運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達模擬訓練考核評估方法

賀照輝,申正義,許誠

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達模擬訓練考核評估方法

賀照輝,申正義,許誠

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

針對雷達兵部隊模擬訓練考核評估問題，研究了雷達兵部隊模擬訓練考核評估指標體系，提出了運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的考核評估方法，構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型，并用實際數(shù)據(jù)驗證了模型的可行性和考核結(jié)果的客觀性、可靠性、有效性，具有其他評估方法難以比擬的優(yōu)勢。為雷達兵分隊模擬訓練考核評估提供一種科學依據(jù)和新方法，也為模擬訓練考核評估軟件平臺的設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)。

雷達；模擬訓練；考核評估；BP；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；訓練考核

0 引言

雷達部隊模擬訓練考核評估涉及內(nèi)容廣泛,涵蓋因素眾多,人為因素影響明顯,是一個多層次、多目標的綜合評價問題。對雷達部隊模擬訓練作出正確、科學、全面的評價，深化訓練改革和提高訓練水平有著重要的推動作用[1-4]。目前，對雷達兵部隊的模擬訓練考核評估理論研究尚不成熟，缺乏專門的模擬訓練考核評估軟件平臺，加之雷達兵部隊部署分散，考核評估過程中出現(xiàn)了費時費力，考核評估結(jié)果不能反映實際戰(zhàn)斗力水平[5-8]，缺乏系統(tǒng)的模擬訓練平臺以及與傳統(tǒng)的戰(zhàn)備值班訓練矛盾日益突出等問題，這些現(xiàn)狀已成為制約雷達兵訓練發(fā)展的重要屏障。文獻[1]提出了基于模糊理論的雷達站模擬訓練考核評估方法，評判結(jié)果也比較符合實際，但是憑經(jīng)驗給出權(quán)重又會帶有主觀性，容易導致評估結(jié)果失真。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于評估方面的理論研究廣泛，且能夠減少評估過程中的主觀因素。為此，本文提出了基于BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達兵部隊模擬訓練考核評估模型，依照人員類別分專業(yè)進行多層次評估[9-12]。首先，確立雷達兵部隊模擬訓練考核評估的指標體系；其次，根據(jù)指標體系和專家組評價建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型；再次，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓練，使其“學會”評估，并對指標權(quán)重進行調(diào)整，使輸出結(jié)果跟專家組評價誤差低于誤差精度；最后，通過數(shù)據(jù)輸入和專家評測，檢驗評估方法的性能。

1 考核評估指標體系建立

雷達兵部隊模擬訓練考核評估的目的，是為了提高雷達部隊模擬訓練質(zhì)量，把訓練質(zhì)量與提高戰(zhàn)斗力緊密結(jié)合起來，提高雷達兵部隊的預警能力[2-3]。因此，雷達部隊模擬訓練考核評估的指標體系應遵循客觀性、目的性、綜合性、定性分析與定量分析相結(jié)合、可行性、科學性等6個原則。

按照現(xiàn)行雷達兵部隊訓練考核要求[4]，結(jié)合指標確立的六大原則，建立了一個三級評價指標層。第1層：總目標因素集c=(c1,c2,c3)；第2層：子目標因素集c1=(c11,c12,c13)、子目標因素集c2=(c21,c22)和子目標因素集c3=(c31,c32,c33,c34,c35)，以此類推，構(gòu)成了指標體系框架。具體框架圖如圖1所示。

1.1 一級指標

雷達兵部隊模擬訓練考核評估體系一級指標由個人、單位本級、綜合能力3部分成績綜合組成[7]。個人模擬訓練是雷達兵部隊模擬訓練的主題，它決定雷達兵部隊機關(guān)各單位參訓人員訓練質(zhì)量的高低和雷達兵部隊的基本戰(zhàn)斗能力；單位本級模擬訓練是雷達兵部隊模擬訓練中不可或缺的重要組成部分，在本系統(tǒng)中單位本級模擬決定了整個雷達兵部隊責任區(qū)域內(nèi)情報質(zhì)量的高低；綜合能力是雷達部隊實戰(zhàn)化模擬訓練發(fā)揮戰(zhàn)斗力多少的綜合體現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 雷達部隊模擬訓練考核評價指標體系Fig.1 Simulation training assessment of radar-brigade index

圖2 一級指標圖示Fig.2 Diagram of first grade indexes

一級指標的成績實行百分制，具體數(shù)值由二級指標和三級指標成績匯總計算得到。

1.2 二級指標

二級指標是一級指標的延伸和細化，是一級指標評估成績的基礎(chǔ)。每一個一級指標下設(shè)若干二級指標。例如，在一級指標個人c1中下設(shè)有3個二級指標：指揮軍官c11、參謀軍官c12和技術(shù)軍(士)官c13。在單位c2中下設(shè)有2個二級指標：下級模擬訓練c21和單位本級一套班子的戰(zhàn)術(shù)訓練c22。綜合能力c3中下設(shè)5個二級指標：陣地部署能力c31，組織指揮能力c32，機動能力c33，綜合保障能力c34和電子戰(zhàn)能力c35。在二級指標中有些指標不再細化，設(shè)置成單獨的考核科目，比如單位c2中的下級模擬訓練c21和綜合能力c3中的5個二級指標都是單獨的考核科目。

二級指標同一級指標一樣，指標之間具有相當?shù)年P(guān)聯(lián)度。比如綜合能力c3評定的是雷達部隊的綜合戰(zhàn)斗力，它不僅僅包含陣地部署能力c31、組織指揮能力c32、機動作戰(zhàn)能力c33，也包括單位綜合保障能力c34和適應復雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)場生存能力c35等。雷達部隊指揮員是雷達部隊戰(zhàn)斗行動的組織者和領(lǐng)導者，是雷達部隊作戰(zhàn)指揮的核心人物。在綜合能力評定中，指揮員的臨戰(zhàn)指揮能力是一個很大的不確定因素，不同的履職經(jīng)歷和不同的知識體系，在不同環(huán)境下的處置指揮可能差別很大。因此，組織指揮能力評價的是指揮員的理論知識、心理素質(zhì)、分析判斷和協(xié)調(diào)指揮能力。機動能力是衡量雷達裝備作戰(zhàn)考核的重要指標，實施機動不僅是改善其生存能力的重要手段，也是調(diào)整部署的重要途徑。綜合保障能力，是雷達部隊為順利遂行戰(zhàn)斗任務而采取的各項保障性措施與進行的相應活動的總稱，主要包括通信保障、裝備保障、后勤保障等方面的內(nèi)容。反電子干擾是雷達部隊進行電子防御的重中之重，指揮員和操縱員必須深入了解高技術(shù)條件下電子干擾的手段和戰(zhàn)術(shù)，雷達干擾的種類及其對雷達的影響，認真研究雷達反電子干擾的方法和在干擾條件下掌握空中目標的基本措施。同時，在綜合能力c3中陣地部署c31的布置好壞，會影響到機動能力c33、綜合保障能力c34和電子戰(zhàn)能力c35等，如果陣地部署能力考核中得分過低，沒有體現(xiàn)出部隊一套班子在陣地部署方面的專業(yè)水準，那么組織指揮能力、機動能力、綜合保障能力都要相應地受到扣分影響，如圖3所示。

圖3 綜合能力圖示Fig.3 Diagram of comprehensive ability

1.3 三級指標

三級指標是二級指標的延伸和細化，涉及到具體的模擬訓練考核科目和內(nèi)容，是整個模擬訓練的基石。三級指標數(shù)據(jù)直接影響到二級指標和一級指標的數(shù)據(jù)，在此對三級指標進行細致的描述。

雷達兵部隊指揮軍官肩負著與友鄰部隊協(xié)同作戰(zhàn)、組織本單位的訓練工作、對下級單位進行指揮和對聯(lián)合作戰(zhàn)進行情報支援等任務，所以雷達兵部隊指揮軍官模擬訓練考核的指標主要有作戰(zhàn)訓練c111、戰(zhàn)役雷達保障與情報支援c112、戰(zhàn)術(shù)訓練c113和雷達裝備c114。

雷達兵部隊參謀軍官必須要具備5種能力：分析判斷能力、運籌謀劃能力、組織協(xié)調(diào)能力、檢查指導能力和研究創(chuàng)新能力。因此，在雷達兵部隊參謀軍官模擬訓練中側(cè)重于參謀的分析判斷能力、運籌謀劃能力和組織協(xié)調(diào)能力，評估指標由戰(zhàn)役雷達保障與情報支援c121、戰(zhàn)術(shù)訓練c122和雷達裝備c123組成。

雷達兵部隊技術(shù)軍(士)官的模擬訓練主要以熟悉本職業(yè)務，掌握裝備維修、維護和改進方法，不斷提高裝備維修保障和管理能力。因此，雷達兵部隊技術(shù)軍(士)官的訓練評估主要包括2方面內(nèi)容：雷達裝備c131和維修技術(shù)c132。

單位本級的戰(zhàn)術(shù)訓練是雷達兵部隊一套班子的綜合訓練，是雷達兵部隊模擬訓練考核評估的重要指標，在單位本級的戰(zhàn)術(shù)訓練中有3個三級指標，分別是戰(zhàn)斗作風、戰(zhàn)斗指揮和情報質(zhì)量。戰(zhàn)斗指揮和情報質(zhì)量有相應的考核內(nèi)容，戰(zhàn)斗作風卻難以作出評判，所以在本文中戰(zhàn)斗作風的成績是以雷達兵部隊在年度作風紀律檢查中的成績作為參考依據(jù)。

2 運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達部隊模擬訓練考核評估方法

基于雷達部隊模擬訓練考核評估指標體系的復雜性，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型[12-15]，基本解決了考核評估中出現(xiàn)的指標權(quán)重分配不科學的問題，既能考慮到專家經(jīng)驗，又能降低評價過程中的不確定因素，既能保證評估的規(guī)范性，又能保持較高的求解效率。

2.1 構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

確立，得到s=8。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Model of neural network

wik為輸入層第i節(jié)點到隱含層第k節(jié)點的連接權(quán)值，連接權(quán)值一般在0～1之間取值，ypk為樣本模式P的隱含層第k節(jié)點的輸出，wk為隱含層第k節(jié)點到輸出層的連接權(quán)值，連接權(quán)值在0～1之間取值。

每個節(jié)點的輸出和輸入之間的非線性關(guān)系用Sigmoid函數(shù)描述，即

f(x)=(1+exp(-x))-1.

隱含層樣本模式P的輸出公式如下：

式中:θk表示隱含層節(jié)點k的偏置值。

輸出層樣本模式P的實際輸出為

式中:θ表示輸出層輸出節(jié)點的偏置值。

模型在Matlab上學習完成并與驗證樣本進行對比會出現(xiàn)2種結(jié)果：結(jié)果與專家評價之間誤差逐漸穩(wěn)定并逼近低于固定值視為成功，結(jié)果與專家評價不接近或在極值點附近震蕩視為失敗。失敗的原因可能是學習步長設(shè)定不合理，學習步長過大會導致在極值點附近震蕩的可能性加大，乃至反復震蕩難以收斂。這里只要對步長進行調(diào)整，反復試驗就能讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定下來，得到一個滿意的泛化結(jié)果。

2.2 實例驗證

在雷達部隊模擬訓練專家處采集8組樣本，前6組樣本為學習樣本，后2組樣本為測試樣本，樣本中，所有指標按照1-18的順序排序，如作戰(zhàn)訓練為1，保障支援為2等依次類推，另外專家組還為每組樣本進行了評價，作為專家評價來對模型進行修正。如表1所示。

表1 Matlab訓練數(shù)據(jù)

續(xù) 表

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差精度設(shè)為10-6，將樣本數(shù)據(jù)和評價值輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓練后，得到如下結(jié)果：71.000 0，81.000 0，74.000 0，90.999 8，83.000 0，69.000 2。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練完成后，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值即確定，將以上BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入換為測試值1和測試值2，得到結(jié)果分別為81.000 0和57.000 2，輸出的評價分數(shù)與專家評價分數(shù)基本一致。圖5為學習樣本訓練時訓練次數(shù)與輸出的誤差關(guān)系，從圖中可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過25次訓練，誤差精度<10-6,達到了預設(shè)的誤差精度要求。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練次數(shù)與輸出誤差關(guān)系圖Fig.5 Error relational graph of neural network training times and output

2.3 結(jié)果及分析

模型通過6組學習樣本進行訓練學習后，已經(jīng)初步具備了評估能力。在后2組測試樣本中，模型通過樣本的輸入，輸出的評價分數(shù)與專家評價分數(shù)基本一致，誤差值在不斷學習中逐步逼近并低于誤差精度，說明模型的建立是基本成功的。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練完成之后，輸入雷達兵部隊模擬訓練考核各科目成績，就可以得到一個相對客觀、公正的成績，操作簡單、快捷，并且容易調(diào)整，可以在雷達兵部隊模擬訓練考核評估中加以應用。

3 結(jié)束語

雷達部隊模擬訓練系統(tǒng)是個復雜的系統(tǒng)，進行綜合評估時要考慮的因素很多，不同因素之間既有層次之分，也相互關(guān)聯(lián)。如果用常用的評估方法來評估就會帶有一定的局限性，比如權(quán)重的確定具有明顯的人為因素，難以客觀、有效地對模擬訓練成績進行評估。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為雷達兵部隊模擬訓練考核評估的一種評估方法，通過對樣本數(shù)據(jù)的不斷學習和網(wǎng)絡(luò)自行計算就可以產(chǎn)生結(jié)果，不再需要人為設(shè)定權(quán)重，減少了人為因素對評估結(jié)果的影響，提高了評估結(jié)果的客觀性、可靠性和有效性，為雷達兵分隊模擬訓練考核評估提供一種科學的依據(jù)和新的方法，也為模擬訓練考核評估軟件平臺的設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)。當然，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模擬訓練評估中也具有一定的局限性，比如在修正不同神經(jīng)元連接權(quán)值的時候，容易使系統(tǒng)陷入極小值，這需要在今后的研究中不斷完善和改進。

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Simulation Training Assessment of Radar-Brigade Using BP Neural Network

HE Zhao-hui, SHEN Zheng-yi, XU Cheng

(Air Force Early Warming Academy,Hubei Wuhan 430019,China)

Aiming at the issue of simulation training assessment of radar-brigade, the simulation training assessment of radar-brigade index is proposed and a method based on BP neural network is given. The BP neural network assessment is constructed, and the feasibility of model, the objectivity, reliability and validity of the assessment results are verified with the actual data, which shows that it has the advantages that other assessment methods lack. The method also provides a scientific basis and a new means for the simulation training assessment of radar-brigade, laying a foundation for the design of the software platform of the simulation training assessment.

radar; simulatied training; assessment; back propagation (BP); neural network; training assessment

2015-12-31；

2016-04-12 作者簡介：賀照輝(1980-)，女，湖北隨州人。工程師，碩士，主要研究方向為預警模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計與應用。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.01.031

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