美國海軍水面威脅智能識(shí)別方法

宿 勇

(海軍裝備部，北京100000)

0 引 言

智能識(shí)別系統(tǒng)需要解決以下幾方面的問題:航跡是否與已知的民用航線重合，或是位于2 個(gè)民用港口之間;目標(biāo)是否突然偏離民用航線;是否正在捕魚區(qū)域作業(yè);是否正向我水面艦船或受我艦船保護(hù)的設(shè)施行進(jìn);是否有對(duì)我方潛在的攻擊行為。

解決上述問題還需考察所關(guān)注的目標(biāo)航跡與其他航跡間存在的可能關(guān)系，以及各機(jī)動(dòng)之間的相關(guān)性。這些問題都對(duì)水面威脅識(shí)別提出了自動(dòng)化、智能化的要求，旨在降低艦員的工作量，減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生，這也是水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決的問題之一。

1 智能識(shí)別系統(tǒng)功能

水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)按照?qǐng)D1 所示的各層次分析航跡和威脅識(shí)別相關(guān)數(shù)據(jù)，最后對(duì)威脅識(shí)別結(jié)果提出相關(guān)建議。

圖1 中，數(shù)據(jù)輸入管理器先把來自不同源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式放于同一位置;然后對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行第一級(jí)處理，包括濾波和變換等處理，以及數(shù)據(jù)路徑分割和合理性檢查等處理。合理性檢查會(huì)去除有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并糾正由前面錯(cuò)誤數(shù)據(jù)引起的后續(xù)錯(cuò)誤。路徑分割會(huì)根據(jù)多次機(jī)動(dòng)將航跡劃分成許多相對(duì)直的小片段。該級(jí)處理會(huì)根據(jù)“合并-分離”法分離航跡數(shù)據(jù)，并在其他部件中提前啟動(dòng)分析工作(以機(jī)動(dòng)開始或結(jié)束，或按照“合并-分離”法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析)。

第二級(jí)處理旨在通過推理分析得出數(shù)據(jù)中包括哪幾條航跡，哪些航跡是確實(shí)存在的，也就是確認(rèn)每條航跡代表的艦船類型及其所屬關(guān)系(國家、民用或恐怖分子)，分析其經(jīng)過多次“合并- 分離”過程或消失-再現(xiàn)的真實(shí)路徑，研究它與其他艦船的相互關(guān)系。威脅識(shí)別處理分析識(shí)別相關(guān)數(shù)據(jù)(視覺報(bào)告、敵我識(shí)別、前視紅外等)，使用分層方法對(duì)目標(biāo)類型及其歸屬做出推斷，同時(shí)為各個(gè)推斷標(biāo)定可能性。路徑分析實(shí)質(zhì)上也是在實(shí)現(xiàn)同樣的功能，通過分析目標(biāo)的已知路徑，將其與已知民用航線和區(qū)域及其他平臺(tái)路徑做比較。路徑分析還可由平臺(tái)路徑推斷得出平臺(tái)的動(dòng)機(jī)，以此完成對(duì)航跡敵意的評(píng)估?！昂喜?分離”處理對(duì)由“合并-分離”或消失-再現(xiàn)得出的假設(shè)進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)淘汰推理過程，解決不同航跡容易出現(xiàn)混淆的問題。

圖1 水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Intelligent identification system architecture

第三級(jí)處理(即最高級(jí))的目的是理解和掌握所探測(cè)到的平臺(tái)的動(dòng)機(jī)，并將這些信息轉(zhuǎn)換為該平臺(tái)對(duì)我構(gòu)成的威脅估計(jì)。在具體的威脅處理中，要利用平臺(tái)可能的歸屬、平臺(tái)類型、相關(guān)武器射程、傳感器探測(cè)范圍和航速等因素來估計(jì)每條航跡對(duì)我方平臺(tái)或受我方保護(hù)的高價(jià)值設(shè)備構(gòu)成的威脅。觸發(fā)處理通過分析所有與航跡相關(guān)的數(shù)據(jù)，決定是否執(zhí)行觸發(fā)操作。該處理旨在簡化推理過程，可由作戰(zhàn)人員自行設(shè)定。如，任何時(shí)候一旦發(fā)現(xiàn)有平臺(tái)快速接近我方平臺(tái)或受我方保護(hù)的平臺(tái)時(shí)，一次典型的觸發(fā)處理操作將會(huì)啟動(dòng)，馬上通知相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行處理。這種做法可以避免由于對(duì)威脅平臺(tái)的視覺識(shí)別失誤而導(dǎo)致新錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

“建議層”的功能是分析目標(biāo)航跡的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)以及每個(gè)航跡的信息狀態(tài)，并給出相關(guān)識(shí)別結(jié)果。如，哪條航跡應(yīng)該首先進(jìn)行視覺識(shí)別;我方平臺(tái)應(yīng)該使用何種識(shí)別設(shè)備，采取什么樣的機(jī)動(dòng)方式(通過觀察目標(biāo)航跡對(duì)我方機(jī)動(dòng)的反應(yīng))，以此直接或間接增加我方能夠搜集到的額外識(shí)別數(shù)據(jù)。上述建議以及其它重要信息都會(huì)發(fā)送給用戶界面管理器，供艦上相關(guān)人員使用。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程

1)通過多重假設(shè)對(duì)航跡“合并-分離”、航跡消失和推理處理

隨著航跡的合并和分離(或者在相對(duì)臨近的區(qū)域內(nèi)消失、再現(xiàn))，系統(tǒng)必須隨時(shí)意識(shí)到任何一條航跡都可能是新出現(xiàn)的。因此，系統(tǒng)需要對(duì)每條航跡做多重假設(shè)，并具備處理級(jí)聯(lián)情形的能力。當(dāng)系統(tǒng)收到能夠充分消除各種假設(shè)之間模糊性的識(shí)別信息時(shí)，就會(huì)用淘汰推理處理方法自動(dòng)識(shí)別相關(guān)航跡。

2)機(jī)動(dòng)相關(guān)檢測(cè)

這一功能用于對(duì)航跡機(jī)動(dòng)進(jìn)行分析，以決定不同航跡之間，或航跡與友艦的機(jī)動(dòng)是否存在相互關(guān)系。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵诮－h(huán)境中，航跡數(shù)量太多，無法完全靠監(jiān)視人員完成對(duì)其機(jī)動(dòng)相關(guān)性的檢測(cè)。該功能關(guān)注航跡和友艦之間的關(guān)系:比如該航跡是否總在避開被攔截點(diǎn)或接近點(diǎn)的位置，是否總試圖與我方保持一定距離，是否通過躲開某個(gè)最近接近點(diǎn)(CPA)距離來避免被我方發(fā)現(xiàn)和識(shí)別。此外，該功能還關(guān)注不同航跡間的相互配合，如保持特定隊(duì)形、相互集結(jié)或與第3 條航跡集結(jié)。

3)水面威脅識(shí)別處理、融合和行為分析

由于涉及的航跡數(shù)量巨大，監(jiān)視人員不可能充分監(jiān)視每條航跡并處理形成識(shí)別報(bào)告。系統(tǒng)收到識(shí)別報(bào)告信息(視頻、前視紅外、聲信號(hào)特征、特定發(fā)射機(jī)識(shí)別碼、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)、電子偵察(ES)等)時(shí)，必須根據(jù)所感知到的航跡航速和機(jī)動(dòng)性自動(dòng)識(shí)別每種平臺(tái)的類型、屬性和動(dòng)機(jī)。平臺(tái)行為包括:民船離開已知航線、漁船未朝捕魚區(qū)域行進(jìn)、游輪未駛向娛樂區(qū)而朝友艦行進(jìn)、對(duì)友艦航線進(jìn)行攔截、出現(xiàn)連續(xù)的“合并-分離”過程、與其它平臺(tái)之間的配合行為以及與友艦機(jī)動(dòng)的關(guān)系等，這些都是判斷敵艦屬性和敵意時(shí)要考慮的。

4)基于試探法的行動(dòng)建議

有許多試探法或經(jīng)驗(yàn)法則可用于在特定情形中為特定行動(dòng)提出特定的建議。包括:通過己艦機(jī)動(dòng)來避免威脅、做出響應(yīng)或爭(zhēng)取時(shí)間;使用無人機(jī)、無人水面艇和用于威脅識(shí)別的直升機(jī)來識(shí)別威脅、做出響應(yīng)、監(jiān)視或跟蹤可疑航跡;使用非致命手段以及外部通信功能確認(rèn)威脅，如對(duì)正在接近的艦船進(jìn)行無線電詢問或發(fā)出5 次鳴笛詢問。在做出上述建議時(shí)，水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)必須考慮海上艦船密集的程度、地理?xiàng)l件，、水下地形、環(huán)境因素、可用系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向問題，任務(wù)類型等。

5)為點(diǎn)跡識(shí)別、區(qū)域搜索提供路線規(guī)劃

給出需要分類、識(shí)別的點(diǎn)跡集合以及需要搜索的區(qū)域，該功能為選定的有人和無人識(shí)別工具規(guī)劃最優(yōu)的接近目標(biāo)航跡的路線。

6)實(shí)時(shí)修改航跡標(biāo)識(shí)、警戒和建議行為

由于現(xiàn)代艦船的作戰(zhàn)環(huán)境和范圍很廣，所以很多時(shí)候需要戰(zhàn)術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行修改，以適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境。大部分的系統(tǒng)控制行為以類似于流程圖的形式給出。這種表示形式便于沒有任何編程經(jīng)驗(yàn)的戰(zhàn)術(shù)人員理解和修改航跡標(biāo)識(shí)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵分析

系統(tǒng)使用大量人工智能及其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)。使用了最初為仿真戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)中實(shí)時(shí)決策開發(fā)的模糊邏輯(FL)和行為變遷網(wǎng)絡(luò)，對(duì)航跡行為和相關(guān)信息識(shí)別進(jìn)行分析。這些模糊邏輯規(guī)則和行為變遷網(wǎng)絡(luò)通常通過對(duì)航跡航速、相對(duì)位置及其他參數(shù)做向量運(yùn)算，以確定敵方對(duì)我攔截路線、最接近點(diǎn)以及相對(duì)航速，判斷航跡是沿已知航線行進(jìn)還是離開航線。

真值維護(hù)軟件對(duì)由“合并-分離”引發(fā)的多重假設(shè)進(jìn)行管理，這些假設(shè)包括各個(gè)不同級(jí)別可能性的假設(shè)，同時(shí)軟件還完成淘汰推理的邏輯過程。水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)、路線規(guī)劃技術(shù)以及人為推理試探法，為主動(dòng)采取行動(dòng)和使用識(shí)別傳感器提供相關(guān)建議。

1)路徑分析

路徑分析是按照多數(shù)民船通常都會(huì)按照直線路經(jīng)向目的地行進(jìn)這樣一個(gè)事實(shí)。民船通常在出發(fā)地和目的地之間的直線路徑上以最經(jīng)濟(jì)的航速前行。除了讓路之外，它們通常不會(huì)對(duì)其它艦船的行動(dòng)有反應(yīng)。如果民船以不明原因進(jìn)行了機(jī)動(dòng)，我們自然需要對(duì)其做進(jìn)一步的研究。

從某種程度上講，若水面航跡原本在典型民用航線上行進(jìn)，后來離開該航線，開始朝高價(jià)值設(shè)備行進(jìn)，如果此時(shí)它的CPA 較近，我們對(duì)它敵意的可能性就會(huì)增加;反之，敵意可能性就會(huì)減少。如果它離高價(jià)值設(shè)備的距離非常接近其武器投射范圍(小于10 min 航程)，威脅性就會(huì)很高，否則就會(huì)相對(duì)較低。航跡威脅可能性為“極有可能”時(shí)，確認(rèn)其為敵方平臺(tái)的可能性相應(yīng)增加。

可能性分為幾個(gè)等級(jí):0，不太可能，可能，極有可能，確定。這里的“確定”是指“有把握，會(huì)有交戰(zhàn)”，而非在邏輯上相當(dāng)于100%確定?！按_定”偶然也存在錯(cuò)誤，水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)也需要能處理類似的問題。

2)“合并-分離”處理

“合并-分離”威脅識(shí)別跟蹤系統(tǒng)可對(duì)目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤，尤其是在某條航跡進(jìn)行兩次或多次“合并-分離”時(shí)，更需要確定其身份。對(duì)于某條“合并-分離”之后的航跡，需要追溯其所有可能的前身，并根據(jù)當(dāng)前假設(shè)和可能前身是否有矛盾來逐步縮小篩選范圍。當(dāng)范圍縮小到最后只剩下一條航跡時(shí)，就將其作為當(dāng)前航跡的“母航跡”，并將所得結(jié)果信息發(fā)送到同一級(jí)的其它航跡，最終形成一個(gè)“航跡繼承關(guān)系表”。該表對(duì)于那些與母航跡之間存在模糊性，但與更上級(jí)的繼承關(guān)系已確定的航跡非常有用。

3)威脅識(shí)別處理

威脅識(shí)別處理用于確定航跡的類型、航跡可能的歸屬以及可能性估計(jì)。這一分析由行為變遷網(wǎng)絡(luò)完成，該網(wǎng)絡(luò)可由用戶編輯，靈活性很強(qiáng)。行為是一種分級(jí)的決策樹，它通過分析航跡的當(dāng)前和歷史信息，將航跡按識(shí)別的種類進(jìn)行劃分(藍(lán)色、紅色、灰色、白色)并給出可能性。出現(xiàn)航跡新數(shù)據(jù)通常會(huì)引發(fā)分析的再次執(zhí)行。

航跡的當(dāng)前和歷史信息包括:正在處理的航跡表現(xiàn)出了與歷史記錄中某威脅識(shí)別種類一直保持一致的特征;發(fā)射機(jī)識(shí)別特征;之前為該航跡確定的可能性;航跡位置與搜集到的情報(bào)數(shù)據(jù)的吻合程度等。

4)威脅處理

威脅處理組件決定何時(shí)確立一個(gè)可能的威脅并通知用戶。用戶可以借助圖形化編輯的方式對(duì)威脅進(jìn)行分析，具體編輯可以通過行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)完成。威脅處理基于多種考慮因素，尋找潛在威脅并做出威脅嚴(yán)重性的評(píng)估。例如，若1 艘未識(shí)別的艦船正在接近友艦，就需要判定這艘未識(shí)別的艦船是否是友艦，攜帶何種武器以及它是否有侵害動(dòng)機(jī)。經(jīng)過判斷，就可以決定其威脅的嚴(yán)重程度。

威脅判定的考慮因素包括:為航跡確定的顏色;傳感器探測(cè)范圍;武器打擊范圍;到達(dá)傳感器和武器打擊范圍所需時(shí)間等。

5)威脅處理數(shù)據(jù)合理性校驗(yàn)

合理性校驗(yàn)器在當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)下對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。若搜索接受的數(shù)據(jù)不合理，系統(tǒng)將判斷數(shù)據(jù)是有用數(shù)據(jù)還是噪聲。合理性校驗(yàn)器的工作分為兩部分:判斷數(shù)據(jù)是否“不正?！?判斷數(shù)據(jù)是噪聲還是可以用來修正航跡模型的重要信息。合理性校驗(yàn)非常直接:根據(jù)已知的航跡信息，判斷數(shù)據(jù)的新改變從可能性上講是否合理。如果不合理，合理性校驗(yàn)器會(huì)完成基本的分析檢查。

6)觸發(fā)處理

觸發(fā)處理組件對(duì)由用戶圖形化定義的觸發(fā)行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)完成。多數(shù)行為都會(huì)考慮所建議的航跡種類的標(biāo)準(zhǔn)行為，并將平臺(tái)的實(shí)際行為與之作對(duì)比，如果存在較大差異，則通知用戶。這與提供獨(dú)立警戒機(jī)制的威脅處理相似但又相互獨(dú)立。如，用戶可能有這樣的要求，不管在任何時(shí)間，不管航跡歸屬是誰，一旦有平臺(tái)在相近的攔截路線上朝藍(lán)色平臺(tái)高速行進(jìn)，都需要通知用戶。這樣，如果某威脅平臺(tái)能夠混淆視聽被誤分類為民船，用戶仍然能夠接收到危險(xiǎn)行為的通知。如果被認(rèn)為是漁船的航速超過了應(yīng)有的最大航速，仍然會(huì)引發(fā)自動(dòng)通知行為。

7)行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)(BTN)

行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)通過將行為分層，經(jīng)過判斷轉(zhuǎn)移到后續(xù)任務(wù)。當(dāng)前任務(wù)通常會(huì)持續(xù)執(zhí)行，直到某次轉(zhuǎn)移發(fā)生，然后轉(zhuǎn)向完成箭頭所指的任務(wù)。如果同時(shí)發(fā)生多個(gè)轉(zhuǎn)移，就需要對(duì)其做評(píng)估排序，如圖中行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字所示。深色線所框的任務(wù)表示該任務(wù)本身也是可進(jìn)一步向下擴(kuò)展形成新的行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。

例如圖2 左圖所示的水面威脅識(shí)別行為，從任務(wù)一開始就表示形成了一個(gè)“確定”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。若“確定”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)能完成航跡識(shí)別和分類，則整個(gè)識(shí)別工作完成。否則轉(zhuǎn)向到“可能”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)。水面威脅識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)航跡威脅高低可能性做不同的分類，然后由高到低逐級(jí)向下分類，直到最終判斷出航跡真實(shí)類型，并完成識(shí)別行為。圖2 右圖為“不太可能”行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，與左圖相比顯得更為復(fù)雜。“不太可能”行為變遷網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)都是不可再分的最小單位，它們?nèi)恐苯訄?zhí)行，不能進(jìn)一步分解為另外的行為變遷網(wǎng)絡(luò)。在此行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)下，從任務(wù)啟動(dòng)一開始，系統(tǒng)直接搜尋逆合成孔徑雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)入逆合成孔徑雷達(dá)識(shí)別任務(wù)，否則檢查航跡的前視紅外(FLIR)數(shù)據(jù)是否存在——然后是電子偵察(ES)數(shù)據(jù)——視覺識(shí)別(UVID)信息。只有當(dāng)視覺識(shí)別仍無法實(shí)現(xiàn)航跡分類時(shí)才會(huì)轉(zhuǎn)入“不太可能”網(wǎng)絡(luò)。如果航跡的這4 種數(shù)據(jù)都不存在，行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)工作就此結(jié)束。

圖2 行為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Behavior transition network

4 結(jié) 語

當(dāng)前美國海軍面臨許多挑戰(zhàn)，如處理水面航跡的模糊性、存儲(chǔ)和處理以往航跡數(shù)據(jù)、評(píng)估航跡威脅程度以及過濾不合理的數(shù)據(jù)等。水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)能夠自動(dòng)分析目標(biāo)航跡相關(guān)數(shù)據(jù)，通過假設(shè)推理進(jìn)行航跡推斷，并提出相關(guān)識(shí)別建議。此外，水面威脅智能識(shí)別系統(tǒng)采用了許多已有成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，如系統(tǒng)中使用了“合并-分離”假設(shè)，而維護(hù)及推理應(yīng)用了成熟的真值維護(hù)技術(shù)和淘汰推理的處理方法。

［1］RICHARDS，ROBERT，RICHARDS S，et al.Intelligent identification software module(IISM)for the US navy′s combat center［C］//2006 IEEE Aerospace Conference Proceedings.Big Sky，2006，3:4-11.

［2］PETROV P V，STOYEN A D，HICKS J D，et al. 21st century systems，inc.′ s agent enabled decision guide environment(AEDGETM)［C］//IAT 2001 Maebahsi，Japan，2001，10.