基于勾股模糊集的水中目標(biāo)威脅評(píng)估方法*

肖紅江，郭三學(xué)，王明用

（1.武警工程大學(xué)裝備管理與保障學(xué)院，西安 710000；2.廣州市聲訊電子科技股份有限公司，廣州 510000）

0 引言

艦船、潛艇、港口設(shè)施經(jīng)常受到來(lái)自蛙人等水中目標(biāo)的威脅。面對(duì)這種威脅，防御體系設(shè)計(jì)采取基于聲波驅(qū)散的非致命拒止策略，技術(shù)方案如圖1 所示，目標(biāo)的預(yù)定距離50 m、200 m、500 m 設(shè)置拒止區(qū)、預(yù)警區(qū)和發(fā)現(xiàn)區(qū)3 個(gè)區(qū)域，拒止方式采取聲波陣實(shí)施驅(qū)散。對(duì)于水中目標(biāo)的威脅評(píng)估是實(shí)現(xiàn)技術(shù)防御的基礎(chǔ)。威脅評(píng)估是依據(jù)信息源測(cè)得的目標(biāo)屬性和狀態(tài)進(jìn)行推理、判斷和預(yù)測(cè)的一種信息融合技術(shù)。威脅程度是一個(gè)模糊性的概念，可以運(yùn)用模糊理論進(jìn)行處理。勾股模糊集限定范圍寬廣，能夠有效克服直覺(jué)模糊集的局限性。本文采用勾股模糊集理論對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估，通過(guò)離差法確定動(dòng)態(tài)屬性權(quán)重，結(jié)合TOPSIS 理論，通過(guò)勾股模糊集距離測(cè)度進(jìn)行威脅度排序，設(shè)計(jì)了非致命主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、拒止的時(shí)機(jī)。該方法能夠綜合考慮入侵目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，優(yōu)先選取威脅度較大的目標(biāo)，合理分配系統(tǒng)資源，使系統(tǒng)決策更加科學(xué)。

圖1 防御體系技術(shù)方案

1 相關(guān)概念

2 勾股模糊集理論威脅評(píng)估

2.1 評(píng)估屬性勾股模糊化處理

影響水中目標(biāo)威脅評(píng)估的屬性有很多，通常有目標(biāo)類(lèi)型、數(shù)量、距離、速度、加速度、航向角等多個(gè)方面。威脅評(píng)估并不是基于所有屬性進(jìn)行，而是依據(jù)特定評(píng)估環(huán)境，從全面性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求出發(fā)，選取適當(dāng)數(shù)量的主要屬性。近岸水下主要防御對(duì)象為蛙人，目標(biāo)類(lèi)型是固定的。結(jié)合非致命主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)的性能和防御特點(diǎn)，選取目標(biāo)距離、深度、速度和航向角作為主要威脅評(píng)估屬性。目標(biāo)速度越小，威脅度越小，為效益型屬性；目標(biāo)距離、深度、航向角越小，目標(biāo)威脅度越大，為成本型屬性。

2.2 離差法確定動(dòng)態(tài)屬性權(quán)重

屬性的權(quán)重是屬性值對(duì)威脅度的影響程度，反映了各屬性之間的相對(duì)重要性，合理地確定權(quán)重是威脅評(píng)估的關(guān)鍵。離差法確定動(dòng)態(tài)屬性權(quán)重，能夠綜合考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。屬性值之間的差異程度可以用勾股模糊理論的距離測(cè)度來(lái)確定。具體步驟如下：

2.3 勾股模糊TOPSIS 法威脅度排序

TOPSIS 理論被廣泛應(yīng)用于在多屬性決策問(wèn)題中，它通過(guò)對(duì)比評(píng)價(jià)目標(biāo)與“正理想解”和“負(fù)理想解”之間的差異程度，來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判。結(jié)合TOPSIS理論，采用勾股模糊集距離測(cè)度確定目標(biāo)威脅度。具體步驟如下：

3 主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)決策時(shí)機(jī)設(shè)定

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入防御區(qū)域后，非致命主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果與臨界威脅度進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)目標(biāo)威脅度大于等于相應(yīng)臨界威脅度時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)比對(duì)結(jié)果快速?zèng)Q策，具體的動(dòng)態(tài)流程如圖2 所示。

圖2 主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)決策流程圖

表1 臨界屬性值矩陣

臨界威脅度隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)多個(gè)目標(biāo)入侵時(shí)，由目標(biāo)屬性值矩陣確定屬性權(quán)重；當(dāng)單個(gè)目標(biāo)入侵時(shí)，可由目標(biāo)屬性值和臨界屬性值構(gòu)成評(píng)估矩陣，確定臨界威脅度。

4 實(shí)例分析

假設(shè)某時(shí)刻t，主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)探測(cè)到6 個(gè)蛙人目標(biāo)，分別為A、A、A、A、A和A，獲取目標(biāo)屬性值矩陣Y 如表2 所示。

表2 目標(biāo)屬性值矩陣Y

4.1 威脅評(píng)估分析

將目標(biāo)屬性值矩陣Y 轉(zhuǎn)換勾股模糊屬性值矩陣P，如表3 所示。

表3 目標(biāo)勾股模糊屬性值矩陣P

離差法確定目標(biāo)屬性權(quán)重為

計(jì)算蛙人目標(biāo)勾股模糊屬性值與正、負(fù)理想解之間的加權(quán)距離，并計(jì)算蛙人目標(biāo)威脅度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，威脅度排序結(jié)果如下頁(yè)表4 所示。

表4 蛙人目標(biāo)威脅度排序

計(jì)算結(jié)果表明，目標(biāo)A距離防御區(qū)域點(diǎn)最近，且持續(xù)抵近運(yùn)動(dòng)，威脅度最高；目標(biāo)A雖然比目標(biāo)A距離防御區(qū)域點(diǎn)近，但因其速度較慢，且航向角較大，有游離的趨勢(shì)，因此，威脅度排序在目標(biāo)A之后；目標(biāo)A距離防御區(qū)域點(diǎn)最遠(yuǎn)、航向角較大，威脅度最低。

目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)如圖3 所示，通過(guò)圖3 和表4綜合分析，目標(biāo)A雖然距離防御區(qū)域點(diǎn)僅有232 m，遠(yuǎn)小于目標(biāo)A，但其正以0.7 m/s 的速度游離。隨著時(shí)間的推移，目標(biāo)A威脅度將越來(lái)越小，而目標(biāo)A的航向角僅有10°，正向防御區(qū)域點(diǎn)做抵近運(yùn)動(dòng)，因此，目標(biāo)A的威脅度大于目標(biāo)A的威脅度。最終排序結(jié)果為C（A）＞C（A）＞C（A）＞C（A）＞C（A）＞C（A）?；诠垂赡：碚撏{評(píng)估的方法，能夠綜合考慮目標(biāo)態(tài)勢(shì)變化對(duì)威脅度的影響，使得評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖3 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)

4.2 主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)決策處置

根據(jù)主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)設(shè)定的臨界屬性值，計(jì)算臨界威脅度，如表5 所示。

表5 臨界威脅度

將目標(biāo)威脅度與系統(tǒng)臨界威脅度進(jìn)行對(duì)比，得出系統(tǒng)決策結(jié)果如表6 所示。

通過(guò)表6 和圖3 綜合分析，目標(biāo)A雖然已進(jìn)入發(fā)現(xiàn)區(qū)，但其航向角較大，威脅度低，未達(dá)到發(fā)現(xiàn)臨界威脅度；目標(biāo)A雖然距防御區(qū)域點(diǎn)已達(dá)到232 m，但其航向角為105°，正以0.7 m/s 的速度游離防御區(qū)域點(diǎn)，因此，對(duì)防御目標(biāo)不構(gòu)成威脅，系統(tǒng)未采取處置措施；目標(biāo)A雖然在預(yù)警區(qū)外，但其速度較大，正以1.3 m/s 的速度向防御區(qū)域點(diǎn)做抵近運(yùn)動(dòng)，威脅度超過(guò)了預(yù)警臨界威脅度，系統(tǒng)實(shí)施預(yù)警。

表6 系統(tǒng)決策處置

傳統(tǒng)的防御區(qū)域劃分通常由距離來(lái)界定，在系統(tǒng)決策過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理優(yōu)化。通過(guò)實(shí)例分析可以得出，本文所提出的非致命主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、預(yù)警和拒止時(shí)機(jī)的設(shè)定方法，能夠綜合考慮入侵目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)，使系統(tǒng)決策更加科學(xué)。尤其是多個(gè)目標(biāo)入侵時(shí)，通過(guò)威脅度對(duì)比，優(yōu)先選取威脅度較大的目標(biāo)，忽略威脅度較小的目標(biāo)，使系統(tǒng)資源分配更加合理，從而達(dá)到系統(tǒng)效能的最大化。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以根據(jù)所擔(dān)負(fù)的任務(wù)，科學(xué)設(shè)置臨界屬性值，使系統(tǒng)決策處置符合防御目標(biāo)的需要。

5 結(jié)論

蛙人由于其目標(biāo)小、隱蔽性強(qiáng)、恐怖襲擊代價(jià)小等特點(diǎn)，是近岸水下防御的重點(diǎn)目標(biāo)。本文構(gòu)建的勾股模糊評(píng)估方法，設(shè)計(jì)的非致命防御體系技術(shù)方案以及決策流程，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)威脅目標(biāo)的防御；提出的系統(tǒng)處置時(shí)機(jī)的設(shè)定方法，為非致命主動(dòng)拒止防御系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。