基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)模型

孫開(kāi)艷 劉旺鎖 王平波

海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)模型

孫開(kāi)艷 劉旺鎖 王平波

海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033

為了解決戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的聲吶系統(tǒng)損傷評(píng)估及修復(fù)（SSBDAR）問(wèn)題，本文研究了戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)模型。針對(duì)艦艇聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估的因果推理特性，建立了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估模型，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估流程，給出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估決斷算法。該模型利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)各評(píng)估修復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，能夠解決損傷信息不確定性，而且充分利用艦艇聲吶系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的損傷信息，提高了模型評(píng)估及修復(fù)效率，是解決艦艇聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。

艦艇聲吶系統(tǒng)；戰(zhàn)場(chǎng)損傷；評(píng)估及修復(fù)；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1 引言

裝備大量高科技設(shè)備的艦艇，其作戰(zhàn)環(huán)境特殊，在沒(méi)有評(píng)估及修復(fù)專家的特殊情況下如何實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)損傷修復(fù)成為一個(gè)難題。目前，國(guó)內(nèi)多所院校開(kāi)展了有關(guān)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)（Battlefield Damage Assessment and Repair）的研究與應(yīng)用，由于缺乏實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)、裝備結(jié)構(gòu)功能的日益復(fù)雜和戰(zhàn)爭(zhēng)模式的改變?cè)龃罅搜b備BDAR的難度，使BDAR實(shí)效性不高。對(duì)于由復(fù)雜電子與機(jī)械混合裝備組成的艦艇聲吶系統(tǒng)遭遇戰(zhàn)場(chǎng)損傷后，艦艇需組織迅速判定損傷情況、確定搶修任務(wù)、決斷搶修順序和預(yù)測(cè)保障資源等一系列技術(shù)活動(dòng)，如何實(shí)施高效、快速、準(zhǔn)確的評(píng)估和損傷修復(fù)是整個(gè)損傷評(píng)估過(guò)程的重要環(huán)節(jié)［1－7］。

采用適當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄芗夹g(shù)來(lái)進(jìn)行智能損傷定位研究，是提高損傷評(píng)估準(zhǔn)確性和效率的重要途徑［8］。采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的圖模型來(lái)建立聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)模型 （Sonar System BDAR），可以充分利用有關(guān)裝備的損傷信息，提高定位速度，更加高效地組織系統(tǒng)的評(píng)估與修復(fù)，本文建立了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的艦艇SSBDAR模型。

2 艦艇聲吶系統(tǒng)組成情況

現(xiàn)代電子裝備發(fā)展迅速，為了在技術(shù)上達(dá)到要求，系統(tǒng)均設(shè)計(jì)得復(fù)雜而龐大。艦艇聲吶系統(tǒng)也是由多個(gè)相干設(shè)備組成的（如圖1），而各個(gè)設(shè)備又由若干部件、組件及元器件構(gòu)成，且安裝、運(yùn)行環(huán)境和操作程序均有不同要求，任一元器件、組件、部件乃至分機(jī)遭遇戰(zhàn)場(chǎng)損傷，都會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)戰(zhàn)技功能的變化或缺失，從而影響聲吶系統(tǒng)整體戰(zhàn)斗性能。在稍縱即逝的戰(zhàn)場(chǎng)上，快速、有效地評(píng)估聲吶系統(tǒng)裝備受損情況并做出決斷顯得尤為重要。

圖1 艦艇聲納系統(tǒng)組成示意圖

3 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)模型

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析原理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶有概率注釋的有向無(wú)環(huán)圖，從定性的角度分析，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的有向弧表示直接因果關(guān)系，并且因果關(guān)系對(duì)應(yīng)了條件獨(dú)立的斷言［9-12］。因此，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠表達(dá)和解釋那些相關(guān)關(guān)系無(wú)法表示和處理的模式。從定量的角度，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是概率信息的載體，是聯(lián)合概率分布的圖形表示方式，并且是可以計(jì)算的概率模型。通過(guò)這種網(wǎng)絡(luò)，可以綜合各種來(lái)源的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的推理。

給定一個(gè)聯(lián)合概率分布P（X1，X2，…，Xn）以及變量的一個(gè)排序d，將X1作為根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，并賦予X1以先驗(yàn)概率分布P（X1）。然后用一結(jié)點(diǎn)表示X2，如果X2與X1有關(guān)，從X1到X2建立一聯(lián)結(jié)，并用P（X2｜X1）表示聯(lián)結(jié)強(qiáng)度；如果X2與X1無(wú)關(guān)，則賦予X2以先驗(yàn)概率分布P（X2）。在第i級(jí)從Xi的父結(jié)點(diǎn)集合為∏Xi［∏Xi?｛X1，X2，L，Xi－1｝］，畫一組方向線聯(lián)結(jié)到Xi，并用P（Xi｜∏Xi）條件概率定量表示，結(jié)果可以得到一個(gè)有向非循環(huán)圖，可用于表示P（X1，X2，…，Xn）中所體現(xiàn)的許多獨(dú)立關(guān)系，該圖就稱作貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

反過(guò)來(lái)，P（Xi｜∏Xi）包含有重構(gòu)原始分布函數(shù)所必需的所有信息，在排序d下，有如下關(guān)系：

圖2 典型的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

圖2是一個(gè)典型的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，它的聯(lián)合分布函數(shù)為：

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在表示領(lǐng)域內(nèi)一般知識(shí)的同時(shí)可以作為一種計(jì)算策略對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行推理。

3.2 聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷模型

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的模型戰(zhàn)場(chǎng)損傷模型的建造其實(shí)就是專家系統(tǒng)中的知識(shí)獲取問(wèn)題，而知識(shí)獲取問(wèn)題正好是損傷系統(tǒng)的瓶頸之一，對(duì)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)也是如此。特別是在SSBDAR中，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立既要考慮裝備正常工作時(shí)各個(gè)功能模塊之間的信息流程，又要分析其遭受損傷后的牽連關(guān)系。當(dāng)然這兩個(gè)方面也是相互關(guān)聯(lián)的，但可以非?？隙ǖ氖瞧渲械墓ぷ髁亢艽?，另外模型的建立也需要一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，本節(jié)簡(jiǎn)要闡述針對(duì)艦艇聲吶系統(tǒng)建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。

建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)部分的內(nèi)容，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立，這是一個(gè)定性建模的過(guò)程；一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（條件概率表）的確定，這屬于定量建模部分。根據(jù)裝備特點(diǎn)建立基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的SSBDAR模型的步驟如下：

1）確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（變量），SSBDAR的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中主要有以下3類節(jié)點(diǎn)：

·損傷源、損傷模式節(jié)點(diǎn)：此類節(jié)點(diǎn)是裝備損傷的原因，不同的威脅機(jī)理（即損傷源）及損傷模式會(huì)對(duì)裝備造成不同類型、程度的損傷。

·損傷節(jié)點(diǎn)：它可能是裝備完成當(dāng)前任務(wù)的某個(gè)系統(tǒng)、組合、分組合或關(guān)鍵器件，也可能是經(jīng)過(guò)抽象處理后的某種電路類型。

·交互節(jié)點(diǎn)：它主要包括檢查操作節(jié)點(diǎn)和詢問(wèn)一回答節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)的作用是與評(píng)估人員進(jìn)行交互，確定當(dāng)前的某種狀態(tài)。

2）確定節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系：考慮事件的直接影響、間接影響及多種事件間的相互影響來(lái)確定相互關(guān)系。

3）按照各分系統(tǒng)的功能技術(shù)組成簡(jiǎn)化系統(tǒng)建模：艦艇聲吶系統(tǒng)是電子／機(jī)械的混合裝備，若不加以抽象簡(jiǎn)化將會(huì)導(dǎo)致貝葉斯網(wǎng)絡(luò)過(guò)于龐大。

同時(shí)，針對(duì)艦艇聲吶系統(tǒng)的組成、功能及分布情況，考慮到優(yōu)先保障系統(tǒng)在遭遇戰(zhàn)場(chǎng)損傷時(shí)的應(yīng)急能力，本流程設(shè)計(jì)了重要設(shè)備項(xiàng)目?jī)?yōu)先決斷、評(píng)估及修復(fù)體系，并根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求，確定決斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、明確各節(jié)點(diǎn)間的因果關(guān)系如圖3。

圖3 艦艇聲吶系統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估及修復(fù)流程

4 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估決斷算法

對(duì)于損傷評(píng)估，需考慮更多的是當(dāng)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，因此要考慮代價(jià)的因素主要有：修復(fù)時(shí)間T及修復(fù)資源M。通常，可以將上述因素合并表達(dá)為代價(jià)函數(shù)：C＝αT＋βM。

首先討論單損傷情況，并假設(shè)代價(jià)獨(dú)立。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)模型中有損傷原因節(jié)點(diǎn)Ai、Aj，其損傷概率分別為Pi、Pj，都可以通過(guò)測(cè)試操作確定損傷原因是否存在的代價(jià)為Ci、Cj。在復(fù)雜情況下的戰(zhàn)場(chǎng)，必須考慮到系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)裝備同時(shí)受到戰(zhàn)場(chǎng)損傷的情況，評(píng)估及修復(fù)步驟的優(yōu)化決策算法如圖4所示，具體過(guò)程如下：

1）收集當(dāng)前信息，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)計(jì)算各個(gè)損傷原因及操作節(jié)點(diǎn)的概率信息，并將各節(jié)點(diǎn)修復(fù)代價(jià)列入集合U＝｛Ai＝Pi／Ci｜i為自然數(shù)｝；

2）在U選擇最大的Am對(duì)應(yīng)的操作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，判定損傷原因是否存在；

3）如果未發(fā)生，將Am從U中移除，再轉(zhuǎn)2），如果確定損傷原因存在，則迅速做出決斷（修理或替換）；

4）根據(jù)上步?jīng)Q斷執(zhí)行修復(fù)操作，然后檢查裝備是否恢復(fù)正常。若不正常，則轉(zhuǎn)2），若正常，終止評(píng)估及修復(fù)，退出評(píng)估系統(tǒng)并將損傷修復(fù)信息列入SSBDAR表格。

圖4 戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估決斷算法

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決艦艇聲吶系統(tǒng)遭遇戰(zhàn)場(chǎng)損傷修復(fù)與評(píng)估實(shí)際操作的難題，采用適當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄芗夹g(shù)來(lái)進(jìn)行智能損傷定位研究，是提高艦艇戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估準(zhǔn)確性和效率的重要途徑。本文以理論分析為基礎(chǔ)，研究艦艇聲吶系統(tǒng)損傷情況，建立了SSBDAR流程，并采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法建立了評(píng)估模型和決斷算法，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)初步建立了SSBDAR模型。當(dāng)然由于建網(wǎng)人員知識(shí)背景不同，對(duì)于問(wèn)題的理解不同，所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模型會(huì)有所不同。但貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立是一項(xiàng)比較復(fù)雜的困難工作，只能根據(jù)實(shí)際問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)的積累，依靠本領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)建立并完善。

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The Model for Damage Assessment and Repair of the Sonar System in Battlefield Based on Bayesian Networks

Sun Kai－yan Liu Wang－suo Wang Ping－bo
College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

This paper proposes a model in order to solve the problem of Sonar System Battlefield Damage Assessment and Repair （SSBDAR）in battlefields.According to causal reasoning of sonar system for warships，a battlefield damage evaluation model is developed based on Bayesian networks and the related evaluation procedure is put forward，as well as the related algorithm for decision－making is presented.With this model，each repair site is evaluated and the uncertainty of damage information is determined.This can make the process of evaluation and repair more efficient，and can be an effective way to handle such problems in the sonar system of warships.

warship sonar system；battlefield damage；assessment and repair；Bayesian networks

E92

A

1673－3185（2009）03－62－04

2009－01－14

孫開(kāi)艷（1981－），男，碩士研究生。研究方向：水聲裝備及其作戰(zhàn)效能研究。E-mail：sky_cisco＠sina.com

劉旺鎖（1965－），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：水聲裝備

王平波（1976－），男，博士研究生。研究方向：水聲信號(hào)處理