黃海明

(北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841)

艦艇防空目標(biāo)威脅評(píng)估研究概述*

黃海明

(北京西三環(huán)中路19號(hào) 北京 100841)

目標(biāo)威脅評(píng)估是影響艦艇防空作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵技術(shù)之一,其正確性和準(zhǔn)確性極大的影響著艦艇防空的效果。論文分析了艦艇防空目標(biāo)威脅評(píng)估的概念和常用方法,并對(duì)目前目標(biāo)威脅評(píng)估中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析。云模型技術(shù)可以定性概念與定量數(shù)值之間的不確定轉(zhuǎn)換,作為目標(biāo)威脅評(píng)估的技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,基于云模型的威脅評(píng)估方法也得到了較全面的介紹。

威脅評(píng)估; 艦艇防空; 威脅等級(jí); 云模型

Class Number TP301.6

1 引言

海上對(duì)空防御作戰(zhàn)中,水面艦艇為了有效對(duì)付空中目標(biāo),需要利用有限的防空武器系統(tǒng)資源,使其殺傷目標(biāo)的概率達(dá)到最大或者殺傷目標(biāo)數(shù)量的數(shù)學(xué)期望達(dá)到最大[1]。火力分配成為提升艦艇防空效能的關(guān)鍵技術(shù)之一。目標(biāo)威脅評(píng)估作為防空武器系統(tǒng)火力分配的基本依據(jù),其正確性和準(zhǔn)確性極大地影響著艦艇防空的效果。目標(biāo)威脅程度是指敵方目標(biāo)對(duì)防空武器系統(tǒng)保衛(wèi)目標(biāo)的威脅程度,或?qū)Ψ揽瘴淦飨到y(tǒng)保衛(wèi)目標(biāo)實(shí)施攻擊的可能程度[2]。威脅評(píng)估是對(duì)敵方目標(biāo)威脅程度的量化過(guò)程,指揮控制決策的重要前提。在信息融合模型中,目標(biāo)威脅評(píng)估也被稱(chēng)之為影響評(píng)估[3～5],一般認(rèn)為屬于決策級(jí)信息融合。它是在低層傳感器完成對(duì)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤等處理后,再經(jīng)過(guò)態(tài)勢(shì)覺(jué)察、態(tài)勢(shì)理解和預(yù)測(cè)后,對(duì)所得的處理結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行評(píng)估,為制定決策收集和分析情報(bào)、確定敵我威脅水平所進(jìn)行的高層信息處理過(guò)程。目標(biāo)威脅評(píng)估是艦艇對(duì)空防御研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)威脅評(píng)估技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究,許多理論和方法用于目標(biāo)威脅評(píng)估,取得了豐富的研究成果。

2 目標(biāo)威脅評(píng)估研究?jī)?nèi)容

威脅評(píng)估的目的是確定敵方武器裝備、兵力結(jié)構(gòu)部署等對(duì)我方形成威脅的程度或等級(jí)。威脅評(píng)估一般采用如圖1所示的三級(jí)功能模型[6],包含三個(gè)主要步驟:威脅要素提取、威脅度量化、威脅等級(jí)確定。

1) 威脅要素提取。目標(biāo)在攻擊時(shí),首先要有攻擊防空武器系統(tǒng)所保護(hù)艦艇的意圖,然后對(duì)受保護(hù)艦艇進(jìn)行攻擊,這里涉及目標(biāo)攻擊武器系統(tǒng)所保護(hù)艦艇的可能性。在攻擊目標(biāo)過(guò)程中,目標(biāo)受保護(hù)艦艇的毀傷效果與目標(biāo)毀傷能力、目標(biāo)突防概率等因素有關(guān)。因此,艦艇防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)時(shí),主要從三大方面來(lái)考慮空中目標(biāo)威脅程度[2,7]:目標(biāo)攻擊意圖、目標(biāo)攻擊可能性、目標(biāo)攻擊能力。目標(biāo)威脅程度影響因素如圖2所示,這些因素通常需要由武器系統(tǒng)所在艦艇依靠自身探測(cè)跟蹤設(shè)備進(jìn)行探測(cè)和分析。

圖1 目標(biāo)威脅評(píng)估三級(jí)功能模型

圖2 目標(biāo)威脅影響要素分析

2) 威脅度量化。威脅要素的量化是在所提取的威脅要素基礎(chǔ)上,應(yīng)用某種定量或者定性到定量的轉(zhuǎn)換方法,計(jì)算某個(gè)要素或若干個(gè)相關(guān)聯(lián)的要素所產(chǎn)生的威脅程度的大小。

3) 威脅等級(jí)確定。威脅等級(jí)確定是對(duì)威脅度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的綜合,通過(guò)對(duì)各威脅要素的威脅度進(jìn)行權(quán)衡,按照威脅源對(duì)我方目標(biāo)可能產(chǎn)生的破壞或威脅程度進(jìn)行分類(lèi),確定其所屬的威脅級(jí)別。

3 威脅評(píng)估主要方法及存在的問(wèn)題

3.1 主要方法介紹

國(guó)內(nèi)外對(duì)威脅評(píng)估進(jìn)行了較深入的研究,采用的主要方法可分為兩大類(lèi)[6]:一類(lèi)是基于數(shù)學(xué)解析模型的定量計(jì)算方法,如Lanchester方程[8]、多屬性決策理論[9]、對(duì)策論[10]、案例推理[11]、時(shí)空推理[12]、工作域方法[13]等。這一類(lèi)方法的特點(diǎn)是計(jì)算快速簡(jiǎn)單,其中多屬性決策理論是迄今應(yīng)用最為普遍的一種方法。另一類(lèi)則是基于人工智能理論的定性推理方法。如模糊邏輯方法[14]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[16]、專(zhuān)家系統(tǒng)[17]、支持向量機(jī)[18]、基于知識(shí)推理的方法[19]。這類(lèi)方法多需要引入專(zhuān)家知識(shí)構(gòu)建規(guī)則或推理網(wǎng)絡(luò),其主要特點(diǎn)是推理過(guò)程與人類(lèi)思維相似。而隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展,一些新理論、新方法也應(yīng)用于威脅評(píng)估,例如云模型技術(shù),從不同角度對(duì)現(xiàn)有的威脅評(píng)估方法進(jìn)行改進(jìn)以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

1) 多屬性決策理論

多屬性決策理論又稱(chēng)為有限方案多目標(biāo)決策。其應(yīng)用的首要問(wèn)題是確定決策方案集和屬性集。每一個(gè)威脅目標(biāo)可以看作一個(gè)備選方案,多個(gè)威脅目標(biāo)就構(gòu)成決策的方案集,而威脅要素則構(gòu)成決策的屬性集。然后利用層次分析法等建立目標(biāo)威脅評(píng)估模型,得出決策矩陣,通過(guò)某種偏好集結(jié)方法對(duì)各方案即目標(biāo)威脅程度進(jìn)行排序。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠綜合考慮定性與定量的威脅要素信息,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單快速,但在決策過(guò)程中需要確定屬性的權(quán)重,受主觀因素影響較大。因此,要求使用者對(duì)威脅評(píng)估問(wèn)題的本質(zhì)和威脅因素的內(nèi)在關(guān)系十分清楚。它經(jīng)常與模糊集、證據(jù)推理等其他方法結(jié)合使用。此外,影響威脅評(píng)估的屬性因素值可能具有不確定性,甚至有些目標(biāo)屬性值無(wú)法獲得,造成信息不完全,此時(shí)多屬性決策方法不能很好地用于威脅評(píng)估。

2) 模糊邏輯方法

在語(yǔ)義描述上,經(jīng)典的康托爾集合只能描述“非此即彼”的確定概念,而模糊集合引入隸屬度函數(shù),可以描述外延不分明的“亦此亦彼”的模糊概念。由于威脅評(píng)估中需要考慮一些定性的指標(biāo),這些指標(biāo)通過(guò)語(yǔ)言變量描述,往往具有模糊性,利用隸屬度函數(shù)將戰(zhàn)場(chǎng)信息模糊化處理,得到定性的表示,然后根據(jù)特定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理,并去模糊化得到威脅等級(jí)定量表示。該方法的處理過(guò)程類(lèi)似人類(lèi)自然語(yǔ)言推理。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Χ亢投ㄐ灾笜?biāo)采用統(tǒng)一的處理與表示,容易理解和解釋推理過(guò)程。難點(diǎn)是隸屬度函數(shù)的選擇,以及如何建立適當(dāng)?shù)哪：?guī)則。

3) 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)也稱(chēng)為置信網(wǎng)絡(luò)、因果網(wǎng)絡(luò),是基于概率分析和圖論的一種不確定性推理模型。推理模型采用網(wǎng)絡(luò)描述事件和假想之間的相互關(guān)系,以條件概率矩陣描述節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)模型,可以從觀測(cè)到的事件出發(fā),逐層推理,最終得到假想的威脅狀態(tài)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在知識(shí)表達(dá)和不確定性信息處理方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),通過(guò)圖形結(jié)構(gòu)表征因果關(guān)系,既符合人類(lèi)思維模式,能很好地描述威脅評(píng)估中眾多因素之間的相互關(guān)系,也可反映威脅評(píng)估的連續(xù)性和累積性,但它需要提供多方面的先驗(yàn)知識(shí)和后驗(yàn)知識(shí)才可進(jìn)行推理,并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立一般都是離線的,缺乏有效的依據(jù)。

4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

一般采用前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它具有良好的自適應(yīng)能力、自學(xué)習(xí)能力和高度線性和非線性映射能力。它主要根據(jù)所提供的實(shí)例數(shù)據(jù),通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,找出輸入與輸出的內(nèi)在聯(lián)系,從而求取問(wèn)題的解。它具有一定的自適應(yīng)功能,能夠處理那些有噪聲或不完全的數(shù)據(jù),具有泛化功能和很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。而且它是一種并行分布式處理方法,所以速度較快。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的選取和收斂性分析還缺乏一定的理論依據(jù),并且難以對(duì)推理過(guò)程給出合理性解釋。

5) 知識(shí)推理方法

知識(shí)推理方法在威脅評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用還處于試探階段,一般采用專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)解決威脅評(píng)估問(wèn)題。首先采集領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑年P(guān)于戰(zhàn)場(chǎng)威脅的經(jīng)驗(yàn)判斷知識(shí),由認(rèn)知學(xué)專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行整理,通過(guò)一定的表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)威脅知識(shí)庫(kù)。然后通過(guò)推理策略根據(jù)獲得的威脅源信息運(yùn)用專(zhuān)家知識(shí)進(jìn)行推理,并在必要時(shí)向用戶提供解釋。它的難點(diǎn)在于知識(shí)獲取和知識(shí)的表示。優(yōu)點(diǎn)是充分利用了豐富的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí),對(duì)問(wèn)題的推理過(guò)程能夠提供良好的解釋機(jī)制,有利于人機(jī)交互。如果能夠采用合理的知識(shí)獲取和表示方法,并結(jié)合其他威脅評(píng)估理論,它將是一種非常有前途的方法。

3.2 存在的問(wèn)題

上述威脅評(píng)估的理論、方法各有所長(zhǎng),將其應(yīng)用于艦艇防空目標(biāo)威脅評(píng)估時(shí)存在的問(wèn)題主要有:

1) 忽略了戰(zhàn)場(chǎng)不確定性對(duì)威脅評(píng)估的影響。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中,敵方會(huì)針對(duì)我方實(shí)施各種電子干擾、攔截、欺騙等戰(zhàn)術(shù)措施,即便我方具有很強(qiáng)的情報(bào)信息獲取能力也無(wú)法保證能夠獲取所有必要的確定的威脅源信息。因此,很難對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)威脅做出有效的判斷?，F(xiàn)有的威脅評(píng)估方法如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、D-S證據(jù)推理等,只考慮到信息的隨機(jī)性,但戰(zhàn)場(chǎng)信息還包括了大量的模糊性。戰(zhàn)場(chǎng)信息的隨機(jī)性和模糊性使得戰(zhàn)爭(zhēng)中的不確定性大大增強(qiáng),這也使得單一的威脅評(píng)估方法難以處理這類(lèi)信息。

2) 將威脅評(píng)估作為一個(gè)孤立的過(guò)程進(jìn)行處理。根據(jù)信息融合的模型可以發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)逐級(jí)遞進(jìn)的信息處理過(guò)程,威脅評(píng)估處于決策級(jí)的高層。現(xiàn)有的理論方法大都忽略了信息融合前面各級(jí)的處理過(guò)程,將威脅評(píng)估作為單獨(dú)的過(guò)程進(jìn)行處理,而沒(méi)有充分利用目標(biāo)估計(jì)和態(tài)勢(shì)評(píng)估的結(jié)果。

3) 威脅評(píng)估模型缺乏可信度。雖然威脅評(píng)估模型繁多,但是對(duì)模型本身的可信度研究較少。因此很難對(duì)威脅評(píng)估結(jié)果的可信度進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。同時(shí)由于模型的戰(zhàn)場(chǎng)想定較為簡(jiǎn)單,威脅評(píng)估模型缺乏工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。

4 基于云模型的威脅評(píng)估技術(shù)

云模型是由我國(guó)李德毅院士于1995年提出[20],它能把模糊性和隨機(jī)性有機(jī)地結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的不確定轉(zhuǎn)換。不確定性推理是威脅評(píng)估研究的關(guān)鍵問(wèn)題,模糊性和隨機(jī)性是不確定性的兩個(gè)主要方面,前文所述的威脅評(píng)估方法大都不能兼顧信息的隨機(jī)性和模糊性。云模型理論作為一種不確定性轉(zhuǎn)換模型能夠綜合考慮模糊性和隨機(jī)性,將其應(yīng)用到威脅評(píng)估中可有效提高其處理能力。目前,基于云模型的威脅評(píng)估技術(shù)已經(jīng)得到初步的研究,如文獻(xiàn)[21～22]將云模型運(yùn)用于目標(biāo)威脅等級(jí)評(píng)估,并通過(guò)對(duì)依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得到的對(duì)定性概念評(píng)估的隸屬云圖的貝葉斯修正,通過(guò)加權(quán)綜合的方法得到評(píng)估云圖,較好地解決威脅評(píng)估問(wèn)題。

1) 艦艇防空目標(biāo)威脅評(píng)估屬性云模型

艦艇防空目標(biāo)威脅評(píng)估屬性云模型可由目標(biāo)威脅評(píng)估屬性集合進(jìn)行云模型轉(zhuǎn)換得到,如圖3所示。

圖3 空中目標(biāo)威脅評(píng)估屬性云模型

在空中目標(biāo)威脅評(píng)估屬性云模型中,定義了三個(gè)云群,分別是威脅度云群、一級(jí)屬性云群、二級(jí)屬性云群。三個(gè)云群下定義了攻擊意圖云族、攻擊可能性云族、攻擊能力機(jī)會(huì)云族等一級(jí)屬性云族,和目標(biāo)類(lèi)型云族、干擾能力云族、空襲樣式云族等二級(jí)屬性云群。通過(guò)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的云發(fā)生器,可以得到充分考慮到目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)的模糊性和隨機(jī)性的威脅評(píng)估模型。

2) 基于云推理的目標(biāo)威脅評(píng)估方法

模糊概念是客觀事物的本質(zhì)屬性在人腦中的反映,模糊性的根本原因是客觀事物的差異之間存在中間過(guò)渡,即亦此亦彼的現(xiàn)象。在威脅評(píng)估中,目標(biāo)數(shù)據(jù)往往都具有一定的模糊性,因此,模糊方法是解決威脅評(píng)估不確定性的有效方法之一?；谀：评淼哪繕?biāo)威脅評(píng)估方法[22],前提是根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的物理意義,建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù),將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化;再根據(jù)模糊化的觀測(cè)數(shù)據(jù)與推理規(guī)則,按照一定的推理方法進(jìn)行推理,得到模糊的威脅度表示;最后,對(duì)威脅度模糊集進(jìn)行解模糊處理。參照模糊推理方法的五個(gè)步驟,圖4給出了云推理方法基本流程圖。

圖4 云推理方法基本流程圖

空中目標(biāo)信息具有的隨機(jī)性和模糊性特點(diǎn),利用云模型進(jìn)行知識(shí)表達(dá),在現(xiàn)有威脅評(píng)估方法研究上進(jìn)行了廣泛探索和嘗試,將云模型理論與現(xiàn)有方法有機(jī)結(jié)合,形成更為有效的威脅評(píng)估算法。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著各種反艦精確制導(dǎo)武器的不斷發(fā)展和廣泛使用,未來(lái)海戰(zhàn)中水面艦艇將面臨著多方向、多批次的飽和空襲。對(duì)空中目標(biāo)威脅評(píng)估是艦艇進(jìn)行火力分配的基礎(chǔ),明確空襲目標(biāo)的攻擊企圖可以有效提高艦艇對(duì)空防御的作戰(zhàn)效率。對(duì)空中目標(biāo)威脅評(píng)估一直是艦艇指揮員進(jìn)行作戰(zhàn)指揮著重關(guān)注的問(wèn)題,直接關(guān)系到指揮員對(duì)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的理解。影響到指揮員作戰(zhàn)方案的制定和實(shí)施,是艦艇指揮員進(jìn)行復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)判斷,組織火力分配、射擊指揮決策的基礎(chǔ),評(píng)估結(jié)果的合理性與準(zhǔn)確性決定著防御行動(dòng)的有效程度。

威脅評(píng)估技術(shù)已經(jīng)得到廣泛研究,但應(yīng)用于工程實(shí)踐時(shí)仍存在諸如忽略戰(zhàn)場(chǎng)不確定性、將威脅估計(jì)作為孤立過(guò)程來(lái)考慮、威脅評(píng)估模型缺乏可信度等一些問(wèn)題。在威脅評(píng)估中充分利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理,并在評(píng)估模型中引入學(xué)習(xí)能力以保持對(duì)問(wèn)題求解的適應(yīng)性,是提升評(píng)估有效性和可信度的一個(gè)途徑。未來(lái)威脅評(píng)估技術(shù)的研究重點(diǎn)一方面要集中在對(duì)各種類(lèi)型威脅源的威脅要素建模上,另一方面則是要有機(jī)結(jié)合定量和定性的理論方法,加強(qiáng)人機(jī)交互,提高處理的有效性和可信度。云模型理論作為一種不確定性轉(zhuǎn)換模型能夠綜合考慮模糊性和隨機(jī)性,在目標(biāo)威脅評(píng)估技術(shù)中引入云模型理論可較好地解決威脅評(píng)估問(wèn)題,是研究的一個(gè)重要方向。威脅評(píng)估是一項(xiàng)反復(fù)而艱難的工作,由于未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性使得威脅評(píng)估充滿了不確定性,將使上述每一個(gè)步驟都更加困難。因此需要不斷地對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)和綜合考慮,充分利用先進(jìn)科學(xué)成果,將新理論、方法融入到整個(gè)過(guò)程中,提升威脅評(píng)估功能的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

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Review on the Threat Evaluation for the Warship Air Defense

HUANG Haiming

(No.19 Central Xisanhuan Road, Beijing 100841)

Threat evaluation is one of the key technologies for the air defense of warship. Its correctness and accuracy greatly affects the performance of the air defense. The main methods of threat evaluation analysis currently used are discussed in this paper. The existing problems of the target threat evaluation are analyzed. As an important development direction, the method based on cloud model which is effective in the uncertain convert of the qualitative concepts and quantify magnitude has been relatively comprehensive introduced.

threat evaluation, air defense, threat level, cloud model

2014年5月6日,

2014年6月27日 作者簡(jiǎn)介:黃海明,男,碩士,工程師,研究方向:電子信息工程。

TP301.6

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.002