基于SVM的艦艇自動(dòng)防御體系設(shè)計(jì)*

向小梅

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

基于SVM的艦艇自動(dòng)防御體系設(shè)計(jì)*

向小梅

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

論文針對(duì)艦艇防御現(xiàn)狀,提出了艦艇自動(dòng)防御體系的概念。利用支持向量機(jī)的方法對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行分類,根據(jù)分類情況選擇相應(yīng)的防御策略,并對(duì)艦艇防御對(duì)抗策略的生成方式進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時(shí)提出了防御等級(jí)的概念。設(shè)計(jì)了防御體系的訓(xùn)練和啟用方式,根據(jù)防御等級(jí)和目標(biāo)信息啟用不同的防御策略。

自動(dòng)防御; SVM; 防御策略

ClassNumberO212

1 引言

艦艇防御研究一般帶有先驗(yàn)知識(shí)或者根據(jù)特定的攻擊進(jìn)行探討,如武器裝備體系化建設(shè)可以根據(jù)作戰(zhàn)使命需求,使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)[1],并利用系統(tǒng)工程的方法對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。艦艇導(dǎo)彈防御屬于意識(shí)防御或者意識(shí)攻擊,因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程是由指揮員和相應(yīng)的操作人員完成,艦艇所面對(duì)的是危險(xiǎn)臨近狀態(tài),指揮員和操作人員的反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)不允許仔細(xì)思考。如潛艇面對(duì)魚雷攻擊時(shí),研究人員首先假定受到了魚雷攻擊,然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案[3～4]。實(shí)際作戰(zhàn)當(dāng)中所面對(duì)的第一個(gè)問(wèn)題是受到何種武器攻擊,是導(dǎo)彈、魚雷、水雷或者其他新型武器,艦艇如果無(wú)法識(shí)別出來(lái),就不能拿出合理的防御方案,第二個(gè)問(wèn)題是能識(shí)別出一些導(dǎo)彈、魚雷、水雷等武器,由于其高速性,反應(yīng)時(shí)間短暫,無(wú)法采用最優(yōu)對(duì)抗策略。同時(shí)在對(duì)抗仿真中一般采用導(dǎo)彈、魚雷等武器會(huì)按照設(shè)定的路線進(jìn)行攻擊[5～7],實(shí)際情況中預(yù)測(cè)這些武器的攻擊方式和攻擊路線是比較困難的。對(duì)抗方案的選取是根據(jù)一定的效能評(píng)估方法進(jìn)行比較,選擇最佳方案,由于攻防對(duì)抗信息缺乏,并具有可變性,對(duì)當(dāng)前和未來(lái)狀態(tài)的估計(jì)與預(yù)測(cè)能力有限,作戰(zhàn)效能評(píng)估也存在一系列不確定性問(wèn)題。雖然有些研究人員利用證據(jù)理論[8]、模糊數(shù)學(xué)[9]、灰度理論[10]等對(duì)作戰(zhàn)效能評(píng)估,但是其算法復(fù)雜,需要一定的建模、運(yùn)算時(shí)間,對(duì)同一或相似作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)無(wú)記憶功能。

2 艦艇防御體系

關(guān)于防御體系的論述與研究多是針對(duì)某一類型的武器或者是利用某一類型的武器,比如針對(duì)魚雷的防御和利用導(dǎo)彈進(jìn)行防御,隨著武器的不斷發(fā)展,武器的多樣性為防御提供了多元化的方式,單一的防御有效性、應(yīng)對(duì)危機(jī)的能力會(huì)越來(lái)越差。魚雷、導(dǎo)彈不但可以用來(lái)攻擊目標(biāo),還可以用作防御,武器的應(yīng)用范圍越廣,其生存概率越高。艦艇防御可以分為攻擊防御和探測(cè)防御。探測(cè)防御是利用一定的技術(shù)令敵方無(wú)法感知艦艇存在,如潛艇涂層。探測(cè)防御可以分為結(jié)構(gòu)防御和技術(shù)防御,結(jié)構(gòu)防御為艦艇自身降噪結(jié)構(gòu)、消聲涂層、消聲瓦等;技術(shù)防御則為通過(guò)技術(shù)手段改變艦艇噪聲輻射、抗雷達(dá)、聲納探測(cè)。攻擊防御是利用自身武器消除威脅的方法。而每種武器往往具有距離限制、時(shí)間限制、目標(biāo)限制,為攻擊防御的建立帶來(lái)了多樣性。防御不僅需要多樣性,而且需要能夠抗衡相應(yīng)攻擊武器的裝備或者武器,武器裝備的缺乏可能是致命的。

艦艇的生存概率往往具有一定的針對(duì)性,針對(duì)特定的環(huán)境,面對(duì)魚雷的攻擊,魚雷的攻擊方式、方位、時(shí)間等因素決定了是否能夠命中目標(biāo),單個(gè)魚雷的概率要么是0,要么是1,而下一顆魚雷的攻擊方式、方位、時(shí)間與前魚雷是不同的,所以就算兩枚魚雷屬于同種類型,但是他們的命中率未必相同,對(duì)于艦艇而言,考察其生存概率,是屬于大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn),不具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價(jià)值,因?yàn)閷?shí)際作戰(zhàn)情況中,各種因素的影響,生存還是毀滅是一個(gè)判斷問(wèn)題。魚雷調(diào)整攻擊方式、方位、時(shí)間等,只是為了更好更快的擊中目標(biāo);艦艇調(diào)整應(yīng)對(duì)策略,只是消除威脅,并不存在現(xiàn)實(shí)上的擊中目標(biāo)概率和消除威脅的概率,因?yàn)閷?duì)于魚雷,要么擊中,要么自毀;對(duì)于艦艇,不能單純的依靠對(duì)抗概率而忽略其他防御措施,所以在積極主動(dòng)防御的同時(shí),需要自動(dòng)防御的協(xié)助,因?yàn)樵谥鲃?dòng)防御失敗之后,威脅臨近,幾乎沒(méi)有反應(yīng)時(shí)間保障艦艇的安全。

例如潛艇在水下遇到襲擊,可能是水雷、魚雷,由于水下環(huán)境復(fù)雜,而且聲納探測(cè)受到很多干擾,目標(biāo)檢測(cè)難度大,所以當(dāng)潛艇發(fā)現(xiàn)攻擊魚雷時(shí),自身所配備的指揮系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)發(fā)揮作用,同時(shí)受限于探測(cè)—確認(rèn)—報(bào)告—決策—命令—發(fā)射整個(gè)過(guò)程,若每個(gè)環(huán)節(jié)都保證準(zhǔn)確無(wú)誤的話,時(shí)間成本花費(fèi)較高,同時(shí)由時(shí)間成本引發(fā)了各類后續(xù)問(wèn)題,如魚雷逼近,反應(yīng)遲緩等問(wèn)題,自動(dòng)防御則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

3 基于支持向量機(jī)的自動(dòng)防御模型

本文提出自動(dòng)防御,自動(dòng)防御是屬于無(wú)意識(shí)防御。自動(dòng)防御體系,可以根據(jù)人工智能的方法建立,如支持向量機(jī),通過(guò)一定方式訓(xùn)練,識(shí)別當(dāng)前環(huán)境與當(dāng)前威脅,并根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)做出相應(yīng)的反應(yīng)。對(duì)于新的威脅和新環(huán)境,需要判斷。因此訓(xùn)練對(duì)于自動(dòng)防御而言,變得非常重要,因?yàn)橛?xùn)練的范圍越廣泛,訓(xùn)練的強(qiáng)度越高,應(yīng)對(duì)相同或者類似的情況反應(yīng)時(shí)間越短,甚至可以稱之為機(jī)器本能。

由于艦艇在面對(duì)不同環(huán)境時(shí),需要進(jìn)行防御的對(duì)象不同,執(zhí)行巡查任務(wù)時(shí)需要避免觸礁,而觸礁防御是基本防御,所以防御等級(jí)最低,等級(jí)越高,使用的自身武器越多,最大限度的保護(hù)自身安全。對(duì)于艦船可能同時(shí)面對(duì)導(dǎo)彈和魚雷攻擊,兩種攻擊方式是并行的,所以啟用導(dǎo)彈防御的防御等級(jí)與魚雷防御是并行的,同時(shí)艦船對(duì)于水上和水下的探測(cè)方式不同,水上依靠電磁波,水下依賴水聲傳播。

支持向量機(jī)是以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)而建立的數(shù)據(jù)挖掘方法,可以處理時(shí)間序列分析和分類、判別等問(wèn)題。其機(jī)理是尋找一個(gè)滿足要求的最優(yōu)分類超平面,保證分類精度,同時(shí)使超平面兩側(cè)空白區(qū)域最大化。針對(duì)艦船探測(cè)信號(hào),如雷達(dá)信號(hào)、聲納信號(hào),給定已知目標(biāo)訓(xùn)練樣本集(xi,yi),i=1,2,…,l,x表示監(jiān)測(cè)信號(hào),y表示類別,分類超平面記為(w×x)+b=0,滿足以下約束:

yi[(w×x)+b]≥1,i=1,2,…,l

為求解該問(wèn)題,SVM引入拉格朗日函數(shù):

并得到最優(yōu)分類函數(shù)

g(x)=sgn[(w*x)+b*]

根據(jù)探測(cè)信號(hào)的分類,調(diào)用相應(yīng)的對(duì)抗策略庫(kù)K={K1,K2,…,Kj},每種艦艇威脅都有相應(yīng)的對(duì)抗策略,如魚雷對(duì)抗可以選擇反魚雷魚雷或者聲誘餌,策略庫(kù)K是由相應(yīng)的指揮人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì),并根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)情況不斷調(diào)整得到的,可以形成固定的模式,例如面對(duì)遠(yuǎn)距離導(dǎo)彈襲擊直接利用反導(dǎo)彈武器進(jìn)行毀滅,或者面對(duì)眾多敵機(jī)轟炸,使艦艇火炮系統(tǒng)保持攻擊防御狀態(tài)。對(duì)抗策略也可以通過(guò)仿真手段獲取,因?yàn)橛行┳鲬?zhàn)態(tài)勢(shì)無(wú)法進(jìn)行探測(cè),可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行不斷模擬、仿真,進(jìn)而獲得最佳對(duì)抗策略;

4 模型訓(xùn)練

艦艇探測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)x為n維向量,進(jìn)行變換處理得到特征向量Φ(x),其中Φ表示特征提取方式。根據(jù)已知的目標(biāo)及其信號(hào),對(duì)防御等級(jí)進(jìn)行設(shè)定,選擇已有的防御策略,如圖1所示為自動(dòng)防御訓(xùn)練流程圖。

圖1 自動(dòng)防御訓(xùn)練圖示

艦艇通過(guò)軍事訓(xùn)練、演習(xí)、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)、仿真等多種方式進(jìn)行訓(xùn)練,使得自動(dòng)防御系統(tǒng)在接收到相應(yīng)信號(hào),并能夠依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的比對(duì)信息,進(jìn)行有效識(shí)別,并采取及時(shí)的防御對(duì)抗策略。而防御等級(jí)是限制艦艇上的武器使用,消除由于信號(hào)誤判而做出的極端反應(yīng),保證在最有可能出現(xiàn)的環(huán)境中,啟用相應(yīng)的防御等級(jí)。比如在實(shí)際對(duì)抗中,防御等級(jí)一般升至最高,艦艇隨時(shí)都有可能受到多種武器的攻擊,而對(duì)于常規(guī)巡防任務(wù),防御等級(jí)較低,用來(lái)應(yīng)對(duì)可能發(fā)生緊迫威脅。

5 防御啟用

艦艇在防范未知威脅時(shí),常常具有一定的針對(duì)性,比如針對(duì)魚雷或者導(dǎo)彈的探測(cè),雷達(dá)或者聲納等探測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作不僅消耗大量人力、能源,效率不高。對(duì)于突然的威脅,探測(cè)系統(tǒng)已失去應(yīng)有的功用,如何有效抵御攻擊,在指揮員下達(dá)命令以及完成相應(yīng)操作時(shí),艦艇已經(jīng)受到攻擊。自動(dòng)防御可以建立一套防御體系,一旦艦艇受到威脅,指揮員可以立即啟用相應(yīng)等級(jí)防御,迅速啟用艦艇可用防御策略對(duì)抗威脅來(lái)源。

自動(dòng)防御的啟用受到防御等級(jí)和實(shí)際探測(cè)信息的限制,通過(guò)對(duì)目標(biāo)特征的分析,SVM對(duì)威脅進(jìn)行分類,并找出相應(yīng)的對(duì)抗策略,如圖2所示為自動(dòng)防御啟用過(guò)程。

圖2 自動(dòng)防御啟用圖示

防御策略可能是多個(gè),實(shí)際的情況往往與經(jīng)驗(yàn)有很大的不同,此時(shí)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境對(duì)所有可用的防御策略進(jìn)行比較,選擇最佳對(duì)抗策略。不同的目標(biāo)所需要的仿真比較軟件或許不同,所以有效提取目標(biāo)信息、環(huán)境信息非常關(guān)鍵。因?yàn)榕炌Р粫?huì)長(zhǎng)期處于同一種環(huán)境之下,所以防御策略會(huì)面臨不適用的情況,生成式的防御方法可以解決這個(gè)問(wèn)題,前提是需要準(zhǔn)確的目標(biāo)信息與環(huán)境信息,同時(shí)需要自身各項(xiàng)對(duì)抗參數(shù);判別式的防御方法預(yù)先設(shè)定各項(xiàng)對(duì)抗參數(shù),只需要對(duì)目標(biāo)信息模糊分類便可以選擇相應(yīng)的防御方法,其缺陷是對(duì)未知威脅無(wú)法有效對(duì)抗。如果具有足夠豐富的對(duì)抗信息庫(kù),判別式的防御方法是比較保險(xiǎn)的,其一依賴過(guò)去成功的經(jīng)驗(yàn),其二可以忽略較多的未知因素。由于海洋環(huán)境復(fù)雜,考慮的因素越多,計(jì)算越復(fù)雜,消耗的時(shí)間越多。可以根據(jù)實(shí)際的情況需要選擇合適的對(duì)抗策略選取方式,以期最佳的對(duì)抗策略與反應(yīng)速度。

艦艇利用自動(dòng)防御可以節(jié)省一定的時(shí)間成本,在探測(cè)確認(rèn)時(shí)間、確認(rèn)報(bào)告時(shí)間、指揮員思考對(duì)策時(shí)間、命令下達(dá)時(shí)間、操控反應(yīng)時(shí)間和武器對(duì)抗時(shí)間上進(jìn)行節(jié)省。對(duì)于一定規(guī)模的威脅,可以利用自動(dòng)防御,特別是小型、密集型攻擊,自動(dòng)防御體系可以減少指揮員的工作量,使其更多地關(guān)注于大型攻擊目標(biāo)與對(duì)抗策略當(dāng)中,提高艦艇整體作戰(zhàn)效能。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了艦艇自動(dòng)防御體系的概念,對(duì)自動(dòng)防御進(jìn)行了詳細(xì)闡述;利用支持向量機(jī)對(duì)艦艇探測(cè)信號(hào)進(jìn)行分類,根據(jù)相應(yīng)的分類選擇合適的對(duì)抗策略;并對(duì)艦艇防御對(duì)抗策略的生成方式進(jìn)行了設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)抗仿真建立對(duì)抗策略庫(kù);本文對(duì)防御策略的訓(xùn)練和啟用進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)策略庫(kù)的選擇方式進(jìn)行了分析,簡(jiǎn)要說(shuō)明了生成式和判別式的優(yōu)缺點(diǎn)。下一步的工作是選取具體的水面艦船或者潛艇,根據(jù)實(shí)際需要和實(shí)際情況,建立相應(yīng)的自動(dòng)防御體系模型,并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。

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AutomaticDefenseSystemDesignofShipsandSubmarinesBasedonSupportVectorMachine

XIANG Xiaomei

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Automatic defense system of ships and submarines is advanced aimed at the defense status of ships and submarines. Support vector machine(SVM)is used to assort the target information, and defense tactics are chose based on the assorted situation. Generated mode of counterplots is designed, and at the same time the definition of defense levels is advised. The mode of training and start-up of defense system is designed. Based on the defense levels and target information different defense tactic starts.

automatic defense, support vector machine, defense tactics

2013年10月3日,

:2013年11月28日

向小梅,女,碩士,工程師,研究方向:信號(hào)處理。

O212DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.007