基于BP神經網絡的飛機抗毀傷能力評估*

余麗山,李彥彬,趙永龍,包 博

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

0 引言

在現代戰爭中,奪取制空權對戰爭的局勢起著決定性的作用。飛機作為空戰的主要武器,在高科技、信息化的今天,面臨著人類歷史上最復雜、最尖端的作戰環境。如何保證飛機在作戰時,在不減少其戰斗力,能較好完成戰斗任務的前提下,提高承受或者躲避其應對敵對環境的能力,即提高飛機的抗毀傷能力,是目前飛機設計人員以及作戰指揮人員主要考慮的因素之一[1-2]。

關于飛機的抗毀傷能力,文獻[3]中定義飛機的毀傷概率PK=PHPK/H(PH表示目標的敏感性,PK/H表示目標的易損性),故前人大多從降低飛機的敏感性或者易損性來考慮提高飛機的抗毀傷能力[4]。然而敏感性考慮的是飛機被敵方發現并被擊中的問題,飛機易損性考慮的是承受打擊的能力問題。若單從這兩方面考慮飛機的抗毀傷能力,存在一定的片面性。飛機的抗毀傷能力與飛機損傷后的戰傷修復性以及與飛機主動消滅威脅源也有一定的關系。文中從飛機的敏感性、易損性、戰傷搶修性和作戰能力四個方面分析飛機的抗毀傷能力,根據飛機抗毀傷能力評估指標參數訓練神經網絡,最后形成可對飛機抗毀傷能力進行預測評估的BP神經網絡結構。

1 飛機抗毀傷能力評估指標體系

當飛機執行作戰任務時,會受到敵戰斗機、防空導彈等武器的攻擊。飛機的敏感性與易損性越低,抗毀傷能力越高。除此之外,可以提高飛機的作戰能力[5],從主動攻擊方面消滅危險源,從而提高飛機的抗毀傷能力;提高飛機的戰傷搶修能力[6],是在飛機受到敵方武器攻擊受傷后,從被動防御上提高飛機的抗毀傷能力。因此,文中從飛機的敏感性、易損性、戰傷搶修性以及作戰能力四個方面進行分析,建立了飛機抗毀傷能力評估指標體系。

1.1 敏感性

敏感性指的是飛機被諸如紅外、雷達或其他的探測裝置探測到后,被破片、高能激光束、沖擊波或動能彈丸等威脅物體擊中的可能性,可用PH表示。與飛機敏感性有關的因素有:飛機自身的特性(如較小的雷達散射面積;高機動性,躲避對方的威脅攻擊);飛機上的對抗裝置(如用于壓制跟蹤雷達的反雷達導彈,欺騙導彈或者防止被探測的電子對抗裝置);飛機運用的戰術(如利用地勢、地形、氣候等自然條件避免被探測到)[7]。飛機敏感性:

PH=PAPDITPLGD

(1)

式中:PA表示威脅源主動做好準備攻擊飛機的概率;PDIT表示飛機被敵方威脅源探測、識別和跟蹤的概率;PLGD表示飛機被威脅源發射、開火擊中的可能性。

1.2 易損性

文中易損性是指結構易損性,根據我國的軍用標準GJB/Z202—2001中的定義:易損性是在某種人為的敵對環境中,飛機由于遭受不同等級的威脅機理,完成任務的能力受到降低限定等級的一種系統特性,通常用PK/H表示[8]。

(2)

式中:AV表示由單個破片或者侵徹體撞擊而引起的飛機易損性可用的總易損面積;AP表示在垂直于毀傷元的入射方向飛機的呈現面積。

AV與威脅對飛機的殺傷模式、威脅的種類、威脅打擊的方向和速度以及飛機部件的材料、尺寸和飛機處于殺傷區的位置等因素有關。飛機易損性與飛機致命性部件的裝置和設計手段(如有效地將發動機分開)、致命性部件在遭受打擊后繼續工作的能力等因素有關。

1.3 戰傷搶修性

飛機戰傷搶修性(aircraft combat resilience,ACR),指的是在作戰環境下,利用有限的時間和資源對戰傷飛機進行應急修理,使戰傷飛機迅速的恢復到自救或者具有完成某種任務的能力,從而提高飛機的抗毀傷能力。戰傷搶修可以使飛機在最短的時間內,轉入戰斗狀態,保證飛機最大的出動架次以及完成任務的能力。戰傷搶修性可用飛機的可靠性、維修性、保障性表示。

1)可靠性

可靠性(reliability)是指在無故障、無退化或者不要求保障系統的條件下,飛機及其組成部分執行其規定功能的能力[9]。可靠性可分為基本可靠性和任務可靠性。在規定的條件和時間內,飛機的壽命單位數與故障的總次數之比為平均故障間隔時間(MTBF),常用其表示飛機的可靠性。

(3)

式中:TMTBF為平均故障間隔時間;T0表示飛機工作時間;Nf表示故障總數。

2)維修性

維修性(maintainability)表示在規定的條件和時間內,用規定的方法和程序對飛機進行維修,使飛機恢復到其完成作戰任務的能力,可分為基本維修性和任務維修性。維修性可用平均修復時間(MTTR)表示。

(4)

式中:TMTTR表示平均修復時間;λi表示第i個可修部件的故障率(1/h);TMTTR,i表示第i個可修部件的平均修復時間。

3)保障性

保障性是飛機的設計特性以及計劃的保障資源能夠滿足飛機作戰使用的能力。飛機的保障性常用飛機的使用可用度A0來表示。

(5)

式中:TMDT為平均維修時間與保障延誤時間的總和。

1.4 作戰能力

作為武器平臺的軍用飛機,可掛載激光武器、導彈等先進的制導殺傷性武器,其對威脅源的主動攻擊能力是客觀存在的。軍用飛機主動自主防御,即通過攔截、摧毀或損傷飛行的威脅物,降低或者消除威脅[10]。通過飛機的作戰能力,對威脅實施進攻的“硬殺傷”,從而提高飛機的抗毀傷能力。

軍用飛機的作戰能力主要表現為發現、擊中、毀傷威脅目標,可用PKK表示。

(6)

飛機抗毀傷能力評估指標體系如圖1。

2 BP神經網絡

飛機抗毀傷能力評估的實質是飛機與危險源之間的多屬性決策問題,具有模糊性和不確定性,人工很難描繪各指標之間的關系,只能通過經驗參數或者飛機的性能參數為飛機抗毀傷能力評估提供科學的方法。BP神經網絡可以經過訓練對指標的權值和閾值不斷修正,把威脅評估的誤差降到指定值,同時避免了人的主觀思想對評估的影響。

BP神經網絡的原理是:經過輸入層的樣本數據歸一化處理后,訓練隱層和輸出層的權值和閾值。樣本數據經過隱層和輸出層的計算,通過神經元輸出,輸出值與期望值比較是否達到設定的精度,若精度不符合要求,誤差經輸出層返回訓練,修改權值和閾值直到達到誤差精度或達到訓練次數,停止訓練。即通過訓練找到合適的權值和閾值來擬合樣本數據,并對需要的數據進行預測[11]。

文中采用三層BP神經網絡,經證明任何復雜的函數都可以用三層神經網絡來逼近[12],其具有很強的擬合非線性映射的能力。

三層BP神經網絡結構如圖2所示,包含輸入層、隱層和輸出層。隱層中采用tansig傳遞函數,權值矩陣為IW,閾值為b1。輸出層采用purelin傳遞函數,權值矩陣為LW,閾值為b2。

3 算例

通過上述的神經網絡結構,運用MATLAB編程仿真。通過16組(1～16)飛機抗毀傷能力參數對神經網絡進行訓練,對4組(17～20)測試數據進行評估,如表1所示。

表1 飛機抗毀傷能力參數樣本表

訓練時,為避免由于評估指標量綱不同而影響評估結果,對指標參數進行歸一化處理,對處理后的參數進行擬合結果如圖3。

當訓練的均方誤差達到10-3時,停止訓練,由圖4可知,訓練54次,達到要求。

對第17～20組飛機抗毀傷能力進行評估,將神經網絡評估值與專家評估值進行比較結果如表2和圖5。

綜上分析,通過實際數據對神經網絡進行訓練,構建出可對飛機抗毀傷能力進行評估的BP神經網絡。運用構建出的神經網絡對飛機抗毀傷能力進行評估,網絡評估值與專家評估值之間的均方誤差小于10-3,在允許誤差范圍內。故BP神經網絡評估模型在飛機抗毀傷能力評估中使用是可行的。

表2 專家評估值與網絡評估值比較

序號17181920專家評估值0.5800.4300.4000.650網絡評估值0.5810.4240.3940.640均方誤差4.04×10-5(<10-3)

4 結論

文中利用BP神經網絡對飛機抗毀傷能力進行評估,并用算例進行了驗證,結論如下:

1)飛機在執行作戰任務時,從飛機的本身、主動攻擊、被動防御三個角度建立飛機抗毀傷能力評估指標體系,所建立的指標具有代表性。

2)運用BP神經網絡對飛機抗毀傷能力進行評估,減小了人為工作量及失誤,并提高了評估速度。

3)根據飛機的性能參數對飛機的抗毀傷能力進行評估,具有現實意義,可有效避免評估過程中人的主觀思想干擾。評估的結果對飛機的設計以及在作戰中的運用具有指導意義。