張肖羽 張琳 張搏 李惟
(1.空軍工程大學(xué) 研究生院,陜西 西安710051;2.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安710051;3.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院,陜西 西安710064)
武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估是綜合考慮戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)目的、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、火力力量、目標(biāo)性質(zhì)等因素,對(duì)實(shí)際毀傷效果進(jìn)行綜合分析和評(píng)定的過(guò)程[1]。武器系統(tǒng)不斷被設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、升級(jí)改進(jìn)的最終目的,就是為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)打擊目標(biāo)的毀傷。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)毀傷效能評(píng)估理論方法、數(shù)值模擬和基礎(chǔ)試驗(yàn)的研究成果,不僅成為武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而且為聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)中武器系統(tǒng)在現(xiàn)代高技術(shù)新戰(zhàn)爭(zhēng)模式下的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn),毀傷效能評(píng)估研究的主要方法有貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[2]、模糊綜合評(píng)判法[3]、層次分析法[4]、蒙特卡洛方法[5]及圖像處理方法[6]等,這些方法主要是以傳統(tǒng)武器系統(tǒng)為研究對(duì)象,在新概念防空武器系統(tǒng)中的研究應(yīng)用較少。
區(qū)別于傳統(tǒng)彈炮防空武器系統(tǒng),高功率微波、強(qiáng)電磁脈沖、粒子束和激光等新概念防空武器系統(tǒng)發(fā)射即命中[7],但是需要持續(xù)照射一段時(shí)間以達(dá)到能量累積聚集,地形、氣候、大氣等毀傷環(huán)境特性也是必須要考慮的因素。本文旨在研究一種針對(duì)新概念防空武器系統(tǒng)的毀傷效能評(píng)估方法,近年來(lái),此類研究逐步成為毀傷效能評(píng)估領(lǐng)域的重要延伸和拓展,也將成為在防空作戰(zhàn)中應(yīng)對(duì)“低慢小”、無(wú)人機(jī)集群、高速機(jī)動(dòng)等目標(biāo)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。各類研究方法中,模糊綜合評(píng)判理論難以有效解決評(píng)價(jià)指標(biāo)間相互關(guān)聯(lián)造成的重復(fù)評(píng)價(jià)問(wèn)題;層次分析理論的人為主觀因素影響比較大;蒙特卡洛方法的誤差是概率誤差,收斂速度較慢;圖像處理方法依賴先進(jìn)的圖像偵察設(shè)備;貝葉斯網(wǎng)絡(luò)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為可視化拓?fù)鋱D形,是一種重要的知識(shí)推理模型,可用于獲得較準(zhǔn)確的毀傷概率,但是也存在如何合理選擇、應(yīng)用樣本數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
目前,新概念防空武器仍處于發(fā)展階段,需要運(yùn)用知識(shí)推理模型進(jìn)行毀傷效能評(píng)估分析。通過(guò)比較分析各毀傷效能評(píng)估方法的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合新概念防空武器系統(tǒng)特點(diǎn),本文選用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行分析研究,利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法的知識(shí)推理優(yōu)點(diǎn),較全面地反映事件內(nèi)因素對(duì)事件整體產(chǎn)生的影響效果,并通過(guò)建立合理的評(píng)估指標(biāo)體系來(lái)解決樣本數(shù)據(jù)選擇和應(yīng)用的問(wèn)題。
建立武器系統(tǒng)的毀傷效能評(píng)估指標(biāo)體系,須根據(jù)指標(biāo)體系的基本劃定原則,聚焦固有能力、毀傷能力、毀傷效果、環(huán)境適應(yīng)性、力量結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制和信息流轉(zhuǎn)等關(guān)鍵因素[8,9],充分考慮武器系統(tǒng)在防空作戰(zhàn)使用中可能引發(fā)毀傷的武器裝備性能屬性和武器系統(tǒng)屬性。武器系統(tǒng)防空作戰(zhàn)毀傷過(guò)程如圖1 所示[10]。
圖1 武器系統(tǒng)防空作戰(zhàn)毀傷過(guò)程
在分析武器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、防空作戰(zhàn)毀傷過(guò)程的基礎(chǔ)上,通過(guò)走訪調(diào)研、專家咨詢、類比論證、集中研討等方式,對(duì)傳統(tǒng)毀傷效能影響因素研究范圍進(jìn)行拓展,選取關(guān)鍵毀傷效能指標(biāo),構(gòu)建面向全系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)體系[11],如圖2 所示。
圖2 武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估指標(biāo)體系
根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)組成及其防空作戰(zhàn)過(guò)程,武器毀傷特性作為毀傷效能評(píng)估重要因素,可大致劃分為通信指揮能力、預(yù)警探測(cè)能力、捕獲跟蹤能力、精準(zhǔn)打擊能力等4 項(xiàng)關(guān)鍵能力。
通信指揮能力主要包括情報(bào)信息獲取能力、指控系統(tǒng)信息處理能力、武器控制能力、通信傳輸能力,分別用四個(gè)指標(biāo)因子來(lái)表征。具體來(lái)講,信息獲取因子表征目標(biāo)信息來(lái)源、同時(shí)跟蹤目標(biāo)及發(fā)送目標(biāo)指示能力;信息處理因子表征對(duì)信息的接收容量、處理周期、處理誤差率及傳輸效率;武器控制因子表征同時(shí)控制武器數(shù)量和通道數(shù);通信傳輸因子表征通信方式、距離和容量。
預(yù)警探測(cè)能力用探測(cè)距離、掃描周期、探測(cè)精度、發(fā)現(xiàn)概率來(lái)表征。
捕獲跟蹤能力用捕獲跟蹤距離、捕獲范圍、跟蹤精度、跟蹤目標(biāo)數(shù)量來(lái)表征。
精準(zhǔn)打擊能力用系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間(包括戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時(shí)間和火力轉(zhuǎn)移時(shí)間)、火力強(qiáng)度(包括連續(xù)工作時(shí)間、發(fā)射功率、光束質(zhì)量、波長(zhǎng)、電光效率)、瞄準(zhǔn)精度和毀傷效果(包括殺傷區(qū)、毀傷概率、毀傷距離、毀傷時(shí)間)來(lái)表征。
對(duì)新概念防空武器系統(tǒng)而言,其所處的毀傷環(huán)境對(duì)毀傷效能的發(fā)揮具有較大影響,主要包括自然環(huán)境特性和誘發(fā)環(huán)境特性兩方面。
自然環(huán)境特性可用地形條件因子和氣候條件因子來(lái)表征;誘發(fā)環(huán)境特性可用電磁對(duì)抗因子、傳輸距離、傳輸損耗率、大氣擊穿閾值來(lái)表征。
毀傷目標(biāo)特性研究的主要對(duì)象是無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈等典型空襲目標(biāo),基本研究?jī)?nèi)容是不同目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性、飛行性能、電磁特性、紅外特性和毀傷閾值。在結(jié)構(gòu)特性方面,主要分析目標(biāo)的類型、尺寸大小、材料組成,研究目標(biāo)的固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn);在飛行性能方面,主要分析目標(biāo)在不同環(huán)境下的機(jī)動(dòng)特點(diǎn),即飛行高度、速度、旋轉(zhuǎn)角度等;在電磁特性方面,主要分析目標(biāo)的雷達(dá)散熱面積及輻射規(guī)律;在紅外特性方面,主要研究目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度;另外,新概念防空武器與電子系統(tǒng)的相互作用過(guò)程的不確定性,使得電子器件的毀傷閾值也會(huì)波動(dòng),這對(duì)毀傷效能的評(píng)估造成相應(yīng)影響,因此將毀傷閾值指標(biāo)列入體系進(jìn)行考慮。
貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有向圖[12],基本思想是以評(píng)估要素為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),首先確定部分節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率取值,引起相關(guān)節(jié)點(diǎn)取值發(fā)生變化,再以知識(shí)推理的方式完成各節(jié)點(diǎn)要素與效能關(guān)系的評(píng)估[13~15]。
評(píng)估的基本流程為:擬制典型防空作戰(zhàn)想定,分析作戰(zhàn)毀傷過(guò)程,建立評(píng)估指標(biāo)體系(即效能單元依賴關(guān)系確定),構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,開(kāi)展數(shù)值模擬與軟件仿真,最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證并分析得到相關(guān)評(píng)估結(jié)論,如圖3 所示。
圖3 貝葉斯效能評(píng)估流程圖
根據(jù)所建立的評(píng)估指標(biāo)體系,構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,如圖4 所示。
圖4 武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型
使用3σ法[16]確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等級(jí)區(qū)間,σ是指統(tǒng)計(jì)學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差,即數(shù)據(jù)的離散程度。根據(jù)正態(tài)分布原理,數(shù)據(jù)分布在期望值附近,距離期望值越近可能性越高,反之距離期望值越遠(yuǎn)可能性越低。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知,若樣本偏離期望值超過(guò)1 倍標(biāo)準(zhǔn)差的概率為32%,超過(guò)2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的概率為5%,則超過(guò)3 倍標(biāo)準(zhǔn)差的概率僅為0.3%,即通常所說(shuō)的小概率事件,如圖5 所示。
圖5 3σ 原則示意圖
3σ原則,就是指通過(guò)計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的期望值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ,那么,[μ -σ,μ+σ] 則被認(rèn)為是正常區(qū)間,[μ -2σ,μ -σ] 和[μ+σ,μ +2σ] 為異常區(qū)間,[μ -3σ,μ -2σ]和[μ +2σ,μ +3σ] 為重度異常區(qū)間。節(jié)點(diǎn)指標(biāo)對(duì)毀傷的貢獻(xiàn)等級(jí)可劃分為{嚴(yán)重不足,不足,正常,浪費(fèi),過(guò)度浪費(fèi)}。指標(biāo)參數(shù)不足的情況必須考慮,對(duì)于參數(shù)過(guò)量造成的資源與能量的浪費(fèi)也須從節(jié)能的角度將其作為異常狀態(tài)進(jìn)行考慮?;谛赂拍罘揽瘴淦飨到y(tǒng)毀傷特點(diǎn),“嚴(yán)重不足” 與“不足” 同樣造成無(wú)法達(dá)到毀傷的結(jié)果,“浪費(fèi)” 與“過(guò)度浪費(fèi)” 在已完成毀傷的情況下同樣造成資源能量浪費(fèi)的情況,因此將5 個(gè)等級(jí)簡(jiǎn)化為[μ -3σ,μ -σ][μ -σ,μ +σ][μ+σ,μ +3σ]3 個(gè)等級(jí)進(jìn)行分析,其結(jié)果一致性較強(qiáng),即劃分為{不足,正常,浪費(fèi)},記為{State0,State1,State2}。
3.3.1 定性指標(biāo)量化方法
針對(duì)某一定性指標(biāo),邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)<遥?7],以匿名方式對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分,在客觀綜合各專家打分結(jié)果基礎(chǔ)上,經(jīng)多輪質(zhì)詢修改后,依據(jù)專家與本指標(biāo)領(lǐng)域的相關(guān)度及權(quán)威程度給出專家打分的權(quán)重值ai,最后進(jìn)行加權(quán)求和。其表達(dá)式為:
3.3.2 定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法
針對(duì)某一定量指標(biāo),依據(jù)試驗(yàn)收集獲得的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),得到該數(shù)據(jù)集的范圍,即上界與下界?;诰W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)指標(biāo)Eij的取值pij及其取值區(qū)間[pij_min,pij_max],定義指標(biāo)對(duì)毀傷貢獻(xiàn)的先驗(yàn)概率[9]為:
式(2)中,I1,I2分別為高優(yōu)型和低優(yōu)型指標(biāo)集。高優(yōu)型,指標(biāo)越大越好;低優(yōu)型,指標(biāo)越小越好。
3.3.3 體系節(jié)點(diǎn)參數(shù)確定方法
極大似然估計(jì)[18]指的是利用已知的樣本結(jié)果,反推最有可能(最大概率)導(dǎo)致這樣結(jié)果的參數(shù)值。對(duì)于離散型總體,樣本的似然函數(shù)為:
對(duì)似然函數(shù)取對(duì)數(shù),求導(dǎo)數(shù),再解似然方程可得出結(jié)果。由大數(shù)定理可知,在樣本量較大的情況下,隨機(jī)事件的頻率收斂于概率。采用極大似然估計(jì)法學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù),即在經(jīng)典概率模型統(tǒng)計(jì)下,統(tǒng)計(jì)每一個(gè)條件事件的發(fā)生頻數(shù),用以代替對(duì)應(yīng)的條件概率,將此數(shù)據(jù)作為體系節(jié)點(diǎn)對(duì)毀傷貢獻(xiàn)的先驗(yàn)概率。
根據(jù)圖2 指標(biāo)體系與圖4 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,在通過(guò)3.3 節(jié)方法確定網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)參數(shù)后,各級(jí)指標(biāo)間進(jìn)行運(yùn)算后即可完成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的正向運(yùn)算。得出評(píng)估值并劃分等級(jí)可以為制定相應(yīng)策略提供支撐,本文重在驗(yàn)證模型,在此不做深入討論。為便于反向推理驗(yàn)證模型,引入有相應(yīng)參考值的毀傷時(shí)間和平均光斑面積作為毀傷效能評(píng)估的表征指標(biāo)[7]。這兩個(gè)指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)是參考文獻(xiàn)[7] 中的仿真數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果,結(jié)合文獻(xiàn)[19] 中的方法進(jìn)行輔助驗(yàn)算,一級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)集由二級(jí)指標(biāo)與更多底層指標(biāo)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系運(yùn)算獲得,得到的21 組樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 武器系統(tǒng)毀傷效能指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)
基于武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估指標(biāo)體系,通信指揮能力、預(yù)警探測(cè)能力、捕獲跟蹤能力、精準(zhǔn)打擊能力、毀傷環(huán)境特性、毀傷目標(biāo)特性都對(duì)毀傷時(shí)間和平均光斑面積有影響,這非常符合武器系統(tǒng)毀傷經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用GeNIe 軟件構(gòu)建簡(jiǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,如圖6 所示。
圖6 簡(jiǎn)化貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型
結(jié)合3 級(jí)節(jié)點(diǎn)等級(jí)區(qū)間劃分,采用極大似然估計(jì)法確定各個(gè)區(qū)間的頻次與概率,作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點(diǎn)指標(biāo)對(duì)毀傷貢獻(xiàn)的先驗(yàn)概率。先驗(yàn)概率是節(jié)點(diǎn)指標(biāo)單獨(dú)存在時(shí)的概率,待模型開(kāi)始運(yùn)行后,作為父節(jié)點(diǎn)的6 個(gè)指標(biāo)不發(fā)生變化,作為子節(jié)點(diǎn)的“毀傷時(shí)間”和“平均光斑面積”指標(biāo)后驗(yàn)概率會(huì)發(fā)生變化,這是網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)行的結(jié)果。不同節(jié)點(diǎn)等級(jí)區(qū)間的樣本數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表2。
表2 不同節(jié)點(diǎn)等級(jí)區(qū)間的樣本數(shù)據(jù)處理
在建立好的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上,依據(jù)指標(biāo)樣本數(shù)據(jù),運(yùn)用GeNIe 軟件[20],對(duì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí),獲得其參數(shù)模型如圖7 所示。
圖7 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)指標(biāo)后驗(yàn)概率分布
模型中的分布就是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)于毀傷時(shí)間指標(biāo),正常毀傷時(shí)間的概率為36%,毀傷時(shí)間不足的概率為35%,毀傷時(shí)間浪費(fèi)的概率為28%;對(duì)于平均光斑面積,正常的概率為49%,不足的概率為31%,浪費(fèi)的概率為19%(概率值均四舍五入至個(gè)位)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的縱向預(yù)測(cè)只是給出相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)的概率值,要更好地應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò),還須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)推理,分析得出更有用的結(jié)論。
將可能出現(xiàn)的不良結(jié)果作為證據(jù)輸入貝葉斯網(wǎng)絡(luò),推理可以得出引起不良結(jié)果的原因,這是需要參考改進(jìn)的重要結(jié)論。證據(jù)有6 組,見(jiàn)表3。
表3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型推理證據(jù)
為了研究單因素的引發(fā)原因,采用控制變量法進(jìn)行分析,即選定的推理證據(jù)為:設(shè)定其中1 個(gè)子節(jié)點(diǎn)指標(biāo)正常的情況下,另1 個(gè)子節(jié)點(diǎn)指標(biāo)異常(不足或浪費(fèi))。因此選取第1,2,3,4 組證據(jù),4 組證據(jù)下的推理結(jié)果如圖8~11 所示。
圖8 第1 組證據(jù)下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗(yàn)概率分布
致使毀傷效能異常的表征指標(biāo)是毀傷時(shí)間和平均光斑面積,由推理結(jié)果可得出以下結(jié)論:
(1)毀傷時(shí)間不足的原因,主要是精準(zhǔn)打擊能力不夠,因?yàn)榫珳?zhǔn)打擊能力之于毀傷時(shí)間不足的后驗(yàn)概率為30%,在6 個(gè)指標(biāo)中最高,如圖8 所示;同理,平均光斑面積不足的原因,主要是通信指揮能力不夠,如圖9 所示??梢?jiàn),這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于能否達(dá)到毀傷目的有很大影響。
圖9 第2 組證據(jù)下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗(yàn)概率分布
(2)毀傷時(shí)間浪費(fèi)的原因,主要是通信指揮能力和預(yù)警探測(cè)能力過(guò)度,如圖10 所示;平均光斑面積浪費(fèi)的原因,主要是預(yù)警探測(cè)能力過(guò)度,如圖11所示??梢?jiàn),這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于資源能力的浪費(fèi)與否有很大影響。聯(lián)系實(shí)際情況,通信指揮的過(guò)度布置,確實(shí)造成人員、物資、時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)、裝備等資源的浪費(fèi)。
圖10 第3 組證據(jù)下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗(yàn)概率分布
圖11 第4 組證據(jù)下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)后驗(yàn)概率分布
而預(yù)警探測(cè)能力造成的浪費(fèi),更多的是源于其與跟蹤捕獲和精準(zhǔn)打擊的耦合關(guān)系,即預(yù)警探測(cè)距離再遠(yuǎn),能力再?gòu)?qiáng),即使很早發(fā)現(xiàn)目標(biāo),若跟蹤捕獲和打擊距離不夠,對(duì)毀傷造成的影響很有限,所以孤立的很強(qiáng)的探測(cè)能力只會(huì)導(dǎo)致“看得見(jiàn),跟不上,打不著”的結(jié)果,這樣的“強(qiáng)”,在武器系統(tǒng)效能整體中是一種浪費(fèi),因此在實(shí)際中要考慮預(yù)警探測(cè)能力與其他能力的耦合關(guān)聯(lián)。
(3)從四個(gè)圖中可看出,毀傷目標(biāo)特性雖然都沒(méi)有達(dá)到最高值,但都占到了相當(dāng)?shù)谋壤?,其?duì)毀傷效能的影響作用不容忽視。
對(duì)于毀傷環(huán)境特性,雖然相比傳統(tǒng)武器系統(tǒng),其在新概念防空武器系統(tǒng)中的影響較大,但相較于其他五個(gè)指標(biāo),環(huán)境特性的影響還是相對(duì)較小的。
通過(guò)建立評(píng)估指標(biāo)體系,構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,算例驗(yàn)證與分析得出的結(jié)論符合作戰(zhàn)毀傷實(shí)際情況,驗(yàn)證了所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的有效性。為新概念武器系統(tǒng)的毀傷效能評(píng)估提供一定理論基礎(chǔ)和方法參考,也為武器系統(tǒng)內(nèi)的資源合理配置提供一個(gè)思考方向和科學(xué)依據(jù)。下一步將在以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究:①相關(guān)聯(lián)指標(biāo)間的耦合關(guān)系;②在數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面可結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn);③整個(gè)武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估是基于靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行的分析,在更貼近實(shí)戰(zhàn)背景的動(dòng)態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方面仍有很大研究空間。