基于艦炮平臺(tái)的反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能評(píng)估

肖樹(shù)劍

（海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局，遼寧 沈陽(yáng) 110031）

0 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導(dǎo)彈作為海上攻擊的主要形式，具有射程遠(yuǎn)、命中率高、威力大等優(yōu)點(diǎn)，日益成為威脅作戰(zhàn)艦艇生存的重要因素。為了在未來(lái)海戰(zhàn)中奪取主動(dòng)權(quán)，針對(duì)現(xiàn)代艦艇中遠(yuǎn)程反導(dǎo)地需求，將艦空導(dǎo)彈、箔條誘餌彈和某型艦炮有機(jī)結(jié)合，合理分配武器系統(tǒng)火力，一方面可以擴(kuò)大殺傷空域，提高武器系統(tǒng)反導(dǎo)成功概率；另一方面可以增強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)靈活性，有利于提高機(jī)動(dòng)能力。本文分析了基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能指標(biāo)體系，通過(guò)引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)評(píng)估其反導(dǎo)效能。

1 效能評(píng)估指標(biāo)體系的建立

基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)，是指將在某型艦炮的平臺(tái)上，搭載導(dǎo)彈和箔條誘餌分系統(tǒng)，綜合考慮三者各自的射程、反應(yīng)速度和費(fèi)效比等因素，合理劃分反導(dǎo)區(qū)域，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的艦載反導(dǎo)武器系統(tǒng)。

效能評(píng)估的重要內(nèi)容之一就是確定或選擇效能評(píng)估指標(biāo)。效能指標(biāo)的選擇是否合理，將直接影響效能評(píng)估的準(zhǔn)確性。但由于效能概念的復(fù)雜性，使得效能指標(biāo)的確定不像物理量那么直接。本文主要從以下幾個(gè)方面分析此反導(dǎo)武器系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)。

1.1 艦炮分系統(tǒng)

在構(gòu)建基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)的過(guò)程中，是在某型艦炮平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭載導(dǎo)彈和誘餌反導(dǎo)武器的。因此，該艦炮反導(dǎo)平臺(tái)在整個(gè)武器系統(tǒng)中是十分重要的，而其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)對(duì)武器系統(tǒng)整體反導(dǎo)效能的影響也是比較大的。在該艦炮反導(dǎo)的過(guò)程中，其系統(tǒng)有效性、目標(biāo)探測(cè)能力、反導(dǎo)距離及彈丸初速均對(duì)其反導(dǎo)效能產(chǎn)生很大的影響［1］。

1.2 導(dǎo)彈分系統(tǒng)

這里所指的導(dǎo)彈是搭載在某型艦炮反導(dǎo)平臺(tái)上的艦空反導(dǎo)導(dǎo)彈，其在反導(dǎo)過(guò)程中，受到多種因素的制約，同樣，其反導(dǎo)效能亦受到多方面因素的影響。本文經(jīng)過(guò)綜合考慮，提出導(dǎo)彈分系統(tǒng)的反導(dǎo)效能指標(biāo)主要有以下幾種：導(dǎo)彈分系統(tǒng)的可靠性、單發(fā)導(dǎo)彈的毀傷概率、毀傷半徑和脫靶量［2］。

1.3 箔條誘餌分系統(tǒng)

箔條干擾作為傳統(tǒng)的干擾技術(shù)，在雷達(dá)體制多樣化的今天，仍發(fā)揮著重要的作用，其在反導(dǎo)方面的應(yīng)用是不可忽略的。由文獻(xiàn)［3］可知，箔條在反導(dǎo)過(guò)程中，可取以下反導(dǎo)效能指標(biāo)：箔條云有效雷達(dá)反射面積、箔條充分散開(kāi)時(shí)間、箔條云滯時(shí)間和電磁波衰減。

1.4 效能評(píng)估指標(biāo)體系

由以上分析可以確定，基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)的效能指標(biāo)體系如圖1所示。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)估模型的實(shí)現(xiàn)

作為運(yùn)用最廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、輸出層和多個(gè)隱層，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但由于其適應(yīng)性強(qiáng)，在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)往往可以得到滿意的結(jié)果。

2.1 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確立

網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)選擇是一項(xiàng)十分重要的工作。在合理的結(jié)構(gòu)和恰當(dāng)?shù)臋?quán)值條件下，3層BP網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意連續(xù)函數(shù)，所以選取結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的3層BP網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

由前面的分析可知，影響某型反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能評(píng)估結(jié)果的主要指標(biāo)有12個(gè)，故輸入層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為12；輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1，對(duì)應(yīng)多彈種多重反導(dǎo)效能評(píng)估值；同時(shí)，由經(jīng)驗(yàn)公式m=，本文取隱層數(shù)為4層；神經(jīng)元轉(zhuǎn)換函數(shù)用sigmoid函數(shù)，表示形式為：

圖1 基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能指標(biāo)

圖2 BP網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

2.2 BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程

針對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、可能陷入局部極小的缺點(diǎn)，算法采用動(dòng)量梯度下降法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，可以減小學(xué)習(xí)過(guò)程的振蕩趨勢(shì)，改善網(wǎng)絡(luò)的收斂性［4］。具體步驟如下：

（1）初始化權(quán)值和閥值；

（2）給定輸入x和目標(biāo)輸出y；

（3）計(jì)算實(shí)際輸出 yj：

其中，f取Sigmoid函數(shù)。

（4）修正權(quán)值，比傳統(tǒng)算法增加了動(dòng)量項(xiàng)：

（5）若達(dá)到誤差精度或循環(huán)次數(shù)要求，則輸出結(jié)果，否則返回（2）。

2.3 樣本量化與處理

由于不同類型指標(biāo)的量綱不同，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的數(shù)據(jù)一般為連續(xù)數(shù)據(jù)，因此，需要對(duì)指標(biāo)體系中的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，然后進(jìn)行歸一化處理。本文采用最小-最大規(guī)范化方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，該方法對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更易于學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。具體方法如下：

記x′為歸一化后的樣本值，x為原始訓(xùn)練樣本值，xmax（xmin）為對(duì)同一指標(biāo)而言目前可能出現(xiàn)的最大值（最小值），則：

（1）對(duì)效益型評(píng)估指標(biāo)，按公式（1）進(jìn)行歸一化：

（2）對(duì)成本型評(píng)估指標(biāo)，按公式（2）進(jìn)行歸一化：

2.4 基于BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用算例

本文選取相關(guān)裝備對(duì)所建立的BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。根據(jù)圖2所示BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和動(dòng)量梯度法，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，將歸一化以后的樣本輸入進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。表1給出了相關(guān)裝備的指標(biāo)原始值和歸一化值。可運(yùn)用此網(wǎng)絡(luò)對(duì)基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)的效能等級(jí)進(jìn)行評(píng)判。經(jīng)過(guò)此網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估，最終效能等級(jí)為優(yōu)秀。

表1 相關(guān)裝備的效能指標(biāo)原始值和歸一化值

表2 網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果與專家評(píng)估結(jié)果

圖3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線圖

取訓(xùn)練步長(zhǎng)為100，步數(shù)為20000，學(xué)習(xí)速度為0.05，動(dòng)量因子大小為0.9，均方誤差為0.001來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)反復(fù)的學(xué)習(xí)，直到滿足精度要求為止，此時(shí)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已具備了模式識(shí)別的能力。運(yùn)用此訓(xùn)練好的已經(jīng)具備模式識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)研的反導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，所得到的結(jié)果如表2所示。同時(shí)可以得到網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差，如圖3所示。

由表2可知，BP網(wǎng)絡(luò)的輸出值與專家的評(píng)估值之間的相對(duì)誤差較小，可以保證在3.0%之下，而這樣的誤差對(duì)反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能評(píng)估等級(jí)的確定影響甚小，在允許的誤差范圍之內(nèi)。從評(píng)估等級(jí)來(lái)看，BP網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果與專家評(píng)估結(jié)果吻合度很大，即可以認(rèn)為兩者評(píng)判結(jié)果一致。

經(jīng)過(guò)上面的分析，可知本文所建立的BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練已經(jīng)具備很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，可將評(píng)估誤差控制在允許的范圍之內(nèi)，故

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)效能評(píng)估過(guò)程中，效能指標(biāo)體系的確定至關(guān)重要。本文結(jié)合反導(dǎo)武器系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定了12個(gè)具有代表性的效能評(píng)估指標(biāo)，建立了適合此系統(tǒng)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；并對(duì)基于艦炮平臺(tái)反導(dǎo)武器系統(tǒng)的效能進(jìn)行了評(píng)估，輸出結(jié)果為優(yōu)秀，與專家的評(píng)估結(jié)果一致。理論分析與算例結(jié)果表明，該評(píng)估方法是可行的、有效的，可為反導(dǎo)武器系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)提供一定的參考依據(jù)。

［1］肖元星，張冠杰.地面防空武器系統(tǒng)費(fèi)效分析［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2006

［2］陳立新.防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化體系效能評(píng)估［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2007

［3］陳靜.雷達(dá)箔條干擾原理［M］.國(guó)防工業(yè)出版社，2007

［4］ Stuart Russell,Peter Norvig.Artificial Intelligence:A Modern Approach［M］.Pearson Education,2002