基于主成分分析法的護(hù)航行動(dòng)海面目標(biāo)威脅評(píng)估

黃力偉，穆 楊

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

0 引言

護(hù)航行動(dòng)中，有必要采取快速合理的方法對(duì)當(dāng)前所有目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估及排序，爭(zhēng)取快速、準(zhǔn)確地處置海情威脅，為反海盜行動(dòng)爭(zhēng)取主動(dòng)［1］。

在護(hù)航行動(dòng)海面目標(biāo)威脅評(píng)估分析中，影響目標(biāo)威脅度的評(píng)估指標(biāo)變量具有多樣性、復(fù)雜性，且重要程度也不相同，給威脅評(píng)估帶來(lái)了困難。主成分分析方法是一種降維分析的多元統(tǒng)計(jì)方法，一方面，在盡可能保留原始指標(biāo)變量信息的前提下，通過(guò)少數(shù)幾個(gè)主成分對(duì)原始指標(biāo)信息進(jìn)行最佳綜合簡(jiǎn)化，避免多個(gè)指標(biāo)變量所帶來(lái)的評(píng)估問(wèn)題的復(fù)雜性；另一方面，主成分分析方法在指標(biāo)權(quán)重的選擇上較好地克服了主觀因素影響，較客觀地反映了評(píng)估指標(biāo)之間的現(xiàn)實(shí)關(guān)系。本文采用主成分分析方法開(kāi)展護(hù)航行動(dòng)中海面目標(biāo)威脅評(píng)估研究。

1 護(hù)航海區(qū)海面目標(biāo)分析

下面就我護(hù)航編隊(duì)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中可能遭遇和觀測(cè)到的目標(biāo)種類(lèi)及其特征加以分析［2］。

1）民用商船。在海域內(nèi)數(shù)量眾多，多用于國(guó)際貿(mào)易和運(yùn)輸，船型較大，航速較低，航線相對(duì)固定。絕大部分排水量為萬(wàn)噸級(jí)以上，航速?gòu)?2 kn～24 kn不等。通過(guò)艦載導(dǎo)航雷達(dá)和AIS系統(tǒng)，可在作用距離（約30 n mile）內(nèi)對(duì)大部分商船進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。也可根據(jù)目標(biāo)回波特征、運(yùn)動(dòng)要素和目力觀察進(jìn)行識(shí)別。

2）外軍艦船。主要采取區(qū)域巡邏和伴隨護(hù)航的方式，船型中等偏大，雷達(dá)易發(fā)現(xiàn)。護(hù)航期間通常會(huì)開(kāi)啟導(dǎo)航雷達(dá)和警戒搜索雷達(dá)，少數(shù)會(huì)開(kāi)啟火控雷達(dá)和AIS系統(tǒng)。一般排水量為數(shù)千噸，航速?gòu)膸坠?jié)到30 kn不等?？赏ㄟ^(guò)導(dǎo)航雷達(dá)、電子探測(cè)和目力觀察等手段對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。外軍艦船也可能主動(dòng)在護(hù)航區(qū)域聯(lián)絡(luò)我軍艦艇，向我通報(bào)附近海域的目標(biāo)信息及其護(hù)航情況。

3）作業(yè)漁船。漁船活動(dòng)與海況、區(qū)域息息相關(guān)，規(guī)律難以把握，船體積較小，多為玻璃鋼質(zhì)或木質(zhì)，干舷較低，發(fā)現(xiàn)距離近。由于特征相近，海盜經(jīng)常偽裝成漁船實(shí)施海盜行動(dòng)。漁船的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離一般在4 n mile～6 n mile，最遠(yuǎn)能達(dá)到8 n mile以上，最近在3 n mile以內(nèi)。目力發(fā)現(xiàn)漁船，在白天能見(jiàn)度較好時(shí)為5 n mile以上，在夜間漁船未亮燈光時(shí)僅為幾鏈。對(duì)正常作業(yè)漁船的準(zhǔn)確識(shí)別還應(yīng)綜合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)及目力觀察的結(jié)果實(shí)施。

4）海盜船只。通常以改造過(guò)的民船或者較大漁船作為母船，經(jīng)過(guò)偽裝后游曳在國(guó)際商船航線附近，伺機(jī)搶劫過(guò)往船只。疑似海盜船只一般為小型木質(zhì)漁船，體積較小，行動(dòng)隱蔽，速度較快，運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)多變，船上一般載有較多人員，部分船只上可以清晰看見(jiàn)武器和掛梯等裝具。雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離通常在3 n mile～5 n mile以內(nèi)，有時(shí)甚至不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有近距離通過(guò)目力等手段才能準(zhǔn)確判別。

2 海面目標(biāo)威脅評(píng)估模型

2.1 海面目標(biāo)威脅評(píng)估指標(biāo)分析

根據(jù)護(hù)航海域海面目標(biāo)分析及護(hù)航實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可確定海面目標(biāo)威脅評(píng)估指標(biāo)如下［3］。

1）目標(biāo)大小。海盜船只多為改造過(guò)的普通民船（快艇或小型漁船），體積較小，即便利用劫持的大中型船舶作為母船，由于其快速機(jī)動(dòng)能力較差，在一定距離之外無(wú)法對(duì)我編隊(duì)造成安全威脅。因此，在評(píng)估中可認(rèn)為船型越大的目標(biāo)對(duì)編隊(duì)威脅的程度越低，而小目標(biāo)則威脅程度較高。目標(biāo)大小根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)的回波大小比對(duì)和目力觀察等方式判別。

2）目標(biāo)速度。與該目標(biāo)對(duì)我編隊(duì)安全的威脅程度有直接關(guān)系。海盜行動(dòng)快速突然，其目的是在我護(hù)航兵力未能及時(shí)作出反應(yīng)之時(shí)對(duì)商船發(fā)起襲擊，完成劫持，有的海盜小艇在襲擊商船時(shí)的速度高達(dá)30節(jié)以上。因此，在評(píng)估中可認(rèn)為目標(biāo)速度越大對(duì)我編隊(duì)威脅的程度越高，而低速目標(biāo)對(duì)我威脅程度相對(duì)較低。目標(biāo)航速主要通過(guò)艦載雷達(dá)探測(cè)和目力觀察估算等方式判別。

3）目標(biāo)距離。根據(jù)目標(biāo)距離可以簡(jiǎn)單判斷在一定時(shí)間內(nèi)該目標(biāo)對(duì)編隊(duì)安全的威脅程度。理論上來(lái)說(shuō)，目標(biāo)距離編隊(duì)越遠(yuǎn)其短時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)襲擊行動(dòng)的可能性越小，我編隊(duì)越安全。因此，目標(biāo)距離越大對(duì)編隊(duì)安全造成威脅的程度越低，而目標(biāo)距離小則威脅程度高。目標(biāo)距離主要通過(guò)艦載雷達(dá)探測(cè)和目力觀察估算等方式判別。

4）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。指目標(biāo)相對(duì)于我護(hù)航編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)。由于海盜裝備多為射程較近的輕武器，其劫持行動(dòng)也以成功登上并控制被襲船只為前提，因此，目標(biāo)駛近編隊(duì)時(shí)安全威脅程度相對(duì)較高。還有一種威脅情況需注意，即較長(zhǎng)時(shí)間與編隊(duì)保持相對(duì)靜止的不明海面目標(biāo)很可能是海盜船在發(fā)起襲擊之前尾隨襲擊目標(biāo)尋找下手機(jī)會(huì)。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)主要通過(guò)艦載導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的連續(xù)觀測(cè)、航跡錄取和綜合分析判斷等方式判別。

5）AIS識(shí)別情況。大部分商船、運(yùn)輸船等大中型海面目標(biāo)可通過(guò)AIS系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別，一般小型漁船等目標(biāo)無(wú)法有效識(shí)別。部分商船未安裝或出于安全考慮未開(kāi)啟AIS系統(tǒng)，另外部分執(zhí)行護(hù)航巡邏任務(wù)的外軍艦船AIS系統(tǒng)也處于關(guān)閉狀態(tài)。由于海盜母船多為不明身份的漁船，因此，能通過(guò)AIS系統(tǒng)識(shí)別真實(shí)合法身份的船舶威脅程度較低。

6）通報(bào)及觀察情況。在執(zhí)行護(hù)航任務(wù)時(shí)，上級(jí)會(huì)將任務(wù)海區(qū)的海盜活動(dòng)情況、商船被劫情況和疑似海盜船只信息及時(shí)通報(bào)給我任務(wù)艦艇，在附近執(zhí)行任務(wù)外軍艦船有時(shí)也會(huì)通報(bào)相關(guān)情況，當(dāng)我艦掌握的海面目標(biāo)與上級(jí)或外軍通報(bào)的疑似海盜船只或被劫商船特征一致時(shí)，可認(rèn)為其威脅程度較高，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控。另外，通過(guò)直升機(jī)前去查證和視距內(nèi)目力觀察，如顯見(jiàn)目標(biāo)船上載有武裝人員或海盜裝具等，也應(yīng)認(rèn)為其對(duì)編隊(duì)安全威脅程度高。

2.2 海上目標(biāo)威脅評(píng)估模型

基于主成分分析法的海上目標(biāo)威脅綜合評(píng)估的主要步驟如下［4-6］：

1）數(shù)據(jù)采集。根據(jù)海面目標(biāo)威脅評(píng)估指標(biāo)，采集海面目標(biāo)指標(biāo)值，各指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 海面目標(biāo)指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)

2）指標(biāo)量化。為統(tǒng)一衡量各海面目標(biāo)對(duì)護(hù)航編隊(duì)的安全威脅程度，通過(guò)護(hù)航經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，將目標(biāo)相對(duì)各指標(biāo)可能存在的狀態(tài)進(jìn)行量化，分值高低代表指標(biāo)威脅程度的大小，如表2所示。

表2 指標(biāo)威脅程度量化表

根據(jù)表1、表2，以及海面目標(biāo)信息可以得到有n個(gè)海面目標(biāo)的具有p（p=6）個(gè)指標(biāo)的量化矩陣

3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。為了消除原始數(shù)據(jù)量綱帶來(lái)的影響，可用Z-score法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換，X標(biāo)準(zhǔn)化后矩陣為

其中

4）求矩陣X*的相關(guān)系數(shù)矩陣。X*的相關(guān)系數(shù)矩陣為

其中

5）求解主成分。主成分分析法是一種將原有的p個(gè)指標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合變量的方法，其分析過(guò)程其實(shí)就是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的過(guò)程，新坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸方向是原始數(shù)據(jù)方差最大的方向，各主成分表達(dá)式就是新舊坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

標(biāo)準(zhǔn)化后樣本數(shù)據(jù)的主成分的得分矩陣為

由于主成分分析的主要目的是降維，所以需要在信息損失不太多的情況下，用少數(shù)幾個(gè)主成分代替原始的p個(gè)指標(biāo)值。選取主成分個(gè)數(shù)的方式的一般做法是取較小的m，使得前m個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率不低于某一水平（如85%），這樣就達(dá)到了降維的目的。

從而進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.3 Matalab實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用Matlab可以比較容易地實(shí)現(xiàn)基于主成分分析的護(hù)航行動(dòng)海面目標(biāo)威脅評(píng)估［7-9］。

Matlab中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)為

采用princomp函數(shù)開(kāi)展主成分分析。princomp函數(shù)是根據(jù)樣本觀測(cè)矩陣進(jìn)行主成分分析，其調(diào)用格式如下

其中：輸出參數(shù)R是p行p列的主成分系數(shù)矩陣，第i列是第i個(gè)主成分系數(shù)向量；輸出參數(shù)Y是n個(gè)樣品的p個(gè)主成分得分矩陣，每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)觀測(cè)，每一列對(duì)應(yīng)一個(gè)主成分，第i行是第j列元素是i個(gè)樣品的第j個(gè)主成分得分；輸出參數(shù)是樣本協(xié)方差矩陣的p個(gè)特征值構(gòu)成的列向量。

2.4 實(shí)例運(yùn)算

某次護(hù)航獲取的海面目標(biāo)信息如表3所示。

根據(jù)表1、表2量化目標(biāo)信息，根據(jù)式（8）、式（9）運(yùn)用Matlab計(jì)算得出參數(shù)：。假設(shè)要求累積貢獻(xiàn)率不低于85%，確定主成分個(gè)數(shù)為4。

表3 海面目標(biāo)信息

根據(jù)式（7）計(jì)算各目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值，比較綜合評(píng)估值的大小，得出目標(biāo)威脅評(píng)估由大到小排序?yàn)?2 5 6 2 8 14 18 1 16 11 12 15 17 2010 7 21 9 4 3 13 19

實(shí)際上，從海面目標(biāo)信息表3可以看出，目標(biāo)22威脅是最大的，說(shuō)明基于主成分分析的海面目標(biāo)威脅評(píng)估是可行的。

3 結(jié)論

在護(hù)航過(guò)程中對(duì)海面目標(biāo)的探測(cè)、觀察和識(shí)別應(yīng)該遵循“盡快盡遠(yuǎn)”的原則，在緊迫情況發(fā)生前及時(shí)判別采取措施，爭(zhēng)取將海盜船只對(duì)我編隊(duì)的威脅程度降到最低。采用主成分分析方法進(jìn)行海面目標(biāo)威脅評(píng)估時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)把握以下幾個(gè)問(wèn)題。

3.1 綜合考慮多方面因素

海面目標(biāo)威脅程度評(píng)估的指標(biāo)不是單一的，考慮到的指標(biāo)越詳細(xì)準(zhǔn)確，特別是對(duì)重要指標(biāo)數(shù)據(jù)的掌握越詳盡，對(duì)于威脅程度的判定就越準(zhǔn)確。在受到客觀條件限制無(wú)法全面及時(shí)獲取信息時(shí)，應(yīng)對(duì)主要指標(biāo)威脅程度進(jìn)行概略初評(píng)，以此作為下一步采取行動(dòng)的重要依據(jù)。

3.2 重點(diǎn)監(jiān)控評(píng)估值變化幅度較大的目標(biāo)

海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的不確定性和海盜行動(dòng)的隱蔽性決定了部分目標(biāo)對(duì)編隊(duì)安全威脅程度評(píng)估值動(dòng)態(tài)變化幅度較大，這在一定程度上會(huì)影響目標(biāo)威脅等級(jí)的劃分。因此，在編隊(duì)護(hù)航過(guò)程中，對(duì)于那些評(píng)估值變化幅度較大的目標(biāo)應(yīng)該重點(diǎn)、連續(xù)觀測(cè)，以獲得較完備的信息，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)和威脅程度作出合理判斷，避免突發(fā)事件的發(fā)生。