基于風(fēng)險型多屬性決策的編隊空中目標(biāo)威脅評估

王 瑋，史紅權(quán)，王 磊，趙建華

(1．海軍大連艦艇學(xué)院 艦炮系，遼寧 大連116013;2．海軍大連艦艇學(xué)院 作戰(zhàn)軟件與仿真研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

空中目標(biāo)威脅評估是艦艇編隊對空防御指揮決策的一個重要環(huán)節(jié)，也是編隊合理分配防空武器資源、有效組織火力打擊目標(biāo)的重要依據(jù)。然而，由于空中目標(biāo)具有很強的機動性、欺騙性和攻擊性等特點，使得戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，作戰(zhàn)決策變得更加復(fù)雜。因此，如何有效評估空中目標(biāo)威脅程度就成為編隊防空領(lǐng)域研究的一個難點問題［1］。

從現(xiàn)有文獻看，目標(biāo)威脅評估本質(zhì)上可以歸屬于一類不確定的多屬性決策問題。目前這類問題的研究已經(jīng)取得一些成果［2］，但這些研究往往簡化了戰(zhàn)場態(tài)勢估計與目標(biāo)威脅評估之間的關(guān)聯(lián)，把戰(zhàn)場態(tài)勢作為十分明確的確定性情形看待，忽略了對戰(zhàn)場態(tài)勢而言，由于受隨機不確定性因素的影響，客觀上存在著多種狀態(tài)(諸如對我方有利、不利、勢均力敵等)，威脅評估的屬性值會隨著未來可能出現(xiàn)的狀態(tài)變化而隨之有所不同。由于過度的抽象和簡化難以較好地反映實際情況。本文從艦艇編隊防空作戰(zhàn)的角度出發(fā)，對不確定性的編隊空中目標(biāo)威脅評估問題進行了研究，在綜合運用風(fēng)險型多屬性決策理論的基礎(chǔ)上［3］，建立基于風(fēng)險型多屬性決策的編隊空中目標(biāo)威脅評估模型，從而提出一種新的編隊空中目標(biāo)威脅評估方法。

1 編隊空中目標(biāo)威脅評估影響因素分析

在實際作戰(zhàn)過程中，通過艦載C3I 系統(tǒng)指揮員可以獲得實時的戰(zhàn)場態(tài)勢信息。一般情況下，在數(shù)據(jù)融合及目標(biāo)識別的基礎(chǔ)上，對于空中目標(biāo)可以得到如下的信息:

1)靜態(tài)屬性。目標(biāo)類型、攜帶武器裝備情況、干擾及反干擾能力等;

2)動態(tài)屬性。方位、距離、航向、高度、速度。

以上這些屬性值變化會影響空中目標(biāo)威脅程度的大小，由于二者之間關(guān)系復(fù)雜，若要全面描述每個屬性并給出一個函數(shù)關(guān)系，難度非常大。因此，從艦艇編隊防空作戰(zhàn)的實際情況出發(fā)，對空中目標(biāo)進行威脅程度評估主要應(yīng)考慮以下3 個方面的因素:

1)目標(biāo)進行攻擊的毀傷能力。主要由目標(biāo)的類型來決定，空中目標(biāo)類型不同，其自身飛行性能、攜帶武器、種類、數(shù)量、攻擊方式和攻擊距離等都不同，從而對編隊威脅程度也有很大的差別。

2)目標(biāo)攻擊意圖的可能性。主要根據(jù)目標(biāo)類型和目標(biāo)航跡(航路捷徑、距離、高度、方位、速度及變化情況)等信息來綜合判斷，由于戰(zhàn)術(shù)的靈活性和戰(zhàn)場信息的不確定性，準(zhǔn)確地估計目標(biāo)意圖很困難，通常要依靠專家經(jīng)驗，在分析目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)與歷史信息的基礎(chǔ)上，綜合判斷目標(biāo)對編隊攻擊可能性。

3)目標(biāo)進行攻擊的緊迫程度。主要由編隊防空武器性能、目標(biāo)距離及飛行速度決定，目標(biāo)到達艦載防空武器發(fā)射區(qū)邊界的時間越短，指揮員用于火力分配及射擊準(zhǔn)備的時間就越緊迫，目標(biāo)的威脅程度越大。

除此之外，空中目標(biāo)具有很強的機動性、欺騙性和攻擊性等特點，空中目標(biāo)未來的可能行為根本無法準(zhǔn)確預(yù)測與估計出來，因此，對上述影響威脅程度的各個評估因素進行綜合衡量必然是一種不確定的決策結(jié)果，而這種不確定性可以導(dǎo)致編隊空中目標(biāo)威脅評估的復(fù)雜性，使其決策活動極具風(fēng)險性。

2 基于風(fēng)險型多屬性決策的編隊空中目標(biāo)威脅評估模型

2.1 威脅評估處理過程

最著名的JDL 認為［4］，威脅評估融合了態(tài)勢估計的結(jié)果，是根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢推理敵方的意圖和目的，量化判斷敵方對我方的危害程度。對戰(zhàn)場態(tài)勢而言，由于隨機不確定性因素的影響，客觀上存在著多種狀態(tài)，如對我方有利、不利、勢均力敵等態(tài)勢;而利用模糊推理、黑板模型、模板匹配、計劃識別、多屬性決策理論、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等諸多方法［5］，可以估計出未來可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)發(fā)生的概率分布。考慮現(xiàn)有的決策方法常常忽略了這種態(tài)勢估計的不確定性，本文結(jié)合編隊防空作戰(zhàn)的實際情況，給出編隊空中目標(biāo)威脅評估處理過程，如圖1所示。

圖1 艦艇編隊空中目標(biāo)威脅評估處理框圖Fig.1 Processing frame of formation aerial target threat assessment

圖1 中，艦艇編隊首先利用各種傳感器來獲取空中目標(biāo)、自然環(huán)境、上級情報以及編隊資源等信息，在此基礎(chǔ)上進行實時數(shù)據(jù)融合處理，形成整個編隊共享、全局一致、動態(tài)更新的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖;然后，利用編隊統(tǒng)一的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖，指揮員從全局觀點分析敵我雙方對抗的戰(zhàn)場態(tài)勢演變情況，估計未來可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)及其發(fā)生的概率分布;最后，再對所有空中來襲目標(biāo)進行綜合分析，預(yù)測與估計在各種狀態(tài)下的毀傷能力、攻擊意圖和緊迫程度等威脅評估的屬性值，從而計算給出所有空中來襲目標(biāo)的威脅程度排序。

2.2 問題描述

為不失一般性，現(xiàn)在考慮某艦艇編隊對空中目標(biāo)進行威脅程度評估的風(fēng)險型多屬性決策問題，令M={1，2，…，m}，N={1，2，…，n}，Q={1，2，…，q}。設(shè):待評估的空中來襲目標(biāo)有m 個，記為A=(a1，a2，…，am);影響空中目標(biāo)威脅程度的評價屬性有m個，記為U=(u1，u2，…，un);運用AHP 法［6］，可以確定屬性uj，j ∈N 的權(quán)重為。已知:某艦艇編隊在綜合分析敵我雙方作戰(zhàn)能力、敵方意圖估計以及環(huán)境信息等因素的基礎(chǔ)上，預(yù)測與估計未來戰(zhàn)場態(tài)勢可能出現(xiàn)的狀態(tài)有q 種，記為S={s1，s2，…，sq}，其中狀態(tài)sk，k ∈Q 發(fā)生的概率為預(yù)測與估計目標(biāo)ai，i ∈M關(guān)于屬性uj，j ∈N 在狀態(tài)sk，k ∈Q 下的評估值為現(xiàn)將所有評估結(jié)果構(gòu)成一個風(fēng)險型多屬性決策矩陣，記為。

編隊空中目標(biāo)威脅評估的風(fēng)險型多屬性決策問題，就是由風(fēng)險型決策矩陣求得空中來襲目標(biāo)集A 中的各個目標(biāo)威脅程度排序。

2.3 威脅評估方法

為了解決上述問題，本文綜合運用風(fēng)險型多屬性決策理論［7］，提出一種新的編隊空中目標(biāo)威脅評估方法。

首先，由于多屬性之間不同物理量綱對決策結(jié)果有影響，需要對風(fēng)險型多屬性決策矩陣X=進行規(guī)范化處理。常見的屬性類型有效益型屬性、成本型屬性，其中效益型屬性是指屬性值越大越好的屬性，成本型屬性是指屬性值越小越好的屬性［8］。本文采用規(guī)范化公式如下:

其中i ∈M，j ∈N。

現(xiàn)在，根據(jù)TOPSIS 法的基本思想給出如下定義:

顯然，待評估空中目標(biāo)ai越接近E+，待評估空中目標(biāo)ai的威脅度越大;反之，待評估空中目標(biāo)ai越接近E，待評估空中目標(biāo)ai的威脅度越小。

為了合理評價待評估空中目標(biāo)的威脅程度大小，引入相對貼近度指標(biāo)。選取加權(quán)歐幾里德距離，計算ai與E+之間的偏差、ai與E－之間的偏差，即:

這樣，待評估空中目標(biāo)ai對E+的相對貼近度指標(biāo)ai可按下式求得:

于是，根據(jù)計算求得ai值大小進行排序，便可得到所有空中目標(biāo)的威脅程度排序，即排在前面ai值越大，目標(biāo)ai的威脅越大。

3 實例分析

假設(shè):空中來襲目標(biāo)有4 批，A=(a1，a2，a3，a4)={轟炸機、反艦導(dǎo)彈、殲擊機、預(yù)警機};空中目標(biāo)的評價屬性有3 個，U={u1，u2，u3}={毀傷能力，攻擊意圖，到達時間}，其中各屬性的權(quán)重分別為w1=0.3，w2=0.3，w3=0.4。現(xiàn)在，某編隊在綜合分析敵我雙方作戰(zhàn)能力、敵方意圖估計以及環(huán)境信息等因素的基礎(chǔ)上，認為未來戰(zhàn)場態(tài)勢可能出現(xiàn)的狀態(tài)有2 種，S={s1，s2}={對我方有利，對我方不利}，其中各狀態(tài)的發(fā)生概率分別為p1=0.7，p2=0.3。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過綜合分析預(yù)測每個目標(biāo)在各種狀態(tài)下的屬性值如表1所示。根據(jù)式(2)計算得到每個目標(biāo)的各種狀態(tài)下屬性的規(guī)范值，利用式(3)求得每個空中目標(biāo)對各屬性的期望值，如表2所示。

表1 每個空中目標(biāo)各種狀態(tài)對應(yīng)的屬性值Tab.1 Attributive value of each aerial targat in evary status

表2 每個空中目標(biāo)對各屬性的期望值Tab.2 Expectation value on sttributive of each aerial targe

按照給出的定義構(gòu)造出的理想解為

負理想解為

由式(4)～式(5)計算求出每個空中目標(biāo)與理想解E+和負理想解E－之間的偏差，即:

最后，根據(jù)式(5)計算得到每個待評估空中目標(biāo)的相對貼近度指標(biāo)值，即:a1=0.9587，a2=0.1703，a3=0.5351，a4=0.0001。

這樣，按照每個待評估目標(biāo)的相對貼近度指標(biāo)值的大小進行排序，即可得到該艦艇編隊受到空中目標(biāo)的威脅程度排序為a1＞a3＞a2＞a4。

4 結(jié) 語

對空中來襲目標(biāo)進行威脅評估，是艦艇編隊防空作戰(zhàn)指揮決策中的一項首要任務(wù)。本文在深入分析空中目標(biāo)威脅影響因素的基礎(chǔ)上，針對影響威脅評估的不確定因素，從系統(tǒng)的角度建立了編隊空中目標(biāo)威脅評估的風(fēng)險型多屬性決策模型，從而提出了一種新的編隊空中目標(biāo)威脅評估方法。該方法合理地將戰(zhàn)場態(tài)勢估計和目標(biāo)威脅評估進行關(guān)聯(lián)，整個計算過程簡單，從而為解決編隊空中目標(biāo)威脅判斷問題提供了一條新的途徑。

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