馬志軍　吉玉潔

(91336部隊(duì)　秦皇島　066000)

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估研究*

馬志軍吉玉潔

(91336部隊(duì)秦皇島066000)

摘要水面艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練是艦艇軍事訓(xùn)練中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,由于缺乏客觀、有效的評估方法,訓(xùn)練中難以及時(shí)、準(zhǔn)確地對裝備職手和作戰(zhàn)指揮人員的操作做出客觀評價(jià),不能有效指導(dǎo)作戰(zhàn)訓(xùn)練,嚴(yán)重影響了艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練效果,成為當(dāng)前困擾艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練的瓶頸問題之一。針對艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練特點(diǎn),結(jié)合艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練實(shí)踐,探討了訓(xùn)練效果評估的評估指標(biāo)體系及指標(biāo)評估準(zhǔn)則,提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估方法與模型。

關(guān)鍵詞訓(xùn)練效果評估; 指標(biāo)體系; 評估準(zhǔn)則; 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

Class NumberTP391.9

1引言

水面艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估是指在特定作戰(zhàn)環(huán)境條件下,按照一定作戰(zhàn)預(yù)案,組織部隊(duì)裝備職手和指揮人員進(jìn)行對抗演練,評價(jià)裝備職手的操作、指揮人員的指揮以及裝備作戰(zhàn)使用效能等,以提高部隊(duì)對所屬裝備的操控能力,指揮人員的作戰(zhàn)指揮能力,并評價(jià)裝備在各種復(fù)雜環(huán)境條件下作戰(zhàn)能力,以便于裝備的作戰(zhàn)使用與部署。

艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,一般都需要綜合各種定性和定量信息對整體訓(xùn)練效果進(jìn)行綜合評估。根據(jù)此特點(diǎn),結(jié)合訓(xùn)練效果評估實(shí)踐,在評估指標(biāo)體系及指標(biāo)評估準(zhǔn)則分析基礎(chǔ)上,提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估方法與模型。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域中新發(fā)展起來的一種決策推理工具,適于解決不確定性或概率性事件。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練效果評估有以下幾方面的優(yōu)勢[5]:

1) 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以綜合歷史數(shù)據(jù)信息、專家經(jīng)驗(yàn)信息、以及訓(xùn)練過程中收集到的各種不完整或不精確的訓(xùn)練信息對訓(xùn)練效果進(jìn)行綜合評估,做出相對準(zhǔn)確的評價(jià)。

2) 由于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以綜合驗(yàn)前與驗(yàn)后信息對訓(xùn)練效果進(jìn)行綜合評價(jià),因此貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以在缺少訓(xùn)練信息條件下,對訓(xùn)練效果做出相對準(zhǔn)確的評價(jià),從而提高訓(xùn)練效果評估效率。

3) 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評估速度快,可以實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練過程的近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評估,及時(shí)為作戰(zhàn)指揮人員和訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)人員提供訓(xùn)練態(tài)勢信息,便于對訓(xùn)練的作戰(zhàn)指揮和訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)。

2評估指標(biāo)體系與指標(biāo)評估準(zhǔn)則

評估指標(biāo)體系以及指標(biāo)評估準(zhǔn)則是進(jìn)行訓(xùn)練效果評估的基礎(chǔ),是聯(lián)系評估對象與評估專家的橋梁,也是聯(lián)系評估對象與評估方法的紐帶。

2.1評估指標(biāo)體系[1～4]

評估指標(biāo)體系是指在一定范圍內(nèi)或條件下,由一系列相互聯(lián)系、從不同側(cè)面反映事物或系統(tǒng)屬性的評估指標(biāo)組成的有機(jī)體。在指標(biāo)體系中,每個(gè)指標(biāo)對系統(tǒng)的某種特征進(jìn)行度量,并與其它相關(guān)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián),共同形成對系統(tǒng)的完整刻畫。因此,一個(gè)完整的評估指標(biāo)體系包括評估指標(biāo)以及評估指標(biāo)間的相互影響關(guān)系兩方面內(nèi)容。

運(yùn)用層次化分析思想,將系統(tǒng)分解成若干個(gè)簡單系統(tǒng),并逐級進(jìn)行功能分解,直到最底層不能再分解的評估要素指標(biāo),并按照功能由上而下分解,指標(biāo)由下向上的影響關(guān)系,建立艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系,如圖1所示。在指標(biāo)體系中,最底層各評估指標(biāo)是評價(jià)艦上職手操作的評估要素指標(biāo),直接與評估對象相關(guān),圖中用陰影表示,指標(biāo)體系中上層各評估指標(biāo)受評估要素狀態(tài)影響。

圖1　艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系

2.2指標(biāo)評估準(zhǔn)則[5]

根據(jù)評估指標(biāo)和評估要素的不同性質(zhì),可分別為兩類指標(biāo)制定相應(yīng)評估準(zhǔn)則。

1) 評估指標(biāo)評估準(zhǔn)則

評估指標(biāo)評估準(zhǔn)則在不同的評估方法中表現(xiàn)為不同形式。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為條件概率,如表1所示,它表示父結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)時(shí)子結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)的概率。

表1　訓(xùn)練評估指標(biāo)評估準(zhǔn)則

2) 評估要素評估準(zhǔn)則

在制定要素評估準(zhǔn)則時(shí),應(yīng)根據(jù)各評估要素的特點(diǎn)、評估信息的性質(zhì)、內(nèi)容及其數(shù)、質(zhì)量情況,依據(jù)一定的準(zhǔn)則,如時(shí)間準(zhǔn)則、距離準(zhǔn)則、概率準(zhǔn)則等,制定各評估要素指標(biāo)的評價(jià)準(zhǔn)則。如雷達(dá)探測指標(biāo)相關(guān)評估要素評估準(zhǔn)則如表2所示。

3基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估是在系統(tǒng)評估指標(biāo)體系及指標(biāo)評估準(zhǔn)則基礎(chǔ)上,建立艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,并利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件對訓(xùn)練效果進(jìn)行評估的過程。

3.1系統(tǒng)評估指標(biāo)體系與指標(biāo)評估準(zhǔn)則

運(yùn)用層次化分析思想,按照2.1節(jié)中建立評估指標(biāo)體系的方法建立系統(tǒng)評估指標(biāo)體系,如圖1所示。同時(shí),按照2.2節(jié)中指標(biāo)評估準(zhǔn)則確定方法,為每個(gè)評估指標(biāo)及評估要素指標(biāo)建立評估準(zhǔn)則,如表1、表2所示。為確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)做準(zhǔn)備。

表2　雷達(dá)探測指標(biāo)相關(guān)評估要素評估準(zhǔn)則

3.2貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型[5～9]

艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型包括模型結(jié)構(gòu)與模型參數(shù)兩部分。

3.2.1貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)[10]

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定性地描述了網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系,由網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn),以及連接結(jié)點(diǎn)間的有向弧構(gòu)成,它是進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理的載體與基礎(chǔ)。根據(jù)艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估指標(biāo)體系,模擬艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練項(xiàng)目各戰(zhàn)位或各分系統(tǒng)之間的影響關(guān)系,可建立艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

3.2.2貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)包含兩方面內(nèi)容:網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)與依附在各結(jié)點(diǎn)上的條件概率。

“精神富有”是一個(gè)理論問題，更是一個(gè)實(shí)踐問題。省十三次黨代會將現(xiàn)代化浙江定位為“物質(zhì)富裕、精神富有”之后，紹興也迅速做出呼應(yīng)，并賦予“精神富有”以紹興內(nèi)涵加以傳播和實(shí)踐。正是在這樣的背景下，本文試從實(shí)踐的層面，將精神形態(tài)特征明顯的文藝創(chuàng)新置于“精神富有”的視域之中，開展若干問題的調(diào)查與思考。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是指該結(jié)點(diǎn)所代表的因素可能會出現(xiàn)的各種狀態(tài)。根據(jù)部隊(duì)訓(xùn)練效果評估習(xí)慣以及評估需要,可以確定網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)狀態(tài),如表3所示。

表3　貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的條件概率是指網(wǎng)絡(luò)中各父結(jié)點(diǎn)處于不同狀態(tài)時(shí)其子結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)的概率。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中條件概率的確定一般都比較困難,它也是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸。在實(shí)際應(yīng)用中,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的條件概率一般都是根據(jù)實(shí)際情況,由專家憑主觀經(jīng)驗(yàn)確定,但這種方法的缺點(diǎn)是主觀性太強(qiáng),專家經(jīng)驗(yàn)對模型的準(zhǔn)確性影響很大,因此提出一種基于蒙特卡羅仿真確定模型中條件概率的方法。

基于蒙特卡羅仿真的條件概率計(jì)算法主要包括以下幾個(gè)步驟:

1) 根據(jù)各父結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值及其權(quán)重W,計(jì)算父結(jié)點(diǎn)分別處于不同狀態(tài)時(shí),對子結(jié)點(diǎn)影響的分值C。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)的定義,可大致確定結(jié)點(diǎn)各狀態(tài)的狀態(tài)值分別為:優(yōu)秀(狀態(tài)值95),良好(狀態(tài)值85),及格(狀態(tài)值70),不及格(狀態(tài)值30)。

如對空偵察(權(quán)重0.4)為優(yōu)秀;對空防御(權(quán)重0.5)為優(yōu)秀,綜合表現(xiàn)(權(quán)重0.1)為優(yōu)秀時(shí),對其子結(jié)點(diǎn)訓(xùn)練評估影響的分值C為

C=95*0.4+95*0.5+95*0.1=95

2) 進(jìn)行蒙特卡羅仿真,計(jì)算父結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)時(shí),子結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)的概率。以父結(jié)點(diǎn)對子結(jié)點(diǎn)影響的分值C為均值,進(jìn)行正態(tài)分布蒙特卡羅仿真,考察仿真結(jié)果分別處于優(yōu)秀、良好、及格、不及格狀態(tài)的概率。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),通過調(diào)整正態(tài)分布方差,仿真出適合的條件概率。圖3為利用正態(tài)分布蒙特卡羅仿真法,仿真出的訓(xùn)練評估結(jié)點(diǎn)上的條件概率。概率形式如表1所示。

圖3　訓(xùn)練評估結(jié)點(diǎn)上的條件概率仿真結(jié)果

3.3訓(xùn)練效果實(shí)時(shí)評估

Hugin是當(dāng)前比較成熟的一款貝葉斯網(wǎng)絡(luò)軟件,根據(jù)前面建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,利用Hugin建立艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估系統(tǒng),如圖4所示。當(dāng)收集到艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練信息時(shí),將訓(xùn)練信息加入評估系統(tǒng),便可實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練效果的近實(shí)時(shí)評估。

圖4　艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估系統(tǒng)

4實(shí)例分析

4.1某艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練想定

藍(lán)方:在航空警戒飛行隊(duì)和電子對抗部隊(duì)的配合下,對紅方某水面艦艇實(shí)施突擊。

紅方:在空中預(yù)警探測群、岸基預(yù)警探測群以及電子對抗部隊(duì)的配合下,進(jìn)行防空反導(dǎo)訓(xùn)練。

4.2評估信息的收集與預(yù)處理

通過作戰(zhàn)網(wǎng)、導(dǎo)控網(wǎng)以及考核員記錄等方式收集各種訓(xùn)練信息,并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除異常值,訓(xùn)練專家根據(jù)這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息,依據(jù)表2所示的評估要素評估準(zhǔn)則對各評估要素進(jìn)行評分,得到該艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練考核成績。同時(shí)根據(jù)各評估要素的權(quán)重確定相應(yīng)評估指標(biāo)的項(xiàng)目評分,最后,通過蒙特卡羅仿真方法將考評分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換為各評估指標(biāo)處于各種評價(jià)狀態(tài)的概率,如表4所示。

表4　艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練考核成績表

4.3艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果實(shí)時(shí)評估

將預(yù)處理的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)信息輸入到評估系統(tǒng)中,運(yùn)行評估系統(tǒng),評價(jià)艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果。

1) 訓(xùn)練系統(tǒng)初始化,系統(tǒng)初始時(shí),各評估要素結(jié)點(diǎn)的概率都為經(jīng)驗(yàn)概率,當(dāng)收集到評估要素訓(xùn)練信息時(shí)需要更新這些概率,以實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練效果的評價(jià)。訓(xùn)練系統(tǒng)初始化界面如圖4所示。

2) 當(dāng)收集到艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練信息時(shí),將這些信息分別輸入到評估系統(tǒng)中,更新網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點(diǎn)的狀態(tài),計(jì)算訓(xùn)練評估結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)的概率。如圖5所示,訓(xùn)練效果評估結(jié)點(diǎn)處于各種狀態(tài)的概率分別為優(yōu)秀:2.29%,良好:66.74%,及格:30.94%,不及格:0.03%。其中,良好的概率由初始狀態(tài)時(shí)的26.17%上升為66.74%。根據(jù)最大概率原則,本次訓(xùn)練成績?yōu)榱己谩?/p>

圖5　加入評估信息后,各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)圖

由以上評估模型建立及訓(xùn)練效果評估過程可以看出,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法能夠很好地描述艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中各系統(tǒng)及各評估要素之間的相互影響關(guān)系,適合解決訓(xùn)練效果評估問題。其次,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立過程中,利用蒙特卡羅仿真法確定模型中的條件概率及各底層評估指標(biāo)處于各種狀態(tài)的概率,提高了模型建立的效率及客觀性、準(zhǔn)確性。最后,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)綜合利用專家經(jīng)驗(yàn)信息、以往訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息,以及訓(xùn)練過程信息,可以在信息不完整、不確定的情況下,利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的多信息融合能力,在實(shí)際訓(xùn)練過程中對訓(xùn)練效果進(jìn)行近實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)評估,大大提高了訓(xùn)練效果評估效率。總之,貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為解決訓(xùn)練效果評估問題提供了一個(gè)有利的工具。

5結(jié)語

艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估是制約水面艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練的一個(gè)重要環(huán)節(jié),在總結(jié)以往訓(xùn)練效果評估經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,探討了訓(xùn)練效果評估系統(tǒng)評估指標(biāo)體系與指標(biāo)評估準(zhǔn)則,根據(jù)艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估特點(diǎn),提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效果評估方法。通過實(shí)例分析,初步驗(yàn)證了該方法在水面艦艇對空作戰(zhàn)訓(xùn)練效果評估中應(yīng)用的可行性與有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

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Training Evaluation of Surface Warship Anti-air Defence Based on Bayesian Network

MA ZhijunJI Yujie

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractWarship anti-air defence training is a basic training subject in warship training. Owing to lack of objective and effective evaluation method, the trainer and equipment cannot be evaluated exactly, the warship training cannot be guided. Warship anti-air defence training evaluation has hindered warship training badly. According to characteristics of warship anti-air defence training, the establishing of index system and rule of index are discussed, and a method of warship anti-air defence training evaluation based on Bayesian network is put forward.

Key Wordstraining evaluation, index system, rule of index, Bayesian network

*收稿日期:2015年12月4日,修回日期:2016年1月30日

作者簡介:馬志軍,男,博士研究生,工程師,研究方向:數(shù)字仿真、作戰(zhàn)評估。吉玉潔,女,碩士研究生,工程師,研究方向:數(shù)字仿真、作戰(zhàn)評估。

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.008