lèi)型、距離、速度、高度、數(shù)量、方位、意圖等多個(gè)屬性要素來(lái)描述。由信息融合識(shí)別后的綜合態(tài)勢(shì)可以得到目標(biāo)的類(lèi)型、速度、航向角、高低角、距離、干擾能力等信息。其中,空中目標(biāo)的速度、距離、高度決定了目標(biāo)到達(dá)攔截導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)近界的時(shí)間;相對(duì)方位角決定了來(lái)襲目標(biāo)的航路捷徑或航向角;目標(biāo)類(lèi)型以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)加速度或高度上是否機(jī)動(dòng),在一定程度上表明目標(biāo)的攻擊意圖。

從空中目標(biāo)威脅評(píng)估的依據(jù)和原則可以看出,威脅評(píng)估的實(shí)質(zhì)是多屬性綜合評(píng)估,即把多個(gè)影響目標(biāo)威脅程度的屬性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo),轉(zhuǎn)化成無(wú)量綱的相對(duì)評(píng)價(jià)值,并綜合這些評(píng)價(jià)值以得出一個(gè)整體評(píng)價(jià)。選擇目標(biāo)威脅評(píng)估因素時(shí)要求所選取的因素各具代表性,能從不同方面反映目標(biāo)的威脅程度。同時(shí),要求所選取的因素能方便量化,計(jì)算誤差較小;并且要求所選取的因素能適用于不同類(lèi)型的目標(biāo)。

3 空中目標(biāo)威脅評(píng)估方法

現(xiàn)代海上作戰(zhàn)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,且目標(biāo)類(lèi)型多種多樣,包括殲擊機(jī)、預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、反艦導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等。對(duì)敵方來(lái)襲的空中目標(biāo)威脅程度判斷的準(zhǔn)確與否,直接影響到對(duì)空目標(biāo)的抗擊次序和防空火力的分配,進(jìn)而影響到艦艇防空作戰(zhàn)效能。目前對(duì)威脅評(píng)估的研究方法很多,主要有:到達(dá)時(shí)間判定法、線性加權(quán)判定法、層次分析法[3]、變權(quán)理論法[4]、屬性分析法[5]、主成分分析法[6]、基于貝葉斯法[7]等。下面分析當(dāng)前應(yīng)用的主要威脅評(píng)估方法。

3.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierachy Process,AHP)對(duì)所有來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行威脅估計(jì)的結(jié)果以威脅系數(shù)的形式來(lái)體現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)威脅系數(shù)。使用AHP法進(jìn)行威脅評(píng)估,步驟如下:

1) 層次結(jié)構(gòu)模型的確定

首先構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型,上一層次的元素作為準(zhǔn)則對(duì)下一層次有關(guān)元素起支配作用。從層次分析法的角度,這些層次可以分為三類(lèi)。目標(biāo)層:只有一個(gè)元素。準(zhǔn)則層:包含為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)。它可以由若干個(gè)層次組成,包括所需考慮的準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則。方案層:包括為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種決策方案等。一個(gè)敵空中目標(biāo)可以看作一個(gè)備選方案,例如飛機(jī)、導(dǎo)彈,方案集由空中所有目標(biāo)構(gòu)成。圖1為空中目標(biāo)威脅等級(jí)層次結(jié)構(gòu)模型示例。

圖1 空中目標(biāo)威脅等級(jí)層次結(jié)構(gòu)模型示例

2) 權(quán)值的確定

在建立層次結(jié)構(gòu)以后,上下層次之間的隸屬關(guān)系就被確定了。為了比較各屬性的重要性,采取兩兩比較的方法建立成對(duì)比較矩陣,進(jìn)行相對(duì)重要程度的賦值,aij表示屬性i的權(quán)ωi和屬性j的權(quán)ωj之比的近似值aij=ωi/ωj,n個(gè)屬性之間比較的結(jié)果構(gòu)成判斷矩陣A=(aij)n×n。按G.A. Miller的九級(jí)量化理論,目標(biāo)重要性判斷矩陣A中元素aij的取值為1:同等重要;3:略微重要;5:相當(dāng)重要;7:明顯重要;9:絕對(duì)重要;2、4、6、8:兩個(gè)相鄰判斷的中間值。

采用本征向量法求解判斷矩陣的最大本征值和本征向量。由判斷矩陣的定義得Aω=nω,即(A-nI)ω=0。I是單位矩陣,如果屬性重要性判斷矩陣A中的值估計(jì)準(zhǔn)確,該式左邊嚴(yán)格等于n維0向量;如果A的估計(jì)不夠準(zhǔn)確,則A中元素的小的攝動(dòng)意味著本征值的小的攝動(dòng),從而有Aω=λmaxω,λmax是矩陣A的最大本征值。由該式可以求得本征向量即權(quán)向量ω=[ω1,ω2,ω3,…,ωn]T。

在用本征向量法確定權(quán)時(shí),可以用λmax來(lái)度量A中各元素aij(i,j=1,2,…,n)估計(jì)的一致性。為此引入一致性指標(biāo)CI,CI=(λmax-n)/(n-1)。CI與n階矩陣的隨機(jī)指標(biāo)RI之比稱(chēng)為一致性比率CR,CR=CI/RI。比率CR可用來(lái)判斷矩陣A能否被接受。若CR>0.1,說(shuō)明A中各元素aij的估計(jì)一致性太差,應(yīng)重新估計(jì)。若CR<0.1,則可認(rèn)為A中各元素aij的估計(jì)基本一致,這時(shí)可以用Aω=λmaxω求得ω作為n個(gè)屬性的權(quán)。

3) 威脅評(píng)估與排序

AHP法主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題:一是構(gòu)建成對(duì)比較矩陣過(guò)于繁瑣。在敵方空襲目標(biāo)較多的情況下,要將所有目標(biāo)的所有判定屬性成對(duì)比較、精確量化,工作量很大。若模型的結(jié)構(gòu)層次較多,則工作量還會(huì)大幅增加。二是在判斷矩陣不可能具備絕對(duì)一致性的情況下,選擇和制定符合次序一致性要求的量綱難以把握。

3.2 多屬性決策法

多屬性決策理論綜合考慮了目標(biāo)威脅中的多個(gè)因素,把目標(biāo)威脅度評(píng)估問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多屬性決策問(wèn)題[8～9]。逼近于理想排序法(TOPSIS)借助多屬性問(wèn)題的最優(yōu)方案(理想解)和最劣方案(負(fù)理想解)給方案集中的各方案排序。在n維空間中,基于歸一化后的原始數(shù)據(jù)矩陣,將方案集中的各備選方案與理想解和負(fù)理想解的距離進(jìn)行比較,求出各方案的綜合評(píng)價(jià)指數(shù),也就是目標(biāo)威脅度。

假設(shè)空中目標(biāo)個(gè)數(shù)為M={1,2,…,m},威脅因素個(gè)數(shù)為N={1,2,…,n}。

采用TOPSIS法對(duì)來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行威脅排序,步驟如下:

1) 構(gòu)造原始決策矩陣A=(aij)m×n,aij是第i個(gè)目標(biāo)的第j個(gè)屬性的值。采用向量規(guī)范法對(duì)其進(jìn)行處理,構(gòu)成規(guī)范決策矩陣U=(uij)m×n;

2) 構(gòu)造加權(quán)的規(guī)范決策矩陣S,矩陣元素sij為

sij=ωjuij,i∈M,j∈N

式中ωj為目標(biāo)中第j個(gè)屬性的權(quán)重。

3) 確定理想解S+和負(fù)理想解S-:

其中I1為效益型指標(biāo)的下標(biāo)集,I2為成本型指標(biāo)的下標(biāo)集。

4) 計(jì)算每個(gè)方案到理想解與負(fù)理想解的Euclid距離:

6) 排列方案的優(yōu)先序

TOPSIS法一般采用主觀賦權(quán)法確定目標(biāo)屬性指標(biāo)的權(quán)重,有很大的主觀性和盲目性,而屬性指標(biāo)權(quán)重的合理性直接決定了目標(biāo)威脅評(píng)估的準(zhǔn)確性,則解決方案是利用主客觀相結(jié)合的賦權(quán)法[10]對(duì)TOPSIS法進(jìn)行改進(jìn)和應(yīng)用。

3.3 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法

由于威脅評(píng)估的輸入數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)都含有不確定性,基于概率知識(shí)表達(dá)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)已成為人工智能中非精確知識(shí)表達(dá)與推理領(lǐng)域近十幾年來(lái)的研究的熱點(diǎn)。

目標(biāo)威脅評(píng)估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理過(guò)程如圖2所示。首先對(duì)目標(biāo)特征提取并對(duì)獲取的目標(biāo)特征進(jìn)行選擇,根據(jù)目標(biāo)特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立威脅估計(jì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,然后用指定的先驗(yàn)概率和條件概率對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化,當(dāng)檢測(cè)到新的證據(jù)屬性信息時(shí),即網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點(diǎn)信息更新,則觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)推理,通過(guò)貝葉斯推理計(jì)算得到后驗(yàn)概率,從而更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的概率分布,更新后的后驗(yàn)概率分布則作為下一次推理的先驗(yàn)分布,最后獲取觀測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的概率分布情況,根據(jù)判決規(guī)則得到目標(biāo)的威脅判斷結(jié)果,再根據(jù)威脅程度對(duì)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序,輸出目標(biāo)威脅排序表。

圖2 目標(biāo)威脅評(píng)估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)威脅估計(jì)就是求解給定證據(jù)D(目標(biāo)狀態(tài)、戰(zhàn)場(chǎng)事件)的條件下變量X(目標(biāo)威脅程度)的后驗(yàn)概率P(X/D)。

對(duì)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò),假設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)X有m個(gè)子節(jié)點(diǎn)(Y1,Y2,…,Ym)和n個(gè)父節(jié)點(diǎn)(Z1,Z2,…,Zn)。以單個(gè)節(jié)點(diǎn)為中心,從子節(jié)點(diǎn)得到診斷信息λ,從父節(jié)點(diǎn)得到因果信息π,然后計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率分布Bel,λ和π,并觸發(fā)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新,其更新過(guò)程如下:

1) 更新自身的后驗(yàn)概率:

Bel(x)=αλ(x)π(x)

2) 自底向上更新:λX(z)=λ(x)MX|Z;

威脅評(píng)估從檢測(cè)事件的發(fā)生開(kāi)始,在檢測(cè)到事件后,事件對(duì)威脅態(tài)勢(shì)的影響可以通過(guò)貝葉斯邏輯向后傳播來(lái)更新,更新后的態(tài)勢(shì)則又通過(guò)前向推理來(lái)預(yù)測(cè)事件的發(fā)生;當(dāng)有新的證據(jù)輸入時(shí),又開(kāi)始下一輪威脅評(píng)估。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是知識(shí)的表示和推理有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),基于該模型的算法具有信息時(shí)間累積能力。但是它也有不足之處,如缺乏對(duì)目標(biāo)屬性假設(shè)類(lèi)型的總體描述能力即未必能把所有假設(shè)都列全,以及無(wú)法將多層屬性測(cè)量置于同一概率空間中進(jìn)行處理等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)面向海上防御作戰(zhàn)的空中目標(biāo)威脅評(píng)估技術(shù)進(jìn)行了研究,分析了目標(biāo)威脅評(píng)估任務(wù)特性、準(zhǔn)則,對(duì)空中目標(biāo)威脅評(píng)估要素的提取與選擇,探討了威脅評(píng)估方法,如層次分析法、多屬性決策法、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法等,用于解決空中目標(biāo)威脅評(píng)估與排序問(wèn)題,為有效打擊多個(gè)威脅目標(biāo)提供切實(shí)可靠的決策依據(jù)?？罩心繕?biāo)性能與作戰(zhàn)樣式不斷發(fā)展,目標(biāo)威脅評(píng)估技術(shù)應(yīng)不斷探索求新,為提高艦載指控系統(tǒng)智能化水平需要對(duì)現(xiàn)有方法做持續(xù)改進(jìn)。

[1] 張多林,呂輝,王剛.防空指揮自動(dòng)化指揮控制系統(tǒng)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[2] 譚安勝.水面艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)運(yùn)籌分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[3] 尹高揚(yáng),周紹磊,張文廣.艦艇對(duì)來(lái)襲反艦導(dǎo)彈威脅評(píng)估算法[J].兵工自動(dòng)化,2011,30(12):1-4.

[4] 曹可勁,江漢,趙宗貴.一種基于變權(quán)理論的空中目標(biāo)威脅估計(jì)方法[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,7(15):32-35.

[5] 王猛,章新華,夏志軍.基于屬性分析的威脅評(píng)估技術(shù)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(5):848-851.

[6] 洪利華,羅均平,劉已斌.基于主成分分析法的目標(biāo)威脅評(píng)估[J].指揮控制與仿真,2006,28(2):49-52.

[7] 朱波,方立恭,金釗.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的空中目標(biāo)威脅估計(jì)方法[J].指揮控制與仿真,2011,33(4):29-32.

[8] 曲長(zhǎng)文,何友,馬強(qiáng).應(yīng)用多屬性決策的威脅評(píng)估方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2000,22(5):26-29.

[9] 雷肖劍,朱悅萌,譚樂(lè)祖.混合多類(lèi)型屬性威脅評(píng)估模型構(gòu)建[J].艦船電子工程,2014,34(2):27-30.

[10] 張濤,周中良,茍新禹,等.基于信息熵和TOPSIS法的目標(biāo)威脅評(píng)估及排序[J].電光與控制,2012,19(11):35-38.

Techniques of Aerial Targets Threat Assessment in Sea Self-defense Battle

HE Wenhong

(No. 19 Central Road Xisanhuan, Beijing 100841)

In view of aerial targets threat assessment in sea self-defense battle, threat assessment characteristics and evaluation criterion, together with threat factor extraction and selection are analyzed in this paper, and targets threat assessment methods such as AHP, multiple attribute decision making and Bayesian networks are discussed. The results of threat assessment can be used as reasonable and credible proof for decision making to effectively destroy threat targets.

self-defense battle, aerial target, threat assessment

2014年12月6日,

2015年1月27日

賀文紅,男,高級(jí)工程師,研究方向:指控系統(tǒng)。

E917

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.008