基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估*

余麗山,李彥彬,趙永龍,包 博

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,奪取制空權(quán)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的局勢(shì)起著決定性的作用。飛機(jī)作為空戰(zhàn)的主要武器,在高科技、信息化的今天,面臨著人類歷史上最復(fù)雜、最尖端的作戰(zhàn)環(huán)境。如何保證飛機(jī)在作戰(zhàn)時(shí),在不減少其戰(zhàn)斗力,能較好完成戰(zhàn)斗任務(wù)的前提下,提高承受或者躲避其應(yīng)對(duì)敵對(duì)環(huán)境的能力,即提高飛機(jī)的抗毀傷能力,是目前飛機(jī)設(shè)計(jì)人員以及作戰(zhàn)指揮人員主要考慮的因素之一[1-2]。

關(guān)于飛機(jī)的抗毀傷能力,文獻(xiàn)[3]中定義飛機(jī)的毀傷概率PK=PHPK/H(PH表示目標(biāo)的敏感性,PK/H表示目標(biāo)的易損性),故前人大多從降低飛機(jī)的敏感性或者易損性來(lái)考慮提高飛機(jī)的抗毀傷能力[4]。然而敏感性考慮的是飛機(jī)被敵方發(fā)現(xiàn)并被擊中的問(wèn)題,飛機(jī)易損性考慮的是承受打擊的能力問(wèn)題。若單從這兩方面考慮飛機(jī)的抗毀傷能力,存在一定的片面性。飛機(jī)的抗毀傷能力與飛機(jī)損傷后的戰(zhàn)傷修復(fù)性以及與飛機(jī)主動(dòng)消滅威脅源也有一定的關(guān)系。文中從飛機(jī)的敏感性、易損性、戰(zhàn)傷搶修性和作戰(zhàn)能力四個(gè)方面分析飛機(jī)的抗毀傷能力,根據(jù)飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估指標(biāo)參數(shù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最后形成可對(duì)飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1 飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估指標(biāo)體系

當(dāng)飛機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),會(huì)受到敵戰(zhàn)斗機(jī)、防空導(dǎo)彈等武器的攻擊。飛機(jī)的敏感性與易損性越低,抗毀傷能力越高。除此之外,可以提高飛機(jī)的作戰(zhàn)能力[5],從主動(dòng)攻擊方面消滅危險(xiǎn)源,從而提高飛機(jī)的抗毀傷能力;提高飛機(jī)的戰(zhàn)傷搶修能力[6],是在飛機(jī)受到敵方武器攻擊受傷后,從被動(dòng)防御上提高飛機(jī)的抗毀傷能力。因此,文中從飛機(jī)的敏感性、易損性、戰(zhàn)傷搶修性以及作戰(zhàn)能力四個(gè)方面進(jìn)行分析,建立了飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估指標(biāo)體系。

1.1 敏感性

敏感性指的是飛機(jī)被諸如紅外、雷達(dá)或其他的探測(cè)裝置探測(cè)到后,被破片、高能激光束、沖擊波或動(dòng)能彈丸等威脅物體擊中的可能性,可用PH表示。與飛機(jī)敏感性有關(guān)的因素有:飛機(jī)自身的特性(如較小的雷達(dá)散射面積;高機(jī)動(dòng)性,躲避對(duì)方的威脅攻擊);飛機(jī)上的對(duì)抗裝置(如用于壓制跟蹤雷達(dá)的反雷達(dá)導(dǎo)彈,欺騙導(dǎo)彈或者防止被探測(cè)的電子對(duì)抗裝置);飛機(jī)運(yùn)用的戰(zhàn)術(shù)(如利用地勢(shì)、地形、氣候等自然條件避免被探測(cè)到)[7]。飛機(jī)敏感性:

PH=PAPDITPLGD

(1)

式中:PA表示威脅源主動(dòng)做好準(zhǔn)備攻擊飛機(jī)的概率;PDIT表示飛機(jī)被敵方威脅源探測(cè)、識(shí)別和跟蹤的概率;PLGD表示飛機(jī)被威脅源發(fā)射、開(kāi)火擊中的可能性。

1.2 易損性

文中易損性是指結(jié)構(gòu)易損性,根據(jù)我國(guó)的軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z202—2001中的定義:易損性是在某種人為的敵對(duì)環(huán)境中,飛機(jī)由于遭受不同等級(jí)的威脅機(jī)理,完成任務(wù)的能力受到降低限定等級(jí)的一種系統(tǒng)特性,通常用PK/H表示[8]。

(2)

式中:AV表示由單個(gè)破片或者侵徹體撞擊而引起的飛機(jī)易損性可用的總易損面積;AP表示在垂直于毀傷元的入射方向飛機(jī)的呈現(xiàn)面積。

AV與威脅對(duì)飛機(jī)的殺傷模式、威脅的種類、威脅打擊的方向和速度以及飛機(jī)部件的材料、尺寸和飛機(jī)處于殺傷區(qū)的位置等因素有關(guān)。飛機(jī)易損性與飛機(jī)致命性部件的裝置和設(shè)計(jì)手段(如有效地將發(fā)動(dòng)機(jī)分開(kāi))、致命性部件在遭受打擊后繼續(xù)工作的能力等因素有關(guān)。

1.3 戰(zhàn)傷搶修性

飛機(jī)戰(zhàn)傷搶修性(aircraft combat resilience,ACR),指的是在作戰(zhàn)環(huán)境下,利用有限的時(shí)間和資源對(duì)戰(zhàn)傷飛機(jī)進(jìn)行應(yīng)急修理,使戰(zhàn)傷飛機(jī)迅速的恢復(fù)到自救或者具有完成某種任務(wù)的能力,從而提高飛機(jī)的抗毀傷能力。戰(zhàn)傷搶修可以使飛機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi),轉(zhuǎn)入戰(zhàn)斗狀態(tài),保證飛機(jī)最大的出動(dòng)架次以及完成任務(wù)的能力。戰(zhàn)傷搶修性可用飛機(jī)的可靠性、維修性、保障性表示。

1)可靠性

可靠性(reliability)是指在無(wú)故障、無(wú)退化或者不要求保障系統(tǒng)的條件下,飛機(jī)及其組成部分執(zhí)行其規(guī)定功能的能力[9]?？煽啃钥煞譃榛究煽啃院腿蝿?wù)可靠性。在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi),飛機(jī)的壽命單位數(shù)與故障的總次數(shù)之比為平均故障間隔時(shí)間(MTBF),常用其表示飛機(jī)的可靠性。

(3)

式中:TMTBF為平均故障間隔時(shí)間;T0表示飛機(jī)工作時(shí)間;Nf表示故障總數(shù)。

2)維修性

維修性(maintainability)表示在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi),用規(guī)定的方法和程序?qū)︼w機(jī)進(jìn)行維修,使飛機(jī)恢復(fù)到其完成作戰(zhàn)任務(wù)的能力,可分為基本維修性和任務(wù)維修性。維修性可用平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)表示。

(4)

式中:TMTTR表示平均修復(fù)時(shí)間;λi表示第i個(gè)可修部件的故障率(1/h);TMTTR,i表示第i個(gè)可修部件的平均修復(fù)時(shí)間。

3)保障性

保障性是飛機(jī)的設(shè)計(jì)特性以及計(jì)劃的保障資源能夠滿足飛機(jī)作戰(zhàn)使用的能力。飛機(jī)的保障性常用飛機(jī)的使用可用度A0來(lái)表示。

(5)

式中:TMDT為平均維修時(shí)間與保障延誤時(shí)間的總和。

1.4 作戰(zhàn)能力

作為武器平臺(tái)的軍用飛機(jī),可掛載激光武器、導(dǎo)彈等先進(jìn)的制導(dǎo)殺傷性武器,其對(duì)威脅源的主動(dòng)攻擊能力是客觀存在的。軍用飛機(jī)主動(dòng)自主防御,即通過(guò)攔截、摧毀或損傷飛行的威脅物,降低或者消除威脅[10]。通過(guò)飛機(jī)的作戰(zhàn)能力,對(duì)威脅實(shí)施進(jìn)攻的“硬殺傷”,從而提高飛機(jī)的抗毀傷能力。

軍用飛機(jī)的作戰(zhàn)能力主要表現(xiàn)為發(fā)現(xiàn)、擊中、毀傷威脅目標(biāo),可用PKK表示。

(6)

飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估指標(biāo)體系如圖1。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估的實(shí)質(zhì)是飛機(jī)與危險(xiǎn)源之間的多屬性決策問(wèn)題,具有模糊性和不確定性,人工很難描繪各指標(biāo)之間的關(guān)系,只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者飛機(jī)的性能參數(shù)為飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估提供科學(xué)的方法。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以經(jīng)過(guò)訓(xùn)練對(duì)指標(biāo)的權(quán)值和閾值不斷修正,把威脅評(píng)估的誤差降到指定值,同時(shí)避免了人的主觀思想對(duì)評(píng)估的影響。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理是:經(jīng)過(guò)輸入層的樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后,訓(xùn)練隱層和輸出層的權(quán)值和閾值。樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)隱層和輸出層的計(jì)算,通過(guò)神經(jīng)元輸出,輸出值與期望值比較是否達(dá)到設(shè)定的精度,若精度不符合要求,誤差經(jīng)輸出層返回訓(xùn)練,修改權(quán)值和閾值直到達(dá)到誤差精度或達(dá)到訓(xùn)練次數(shù),停止訓(xùn)練。即通過(guò)訓(xùn)練找到合適的權(quán)值和閾值來(lái)擬合樣本數(shù)據(jù),并對(duì)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[11]。

文中采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),經(jīng)證明任何復(fù)雜的函數(shù)都可以用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)逼近[12],其具有很強(qiáng)的擬合非線性映射的能力。

三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,包含輸入層、隱層和輸出層。隱層中采用tansig傳遞函數(shù),權(quán)值矩陣為IW,閾值為b1。輸出層采用purelin傳遞函數(shù),權(quán)值矩陣為L(zhǎng)W,閾值為b2。

3 算例

通過(guò)上述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),運(yùn)用MATLAB編程仿真。通過(guò)16組(1～16)飛機(jī)抗毀傷能力參數(shù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,對(duì)4組(17～20)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,如表1所示。

表1 飛機(jī)抗毀傷能力參數(shù)樣本表

訓(xùn)練時(shí),為避免由于評(píng)估指標(biāo)量綱不同而影響評(píng)估結(jié)果,對(duì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理,對(duì)處理后的參數(shù)進(jìn)行擬合結(jié)果如圖3。

當(dāng)訓(xùn)練的均方誤差達(dá)到10-3時(shí),停止訓(xùn)練,由圖4可知,訓(xùn)練54次,達(dá)到要求。

對(duì)第17～20組飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估值與專家評(píng)估值進(jìn)行比較結(jié)果如表2和圖5。

綜上分析,通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,構(gòu)建出可對(duì)飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用構(gòu)建出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估,網(wǎng)絡(luò)評(píng)估值與專家評(píng)估值之間的均方誤差小于10-3,在允許誤差范圍內(nèi)。故BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模型在飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估中使用是可行的。

表2 專家評(píng)估值與網(wǎng)絡(luò)評(píng)估值比較

序號(hào)17181920專家評(píng)估值0.5800.4300.4000.650網(wǎng)絡(luò)評(píng)估值0.5810.4240.3940.640均方誤差4.04×10-5(<10-3)

4 結(jié)論

文中利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估,并用算例進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)論如下:

1)飛機(jī)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),從飛機(jī)的本身、主動(dòng)攻擊、被動(dòng)防御三個(gè)角度建立飛機(jī)抗毀傷能力評(píng)估指標(biāo)體系,所建立的指標(biāo)具有代表性。

2)運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)飛機(jī)抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估,減小了人為工作量及失誤,并提高了評(píng)估速度。

3)根據(jù)飛機(jī)的性能參數(shù)對(duì)飛機(jī)的抗毀傷能力進(jìn)行評(píng)估,具有現(xiàn)實(shí)意義,可有效避免評(píng)估過(guò)程中人的主觀思想干擾。評(píng)估的結(jié)果對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)以及在作戰(zhàn)中的運(yùn)用具有指導(dǎo)意義。