航母編隊(duì)反潛目標(biāo)識(shí)別和威脅評(píng)估仿真

陳 龍，馬亞平

（1.國(guó)防大學(xué)研究生院，北京 100091；2.國(guó)防大學(xué)公共平臺(tái)中心，北京 100091）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)演變?yōu)楦呒夹g(shù)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，是一場(chǎng)全域多維一體化較量的戰(zhàn)爭(zhēng)。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是一個(gè)典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有復(fù)雜性特征，面對(duì)這樣一個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)，指揮員在作戰(zhàn)時(shí)需要考慮的因素是多方面的，只有充分利用現(xiàn)有條件優(yōu)勢(shì)，根據(jù)敵我雙方的態(tài)勢(shì)，迅速定下行動(dòng)決策，才能在瞬息萬變的戰(zhàn)爭(zhēng)中贏得主動(dòng)權(quán)。當(dāng)前，我航母編隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力逐漸形成，隨著戰(zhàn)場(chǎng)空間的擴(kuò)展，航母編隊(duì)面臨的威脅是多方向、多方面，其中水下方面最為嚴(yán)峻，水下威脅具有不確定性、不透明性等特點(diǎn)，一旦遭遇攻擊將更加致命。航母編隊(duì)投入戰(zhàn)場(chǎng)開始作戰(zhàn)時(shí)，指揮員面對(duì)稍縱即逝的反潛戰(zhàn)機(jī)時(shí)，單憑指揮員能力和水平來作出決策幾乎是不可能的。如何有效利用現(xiàn)有戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、綜合因素服務(wù)于指揮員作戰(zhàn)將是迫切需要解決的棘手問題。

在現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，航母編隊(duì)的反潛任務(wù)非常艱巨，反潛作戰(zhàn)的前提是進(jìn)行有效的目標(biāo)威脅判斷，這也是航母編隊(duì)對(duì)潛防御的一個(gè)先決條件，是對(duì)潛火力防御的重要依據(jù)。當(dāng)前，利用多種傳感器技術(shù)對(duì)海域能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、多層面的偵察，實(shí)現(xiàn)多層次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，但同時(shí)傳感器收集到的信息源種類繁多，信息容量較大，會(huì)造成“海量”的數(shù)據(jù)信息，給信息準(zhǔn)確判斷帶來了巨大困難，同時(shí)也給指揮員定下作戰(zhàn)決心帶來很多不確定性，如何對(duì)搜集到的目標(biāo)信息進(jìn)行綜合分析、凝練出有效價(jià)值信息，從而進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和威脅評(píng)估是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)的研究，這項(xiàng)研究具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

目標(biāo)識(shí)別是威脅評(píng)估的前提，目標(biāo)識(shí)別服務(wù)于目標(biāo)威脅評(píng)估，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[1]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法[2]、云模型理論法[3]、直覺模糊集法[4]等方法經(jīng)常用來進(jìn)行威脅評(píng)估，但尚未運(yùn)用于航母編隊(duì)作戰(zhàn)決策中，本文首次運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定量分析航母編隊(duì)反潛作戰(zhàn)，通過綜合部隊(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)、院校專家和資料構(gòu)建新的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，將目標(biāo)信息輸入，定量定性分析后推理出識(shí)別結(jié)果和威脅屬性，與實(shí)際作戰(zhàn)部隊(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果較好地驗(yàn)證了模型的有效性。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

眾所周知，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型可用二元組表示：B=，其中：G表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，P表示條件概率表集合。G=是一個(gè)有向無環(huán)圖，V表示節(jié)點(diǎn)，A表示節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系。節(jié)點(diǎn)與概率相互對(duì)應(yīng)，P（Vi|Pa（Vi））表示節(jié)點(diǎn)vi與其父節(jié)點(diǎn)Pa（Vi）之間的關(guān)系。假設(shè)存在另一個(gè)節(jié)點(diǎn)Vj，節(jié)點(diǎn)Vj是Vi除了父節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)，在滿足條件獨(dú)立性情況下有式（1）：

則根據(jù)條件獨(dú)立性，可求得其他變量n個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合概率式（2）：

給定變量Vi，Vj的條件概率由P（Vi|Vj）表示。對(duì)于變量 Vi，Vj的任何值，可以給出式（3）：

式中：P（Vi|Vj）是Vi，Vj的聯(lián)合概率；P（Vj）是Vj的邊緣概率。從上式看出，聯(lián)合概率可表示如式（4）：

任務(wù)條件概率可從聯(lián)合概率計(jì)算而來表示為式（5）：

變量Vi的組合方式影響表達(dá)式，鏈?zhǔn)揭?guī)則可簡(jiǎn)潔表示如式（6）：

由此得到貝葉斯法則或者貝葉斯定理式（7）：

根據(jù)貝葉斯規(guī)則，對(duì)于多值隨機(jī)變量的更一般情況如式（8）：

在某些證據(jù)e上有式（9）：

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)值起點(diǎn)為 Y1，Y2，Y3，即戰(zhàn)場(chǎng)綜合信息和目標(biāo)信息，設(shè)Xi為網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)輸出值，用于航母編隊(duì)中威脅等級(jí)用高、中、低來表示，A，B，C是網(wǎng)絡(luò)起點(diǎn)和終點(diǎn)的中間橋梁節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)捕獲到的目標(biāo)i信息進(jìn)行威脅等級(jí)評(píng)估，可得式（10）：

其中，α表示歸一化參數(shù)，結(jié)合聯(lián)合概率公式，可得式（11）：

進(jìn)一步可以表示為式（12）：

2 構(gòu)建航母編隊(duì)目標(biāo)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中的各層變量：假定變量、觀測(cè)變量和中間變量，建立如圖1所示的目標(biāo)識(shí)別貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 目標(biāo)識(shí)別的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

其中假定變量為識(shí)別的目標(biāo)類型，其取值范圍為可能的目標(biāo)類型，用根節(jié)點(diǎn)表示。目標(biāo)類型有核潛艇（NSM）、常規(guī)潛艇（SM）、魚雷（TOD）、魚群（FS）、其他（OH）；觀測(cè)變量目標(biāo)速度、回聲強(qiáng)度、回聲類型、目標(biāo)深度。對(duì)目標(biāo)識(shí)別是首先通過各類傳感器根據(jù)自身收集到的戰(zhàn)場(chǎng)信息，輸入到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計(jì)算，得到融合結(jié)果，然后根據(jù)融合結(jié)果進(jìn)行識(shí)別估計(jì)，最后根據(jù)識(shí)別的概率值范圍來確定目標(biāo)類型的最大可能性，由此可得目標(biāo)識(shí)別的框架，如表1 所示[5-6]。

表1 目標(biāo)融合識(shí)別節(jié)點(diǎn)框架表

由于缺乏實(shí)際作戰(zhàn)樣本，不可能通過學(xué)習(xí)得到條件概率，本文是基于現(xiàn)有條件，結(jié)合院校和部隊(duì)實(shí)踐中得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過去保密化和適當(dāng)調(diào)式對(duì)比，得到較為可靠的數(shù)據(jù)，在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)評(píng)估結(jié)果的真實(shí)性和有效性。條件概率表如下頁表2所示。

3 構(gòu)建航母編隊(duì)威脅評(píng)估網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)傳感器捕獲到的目標(biāo)信息參數(shù)，進(jìn)行提煉和過程處理，建立具體的分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，使用條件概率進(jìn)行初始賦值處理，得出節(jié)點(diǎn)概率數(shù)值，基于威脅評(píng)估規(guī)則，在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算威脅程度概率值，輸出判斷目標(biāo)威脅等級(jí)。推理流程如圖2所示。

圖2 威脅評(píng)估分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理流程圖

潛艇編隊(duì)意圖可分解為平臺(tái)威脅1、平臺(tái)威脅2和平臺(tái)威脅n等，潛艇編隊(duì)依托各自意圖進(jìn)行作戰(zhàn)行動(dòng)，潛艇編隊(duì)對(duì)水面艦艇的威脅是由各子平臺(tái)威脅組合而成。威脅組合內(nèi)部是因果關(guān)系，可根據(jù)這樣的關(guān)系構(gòu)建評(píng)估威脅的分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。其靈活性在于不同的平臺(tái)更換不影響網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，平臺(tái)不同只需更換相應(yīng)子網(wǎng)絡(luò)模塊，其他部分能夠保持不變，具備了較好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)適用的范圍，能夠用于敵情變化復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)。如圖3所示，圖中方形葉子節(jié)點(diǎn)為推理的起點(diǎn)，經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)，過渡到網(wǎng)絡(luò)推理結(jié)果輸出點(diǎn)，即為判斷潛艇編隊(duì)威脅等級(jí)[7-8]。

圖3 航母編隊(duì)分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖

分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中以搭載武器、回聲特征、目標(biāo)深度、目標(biāo)速度、目標(biāo)位置、目標(biāo)航向作為葉節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的選取因目標(biāo)不同而異。

目標(biāo)的靜態(tài)特性，諸如類型和武器樣式?jīng)Q定了能力大小；水下目標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性，諸如位置、航向、航速等決定了意圖類型。網(wǎng)絡(luò)模型中平臺(tái)威脅（Ptr）節(jié)點(diǎn)用根節(jié)點(diǎn)表示，取值狀態(tài)為高（H）、中（M）、低（L）3種狀態(tài)，具體各節(jié)點(diǎn)取值如表3所示[9-10]。

根據(jù)院校與部隊(duì)相結(jié)合原則，基于實(shí)踐中得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過去保密化和適當(dāng)調(diào)式對(duì)比后，得到的條件概率表如下頁表4所示。

表2 條件概率表

表3 節(jié)點(diǎn)框架表

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

目標(biāo)參數(shù)信息采集是通過航母編隊(duì)內(nèi)部布設(shè)的各類型傳感器捕獲得到，初步處理后得到各種目標(biāo)的參數(shù)信息如表5所示。

使用構(gòu)建的目標(biāo)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別結(jié)果輸出如表6所示。

從圖4可以看出，A目標(biāo)為核潛艇，其概率達(dá)到PA=0.502 23，B目標(biāo)為常規(guī)潛艇，其概率達(dá)到PB=0.582 34。

4.2 威脅評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)有各種目標(biāo)的參數(shù)信息如表7所示。

使用構(gòu)建的評(píng)估網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行威脅評(píng)估結(jié)果輸出如下頁表8所示。

表4 條件概率表

表5 目標(biāo)參數(shù)表

表6 目標(biāo)識(shí)別結(jié)果概率表

從圖5可以看出，影響因素中搭載武器與否影響較大，B目標(biāo)的威脅等級(jí)降低較多；目標(biāo)處于的狀態(tài)也對(duì)評(píng)估威脅等級(jí)有一定程度的影響，如目標(biāo)C進(jìn)攻威脅較大；敵潛艇編隊(duì)中威脅最大的是目標(biāo)E，威脅概率PE=0.812 08，對(duì)于航速達(dá)到40 kn的目標(biāo)，根據(jù)常識(shí)可判為敵魚雷，優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行防御；G目標(biāo)和H目標(biāo)威脅較小，在防御順序上可放置末尾，待進(jìn)一步判定后再行動(dòng)。

圖4 A、B目標(biāo)識(shí)別圖

表7 目標(biāo)參數(shù)信息表

表8 目標(biāo)威脅評(píng)估結(jié)果概率表

從圖6可以看出，各目標(biāo)的高威脅等級(jí)概率變化情況。

從圖7可以看出，目標(biāo)的威脅等級(jí)變化直觀情況。

圖5 A、B目標(biāo)威脅評(píng)估圖

圖7 威脅等級(jí)評(píng)估圖

圖8 航母編隊(duì)威脅等級(jí)評(píng)估圖

5 結(jié)論

從表6可以看出，A目標(biāo)為核潛艇，其概率達(dá)到PA=0.502 23，B目標(biāo)為常規(guī)潛艇，其概率達(dá)到PB=0.582 34。C目標(biāo)為魚雷，其概率達(dá)到PC=0.509 52，D目標(biāo)為魚群，其概率達(dá)到PD=0.730 59，E目標(biāo)為其他目標(biāo)（一般有可能為海底電纜、光纖等），其概率達(dá)到PE=0.418 28，F(xiàn)目標(biāo)為常規(guī)潛艇，其概率達(dá)到PF=0.404 41。

從圖8可以看出，最終我方對(duì)敵潛艇編隊(duì)做出威脅評(píng)估判斷，通過威脅評(píng)估得到PL=0.184 45，PM=0.303 69，PH=0.511 87，敵潛艇編隊(duì)威脅等級(jí)評(píng)估為高威脅等級(jí)。

通過對(duì)比部隊(duì)演習(xí)情況，構(gòu)建的評(píng)估網(wǎng)絡(luò)推理得到的仿真結(jié)果有一定的參考價(jià)值，能夠?yàn)橹笓]員作戰(zhàn)提供一定的決策建議，有利于縮短作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間。該網(wǎng)絡(luò)模型能夠用于對(duì)敵水下目標(biāo)識(shí)別和評(píng)估威脅，為指揮員決策部署提供了一種定量定性分析的方法手段，起到了一定的輔助參考作用。