基于最大相似度的潛艇戰(zhàn)場態(tài)勢評估*

胡正兵 夏佩倫

(海軍潛艇學院 青島 266071)

1 引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展,戰(zhàn)場態(tài)勢評估已逐漸成為國內(nèi)外軍事決策專家研究的熱點。目前在態(tài)勢評估領域研究的較多的算法主要有:模板技術、專家系統(tǒng)、黑板模型、貝葉斯網(wǎng)絡技術等,其中文獻[1～2]運用貝葉斯網(wǎng)絡技術進行戰(zhàn)場態(tài)勢評估,建立了一種理論上對戰(zhàn)場態(tài)勢評估較完美的方法,但是貝葉斯網(wǎng)絡技術用于態(tài)勢評估時,需要建立各種態(tài)勢模式的先驗概率以及各種態(tài)勢模式與觀測證據(jù)間的聯(lián)合概率表,這種先驗概率和聯(lián)合概率表戰(zhàn)術專家是很難給出的[3]。文獻[3]采用模式識別和層次分析法的基本方法,通過建立待識別意圖特征量與已知意圖模式特征分量的標準值的相似度計算模型來確定兩者之間的總相似度。本文正是在文獻[3]研究結果的基礎上,針對相似度計算模型適用范圍有限的問題,提出利用歐式距離的基本理論方法將戰(zhàn)術專家知識與戰(zhàn)場觀測數(shù)據(jù)相匹配的方法,從而得出當前敵我態(tài)勢的評估結果。此方法除簡便、易于工程實現(xiàn)外,還具有適用范圍廣的特點。

2 戰(zhàn)場態(tài)勢評估問題的描述

戰(zhàn)場態(tài)勢評估是根據(jù)目標實時數(shù)據(jù)與有關情況通報,以及作戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)規(guī)律與原則、兵力兵器特點、環(huán)境要素,逐步推斷目標作戰(zhàn)企圖的過程。一般包括信息獲取、特征提取、態(tài)勢推理等環(huán)節(jié)[4]。在海戰(zhàn)場上,戰(zhàn)場態(tài)勢是由態(tài)勢因素組成的,我們總可以通過提取、分析態(tài)勢因素來得到對戰(zhàn)場態(tài)勢的評估結果。因此,戰(zhàn)場態(tài)勢可以用態(tài)勢要素的狀態(tài)序列來加以表征。用以評估敵作戰(zhàn)態(tài)勢的信息主要來自潛艇本身觀測系統(tǒng)得到的敵對艦艇類別、屬性、航向、航速等信息,以及上級、友鄰的敵情通報和海區(qū)水文氣象條件等。

3 基本思想及方法步驟

戰(zhàn)場態(tài)勢評估是一個高度依賴領域知識的識別問題,因此離開一定的作戰(zhàn)背景及在此背景下的專家知識,戰(zhàn)場態(tài)勢的評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戰(zhàn)術專家知識,以及將戰(zhàn)場觀測數(shù)據(jù)與這些知識相匹配的方法,以實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的評估[3]。

為了將戰(zhàn)場觀測數(shù)據(jù)與戰(zhàn)術專家知識相匹配,即為了求出戰(zhàn)場觀測數(shù)據(jù)與戰(zhàn)術專家知識的相似程度,我們可以把某時刻目標態(tài)勢的屬性信息表示為向量,用距離測度來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)場態(tài)勢要素特征分量量綱。特定作戰(zhàn)背景下,分析出戰(zhàn)場態(tài)勢模式ck下的態(tài)勢要素特征向量X的標準值X*=(,,…,)。標準值X*的分量并非僅指特定的值,它還包括一個離散或連續(xù)的取值范圍。例如,水面艦艇在執(zhí)行攻潛任務時,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,航速太大則引起螺旋槳噪音太大,不利于探測潛艇,但是這一范圍內(nèi)的某值是與實際情況最相符的,我們定義為最大相似值,在計算中常以此值來表示標準值;而某些特征事件,它又是一些特定的值,例如水面艦艇主動聲納或雷達開機與否,開機用“1”表示,沒有開機則用“0”表示。不同的態(tài)勢模式具有不同的標準值。

2)確定戰(zhàn)場態(tài)勢要素各特征分量的權重。各傳感器的功能不同、工作環(huán)境不同,導致了在同一時刻不同空域的傳感器對態(tài)勢模式識別的支持程度不同。因此,在融合過程中必須確定各態(tài)勢要素特征分量的權重。

借助層次分析法的有關思想[5],可得到權重的計算模型。對于某類態(tài)勢模式,當其n個態(tài)勢要素成對比較時,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)量級亦相差很大。為了消除這兩個物理量的不同量綱對求解的影響,我們將每一類鄰近度都轉化至[0,1]區(qū)間。因為每次都是在兩個特征向量之間求取距離測度,所以我們用如下方法對鄰近度進行轉化:

式(4)輸出結果為一個[0,1]之間的值,表示探測信息與標準值之間的相異程度。再利用公式:

求出兩者之間的相似度,該相似度即為探測目標與指示目標匹配結果。

4 應用舉例

4.1 戰(zhàn)術背景

根據(jù)上級通報,某海域發(fā)現(xiàn)敵護航運輸編隊,編隊內(nèi)有驅護艦若干艘,并配有反潛飛機若干架,上級要求潛艇視情突破敵警戒幕進行攻擊。

4.2 態(tài)勢評估過程

由于敵護航編隊配有反潛直升機,其反潛能力較強,貿(mào)然反動攻擊不但達不到目的,反而會暴露自己。因此,攻擊之前進行戰(zhàn)場態(tài)勢的評估就顯得尤為重要。

敵護航編隊在該海域主要受潛艇威脅,其編隊內(nèi)驅護艦必然側重于反潛。根據(jù)戰(zhàn)術專家的知識,設編隊內(nèi)驅護艦相對于潛艇的態(tài)勢集合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)勢要素主要有敵我距離(海里)、敵航向(度)、敵速度(節(jié)),當然還包括某些特征事件,例如雷達是否開機、艦殼主動聲納是否開機等。以敵驅護艦在反潛搜索態(tài)勢模式下為例,由戰(zhàn)術專家給出此態(tài)勢模式下以上幾種態(tài)勢要素的標準值X*=(10,270,10,1,1),設經(jīng)探測護航編隊警戒艦艇態(tài)勢要素信息可量化為X=(12,260,12,0,1)。然后各態(tài)勢要素根據(jù)重要程度進行比較,由專家根據(jù)經(jīng)驗給出相對重要程度,設為(3,5,7,1)(二元特征向量視為一個態(tài)勢要素),規(guī)范化計算得到權重:

同理可得觀測特征態(tài)勢要素與其他態(tài)勢模式的相似度,取其中相似度最大者,即為此刻潛艇戰(zhàn)場態(tài)勢的評估結果。

5 結語

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分析得到的特征量與各種態(tài)勢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。另外,利用歐式距離的方法來求取相似度較自己建立模型來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)則庫和繁瑣的知識搜索推理技術,只需要確定態(tài)勢要素特征量的標準值,以及通過將各特征分量進行成對比較確定權值,這些戰(zhàn)術專家都是容易確定的,在工程上也比較容易實現(xiàn),對態(tài)勢評估理論的發(fā)展具有一定的實際意義。不足之處就是領域專家只是從理論上進行分析從而得出結論,且實際的作戰(zhàn)資料難以獲得,所以本文的方法與實際作戰(zhàn)情況還有一定的距離。

[1]程寶,王寶樹,李偉生.貝葉斯網(wǎng)絡在態(tài)勢估計中的應用[J].計算機工程與應用,2002(23):206～208

[2]李偉生,王寶樹.基于貝葉斯網(wǎng)絡的態(tài)勢評估[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2003,25(4):480～483

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

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

[5]趙煥臣.層次分析法[M].北京:科學出版社,1986