王小龍，宋裕農(nóng)，李曉丹

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引言

目前，發(fā)達(dá)國家利用信息技術(shù)的優(yōu)勢，已建立了日臻完善的反潛作戰(zhàn)體系，可全時域偵察監(jiān)視、封堵圍控和搜索圍攻潛艇，對潛艇的隱蔽和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，對潛艇傳統(tǒng)的優(yōu)勢作戰(zhàn)地位構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。其中，運(yùn)用反潛兵力、兵器進(jìn)行機(jī)動反潛是反潛戰(zhàn)的主要手段，其反潛能力直接關(guān)系到反潛作戰(zhàn)的成效，2次世界大戰(zhàn)中的反潛戰(zhàn)已充分證明了這一點(diǎn)。

其中，反潛編隊對潛艇的隱蔽、安全構(gòu)成了主要威脅，對反潛編隊對潛威脅評估已成為對潛指揮決策中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

當(dāng)前，國內(nèi)外對威脅估計有較為廣泛的研究，已經(jīng)發(fā)展出2類主要的方法［1］:一類方法是基于數(shù)學(xué)解析模型的定量計算方法，如蘭徹斯特方程、多屬性決策理論、博弈論等;另一類方法是基于人工智能理論的定性推理方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等。其中，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行威脅估計具備以下優(yōu)勢［2］:符合人類的推理模式，易于理解和開發(fā)，能夠?qū)㈩I(lǐng)域知識和專家經(jīng)驗(yàn)與戰(zhàn)場事件有機(jī)結(jié)合起來，以及在戰(zhàn)場情報不完備的情況下以已知戰(zhàn)場事件為基礎(chǔ)推斷目標(biāo)的威脅等級等。

鑒于此，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建反潛編隊對潛威脅評估網(wǎng)絡(luò)。同時，為了應(yīng)對敵情的快速變化，應(yīng)用框架理論表示貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，并保存在知識庫中，實(shí)現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前敵情從知識庫中搜索并取出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)片斷，重新構(gòu)成新的威脅推理網(wǎng)絡(luò)，提高威脅估計的速度。

1 分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 基本概念

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)變量之間的依賴關(guān)系，使用圖論方法表示變量集合聯(lián)合概率分布的圖形模型。使用二元組表示貝葉斯網(wǎng)絡(luò):B=＜G，P＞，其中:G為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，G=＜V，A＞是一個有向無環(huán)圖，V為節(jié)點(diǎn)，A為節(jié)點(diǎn)之間的因果關(guān)系。P為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的條件概率表集合。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)Vi都對應(yīng)一個條件概率表，用于表示Vi同父節(jié)點(diǎn)Pa(Vi)之間的概率關(guān)系:P(Vi/Pa(Vi))。

若Vj為Vi的非直接父節(jié)點(diǎn)，那么滿足條件獨(dú)立關(guān)系:P(Vi/Vj，Pa(Vi))=P(Vi/Pa(Vi))，即Vj和Vi在條件Pa(Vi)下相互獨(dú)立。利用這種條件獨(dú)立性，得到n個變量的聯(lián)合概率公式:

設(shè):E1，E2，E3為網(wǎng)絡(luò)輸入節(jié)點(diǎn) (葉節(jié)點(diǎn))，即輸入捕捉到的敵情信息和戰(zhàn)場事件;Ai為網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點(diǎn) (根節(jié)點(diǎn))，即反潛編隊威脅為i等級，其中i表示威脅等級，如:高、中、低等;B，C，D為網(wǎng)絡(luò)葉節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn);P(Ai/E1，E2，E3)為在獲知這些敵情信息和戰(zhàn)場事件的條件下，反潛編隊威脅在i等級 (Ai)發(fā)生的概率。那么［9］:

其中α為歸一化系數(shù)。結(jié)合式 (1)，可以求出條件概率P(Ai/E1，E2，E3)，即能夠計算出在所獲知的敵情信息和戰(zhàn)場事件的條件下，反潛編隊威脅處于i等級的概率。

1.2 分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

由于威脅估計涉及的因素多，并且呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，因此，文中引入分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)［3－4］用于構(gòu)建威脅估計網(wǎng)絡(luò)，2層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，第二層網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)于第一層網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)?shù)谝粚泳W(wǎng)絡(luò)中葉節(jié)點(diǎn)變化時，從知識庫中調(diào)取相應(yīng)的替換網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行替換即可，從而能夠很好地適應(yīng)敵情發(fā)生快速變化的情況，增強(qiáng)了威脅推理網(wǎng)絡(luò)的適用性。

圖1 分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Hierarchical Bayesian Network

2 威脅估計網(wǎng)絡(luò)

2.1 威脅產(chǎn)生原因分析

由于不同兵力存在不同的戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)以及不同的強(qiáng)點(diǎn)和弱點(diǎn)，從而導(dǎo)致了必須合同使用反潛兵力，組織戰(zhàn)術(shù)合同。從這個角度，將反潛編隊概括為:由2種以上反潛兵力組成，針對不同目標(biāo)、海域、時間和潛艇活動方法，用統(tǒng)一的意圖、計劃協(xié)同行動和統(tǒng)一指揮，從而達(dá)成搜索、跟蹤和消滅潛艇的任務(wù)。

反潛編隊 (簡稱編隊)在海上對潛艇實(shí)施搜索、定位與打擊等反潛作戰(zhàn)活動是對潛艇的安全、隱蔽構(gòu)成威脅的直接原因。由于編隊的反潛作戰(zhàn)活動是達(dá)成其意圖的手段，編隊在達(dá)成意圖的過程中產(chǎn)生了對潛艇的威脅，這是威脅產(chǎn)生的根本原因。

編隊反潛作戰(zhàn)是由其各平臺的反潛作戰(zhàn)活動具體實(shí)施的，因此編隊意圖的達(dá)成也是經(jīng)由各個平臺達(dá)成其子意圖實(shí)現(xiàn)的。換言之，編隊意圖可以分解為各平臺子意圖，編隊達(dá)成意圖的過程同樣可以分解為各個平臺達(dá)成其子意圖的過程。

由上述可知，編隊在達(dá)成意圖的過程中形成了對潛艇的威脅 (編隊威脅)，因此平臺在達(dá)成其子意圖的過程中同樣會形成對潛艇的威脅 (平臺子威脅)。意圖和威脅的關(guān)系如圖2所示。需要注意的是，編隊威脅并非是平臺子威脅簡單相加，而是將平臺子威脅作為條件，對在該條件下的編隊威脅等級進(jìn)行估計。

圖2 意圖、威脅之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between intent and threaten

無論是針對編隊還是平臺，其對潛艇的威脅都可以分為直接威脅和潛在威脅2種類型。所謂直接威脅主要是指編隊或平臺當(dāng)前的反潛行為對潛艇構(gòu)成的威脅。間接威脅是指編隊或平臺的反潛能力對潛艇構(gòu)成的威脅。將能力作為一種威脅，主要基于如下原因:

1)由于編隊反潛的特點(diǎn)是靈活、機(jī)動，根據(jù)不同的情況，其采取的反潛動作或隊形變化快，如果僅僅以當(dāng)前的反潛動作作為威脅評估的標(biāo)準(zhǔn)，顯然缺乏完整性，并可能導(dǎo)致計算結(jié)果的滯后性。

2)反潛作戰(zhàn)能力是客觀存在的，但是在實(shí)際的反潛作戰(zhàn)活動中，平臺運(yùn)用反潛手段受編隊意圖、海洋環(huán)境、作戰(zhàn)條令等因素的影響，存在其反潛作戰(zhàn)能力有所保留的情況，保留的能力越多，其潛在的威脅越大，進(jìn)行平臺威脅等級評估時，必須考慮這一因素。

3)通過戰(zhàn)場事件可以推斷編隊或平臺的狀態(tài)，但是戰(zhàn)場事件只能反映當(dāng)前編隊或平臺對潛艇的威脅程度。若當(dāng)前編隊反潛意圖弱，該編隊卻具備較強(qiáng)的反潛作戰(zhàn)能力，顯然無法得到編隊對潛威脅小的結(jié)論。因此，通過事件威脅是無法充分對編隊威脅等級進(jìn)行估計，必須考慮反潛作戰(zhàn)能力因素。

由上述可知，編隊威脅可以分解為反潛平臺威脅，因此將編隊威脅分為平臺威脅和編隊反潛能力威脅。進(jìn)一步將平臺威脅分解為平臺事件威脅和平臺反潛作戰(zhàn)能力威脅。

編隊反潛能力威脅 (簡稱編隊能力威脅)是指編隊編成、規(guī)模、協(xié)同能力以及獲取情報或火力支援的能力等對編隊反潛作戰(zhàn)產(chǎn)生制約的因素，這些因素都或多或少地對編隊反潛作戰(zhàn)的效果產(chǎn)生影響。

平臺事件威脅 (簡稱平臺事件威脅)是指敵反潛作戰(zhàn)平臺在反潛活動中出現(xiàn)雷達(dá) (聲吶)開 (關(guān)機(jī))、放 (收)拖曳聲吶、直升機(jī)起 (降)等可能對潛艇的安全、隱蔽造成威脅的戰(zhàn)術(shù)動作。

平臺事件威脅是平臺實(shí)施子意圖的具體表現(xiàn)。若編隊企圖增加發(fā)現(xiàn)、毀傷潛艇的概率，即加大其反潛強(qiáng)度，編隊中的平臺會通過一系列的戰(zhàn)術(shù)動作，來配合編隊意圖，從而構(gòu)成平臺事件威脅。

平臺反潛作戰(zhàn)能力威脅 (簡稱平臺能力威脅)是指反潛平臺的探測能力、毀傷能力、機(jī)動能力等對潛艇的安全、隱蔽構(gòu)成威脅的能力。

2.2 威脅估計網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行威脅估計，首先必須解決網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的問題。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可以通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和人工構(gòu)建2種方式進(jìn)行。由于很難獲取足夠的真實(shí)樣本數(shù)據(jù)，文中采用人工方法構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建威脅估計網(wǎng)絡(luò)需要完成確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和獲取條件概率表2個步驟的工作。其中，獲取條件概率表需要進(jìn)行專家研討產(chǎn)生結(jié)論。

編隊威脅可以分解為平臺子威脅，平臺子威脅可以進(jìn)一步分為平臺事件威脅和平臺能力威脅，因此，編隊威脅同平臺子威脅之間實(shí)質(zhì)上是典型的因果關(guān)系，且具有明顯的層次結(jié)構(gòu)。基于此，引入分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建用于威脅估計的貝葉斯網(wǎng)絡(luò) (簡稱威脅估計網(wǎng)絡(luò))。

利用上述因果關(guān)系，提出使用2層分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)威脅估計網(wǎng)絡(luò)，其有向無環(huán)圖如圖3所示。平臺事件威脅以及平臺能力威脅可以進(jìn)一步分解，其中，編隊威脅等級節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)推理終點(diǎn)，而該節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率即為編隊威脅程度。

圖3中，第一層為整體貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，表示對編隊威脅進(jìn)行初步分解，網(wǎng)絡(luò)葉節(jié)點(diǎn)為平臺威脅;第二層為替換網(wǎng)絡(luò)模塊 (簡稱替換模塊)，替換模塊以平臺威脅作為根節(jié)點(diǎn)，以相關(guān)反潛能力因素以及戰(zhàn)場事件作為子節(jié)點(diǎn)。

使用分層貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)威脅估計的優(yōu)勢在于:當(dāng)編隊編成變化時，只需根據(jù)變化選取相應(yīng)的替換網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)構(gòu)成新的威脅估計網(wǎng)絡(luò)即可，使威脅估計具備時效性、靈活性。

圖3 威脅估計網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Threat evaluation network

3 基于知識庫的威脅估計網(wǎng)絡(luò)

3.1 框架理論簡介

20 世紀(jì)70 年代初［5－8］，M.Minsky提出一種知識表示理論，稱為框架理論。從心理學(xué)的角度，人們對事物的認(rèn)識往往形成一種固定的“框框”，框架系統(tǒng)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種知識表示方法。

框架是一種表示某種固定情況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是由框架名和一組用于描述框架各方面具體屬性的槽組成。每個槽有一個槽名，槽名下面有對應(yīng)的取值，稱為槽值。在較為復(fù)雜的框架中，槽的下面還可以進(jìn)一步區(qū)分為多個側(cè)面，每個側(cè)面又可以有各自的取值，各側(cè)面從各個方面描述槽的特性。框架的一般形式如圖4所示。

圖4 框架的一般形式Fig.4 General form of the frame

3.2 基于知識庫的威脅估計網(wǎng)絡(luò)建模

圖5 框架設(shè)計示意Fig.5 Frame of the knowledge

圖5(a)所示是平臺n威脅節(jié)點(diǎn)的框架，該節(jié)點(diǎn)是替換模塊的父節(jié)點(diǎn)，因此框架中不僅僅對該節(jié)點(diǎn)的父、子以及條件概率表進(jìn)行了描述，還進(jìn)一步對替換模塊中包含的節(jié)點(diǎn) (框架節(jié)點(diǎn))進(jìn)行了描述，因此圖5(a)中所示框架即是節(jié)點(diǎn)框架同時也屬于模塊框架。圖5(b)所示框架實(shí)現(xiàn)對平臺反潛探測能力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述，屬于節(jié)點(diǎn)框架。

應(yīng)用框架理論對替換模塊進(jìn)行描述，并保存在知識庫中，當(dāng)需要調(diào)用相關(guān)知識時，就涉及到知識的搜索和匹配問題。通常情況下，首先對于搜索對象進(jìn)行描述并產(chǎn)生問題框架，然后將問題框架同知識庫中已有的框架進(jìn)行匹配，找出所有的候選框架，最后通過某種篩選機(jī)制找到所需框架。如圖5(a)中設(shè)置的兵種、平臺類型以及平臺型號等槽值的主要目的是用于框架的搜索和匹配。

基于知識庫構(gòu)建威脅估計網(wǎng)絡(luò)的一般步驟是:首先，分析和提煉敵情信息，在此基礎(chǔ)上形成問題框架，并在知識庫中搜索所需的替換模塊;其次，以上述構(gòu)建威脅估計網(wǎng)絡(luò)的方法為基礎(chǔ) (圖3所示)，將替換模塊組合起來，構(gòu)成威脅估計網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)現(xiàn)威脅推理。對于具體工程實(shí)現(xiàn)方法，已經(jīng)有多種解決途徑，比如應(yīng)用面對對象的語言、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等。

4 結(jié)語

通過對編隊對潛威脅的原因和機(jī)理的分析可知，編隊威脅、平臺威脅、平臺事件威脅以及平臺能力威脅等因素具有典型因果關(guān)系，且呈現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)，以此作為依據(jù)所構(gòu)建的威脅估計網(wǎng)絡(luò)具備較高的可信度。同時，文中引入框架理論，對替換模塊進(jìn)行描述，基于此建立了知識庫，為動態(tài)構(gòu)建威脅估計網(wǎng)絡(luò)提供了一個可行方法，增加了威脅估計網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。

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