張 晨， 丁建江， 徐 穎， 李 靜

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019； 2.國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，武漢 430010;3.中國(guó)人民解放軍31638部隊(duì)，昆明 650202)

0 引言

彈道導(dǎo)彈作為世界各軍事強(qiáng)國(guó)的殺手锏武器，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)廣泛存在，由于其強(qiáng)大的殺傷力，敵我雙方圍繞彈道導(dǎo)彈突防與反突防展開(kāi)了一系列攻防對(duì)抗。彈道導(dǎo)彈中段處于自由飛行階段，相對(duì)于上升段與再入段，飛行時(shí)間最長(zhǎng)，是防御方實(shí)現(xiàn)彈頭識(shí)別的關(guān)鍵階段。不同于防空作戰(zhàn)，彈道導(dǎo)彈上升段結(jié)束發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后，其飛行軌跡、落點(diǎn)預(yù)判即可通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)較精確的估計(jì)，因此，在實(shí)際的反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)中利用預(yù)案完成某項(xiàng)任務(wù)成為現(xiàn)實(shí)可行的方法[1-2]，甚至可以說(shuō)預(yù)案設(shè)計(jì)的好壞在一定程度上決定了反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)的成敗[3]。而彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別作為反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是需要有專(zhuān)門(mén)的預(yù)案來(lái)滿(mǎn)足要求。

隨著我國(guó)軍事科技水平的不斷提高，各種新型雷達(dá)相繼列裝，但在利用預(yù)案解決反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題方面與世界軍事強(qiáng)國(guó)仍存在不小差距。本文通過(guò)總結(jié)歸納彈道導(dǎo)彈突防主要采取的手段，提出了一種基于案例推理(Case-Based Reasoning，CBR)的反導(dǎo)預(yù)警中段識(shí)別預(yù)案設(shè)計(jì)方法，能夠?yàn)楫?dāng)前實(shí)戰(zhàn)中利用預(yù)案開(kāi)展彈頭識(shí)別工作提供參考借鑒。

1 彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案設(shè)計(jì)思路

預(yù)案是指根據(jù)評(píng)估分析或經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可能發(fā)生的威脅或事件預(yù)先制定的應(yīng)急處置方案，涉及軍事作戰(zhàn)方面的一般統(tǒng)稱(chēng)為作戰(zhàn)預(yù)案[4]。彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案必須緊密結(jié)合潛在來(lái)襲彈道導(dǎo)彈的實(shí)際情況來(lái)完成設(shè)計(jì)工作。

1.1 CBR基礎(chǔ)理論

CBR的關(guān)鍵技術(shù)一般包括案例表示、案例檢索、案例匹配、案例修正、案例存儲(chǔ)等幾個(gè)部分[5-6]，不同的場(chǎng)景下會(huì)對(duì)其中的部分環(huán)節(jié)做出增減。從CBR的這幾個(gè)部分可以看出，運(yùn)用之前的知識(shí)來(lái)解決當(dāng)前的問(wèn)題是CBR技術(shù)的核心思路，即通過(guò)對(duì)已有案例的檢索與匹配，查找出最適合當(dāng)前情況的案例，然后再根據(jù)具體的需要對(duì)匹配出的案例進(jìn)行適當(dāng)修正，即可得出適用于當(dāng)前任務(wù)下的解決方案[7]。從這一角度考慮，CBR不僅能提高對(duì)新問(wèn)題的求解效率，而且具有增量學(xué)習(xí)和動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)等優(yōu)點(diǎn)，是由人工智能衍生而來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)[8]。

1.2 CBR條件下中段彈頭識(shí)別預(yù)案使用基本流程

彈道導(dǎo)彈中段飛行在時(shí)間上雖然是幾個(gè)階段中最長(zhǎng)的，但要想完成對(duì)彈頭的穩(wěn)定跟蹤與識(shí)別任務(wù)仍然十分緊迫，因此，時(shí)間是彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別中最寶貴的資源[9]。考慮到這種強(qiáng)時(shí)間約束性，利用CBR技術(shù)進(jìn)行彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案設(shè)計(jì)應(yīng)主要把工作做在戰(zhàn)前，通過(guò)多種手段搜集情報(bào)信息，考慮各種不同情況來(lái)完成對(duì)預(yù)案的設(shè)計(jì)。本文主要考慮預(yù)案表示、預(yù)案檢索和預(yù)案匹配這3項(xiàng)主要工作?；贑BR的彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案使用流程如圖1所示。

圖1 基于CBR的彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案使用流程

2 CBR下的彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)前文所述，受時(shí)間限制的強(qiáng)約束性，彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案的使用主要包括預(yù)案表示、預(yù)案檢索、預(yù)案匹配等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其中，預(yù)案表示出來(lái)后，需要對(duì)表征預(yù)案的內(nèi)容進(jìn)行權(quán)重分配，這對(duì)于不同的作戰(zhàn)場(chǎng)景下檢索匹配預(yù)案有著至關(guān)重要的作用。本章主要對(duì)彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案的這幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1 預(yù)案表示

利用預(yù)案解決彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別問(wèn)題，預(yù)案表示是一切技術(shù)的基礎(chǔ)，是將以往或經(jīng)過(guò)仿真推演得出的合適預(yù)案以一定的格式或表示方法存儲(chǔ)在預(yù)案庫(kù)中[10]。預(yù)案的表示方法可借助人工智能中知識(shí)表示的方法進(jìn)行描述，通常包括產(chǎn)生式表示法、概念圖表示法和框架表示法等[11]，其中，彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別預(yù)案采用框架表示法較為合適。框架表示法是以框架理論為基礎(chǔ)，將陳述性和過(guò)程性知識(shí)相結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，通常由若干個(gè)槽組成，一個(gè)槽用于描述一個(gè)屬性，由一個(gè)槽值或若干個(gè)側(cè)面組成，一個(gè)側(cè)面包含若干側(cè)面值[12]。在彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別中，敵我雙方的態(tài)勢(shì)對(duì)比是攻防對(duì)抗的核心內(nèi)容，也是中段識(shí)別預(yù)案主要體現(xiàn)的內(nèi)容，特別是對(duì)敵彈道導(dǎo)彈突防的應(yīng)對(duì)措施是預(yù)案描述中的重點(diǎn)內(nèi)容。通過(guò)詳細(xì)分析潛在敵對(duì)國(guó)家的彈道導(dǎo)彈情況，用層次化的結(jié)構(gòu)來(lái)表征彈道導(dǎo)彈中段屬性[13]，在不同的槽中劃分出不同的側(cè)面，對(duì)每個(gè)側(cè)面值進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)對(duì)不同的側(cè)面進(jìn)行賦權(quán)。彈道導(dǎo)彈中段屬性表征方式如表1所示。需要說(shuō)明的是，目前世界上主要軍事強(qiáng)國(guó)都擁有了彈道導(dǎo)彈武器，但考慮到對(duì)我國(guó)的主要威脅，表中僅以A國(guó)、B國(guó)、C國(guó)的彈道導(dǎo)彈為例。

表1 彈道導(dǎo)彈中段屬性表征方式

2.2 預(yù)案指標(biāo)表征內(nèi)容的權(quán)重確定

通過(guò)觀察分析彈道導(dǎo)彈中段屬性表征中的內(nèi)容，將彈道導(dǎo)彈中段屬性劃分為3大類(lèi)和11小類(lèi)，每個(gè)小類(lèi)有著不同的側(cè)面值。為了方便對(duì)不同的屬性分配權(quán)重，需要對(duì)不同的側(cè)面值進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)其進(jìn)行量化區(qū)分。此處，采用熵權(quán)法對(duì)不同的側(cè)面值進(jìn)行賦權(quán)，其主要思想是根據(jù)指標(biāo)值的變異程度來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重。對(duì)于彈道導(dǎo)彈中段屬性來(lái)說(shuō)，某個(gè)側(cè)面的側(cè)面值變化程度越大，說(shuō)明其采用的手段越多，而防御方也就更難對(duì)該側(cè)面進(jìn)行應(yīng)對(duì)，其具有較強(qiáng)的效力，應(yīng)當(dāng)賦予較高的權(quán)重。熵權(quán)法的計(jì)算過(guò)程如下。

1) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

彈道導(dǎo)彈中段屬性的度量值各有不同，為了充分說(shuō)明每個(gè)側(cè)面值的特點(diǎn)，采用統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，將每個(gè)側(cè)面值根據(jù)其威脅程度劃分為1～3個(gè)等級(jí)，使全部數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，以便在統(tǒng)一的尺度下進(jìn)行計(jì)算。用xij表示標(biāo)準(zhǔn)化后的不同側(cè)面值，形成n個(gè)被評(píng)對(duì)象的p個(gè)指標(biāo)決策矩陣為

(1)

2) 計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)下第i個(gè)指標(biāo)值的比重，即

(2)

3) 計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值和差異性系數(shù)，即

(3)

由于第j個(gè)指標(biāo)下的xij的差異性越小，則熵值ej的值越大，因此k=1/lnn，此時(shí)求差異性系數(shù)為

gj=1-ej。

(4)

4) 求權(quán)重，即

(5)

2.3 預(yù)案檢索匹配

2.3.1 預(yù)案相似度計(jì)算

1) 無(wú)序枚舉型。

利用Jaccard相似系數(shù)計(jì)算，即

(6)

2) 有序枚舉型。

在本文中規(guī)定有序枚舉均為從低到高的3級(jí)變量，當(dāng)目標(biāo)案例量化值與備選案例量化值相同時(shí)，取相似度為1，當(dāng)目標(biāo)案例量化值與備選案例相差1個(gè)等級(jí)時(shí)，取相似度為0.5，當(dāng)目標(biāo)案例量化值與備選案例相差2個(gè)等級(jí)時(shí)，取相似度為0，具體算式為

(7)

3) 連續(xù)數(shù)值型。

采用Hamming距離來(lái)計(jì)算，即

(8)

4) 模糊型。

(9)

對(duì)目標(biāo)案例進(jìn)行以上4種不同類(lèi)型的相似度計(jì)算后，結(jié)合不同側(cè)面的權(quán)重值，計(jì)算目標(biāo)案例與眾多備選案例總的相似度為

(10)

2.3.2 預(yù)案匹配檢驗(yàn)

在實(shí)際的預(yù)案匹配中，由于計(jì)算的是總的相似度，可能出現(xiàn)預(yù)案總的相似度很高，但某一重要側(cè)面值差距較大的情況，從而導(dǎo)致所匹配預(yù)案在一些關(guān)鍵指標(biāo)上不能很好地適應(yīng)實(shí)際情況，因此需要對(duì)匹配出的預(yù)案進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。本文主要采取槽相似度的檢驗(yàn)方式，令s1，s2和s3分別為3個(gè)槽在相似度上的值，每個(gè)sj(j=1,2,3)為該槽中所包含的側(cè)面相似度的總和。真實(shí)場(chǎng)景的相似度取值范圍應(yīng)為(0，1)。通過(guò)對(duì)一定數(shù)量的仿真場(chǎng)景進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，取總相似度0.6為匹配合格的基準(zhǔn)線(xiàn)，將0.6在3個(gè)槽內(nèi)進(jìn)行分配。其分配的基本原則是要能在一定程度上反映不同槽中所包含的屬性在預(yù)案構(gòu)成中的重要性，且每個(gè)槽的相似度不能太高，否則無(wú)法匹配出滿(mǎn)足條件的預(yù)案，也不能太低，否則匹配出的預(yù)案與實(shí)際場(chǎng)景相關(guān)太大，不能用于指導(dǎo)實(shí)戰(zhàn)。結(jié)合實(shí)際作戰(zhàn)需要和專(zhuān)家打分結(jié)果，采用層次分析法對(duì)總相似度0.6進(jìn)行分配，從而規(guī)定3個(gè)槽的相似度必須滿(mǎn)足(0.05，0.15，0.40)，即可認(rèn)為通過(guò)預(yù)案匹配檢驗(yàn)。

需要說(shuō)明的是，匹配出的預(yù)案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行“評(píng)估-修正”循環(huán)的過(guò)程，直至預(yù)案能夠滿(mǎn)足實(shí)戰(zhàn)要求。受限于篇幅，本文主要對(duì)預(yù)案表示、預(yù)案檢索與匹配工作進(jìn)行論述，不對(duì)預(yù)案評(píng)估與修正技術(shù)進(jìn)行過(guò)多闡述。

3 仿真驗(yàn)證

通過(guò)新聞報(bào)道、技偵等手段收集各類(lèi)彈道導(dǎo)彈情報(bào)，獲取近幾年來(lái)不同國(guó)家12次彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)發(fā)射數(shù)據(jù)，對(duì)12次彈道導(dǎo)彈試射的側(cè)面值進(jìn)行量化區(qū)分，如表2所示。

表2 不同國(guó)家彈道導(dǎo)彈試驗(yàn)發(fā)射相關(guān)數(shù)據(jù)量化值

在此，運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)11種側(cè)面進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，得出不同的側(cè)面權(quán)重值ω分別為0.040 0，0.037 8，0.041 7，0.134 7，0.103 7，0.041 7，0.026 1，0.166 2，0.249 0，0.024 0，0.135 1。在某次實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景中，通過(guò)我方技偵等手段提前預(yù)判敵方發(fā)射癥候行為，并結(jié)合早期預(yù)警裝備在敵方彈道導(dǎo)彈上升段即獲取大量實(shí)戰(zhàn)信息，假設(shè)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析與合理推測(cè)后，我方已充分掌握敵來(lái)襲彈道導(dǎo)彈全部信息，該彈道導(dǎo)彈相關(guān)數(shù)據(jù)及其量化值如表3所示。

表3 某實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景中敵方彈道導(dǎo)彈屬性及量化值

根據(jù)不同類(lèi)型的側(cè)面算式，結(jié)合各側(cè)面的權(quán)重，進(jìn)行預(yù)案匹配工作，可得出該場(chǎng)景與已知12個(gè)預(yù)案的相似度分別為0.676 8，0.603 3，0.370 8，0.637 0，0.740 9，0.478 1，0.457 2，0.546 8，0.746 3，0.605 1，0.650 8，0.313 1，可以看出該場(chǎng)景與已知預(yù)案9最為相似。為了確保所匹配預(yù)案的準(zhǔn)確性，對(duì)預(yù)案匹配進(jìn)行檢驗(yàn)，該場(chǎng)景3個(gè)槽相似度與匹配出的預(yù)案9的3個(gè)槽的相似度分別為0.058 5，0.190 3，0.497 5，均在規(guī)定閾值范圍內(nèi)。因此，認(rèn)為匹配出的預(yù)案9具有較高的可信度，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)預(yù)案9進(jìn)行調(diào)整后，應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)戰(zhàn)中的彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別工作。

4 結(jié)論

彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別工作是反導(dǎo)預(yù)警作戰(zhàn)的核心任務(wù)之一，因彈道導(dǎo)彈識(shí)別工作的強(qiáng)時(shí)間約束特性，將CBR技術(shù)運(yùn)用于彈道導(dǎo)彈中段識(shí)別工作，即利用以往的經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)，減少實(shí)戰(zhàn)中人為因素的影響。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，所提方法能夠從已有的預(yù)案中選擇最合適的預(yù)案進(jìn)行匹配，為指揮員實(shí)際作戰(zhàn)提供指導(dǎo)，有效提升我方防御彈道導(dǎo)彈攻擊的精準(zhǔn)度,該方法現(xiàn)實(shí)可行。