楊雨田,楊 杰,李建國(guó)*
(1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所,太原 030006;2.駐南京地區(qū)第三軍事代表室,南京 211153)
在現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中,對(duì)敵方空中目標(biāo)進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別極其重要。信息化條件下的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變,并呈現(xiàn)隱蔽性、欺騙性和對(duì)抗性等特征,單純依靠人工難以快速、準(zhǔn)確識(shí)別敵方目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)意圖,迫切需要建立高效、可信的戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別方法,為對(duì)空防御作戰(zhàn)指揮決策提供輔助支撐。
目前圍繞目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別問(wèn)題的研究方法主要有模板匹配、證據(jù)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等,并在不同的作戰(zhàn)場(chǎng)景中得到了應(yīng)用。
曾鵬等基于模板匹配的方法進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)計(jì)劃識(shí)別模型的設(shè)計(jì),此方法比較容易實(shí)現(xiàn),適用于意圖范疇較為明確的戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別,但該方法機(jī)械地將戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)割裂,沒(méi)有考慮意圖的隱蔽性和欺騙性。孫越林等建立高維空間相似度模型,結(jié)合D-S 證據(jù)理論(dempster-shafer evidence theory)進(jìn)行目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別,使用證據(jù)理論可能會(huì)導(dǎo)致龐大的計(jì)算量。劉硯菊等將徑向基RBF (radial basis function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法用于空中目標(biāo)識(shí)別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定自學(xué)習(xí)能力,不需要組織大量的產(chǎn)生式規(guī)則,但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練困難、特征提取難度大和計(jì)算精度低等問(wèn)題。
貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的因果概率推理能力,能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不斷更新,動(dòng)態(tài)地適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)變化,解決意圖的不確定性推理問(wèn)題。王昊冉等針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的不確定性因素,提出了基于MEBN 的態(tài)勢(shì)描述貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(situation on-specific bayes network,SSBN)構(gòu)建算法進(jìn)行空中目標(biāo)意圖識(shí)別,但只考慮了單個(gè)目標(biāo)的意圖識(shí)別;葛順等將動(dòng)態(tài)序列貝葉斯網(wǎng)絡(luò)用于戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別,但對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的意圖識(shí)別影響因素考慮不充分。
本文針對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中敵戰(zhàn)術(shù)意圖存在動(dòng)態(tài)性和序列性的特點(diǎn),利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建DSBN戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別推理模型,并分析MEBN 在表達(dá)規(guī)則知識(shí)概率遷移關(guān)系和序列關(guān)系方面的不足,提出基于EMEBN 的DSBN 構(gòu)建方法進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別。
作戰(zhàn)意圖識(shí)別是作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃的逆過(guò)程,是任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行方與識(shí)別方從兩個(gè)相對(duì)的角度看待作戰(zhàn)規(guī)劃的過(guò)程。戰(zhàn)術(shù)層面的目標(biāo)意圖識(shí)別過(guò)程是根據(jù)觀測(cè)到的敵目標(biāo)行動(dòng)序列集合,經(jīng)過(guò)基于相應(yīng)規(guī)則邏輯的分析推理或量化計(jì)算,最終推導(dǎo)出對(duì)方意圖的推理過(guò)程。任務(wù)規(guī)劃方與意圖推理方之間的關(guān)系如圖1 所示。
圖1 任務(wù)規(guī)劃方與意圖推理方之間的關(guān)系
從任務(wù)規(guī)劃方來(lái)看,作戰(zhàn)任務(wù)是遂行作戰(zhàn)意圖的具體途徑,作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃將上級(jí)作戰(zhàn)意圖按照一定條件和規(guī)則分解為若干任務(wù)單元執(zhí)行的子任務(wù)序列,每個(gè)作戰(zhàn)單元再將分配給自己的子任務(wù)分解為一系列元任務(wù)序列,協(xié)同作戰(zhàn)單元依次完成系列戰(zhàn)術(shù)行為動(dòng)作就實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的作戰(zhàn)意圖。
從意圖觀測(cè)推理方來(lái)看,意圖推理是一個(gè)自下而上的逆向過(guò)程。由于敵方根意圖存在一定的隱蔽性和欺騙性,不可能被直接觀測(cè)到,只能由元意圖和子意圖逐層推理分析。元意圖推理分析的證據(jù)信息來(lái)自作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃方遂行元意圖時(shí)表現(xiàn)出的戰(zhàn)術(shù)行為動(dòng)作,由這些證據(jù)信息的狀態(tài)序列推理出相應(yīng)元意圖,然后逐層逆向推理各級(jí)子意圖,最終計(jì)算得到概率最大的根意圖作為推理結(jié)論。
針對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中敵目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)意圖存在的動(dòng)態(tài)性、序列性問(wèn)題,引入動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(dynamic bayesian network,DBN)和序列貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(series bayesian network,SBN),構(gòu)建描述戰(zhàn)術(shù)意圖表達(dá)和推理的DSBN 模型如圖2 所示,意圖推理需要由DBN 和SBN 兩個(gè)環(huán)節(jié)完成,先由DBN 根據(jù)各證據(jù)狀態(tài)推理得到元意圖、子意圖,再由SBN 對(duì)子意圖的序列關(guān)系逐層推理得到根意圖。
圖2 DSBN 戰(zhàn)術(shù)意圖推理模型
1.2.1 基于DBN 模型的元意圖、子意圖推理
DBN 是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(bayesian network,BN)在時(shí)間領(lǐng)域的擴(kuò)展,是一種描述系統(tǒng)隨時(shí)間變化的推理模型,能夠反映系統(tǒng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性,如下頁(yè)圖3 所示。
圖3 DBN 示意圖
DBN 數(shù)學(xué)表達(dá)為<B,B>,其中,B表示初始時(shí)刻T的BN 模型狀態(tài),B表示相鄰時(shí)刻BN 模型狀態(tài)B到B的變化過(guò)程。
對(duì)于任一時(shí)刻的BN 結(jié)構(gòu),滿足公式
1.2.2 基于SBN 模型的根意圖推理
SBN 是BN 在狀態(tài)序列的擴(kuò)展,這種序列展開特征是BN、DBN 無(wú)法描述的。圖4 表示事件X 在X到X的狀態(tài)序列下對(duì)事件Y 的邏輯推理過(guò)程。
圖4 SBN 示意圖
SBN 中,根據(jù)序列概率關(guān)系,相應(yīng)父節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信度p(I)即為對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)某一特定狀態(tài)序列的信度,即:
其中,p(i)表示在相關(guān)證據(jù)條件下;j 時(shí)刻意圖的狀態(tài)概率;p(i|i)表示意圖轉(zhuǎn)移概率。
MEBN 由邏輯片斷推理規(guī)則集合MTheory 和常量邏輯片斷Fingdings 構(gòu)成,MTheory 由基本邏輯片段B-MFrags(basic-MEBN fragments)組成,F(xiàn)indings給定了未知事件相關(guān)的先驗(yàn)信息。二者確定了未知事件的推理規(guī)則和初始條件,使得MEBN 模型不僅具備貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概率推理能力,而且擁有一階謂詞的規(guī)則知識(shí)表達(dá)能力,將若干MFrags 按需有機(jī)組合起來(lái),能夠達(dá)到描述完整邏輯關(guān)系的目的?;贛EBN 的動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程如圖5 所示。
圖5 MEBN 和DBN 模型對(duì)應(yīng)關(guān)系
根據(jù)第1 節(jié)模型推理內(nèi)容,DSBN 模型由兩個(gè)部分構(gòu)成,其中DBN 模型部分推理的是事件的時(shí)間動(dòng)態(tài)化過(guò)程,該部分的邏輯推理可以由MFrags 表達(dá);而另一部分SBN 模型推理的是事件的序列化過(guò)程,該部分的邏輯推理無(wú)法由MFrags 表達(dá),從而無(wú)法由MEBN 來(lái)構(gòu)建DSBN 模型。因此,需要對(duì)MEBN 中的表達(dá)能力也就是MFrags 邏輯片斷進(jìn)行必要的擴(kuò)展,使之具備對(duì)序列過(guò)程的表達(dá)能力,才能用于DSBN 模型的構(gòu)建。
本文引入概率遷移邏輯片段(probability transfer-MFRags,PT-MFrag)和序列關(guān)系邏輯片段(series relation-MFrags,SR-MFrags),對(duì)MEBN 進(jìn)行擴(kuò)展,使其具備對(duì)事件狀態(tài)的遷移過(guò)程和序列過(guò)程的表達(dá)能力,支撐DSBN 模型構(gòu)建。擴(kuò)展MEBN 和DSBN模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6 所示,其中虛線表示在MEBN基礎(chǔ)上的擴(kuò)展部分。
圖6 擴(kuò)展MEBN 和DSBN 模型對(duì)應(yīng)關(guān)系
擴(kuò)展MEBN 由邏輯片斷推理規(guī)則集合EMTheory 和常量邏輯片斷EFingdings 構(gòu)成,EMTheory 由3類邏輯片段組成:
1)基本邏輯片斷B-MFrags(Basic-MFrags),用于描述隨機(jī)事件之間的相互邏輯關(guān)系;
2)概率遷移邏輯片斷PT-MFrags,用于描述隨機(jī)事件狀態(tài)概率遷移過(guò)程;
3)序列關(guān)系邏輯片斷SR-MFrags,用于描述隨機(jī)事件狀態(tài)時(shí)序序列和根事件狀態(tài)空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。EFindings 給定了未知事件相關(guān)的先驗(yàn)信息。二者確定了未知事件的推理規(guī)則和初始條件。
基于擴(kuò)展MEBN 的DSBN 構(gòu)建過(guò)程如下:1)從EMTheory 檢索與具體實(shí)例相對(duì)應(yīng)的B-MFrags、PT-MFrags 和SR-MFrags 3 類邏輯片斷;2)實(shí)例化邏輯片斷,將B-MFrags 實(shí)例化為DBN 模型中的事件之間的邏輯關(guān)系;將PT-MFrags 實(shí)例化為SBN 模型中子序列之間的狀態(tài)遷移關(guān)系;將SR-MFrags 實(shí)例化為SBN 模型中根事件與子序列之間的分解關(guān)系;3)合并實(shí)例化的邏輯片斷,最后得到一個(gè)由證據(jù)信息向結(jié)論延伸的推理模型,該模型即為構(gòu)造的目標(biāo)DSBN 模型。
本文給出了一個(gè)海域巡航防空作戰(zhàn)想定場(chǎng)景:我方艦艇在M 海域巡航,某一連續(xù)時(shí)刻,在船艦傳感器探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)敵方4 批飛機(jī)編隊(duì),每批編隊(duì)由4 架飛機(jī)組成。根據(jù)探測(cè)到的敵方編隊(duì)的飛行高度、飛行速度、距離、電磁干擾信號(hào)、隊(duì)形5 種目標(biāo)特征屬性,按照相應(yīng)的專家先驗(yàn)知識(shí)及推理規(guī)則對(duì)目標(biāo)特征屬性信息進(jìn)行處理,進(jìn)而對(duì)空中目標(biāo)意圖(突襲、攔截、協(xié)同突襲、護(hù)航)進(jìn)行判斷識(shí)別。防空作戰(zhàn)場(chǎng)景如表1 所示。
表1 防空作戰(zhàn)場(chǎng)景具體描述
根據(jù)軍事領(lǐng)域相關(guān)專家的先驗(yàn)知識(shí),防空作戰(zhàn)中的規(guī)則知識(shí)(由基本邏輯片段B-MFrags 組成)如下:
敵方目標(biāo)可能的典型戰(zhàn)術(shù)意圖(根意圖)有I={突襲(i)、攔截(i)、協(xié)同突襲(i)、護(hù)航(i)};
子意圖B={偵察(b)、電磁干擾(b)、佯動(dòng)(b)、火力打擊(b)、巡邏(b)、隱蔽接敵(b)、返航(b)};
元意圖A={低空高速巡航(a)、低空高速盤旋(a)、中空盤旋(a)、中空巡航(a)、中空高速巡航(a)、高空電磁干擾盤旋(a)、超高空盤旋(a)};
元意圖的特征屬性C={飛行高度(H)、飛行速度(v)、距離(D)、電磁干擾信號(hào)(ES)、隊(duì)形(RK)},其中,H={超高,高,中,低},v={高速,低速},D={遠(yuǎn),近},電磁干擾信號(hào)={有,無(wú)},RK={梯形,楔形,縱形,人字形,菱形};
對(duì)空中目標(biāo)的特征屬性進(jìn)行劃分:飛行高度=[超高:H>10 km,高:5 km<H≤10 km,中:1 km<H≤5 km,低:H≤1 km];速度=[高速:v>1 000 km/h,低速:v≤1 000 km/h];距離=[遠(yuǎn):D>120 km,近:D≤120 km];隊(duì)形=[梯形:常用于攻擊,楔形:常用于出航、巡邏、返航,縱型:常用于偵察,人字形:常用于干擾,菱形:常用于摧毀具體目標(biāo)]。
由1.1 可知,意圖的觀測(cè)推理是一個(gè)逆向的自下而上的過(guò)程,本防空作戰(zhàn)想定實(shí)例中,推理分析的原始證據(jù)信息來(lái)自任務(wù)規(guī)劃方表現(xiàn)出的各類特征屬性信息,先由觀測(cè)到的目標(biāo)特征屬性推理出相應(yīng)元意圖、子意圖,然后逐層逆向推理根意圖,最終計(jì)算得到概率最大的根意圖作為推理結(jié)論。
3.2.1 DBN 模型實(shí)例化
1)依據(jù)防空作戰(zhàn)場(chǎng)景想定,將上述B-MFrags表示為目標(biāo)特征屬性與元意圖之間的邏輯關(guān)系來(lái)構(gòu)造DBN 模型,如下頁(yè)圖7 所示。
圖7 防空作戰(zhàn)場(chǎng)景中的DBN 模型
其中,T~T每個(gè)時(shí)間段不同編隊(duì)對(duì)應(yīng)的元意圖(a~a)不同,每個(gè)編隊(duì)元意圖包含飛行高度、飛行速度、距離、電磁干擾信號(hào)、隊(duì)形共5 種特征屬性。
2)基于先驗(yàn)概率和目標(biāo)特征屬性,進(jìn)行元意圖推理。
根據(jù)軍事領(lǐng)域相關(guān)專家的先驗(yàn)知識(shí),空中目標(biāo)元意圖和特征屬性狀態(tài)之間的先驗(yàn)概率表如表2所示。
表2 空中目標(biāo)元意圖和特征屬性狀態(tài)之間的先驗(yàn)概率
我方檢測(cè)出敵方4 個(gè)編隊(duì)連續(xù)時(shí)刻特征屬性值,將各特征屬性值進(jìn)行歸一化處理后得到表3 所示的特征屬性概率向量表。
表3 編隊(duì)特征屬性概率向量表
在T時(shí)刻,根據(jù)1.2 中DBN 模型的式(1)推導(dǎo)得到1 號(hào)編隊(duì)元意圖為超高空盤旋的概率置信度為:
同理可以依次計(jì)算得出T時(shí)刻其他元意圖的概率置信度:
按照上述順序?qū)? 種元意圖的概率置信度進(jìn)行歸一化處理,可得到T時(shí)刻1 號(hào)編隊(duì)各元意圖概率向量為(0.003,0.001,0.294,0.659,0.038,0.001,0.004),同理計(jì)算出4 個(gè)編隊(duì)在其他時(shí)刻對(duì)各元意圖的概率向量見169 頁(yè)表4 所示。
3)基于元意圖序列進(jìn)行子意圖推理
通過(guò)分析表4 數(shù)據(jù)可以得出4 批編隊(duì)元意圖序列如圖8 所示,其中,縱坐標(biāo)依次以1~7 來(lái)表示a~a7 種元意圖,橫坐標(biāo)表示T~T時(shí)刻。
表4 元意圖概率向量表
圖8 編隊(duì)元意圖序列圖
給定統(tǒng)計(jì)假設(shè):空中目標(biāo)一般以中空巡航進(jìn)入我方探測(cè)范圍,接著有同等可能即1/7 的概率轉(zhuǎn)為其他7 種元意圖(低空高速巡航、低空高速盤旋、中空盤旋、中空巡航、中空高速巡航、高空電磁干擾盤旋、超高空盤旋);若編隊(duì)的元意圖序列由中空巡航變?yōu)橹锌崭咚傺埠?,考慮到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中隱蔽性和欺騙性等因素,編隊(duì)有30%的概率為巡邏,40%的概率為隱蔽接敵,30%的概率為返航;若編隊(duì)的元意圖序列由中空巡航變?yōu)槌呖毡P旋,則編隊(duì)有90%的概率為偵察。類似給出其他6 種元意圖序列關(guān)系,如圖9 所示。
圖9 元意圖序列關(guān)系
由圖8 可知,1 號(hào)編隊(duì)在T~T時(shí)間段,完成以下元意圖序列概率最大:中空巡航→超高空盤旋→超高空盤旋→中空巡航→中空巡航。T~T階段,元意圖概率向量發(fā)生變化,該階段結(jié)合式(1)和圖9中元意圖序列與子意圖的推理概率關(guān)系,可以推導(dǎo)得出子意圖分別為偵察、電磁干擾、佯動(dòng)、火力打擊、巡邏、隱蔽接敵、返航的概率為(0.986,0.001,0.002,0.005,0.002,0.003,0.001);T~T時(shí)間段,元意圖概率向量不變,可推出意圖未改變,與上一時(shí)間段相同;T~T時(shí)間段,編隊(duì)由超高空盤旋轉(zhuǎn)為中空巡航,撤退遠(yuǎn)離我方;T~T時(shí)間段,意圖不變繼續(xù)撤退。根據(jù)推理判斷得出1 號(hào)編隊(duì)子意圖最有可能為偵察,概率為98.6%。
同理2、3、4 號(hào)編隊(duì)子意圖為b~b的概率分別為(0.005,0.974,0,0,0.006,0.005,0.01)、(0.001,0,0.926,0.038,0.011,0.01,0.014)、(0.001,0,0.026,0.951,0.009,0.005,0.008),根據(jù)推理判斷得出2、3、4 號(hào)編隊(duì)的子意圖最有可能為電磁干擾、佯動(dòng)、火力打擊,概率分別為98.6%、97.4%、92.6%、95.1%。
3.2.2 SBN 模型實(shí)例化
本節(jié)將相對(duì)應(yīng)規(guī)則知識(shí)中的PT-MFrags 所表達(dá)的內(nèi)容,表示為子序列之間的狀態(tài)遷移關(guān)系;將SR-MFrags 所表達(dá)的內(nèi)容,表示為來(lái)根事件與子序列之間的分解關(guān)系,從而構(gòu)造SBN 模型,由子意圖逐層推理根意圖。
SBN 的推理同樣需要專家先驗(yàn)規(guī)則知識(shí),假設(shè)敵方空中目標(biāo)以偵察作為第1 步開始執(zhí)行任務(wù),偵察的后續(xù)行為有50%的概率為電磁干擾,30%的概率為隱蔽接敵,20%的概率為巡邏;若第2 步任務(wù)進(jìn)行隱蔽接敵,后續(xù)行為有80%的概率為火力打擊,20%的概率為電磁干擾;若第3 步進(jìn)行火力打擊,后續(xù)行為有80%的概率為隱蔽接敵。由專家先驗(yàn)知識(shí)得到,偵察→隱蔽接敵→火力打擊→隱蔽接敵的子序列是實(shí)現(xiàn)攔截的過(guò)程,以此類推,偵察→干擾→佯動(dòng)→打擊的子序列是突襲的過(guò)程,偵察→隱蔽接敵→電磁干擾→返航的子序列是協(xié)同突襲的過(guò)程,偵察→巡邏→巡邏→巡邏的子序列是護(hù)航的過(guò)程。確定了子意圖概率遷移關(guān)系及根意圖與子序列分解關(guān)系,即可構(gòu)建SBN 模型,如圖10 所示。
圖10 防空作戰(zhàn)場(chǎng)景中的SBN 模型
根據(jù)上述SBN 模型中子意圖概率遷移關(guān)系及根意圖與子序列分解關(guān)系,由式(2)推導(dǎo)得到戰(zhàn)術(shù)意圖概率如下:
經(jīng)過(guò)歸一化處理,可以得到敵方突襲我方的概率為97.8%,依次進(jìn)行了偵察→干擾→佯動(dòng)→火力打擊的意圖規(guī)劃序列。
若采用DBN 在相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)規(guī)則下進(jìn)行意圖推理,能夠推理出4 個(gè)編隊(duì)在連續(xù)時(shí)刻各自的戰(zhàn)術(shù)意圖,此實(shí)驗(yàn)中,4 個(gè)編隊(duì)意圖分別為偵察、電磁干擾、佯動(dòng)、火力打擊,但DBN 無(wú)法根據(jù)4 個(gè)編隊(duì)的子意圖序列關(guān)系推理得到敵方編隊(duì)的根意圖。而DSBN 由兩部分組成,首先采用DBN 根據(jù)編隊(duì)特征屬性推理出子意圖,再采用SBN 根據(jù)連續(xù)時(shí)刻編隊(duì)的子意圖推理得到根意圖,這種模型的推理結(jié)果更加全面可信。
本文針對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中敵目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)意圖存在的動(dòng)態(tài)性、序列性等問(wèn)題,提出基于擴(kuò)展MEBN的DSBN 構(gòu)建方法進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)意圖識(shí)別。將該方法用于敵方多批空中目標(biāo)協(xié)同作戰(zhàn)場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)敵方目標(biāo)在連續(xù)時(shí)刻下的戰(zhàn)術(shù)意圖推理,驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。