基于云模型理論的某作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境評估*

陳長青　楊曉東　朱德寶　張　勛

(1.海軍潛艇學(xué)院航海觀通系　青島　266042)(2.海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系　青島　266042)

(3.海軍潛艇學(xué)院　青島　266042)

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基于云模型理論的某作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境評估*

陳長青1楊曉東1朱德寶2張勛3

(1.海軍潛艇學(xué)院航海觀通系青島266042)(2.海軍潛艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系青島266042)

(3.海軍潛艇學(xué)院青島266042)

摘要針對我某型海上作戰(zhàn)平臺未來海上作戰(zhàn)對海戰(zhàn)場環(huán)境信息的依賴與需求,開展了某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合效能評估。將人工智能領(lǐng)域的云模型理論與模糊綜合評價(jià)方法相結(jié)合,對海戰(zhàn)場環(huán)境的量化評估和戰(zhàn)場環(huán)境安全進(jìn)行分析。能較好處理定量信息與定性信息的轉(zhuǎn)換,體現(xiàn)海戰(zhàn)場環(huán)境評估的科學(xué)性,能為我某型海上作戰(zhàn)平臺遂行作戰(zhàn)任務(wù)安全決策提供咨詢。

關(guān)鍵詞云模型; 海戰(zhàn)場; 環(huán)境; 評估

Comprehensive Evaluation of Combat Platform’s Sea Battle Environment Based on Cloud Model Theory

CHEN Changqing1YANG Xiaodong1ZHU Debao2ZHANG Xun3

(1. Navigation Department, Navy Submarine Academy, Qingdao266042)(2. Combat Commanding Department,Navy Submarine Academy, Qingdao266042)(3. Navy Submarine Academy, Qingdao266042)

AbstractAccording to the reliance and requirements of sea battle environment message in the future combat of our combat platform, the comprehensive evaluation of the sea battle environment is conducted. The method of cloud model and fuzzy mathematics is used to analyze the safety of the sea battle environment. It can be better applied in dealing with problems that both have fixed quantity and fixed quality characteristics. This scientific way of dealing with sea battle environment evaluation problem, will make good advices to the combat platform’s combat operation.

Key Wordscloud model, sea battle space, environment, evaluation

Class NumberE925

1引言

某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合評估受多種因素的影響,具有較大的隨機(jī)性和模糊性。楊理智等[1]用基于云模型方法的量化分析,開展了潛在軍事沖突對我海上能源戰(zhàn)略通道安全的風(fēng)險(xiǎn)評估,很好解決了定性評價(jià)向量化評估轉(zhuǎn)變的實(shí)際問題。吳禹力等[2]采用基于云重心的海戰(zhàn)場環(huán)境評估方法,構(gòu)建了海洋環(huán)境指標(biāo)體系,并進(jìn)行評估,但該文獻(xiàn)著眼于海軍水面艦艇兵力應(yīng)用層面,關(guān)于某型海上作戰(zhàn)平臺兵力行動較為敏感的相關(guān)海洋環(huán)境要素缺乏針對性。鄭均杰等[3]給出了海戰(zhàn)場電磁環(huán)境的定義和復(fù)雜性分析,運(yùn)用模糊綜合評判模型對海戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行了研究。李玉陽等[4]針對海洋水聲環(huán)境特點(diǎn),建立了水下水聲場相關(guān)模型,利用實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建快速評估系統(tǒng),為水下戰(zhàn)場環(huán)境的實(shí)時(shí)保障提供了一種有效途徑。本文在相關(guān)工作基礎(chǔ)之上,通過引入云模型的評估方法,開展海戰(zhàn)場環(huán)境的綜合評估,以期為某型海上作戰(zhàn)平臺航路規(guī)劃提供更具科學(xué)性、實(shí)用性的決策咨詢。

2云模型理論及其適應(yīng)性

2.1云的基本概念

云[5]是用自然語言表示的某個(gè)定性概念與定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型,具有直觀性和普遍性。它主要反映概念上的不確定性,即模糊性(邊界上的亦此亦彼性)和隨機(jī)性(發(fā)生的概率)。

圖1　云模型的數(shù)字特征[6]

云的數(shù)字特征用三個(gè)參數(shù)來描述,即期望值Ex(Expected Value)、熵En(Entropy)和超熵He(Hyper Entropy),三個(gè)數(shù)字特征整體表征一個(gè)概念,記做CG(Ex,En,He)。其中期望值Ex為概念上的原型值(中心值、標(biāo)準(zhǔn)值),最能代表這個(gè)定性概念的數(shù)值;熵En為概念不確定度的度量,熵越大,概念相對越模糊;超熵He為熵的不確定性程度的度量,即熵的熵,反映了云的離散程度。

2.2云發(fā)生器

云發(fā)生器CG(Cloud Generator)指被固化了的云模型生成算法,主要有正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器兩種[7]。正向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定性語言值到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換,在已知三個(gè)數(shù)字特征的情況下用來生成所需數(shù)量的云滴,如圖2所示。逆向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)定量數(shù)值到其定性語言的轉(zhuǎn)換,即從給定的云滴樣本中求出正向云發(fā)生器的三個(gè)特征數(shù)字,從而實(shí)現(xiàn)對樣本數(shù)據(jù)的定性評價(jià)。下面以正向云發(fā)生器為例進(jìn)行介紹。

圖2　正向云發(fā)生器

3某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合效能評估指標(biāo)體系的建立

由于海戰(zhàn)場環(huán)境綜合評估的涉及面很廣,因此,能否構(gòu)建一個(gè)科學(xué)的指標(biāo)體系是整個(gè)評估工作的關(guān)鍵[8]。本文在已有研究基礎(chǔ)上,通過收集相關(guān)某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境資料、系統(tǒng)把握海戰(zhàn)場環(huán)境評估的范圍、需求,并結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?構(gòu)建了一個(gè)通用的某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境指標(biāo)體系,如圖3所示。

圖3　某作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境指標(biāo)體系

4確定權(quán)重

采用專家咨詢的方法為各層指標(biāo)建立權(quán)重因子,這些權(quán)重因子全部用定性語言表述,如“重要”、“比較重要”、“不重要”等。再將其轉(zhuǎn)化為正態(tài)云來表述,用不同的正態(tài)云圖表示其不同的重要程度。不失一般性,可以將權(quán)重因子集描述為W={W1,W2,…,Wn}。通常權(quán)重因子集的等級不低于3級,不高于9級[9]。

運(yùn)用專家咨詢法對指標(biāo)進(jìn)行打分,對專家的打分過程不一一列舉。這里僅以如何確定一級指標(biāo)權(quán)重為例,根據(jù)專家打分結(jié)果,列出專家打分矩陣:

(1)

計(jì)算專家打分矩陣各行元素乘積的n次方根,并進(jìn)行歸一化處理,如表1所示。

表1　某作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境指標(biāo)權(quán)重統(tǒng)計(jì)表

5模糊綜合評價(jià)

由于本文涉及的要素指標(biāo)項(xiàng)過多及篇幅所限,下面僅以指標(biāo)U11一項(xiàng)為例,給出將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為云模型的具體操作流程。在[0,1]之間可以將論域分為五個(gè)評估等級:“很好”、“好”、“一般”、“差”、“很差”,并分別對應(yīng)其云模型。存在雙邊約束[Cmin,Cmax]的評語,可利用下式計(jì)算云的數(shù)字特征:

Ex=(Cmax+Cmin)/2

En=(Cmax-Cmin)/6

He=k

(2)

其中,k為常數(shù),可根據(jù)評語本身的模糊程度來具體調(diào)整。對于只有單邊約束Cmin或Cmax的評語,可以先確定缺省期望值,再按照公式計(jì)算云參數(shù),用半升半降云來描述。

邀請十位專家對這一項(xiàng)進(jìn)行打分,專家打分的依據(jù)為不同級別的指標(biāo)U11對某型海上作戰(zhàn)平臺隱蔽性的影響情況。本文由傳統(tǒng)打分中給定單一評價(jià)值擴(kuò)展到給定評價(jià)范圍,再分別計(jì)算指標(biāo)的最大評價(jià)值和最小評價(jià)值,再通過云模型綜合提升概念,建立專家評價(jià)云模型[10]。例如,專家1認(rèn)為,指標(biāo)U11對某型海上作戰(zhàn)平臺隱蔽性的影響介于比較重要和重要兩個(gè)等級之間(該區(qū)間滿足0≤專家給定評價(jià)值≤0.6),可給予最大評價(jià)值0.4,最小評價(jià)值0.2。匯總十位專家的打分表所表2所示。

表2　指標(biāo)U11對某型海上作戰(zhàn)平臺隱蔽性重要程度專家打分匯總表

同理,再對其他指標(biāo)進(jìn)行打分。根據(jù)逆向云發(fā)生器算法并結(jié)合運(yùn)算公式,計(jì)算可得指標(biāo)U1的綜合云模型如表3所示。

表3　指標(biāo)U1下要素云模型示意表

在得到底層指標(biāo)云模型的數(shù)字特征值之后,再結(jié)合該層指標(biāo)項(xiàng)的各項(xiàng)權(quán)重值,就可以得到其上層指標(biāo)項(xiàng)的評價(jià)結(jié)果,公式如式(3):

(3)

通過上述步驟從下而上逐步計(jì)算,得到最終目標(biāo)層的結(jié)果。通過正向云發(fā)生器,生成系統(tǒng)的綜合評估云圖,得到評估結(jié)果。

則指標(biāo)U1的最終云模型為

(4)

同理,可以通過計(jì)算得到:

(5)

(6)

(7)

(8)

綜合指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重,運(yùn)用公式得出某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境的最終評估云模型

(9)

某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境的各個(gè)指標(biāo)評價(jià)集采用五級標(biāo)度法,對應(yīng)的定性語言值范圍設(shè)定為[0,1]。將建立的實(shí)際云RC與對應(yīng)的云標(biāo)尺評估云進(jìn)行相似性比較,找到最相似的評估云,如圖4所示。比較相似度后,可以看出,我某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合評估結(jié)果是介于比較危險(xiǎn)和一般安全之間,更加接近于一般安全。

圖4　某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合評估結(jié)果

6結(jié)語

某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場環(huán)境綜合評估是一個(gè)主客觀信息多元集成的復(fù)雜體系,基于云模型的效能評估方法能有效地實(shí)現(xiàn)定性和定量信息的相互轉(zhuǎn)換,將模糊性和隨機(jī)性進(jìn)行了較為合理的處理,有效地解決了某型海上作戰(zhàn)平臺海戰(zhàn)場綜合效能評估的不確定性,體現(xiàn)了科學(xué)性。在下一步的工作中,將針對某型海上作戰(zhàn)平臺遂行不同的作戰(zhàn)任務(wù),對敏感海區(qū)和敵情信息進(jìn)行分類、篩選和研究,通過動態(tài)分析某型海上作戰(zhàn)平臺行動過程中的航路規(guī)劃問題,以及海戰(zhàn)場環(huán)境動態(tài)評估,為我某型海上作戰(zhàn)平臺未來海戰(zhàn)場作戰(zhàn)提供科學(xué)決策支持。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊理智,張韌.基于云模型的我國能源戰(zhàn)略通道安全風(fēng)險(xiǎn)評估[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2014,28(1):74-80.

[2] 吳禹力,鄭有志.基于云重心方法的海戰(zhàn)場環(huán)境評估[J].指揮控制與仿真,2011,33(5):65-67.

[3] 鄭均杰,王曉東.基于模糊綜合評判法的海戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度研究[J].艦船電子對抗,2013,36(3):39-42.

[4] 李玉陽,笪良龍,韓梅,等.水聲環(huán)境快速評估建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2012,24(6):1156-1160.

[5] 沈進(jìn)昌,杜樹新,羅季陽,等.基于云模型的模糊綜合評價(jià)方法及應(yīng)用[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué),2012(12):115-123.

[6] 湯君,趙文杰,李德軍.基于云模型的戰(zhàn)場情報(bào)綜合效能評估[J].艦船電子工程,2012(6):37-39.

[7] 韓冰,劉義軍,陳汶濱,等.基于云模型的指標(biāo)權(quán)重獲取方法[J].軟件導(dǎo)刊,2012(5):15-17.

[8] 李健偉,劉璘,吳宏超,等.基于云模型的機(jī)載雷達(dá)告警設(shè)備威脅告警能力評估[J].艦船電子工程,2014(6):64-67.

[9] 李德毅.不確定性人工智能[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[10] 楊峰,趙慧波,吳俊,等.基于云模型的戰(zhàn)略預(yù)警信息系統(tǒng)效能評估[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2014(7):1332-1338.

中圖分類號E925

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.007

作者簡介:陳長青,男,碩士研究生,講師,研究方向:載運(yùn)工程。楊曉東,男,博士,教授,研究方向:艦船航行與監(jiān)測。朱德寶,男,碩士,副教授,研究方向:作戰(zhàn)指揮學(xué)。張勛,男,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)指揮學(xué)。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月26日