石 榮,肖 悅
(1.電子信息控制重點實驗室,四川 成都 610036;2.電子科技大學通信抗干擾國家重點實驗室,四川 成都 611731)
《現代漢語詞典》對“行為”一詞的定義為:受思想支配而表現在外面的活動。由此溯源下去,“思想”是客觀存在反映在人的意識中經過思維活動而產生的結果;“思維”是在表象、概念的基礎上進行分析、綜合、判斷、推理等認知活動的心理過程,思維同時也是心理學的重要研究對象[1-2]。雖然上述定義隱含表達了行為的主體是人,但是在行為科學研究中已經將行為的主體擴展至了動物界[3-4]。行為科學簡稱行為學,是運用自然科學的實驗和觀察方法,研究自然和社會環境中的人的行為以及動物行為的科學。目前行為學的研究對象主要有兩大類:人與動物;其中研究人類行為規律的科學稱為人類行為學;而研究動物個體和群體為適應內外環境變化與刺激所做出反應的科學稱為動物行為學[5]。從不同的角度可以對行為學進行不同的細分,例如:基礎行為學主要研究人類行為的基本規律,是管理工作者所應具備的必備知識;社會行為學主要研究社會群體行為的規律和后果,以及控制和監測的方法,從而為政府制定大政方針政策提供決策依據;組織行為學主要研究社會單位和組織中人的心理和行為表現的規律,以此來實現組織既定的目標[6];消費者行為學主要研究消費者的行為規律,并將其應用于營銷戰略的計劃發展與實施[7];甚至研究罪犯行為的規律也可納入到犯罪行為學之中[8]。
近年來隨著人工智能技術的快速發展與廣泛應用,在各個領域中研制出來的智能化目標對象的認知能力得到了大幅度的提升,在某些領域這些智能化目標對象的“思維能力”已經達到了高等動物的水平,甚至在個別領域已經接近人類的水平。從某種意義上講,它們也具有了一定的“思想”和“思維”,由此支配著它們對外展現出一定的行為活動。所以將行為科學的研究對象進一步擴展至智能化目標對象,將行為科學已有的研究方法與研究成果應用于這些新對象的行為研究中,不僅有利于推動各個智能化目標對象所在技術領域的發展,同時也有利于行為科學體系的不斷完備與創新。正是基于上述考慮,本文重點針對電磁空間中的各種電磁輻射源闡釋了電磁輻射源行為學這一新興交叉學科的創建背景、與其它學科之間的相互關系,歸納總結了電磁輻射源行為學的主要研究內容、典型研究方法和研究意義,給出了電磁輻射源行為學的研究示例與應用,展望了其未來的發展前景。
在前面的“行為”定義中強調了思想對行為的支配作用,而思想承載的物質基礎是生物體的大腦。人有大腦,動物也有大腦,但植物就沒有大腦這一器官了。所以傳統行為學的研究對象主要是人與動物,到目前為止,極少將行為學的研究對象擴展至植物。在人工智能發展到一定階段之后,以人工智能技術為基礎研制的智能化電磁輻射源目標對象如認知無線電、認知雷達、認知電子戰等電子設備,也具有了類似于動物或人的大腦之類的結構,它們在這個“類腦部件”的控制下所展現出來的外部活動在某種意義上也可以看成是一種“行為”的表現,在此情形下借鑒人類行為學與動物行為學中的方法對智能化電磁輻射源的這些行為開展研究是近年來新出現的多學科交叉研究點,這意味著創建電磁輻射源行為學這一新學科的目標對象條件已經成熟。
實際上,除了智能化電磁輻射源目標對象之外,人類社會中的其它智能化目標對象也逐漸增多,以大家身邊的汽車為例進行說明。對于一輛普通的汽車,一般沒有人提出去研究“汽車行為學”的,因為汽車僅僅是一種交通工具,汽車的運動都是由各種物理定律所完全決定的,汽車所表現出來的各種外部活動,例如:變道超車、超速行駛、闖紅燈等,實際上都是操縱汽車的駕駛員的行為所致,是駕駛員行為的間接表現而已。如果研究在此情形下的汽車行為,本質上就是間接對駕駛員行為的研究,這些研究內容在人類行為學與心理學中都有所涉及。但是一旦汽車發展成為一輛具有自我學習能力的自動駕駛功能的智能汽車時,那么它所表現出來的變道超車、超速行駛、闖紅燈等行為就是它自己內部的“思想”決策控制的結果。由于各輛智能汽車面臨不同的使用環境,最終自我學習所具備何種能力也有了個體差異,在什么樣的條件下具有最佳的學習效果,如何預防產生對人類不利的學習結果,這樣一來,研究此類智能汽車的行為就有了意義。由此可見,在人工智能與工程技術學科的共同推動下,“對智能化目標開展行為分析”的需求日漸強烈,智能化電磁輻射源作為智能化目標的典型代表同樣也不例外。
電磁輻射源行為學中所研究的行為既包括了電磁輻射源的個體行為,又包括了群體行為,通常體現為電磁輻射源各種形式的電磁信號的輻射,所處的工作狀態與工作模式的改變,所搭載的平臺的運動,群體內部的協同與聯合,以及能夠引起其它個體行為發生反應的所有外部可識別的變化等。例如:輻射源天線波束指向的改變,輻射信號強度的變化,輻射信號頻率的跳變等??傊?,電磁輻射源的行為是該電磁輻射源目標在個體和群體層次上對外界的變化和內在任務要求的改變所做出的整體性反映。通過行為分析來獲得電磁輻射源的內部控制機制,進而實施各種應用,這是電磁輻射源行為學研究需要實現的重要目標。綜上所述,在當前條件下,電磁輻射源行為學成為一門獨立學科的外部條件與內部條件都已經成熟。
如前所述,實際上本文所提出的電磁輻射源行為學是范圍更大范疇下的“智能化目標行為學”中的一個分支而已,其它的新誕生的分支學科還可以包括智能汽車行為學、智能機器人行為學等。由于文章篇幅有限,在此暫不去討論更大范疇的“智能化目標行為學”,而是將本文的重點放在與自身專業方向相關的“電磁輻射源行為學”上。一方面針對智能化的電磁輻射源對象,如認知無線電、認知雷達、認知電子戰等進行行為學研究;另一方面,對于非智能化的電磁輻射源,同樣可以以此為橋接來間接研究位于這些電磁輻射源背后的操作員的行為。如果將上述兩方面都結合在一起,那么“電磁輻射源行為學”也就自然包含了部分“人類行為學”的研究內容。
換句話說,除了一部分完全獨立自主工作的電磁輻射源之外,目前還有很大一部分電磁輻射源都需要人類操作員來實施操控,所以電磁輻射源的一部分行為是受自身控制,以及適應外部電磁環境的變化而自發產生的;而另一部分行為是操作員人為操控的結果,而這部分行為實際上是人類行為的反映與體現。如果從軍事應用的角度來看,電磁輻射源行為學一定還會涉及到人類的軍事指揮控制和軍事對抗行為等部分研究內容[9]。以一部陸軍通信電臺的行為分析為例,該電臺開機輻射的時間與地點、工作時傳送報文的特點、與該電臺相關的載體的運動軌跡,以及與其它電臺之間的通聯關系等信息,實際上反映了該電臺使用者的通話習慣、承擔任務的性質、指揮控制的層級等。所以電磁輻射源行為學的創建既要有繼承,也需要新的發展,以適應對各種電磁輻射源目標對象的行為進行分析的客觀要求。
人類行為學研究的目的之一就是希望通過一個人的行為去窺視這個人的心靈,心靈與思想實際上是緊密關聯的,部分心理學的研究過程也是借助行為學試驗來實施的,所以從這個角度上看,行為學與心理學之間的關系是比較緊密的。另一方面,在人類行為學和動物行為學研究過程中時常還涉及到與醫學相關的研究內容,即與醫學有部分交叉,因為人與動物同樣也是醫學的研究對象,由此可見,行為學本身就是一個多學科交叉的產物。同樣的道理,在電磁輻射源行為學研究中,也一定會涉及到工程學科的交叉,一方面是因為電磁輻射源同樣也是雷達、通信、電子對抗等工程技術學科的重要研究對象;另一方面,知識推理、機器學習、深度學習、強化學習等人工智能方法在電磁輻射源設備中應用的機理性揭示也是對其行為分析的重要途徑,所以電磁輻射源行為學是一門典型的交叉學科。
對于電磁輻射源行為學自身建設來講,如果按照輻射源對象的類別進行細分,可分為:雷達行為學、超短波電臺行為學、衛星通信網行為學等,這里僅僅是從不同層面選取了幾個典型代表而已,真正如此逐層逐類地分解與梳理下去,電磁輻射源行為學自身的體系也是龐大而豐滿的。
如前所述,電磁輻射源行為學除了包含部分人類行為學的研究內容之外,其主要研究內容還包括:
1)構建各種電磁輻射源的行為譜。對電磁輻射源的行為進行科學研究的起點和基礎是正確而又詳細地收集和整理所要研究的電磁輻射源的各種行為類型,建立對應的行為譜。行為譜就是同一類電磁輻射源目標正常行為的全部名錄或記錄。行為譜又可以理解為行為形態學,因為目標的行為也和目標的形態一樣具有各自的特異性,都有自己獨特的形態和行為特征。其中對行為類型進行描述的手段之一就是對各種行為型進行分類和命名,還包括對行為層次性和行為順序性的梳理。部分典型的電磁輻射源的基本行為譜包括:電磁信號的發射行為、電磁信號的接收行為、電磁輻射源的時空行為、電磁輻射源的群組協同行為、電磁輻射源的學習行為、電磁輻射源的欺騙偽裝行為等。
2)電磁輻射源的行為與其所在電磁環境之間的相互關系研究。實際上這一項研究內容又被稱之為“環境行為學”,它或是著重研究某一類輻射源,例如地面雷達輻射源、地面通信電臺輻射源,或是重點研究同一地域范圍內的各種輻射源的相互作用與相互影響?!碍h境行為學”中的一個分支為“組織環境行為學”,主要研究輻射源面臨的環境與其群組結構之間的關系,即研究一群電磁輻射源目標,例如艦艇編隊中的各個雷達、飛機編隊中的各個數據鏈端機等,在特定環境下的空間分布形式和組網應用方式等。
3)電磁輻射源的行為繼承研究。主要是研究同類型電磁輻射源目標所表現出來的共同行為的原因,解釋在設計研制過程中的各種因素之間的關系,以及這些因素是如何影響輻射源行為的。在人類行為學和動物行為學中都會研究“行為遺傳”,人和動物都具有生殖系統,都有繁衍后代的能力,所以遺傳是一個自然的行為表現。但電磁輻射源是工業制造的產物,沒有生物體的遺傳機制,不過對于同一生產廠家研制的同型號電磁輻射源,其所表現出來的外在行為也應具有一定的相似性,所以從這個角度上講,可以理解為“行為繼承”。對行為繼承的研究將有助于電磁輻射源行為的類比與劃分,提取出其中的共同特征而加以利用。
4)電磁輻射源的行為演化研究。無論是人還是動物,自然界中的所有生物都是長期進化的結果,在進化過程中人與動物的行為也是隨之變化的,通過對這種變化過程的研究,可以對某些行為做出合理的解釋。對于電磁輻射源來講,雖然其總共的存在歷史不過百余年,但從歷史演進的視角來梳理,電磁輻射源的行為也有一個向前發展的過程,即“行為演化”的過程,這相當于對電磁輻射源發展歷程的研究。以雷達輻射源為例,最開始是非相參雷達,接著是相參雷達、基于MTI/PD等多普勒信息利用的雷達,然后是SAR雷達等。雷達的上述演變過程,也同樣伴隨著其輻射信號的改變,從這個意義上講,也可算是雷達行為的一個演化過程。
5)電磁輻射源的認知行為研究。主要是用行為學的方法研究認知無線電、認知雷達等智能化電磁輻射源目標的認知行為,并特別注重借鑒人類行為學中的方法來研究這類智能化目標對象的學習過程。通過對認知過程和認知規律的描述揭示背后的機理,從而為后續的行為利用提供條件。
6)電磁輻射源行為模型構建與利用研究。在對特定電磁輻射源長期的行為觀察、描述、統計分析的基礎上,建立該電磁輻射源的行為模型,通過此模型來對其后續的行為進行預測,甚至通過此模型挖掘其中的薄弱環節,用于后續行為利用中的行為控制等。
實際上隨著研究工作的深入,后續還會伴隨著更多研究內容的擴展,但上述基本內容在一定程度上都是會涉及到的。
電磁輻射源行為學的典型研究方法如下:
1)采用兩步法進行電磁輻射源的行為分析:①觀察記錄電磁輻射源的行為;②對電磁輻射源的行為進行解釋。電磁輻射源的行為可以從因果關系、環境適應、繼承與學習等不同方面來解釋。因果關系主要指行為是由什么外部刺激和內部機制引起的;環境適應是指行為的適應意義和行為對電磁輻射源的生存價值;繼承與學習是指該電磁輻射源的行為是如何由生產廠家在設計研制時所延續下來,以及該智能化輻射源通過出廠之后的繼續認知學習而逐漸具備的。
2)雖然通過對行為的記錄與描述可以掌握電磁輻射源的各種行為型和行為發生的層次與順序,但是要了解上述行為的因果關系,還需借助于實驗行為學的研究。在實驗行為學中模型的使用發揮著十分重要的作用,但電磁輻射源行為學與動物行為學的不同之處在于:大部分電磁輻射源對于實驗實施者來講都是非配合的目標對象,不像動物行為研究中可以實際找一只動物來做實驗研究,通過行為對比性分析得出結論。但是在電磁輻射源行為研究過程中,即使要針對非配合的電磁輻射源做實驗,也只能通過繳獲、第三方購買、反設計與模擬等方式來獲得非配合的電磁輻射源實驗對象;不過也可以通過最新的“主動有源電子對抗偵察”手段來開展實驗[10]。
實際上一門學科的研究方法是在長期的研究過程中不斷探索與總結出來的。電磁輻射源行為學作為一門剛剛建立的新興學科,后續還要不斷的積累,對研究方法進行豐富。
一個學科的研究價值體現主要是通過其在不同應用領域中的貢獻來反映。電磁輻射源行為學作為一門新興學科,其應用價值的挖掘同樣是后續的一個重要研究內容。在此,主要從電子對抗應用的視角來闡述電磁輻射源行為學的研究意義。
1)在動物行為學研究中,兩個在形態上難以區分的物種可以通過不同的行為型加以識別,在自然界中行為型也常常是近緣物種之間種間隔離和種間辨識的重要依據。類比來看,通過對電磁輻射源的行為觀察記錄和行為模式提取,同樣可以在一定程度上對輻射信號波形十分相似的兩種不同輻射源進行區分和識別,提高信號情報偵察的有效性。由此可見,在未來的電磁輻射源目標數據庫構建過程中,輻射源的行為模式描述將成為其中一項必備的重要內容。
在此以一部普通的通信電臺為例進行簡要說明。對其進行行為描述的要點如下:開機時間、關機時間、工作時長、發送報文特點、用頻特點、輻射信號特征、所屬平臺的運動規律等,實際上上述部分參數也間接地反映了使用這部電臺的操作員的一些行為特點。如果這部電臺是具有認知能力的認知無線電電臺,那么它除了具有以上行為特征之外,還具有自身的其它行為特點,如對外部電磁環境的感知行為;適應外部環境變化而改變自己的信號輻射參數,如自適應選頻、自適應編碼調制、自適應功率控制、自動重傳等;在群體層次上的組網控制、靈活路由,以及傳輸控制服務等。由此可見,從行為學的視角來觀察與描述現代的認知無線電電臺,會在傳統信號情報要素的基礎上,站得更高,看得更遠,當然所提煉出的情報內容也更加豐富和更有價值。
2)通過對電磁輻射源行為模式的分析,可以在一定程度上對其動機進行推斷,揭示其行為意圖。一方面可以為電子偵察提供更高層次的情報,為指揮決策提供依據;另一方面也為電子攻擊與電子防御提供了信息引導。
3)通過對一個電磁輻射源進行長期的行為觀察,記錄該輻射源的各種行為型,構建行為預測模型,利用該模型一方面可以實現異常行為示警,為戰場指揮控制的輔助決策提供依據;另一方面,可揭示其背后的行為發生機制,挖掘其行為模式中的薄弱環節,為后續的靈巧電子攻擊與軍事欺騙的實施提供靶標。
4)根據己方規定的行為準則,對特定電磁輻射源目標實施行為控制,使其按照己方預先設計的行為流程進行執行,以達到己方的預定目標。行為控制是行為利用的最高層次,特別是對于非合作的電磁輻射源的行為控制的實施,不僅難度大,而且也極富挑戰性。
以上僅僅簡要概述了電磁輻射源行為學研究在電子對抗應用中的意義所在,如果從其它應用領域出發,還可以提煉出更多更全面的研究意義,在此就不再展開論述了。
首先以認知無線電終端的行為研究為例來展示電磁輻射源行為學的研究過程,接著闡述通過行為關聯分析來達到群組目標分組關系劃分的目的,以此展示電磁輻射源行為學研究的應用價值。
以認知無線電終端為例,可梳理出其具有如下典型行為:1)頻譜感知行為;2)傳輸信號的接收行為;3)信號發射行為;4)發射信號頻段調控行為;5)發射信號的功率調控行為;6)發射信號的信號波形參數調控行為。在上述6種行為要素中,其中3)~6)是外界可以直接觀察到的,而其中的1)和2)可通過主動有源電子對抗偵察來間接觀察。當然對于認知無線電終端的內部活動,如用頻分析決策的機制等,從外部是不能直接反映出來的。由于行為是在思想指導下所表現出來的外部活動,那么反過來通過外部觀察到的行為來推斷內部所具有的思想也具有一定的可行性。
如果已經對認知無線電終端的上述行為進行了比較準確的描述,接下來就要通過這些行為的分析推斷背后的機制,并對機制進行定量的解釋。換句話說,就是通過行為去推斷支配該行為發生的思想。實際上在人類社會中也是這樣做的,例如在中小學階段評價一名學生是否具有樂于助人的高尚品格時,老師與同學也是通過身邊每一天發生的事件來例證的。如某一位同學在別人生病受傷時,會主動幫扶,尋醫問藥;在別人遇到難題時,會主動答疑解惑;在別人生活有困難時,也會慷慨援助等。通過外界這些行為來評估這位同學是否具有助人為樂的品質。同樣對于認知無線電終端的相關行為的觀察,人們想得到的是:該智能終端采取了什么樣的頻譜空洞判斷準則?以什么樣的策略來發現電磁環境中的頻譜空洞?對頻譜空洞的利用原則與途徑是什么?從出現頻譜空洞到發現利用的響應時間有多長?從頻譜空洞消失到退出利用的反應速度有多快?等等。上述內部機制的推斷是進行行為分析要達到的目的。
在完成以上行為分析并得到內部控制機制與控制參數的推斷結果之后,接下來就可以開展“行為預測”與“行為利用”。如通過對該認知無線電終端在某一電磁環境下的觀察,并根據其以前的行為序列,比較準確地預測其下一時段可能會出現的行為。如果能有效地完成此步,接下來就可以對該認知無線電終端實施“行為控制”,例如根據事先設計的行為模式,讓其所表現出來的行為滿足預定的要求。
如前所述,對目標對象實施行為控制是行為學研究中行為利用的高級形式。研究動物行為學,其中的一個大目標就是對指定動物的行為實施預定的控制,使控制的結果向更有利于人類的方向發展。例如:動物行為學研究中發現飛蛾具有在黑暗中喜愛向光源飛行的行為,人類為了控制飛蛾對農作物的傷害,就采取了生火滅蛾的方式,讓飛蛾撲火來消滅飛蛾這種害蟲,這就是對這種動物行為的利用的一種方式。同樣對于認知無線電終端的行為分析之后的行為控制也有兩種目的:如果站在己方互助的立場上考慮,可以通過改變與影響其所在的電磁環境來引導多個己方的認知無線電終端協同高效地進行數據傳輸與交換,提高通信傳輸的效率;如果站在對敵打擊的立場,同樣可以通過改變與影響其所在的電磁環境,使多個敵方的認知無線電終端無法有效正常工作,從而實現高效電子攻擊的目的。
上面僅僅是以一個認知無線電終端為例來展示電磁輻射源行為學的主要研究內容、研究方法、實施途徑,以及所能達到的效果。大家可以參照上述過程對其它類型的電磁輻射源開展行為學研究。例如對于一部認知雷達的行為進行分析,對一部認知干擾機的行為進行分析等。由于篇幅限制,在此就不再贅述了。
行為關聯是指各種行為表現之間的相互關系,一種行為B可能是由行為A所導致,又可能引發行為C的產生。如此一來,行為A、B、C之間就會形成一個順序關系,甚至是因果關系。舉例說明如下:一架突防轟炸機受到對方一部地面防空火控雷達的跟蹤照射,緊接著就會引發轟炸機上的雷達告警和自衛干擾設備的工作,接下來火控雷達受到干擾后又會立即啟用跳頻或干擾源跟蹤等抗干擾措施。由此可見上述3個行為之間有著比較嚴格的時序先后關系,也有著明顯的因果關系。通過對電磁輻射源的行為關聯分析可以揭示這些行為背后的控制機制,并對輻射源的工作狀態進行推斷,為進一步采取有效的電子攻擊或電子防御手段提供決策參考。
另一方面,行為關聯分析也為基于行為信息的輻射源群組劃分提供了新的途徑。例如幾個編隊的飛機在同一空域中執行任務,同一個編隊內的飛機組成一個獨立的戰斗網絡來實施協同。各架飛機上的通信端機輻射信號時具有如下特點:在發送時不能接收,在接收時不能發送,也即是說,通信端機在一個時刻點上只能處于發送信息的狀態或者接收信息的狀態。對這同一空域中的所有飛機上的通信端機的電磁輻射行為進行行為關聯統計分析,在一定程度上可以將空間位置復雜交疊的各架飛機按編隊進行區分。打一個比喻,這就相當于在一個大型雞尾酒會上,不同的人加入了不同的群組,在每一個小組內探討著各自的話題,僅僅記錄下了每一個人的發音時段信息,而要將酒會上的所有人進行準確的群組劃分。實際上可以通過一個簡單的行為準則就能達到上述目的,這個行為準則即是:“同時講話的幾個人屬于不同的分組”,對應回到前面的飛機群組劃分應用中,該行為準則即是“同時通過通信端機進行信息發送的幾架飛機屬于不同的分組”。因為在雞尾酒會上的每一個小組中,按照正常的組內交流行為,每當一個人正在講話時,組內剩余的人都在聆聽,只有在這一個人講完之后,才會有下一個人接著繼續講下去。如果在同一個小組中同時有兩個人一直在講話,那么就產生了話音沖突,剩余的聽眾之中誰也聽不清他們講的內容。所以按照前面的行為準則,通過一段時間內的講話時段統計信息就可達到將雞尾酒會上的不同小組所包含的人群的關系梳理出來的目的。
同樣的道理,通過對飛機上的通信端機的發射時段信息進行記錄分析,也可以實現劃分群組目標對象的目的。例如有15架飛機,1~5號機為第一組;6~10號為第二組;11~15號為第三組。對一段時間內各架飛機上的通信端機的發送行為進行統計分析,一定會觀察到如下情況:1號機與6~15號機都出現過發送時間重疊的現象;2號機與6~15號機都出現過發送時間重疊的現象;……;5號機與6~15號機都出現過發送時間重疊的現象;但1~5號機從來就沒有出現過發送時間重疊的現象。根據上述歸納出來的行為統計結果,即可推斷出1~5號機屬于同一個編隊。同理,可以分別推斷出6~10號機屬于同一個編隊,11~15號機屬于同一個編隊。
由上述行為關聯分析可知,通過對電磁輻射源的行為分析,可以獲得更多更深的情報信息。
電磁輻射源行為學是繼人類行為學和動物行為學之后,在行為學這一大學科體系中所產生的一個新分支。該學科的誕生是人工智能技術和各種工程應用技術迅猛發展的推動結果。本文闡釋了電磁輻射源行為學這一新興交叉學科的創建背景、與其它學科之間的相互關系,歸納了該學科的主要研究內容和典型研究方法,從電子對抗應用的角度展示了其廣闊的研究意義,并說明了電磁輻射源行為學的研究過程和應用示例,從而為電磁輻射源行為學的后續發展奠定了重要基礎。當然電磁輻射源行為學理論研究的目的是推動后續應用的普及,熱切地期待更多的研究人員投入到這一新興學科的研究之中,以推動更多的創新應用的落地?!?/p>