基于最大相似度的潛艇戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估*

胡正兵 夏佩倫

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

1 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估已逐漸成為國(guó)內(nèi)外軍事決策專家研究的熱點(diǎn)。目前在態(tài)勢(shì)評(píng)估領(lǐng)域研究的較多的算法主要有:模板技術(shù)、專家系統(tǒng)、黑板模型、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,其中文獻(xiàn)[1～2]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估,建立了一種理論上對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估較完美的方法,但是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于態(tài)勢(shì)評(píng)估時(shí),需要建立各種態(tài)勢(shì)模式的先驗(yàn)概率以及各種態(tài)勢(shì)模式與觀測(cè)證據(jù)間的聯(lián)合概率表,這種先驗(yàn)概率和聯(lián)合概率表戰(zhàn)術(shù)專家是很難給出的[3]。文獻(xiàn)[3]采用模式識(shí)別和層次分析法的基本方法,通過(guò)建立待識(shí)別意圖特征量與已知意圖模式特征分量的標(biāo)準(zhǔn)值的相似度計(jì)算模型來(lái)確定兩者之間的總相似度。本文正是在文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,針對(duì)相似度計(jì)算模型適用范圍有限的問(wèn)題,提出利用歐式距離的基本理論方法將戰(zhàn)術(shù)專家知識(shí)與戰(zhàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相匹配的方法,從而得出當(dāng)前敵我態(tài)勢(shì)的評(píng)估結(jié)果。此方法除簡(jiǎn)便、易于工程實(shí)現(xiàn)外,還具有適用范圍廣的特點(diǎn)。

2 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估問(wèn)題的描述

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估是根據(jù)目標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與有關(guān)情況通報(bào),以及作戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)規(guī)律與原則、兵力兵器特點(diǎn)、環(huán)境要素,逐步推斷目標(biāo)作戰(zhàn)企圖的過(guò)程。一般包括信息獲取、特征提取、態(tài)勢(shì)推理等環(huán)節(jié)[4]。在海戰(zhàn)場(chǎng)上,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)是由態(tài)勢(shì)因素組成的,我們總可以通過(guò)提取、分析態(tài)勢(shì)因素來(lái)得到對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估結(jié)果。因此,戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)可以用態(tài)勢(shì)要素的狀態(tài)序列來(lái)加以表征。用以評(píng)估敵作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的信息主要來(lái)自潛艇本身觀測(cè)系統(tǒng)得到的敵對(duì)艦艇類別、屬性、航向、航速等信息,以及上級(jí)、友鄰的敵情通報(bào)和海區(qū)水文氣象條件等。

3 基本思想及方法步驟

戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估是一個(gè)高度依賴領(lǐng)域知識(shí)的識(shí)別問(wèn)題,因此離開一定的作戰(zhàn)背景及在此背景下的專家知識(shí),戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估是幾乎不可能完成的,所以有必要尋找一種能夠容易獲取和表達(dá)戰(zhàn)術(shù)專家知識(shí),以及將戰(zhàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與這些知識(shí)相匹配的方法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估[3]。

為了將戰(zhàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與戰(zhàn)術(shù)專家知識(shí)相匹配,即為了求出戰(zhàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與戰(zhàn)術(shù)專家知識(shí)的相似程度,我們可以把某時(shí)刻目標(biāo)態(tài)勢(shì)的屬性信息表示為向量,用距離測(cè)度來(lái)描述各屬性之間特征的相似程度,歐式距離就是比較常用的這樣一種方法。方法步驟如下所述:

1)確定戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)要素特征分量量綱。特定作戰(zhàn)背景下,分析出戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)模式ck下的態(tài)勢(shì)要素特征向量X的標(biāo)準(zhǔn)值X*=(,,…,)。標(biāo)準(zhǔn)值X*的分量并非僅指特定的值,它還包括一個(gè)離散或連續(xù)的取值范圍。例如,水面艦艇在執(zhí)行攻潛任務(wù)時(shí),其航速必定在某一取值范圍內(nèi),航速小于此范圍,則不利于快速完成攻潛任務(wù),航速太大則引起螺旋槳噪音太大,不利于探測(cè)潛艇,但是這一范圍內(nèi)的某值是與實(shí)際情況最相符的,我們定義為最大相似值,在計(jì)算中常以此值來(lái)表示標(biāo)準(zhǔn)值;而某些特征事件,它又是一些特定的值,例如水面艦艇主動(dòng)聲納或雷達(dá)開機(jī)與否,開機(jī)用“1”表示,沒有開機(jī)則用“0”表示。不同的態(tài)勢(shì)模式具有不同的標(biāo)準(zhǔn)值。

2)確定戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)要素各特征分量的權(quán)重。各傳感器的功能不同、工作環(huán)境不同,導(dǎo)致了在同一時(shí)刻不同空域的傳感器對(duì)態(tài)勢(shì)模式識(shí)別的支持程度不同。因此,在融合過(guò)程中必須確定各態(tài)勢(shì)要素特征分量的權(quán)重。

借助層次分析法的有關(guān)思想[5],可得到權(quán)重的計(jì)算模型。對(duì)于某類態(tài)勢(shì)模式,當(dāng)其n個(gè)態(tài)勢(shì)要素成對(duì)比較時(shí),則可得正互反陣An×n:

在普通的屬性分量中,各屬性分量的單位和數(shù)量級(jí)是不同的,例如航向和速度,單位分別是度和節(jié),而大小數(shù)量級(jí)亦相差很大。為了消除這兩個(gè)物理量的不同量綱對(duì)求解的影響,我們將每一類鄰近度都轉(zhuǎn)化至[0,1]區(qū)間。因?yàn)槊看味际窃趦蓚€(gè)特征向量之間求取距離測(cè)度,所以我們用如下方法對(duì)鄰近度進(jìn)行轉(zhuǎn)化:

式(4)輸出結(jié)果為一個(gè)[0,1]之間的值,表示探測(cè)信息與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相異程度。再利用公式:

求出兩者之間的相似度,該相似度即為探測(cè)目標(biāo)與指示目標(biāo)匹配結(jié)果。

4 應(yīng)用舉例

4.1 戰(zhàn)術(shù)背景

根據(jù)上級(jí)通報(bào),某海域發(fā)現(xiàn)敵護(hù)航運(yùn)輸編隊(duì),編隊(duì)內(nèi)有驅(qū)護(hù)艦若干艘,并配有反潛飛機(jī)若干架,上級(jí)要求潛艇視情突破敵警戒幕進(jìn)行攻擊。

4.2 態(tài)勢(shì)評(píng)估過(guò)程

由于敵護(hù)航編隊(duì)配有反潛直升機(jī),其反潛能力較強(qiáng),貿(mào)然反動(dòng)攻擊不但達(dá)不到目的,反而會(huì)暴露自己。因此,攻擊之前進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估就顯得尤為重要。

敵護(hù)航編隊(duì)在該海域主要受潛艇威脅,其編隊(duì)內(nèi)驅(qū)護(hù)艦必然側(cè)重于反潛。根據(jù)戰(zhàn)術(shù)專家的知識(shí),設(shè)編隊(duì)內(nèi)驅(qū)護(hù)艦相對(duì)于潛艇的態(tài)勢(shì)集合C=(c1,c2,c3,c4)(分別為反潛搜索、反潛接敵、反潛攻擊、防御攻擊),態(tài)勢(shì)要素主要有敵我距離(海里)、敵航向(度)、敵速度(節(jié)),當(dāng)然還包括某些特征事件,例如雷達(dá)是否開機(jī)、艦殼主動(dòng)聲納是否開機(jī)等。以敵驅(qū)護(hù)艦在反潛搜索態(tài)勢(shì)模式下為例,由戰(zhàn)術(shù)專家給出此態(tài)勢(shì)模式下以上幾種態(tài)勢(shì)要素的標(biāo)準(zhǔn)值X*=(10,270,10,1,1),設(shè)經(jīng)探測(cè)護(hù)航編隊(duì)警戒艦艇態(tài)勢(shì)要素信息可量化為X=(12,260,12,0,1)。然后各態(tài)勢(shì)要素根據(jù)重要程度進(jìn)行比較,由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出相對(duì)重要程度,設(shè)為(3,5,7,1)(二元特征向量視為一個(gè)態(tài)勢(shì)要素),規(guī)范化計(jì)算得到權(quán)重:

同理可得觀測(cè)特征態(tài)勢(shì)要素與其他態(tài)勢(shì)模式的相似度,取其中相似度最大者,即為此刻潛艇戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的評(píng)估結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文的方法比較符合潛艇指揮官的思維方式,即決策者總是將觀測(cè)分析得到的特征量與各種態(tài)勢(shì)模式的特征量相比較,與哪一類相似度最大,即判別為哪類態(tài)勢(shì)。另外,利用歐式距離的方法來(lái)求取相似度較自己建立模型來(lái)求取相似度具有更廣泛的使用性。此方法不需要繁雜的規(guī)則庫(kù)和繁瑣的知識(shí)搜索推理技術(shù),只需要確定態(tài)勢(shì)要素特征量的標(biāo)準(zhǔn)值,以及通過(guò)將各特征分量進(jìn)行成對(duì)比較確定權(quán)值,這些戰(zhàn)術(shù)專家都是容易確定的,在工程上也比較容易實(shí)現(xiàn),對(duì)態(tài)勢(shì)評(píng)估理論的發(fā)展具有一定的實(shí)際意義。不足之處就是領(lǐng)域?qū)＜抑皇菑睦碚撋线M(jìn)行分析從而得出結(jié)論,且實(shí)際的作戰(zhàn)資料難以獲得,所以本文的方法與實(shí)際作戰(zhàn)情況還有一定的距離。

[1]程寶,王寶樹,李偉生.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在態(tài)勢(shì)估計(jì)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2002(23):206～208

[2]李偉生,王寶樹.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)評(píng)估[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(4):480～483

[3]冷畫屏,吳曉鋒,殷衛(wèi)兵.艦艇戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別技術(shù)[J].火力與指揮控制,2007,32(11):35～38

[4]冷畫屏,吳曉鋒,胡劍光,等.海上目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)意圖序貫識(shí)別技術(shù)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008,30(3):462～465

[5]趙煥臣.層次分析法[M].北京:科學(xué)出版社,1986