基于專家系統的反導決策模糊知識庫設計*

翁 墨 王書齊 馬 良

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

基于專家系統的反導決策模糊知識庫設計*

翁 墨1王書齊2馬 良2

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

基于專家系統,分析了模糊知識庫的基本原理,提出了艦艇反導輔助決策模糊規則的制定依據,給出了模糊決策規則的建立步驟和方法,構建了模糊決策模型,通過算例驗證了基于專家系統的模糊知識庫在水面艦艇反導輔助決策方面的可行性和科學性。

專家系統; 決策規則; 模糊知識庫

Class Number TP391

1 引言

現代海戰中戰場態勢瞬息萬變,水面艦艇編隊海上作戰面臨多方面的生存威脅,尤其是在敵情信息獲取不完備、我方反導武器裝備數量有限的情況下,能否按照上級的作戰意圖,根據具體戰場態勢迅速、準確地制定反導決策是一個急需解決的問題。以往水面艦艇防空反導作戰都是根據指揮員的經驗來判斷并組織實施的,這樣的反導決策客觀性不足,很難根據當時的戰場態勢實時進行調整,會帶來反導決策失誤的風險。

目前,研究反導決策問題主要側重防空效能分析,一般采用定性分析與排隊論方法等進行研究[1]。但這些方法都是基于確定信息的反導作戰,無法解決在不確定信息情況下的反導作戰決策問題。專家系統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結合,進一步提高了輔助決策能力,是決策支持系統發展的新階段。

2 模糊知識庫

模糊知識庫是艦艇反導輔助決策系統的核心之一,其中存放著由艦艇反導專家總結出來的有關知識與規則。與一般知識庫不同的是,這些知識和規則可以是模糊的、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的求解水平。只有獲取足夠多的領域知識,專家系統才能發揮求解領域問題的功能,得到正確的結論。知識獲取的途徑可分為兩種:一種是由領域專家提供,知識工程師借助知識編輯系統把知識存入到計算機中;另一種途徑是通過計算機的自我學習,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。

圖1 知識提取過程

2.2 模糊知識表示形式

本系統采用的是目前應用最為廣泛的產生式知識表示法,產生式知識表示方法具有表式方式與人類思維方式相似、知識維護簡單、在知識庫中更改不改變知識庫中其它知識等優點。

2.2.1 模糊規則表示形式

艦艇反導輔助決策模糊專家系統模糊知識庫中的模糊規則表示形式如下[3]:

Rule:

IFA1(W1)∧A2(W2)∧…∧An(Wn);

THENH(CF(B,A),λ)

其中A1,A2,…,An表示規則中的各模糊前提條件(敵來襲目標的各種信息:目標屬性、威脅判斷、飛行速度、航路捷徑及我方艦空導彈戰術性能等);W1,W2,…,Wn表示各前提條件在進行反導決策中的重要程度所占的權重。

2.2.2 輸入事實的表示形式

系統輸入的初始事實是由我方偵察預警系統獲取的敵來襲目標兵器信息以及我方艦空導彈的配置、性能參數等信息,這些信息可能是不確定、不完整的、帶有模糊性的。通過偵察設備獲取的來襲目標信息通過模糊化處理后,變為系統的初始輸入信息,系統通過這些初始輸入信息與模糊知識庫中的規則進行匹配,按照設定的匹配方法及沖突消解策略,激發匹配成功的規則,并進行后續艦艇反導輔助決策動作。

本系統事實的表示形式為

Ai=(Ai1/λi1+Ai2/λi2+…+Ain/λin)

(1)

其中,0

3 艦艇反導輔助決策模糊規則的制定依據

在艦艇反導輔助決策規則制定中,從我方預警探測到目標到完成發射艦空導彈,有許多中間環節。為了構建模型的方便,本文著重選取其中四個典型攔截約束條件來制定反導輔助決策:

3.1 我方準備狀況

我方準備狀況指在艦空導彈單元對目標的攔截前以及在攔截過程時,艦空導彈單元的工作狀態良好,沒有出現故障以及有可用導彈。

火力單元狀態:

(2)

IF (Si=0);THEN(該導彈單元對敵打擊效果差);

IF (Si=1);THEN(該導彈單元對敵打擊效果好,繼續進行攔截條件判斷)。

3.2 威脅評判

根據文獻[4],威脅評判主要包含以下方面:

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

2) 目標速度:目標速度越快,突防概率就越高,對我保衛目標威脅越大。

3) 目標高度:對空中來襲目標而言,高度越低,威脅越大。

4) 目標類型:目標的數量越多、功能越全、作戰性能越強,其對我保衛目標的威脅程度越大。

5) 遠離臨近:當目標向我目標臨近飛行時,其威脅很大,而當目標背離或偏離我保衛目標飛行時,其威脅就很小。

6) 電子干擾:目標的電子干擾也是對我保衛目標構成威脅的因素之一。目標的電子干擾能力越強對我保衛目標的威脅就越大。

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]即目標必須出現在導彈火力單元的發射區內時,導彈火力單元才能對目標射擊。在本系統中,為了使問題得到相對簡化,只把目標的目標斜距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準。

相應的空間約束條件規則為

THEN (該導彈單元可對目標射擊,繼續進行攔截條件判斷)。

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)

相應的時間約束條件規則為

IF (tij>Tmin+tzy);

THEN (該導彈單元可對目標射擊)。

3.4 我艦空導彈武器系統的制導精度

制導誤差按其產生的原因可分為動態誤差、起伏誤差和儀器誤差三類。

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

r=rd+rc+rs

(4)

4 反導模糊決策規則的建立

基于模糊粗糙集的艦艇反導輔助決策知識發現過程,就是從獲得的相關原始觀察數據中,提取正確的、非平凡的、未知的、有潛在應用價值的知識,通過專家支持系統的咨詢,用模糊粗糙集理論與方法[7],構建符合艦艇反導輔助決策的模糊決策模型,以獲取所需要的模糊推理規則。

4.1 構建艦艇反導輔助決策的連續值型決策表

表1 連續值型決策表

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

4.2 連續值型決策表轉化為模糊型決策表

表2 模糊型決策表

4.3 計算模糊型決策表的包含度

選擇包含度計算公式[10],計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中最大的包含度為

(6)

4.4 獲取模糊推理規則

Rule1:

Rule2:

Rule3:

…

Rule33:

Rule34:

Rule35:

5 結語

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

[1] 王紅軍.編隊協同抗導決策關鍵技術研究[D].大連:大連理工大學,2007:33-35.

[2] 左震.基于規則推理的靶場資源輔助決策系統[J].電子設計工程,2009(5):102-104.

[3] 胡明華.基于GPRS技術的汽車運行狀態遠程監測及故障預測專家系統研究[D].重慶:重慶交通大學,2009:8-20.

[4] 王凱.基于決策支持的空襲兵器威脅度評估專家系統[D].重慶:重慶大學,2006:20-38.

[5] 孫濤.艦艇編隊防空火力分配多準則微分對策模型研究[J].艦船電子工程,2010(5):42-46.

[6] 陳立新.防空導彈網絡化體系效能評估[M].北京:國防工業出版社,2007:122-133.

[7] 黃正華.模糊粗糙集理論研究[D].武漢:武漢大學,2005:10-18.

[8] 張肅.基于模糊粗糙集與模糊推理的作戰指揮方式決策分析[J].空軍工程大學學報,2010(1):82-86.

[9] 何湘藩.多層結構的模糊分級聚類方法[J].系統工程理論與實踐,1996(4):99-106.

[10] 雷英杰.基于直覺模糊推理的態勢與威脅評估研究[D].西安:西安電子科技大學,2005:22-30.

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:海軍水面艦艇戰術。王書齊,男,博士,教授,研究方向:海軍水面艦艇戰術與指揮決策分析。馬良,男,博士,講師,研究方向:海軍水面艦艇戰術。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.030