基于模式識(shí)別和序貫分析的綜合態(tài)勢(shì)感知模型研究*

李 軍 李敏勇 常玉國(guó)

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

1 引言

具有良好的態(tài)勢(shì)感知能力是所有軍隊(duì)共同追求的目標(biāo),但如何處理海量的戰(zhàn)場(chǎng)信息也成為困擾各級(jí)指揮員的難題。從過(guò)去的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,問(wèn)題的關(guān)鍵不在于缺少合適的信息,而在于缺少處理信息的合適方法。因此,依托于目前的科技水平和戰(zhàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),要構(gòu)建良好的態(tài)勢(shì)感知,不只是技術(shù)層面所考慮的問(wèn)題,而且是方法問(wèn)題。在此,本文提出了基于模式識(shí)別和序貫分析的綜合態(tài)勢(shì)感知模型,希冀從信息處理的方法上去尋找提升態(tài)勢(shì)感知效能的途徑。

2 態(tài)勢(shì)感知的地位和特點(diǎn)

態(tài)勢(shì)感知是指能夠在特定的時(shí)間及時(shí)感知作戰(zhàn)空間的局部或整體態(tài)勢(shì),是指揮控制環(huán)路中認(rèn)識(shí)活動(dòng)的一種重要形態(tài)。只有具備優(yōu)勢(shì)的態(tài)勢(shì)感知,才會(huì)有后續(xù)的決策優(yōu)勢(shì)和行動(dòng)優(yōu)勢(shì)。

態(tài)勢(shì)感知作為信息從物理域或信息域映射到認(rèn)知域的一種認(rèn)知活動(dòng),是信息、數(shù)據(jù)進(jìn)入認(rèn)知域的輸入過(guò)程[1]。主要分為兩種感知方式,一種是直接感知方式,對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境主要通過(guò)模式識(shí)別的方式來(lái)完成,另一種是間接感知方式,借助工具和手段對(duì)具有時(shí)空特性的感知對(duì)象進(jìn)行序貫分析來(lái)完成。

3 態(tài)勢(shì)感知的模型

根據(jù)A lberts在文獻(xiàn)《理解指揮與控制》[2]中提出的態(tài)勢(shì)感知參考模型,本文把態(tài)勢(shì)感知模型從功能上分為三層:實(shí)體感知層、關(guān)系理解層、態(tài)勢(shì)評(píng)估層,如圖1所示,每層根據(jù)不同的問(wèn)題域?qū)崿F(xiàn)不同的功能,三層協(xié)作完成態(tài)勢(shì)感知的過(guò)程。

圖1 態(tài)勢(shì)感知示意圖

3.1 基于序貫分析的態(tài)勢(shì)感知

基于序貫分析的態(tài)勢(shì)感知,即是依據(jù)指揮控制活動(dòng)的周期性特點(diǎn)而出現(xiàn)的迭代感知過(guò)程。隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不斷更新,態(tài)勢(shì)感知活動(dòng)逐級(jí)展開(kāi),形成一個(gè)動(dòng)態(tài)、連續(xù)的過(guò)程。其感知活動(dòng)主要分為如下三個(gè)步驟:

1)實(shí)體感知階段

主要是綜合提取來(lái)自反映當(dāng)前作戰(zhàn)環(huán)境的多傳感源數(shù)據(jù),構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的信息空間,主要發(fā)生在物理域。形式化表示如下:

式中,St為t時(shí)刻的單元信息向量,Tj為傳感器采集的戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體特征信息。連續(xù)時(shí)刻的態(tài)勢(shì)單元信息向量組成了態(tài)勢(shì)信息空間U,實(shí)體感知過(guò)程就是從態(tài)勢(shì)信息空間U提取態(tài)勢(shì)特征向量Vi的過(guò)程。

2)關(guān)系感知階段

主要是根據(jù)實(shí)體感知所生成的態(tài)勢(shì)特征向量Vi對(duì)各態(tài)勢(shì)特征的關(guān)系進(jìn)行理解,從而解釋和判斷當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài),并進(jìn)一步形成態(tài)勢(shì)理解空間A,通過(guò)不斷到來(lái)的特征向量修正態(tài)勢(shì)理解空間A。

假設(shè)態(tài)勢(shì)空間為θ={A,B,C,D,…},其中元素為全部可能出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)分類(lèi)。

當(dāng)前獲取的態(tài)勢(shì)特征向量集合為

3)態(tài)勢(shì)評(píng)估過(guò)程

態(tài)勢(shì)評(píng)估過(guò)程是基于當(dāng)前已經(jīng)獲得的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)理解空間A,對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),并以概率的方式給出態(tài)勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)。即已知t時(shí)刻的態(tài)勢(shì)A(t),求A(t+Δt)時(shí)刻的態(tài)勢(shì)。態(tài)勢(shì)評(píng)估過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是建立映射φ:A(t)→A(t+Δt)的過(guò)程。

3.2 基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知

美國(guó)著名指揮控制專(zhuān)家A lberts在專(zhuān)著《理解信息戰(zhàn)》[3]中提出了基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知,指出通常情況下指揮人員對(duì)態(tài)勢(shì)的感知都是利用直覺(jué)而不是理性的決策,他們通過(guò)識(shí)別模式并將模式與自身先前的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)聯(lián)系起來(lái),以確定態(tài)勢(shì)的本質(zhì)和恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知更多的依靠感知主體的素質(zhì),感知所達(dá)到的水平及共享所達(dá)到的程度取決于很多因素,其中包括看法、一種先驗(yàn)的知識(shí)、對(duì)態(tài)勢(shì)的熟悉程度、真?zhèn)涡畔⒌幕祀s出現(xiàn)、接收到信息的次序和相互信任的關(guān)系。感知所達(dá)到的共享程度,除取決于上述這些相同的因素外,還取決于團(tuán)隊(duì)成員在各個(gè)方面存在的差異,其中包括知識(shí)、技能、經(jīng)驗(yàn)和文化等[2]。

實(shí)際上,經(jīng)過(guò)良好教育和訓(xùn)練的戰(zhàn)斗人員和情報(bào)分析人員,在時(shí)間緊迫的作戰(zhàn)環(huán)境下,往往面對(duì)的是對(duì)敵方的作戰(zhàn)意圖進(jìn)行快速的模式識(shí)別,即是將觀測(cè)分析得到的特征量與各類(lèi)作戰(zhàn)意圖的特征量相比較,與哪一類(lèi)的相似度最大,即判別為該類(lèi)作戰(zhàn)意圖?；谀Ｊ阶R(shí)別的態(tài)勢(shì)感知,存在于人的大腦之中,無(wú)法精確量化,本文只是初步給出其形式化的數(shù)學(xué)描述:

設(shè)當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)得到的目標(biāo)特征向量為:

基本思想在于利用目標(biāo)狀態(tài)(用特征向量表征)與標(biāo)準(zhǔn)序列狀態(tài)值之間的相近程度(簡(jiǎn)稱(chēng)相似度)來(lái)計(jì)算目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)對(duì)各意圖類(lèi)別的支持程度。

1)分析特定作戰(zhàn)背景下,目標(biāo)具有某種作戰(zhàn)意圖cj時(shí)特征向量X的標(biāo)準(zhǔn)值。標(biāo)準(zhǔn)值的分量并非特定的值,而是存在一個(gè)離散或連續(xù)的取值范圍。不同的意圖類(lèi)別具有不同的標(biāo)準(zhǔn)值,相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分量為;

3)建立特征向量xij與的相似度計(jì)算模型,其相似度用[-1,1]中的一個(gè)數(shù)來(lái)度量,當(dāng)相似度取正值時(shí),代表該特征支持相應(yīng)的意圖類(lèi)別,取負(fù)值時(shí)相反;

4)計(jì)算特征向量X對(duì)cj的支持程度

實(shí)際過(guò)程中,基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)認(rèn)識(shí)是一個(gè)定性分析的過(guò)程,完全基于態(tài)勢(shì)感知主體的認(rèn)知能力,不可避免地存在一定的模糊性和不精確性,但這也是人類(lèi)認(rèn)知活動(dòng)的客觀事實(shí)。

4 綜合態(tài)勢(shì)感知的效能分析

感知總是由當(dāng)前的信息和先驗(yàn)知識(shí)共同形成。前者需要利用基于序貫分析的態(tài)勢(shì)感知方式,后者主要利用基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知方式。隨著態(tài)勢(shì)的發(fā)展,感知就越依賴(lài)信息而不是先驗(yàn)知識(shí)。

由于在傳統(tǒng)序列態(tài)勢(shì)感知的基礎(chǔ)上,綜合采用了基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知方法,信息處理的負(fù)荷大為降低,信息處理時(shí)間大為縮短,有利于提高指揮機(jī)構(gòu)的態(tài)勢(shì)感知質(zhì)量。由于態(tài)勢(shì)感知屬于一種具有時(shí)空屬性的感知活動(dòng),主要體現(xiàn)在其時(shí)效性和消除戰(zhàn)場(chǎng)的不確定性。因此,本文采用把綜合態(tài)勢(shì)感知的效能簡(jiǎn)化為對(duì)協(xié)同完成感知任務(wù)的時(shí)間上的影響來(lái)進(jìn)行量化分析[4]。

設(shè)定態(tài)勢(shì)感知任務(wù)由分析人員按照一定的行為步驟來(lái)完成,為完成一定的態(tài)勢(shì)感知目標(biāo),這些行為構(gòu)成一條關(guān)鍵路徑。將每一個(gè)階段行為簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在態(tài)勢(shì)感知過(guò)程中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一定數(shù)量處理任務(wù)。λi為節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的平均速率,則1/λi為節(jié)點(diǎn)i處理所有任務(wù)的平均時(shí)間,設(shè)為指數(shù)分布。通常在態(tài)勢(shì)感知網(wǎng)絡(luò)中,會(huì)有一系列的并行和串行節(jié)點(diǎn)。在最簡(jiǎn)單的情況下,網(wǎng)絡(luò)中存在一條串行的關(guān)鍵路徑由ρ個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。定義路徑總處理延遲為每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理延遲的總和加上 tm,tm是態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)內(nèi)在固定耗費(fèi)時(shí)間。在這樣一個(gè)串行的例子中,總的處理時(shí)間 T就是在關(guān)鍵路徑上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間的總和加上tm。

對(duì)于綜合態(tài)勢(shì)感知模型,在關(guān)鍵路徑上同時(shí)存在串行和并行的節(jié)點(diǎn),如圖2所示,則

由于態(tài)勢(shì)感知的最終目的在于消除不確定性,我們主要關(guān)注態(tài)勢(shì)估計(jì)階段,設(shè)定節(jié)點(diǎn)j在時(shí)刻t的知識(shí)表示為K j(t),則節(jié)點(diǎn)4的知識(shí)表示為K 4(t),令c*表示由于引入基于模式識(shí)別的態(tài)勢(shì)感知效益。節(jié)點(diǎn)4處的態(tài)勢(shì)感知效益即態(tài)勢(shì)處理時(shí)間減少因子即c*=(1-K4(t))w,0≤w≤1。考慮到態(tài)勢(shì)感知是作為指揮控制活動(dòng)OODA環(huán)(觀察、定位、決斷、行動(dòng))的一個(gè)組成部分,本身具有一定的周期性。設(shè)定在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)所有的多源信息輸入產(chǎn)生的感知效益即態(tài)勢(shì)處理時(shí)間的減少量為

圖2 串并行節(jié)點(diǎn)共存的態(tài)勢(shì)感知網(wǎng)絡(luò)圖

其中n表示在時(shí)間段內(nèi)所有通過(guò)模式識(shí)別方式進(jìn)行的態(tài)勢(shì)感知的輸入信息(事件)數(shù)目。

因此,由于模式識(shí)別帶來(lái)的態(tài)勢(shì)感知效益可量化為相應(yīng)關(guān)鍵路徑上處理時(shí)間的優(yōu)化。

態(tài)勢(shì)感知所形成的模式識(shí)別信息,既存在于戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn),又通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)到指揮節(jié)點(diǎn),能夠較好地實(shí)現(xiàn)指揮控制活動(dòng)快速性和完整性的有效統(tǒng)一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知中人類(lèi)認(rèn)知活動(dòng)的特性,對(duì)基于模式識(shí)別的直接態(tài)勢(shì)感知進(jìn)行了重點(diǎn)分析,并提出了簡(jiǎn)化的量化模型,有利于對(duì)態(tài)勢(shì)感知過(guò)程進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),對(duì)處理態(tài)勢(shì)感知所面臨的通信負(fù)載大、信息處理多、時(shí)間延遲久等困難提出了一種新的解決方式,對(duì)提高態(tài)勢(shì)感知質(zhì)量以及對(duì)態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]李敏勇.信息戰(zhàn)與指揮控制[M].武漢:海軍工程大學(xué),2004

[2]Alberts,David S.,Richard E.Hayes.Understanding Command and Control[M].Washington,DC:CCRP Publication Series,2006

[3]lberts,David S.,John J.Garstka,et al.Understanding Information Age Warfare[M].Washington,DC:CCRP Publication Series,2001

[4]JamesMo ffat.Comp lexity Theory and Netw ork Centric Warfare[A].U.S.:CCRP Publication Series,2004