基于軍事目標本體化的偽裝方案輔助設計系統*

劉朝暢，許衛東，楊鑫，佘勁松，俞宙

（陸軍工程大學 野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

偽裝目標是指需要進行工程偽裝保障的軍事目標，是偽裝方案關注的中心，為了解決偽裝目標信息、數據和知識的一致性理解與互操作等問題，需要有一個統一的理論框架和規范模型來表述偽裝目標。同時，為解決指揮員在執行任務過程中普遍面臨的“信息過載”問題［1］，無法迅速準確地確定兵力、作業時間和偽裝資源的量，需要依托智能化方法解決。本體是一種對客觀現實抽象本質的描述和說明［2］，起源于西方哲學，后來逐漸被引入到人工智能和知識工程領域［3］。國內外學者對這方面的應用進行了大量研究，任登輝等［4］提出了一種基于本體描述戰場機動目標的方法，但關于機動目標本體應用的論述較少。NAZAR M 等［5］提出了利用本體來表示目標和可用資源語義信息的集成框架，但缺乏對相關推理規則的提煉和優化。賀慶［6］設計了機器為主指揮員為輔的計劃制定方法，實現了打擊敵方機動指揮機構作戰行動計劃的自動推理，但缺少對于推理規則的具體論述。程愷等［7］提出了作戰計劃本體的構建方法，詳細闡述了6 類核心本體的建模過程并建立了3 項推理規則，但側重于指揮控制，缺少相關專業知識的結合。

本文在總結前人方法的基礎上，首先通過本體技術對偽裝目標進行明確和形式化的表達，提煉偽裝目標中關于偽裝知識領域的特征參數，其次構建偽裝方案輔助設計系統，建立偽裝措施相關作業規則，實現對偽裝方案關鍵參數的自動推理，最后結合實例應用。

1 偽裝目標本體建模

偽裝是作戰生存工程保障的一項重要內容，其首要的作用是通過偽裝措施使敵方難以發現、識別目標，或難以對目標實施精確的瞄準，從而提高目標的戰場生存能力［8］。根據作戰層次的不同，目標偽裝可以分為戰略目標偽裝、戰役目標偽裝和戰術目標偽裝，本文討論的是戰術層次范圍內的偽裝目標。本體是共享概念模型明確的形式化規范說明［9］，用來描述人們對領域知識的共同理解。

1.1 偽裝目標本體的作用

偽裝目標本身的特性參數較多，對于偽裝工程保障來說有些是冗余參數，不利于偽裝方案的快速生成，因此，通過本體技術實現對偽裝目標偽裝領域知識的提取和系統清晰的表達，構成偽裝方案輔助設計系統的輸入端。如何實現偽裝目標相關概念智能化的組織管理是偽裝方案輔助設計系統研究的第一步。

將本體概念引入到偽裝目標描述中，一方面通過語義準確、規范統一的術語為偽裝目標知識表示提供了完整的概念和結構，提高了偽裝目標知識理解和處理的智能化水平，達到對該領域知識的統一認識和理解。另一方面，因本體自身的邏輯特性，所描述的偽裝知識可以顯示出較好的內在邏輯關系，也是后續研究自動推理的基礎。

1.2 偽裝目標本體的構建過程

由于各領域知識應用特點的不同，還沒有一套標準的本體構建方法。目前常用的構建方法主要有用于企業領域的骨架法、IDEF5法和多倫多虛擬企業（Toronto virtual enterprise，TOVE）法，用于化學領域METHONTOLOGY 法，用于自然語言處理的SENSUS 法以及斯坦福大學開發的七步法等［10］。由于偽裝目標需要依據任務目的選取偽裝措施，每個偽裝措施都有相對應的偽裝規則，根據偽裝規則提取作業相關的輸入參數，為了能夠明確偽裝目的和偽裝措施的層次關系，本文選取斯坦福大學開發的七步法作為偽裝目標本體的構建方法，如圖1所示。

圖1 偽裝目標本體構建過程Fig.1 Construction process of camouflage target ontology

偽裝目標本體構建的第1 步是確定偽裝本體的領域知識，即明確目標類型和收集相關偽裝目標知識。明確目標類型是為了精準地滿足偽裝方案設計需要，因為不同類型的偽裝目標對應不同的偽裝措施、偽裝要求、偽裝資源量計算規則等關鍵因素，然后根據需要收集偽裝領域相關的軍事法規、軍事標準、教材資料等知識。第2 步考慮復用現有的偽裝目標本體。如果不能復用就進行第3 步，依據偽裝目標領域內的專業書籍和國家軍事標準提取重要概念和術語。第4 步定義用于偽裝方案設計類和類的層次關系，用來說明偽裝目標的共同特征和專有特征。第5 步定義類的屬性。第6 步進行本體評價。為了評估本體建立的準確性、共享性、一致性和有效性，包括驗證本體的概念和術語是否定義清晰、概念及其關系是否構建完整等。第7 步形成最終偽裝目標本體。

1.3 偽裝目標本體的構建實例

根據以上偽裝目標本體構建的方法，偽裝目標本體模型可以表示為一個三元組＜classdef，property，value＞，其中，classdef 表示偽裝目標的全局唯一名稱；property 表示偽裝目標本體某類的某個屬性，如目標尺寸類信息的長、寬和高等屬性；value 表示該屬性值。如圖2 所示，可以用類似RDF 有向圖來表示。有向圖的節點代表目標名稱和屬性值，邊與偽裝目標的某個屬性相對應，其方向是目標名稱指向屬性值。

圖2 偽裝目標本體有向圖Fig.2 Camouflage target ontology digraph

如圖3 所示，以多個三元組有向圖來表示需要偽裝的A 目標，主要類信息表示為：需要對抗的偵察方式、位置信息、偽裝等級、目標尺寸、作業計算相關系數、任務時限、和偽裝資源類型。屬性值的類型包括數值型和字符型，數值型屬性值可以使用數值比較器進行計算，字符串型屬性值使用模式匹配、字符串比較等方法求解。

圖3 A 目標本體有向圖實例Fig.3 A object ontology digraph instance

2 偽裝方案輔助設計系統構建

依據作戰目的、戰場環境、敵方偵察威脅和我方部隊偽裝裝備力量等因素確定偽裝方案是一個復雜的過程，不同類型目標的偽裝作業計算規則各不相同，并且同一個目標因為偽裝等級要求的不同，所需偽裝資源和時間也會不同，生成的偽裝方案也有所差別。基于數據庫的系統，知識往往被硬編碼到程序，存儲過程或觸發器中只有程序員可以修改這些知識［11］。而偽裝方案輔助設計系統主要是存儲偽裝的作業規則和知識，最終的程序是基于偽裝目標輸入相關參數調用不同的作業規則來實現偽裝方案的輔助設計，這種方法相比數據庫計算更加靈活。

2.1 系統主要構成

偽裝方案是在定下偽裝決心和擬制偽裝計劃過程中對于目標偽裝任務和措施的基本構想，是偽裝決心的具體體現［8］。從內容上看，主要包含以下信息：

（1）執行該任務的兵力（類型、數量）（Who）。

（2）偽裝任務的性質、特點（What）。

（3）任務執行的時間（When）。

（4）采用的偽裝措施和使用的偽裝資源數（How）。

（5）執行該任務應達到的目標偽裝等級（Why）。

（6）任務執行的地點（Where）。

參照文獻［12］里的隱真偽裝分級和評估標準將目標偽裝等級分為一級偽裝、二級偽裝和三級偽裝。一級偽裝就是采取非常嚴密的偽裝措施，使目標與背景在偽裝后將目標完全隱蔽在背景中，使目標與背景在偽裝前后的亮度、色度、溫度、發射率、光譜發射率和后向散射系數或截面積等參數特征達到容許的差別數值，以及在偽裝前后的顏色（灰度）、光譜反射曲線紋理、形狀等圖像特征方面達到容許的相似度特征。在預定的成像偵察分辨率情況下，目標的綜合發現概率不大于10%。二級偽裝就是采取較為嚴密的偽裝措施，降低目標在背景中的顯著程度。在預定的成像偵察分辨率情況下，目標的綜合發現概率在11%～21%之間。三級偽裝就是采取基本嚴密的偽裝措施，改變目標的形狀或改變背景的形狀，使一定距離上的偵察判別不了背景上的目標，也就是背景上的目標可以被發現或被基本識別，但不能被查明。在預定的成像偵察分辨率情況下，目標的綜合發現概率在22%～32%之間。

式中：P 為目標的綜合發現概率；Pms為目視偵察條件下的發現概率；Pkz為空中偵察照片上目標的發現概率；Phw為紅外偵察條件下的發現概率；Pld為雷達偵察條件下的發現概率。

偽裝措施是為達到“隱真”“示假”和“誘騙”目的而采取的各種具體方法，主要包括遮障偽裝、迷彩偽裝、假目標偽裝等偽裝措施，具體的偽裝措施分解見圖4。

圖4 偽裝措施分解圖Fig.4 Exploded view of camouflage measures

2.2 系統框架設計

依據偽裝方案的主要信息將偽裝方案輔助設計系統分為數據層、功能層和用戶層，如圖5 所示。

圖5 偽裝方案輔助設計系統框架Fig.5 Framework of camouflage scheme aided design system

數據層由偽裝裝備與器材數據、偽裝知識數據、偽裝作業效率數據、偽裝作業計算規則組成。偽裝裝備與器材數據包括主要的偽裝器材、裝備的型號和戰技指標，是偽裝方案的主要構成。偽裝知識數據包括主要的目標偽裝措施、背景數據類型、偽裝的基本原則、方法、經驗數據和敵偵察威脅數據，是偽裝方案的設計基礎。偽裝作業效率數據包括軍事大綱中偽裝措施作業能力標準，是偽裝作業計算的主要依據。偽裝作業計算規則包括偽裝資源和作業時間的計算方法，是偽裝方案作業計算的重要工具。功能層由文件管理模塊、語義匹配模塊和推理模塊組成，文件管理模塊向下實現對數據層信息本體化的管理，語義匹配模塊依據輸入目標參數匹配相應的偽裝作業計算規則。推理模塊利用偽裝作業計算規則實現偽裝作業推理計算。用戶層實現目標參數的輸入和偽裝作業計算結果的顯示。

2.3 作業規則構想

偽裝作業推理規則要能夠在偽裝目標參數已知的情況下，實現偽裝方案關鍵要素的自動生成，需要結合偽裝專業知識實現。以常見的偽裝措施遮障偽裝、迷彩偽裝和假目標偽裝為例，建立相應的偽裝作業推理規則。

遮障偽裝［13］是利用偽裝裝備或就便器材制作、設置遮障以遮蔽目標的偽裝。遮障偽裝的作業計算重點是如何確定遮障面面積，遮障面的面積與目標尺寸、周圍毗鄰物狀態、背景類型等因素有關，由于制式偽裝網為規則矩形形狀，將遮障面也近似規則矩形，遮障面面積公式如下：

式中：Lm和Wm分別為目標的長度和寬度；Hz為遮障高度，遮障高度是遮障撓度、目標高度、高度富余量和遮障凈空高度之和；K 為延長部系數，延長部系數的值與目標周圍環境狀態有關；Sz和Sh分別為毗鄰物縱向和橫向的預留孔隙。求得遮障面積后，根據偽裝網的尺寸得到偽裝網的數量，再根據所在單位的作業能力求得兵力和時間。

迷彩偽裝［14］是將涂料、顏料或其他材料直接噴涂或粘貼在目標表面，用以減小、改變目標與背景之間波譜反射、輻射特性差異而實施的偽裝。其中數碼迷彩通過“馬賽克”化的斑點組合模擬自然背景的斑駁特性［15］，也是軍事目標最為常用的迷彩類型。迷彩圖案設計是實施作業的首要環節。常用的二維迷彩圖案設計方法有隨機場分布算法［16］、空間混色程度表征方法［17、分形算法［18］、演化計算法［19］。本文采用對抗性自編碼器卷積網絡提取背景紋理特征［20］，結合傳統大斑點和背景紋理特征，通過斑點聚類算法生成數碼迷彩，并在此基礎上識別各顏色區域，計算各顏色區域在圖像中的占比。

圖6 顯示了目標所處的背景和依據背景顏色情況設計的大斑點迷彩。圖7 顯示了數碼迷彩的生成過程，通過將大斑點迷彩貼合到背景的紋理圖像上，利用斑點聚類算法生成數碼迷彩。圖8 顯示了數碼迷彩設計圖案中各顏色區域的占比，通過輸入各顏色區域的RGB 值，分割并提取數碼迷彩圖案中不同顏色區域，計算各顏色區域在數碼迷彩圖案的面積占比，從而確定各顏色涂料的數量。結合目標的迷彩表面積和作業能力進而計算出兵力、時間和所需資源量。

圖7 數碼迷彩生成過程Fig.7 Digital camouflage generation process

圖8 數碼迷彩圖案中各顏色區域占比Fig.8 Proportion of each color area in the digital camouflage pattern

假目標偽裝是模擬真目標各種暴露征候的模型或裝置的偽裝措施。其主要目的：①延長敵偵察時間，降低真目標的發現概率；②吸引敵打擊火力，提高真目標生存概率。本質來說就是以假目標的低價值換取真目標的高價值，因此，如何確定真假目標的配置比例保證實現價值交換的最大化是假目標偽裝的重要規則。在這里引入效費比模型進行分析和計算，從而實現用最小的耗費去獲得最大的作戰效能。因此引入消費比模型進行分析和計算。

式中：n 為真目標數量；m 為假目標數量；Vn為單個真目標價值；Vm為單個假目標價值；Pd為真目標的摧毀概率；Pi為假目標被敵識別的概率。令E = m n，E 為真假目標數量比，B= VnVm，B 為真假目標價值比。則式（3）轉換為

對于不同的Pd和B，分別計算出E 值和ηmax值，建立E 數量表，如表1 所示。分析表1 可知假目標偽裝的作業規則：①對表作橫向比較可知，在同一發現概率Pd下，B 越大，戰場上可設置的假目標數量越多，而此時假目標效費比值η 也越大；②對表作縱向比較可知，在B 固定時，假目標設置的數量E 值隨著發現概率Pd值的減小而減小，但是效費比η 卻反而快速上升。通過以上假目標作業規則可以將假目標數量配置問題轉換為求式（3）的極值點，即效費比值最大時，真假目標的數量比。再根據用戶輸入的作業力，計算出所需兵力和時間，生成偽裝方案輔助設計建議。

3 案例應用

為了驗證本文偽裝方案輔助設計系統的有效性，以炮兵陣地體系3 種典型軍事目標為例，具體數據如表2 所示，輸出偽裝方案設計所需要的作業計算結果，轉化為偽裝方案輔助建議。表2 中是A、B 和C 3 類目標進行偽裝方案設計推理的相關參數，由于目標的類型不同，相關參數的類型也不一樣。

表2 偽裝目標相關參數Table 2 Camouflage target related parameters

3.1 目標參數輸入和本體化實現

將表1 中3 類典型軍事目標相關參數輸入系統，利用Matlab 中的類函數實現目標本體化，圖9 為偽裝方案輔助設計系統的輸入界面。

圖9 偽裝目標相關參數輸入界面Fig.9 Camouflage target related parameters interface

表1 E（ηmax）數量表Table 1 E（ηmax）amount table

主界面主要實現偵察方式、偽裝措施、偽裝等級和偽裝目的的選擇，跳轉到相應偽裝錯數的作業計算子界面，輸入該偽裝措施作業計算所需要的目標參數。其中作業能力、資源消耗標準等參數的具體數值由用戶依據所在單位的訓練情況、執行任務時的目標情況和面臨偵察威脅情況實時輸入。并與軍事大綱標準要求做對比，數據滿足大綱要求才能有效輸入，參與方案推理。

3.2 作業規則調用和關系推理

以A，B 和C 3 類目標的輸入參數為基礎，實現偽裝方案的輔助設計需要調用遮障偽裝、迷彩偽裝和假目標偽裝的作業規則，實現偽裝方案輔助設計建議，結果如圖10～12 所示。各目標偽裝方案輔助設計結果為：采用遮障偽裝對A 目標實施二級偽裝，兵力系數8，偽裝網系數8，時間系數0.14；采用迷彩偽裝對B 目標實施二級偽裝，兵力系數7，涂料系數15，時間系數0.28；采用假目標偽裝對C 目標實施二級偽裝，兵力系數8，制式假目標系數器材系數7，時間系數0.86。

圖10 A 目標偽裝方案偽裝設計結果Fig.10 A target camouflage scheme camouflage design results

圖11 B 目標偽裝方案偽裝設計結果Fig.11 B target camouflage scheme camouflage design results

圖12 C 目標偽裝方案偽裝設計結果Fig.12 C target camouflage scheme camouflage design results

本體化的軍事目標通過偽裝方案輔助設計系統調用相應的作業規則和關系推理，生成了偽裝方案的輔助建議，主要包括兵力、時間和偽裝資源關鍵要素的定量結果，推理出的定量結果貼近偽裝部隊作業實際，因為偽裝方案的關鍵點就是確定偽裝目標所需的兵力、時間和偽裝資源，所得的定量結果可以作為偽裝方案的數據支撐，輔助指揮員對偽裝資源以及兵力的調度和偽裝任務先后順序的確定，能夠克服指揮員主觀經驗的局限性。

4 結論

通過以上研究工作，實現了偽裝目標參數的本體化設計，設計了一種能夠根據本體化的目標參數，調用偽裝作業規則的偽裝方案輔助設計系統，并將該方法應用于軍事目標偽裝中，能夠定量計算偽裝方案兵力、時間和偽裝資源關鍵要素的結果，生成偽裝方案輔助建議，所提建議結合了任務部隊實際作業能力和偽裝技術作業規則，形成了偽裝方案設計的基礎，對偽裝保障任務目標的實現有一定現實意義。后續工作將在此基礎上研究多目標多偽裝措施的偽裝方案設計，研究更為復雜條件下兵力、時間和偽裝資源的計算。