基于代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的目標(biāo)意圖識(shí)別方法

楊晨光，宋紹梅，范盤(pán)龍

(1.軍事科學(xué)院，北京 100091；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074；3.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072)

1 引言

在現(xiàn)代化空中對(duì)抗[1-2]中，每個(gè)行動(dòng)單元必然會(huì)有自己相應(yīng)的行動(dòng)意圖[3-4]，為了完成提前選定的行動(dòng)意圖，每一架飛機(jī)定會(huì)做出一系列與自身意圖相適應(yīng)的飛行計(jì)劃。因此我方可以不斷通過(guò)機(jī)載傳感器[5]獲取對(duì)方戰(zhàn)機(jī)的位置、狀態(tài)等信息，根據(jù)敵方飛機(jī)的飛行計(jì)劃反推出其行動(dòng)意圖。然而，信息技術(shù)的不斷發(fā)展使戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)演變速度不斷加快，意圖識(shí)別正面臨新的挑戰(zhàn)。面對(duì)海量有缺失的、模糊性的，甚至是帶有欺騙性的或是錯(cuò)誤的戰(zhàn)場(chǎng)信息，指揮員根本分析不出其中隱藏的關(guān)鍵態(tài)勢(shì)，而帶有錯(cuò)誤或欺騙性的戰(zhàn)場(chǎng)信息會(huì)使得傳統(tǒng)的模板匹配方法難以識(shí)別出敵方目標(biāo)的行動(dòng)意圖。針對(duì)這些問(wèn)題本文將多類(lèi)別三支決策方法引入到目標(biāo)意圖識(shí)別中，以解決意圖識(shí)別中的不確定性問(wèn)題。三支決策[6-7]是近年來(lái)提出的一種處理不確定信息的理論，是一種從決策粗糙集[8]演變而來(lái)的模型。三支決策可以將具有隨機(jī)性、模糊性等特點(diǎn)的不確定信息作為輸入，根據(jù)一定的評(píng)價(jià)函數(shù)和閾值對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)，將一個(gè)統(tǒng)一的集合劃分成3個(gè)互不相交的區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域制定不同的決策方案，以達(dá)到充分利用每一個(gè)區(qū)域分類(lèi)結(jié)果的目的。三支決策與傳統(tǒng)的二支決策相比，在接受和拒絕兩種決策之外給出了第三種選擇：延遲決策[9-10]，從而避免了直接接受或者拒絕帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，具有很好的理論價(jià)值。

三支決策理論是在Pawlak[11]粗糙集和概率粗糙集基礎(chǔ)上由Yao Yiyu[12]教授提出的，該理論在傳統(tǒng)的二支決策中加入了延遲決策，將原有論域一分為三，這樣擁有充分信息的屬性對(duì)象會(huì)被迅速分類(lèi)，而信息數(shù)據(jù)證據(jù)不足以正確分類(lèi)的屬性對(duì)象則等待以進(jìn)一步區(qū)分，暫時(shí)延遲處理。該決策方法以人和機(jī)器決策的區(qū)別為出發(fā)角度，考慮到機(jī)器決策非黑即是白的決策結(jié)果不能處理復(fù)雜的不確定性問(wèn)題的缺點(diǎn)，通過(guò)引入延遲決策，將決策論域一分為三。三支決策的主要思想就是參考了人類(lèi)對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題的認(rèn)知過(guò)程，人在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，對(duì)于較為容易的問(wèn)題會(huì)很快得出結(jié)論，對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題則會(huì)反復(fù)思考、來(lái)回糾結(jié)，甚至?xí)驗(yàn)樾畔⒉蛔愣舆t決策或者不決策。如若有條件，則會(huì)等待新的信息做進(jìn)一步分析，這個(gè)認(rèn)知過(guò)程的決策不像機(jī)器一樣苛刻死板。因此，三支決策理論可以較好的處理復(fù)雜問(wèn)題和不確定性問(wèn)題[13]。

2 目標(biāo)意圖識(shí)別

意圖識(shí)別是通過(guò)分析各種所得信息來(lái)分析說(shuō)明對(duì)方在某個(gè)行動(dòng)上所要實(shí)行的計(jì)劃和設(shè)想，而軍事上的意圖識(shí)別是指我方戰(zhàn)場(chǎng)武器通過(guò)探測(cè)敵方目標(biāo)信息并進(jìn)行融合處理，從而判斷或預(yù)測(cè)敵方的行動(dòng)設(shè)想、行動(dòng)計(jì)劃。一般意義上的目標(biāo)意圖識(shí)別過(guò)程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)意圖識(shí)別過(guò)程示意圖Fig.1 Sketch map of intention recognition process

空中戰(zhàn)場(chǎng)有很多種情況，每種情況都似乎能找到合理的理論解釋?zhuān)腋鞣N情況之間會(huì)相互交織，因此，空中對(duì)抗中敵我雙方都會(huì)想盡辦法通過(guò)各種手段來(lái)掩飾、隱瞞己方的行動(dòng)，或者制造一些假象欺騙對(duì)方，以達(dá)到隱真示假的目的。造成這些情況的原因有以下幾點(diǎn)：

1) 空中對(duì)抗戰(zhàn)術(shù)規(guī)則多種多樣。空中對(duì)抗規(guī)則靈活多樣，比如敵方戰(zhàn)機(jī)可以從側(cè)面攻擊，也可以從下面突然偷襲，尤其是多機(jī)對(duì)多機(jī)空中對(duì)抗時(shí)，這種規(guī)則的變化就更為明顯。

3) 意圖識(shí)別問(wèn)題隨時(shí)間動(dòng)態(tài)改變。空中對(duì)抗雙方目標(biāo)狀態(tài)都在迅速改變，行動(dòng)中目標(biāo)意圖就有可能改變，這說(shuō)明了動(dòng)態(tài)性會(huì)是意圖識(shí)別問(wèn)題的一個(gè)特征。

敵方意圖雖然難于推斷，但其意圖總會(huì)在行動(dòng)上與某些事件相關(guān)聯(lián)，或者說(shuō)一定的意圖會(huì)有一定的行動(dòng)，通過(guò)目標(biāo)行動(dòng)就可以反推出其行動(dòng)意圖，這也是意圖識(shí)別的基礎(chǔ)。

2 多類(lèi)別三支決策意圖識(shí)別數(shù)學(xué)模型

多類(lèi)別三支決策信息系統(tǒng)定義為

IS=(A,B∪C,D,f)

(1)

(2)

其中:x表示A中的對(duì)象，Pr(Cj|x)表示對(duì)象x的屬于Cj的條件概率，(αj,βj)作為決策類(lèi)Cj的三支決策閾值，由以下公式給出:

式中：λPP(Cj),λNP(Cj),λBP(Cj)表示x∈Cj時(shí)，將對(duì)象x放入Cj的正域、負(fù)域和邊界域時(shí)的損失函數(shù)值，λPN(Cj),λNN(Cj),λBN(Cj)表示x∈(Cj)C時(shí)，將對(duì)象x分別放入Cj的正域、負(fù)域和邊界域時(shí)的損失函數(shù)值。

3 代價(jià)敏感三支決策目標(biāo)意圖識(shí)別模型

此次項(xiàng)目實(shí)踐驗(yàn)證了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)民居建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)及潛力，但在項(xiàng)目施工過(guò)程中出現(xiàn)的一些狀況也反映了前期項(xiàng)目設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，值得反思。

如表1所示為多類(lèi)別三支決策的代價(jià)矩陣。該模型的基礎(chǔ)仍然是代價(jià)敏感性，即不同分類(lèi)有著不同的決策代價(jià)，分類(lèi)的最終結(jié)果是選擇誤分類(lèi)代價(jià)最小的那一種情況。

表1 多類(lèi)別中的三支決策代價(jià)矩陣Table 1 Three-branch decision cost matrices in multiple classes

與傳統(tǒng)三支決策的誤分類(lèi)代價(jià)損失值的設(shè)置相同，正確分類(lèi)的誤分類(lèi)代價(jià)應(yīng)該為0，即λii=0。設(shè)pi為目標(biāo)行動(dòng)意圖為意圖i的先驗(yàn)概率，其值由目標(biāo)的特征信息和意圖識(shí)別知識(shí)庫(kù)得出，則計(jì)算將樣本分類(lèi)到n個(gè)不同意圖類(lèi)別中的風(fēng)險(xiǎn)損失，有：

Loss(C1|x)=p1×0+p2×λ21+…+

pn×λn1=Pr(x)*Λ1

Loss(C2|x)=p1×λ12+p2×0+…+

pn×λn2=Pr(x)*Λ2

? ?

Loss(Cn|x)=p1×λ1n+p2×λ2n+…+

pn×0=Pr(x)*Λn

(4)

其中，Λi為三支決策代價(jià)矩陣的第i列。

與傳統(tǒng)的多類(lèi)別三支決策方法相比，無(wú)論目標(biāo)的特征信息是否完整充分，基于代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的目標(biāo)意圖識(shí)別模型在每一個(gè)識(shí)別階段都能計(jì)算出誤分類(lèi)代價(jià)損失值最小的那一種意圖分類(lèi)，從而得到唯一的識(shí)別結(jié)果，避免了意圖識(shí)別結(jié)果沖突，雖然減少了代價(jià)損失值參數(shù)的設(shè)置，避免了沖突結(jié)果的產(chǎn)生，但是該模型卻缺失了三支決策中極為重要的延遲域，即延遲決策。因此，為了彌補(bǔ)基于代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的目標(biāo)意圖識(shí)別模型中多類(lèi)別三支決策延遲域缺失的這一狀況，本文引入誤分類(lèi)代價(jià)第二最小損失的分類(lèi)結(jié)果作為延遲域的備選選項(xiàng)。設(shè)FDC為具有最小風(fēng)險(xiǎn)決策代價(jià)的意圖類(lèi)別，SDC為具有第二最小風(fēng)險(xiǎn)決策代價(jià)的意圖類(lèi)別，則有：

FDC=min(Loss(Cj|x)) ,j=1,2,…,n

SDC=min(Loss(Cj|x)) ,j=1,2,…,n,j≠FDC

(5)

在原來(lái)的意圖識(shí)別中，F(xiàn)DC是意圖識(shí)別的最終結(jié)果，但加入了SDC之后，如果FDC的值不明顯低于SDC時(shí)，則FDC就不能作為一個(gè)可靠的選擇，此時(shí)應(yīng)該將{FDC,SDC}作為當(dāng)前決策的邊界域。

FDC是否作為可靠的決策結(jié)果，取決于FDC和SDC的比率。設(shè)給定信任閾值α，如果有：

(6)

如果FDC滿(mǎn)足式(6)，則說(shuō)明FDC和SDC的比率大于給定的信任閾值，F(xiàn)DC可作為決策結(jié)果。否則，暫時(shí)將{FDC,SDC}作為當(dāng)前決策的邊界域，以進(jìn)一步進(jìn)行延遲決策。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

行動(dòng)想定：設(shè)定目標(biāo)的空間初始位置為(75,85,7)，單位；初始速度為270 m/s；初始方位角為-90°，朝Y軸負(fù)方向飛行，俯仰角為0°；目標(biāo)當(dāng)前正在執(zhí)行偵察搜索任務(wù)。我方飛機(jī)的空間初始位置為(5,10,6)，單位；初始速度為240 m/s；初始方位角為50°，俯仰角為0°。

圖2是雙方飛機(jī)的空中對(duì)抗三維軌跡圖，紅方表示我機(jī)，藍(lán)方表示敵機(jī)。在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，我機(jī)便開(kāi)始跟蹤目標(biāo)，不斷獲取目標(biāo)的信息。

圖2 空中對(duì)抗軌跡圖Fig.2 Air confrontation trajectory

表2是代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的代價(jià)矩陣。目標(biāo)行動(dòng)意圖識(shí)別結(jié)果如圖3所示。

表2 多類(lèi)別代價(jià)矩陣Table 2 Multi-class cost matrix

圖3 意圖識(shí)別結(jié)果示意圖Fig.3 Sketch of intention recognition results

由圖2可知，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)我方飛機(jī)后開(kāi)始靠近我方，我方飛機(jī)迅速做出反應(yīng)，開(kāi)始跟進(jìn)并驅(qū)趕目標(biāo)，當(dāng)敵我距離比較近時(shí)，目標(biāo)選擇避開(kāi)，避免與我方飛機(jī)正面接觸，可以看出目標(biāo)很可能執(zhí)行抵近偵察任務(wù)。在圖3中，縱軸表示意圖識(shí)別的損失值，損失值越小，意圖可能性就越大。由圖3可知，在意圖識(shí)別前期，由于我方獲取的目標(biāo)信息有限，各個(gè)意圖識(shí)別結(jié)果的損失值都很相近，而到識(shí)別的中期，目標(biāo)信息不斷明確，意圖識(shí)別結(jié)果也開(kāi)始逐漸清晰，到識(shí)別后期，偵察意圖的損失值最小，意圖識(shí)別結(jié)果為偵察意圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合空中對(duì)抗實(shí)際情況。

5 結(jié)論

本文針對(duì)三支決策方法識(shí)別結(jié)果最終可能存在識(shí)別結(jié)果沖突或者根本識(shí)別不出意圖的問(wèn)題，提出一種基于代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的目標(biāo)意圖識(shí)別方法，在每一個(gè)識(shí)別階段都能計(jì)算出誤分類(lèi)代價(jià)損失值最小的那一種意圖分類(lèi)，從而得到唯一的識(shí)別結(jié)果，避免了意圖識(shí)別結(jié)果沖突，同時(shí)，引入誤分類(lèi)代價(jià)第二最小損失的分類(lèi)結(jié)果作為延遲域的備選選項(xiàng)，解決了識(shí)別結(jié)果可能存在識(shí)別結(jié)果沖突或者根本識(shí)別不出意圖的問(wèn)題，由仿真實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證本文所提出的基于代價(jià)敏感多類(lèi)別三支決策的意圖識(shí)別方法的有效性。