劉顯光,張曉豐,苗青林,高楊軍,秦丕勝
(空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院,西安,710051)
隨著世界武器裝備的不斷發(fā)展和各國軍事戰(zhàn)略的調(diào)整,航空制導(dǎo)彈藥成為實現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)的重要武器。航空制導(dǎo)彈藥相對于其他彈藥而言具有造價高、數(shù)量少和保障要求高等特點,因此對于航空制導(dǎo)彈藥實施精細(xì)化保障日益成為軍方關(guān)注的焦點。航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測是通過對過往航空制導(dǎo)彈藥在日常戰(zhàn)備值班中的使用壽命消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對未來航空制導(dǎo)彈藥使用消耗趨勢展開預(yù)測,從而為部隊提前籌劃航空制導(dǎo)彈藥使用計劃提供一定的數(shù)據(jù)支撐。
對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗進(jìn)行預(yù)測通??梢圆扇?shù)輸入預(yù)測和時間序列預(yù)測兩種方式。其中,參數(shù)輸入預(yù)測通過分析航空制導(dǎo)彈藥使用消耗的影響因素,輸入未來時間段內(nèi)的影響因素參數(shù)來預(yù)測航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗。田德紅等人將訓(xùn)練次數(shù)、訓(xùn)練天數(shù)、出動飛機(jī)架次、參與訓(xùn)練人數(shù)以及彈藥儲備量當(dāng)作輸入?yún)?shù),分別構(gòu)建了基于鄰域粗糙集與支持向量機(jī)的航空彈藥消耗預(yù)測模型[1]和基于變異粒子群優(yōu)化與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航空彈藥消耗預(yù)測模型[2]。愈杰等人利用反向傳播網(wǎng)絡(luò)(back propagation, BP)對彈藥需求與打擊目標(biāo)和毀傷程度等相關(guān)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行仿真分析,揭示了彈藥需求與外部因素的非線性關(guān)系[3]。而時間序列預(yù)測主要是通過分析航空制導(dǎo)彈藥使用消耗時間序列數(shù)據(jù)的特征分布,映射出消耗量在時間先后順序上的相關(guān)性,并借此預(yù)測其未來的發(fā)展趨勢。目前,常用的時間序列預(yù)測方法有自回歸移動平滑法(auto-regressive moving average model, ARMA)[4]、灰色理論[5]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]等。周浩結(jié)合GM(1,1) 模型和灰色馬爾可夫模型對航空器材消耗這類隨機(jī)時間序列展開預(yù)測[7];周一鳴等人根據(jù)2007-2016年某型航空彈藥保障裝備器材消耗量的實際數(shù)據(jù),建立了航空彈藥保障裝備器材消耗量的二次指數(shù)平滑模型[8]。
以上對航空彈藥及保障器材的消耗預(yù)測均屬于確定性預(yù)測,即通過給出一條確定的點預(yù)測曲線來刻畫預(yù)測情況。而對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗開展預(yù)測,必須考慮到其實際條件:一是航空制導(dǎo)彈藥造價高,必須充分利用每枚彈藥的使用壽命,對預(yù)測的精度要求更高;二是航空制導(dǎo)彈藥數(shù)量少,其使用消耗主要是指在日常戰(zhàn)備值班中等級起飛以及地面檢測中造成的使用壽命消耗,其數(shù)據(jù)量也相對較少;三是航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗受地區(qū)形勢影響強(qiáng),數(shù)據(jù)隨機(jī)性高。因此,對于航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗預(yù)測考慮到其數(shù)據(jù)特點和預(yù)測要求,僅給出一條確定性的點預(yù)測曲線來準(zhǔn)確反映航空制導(dǎo)彈藥使用壽命消耗規(guī)律難以實現(xiàn)[9]。
置信區(qū)間估計是一種常用的不確定性處理手段,它用概率區(qū)間來描述預(yù)測值的不確定性,使用置信度來評估預(yù)測的可靠性[10]。通過置信區(qū)間估計能更好地涵蓋航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測過程中的不確定性,提升預(yù)測結(jié)果可信性。本文結(jié)合點預(yù)測誤差數(shù)據(jù)對航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗進(jìn)行置信區(qū)間估計,為航空制導(dǎo)彈藥使用消耗提供了一種切實可行的預(yù)測方法。
由于支持向量回歸(support vector regression, SVR)模型在非線性、小樣本和隨機(jī)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)預(yù)測方面表現(xiàn)較好[11],故考慮采用SVR方法對航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗情況進(jìn)行點預(yù)測。同時由于SVR模型的參數(shù)直接影響預(yù)測結(jié)果的好壞,利用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization, PSO)算法對SVR模型參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),提高模型的預(yù)測性能。
SVR常用來解決小樣本、非線性回歸問題,它在支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)的基礎(chǔ)上引入松弛變量的方式,按照結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確擬合。
對于給定的航空制導(dǎo)彈藥歷史使用消耗數(shù)據(jù){(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)};其中,xi表示第i個時間序列,yi表示第i個時間序列的航空制導(dǎo)彈藥使用消耗情況,則SVR回歸函數(shù)為:
y=w·φ(x)+b
(1)
式中:w為權(quán)重向量;φ(x)為某一固定的非線性映射;b為偏置量。
按照結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化原則,則SVR優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為最小化線性風(fēng)險泛函問題:
yi-wTφ(xi)-b≤ε+ξ
yi-wTφ(xi)-b≤ε+ξ
(2)
式中:wTw表示樣本的復(fù)雜程度;c為懲罰系數(shù);ξ和ξ*為松弛因子;ε為不敏感損失系數(shù)。利用拉格朗日乘子法,上述問題可以演變?yōu)椋?/p>
(3)
(4)
在SVR預(yù)測問題中,需要引入懲罰系數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)σ,這些參數(shù)的取值對預(yù)測結(jié)果有很大影響,必須選擇合適的參數(shù)來對航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗進(jìn)行預(yù)測。
PSO算法思想來源于對鳥類捕食行為的模仿。假設(shè)每個個體具有初始的位置x0和速度v0,算法通過跟蹤每個個體與自身最優(yōu)解p和群體最優(yōu)解pg的位置關(guān)系來迭代尋優(yōu),粒子迭代過程如下:
(5)
用PSO算法對SVR進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),步驟如下。
Step1初始化粒子群,確定位置參數(shù)、粒子速度以及懲罰系數(shù)和核函數(shù)參數(shù)的取值范圍,并設(shè)定慣性因子和最大迭代次數(shù)。
Step2計算每一個粒子適應(yīng)度值。由于是對懲罰系數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)σ尋優(yōu),所以適應(yīng)度函數(shù)可以選?。?/p>
(6)
Step3更新自身最優(yōu)解pi和群體最優(yōu)解pg。利用式(5)和(6)更新粒子的位置、速度和適應(yīng)度值,將每一個粒子更新后的適應(yīng)度值與其經(jīng)過的最好位置pi和所有粒子經(jīng)過的最好位置pg進(jìn)行比較,如果優(yōu)于pi和pg,則用該粒子位置代替。
Step4判斷是否達(dá)到終止條件。若達(dá)到,則輸出全局最優(yōu)解的位置即最優(yōu)懲罰系數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)σ;若未達(dá)到,則轉(zhuǎn)至Step 3繼續(xù)迭代。
由于SVR模型的預(yù)測精度和航空制導(dǎo)彈藥使用過程中的各種不確定因素,預(yù)測結(jié)果和實際結(jié)果之間往往存在一定誤差,而誤差的累計會對后續(xù)航空制導(dǎo)彈藥的使用決策造成影響。為了規(guī)避不確定因素(航空制導(dǎo)彈藥在使用保障環(huán)節(jié)中的不確定性、日常戰(zhàn)備起飛的消耗時間不確定性和預(yù)測模型不確定性等)和累計誤差帶來的影響,全面描述航空制導(dǎo)彈藥使用消耗方面的不確定性,在點預(yù)測基礎(chǔ)上利用誤差不確定信息,采取置信區(qū)間估計預(yù)測,使未來實際使用消耗值落入某一置信度下的預(yù)測區(qū)間內(nèi),為后續(xù)彈藥使用決策提供更充足的信息。
航空制導(dǎo)彈藥壽命通常包括日歷壽命和使用壽命。日歷壽命是指航空制導(dǎo)彈藥的儲存年限,隨日歷時間而均勻消耗;使用壽命通常包括通電時間和起落次數(shù),主要是在航空制導(dǎo)彈藥擔(dān)負(fù)日常戰(zhàn)備值班任務(wù)中由于等級起飛和地面檢測產(chǎn)生相應(yīng)消耗。
由于日常戰(zhàn)備值班任務(wù)中等級起飛事件發(fā)生的不確定性,為了客觀描述航空制導(dǎo)彈藥的日常使用消耗情況,以季度為單位統(tǒng)計航空制導(dǎo)彈藥使用壽命消耗數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)整理過程中剔除輪戰(zhàn)消耗、履歷文件缺失和大規(guī)模地面檢測等特殊情形。
以某區(qū)域某時間段航空制導(dǎo)彈藥使用消耗的季度通電時間數(shù)據(jù)為參考(共收集整理出60個樣本數(shù)據(jù),其中選取前50個作為訓(xùn)練集,后10個作為測試集),對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫密處理后,構(gòu)建航空制導(dǎo)彈藥使用消耗數(shù)據(jù)樣本。
采用第1節(jié)中SVR模型和SVR-PSO模型分別對訓(xùn)練集進(jìn)行預(yù)測,可以得到航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測值與其真實值的預(yù)測誤差情況,如圖1所示。
圖1 航空制導(dǎo)彈藥使用消耗點預(yù)測誤差對比情況
從圖1中可以看出,PSO算法尋優(yōu)后的SVR模型對真實值擬合效果更好,更能準(zhǔn)確反映航空制導(dǎo)彈藥使用壽命消耗情況。
(7)
為了方便對誤差進(jìn)行統(tǒng)計分析,本文用相對誤差來描述航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差的統(tǒng)計特性,對誤差進(jìn)行歸一化處理:
(8)
式中:e′為測試集中任意航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測值與其真實值的相對誤差;emin和emax分別為訓(xùn)練集中所有時間節(jié)點內(nèi)航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差中最小值與最大值。
使用SVR-PSO模型預(yù)測航空制導(dǎo)彈藥使用消耗的誤差分布及相對誤差情況如圖2所示。
(a)誤差分布直方圖
從圖2可知,在某些時間節(jié)點上,點預(yù)測誤差波動較大,分析發(fā)現(xiàn)該類時間節(jié)點的誤差波動是由于上級機(jī)關(guān)安排及地區(qū)形勢變化所引起。該類樣本點雖然會影響點預(yù)測模型的預(yù)測性能,但其可以進(jìn)一步說明預(yù)測過程中的不確定性,為后續(xù)區(qū)間預(yù)測提供更多的不確定預(yù)測誤差邊界信息。
一般來說,預(yù)測誤差服從一定的數(shù)學(xué)分布規(guī)律,真實值往往在預(yù)測值周圍分布。而要計算航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測的誤差概率分布,第一步往往是確定其誤差概率密度曲線[12]。
求解概率密度曲線的方法可以分為參數(shù)估計和非參數(shù)估計[13]。其中,參數(shù)估計需先假定航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差服從某一特定數(shù)學(xué)模型,再用已知樣本估計參數(shù),常用的數(shù)學(xué)模型包括正態(tài)分布、β分布和極值分布等。非參數(shù)估計不需要事先假定模型,而是直接根據(jù)已知樣本信息估計航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗預(yù)測誤差的概率密度,因而非參數(shù)方法比參數(shù)法更能反映樣本的真實情況,常用的非參數(shù)估計有最近鄰函數(shù)法、核密度估計法和樣條函數(shù)法等。
分別使用參數(shù)估計法和非參數(shù)估計法對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行概率密度曲線擬合,誤差擬合結(jié)果見圖3。
圖3 不同估計方法概率密度估計曲線
由圖3可知,由于航空制導(dǎo)彈藥預(yù)測誤差數(shù)據(jù)兩端存在一定的波峰分布(點預(yù)測過程中預(yù)測誤差波動較大的時間節(jié)點),與參數(shù)估計中事先假定的數(shù)學(xué)分布存在較大偏差,非參數(shù)估計法對上述航空制導(dǎo)彈藥預(yù)測誤差數(shù)據(jù)的擬合程度優(yōu)于其他參數(shù)估計法,能更好的反映航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差數(shù)據(jù)的概率密度分布情況。核密度估計法(kernel density estimation, KDE)是一種利用核函數(shù)基于有限數(shù)據(jù)元來評估總體數(shù)據(jù)分布的非參數(shù)估計法,其基于誤差的核密度估計表達(dá)式為:
(9)
式中:h為帶寬;N為樣本數(shù);ei為航空制導(dǎo)彈藥使用預(yù)測誤差樣本;K(·)為指定核函數(shù),主要有高斯核函數(shù)、三角核函數(shù)和Box核函數(shù)等。
對核密度估計法而言,性能的好壞主要是由選取的核函數(shù)類型和帶寬取值決定的。當(dāng)數(shù)據(jù)樣本量足夠大時,核函數(shù)類型選取對估計結(jié)果影響不大。而對于帶寬取值而言,必須綜合考慮擬合度和光滑性,帶寬過大或過小都會影響最終結(jié)果的估計精度[14]。從期望積分平方誤差(mean intergrated squared error, MISE)最小的角度可以求得最佳帶寬h:
(10)
(11)
(12)
當(dāng)核函數(shù)和樣本數(shù)量確定之后,就可以得到最佳帶寬h。
使用核密度估計法進(jìn)行誤差區(qū)間預(yù)測時,一般根據(jù)核密度概率函數(shù),給定置信度1-η來求解置信區(qū)間。具體求解過程可參考文獻(xiàn)[15],最終得到預(yù)測置信區(qū)間:
(13)
式中:el和eu分別表示置信度為1-η時的誤差下限和上限:
(14)
式中:F-1(·)為累計概率分布函數(shù)的反函數(shù),即對于F-1(λ)有P{x≤F-1(λ)}=λ。
對于核密度估計法而言,第2.3節(jié)中選擇置信區(qū)間通常采用對稱概率區(qū)間,即α1=η/2、α2=1-η/2。但實際上α1和α2的取值并不唯一,給定任一置信度對應(yīng)著無數(shù)個置信區(qū)間選擇。當(dāng)預(yù)測概率密度曲線不是對稱或單峰時,對稱概率區(qū)間往往不是最合適的置信區(qū)間,尤其在現(xiàn)代許多時間序列預(yù)測模型中,時間序列呈現(xiàn)非線性或非正態(tài)分布,此時,預(yù)測概率密度通常也是非對稱或多模態(tài)的。在這種情形下,使用最高密度域法(highest-density regions, HDRs)可以得到更為合適的預(yù)測區(qū)間[16]。
由2.3節(jié)中核密度估計法對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測誤差進(jìn)行估計,可以得到其概率密度曲線圖4(核函數(shù)為高斯核函數(shù),帶寬h=4.579 1),可以看出其分布不是對稱或單峰分布,此時適合采用HDRs來選擇置信區(qū)間。
圖4 航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測概率密度曲線
最高密度域是指給定置信度下所占據(jù)密度最高的區(qū)域[17],通常滿足:①在給定置信度的置信區(qū)間內(nèi),HDRs占據(jù)樣本空間最??;②HDRs內(nèi)點的函數(shù)值不小于該區(qū)域外點的函數(shù)值。由此可得在置信度為1-η時,其最高密度域選取置信區(qū)間為:
Rη={x:fX(x)≥fη}
(15)
式中:fη為滿足P{X∈Rη}≥1-η的最大值。
由于HDRs占據(jù)樣本空間最小,當(dāng)給定置信度1-η時,只要計算出fη,就可以得出最高密度域的范圍[17]。根據(jù)HDRs占據(jù)最小樣本空間和密度最高的特點,利用HDRs選擇置信區(qū)間可以為航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測提供更為精確具體的預(yù)測區(qū)間。
以第2.1節(jié)中航空制導(dǎo)彈藥使用消耗數(shù)據(jù)為研究對象,采用MATLAB R2019a對數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗分析。
考慮不確定因素的航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測最終是要為決策者提供未來一段時間內(nèi)航空制導(dǎo)彈藥的使用消耗可能情況,即航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測的悲觀值(置信區(qū)間上限)、理想值(點預(yù)測值)和樂觀值(置信區(qū)間下限)。因此,對于預(yù)測效果的評價應(yīng)分別考慮理想值預(yù)測(點預(yù)測)和區(qū)間預(yù)測結(jié)果的好壞,采用以下3個指標(biāo)來對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測進(jìn)行評價。
1)均方誤差(mean squred error, MSE。式中簡記EMSE)。表示預(yù)測值與真實值之間的差異程度,其值越小,表明點預(yù)測模型預(yù)測精度越高:
(16)
2)決定系數(shù)(R-Square)。 用來判斷點預(yù)測模型對數(shù)據(jù)的擬合效果,其值越大,表明其擬合效果越好:
(17)
3)單位區(qū)間覆蓋率(coverage per unit interval, CPUI)。表示給定置信度下置信區(qū)間對真實值的覆蓋情況與區(qū)間寬度的比值,其值越大,說明區(qū)間預(yù)測模型的單位區(qū)間覆蓋率越高:
(18)
為了驗證SVR模型對航空制導(dǎo)彈藥歷史使用消耗數(shù)據(jù)的預(yù)測效果,將其與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18]和ARMA模型[17]進(jìn)行對比實驗。其中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和ARMA模型參數(shù)設(shè)置見表1。
表1 模型參數(shù)設(shè)置
ARMA模型中p、q參數(shù)的確定是基于BIC(式中簡記為CBIC)準(zhǔn)則(Bayesian information criterion, BIC)確定:
CBIC=lnn-2lnm
(19)
式中:n為模型中參數(shù)的個數(shù);m為模型的極大似然函數(shù)值。
利用這3類模型在測試集中對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗情況的預(yù)測結(jié)果來比較模型預(yù)測效果,預(yù)測結(jié)果如圖5所示。
圖5 測試集模型預(yù)測性能對比情況
從圖5可以看出,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVR-PSO擬合效果相較于ARMA模型預(yù)測效果較好,這說明對于非線性,小樣本和隨機(jī)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)而言,ARMA表現(xiàn)欠缺,進(jìn)一步比較預(yù)測性能指標(biāo)MSE和R2的結(jié)果見表2。
表2 點預(yù)測評價結(jié)果
從這兩個性能指標(biāo)數(shù)值來看,SVR-PSO模型對于航空制導(dǎo)彈藥使用消耗數(shù)據(jù)而言,預(yù)測精度優(yōu)于其他兩種模型。因此,在SVR-PSO模型的基礎(chǔ)上對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗開展不確定性預(yù)測可以得到更為合適的理想?yún)^(qū)間。
按照2節(jié)中所述方法對航空制導(dǎo)彈藥使用消耗進(jìn)行區(qū)間預(yù)測。
給定置信度1-η=75%時,對SVR模型分別選取概率對稱區(qū)間和最高密度域,將得到的置信區(qū)間同BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及ARMA模型結(jié)合最高密度域得到的置信區(qū)間進(jìn)行區(qū)間預(yù)測效果對比,預(yù)測結(jié)果如圖6、表3所示。
(a)SVR置信度75%對稱概率預(yù)測區(qū)間
表3 區(qū)間預(yù)測評價結(jié)果
從圖6和表3中可以看出通過最高密度域選取的置信區(qū)間與對稱概率區(qū)間相比,在保證預(yù)測覆蓋率的前提下盡可能減少了區(qū)間的寬度,從而縮小了航空制導(dǎo)彈藥使用消耗區(qū)間預(yù)測的不確定性;同時,由單位區(qū)間覆蓋率可以看出,SVR-HDRs在航空制導(dǎo)彈藥使用消耗數(shù)據(jù)預(yù)測方面相較其他模型性能更好。
近年來,由于缺少對航空制導(dǎo)彈藥的使用壽命消耗預(yù)測研究,隨著戰(zhàn)備強(qiáng)度的不斷提升,航空制導(dǎo)彈藥使用消耗需求日益增大,航空制導(dǎo)彈藥在使用安排上矛盾問題突出,造成航空制導(dǎo)彈藥實際使用壽命浪費。本文結(jié)合航空制導(dǎo)彈藥歷史使用消耗數(shù)據(jù)特點開展預(yù)測,提供了一種科學(xué)合理的航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測方法,為后續(xù)航空制導(dǎo)彈藥使用安排提供了理論借鑒,主要結(jié)論如下:
1)SVR-PSO對于小樣本、非線性和隨機(jī)性強(qiáng)的航空制導(dǎo)彈藥使用消耗數(shù)據(jù)而言,相較其他時間序列預(yù)測模型預(yù)測性能更好;
2)在點預(yù)測的基礎(chǔ)上,從誤差不確定性的角度出發(fā),給出了能夠反映未來航空制導(dǎo)彈藥使用消耗的概率性預(yù)測區(qū)間,為后續(xù)制定彈藥使用計劃提供了理論參考;
3)依據(jù)HDRs理論對核密度估計中的區(qū)間選擇進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明HDRs選擇的置信區(qū)間,在指定置信度下可以得出更小的區(qū)間寬度并同時擁有相對更好的區(qū)間覆蓋率。
本文給出了航空制導(dǎo)彈藥使用消耗的點預(yù)測模型以及利用誤差數(shù)據(jù)的區(qū)間預(yù)測模型,但在航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測過程中,僅考慮誤差不確定性不足以反映航空制導(dǎo)彈藥使用消耗預(yù)測過程中的不確定性,后續(xù)應(yīng)當(dāng)考慮更多因素,優(yōu)化預(yù)測模型,提供更為科學(xué)合理的預(yù)測結(jié)果。