基于專家系統(tǒng)的反導(dǎo)決策模糊知識庫設(shè)計(jì)*

翁 墨 王書齊 馬 良

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦船指揮系 大連 116018)

基于專家系統(tǒng)的反導(dǎo)決策模糊知識庫設(shè)計(jì)*

翁 墨1王書齊2馬 良2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦船指揮系 大連 116018)

基于專家系統(tǒng),分析了模糊知識庫的基本原理,提出了艦艇反導(dǎo)輔助決策模糊規(guī)則的制定依據(jù),給出了模糊決策規(guī)則的建立步驟和方法,構(gòu)建了模糊決策模型,通過算例驗(yàn)證了基于專家系統(tǒng)的模糊知識庫在水面艦艇反導(dǎo)輔助決策方面的可行性和科學(xué)性。

專家系統(tǒng); 決策規(guī)則; 模糊知識庫

Class Number TP391

1 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變,水面艦艇編隊(duì)海上作戰(zhàn)面臨多方面的生存威脅,尤其是在敵情信息獲取不完備、我方反導(dǎo)武器裝備數(shù)量有限的情況下,能否按照上級的作戰(zhàn)意圖,根據(jù)具體戰(zhàn)場態(tài)勢迅速、準(zhǔn)確地制定反導(dǎo)決策是一個急需解決的問題。以往水面艦艇防空反導(dǎo)作戰(zhàn)都是根據(jù)指揮員的經(jīng)驗(yàn)來判斷并組織實(shí)施的,這樣的反導(dǎo)決策客觀性不足,很難根據(jù)當(dāng)時的戰(zhàn)場態(tài)勢實(shí)時進(jìn)行調(diào)整,會帶來反導(dǎo)決策失誤的風(fēng)險。

目前,研究反導(dǎo)決策問題主要側(cè)重防空效能分析,一般采用定性分析與排隊(duì)論方法等進(jìn)行研究[1]。但這些方法都是基于確定信息的反導(dǎo)作戰(zhàn),無法解決在不確定信息情況下的反導(dǎo)作戰(zhàn)決策問題。專家系統(tǒng)能夠定性分析輔助決策,它和以定量分析輔助決策的支持決策系統(tǒng)結(jié)合,進(jìn)一步提高了輔助決策能力,是決策支持系統(tǒng)發(fā)展的新階段。

2 模糊知識庫

模糊知識庫是艦艇反導(dǎo)輔助決策系統(tǒng)的核心之一,其中存放著由艦艇反導(dǎo)專家總結(jié)出來的有關(guān)知識與規(guī)則。與一般知識庫不同的是,這些知識和規(guī)則可以是模糊的、不確定或不完全可靠的。

2.1 模糊知識獲取方法

知識獲取是解決知識存有量的問題,它直接影響到專家系統(tǒng)的求解水平。只有獲取足夠多的領(lǐng)域知識,專家系統(tǒng)才能發(fā)揮求解領(lǐng)域問題的功能,得到正確的結(jié)論。知識獲取的途徑可分為兩種:一種是由領(lǐng)域?qū)＜姨峁?知識工程師借助知識編輯系統(tǒng)把知識存入到計(jì)算機(jī)中;另一種途徑是通過計(jì)算機(jī)的自我學(xué)習(xí),從處理問題的過程中獲得知識、積累知識、自動獲取知識[2]。知識的自動獲取是一個難題,在本系統(tǒng)中,主要采用第一種方法獲取知識,自動獲取知識是我們下一步的研究目標(biāo)。

圖1 知識提取過程

2.2 模糊知識表示形式

本系統(tǒng)采用的是目前應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)生式知識表示法,產(chǎn)生式知識表示方法具有表式方式與人類思維方式相似、知識維護(hù)簡單、在知識庫中更改不改變知識庫中其它知識等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1 模糊規(guī)則表示形式

艦艇反導(dǎo)輔助決策模糊專家系統(tǒng)模糊知識庫中的模糊規(guī)則表示形式如下[3]:

Rule:

IFA1(W1)∧A2(W2)∧…∧An(Wn);

THENH(CF(B,A),λ)

其中A1,A2,…,An表示規(guī)則中的各模糊前提條件(敵來襲目標(biāo)的各種信息:目標(biāo)屬性、威脅判斷、飛行速度、航路捷徑及我方艦空導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)性能等);W1,W2,…,Wn表示各前提條件在進(jìn)行反導(dǎo)決策中的重要程度所占的權(quán)重。

2.2.2 輸入事實(shí)的表示形式

系統(tǒng)輸入的初始事實(shí)是由我方偵察預(yù)警系統(tǒng)獲取的敵來襲目標(biāo)兵器信息以及我方艦空導(dǎo)彈的配置、性能參數(shù)等信息,這些信息可能是不確定、不完整的、帶有模糊性的。通過偵察設(shè)備獲取的來襲目標(biāo)信息通過模糊化處理后,變?yōu)橄到y(tǒng)的初始輸入信息,系統(tǒng)通過這些初始輸入信息與模糊知識庫中的規(guī)則進(jìn)行匹配,按照設(shè)定的匹配方法及沖突消解策略,激發(fā)匹配成功的規(guī)則,并進(jìn)行后續(xù)艦艇反導(dǎo)輔助決策動作。

本系統(tǒng)事實(shí)的表示形式為

Ai=(Ai1/λi1+Ai2/λi2+…+Ain/λin)

(1)

其中,0

3 艦艇反導(dǎo)輔助決策模糊規(guī)則的制定依據(jù)

在艦艇反導(dǎo)輔助決策規(guī)則制定中,從我方預(yù)警探測到目標(biāo)到完成發(fā)射艦空導(dǎo)彈,有許多中間環(huán)節(jié)。為了構(gòu)建模型的方便,本文著重選取其中四個典型攔截約束條件來制定反導(dǎo)輔助決策:

3.1 我方準(zhǔn)備狀況

我方準(zhǔn)備狀況指在艦空導(dǎo)彈單元對目標(biāo)的攔截前以及在攔截過程時,艦空導(dǎo)彈單元的工作狀態(tài)良好,沒有出現(xiàn)故障以及有可用導(dǎo)彈。

火力單元狀態(tài):

(2)

IF (Si=0);THEN(該導(dǎo)彈單元對敵打擊效果差);

IF (Si=1);THEN(該導(dǎo)彈單元對敵打擊效果好,繼續(xù)進(jìn)行攔截條件判斷)。

3.2 威脅評判

根據(jù)文獻(xiàn)[4],威脅評判主要包含以下方面:

1) 目標(biāo)距離:一般目標(biāo)距離越近,威脅越大,但當(dāng)距離小于來襲目標(biāo)的攻擊距離時,距離越近,威脅越小。

2) 目標(biāo)速度:目標(biāo)速度越快,突防概率就越高,對我保衛(wèi)目標(biāo)威脅越大。

3) 目標(biāo)高度:對空中來襲目標(biāo)而言,高度越低,威脅越大。

4) 目標(biāo)類型:目標(biāo)的數(shù)量越多、功能越全、作戰(zhàn)性能越強(qiáng),其對我保衛(wèi)目標(biāo)的威脅程度越大。

5) 遠(yuǎn)離臨近:當(dāng)目標(biāo)向我目標(biāo)臨近飛行時,其威脅很大,而當(dāng)目標(biāo)背離或偏離我保衛(wèi)目標(biāo)飛行時,其威脅就很小。

6) 電子干擾:目標(biāo)的電子干擾也是對我保衛(wèi)目標(biāo)構(gòu)成威脅的因素之一。目標(biāo)的電子干擾能力越強(qiáng)對我保衛(wèi)目標(biāo)的威脅就越大。

3.3 攔截約束條件

1) 攔截的空間約束條件

攔截的空間約束條件[5]即目標(biāo)必須出現(xiàn)在導(dǎo)彈火力單元的發(fā)射區(qū)內(nèi)時,導(dǎo)彈火力單元才能對目標(biāo)射擊。在本系統(tǒng)中,為了使問題得到相對簡化,只把目標(biāo)的目標(biāo)斜距rij、方位角αij、俯仰角βij、速度Vj和飛行高度Hj作為空間約束條件判斷的主要評判標(biāo)準(zhǔn)。

相應(yīng)的空間約束條件規(guī)則為

THEN (該導(dǎo)彈單元可對目標(biāo)射擊,繼續(xù)進(jìn)行攔截條件判斷)。

2) 攔截的時間約束條件

若滿足攔截的空間約束條件,接下來還要檢查時間約束條件,即飛臨時間tij滿足:

tij>Tmin+tzy

(3)

相應(yīng)的時間約束條件規(guī)則為

IF (tij>Tmin+tzy);

THEN (該導(dǎo)彈單元可對目標(biāo)射擊)。

3.4 我艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的制導(dǎo)精度

制導(dǎo)誤差按其產(chǎn)生的原因可分為動態(tài)誤差、起伏誤差和儀器誤差三類。

總的制導(dǎo)誤差(r向量)由動態(tài)誤差(rd向量)、起伏誤差(rc向量)和儀器誤差(rs向量)組成。它們之間的關(guān)系為

r=rd+rc+rs

(4)

4 反導(dǎo)模糊決策規(guī)則的建立

基于模糊粗糙集的艦艇反導(dǎo)輔助決策知識發(fā)現(xiàn)過程,就是從獲得的相關(guān)原始觀察數(shù)據(jù)中,提取正確的、非平凡的、未知的、有潛在應(yīng)用價值的知識,通過專家支持系統(tǒng)的咨詢,用模糊粗糙集理論與方法[7],構(gòu)建符合艦艇反導(dǎo)輔助決策的模糊決策模型,以獲取所需要的模糊推理規(guī)則。

4.1 構(gòu)建艦艇反導(dǎo)輔助決策的連續(xù)值型決策表

表1 連續(xù)值型決策表

基于專家意見和作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn),構(gòu)建專家知識庫,建立艦艇反導(dǎo)輔助決策連續(xù)值型決策表(U,A,F,B)[8]。其中:U={x1,x2,…,x5}表示五種戰(zhàn)場環(huán)境。A={A1,A2,A3,A4}表示取值為連續(xù)值的條件屬性。條件屬性取值函數(shù)為F={f1:U→[α,β]}。決策屬性B取值函數(shù)為B:U→VB=[α′,β′],定義為指揮方式的集散程度。

4.2 連續(xù)值型決策表轉(zhuǎn)化為模糊型決策表

表2 模糊型決策表

4.3 計(jì)算模糊型決策表的包含度

選擇包含度計(jì)算公式[10],計(jì)算各種模糊屬性組合在各種模糊決策中的包含度:

kl=1,2,3;j=1,2

(5)

定義組合屬性在決策目標(biāo)中最大的包含度為

(6)

4.4 獲取模糊推理規(guī)則

Rule1:

Rule2:

Rule3:

…

Rule33:

Rule34:

Rule35:

5 結(jié)語

采用基于專家系統(tǒng)的模糊決策知識庫可以為水面艦艇反導(dǎo)輔助決策提供科學(xué)依據(jù)和可行方法,對解決復(fù)雜軍事問題的決策制定具有一定的借鑒作用。

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Anti-missile Decision Fuzzy Knowledge Base Design Based on Expert System

WENG Mo1WANG Shuqi2MA Liang2

(1. Postgraduate Management Group, Dalian Navy Academy, Dalian 116018) (2. Warship Command Department, Dalian Navy Academy, Dalian 116018)

Based on expert system, the paper analyses the principle of fuzzy knowledge base, puts forward establishment basis for anti-missile assistant decision fuzzy knowledge base, presents the establishment step and way of fuzzy decision, constructs fuzzy decision model, proves the feasibility and scientifical-ness of the fuzzy knowledge base in solving anti-missile assistant decision through examples.

expert system, decision rule, fuzzy knowledge base

2014年5月13日,

2014年6月17日 作者簡介:翁墨,男,碩士研究生,研究方向:海軍水面艦艇戰(zhàn)術(shù)。王書齊,男,博士,教授,研究方向:海軍水面艦艇戰(zhàn)術(shù)與指揮決策分析。馬良,男,博士,講師,研究方向:海軍水面艦艇戰(zhàn)術(shù)。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.030