向小梅

(91388部隊 湛江 524022)

基于SVM的艦艇自動防御體系設(shè)計*

向小梅

(91388部隊 湛江 524022)

論文針對艦艇防御現(xiàn)狀,提出了艦艇自動防御體系的概念。利用支持向量機(jī)的方法對目標(biāo)信息進(jìn)行分類,根據(jù)分類情況選擇相應(yīng)的防御策略,并對艦艇防御對抗策略的生成方式進(jìn)行了設(shè)計,同時提出了防御等級的概念。設(shè)計了防御體系的訓(xùn)練和啟用方式,根據(jù)防御等級和目標(biāo)信息啟用不同的防御策略。

自動防御; SVM; 防御策略

ClassNumberO212

1 引言

艦艇防御研究一般帶有先驗知識或者根據(jù)特定的攻擊進(jìn)行探討,如武器裝備體系化建設(shè)可以根據(jù)作戰(zhàn)使命需求,使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)[1],并利用系統(tǒng)工程的方法對整個體系進(jìn)行評價[2]。艦艇導(dǎo)彈防御屬于意識防御或者意識攻擊,因為整個過程是由指揮員和相應(yīng)的操作人員完成,艦艇所面對的是危險臨近狀態(tài),指揮員和操作人員的反應(yīng)時間已經(jīng)不允許仔細(xì)思考。如潛艇面對魚雷攻擊時,研究人員首先假定受到了魚雷攻擊,然后設(shè)計相應(yīng)的方案[3～4]。實(shí)際作戰(zhàn)當(dāng)中所面對的第一個問題是受到何種武器攻擊,是導(dǎo)彈、魚雷、水雷或者其他新型武器,艦艇如果無法識別出來,就不能拿出合理的防御方案,第二個問題是能識別出一些導(dǎo)彈、魚雷、水雷等武器,由于其高速性,反應(yīng)時間短暫,無法采用最優(yōu)對抗策略。同時在對抗仿真中一般采用導(dǎo)彈、魚雷等武器會按照設(shè)定的路線進(jìn)行攻擊[5～7],實(shí)際情況中預(yù)測這些武器的攻擊方式和攻擊路線是比較困難的。對抗方案的選取是根據(jù)一定的效能評估方法進(jìn)行比較,選擇最佳方案,由于攻防對抗信息缺乏,并具有可變性,對當(dāng)前和未來狀態(tài)的估計與預(yù)測能力有限,作戰(zhàn)效能評估也存在一系列不確定性問題。雖然有些研究人員利用證據(jù)理論[8]、模糊數(shù)學(xué)[9]、灰度理論[10]等對作戰(zhàn)效能評估,但是其算法復(fù)雜,需要一定的建模、運(yùn)算時間,對同一或相似作戰(zhàn)態(tài)勢無記憶功能。

2 艦艇防御體系

關(guān)于防御體系的論述與研究多是針對某一類型的武器或者是利用某一類型的武器,比如針對魚雷的防御和利用導(dǎo)彈進(jìn)行防御,隨著武器的不斷發(fā)展,武器的多樣性為防御提供了多元化的方式,單一的防御有效性、應(yīng)對危機(jī)的能力會越來越差。魚雷、導(dǎo)彈不但可以用來攻擊目標(biāo),還可以用作防御,武器的應(yīng)用范圍越廣,其生存概率越高。艦艇防御可以分為攻擊防御和探測防御。探測防御是利用一定的技術(shù)令敵方無法感知艦艇存在,如潛艇涂層。探測防御可以分為結(jié)構(gòu)防御和技術(shù)防御,結(jié)構(gòu)防御為艦艇自身降噪結(jié)構(gòu)、消聲涂層、消聲瓦等;技術(shù)防御則為通過技術(shù)手段改變艦艇噪聲輻射、抗雷達(dá)、聲納探測。攻擊防御是利用自身武器消除威脅的方法。而每種武器往往具有距離限制、時間限制、目標(biāo)限制,為攻擊防御的建立帶來了多樣性。防御不僅需要多樣性,而且需要能夠抗衡相應(yīng)攻擊武器的裝備或者武器,武器裝備的缺乏可能是致命的。

艦艇的生存概率往往具有一定的針對性,針對特定的環(huán)境,面對魚雷的攻擊,魚雷的攻擊方式、方位、時間等因素決定了是否能夠命中目標(biāo),單個魚雷的概率要么是0,要么是1,而下一顆魚雷的攻擊方式、方位、時間與前魚雷是不同的,所以就算兩枚魚雷屬于同種類型,但是他們的命中率未必相同,對于艦艇而言,考察其生存概率,是屬于大量數(shù)據(jù)驗證試驗,不具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價值,因為實(shí)際作戰(zhàn)情況中,各種因素的影響,生存還是毀滅是一個判斷問題。魚雷調(diào)整攻擊方式、方位、時間等,只是為了更好更快的擊中目標(biāo);艦艇調(diào)整應(yīng)對策略,只是消除威脅,并不存在現(xiàn)實(shí)上的擊中目標(biāo)概率和消除威脅的概率,因為對于魚雷,要么擊中,要么自毀;對于艦艇,不能單純的依靠對抗概率而忽略其他防御措施,所以在積極主動防御的同時,需要自動防御的協(xié)助,因為在主動防御失敗之后,威脅臨近,幾乎沒有反應(yīng)時間保障艦艇的安全。

例如潛艇在水下遇到襲擊,可能是水雷、魚雷,由于水下環(huán)境復(fù)雜,而且聲納探測受到很多干擾,目標(biāo)檢測難度大,所以當(dāng)潛艇發(fā)現(xiàn)攻擊魚雷時,自身所配備的指揮系統(tǒng)無法及時發(fā)揮作用,同時受限于探測—確認(rèn)—報告—決策—命令—發(fā)射整個過程,若每個環(huán)節(jié)都保證準(zhǔn)確無誤的話,時間成本花費(fèi)較高,同時由時間成本引發(fā)了各類后續(xù)問題,如魚雷逼近,反應(yīng)遲緩等問題,自動防御則可以很好地解決這個問題。

3 基于支持向量機(jī)的自動防御模型

本文提出自動防御,自動防御是屬于無意識防御。自動防御體系,可以根據(jù)人工智能的方法建立,如支持向量機(jī),通過一定方式訓(xùn)練,識別當(dāng)前環(huán)境與當(dāng)前威脅,并根據(jù)以往經(jīng)驗做出相應(yīng)的反應(yīng)。對于新的威脅和新環(huán)境,需要判斷。因此訓(xùn)練對于自動防御而言,變得非常重要,因為訓(xùn)練的范圍越廣泛,訓(xùn)練的強(qiáng)度越高,應(yīng)對相同或者類似的情況反應(yīng)時間越短,甚至可以稱之為機(jī)器本能。

由于艦艇在面對不同環(huán)境時,需要進(jìn)行防御的對象不同,執(zhí)行巡查任務(wù)時需要避免觸礁,而觸礁防御是基本防御,所以防御等級最低,等級越高,使用的自身武器越多,最大限度的保護(hù)自身安全。對于艦船可能同時面對導(dǎo)彈和魚雷攻擊,兩種攻擊方式是并行的,所以啟用導(dǎo)彈防御的防御等級與魚雷防御是并行的,同時艦船對于水上和水下的探測方式不同,水上依靠電磁波,水下依賴水聲傳播。

支持向量機(jī)是以統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)而建立的數(shù)據(jù)挖掘方法,可以處理時間序列分析和分類、判別等問題。其機(jī)理是尋找一個滿足要求的最優(yōu)分類超平面,保證分類精度,同時使超平面兩側(cè)空白區(qū)域最大化。針對艦船探測信號,如雷達(dá)信號、聲納信號,給定已知目標(biāo)訓(xùn)練樣本集(xi,yi),i=1,2,…,l,x表示監(jiān)測信號,y表示類別,分類超平面記為(w×x)+b=0,滿足以下約束:

yi[(w×x)+b]≥1,i=1,2,…,l

為求解該問題,SVM引入拉格朗日函數(shù):

并得到最優(yōu)分類函數(shù)

g(x)=sgn[(w*x)+b*]

根據(jù)探測信號的分類,調(diào)用相應(yīng)的對抗策略庫K={K1,K2,…,Kj},每種艦艇威脅都有相應(yīng)的對抗策略,如魚雷對抗可以選擇反魚雷魚雷或者聲誘餌,策略庫K是由相應(yīng)的指揮人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計,并根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)情況不斷調(diào)整得到的,可以形成固定的模式,例如面對遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈襲擊直接利用反導(dǎo)彈武器進(jìn)行毀滅,或者面對眾多敵機(jī)轟炸,使艦艇火炮系統(tǒng)保持攻擊防御狀態(tài)。對抗策略也可以通過仿真手段獲取,因為有些作戰(zhàn)態(tài)勢無法進(jìn)行探測,可以利用計算機(jī)對對抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行不斷模擬、仿真,進(jìn)而獲得最佳對抗策略;

4 模型訓(xùn)練

艦艇探測系統(tǒng)接收到的信號x為n維向量,進(jìn)行變換處理得到特征向量Φ(x),其中Φ表示特征提取方式。根據(jù)已知的目標(biāo)及其信號,對防御等級進(jìn)行設(shè)定,選擇已有的防御策略,如圖1所示為自動防御訓(xùn)練流程圖。

圖1 自動防御訓(xùn)練圖示

艦艇通過軍事訓(xùn)練、演習(xí)、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗、仿真等多種方式進(jìn)行訓(xùn)練,使得自動防御系統(tǒng)在接收到相應(yīng)信號,并能夠依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的比對信息,進(jìn)行有效識別,并采取及時的防御對抗策略。而防御等級是限制艦艇上的武器使用,消除由于信號誤判而做出的極端反應(yīng),保證在最有可能出現(xiàn)的環(huán)境中,啟用相應(yīng)的防御等級。比如在實(shí)際對抗中,防御等級一般升至最高,艦艇隨時都有可能受到多種武器的攻擊,而對于常規(guī)巡防任務(wù),防御等級較低,用來應(yīng)對可能發(fā)生緊迫威脅。

5 防御啟用

艦艇在防范未知威脅時,常常具有一定的針對性,比如針對魚雷或者導(dǎo)彈的探測,雷達(dá)或者聲納等探測系統(tǒng)長時間工作不僅消耗大量人力、能源,效率不高。對于突然的威脅,探測系統(tǒng)已失去應(yīng)有的功用,如何有效抵御攻擊,在指揮員下達(dá)命令以及完成相應(yīng)操作時,艦艇已經(jīng)受到攻擊。自動防御可以建立一套防御體系,一旦艦艇受到威脅,指揮員可以立即啟用相應(yīng)等級防御,迅速啟用艦艇可用防御策略對抗威脅來源。

自動防御的啟用受到防御等級和實(shí)際探測信息的限制,通過對目標(biāo)特征的分析,SVM對威脅進(jìn)行分類,并找出相應(yīng)的對抗策略,如圖2所示為自動防御啟用過程。

圖2 自動防御啟用圖示

防御策略可能是多個,實(shí)際的情況往往與經(jīng)驗有很大的不同,此時根據(jù)當(dāng)前環(huán)境對所有可用的防御策略進(jìn)行比較,選擇最佳對抗策略。不同的目標(biāo)所需要的仿真比較軟件或許不同,所以有效提取目標(biāo)信息、環(huán)境信息非常關(guān)鍵。因為艦艇不會長期處于同一種環(huán)境之下,所以防御策略會面臨不適用的情況,生成式的防御方法可以解決這個問題,前提是需要準(zhǔn)確的目標(biāo)信息與環(huán)境信息,同時需要自身各項對抗參數(shù);判別式的防御方法預(yù)先設(shè)定各項對抗參數(shù),只需要對目標(biāo)信息模糊分類便可以選擇相應(yīng)的防御方法,其缺陷是對未知威脅無法有效對抗。如果具有足夠豐富的對抗信息庫,判別式的防御方法是比較保險的,其一依賴過去成功的經(jīng)驗,其二可以忽略較多的未知因素。由于海洋環(huán)境復(fù)雜,考慮的因素越多,計算越復(fù)雜,消耗的時間越多?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的情況需要選擇合適的對抗策略選取方式,以期最佳的對抗策略與反應(yīng)速度。

艦艇利用自動防御可以節(jié)省一定的時間成本,在探測確認(rèn)時間、確認(rèn)報告時間、指揮員思考對策時間、命令下達(dá)時間、操控反應(yīng)時間和武器對抗時間上進(jìn)行節(jié)省。對于一定規(guī)模的威脅,可以利用自動防御,特別是小型、密集型攻擊,自動防御體系可以減少指揮員的工作量,使其更多地關(guān)注于大型攻擊目標(biāo)與對抗策略當(dāng)中,提高艦艇整體作戰(zhàn)效能。

6 結(jié)語

本文提出了艦艇自動防御體系的概念,對自動防御進(jìn)行了詳細(xì)闡述;利用支持向量機(jī)對艦艇探測信號進(jìn)行分類,根據(jù)相應(yīng)的分類選擇合適的對抗策略;并對艦艇防御對抗策略的生成方式進(jìn)行了設(shè)計,根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)經(jīng)驗和對抗仿真建立對抗策略庫;本文對防御策略的訓(xùn)練和啟用進(jìn)行了設(shè)計,對策略庫的選擇方式進(jìn)行了分析,簡要說明了生成式和判別式的優(yōu)缺點(diǎn)。下一步的工作是選取具體的水面艦船或者潛艇,根據(jù)實(shí)際需要和實(shí)際情況,建立相應(yīng)的自動防御體系模型,并對其進(jìn)行檢驗。

[1]徐培德,譚東風(fēng).武器系統(tǒng)分析[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2001:6-8.

[2]梁彥剛,唐國金,陳磊.武器裝備體系對抗的一種研究方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2007,29(8):1305-1308

[3]周雪松,程健慶,苗艷.潛艇對空投魚雷的防御模型研究[J].指揮控制與仿真,2011,33(1):43-46.

[4]高學(xué)強(qiáng),楊日杰.運(yùn)用遺傳算法的反魚雷對抗優(yōu)化方案研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2010,31(10):1286-1292.

[5]王斯福,強(qiáng)文義.基于PSO的軟殺傷對抗條件下反艦導(dǎo)彈捕捉概率優(yōu)化研究[J].兵工學(xué)報,2008,29(6):730-708.

[6]劉躍峰,張安,康敏旸.基于攻防對抗仿真的防區(qū)外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(21):6019-6022.

[7]楊麗,張明敏,郭巖.一種艦機(jī)聯(lián)合反對抗的方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,21(9):2554-2556.

[8]齊照輝,劉雪梅.基于證據(jù)理論的導(dǎo)彈對抗防御雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估方法[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2010,30(1):173-777.

[9]Kulak O, Kahraman C. Fuzzy multi-attribute selection among transportation companies using axiomatic design and analytic hierarchy process[J]. Information Sciences,2005,170(24):191-210.

[10]孫超,唐政.基于灰色層次分析法的水聲對抗系統(tǒng)效能評估[J].兵工學(xué)報,2012,33(4):432-436.

[11]高東華,章新華.艦艇規(guī)避策略對魚雷捕獲概率影響的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2001,13(3):348-349.

[12]丁世飛,齊丙娟,譚紅艷.支持向量機(jī)理論與算法研究綜述[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2011,40(1):2-10.

AutomaticDefenseSystemDesignofShipsandSubmarinesBasedonSupportVectorMachine

XIANG Xiaomei

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Automatic defense system of ships and submarines is advanced aimed at the defense status of ships and submarines. Support vector machine(SVM)is used to assort the target information, and defense tactics are chose based on the assorted situation. Generated mode of counterplots is designed, and at the same time the definition of defense levels is advised. The mode of training and start-up of defense system is designed. Based on the defense levels and target information different defense tactic starts.

automatic defense, support vector machine, defense tactics

2013年10月3日,

:2013年11月28日

向小梅,女,碩士,工程師,研究方向:信號處理。

O212DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.007