陳 霞

（北京西三環(huán)中路19號 北京 100841）

1 引言

高技術(shù)條件下的海上對空防御作戰(zhàn)具有突發(fā)性高、持續(xù)時間短、作戰(zhàn)空間大等特點，艦艇面對的空中攻擊威脅程度也日益加?。阂环矫?，多批次、多層次、全方位、高密度、多種類、飽和式空襲是艦艇面臨空中攻擊的主要特征；另一方面，低空掠海隱身目標(biāo)、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等新型攻擊武器具有雷達(dá)散射截面小、機動性高、射程遠(yuǎn)、制導(dǎo)精度高、低空突防性能強、破壞威力大等特點，這些武器的多批次輪番式攻擊可對艦艇構(gòu)成嚴(yán)重威脅［1］。面對如此復(fù)雜的海戰(zhàn)場環(huán)境，傳統(tǒng)的單艦平臺作戰(zhàn)體系已無法適應(yīng)現(xiàn)代海戰(zhàn)需求，以航母編隊為體系的多艦艇協(xié)同作戰(zhàn)模式應(yīng)運而生，并已形成了新的海戰(zhàn)體系。在新的海戰(zhàn)體系下，強調(diào)了防空的信息化和自動化，美軍網(wǎng)絡(luò)中心站的思想和多次局部戰(zhàn)爭中的實踐為新形勢下的作戰(zhàn)提供了新的思路［2］。面對復(fù)雜多變的海戰(zhàn)場，需要加強防空輔助決策技術(shù)研究，對目標(biāo)預(yù)警探測、威脅判斷、武器資源分配等進(jìn)行合理有效的運用，其中艦艇編隊防空敵方目標(biāo)攻擊意圖估計作為編隊威脅判斷的重要組成部分，是進(jìn)行空中來襲目標(biāo)分析的重要內(nèi)容，可以輔助指揮員進(jìn)行海戰(zhàn)場態(tài)勢的整體把握，合理地進(jìn)行后續(xù)的武器火力安排和調(diào)度，從而提高整體作戰(zhàn)效能［3］。

目前，進(jìn)行敵方來襲目標(biāo)攻擊意圖估計的方法很多，主要包括多屬性決策理論、模糊邏輯法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等［4～6］。本文借鑒貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在不確定知識表達(dá)和推理領(lǐng)域中的優(yōu)勢，結(jié)合海戰(zhàn)場多源傳感器提供的實時、準(zhǔn)實時輔助信息，研究了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的敵方目標(biāo)攻擊意圖綜合估計方法。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)又稱信度網(wǎng)、因果網(wǎng)或概率網(wǎng)，其原理是利用具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向圖表達(dá)各個信息要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及影響程度，用節(jié)點變量表達(dá)各個信息要素，用連接節(jié)點之間的有向弧表達(dá)各個信息要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，用條件概率矩陣表達(dá)各個信息要素之問的影響程度［7］。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)是Thomas Bayes在1763年給出的Bayes定理。一個Bayes網(wǎng)絡(luò)可以看作一個概率專家系統(tǒng)，由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和每個節(jié)點的局部條件概率表兩部分組成。圖1為一個典型的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個具有N個節(jié)點的有向無環(huán)圖，有向無環(huán)圖中的每個節(jié)點代表離散的隨機變量，可以是各種待求解的推理問題的抽象；連接節(jié)點的有向邊代表了節(jié)點之間的因果關(guān)系。條件概率表反映了變量之間關(guān)聯(lián)性的局部概率分布情況，表達(dá)了子節(jié)點同其父節(jié)點的相關(guān)關(guān)系。沒有任何父節(jié)點的條件概率為其先驗概率。有了節(jié)點及其相互關(guān)系（有向邊）、條件概率表，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)就可以表達(dá)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的聯(lián)合概率，并可以根據(jù)先驗概率信息或某些節(jié)點的取值（獲取的證據(jù)）計算其它任意節(jié)點的概率信息，即進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推理。

圖1 典型的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是基于圖形模式的變量間概率分布的表示方法，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)穩(wěn)固，語義形象直觀，被廣泛應(yīng)用于不確定性知識表示和推理等方面。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)綜合考慮了先驗信息和樣本數(shù)據(jù)，充分利用了專家知識和先驗經(jīng)驗知識，可以綜合地進(jìn)行定量分析和定性分析。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前貝葉斯網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人工智能和專家系統(tǒng)中的一個研究熱點，在軍事決策領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［8］。

3 目標(biāo)攻擊意圖評估

3.1 目標(biāo)攻擊意圖

空中目標(biāo)攻擊意圖是進(jìn)行防空目標(biāo)威脅估計的重要參考依據(jù)。一般來說，目標(biāo)攻擊意圖是指敵方目標(biāo)攻擊意向或決心，即根據(jù)防空武器系統(tǒng)防空作戰(zhàn)特點確定敵方目標(biāo)是否有攻擊我方艦艇的意圖。目標(biāo)攻擊意圖包含目標(biāo)毀傷受保護艦艇的意向或決心，或目標(biāo)使用裝在的武器毀傷受保護艦艇的意向或決心，需要我們從敵方作戰(zhàn)意圖、目標(biāo)攻擊準(zhǔn)備程度和目標(biāo)攻擊實施強度等方面進(jìn)行實時監(jiān)測。在沒有實時／準(zhǔn)實時的通信偵測情報或其它人工情報或上級通報的情況下，空中目標(biāo)攻擊意圖評估需要我們對目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)其活動狀態(tài)參量進(jìn)行推理、判斷［9～10］。

攻擊意圖評估主要考慮威脅目標(biāo)來襲過程中所表現(xiàn)出來的行為特征，通常用于進(jìn)行敵方目標(biāo)攻擊意圖進(jìn)行推理判斷的主要因素有：敵方目標(biāo)飛行速度、飛行高度、航向角、目標(biāo)位置、敵我識別信號以及平臺屬性等因素，因此，該問題是典型的多屬性決策問題，主要可考慮的因素如下，并對各種因素進(jìn)行狀態(tài)離散化。

1）目標(biāo)航速：航速是衡量目標(biāo)機動性能的重要指標(biāo)之一，也是目標(biāo)重要屬性之一。不同的目標(biāo)具有不同的作戰(zhàn)速度，即使是同一目標(biāo)，速度不同，其威脅程度也是不一樣的。一般來說，目標(biāo)飛行速度越快，其攻擊意圖越明顯。對于目標(biāo)航速，可分為超音速和亞音速兩類進(jìn)行討論。

2）目標(biāo)航向：通過對目標(biāo)航向變化狀況的觀察，可以大致推測敵方目標(biāo)的攻擊意圖。敵方目標(biāo)奔襲我方而來，則敵方進(jìn)攻意圖明顯敵方目標(biāo)背我而去，則敵方逃跑意圖明顯。因此，對于目標(biāo)航向變化可分為接近我方艦艇編隊和遠(yuǎn)離我方艦艇編隊兩種類型。

3）目標(biāo)位置：由于我方武器平臺火力打擊距離受限，目標(biāo)距離也是影響我方指揮員打擊決心的因素之一；同時，敵方目標(biāo)距離我方越近，對我方攻擊意圖也越大，所以在進(jìn)行攻擊意圖評估時要考慮敵我距離因素。對于目標(biāo)位置，可以按照在我方平臺攻擊范圍內(nèi)，我方平臺攻擊范圍邊緣和攻擊范圍外三種狀態(tài)。

4）目標(biāo)平臺類型：來襲敵方目標(biāo)發(fā)射平臺類型不同，其飛行速度和攻擊能力也不同，對要地的威脅程度也不一樣，因此，在考慮敵方目標(biāo)攻擊意圖時，也需要考慮敵方平臺的威脅程度，一般來說可分為艦射平臺、岸射平臺和空射平臺三種類型。

5）目標(biāo)高度：敵方目標(biāo)飛行高度越低，被發(fā)現(xiàn)的概率越小。在敵方目標(biāo)距離我方艦艇較遠(yuǎn)時，飛行高度對我方攻擊意圖不明顯，但近距離突然出現(xiàn)的低空目標(biāo)，對我方的威脅將明顯提高。對于目標(biāo)攻擊意圖，可從目標(biāo)高度變化信息進(jìn)行推斷，一般可分為目標(biāo)由高至低，由高至高和由中至低三種狀態(tài)。

3.2 攻擊意圖評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)攻擊意圖評估主要包括三個步驟：1）確定節(jié)點及節(jié)點狀態(tài)；2）確定節(jié)點關(guān)系；3）節(jié)點概率分配。對于3.1節(jié)中確定的變量，可建立如圖2所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，其中離散后的變量狀態(tài)如下：

目標(biāo)攻擊意圖（A）：1代表有意圖，2代表無意圖；

目標(biāo)高度變化（B）：1代表由高至低，2代表由高至高，3代表由中至低；

目標(biāo)平臺屬性（C）：1代表艦射，2代表空射，3代表岸射；

目標(biāo)距離（D）：1代表范圍內(nèi)，2代表邊緣，3代表范圍外；

目標(biāo)航向變化（E）：1代表接近，2代表遠(yuǎn)離；

目標(biāo)飛行速度（F）：1代表超音速，2代表亞音速。

圖2 目標(biāo)攻擊意圖貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

在建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型后，重要的步驟是根據(jù)專家知識和先驗知識建立父節(jié)點和子節(jié)點之間的概率表。表1～表5分別根據(jù)專家知識和經(jīng)驗知識給出了上述節(jié)點A、B、C、D、E、F之間的條件概率，這樣就可以根據(jù)獲取的證據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推理。

表1 目標(biāo)攻擊意圖與高度變化條件概率表

表2 目標(biāo)攻擊意圖與平臺屬性條件概率表

表3 目標(biāo)攻擊意圖與距離條件概率表

表4 目標(biāo)攻擊意圖與航向變化條件概率表

表5 目標(biāo)平臺屬性與飛行速度條件概率表

3.3 攻擊意圖評估流程

編隊防空目標(biāo)攻擊意圖評估的流程是：首先用指定的先驗概率和條件概率對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化；當(dāng)檢測到新的敵方目標(biāo)屬性信息時，即網(wǎng)絡(luò)的葉節(jié)點信息更新，則觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)推理，通過貝葉斯公式，得到后驗概率，從而更新整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)的概率分布，更新后的后驗概率分布則作為下一次推理的先驗分布；最后獲取根節(jié)點（威脅類型節(jié)點）狀態(tài)的概率分布情況，根據(jù)判決規(guī)則，將最大后驗概率者判定為攻擊意圖評估結(jié)果，其流程如圖3所示。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理算法一般有精確推理算法和近似推理算法兩種，對于文中的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，節(jié)點較少，結(jié)構(gòu)相對簡單，屬于單連通網(wǎng)絡(luò)，可采用精確推理算法進(jìn)行推理［8］。

圖3 目標(biāo)攻擊意圖評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理流程

4 仿真分析

為了驗證本文算法的有效性，將設(shè)計仿真試驗進(jìn)行編隊防空目標(biāo)攻擊意圖評估。假設(shè)我方編隊預(yù)警探測系統(tǒng)探測到有四枚導(dǎo)彈向我方艦艇編隊襲來，經(jīng)過多傳感器信息融合識別后，我方艦艇指控系統(tǒng)顯示四枚導(dǎo)彈的信息分別為：

導(dǎo)彈1的探測信息為在我方武器平臺攻擊范圍內(nèi)，且具有由高向低的高度變化趨勢，即B＝1，D＝1；

導(dǎo)彈2的探測信息為飛行速度信息為200m／s，即處于亞音速飛行狀態(tài)，高度變化信息為由高向高飛行，航向信息為接近我方艦艇編隊，則可知F＝2，B＝2，E＝1；

導(dǎo)彈3的探測信息為飛行速度500m／s，即為超音速，距離在我方武器平臺攻擊邊緣，航向信息為接近我方艦艇編隊，則可知F＝1，D＝2，E＝1。

導(dǎo)彈4的探測信息為飛行速度300m／s，即為亞音速，距離在我方武器平臺攻擊外圍，航向信息為接近我方艦艇編隊，則可知F＝1，D＝3，E＝1。

表6 目標(biāo)攻擊意圖推理結(jié)果

圖4 目標(biāo)攻擊意圖推理后驗概率分布圖

仿真編程環(huán)境為Windows XP下Visual Studio 2005，其中計算機配置為Intel（R）Core（TM）；I5－3450CPU ＠3.10GHz 3.09GHz；內(nèi)存3.19 GHz。在進(jìn)行仿真試驗時，采用了基于PolyTree的消息傳遞算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推理，該算法屬于精確推理算法，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的消息傳遞實現(xiàn)后驗概率計算。表6中給出了根據(jù)觀測的證據(jù)信息對來襲的四枚導(dǎo)彈的推理結(jié)果，其中導(dǎo)彈1和導(dǎo)彈3有明顯攻擊意圖，其具有攻擊意圖的概率分別為0.9574和0.6988，可知導(dǎo)彈1更具威脅性，在后續(xù)的目標(biāo)分配中應(yīng)重點考慮，導(dǎo)彈2和導(dǎo)彈4攻擊意圖尚不明顯，且導(dǎo)彈2攻擊意圖最不明顯，其概率僅為0.3124，圖4給出了相應(yīng)的推理后驗概率分布圖。從這些結(jié)果來看，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)攻擊意圖評估能夠很好地結(jié)合專家經(jīng)驗知識處理不確定性信息和不完備數(shù)據(jù)集，并能夠比較準(zhǔn)確地反映敵方目標(biāo)攻擊意圖，具備科學(xué)性和合理性，能為海戰(zhàn)場防空輔助決策提供理論支持。

5 結(jié)語

針對艦艇防空輔助決策中的敵方來襲目標(biāo)的威脅判斷關(guān)鍵問題，文中利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了目標(biāo)攻擊意圖多屬性評估模型，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在不確定知識表達(dá)和推理方面的優(yōu)勢進(jìn)行了目標(biāo)攻擊意圖評估，可以根據(jù)海戰(zhàn)場提供的各種觀測證據(jù)信息進(jìn)行實時推理，大大提高了敵方攻擊意圖評估的信息化和自動化程度。仿真試驗結(jié)果表明了文中目標(biāo)攻擊意圖評估的有效性和可行性，為實際海戰(zhàn)中進(jìn)行目標(biāo)攻擊意圖評估提供了參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。本文方法的實際應(yīng)用有待于后續(xù)裝備的推廣和實際海戰(zhàn)裝備的應(yīng)用試驗，此外，海戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，實際海戰(zhàn)中可能需要考慮更多的因素、更復(fù)雜的情況，這將有待于后續(xù)更深入的研究，這將是我們下一步要重點研究的內(nèi)容。

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