基于模糊神經網絡的海面目標戰術意圖識別

陳　浩, 任卿龍, 滑　藝, 邱宇寧

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于模糊神經網絡的海面目標戰術意圖識別

陳浩, 任卿龍, 滑藝, 邱宇寧

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

傳統的基于遙感解譯獲取的海面目標信息分析戰術意圖的方法,需要大量的專家知識確定輸入目標屬性與輸出意圖間的網絡節點關系,而模糊神經網絡只需利用輸入和輸出訓練網絡,減少了專家知識的需求。針對常用的高木-關野模糊模型不適用于戰術意圖識別要求的輸出與輸入非線性的問題,設計了基于神經網絡集成的模糊系統模型,利用目標屬性與對應的戰術意圖形成訓練樣本訓練神經網絡,分別獲得輸入條件的模糊隸屬度以及面向不同意圖的輸出函數,據此識別海面目標戰術意圖。仿真實驗結果表明,獲得的目標戰術意圖的準確度高,與想定情況均相符。

戰術意圖識別; 模糊神經網絡; 模糊隸屬度; 誤差回傳學習算法

0　引　言

現代戰爭的戰場環境越來越復雜,能否準確、及時地結合參戰的各方面力量的部署情況、外部環境條件等因素判斷目標的戰術意圖,直接影響到指揮人員的指揮決策[1]。海面目標特性復雜多變,艦船是典型的海面目標,海面戰場的目標通常以編隊的形式出現,機動性較強,編隊組成、隊形、運動方向、運動范圍都隨著任務的不同而發生變化。目標的型號差異、所處編隊類型的差異和目標所處的位置和機動類型,都會對目標的戰術意圖產生影響[2]。遙感技術是獲取海面目標信息的有效途徑,通過遙感圖像,能夠獲得海面上目標的位置、隊形、類型等屬性信息,通過對這些信息的整合與分析,可以判斷目標可能的進一步戰術意圖。

海面目標的戰術意圖,具有對抗性、動態性、穩定性、欺騙性等特征[3]。根據任務類型的差異,在不同的戰時,目標會存在不同的戰術目的,包括“顯示存在”、“攻擊”、“偵察”、“撤退”、“掩護”、“支援”等等,這些意圖可能同時存在,但有所側重。本文的研究基于單組海上艦船編隊進行,因此沒有考慮“掩護”、“支援”等意圖。

然而,在實際判斷中,隨著海軍作戰樣式的改變和各種遠程攻擊武器的使用,單獨依靠敵方艦艇的機動來識別敵方的意圖已經變得越來越困難[3]。多變的目標信息和相對較少的戰時先驗知識,不同意圖之間相互交雜,都是海面目標戰術意圖識別時的困難所在。實際應用時,人工判斷難以保證準確性和速度,而利用信息融合技術等可靠手段,能夠有力保障我方作戰部署和指揮。

信息融合技術是協同利用多源信息,對來自多個傳感器的數據進行相互補充,以獲得對同一事物和目標更本質認識的信息綜合處理技術[4]。文獻[5]和文獻[6]使用的Dempster-Shafer(D-S)證據理論方法推斷分析軍事目標狀態,文獻[7-9]則利用貝葉斯網絡預測和描述敵方戰術意圖,都取得了不錯的結果及應用價值。上述方法比較依賴先驗知識構建目標屬性和意圖之間的關系,例如,貝葉斯網絡需要設定節點間的條件概率。若專家知識不足,意圖將難以識別。而且,對于意圖之間的模糊部分,如“攻擊”與“突防”意圖可能同時存在時,必然有目標主要的戰術目的,這時存在的模糊部分利用這些方法很難表達。

模糊神經網絡(fuzzy neural network,FNN)是神經網絡與模糊邏輯的有機結合[10],在系統控制、狀態預測、人工智能等領域應用廣泛[11-13]。人工神經網絡(artificial neural network,ANN)是目的在于模擬人類腦組織的結構及其功能的信息處理系統[14]。1986年McClelland和Rumelbart等提出的誤差反向傳播訓練算法[15]大大推動了其發展。ANN在學習和自動模式識別等方面具有優勢,能自適應地訓練系統節點;而引入模糊系統則能夠很有效地表示信息的模糊性與不確定性,使建立的系統模型更接近于實際。模糊神經網絡常用的高木-關野模型(Takagi-Sugeno model,TSM)對輸入空間的分割是線性的,系統的輸出與輸入條件也是線性關系。但是在目標戰術意圖的識別中,輸入參數之間互相影響,輸出的意圖與輸入并不是簡單的線性關系。因此,為了適應目標戰術意圖識別的需求,需要對模型規則做出適當調整。

綜上考慮基于遙感圖像海上目標戰術意圖的需求和模糊神經網絡的優勢,本文提出了一種采用模糊神經網絡進行海上目標戰術意圖分析的方法,首先設計了基于神經網絡集成的模糊系統模型,利用目標屬性與對應的戰術意圖形成訓練樣本進行訓練,采用一個神經網絡計算輸入條件的模糊隸屬函數,結合其他神經網絡面向不同意圖計算給出的輸出結果,得到目標最終的戰術意圖。

1　基于ANN集成的模糊系統模型

1.1高木-關野模型

1987年,文獻[10]結合模糊邏輯和神經網絡進行了研究,此后模糊神經網絡技術的研究與實際應用發展迅速。模糊邏輯利用隸屬度函數表征一個元素對于某個集合的隸屬程度,其取值一般在(0,1)的范圍內,隸屬度越接近于1,說明該元素對這個集合的隸屬程度越高。

圖1是簡單的BP神經網絡的拓撲結構。

目前的模糊神經網絡的結構類型非常豐富,主要可以分為普遍適用的網絡和專門用途的網絡,約有十余種[16]。模糊神經網絡的神經節點由模糊神經元構成,在一般的模糊神經元中,輸入信息是通過模糊規則來與其輸出聯系的,為了描述不確定性和模糊信息,規則的前提和結論都用模糊集合來表示。TSM 1985年由日本的高木和關野提出,是模糊系統中常用的規則模型,可用于模糊控制和系統辨識[17-18]。常見的有n個輸入變量、單個輸出、m條模糊規則的高木-關野模糊系統具有如下形式的模糊規則。

(1)

式中,C為實數系數。

圖1　BP神經網絡的拓撲結構

1.2基于神經網絡集成的模糊系統模型

常用的TSM的系統輸入空間都是線性分割,系統的輸出與輸入條件也是線性關系,而目標的戰術意圖往往是由多種因素決定的,這些因素之間相互影響,使得輸入條件與輸出結論之間是非線性的關系。對于這種情況,若采用TSM,需要對輸入空間進行精細地劃分,但這樣一來,模糊規則的數量將大量增加。為了避免該問題,采用另一種規則形式。

形式 2IfX∈Rj, theny=fj(X)。其中,Rj為輸入空間按照輸出的不同類型分割后的部分空間,這樣一來不需要按照形式1對輸入空間進行大量的分割。不過,采用這種規則形式時,輸入的參數對應的隸屬度函數無法像一般的TSM一樣單獨獲得,為了解決這個問題,采用一個神經網絡NNmf來計算針對不同類型輸出的輸入變量隸屬函數,利用另外的幾個神經網絡對應給出結論部分的輸出函數fj(X),計算輸入條件面向不同輸入結論的結果,這樣,構建出一個基于神經網絡集成的模糊系統模型,如圖2中藍色區域所示。利用這個模型,在獲得輸出結論的同時,能夠獲得樣本對不同示意圖的隸屬度結果。

模糊系統模型中,神經網絡NNmf用于給出輸入信息對應m類結論的模糊隸屬度,對應的有m項輸出,而另外的幾個神經網絡NNj(j=1,2,…,m)分別用來表示網絡的m類輸出結論部分的fj(X)。模糊神經網絡系統的輸出:

(2)

式中,gj對應BP神經網絡NNj(j=1,2,…,m)的輸出,而μj對應各條模糊規則的模糊隸屬度。

圖2　模糊神經網絡進行目標戰術意圖識別的系統和流程

建立這樣的模糊神經網絡系統,首先要根據需要確定系統的模糊規則條數m,進而建立起適合的神經網絡NNmf來計算模糊隸屬度,之后利用收集到的訓練樣本的輸入部分對NNmf進行訓練,生成結論部分非線性函數的神經網絡NNj(j=1,2,…,m)則利用對應不同結論的訓練樣本進行訓練。

網絡采用BP算法進行訓練。訓練的過程是網絡根據樣本,不斷地調整權值和閾值以適應訓練樣本的輸入輸出的過程。當網絡的輸出與樣本的誤差滿足要求或訓練次數達到設定值時,訓練結束。網絡在訓練時可能會發生過學習的情況,即由于學習樣本的數量限制,在達到誤差要求時系統并不能很好的反應輸入參數和輸出結果的關系,為此,引入準則函數:

(3)

2　目標戰術意圖識別的步驟

基于神經網絡集成的模糊系統模型對目標戰術意圖進行識別,其系統和流程如圖2所示,分為以下步驟。

步驟 1選擇符合條件的包含目標輸入參數和輸出意圖的樣本集合 (xi,yi),選擇在遙感解譯過程中可以獲取的目標屬性輸入參數。根據訓練的需要,將樣本分為兩個類別。其中一部分作為訓練樣本來訓練模糊神經網絡,先要對這些樣本進行歸一化處理,目的是減少輸入參數之間因為數量級差異造成的影響;另一部分樣本用于在網絡訓練完成后,測試模糊神經網絡系統的性能。

步驟 2將全部訓練樣本的輸入部分用于訓練NNmf,使這個神經網絡能夠計算輸入參數對應不同輸出意圖的模糊隸屬度。根據輸入參數對應的戰術意圖對訓練樣本進行聚類,每一類樣本對應一條模糊規則,聚類為m組,即有m條規則。聚類后的每一類樣本用于訓練NNj(j=1,2,…,m)等m個神經網絡。例如,NN1的輸出戰術意圖為“突防”,那么NN1網絡對應的所有輸入/輸出樣本就是意圖為“突防”那一類樣本。

當樣本中的某一個樣本xj聚類到第k類時,訓練得到的輸出權值有

(4)

式中，j=1,2,…, m。

網絡的激勵函數的取值表示了該變量屬于某一類的概率,在此選擇Sigmoid函數,考慮到其有時不能完全取到1/0值,為了提高網絡的訓練速度,用0.9/0.1代替,即

(5)

由于Sigmoid函數的單調特性,訓練后的網絡能夠給出輸入參數針對于不同輸出意圖的隸屬關系。

步驟 3當構建的模糊神經網絡系統訓練完成后,輸入待識別的海面目標輸入參數,系統根據訓練達到的權值等參數自適應地處理樣本參數,之后由NNmf計算得到輸入參數對各種意圖的模糊隸屬度μj,NNj(j=1,2,…,m)各個神經網絡會計算得到各網絡的輸出結果gj,然后由式(3)求出目標對應的戰術意圖。

3　實驗分析

3.1系統的輸入參數與輸出

分析海上目標的戰術意圖,根據應用背景,首先通過遙感解譯獲取目標的相關屬性,作為模糊神經網絡的輸入參數,其對應的戰術意圖將作為輸出。其中,遙感解譯的方法不是本文的研究重點,但根據應用背景的要求,選取的目標輸入屬性參數需要滿足以下幾個條件:

(1) 能夠比較容易地從遙感解譯中獲取;

(2) 與目標的軍事意圖有直接的關聯和影響;

(3) 便于進行數學模型量化作為模糊神經網絡系統輸入。

綜合考慮上述條件,本文選取了“目標型號”“目標距我方軍事單位距離”“目標前進方向”以及“目標所處編隊類型”作為海面目標戰術意圖識別的輸入變量。目標輸出的戰術意圖選取了“攻擊”“偵察”“突防”和“撤退”[4],這些意圖比較具有代表性,威脅程度各有不同,同時“攻擊”和“突防”意圖的交叉模糊部分也能夠衡量模糊神經網絡系統的可靠性。其中,“目標型號”和“目標所處編隊類型”采用整數表示,選取了5類艦船目標以及4種編隊情況作為研究對象,如表1和表2所示。

表1　目標型號選取

表2　艦船編隊工作狀態

這5類艦船在海上戰場使用最廣泛且具備不同的應用價值和戰略意義,因此以這5類艦船目標為主要研究對象。

為了構建模擬樣本庫,根據相關領域的專家知識,確認了不同輸入參數主要影響的兩類戰術意圖,在此分別簡單介紹。

對目標型號而言,Ⅰ型和Ⅱ型艦船具備較強的攻擊性,而Ⅳ型和Ⅴ型艦船相對攻擊性較弱,機動偵察能力較強,其模擬關系如表3所示。

表3　目標類型與目標軍事意圖的關系

目標據我方主要軍事單位的距離對目標意圖的影響伴隨著不同類型目標的攻擊范圍變化而變化。簡單起見,根據不同目標的攻擊范圍初步設定了一些距離閾值,如表4所示。

表4　目標距離與目標軍事意圖的關系

目標前進角度較小時,說明目標是向著我方的主要軍事單位前進,其相應威脅也會較大,其模擬關系見表5。

表5　目標前進角度與目標軍事意圖的關系

目標所處編隊的結構組成與目標軍事意圖的關系和目標與目標編隊情況的作戰等級有關,表6給出了其相應的關系。

表6　目標編隊情況與目標軍事意圖的關系

根據以上關系,綜合每組樣本數據的輸入,根據專家評估得到每組樣本對應的輸入意圖,在實際應用中,可以收集大量的實際數據作為系統。這些樣本最終構成系統的訓練樣本和測試樣本。本文選取了60組這樣的樣本,其中40組用于訓練系統的結構,另外20組用于測試系統的準確性。

3.2系統的訓練

用y代表該樣本對應的戰術意圖,分別用數字1～4表示,對應關系如表7所示。

表7　系統輸出意圖對應數值

本文選取的40組訓練樣本中的一部分樣本如表8所示。(x1,x2,x3,x4)=(目標類型,目標距我方主要軍事單位距離,目標前進方向,目標編隊情況),訓練樣本的選擇以“典型”為基本原則,表8給出的是系統所采用的訓練樣本的一部分。

表8　系統訓練樣本(部分)

確定了訓練樣本后,要對訓練樣本的輸入進行歸一化處理。由于目標類型、目標編隊兩類輸入信息都是5以內的整數,而目標距我方主要軍事單位距離和目標前進方向的數量級相對很大,會削弱目標類型和編隊情況對網絡訓練過程的影響,因此將每類輸入參數歸一化映射到(0,1)上。部分歸一化后的訓練樣本輸入如表9所示。

表9　歸一化后的系統訓練樣本(部分)

之后首先訓練計算模糊隸屬度函數的網絡NNmf,經過調整,NNmf有4個輸入節點和4個輸出節點,含有兩個隱層,節點數目均為7,隱層節點的數目是根據式(6)不斷調整得到的最佳值。

(6)

式中,l,m,n分別表示隱層、輸入層和輸出層的節點數;a為0～10之間的任意整數[19]。用訓練樣本輸入值進行訓練,反復訓練4 000次,學習效率η=0.009,允許的最大誤差為0.001 8,網絡要求的精度為0.000 04,輸出為輸入樣本面向不同意圖的模糊隸屬度值,訓練得到NNmf網絡的誤差平方和為0.015 772。NN1～NN4的訓練過程與NNmf類似。NN1～NN4的每個網絡均有4個輸入節點和1個輸出節點,含有兩個隱層,隱層節點數為8,每個網絡各10組訓練樣本。學習效率η=0.000 35,允許的最大誤差為0.002,網絡要求的精度為0.000 5,反復訓練10 000次,即可得到穩定的輸出。訓練完成后,得到的部分訓練樣本的模糊隸屬度如表10所示。

表10　訓練樣本的模糊隸屬度訓練結果(部分)

3.3系統的測試

系統訓練完成后,選取了20組測試樣本用來測試系統的性能。選取測試樣本如表11所示。

表11　系統測試樣本

當網絡訓練完成之后,即可分別將20組測試樣本輸入系統中進行測試,系統會根據訓練得到的權值和閾值的參數,對測試樣本反映的目標戰術意圖值和隸屬度關系進行計算,以此來對整個系統的性能進行判斷。計算得到的測試樣本針對不同意圖的模糊隸屬度結果如表12所示。

表12　測試樣本的模糊隸屬度測試結果

根據式(2)計算各輸入樣本的目標戰術意圖值,系統對測試樣本的輸出值和期望值如表13所示。其中y′代表系統的輸出結果。

表13　模糊神經網絡的測試樣本輸出結果

由上述的模糊神經網絡系統對測試樣本計算得到的輸出值與期望值的對比如圖3所示。

可以看出,系統測試樣本取得的結果比較準確,所產生的數值誤差都比較低,對目標戰術意圖的計算數值與期望值相差很小,再由式(7)計算測試樣本的標準差,得D=0.022 0,可以看出,系統測試結果對實際結果擬合效果比較好。

(7)

圖3　測試樣本的運算輸出值與期望值的比較

4　結　論

面對復雜多變的海戰場環境,準確地判斷出感興趣目標的動向和意圖,對于指揮員的指揮決策起著重要的影響,也是整個態勢生成和構建的基礎。本文針對目標戰術意圖識別輸入輸出非線性的特點,設計了基于神經網絡集成的模糊系統模型和戰術意圖識別方法,通過對測試樣本的測試分析說明,方法對目標戰術意圖的識別取得了良好的結果。在下一步的工作中,將對方法的實用性進行進一步的提高和驗證,并對系統的時效性進行提升。

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Fuzzy neural network based tactical intention recognition for sea targets

CHEN Hao, REN Qing-long, HUA Yi, QIU Yu-ning

(School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Traditional methods of tactical intention analysis for sea targets, which are based on the information obtained from remote sensing interpretation, need plenty of expert knowledge to confirm the relationship of network nods between input target property and output intention. However, the fuzzy neural network only utilizes input and output samples in the network training process, reducing the requirement of expert knowledge. In tactical intention recognition for sea targets, the relationship between inputs and outputs is nonlinear so that the typical Takagi-Sugeno model cannot handle this situation. Thus, a fuzzy system model based on integrated neural networks is established, in which target property and the intention are used to train neural networks to obtain the degree of fuzzy membership and output functions of different intentions. Using that model, the tactical intention of sea targets is then recognized. Experimental results present high accuracy of tactical intention recognition and are consistent with the situation.

tactical intention recognition; fuzzy neural network; degree of fuzzy membership; error back propagation

2015-08-31；

2016-01-19；網絡優先出版日期：2016-03-22。

E 83

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.08.20

陳浩(1978-),男,副教授,博士,主要研究方向為圖像與視頻壓縮、遙感數據解譯與人工智能。

E-mail:hit_hao@hit.edu.cn

任卿龍(1993-),男,碩士研究生,主要研究方向為遙感數據解譯與模糊神經網絡。

E-mail:eric0628@126.com

滑藝(1991-),女,碩士研究生,主要研究方向為多時相圖像變化檢測與動態貝葉斯網絡。

E-mail:1652746930@qq.com

邱宇寧(1993-),男,主要研究方向為目標檢測與圖像處理。

E-mail:18686811860wsqyn@sina.com

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160322.1143.004.html