王 倩,甘旭升,于海龍,韓寶安
(1.西京學(xué)院理學(xué)院,西安 7101231;2.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,西安 710051;3.解放軍93523 部隊管制室,山西 永濟(jì) 044500;4.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,成都 611130)
無人機(jī)作為一種新興裝備,憑借續(xù)航時間長、機(jī)動性強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn),已逐漸在戰(zhàn)爭中扮演越來越重要的角色。在無人機(jī)對地攻擊多個時敏目標(biāo)時,能夠根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢信息,精確預(yù)判,科學(xué)決策,將火力資源合理配置在地面目標(biāo)上,對順利、高效完成作戰(zhàn)任務(wù)至關(guān)重要[1]。而時敏目標(biāo)威脅度是影響決策過程的關(guān)鍵要素[2],可根據(jù)地面時敏目標(biāo)威脅度評估值合理分配無人機(jī)的火力資源。隨著地面時敏目標(biāo)的機(jī)動能力與防御能力增強(qiáng),如何根據(jù)實(shí)時變化的戰(zhàn)場態(tài)勢,對地面時敏目標(biāo)威脅度進(jìn)行自動、快速和準(zhǔn)確的評估,為無人機(jī)攻擊地面目標(biāo)提供決策支持,已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。
楊州等利用改進(jìn)層次分析法來解決對地攻擊方案的優(yōu)選問題[3],并在攻擊方式?jīng)Q策中考慮了目標(biāo)性質(zhì)和火力威脅,但對目標(biāo)威脅缺少系統(tǒng)性研究。魯華等采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對目標(biāo)威脅度進(jìn)行研究,提出了一種目標(biāo)威脅度計算方法[4],但該方法評估中需要現(xiàn)行確定各項指標(biāo)的最優(yōu)值,主觀性過強(qiáng),且部分指標(biāo)最優(yōu)值難以確定。曲長文等基于矩陣對策原理構(gòu)建了目標(biāo)威脅評估模型[5],通過敵我雙方策略對比并求解威脅矩陣來進(jìn)行目標(biāo)威脅評估,然而該方法建立策略集需要依靠先驗知識,主觀因素影響較大。王永杰等基于TOPSIS 方法對空戰(zhàn)中目標(biāo)的威脅度評估問題進(jìn)行了研究[6],該方法充分利用目標(biāo)因素的不確定性信息,便于工程實(shí)踐,其缺點(diǎn)是對數(shù)據(jù)比較敏感。符永軍等將模糊優(yōu)選理論與層次分析法有機(jī)結(jié)合,為某型地空導(dǎo)彈系統(tǒng)建立了威脅度評估模型[7],但由于專家主觀標(biāo)度上的差異,使評估的可信度受到了影響。綜上可知,這些研究在構(gòu)建評估模型的某個環(huán)節(jié)中,如數(shù)據(jù)采集、體系建構(gòu)、指標(biāo)賦權(quán)以及模型構(gòu)建,不同程度上依賴于專家的先驗知識,導(dǎo)致評估結(jié)果不可避免地帶有主觀性。此外,這些研究都沒有考慮實(shí)戰(zhàn)中非常重要的問題,即評估的時效性問題,離開時效性談目標(biāo)威脅度評估,對攻擊決策就失去了實(shí)際意義。
基于此,提出了基于集對分析(Set Pair Analysis,SPA)與增量型極限學(xué)習(xí)機(jī)(Incremental Extreme Learning Machine,IELM)的無人機(jī)對地時敏目標(biāo)威脅度評估方法,即通過SPA 處理評估過程中的主觀不確定性問題,并在此基礎(chǔ)上采用IELM 對目標(biāo)威脅度進(jìn)行實(shí)時評估,以輔助無人機(jī)火控系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)決策。
集對分析法SPA 是趙克勤于1989 年提出了一種不確定性理論[8]。核心在通過對系統(tǒng)內(nèi)不確定性與確定性予以分析與處理,對系統(tǒng)中具有關(guān)聯(lián)性的集合中的同一性、差異性、對立性等特性進(jìn)行分析,對系統(tǒng)不確定性進(jìn)行描述的方法。
SPA 可描述為:定義集對Θ=(A,B),A、B 為相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集。對集對Θ 特性進(jìn)行分析,得到N 個特性,S 個特性為A 與B 共有,即為“同”;P 個特性為A 與B 互斥,即為“反”;F=N-P-S 個特性對A 與B 既不共有也不互斥,即為“異”。將a=S/N、b=F/N、c=P/N 分別稱為同一度、差異度與對立度。若忽略權(quán)重影響,聯(lián)系度可表示為
式中,a+b+c=1;i 為差異度系數(shù),取值區(qū)間為i∈[1,-1],當(dāng)i 有實(shí)際含義時,i=1,b 轉(zhuǎn)化為a;i=-1,b 轉(zhuǎn)化為c;i∈(1,-1),a 與c 各占一定比例;j 為對立度系數(shù),其值為-1。
ELM 最早由Huang 等提出[9]。訓(xùn)練過程中僅需調(diào)整隱層節(jié)點(diǎn)數(shù),便可獲取模型參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練,與BP 網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)(SVM)傳統(tǒng)方法相比,學(xué)習(xí)效率上得到了極大改善,并在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)ELM 通常都采用批量訓(xùn)練算法,當(dāng)新訓(xùn)練數(shù)據(jù)加入時,需要對數(shù)據(jù)重新整理進(jìn)行訓(xùn)練,既浪費(fèi)內(nèi)存,又消耗時間,為解決此問題,Huang 等人在增量學(xué)習(xí)框架下提出了增量型極限學(xué)習(xí)機(jī)(IELM)[10]。這種新型的訓(xùn)練模型通過不斷添加隱層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn),并隨機(jī)確定新增隱層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值,可以將系統(tǒng)誤差降低到一定程度。
假設(shè)給定的訓(xùn)練集樣本記為(Xp,Yp),其中特征向量Xp=[xp1,xp2,…,xpn]T∈Rn,期望輸出Yp∈R,且樣本標(biāo)記p=1,2,…,N,共有N 個訓(xùn)練樣本。
隱神經(jīng)元為L 個,隱層激活函數(shù)h(x)的ELM的輸出滿足
其中,wj∈Rn;bj,βj∈R。wj為輸入層與第j 個隱層單元連接的權(quán)值;bj為第j 個隱層單元的偏置;βj為連接第j 個隱層單元與輸出層的權(quán)值;tp為第p 個樣本的實(shí)際輸出。式(2)可轉(zhuǎn)化為矩陣形式Hβ=T。在增量學(xué)習(xí)模型下進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練,新增隱層單元連接的輸出權(quán)值為
其中,e=Y-T 表示訓(xùn)練模實(shí)際輸出T 與期望輸出Y之間的差值,用來表示誤差大小。
樣本訓(xùn)練時,IELM 算法首先根據(jù)傳統(tǒng)極限學(xué)習(xí)機(jī)原理獲取L-1 個神經(jīng)元對應(yīng)的隱單元權(quán)值和輸出層權(quán)值,然后通過隨機(jī)選取新增的第L 個隱層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值,繼續(xù)進(jìn)行訓(xùn)練。文獻(xiàn)[9]證明,網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差和測試誤差均會隨著隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多而相應(yīng)減小。文獻(xiàn)[10]指出,IELM 與增量型SVM(ISVM)具有相近的泛化性能,并且速度遠(yuǎn)快于ISVM。
無人機(jī)在對地面目標(biāo)攻擊時,地面目標(biāo)的類型大致分為:靜止目標(biāo)、運(yùn)動目標(biāo)和時敏目標(biāo)。其中,時敏目標(biāo)是時間敏感目標(biāo)的簡稱,通常指戰(zhàn)場上隨機(jī)出現(xiàn)、打擊機(jī)會受時間窗口嚴(yán)格限制且具有重要軍事價值的目標(biāo)。相對于靜止和運(yùn)動類型目標(biāo),時敏目標(biāo)通常具有隱蔽性好、機(jī)動性強(qiáng)、狀態(tài)變化頻繁、出現(xiàn)地點(diǎn)不定、暴露時間短暫、對其打擊機(jī)會稍縱即逝等特點(diǎn)。因此,對時敏目標(biāo)進(jìn)行攻擊時,存在定位難、跟蹤難、可攻擊時間短等諸多困難。機(jī)動防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、間歇開機(jī)雷達(dá)站、有人/無人駕駛軍用車輛,以及敵人撤退所經(jīng)過的橋梁等均屬于時敏目標(biāo)。因此,研究地面時敏目標(biāo)威脅度的評估問題,對于提高無人機(jī)攻擊決策效率,有效地殺傷敵方地面目標(biāo),改善我方無人機(jī)生存能力,充分地發(fā)揮無人機(jī)的作戰(zhàn)效能具有重要意義。
在構(gòu)建無人機(jī)對地攻擊模型過程中,由于戰(zhàn)場態(tài)勢的不確定性、多變性和復(fù)雜性,導(dǎo)致對地面時敏目標(biāo)威脅度的評估,有別于其他地面目標(biāo)威脅度評估。主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面,存在一定的不確定性。地面時敏目標(biāo)的威脅度受到相對方位、與目標(biāo)的距離、目標(biāo)武器威力和時敏性等諸多因素的影響,而在這些因素中,有些信息已知,有些是未知的,使得傳統(tǒng)方法難以勝任地面時敏目標(biāo)的威脅度評估;另一方面,對時效性提出更高要求。考慮到未來戰(zhàn)爭信息量大,戰(zhàn)場環(huán)境的可變性,戰(zhàn)斗過程應(yīng)該是一個不斷變化的過程,地面時敏目標(biāo)的威脅度也是不斷變化的,因此,評估時敏目標(biāo)威脅度的評估方法必須要具有時效性、有效性及前瞻性。
針對以上兩個方面的問題,結(jié)合無人機(jī)對地攻擊的實(shí)戰(zhàn)性要求,提出了基于SPA-IELM 的無人機(jī)對地時敏目標(biāo)威脅度評估方法。該方法的建模評估包括兩個過程:第1 個過程,根據(jù)已知信息和專家知識,利用SPA 在處理不確定性問題中的優(yōu)勢,進(jìn)行地面時敏目標(biāo)的威脅度評估,從而為后續(xù)研究構(gòu)造樣本數(shù)據(jù);第2 個過程,基于獲取的樣本數(shù)據(jù)在線訓(xùn)練地面時敏目標(biāo)威脅度IELM 評估模型,并完成測試驗證。不難看出,采用現(xiàn)有SPA 處理威脅度評估中可以主觀不確定性問題,但無法解決評估的時效性問題,即無法實(shí)現(xiàn)對地面時敏目標(biāo)威脅度的自動、快速評估,進(jìn)而影響了攻擊決策過程;而利用文獻(xiàn)[9]提出的IELM 進(jìn)行在線訓(xùn)練評估,時效性很強(qiáng),但獲取樣本數(shù)據(jù)存在困難。而本文將兩者有機(jī)結(jié)合,取長補(bǔ)短,優(yōu)勢互補(bǔ),既能解決時敏目標(biāo)威脅度評估中存在的不確定性問題,又可實(shí)現(xiàn)自動實(shí)時評估,這也正是本文研究的核心思想和創(chuàng)新之處。無人機(jī)對地攻擊時敏目標(biāo)威脅度評估流程如圖1 所示。
圖1 地面時敏目標(biāo)威脅度評估流程
無人機(jī)實(shí)施對地時敏目標(biāo)攻擊任務(wù)時,其打擊體系基本由傳感器、無人機(jī)(火力打擊)和指揮決策構(gòu)成,如圖2 所示。傳感器系統(tǒng)通過偵察與識別作戰(zhàn)環(huán)境時敏目標(biāo),獲取態(tài)勢信息;指揮決策系統(tǒng)通過對傳感器系統(tǒng)獲取信息進(jìn)行分析、評估與決策,與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息溝通,保證系統(tǒng)順暢運(yùn)行;無人機(jī)系統(tǒng)作為系統(tǒng)決策的執(zhí)行部門,通過機(jī)載火力系統(tǒng)打擊地面時敏目標(biāo)。
圖2 無人機(jī)對地時敏目標(biāo)打擊體系組成
當(dāng)傳感器系統(tǒng)探測到時敏目標(biāo)在無人機(jī)攻擊范圍內(nèi)時,將獲取的態(tài)勢信息傳輸?shù)街笓]決策系統(tǒng),決策系統(tǒng)通過對信息進(jìn)行處理,進(jìn)行時敏目標(biāo)威脅度評估,最后由無人機(jī)系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行火力打擊。
假設(shè)時敏目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)為勻速直線,初始位置與速度信息分別記錄為X0和V0,無人機(jī)可攻擊區(qū)域?qū)?yīng)的時間窗口長度分別為[t1,t2],則有
當(dāng)無人機(jī)攻擊區(qū)域信息固定時,時間窗口長度由地面目標(biāo)的機(jī)動信息(如速度)決定,從發(fā)現(xiàn)到摧毀目標(biāo)的時間長度也受到影響,殺傷攻擊必須在t1至t2之間的時間約束下完成。因此,無人機(jī)系統(tǒng)對地面時敏目標(biāo)攻擊決策速度越快,從發(fā)現(xiàn)到摧毀所需時間就越短,完成任務(wù)的概率就越高。
由此可知,解決無人機(jī)對地面時敏目標(biāo)的快速攻擊決策問題是能否成功摧毀目標(biāo)的關(guān)鍵,其具體可轉(zhuǎn)化為對地面時敏目標(biāo)威脅程度的評估和排序問題。則針對評估需求,根據(jù)文獻(xiàn)[11]給出地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo),如表1 所示。
表1 地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)
采用SPA 構(gòu)造樣本數(shù)據(jù),需要先根據(jù)無人機(jī)對地攻擊特點(diǎn)以及地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo),將目標(biāo)威脅程度劃分5 個等級:特別嚴(yán)重(I)、嚴(yán)重(II)、重大(III)、一般(IV)、輕微(V)等5 個威脅等級。同時,各項評估指標(biāo)也相應(yīng)劃分為5 個等級。為與這5 個等級對應(yīng)起來,式(1)需要拓展為
式中,a、b、c 分別為同一度、正差異度與負(fù)差異度,d與e 為對立度。(a,b,c,d,e)稱為同異反向量,a,b,c,d,e∈[0,1];i1∈[0,1];i2∈[-1,0],通??砂凑站衷瓌t取值[11];j1=j2=-1。
將地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)體系中的某指標(biāo)及其對應(yīng)的分級標(biāo)準(zhǔn)分別列為兩個集合,并構(gòu)成一個集對。若指標(biāo)值處于此評估級別中,則視為同一;若指標(biāo)值處于相鄰評估級別中,則視為相異;若指標(biāo)值處于相隔評估級別中,則視為對立。為量化聯(lián)系度,確定不同的聯(lián)系度,對于越大越優(yōu)型評估指標(biāo)可構(gòu)造如下聯(lián)系度函數(shù):
1)第i 個評估指標(biāo)為I 級
2)第i 個評估指標(biāo)為II 級
3)第i 個評估指標(biāo)為III 級
4)第i 個評估指標(biāo)為IV 級
5)第i 個評估指標(biāo)為V 級
在上述各式中,F(xiàn)0~F5分別為目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)各級別的界限值;y 為目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)數(shù)據(jù);i 為評估指標(biāo)序號。同理,可確定越小越優(yōu)型指標(biāo)對應(yīng)的聯(lián)系度函數(shù)。
計算出第i 個評估指標(biāo)5 個等級的聯(lián)系度ai,bi,ci,di,ei后,就可得到該指標(biāo)的同異反向量
計算所有評估指標(biāo)的同異反向量,就可構(gòu)建所有評估指標(biāo)的同異反系數(shù)矩陣
式中,h 表示評估指標(biāo)個數(shù),本文中h=7。由此建立評估對象的同異反向量計算表達(dá)式
仿真計算過程分為兩個部分,第1 部分利用專家知識對地面時敏目標(biāo)威脅度進(jìn)行SPA 評估,構(gòu)造IELM 的訓(xùn)練和測試樣本;第2 部分采用獲取的樣本訓(xùn)練地面時敏目標(biāo)威脅度IELM 評估模型,并完成模型測試。
確立地面時敏目標(biāo)威脅度評估體系和評估流程,就可以結(jié)合無人機(jī)對地攻擊的具體實(shí)際,對地面時敏目標(biāo)威脅度進(jìn)行評估。表2 為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)數(shù)據(jù)。
表2 地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)數(shù)據(jù)
地面時敏目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)體系中的部分指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表3 地面時敏目標(biāo)威脅度部分評估指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)
表中I、II、III、IV、V 分別表示特別嚴(yán)重威脅、嚴(yán)重威脅、重大威脅、一般威脅、輕微威脅。對于可靠性 指 標(biāo) 來 說,“>0.95”、“0.95”、“0.90”、“0.85”、“0.80<”分別代表可靠性的評估等級:I 介于(0.95,1],II 介于(0.90,0.95],III 介于(0.85,0.90],IV 介于(0.80,0.85],V 介于[0,0.80]區(qū)間,余下評估指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)同理。
確定了指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn),就可根據(jù)式(6)~式(10)計算ID 01 可靠性Pr指標(biāo)的5 個等級的聯(lián)系度,進(jìn)而得到Pr的同異反向量表達(dá)式
那么,通過同樣過程,不難構(gòu)造ID 01 所有評估指標(biāo)的同異反系數(shù)矩陣
接著通過層次分析過程(AHP)[12],計算出指標(biāo)Pr,Ps,Pf,Pd,Pk,Pt,Nu的權(quán)重向量w=[0.093,0.148,0.135,0.217,0.064,0.316,0.028]。根據(jù)式(18),就可以確定ID 01 的同異反向量表達(dá)式
按照均分取值原則,差異度可取為
此處由于i2=0,帶入式(18)中,會導(dǎo)致該分項始終為零,喪失該項的貢獻(xiàn)力,為避免此種情況,取i2=0.01,這樣既能避免該項為零,又使自身的變化影響較小。這樣,就可以確定
將E 代入ID 01 的同異反向量表達(dá)式,即可計算ID 01 的μ1值為0.736,該值即為ID 01 的地面時敏目標(biāo)的威脅度。同理,也可得到ID 02~I(xiàn)D 20 的目標(biāo)威脅度,如表4 所示。
表4 地面時敏目標(biāo)威脅度值
將表2 的評估指標(biāo)數(shù)據(jù)與表4 中對應(yīng)的目標(biāo)威脅度逐一組合,就形成了IELM 建模的20 組數(shù)據(jù)樣本。本文采用數(shù)據(jù)滑動窗方式構(gòu)建訓(xùn)練樣本集和測試樣本集,且訓(xùn)練樣本集選取16 組數(shù)據(jù)樣本,余下4 組用于測試,如表5 所示。
表5 目標(biāo)威脅度評估ELM 建模數(shù)據(jù)樣本構(gòu)造
利用IELM 對以上樣本進(jìn)行處理,對地面目標(biāo)進(jìn)行威脅度評估建模,得出目標(biāo)威脅度值的大小,根據(jù)目標(biāo)威脅度排序,確定優(yōu)先攻擊威脅度大的地面目標(biāo)。
引入絕對相對誤差Err 對預(yù)測效果進(jìn)行分析
式中,y 為由SPA 計算出的目標(biāo)威脅度,y' 為由IELM 模型得出的目標(biāo)威脅度。
如選取樣本集編號SD 01 和SD 02,觀察對應(yīng)的ELM 模型測試結(jié)果與SPA 得出μ 值的對比,結(jié)果如表6 所示。
表6 部分計算結(jié)果及誤差分析
在SPA 構(gòu)建的評估樣本基礎(chǔ)上,建立ISVM 威脅度評估模型[13-14],并與IELM 模型進(jìn)行比較,以驗證ELM 模型的先進(jìn)性。
由下頁表7 可知,IELM的平均訓(xùn)練時間為0.275 s,平均測試時間為0.021 s,SVM 的平均訓(xùn)練和測試時間分別為5.562 s 和0.045 s,在訓(xùn)練時間上,IELM 與SVM 相差了兩個數(shù)量級,而這一點(diǎn)對無人機(jī)攻擊決策問題來說尤為重要;IELM 的平均測試Err 在[0.298%,0.574%]區(qū)間變動,平均測試Err 為0.402%,SVM 的平均測試Err 在[0.397%,0.731%]區(qū)間變化,平均測試Err 為0.518%。IELM 與SVM的測試精度較為接近。
表7 ISVM 與ELM 時間及測試精度對比
從評估結(jié)果可看出,SPA 與IELM 的評價結(jié)果極為吻合,但與前者相比,基于IELM 的評估方法更具優(yōu)勢,有以下3 點(diǎn):1)IELM 通過對大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練與學(xué)習(xí),找到輸入與輸出變量之間的非線性關(guān)系。模型僅需要一個新樣本信息,根據(jù)模型內(nèi)存儲的知識進(jìn)行演繹和推理,就能得出評估結(jié)果,雖然比SPA計算復(fù)雜,但借助于計算機(jī),反倒簡化了評估過程,也為無人機(jī)攻擊決策節(jié)省了時間。2)IELM 可根據(jù)訓(xùn)練樣本自動調(diào)整各指標(biāo)的權(quán)重,避免了如SPA 預(yù)先根據(jù)專家知識確定權(quán)重等主觀因素對評估結(jié)果的影響,克服了各指標(biāo)權(quán)重隨時間動態(tài)變動的問題。3)IELM 評價模型泛化能力強(qiáng),可以通過對歷史信息的學(xué)習(xí),直接可以對新樣本進(jìn)行處理,給出較合理的威脅度評估結(jié)果,SPA 在評估過程中依賴專家知識,主觀性過強(qiáng)。因此,將SPA 與IELM 有機(jī)結(jié)合起來,進(jìn)行無人機(jī)對地目標(biāo)威脅度評估,不僅利用了IELM 在線評估的優(yōu)點(diǎn),還有效解決了訓(xùn)練樣本的來源問題。
本文針對地面目標(biāo)威脅度評估指標(biāo)體系,首先通過SPA 方法生成訓(xùn)練樣本和測試樣本,然后,采用IELM 建立了空對地時敏對目標(biāo)威脅度評估模型,實(shí)現(xiàn)對多地面目標(biāo)的威脅度進(jìn)行排序,由此確定無人機(jī)火力系統(tǒng)攻擊優(yōu)先度。仿真表明,所提出方法能夠在線訓(xùn)練,精度高,速度快,模型輸出與SPA 的評估結(jié)果非常吻合。克服了傳統(tǒng)方法的人為主觀性、無法在線建模、泛化能力不強(qiáng)等缺點(diǎn),即使對于新樣本數(shù)據(jù),評估模型也能通過訓(xùn)練模型參數(shù),給出較為準(zhǔn)確的評估結(jié)果,這有利于無人機(jī)快速合理地進(jìn)行空對地多目標(biāo)攻擊決策。