海上近岸目標威脅評估模型

黃欽龍,劉 忠,夏家偉

(海軍工程大學,湖北武漢 430000)

目標威脅評估是指根據當前戰場態勢信息評估敵方目標的作戰能力和威脅程度,進而明確敵方意圖的一種手段。作為美國JDL信息融合模型的第三層,威脅評估具有預警感知、威脅計算和威脅排序等功能。合理的目標威脅判斷能夠為我方指揮決策和作戰資源分配提供有效的幫助,縮短決策反應時間,提高威脅目標的攔截成功率[1]。

目前,進行威脅判斷的方法主要包括多屬性決策理論[2-4]、模糊邏輯法[5-7]、貝葉斯網絡法[8-10]以及灰關聯法[11-13]。不少學者對其展開研究,并獲得可喜的成果。其中,文獻[14]提出了一種包含區間數的變權目標威脅評估方法,該方法對于極端條件下的威脅指標引起的系統性誤差有良好的調整能力,能夠給出合理的威脅評估結果;文獻[15]利用指標隸屬度和信息熵的方法,求解出各項威脅指標的權重,構建了空間目標威脅評估模型;文獻[16]則利用拉格朗日乘子法求得權系數熵最大的指標權重,結合區間數的不同定義形式建立了基于TOPSIS法的威脅判斷模型。但現有威脅評估模型多是基于離散數據對目標的能力威脅和態勢威脅進行孤立分析,對目標作戰意圖威脅考慮較少,不能準確反映目標的潛在威脅以及威脅變化趨勢。

本文提出了一種基于層次分析法和熵權法相結合的潛在威脅評估方法,該方法結合了層次分析法的主觀性分析和熵權法的客觀數據判斷,通過分析目標的實時連續運動數據,構建了基于威脅機動模型的潛在威脅評估體系。

在港口防御監測中,近岸威脅目標具有隱蔽性強,機動性高的特點,其威脅度波動較大,易造成嚴重的突發事件,如美國海軍驅逐艦“科爾號” 在也門亞丁港遭遇的自殺式爆炸襲擊事件[17]。若能充分利用威脅目標的連續運動信息,提前預測其潛在威脅,便可有效提高對威脅目標的攔截成功率。

1 威脅評估指標及其量化處理

1.1 評估指標的選取

在港口防御中,監測區域的海上近岸目標數量多,隱蔽性強,機動性高,威脅程度難以估計,需要依靠雷達和光電等傳感器獲得的目標狀態信息進行判斷。對于常見的諸如漁船、貨船、汽艇、快艇等海上近岸目標,其威脅影響因素較多,相互關系復雜,且部分信息難以直接獲得。為了與實際作戰相結合,現將威脅因素分為兩方面:屬性方面和行為方面。屬性方面包括目標的威脅類型,目標武器載荷信息,目標無人化信息等;行為方面包括目標速度信息,目標距離信息,目標航向角信息等。具體如圖1。

圖1 海上近岸目標威脅評估指標

1.2 評估指標的量化

由1.1節可知，目標的威脅度是由多方面定性和定量信息共同決定的,部分信息難以用數值直接描述,現采用隸屬度的方法消除目標信息的量綱和數量級差別,對數據進行規范化處理,將其轉換為0～1的無量綱數據。

目標的威脅類型屬于定性指標,對于海上近岸威脅目標,可通過敵我識別器或其他手段判別。本文依據常見的目標類型將該指標分為敵船、未知和民船,對應的威脅量化值根據專家評判如表1所示。當目標為敵船時,威脅最為明顯,故量化值取最大;當無法有效識別目標類型時,存在較大潛在威脅,量化值取適中大小;對于已識別的民船,仍要有一定的警戒意識,取較小值。

表1 威脅類型量化表

武器載荷也屬于定性指標,本文將其分為有明確武器,有潛在武器和未裝備武器三種等級,具體信息可根據光電數據利用深度學習識別判斷或人在回路參與判斷。有明確武器是指可通過人工智能或檢測人員直接識別出目標外部武器裝備,或者根據數據庫信息對比得知;有潛在武器是指目標有隱蔽武器的空間與可能;未裝備武器是指已證實目標沒有負載武器的空間與性能。其威脅度由高到低,量化值適當依次降低,根據專家相關經驗,具體取值如表2所示。

表2 武器載荷信息量化表

無人化指標在這里是指威脅目標的作戰平臺是否無人,本文將其分為有人系統,未知系統和無人系統。在現代作戰中,由于無人系統的非接觸和零傷亡,使得其作戰成本大大降低,潛在威脅更大。故無人系統,未知系統和有人系統的威脅度依次減小,其量化值取值適當依次降低,根據專家相關經驗,具體取值如表3所示。

表3 無人化信息量化表

速度指標的威脅隸屬度函數應滿足速度越大,威脅度越大的特點,根據實際作戰經驗,文本采用上升型指數函數的形式,如式(1)。v0為速度威脅閾值,γv為速度威脅衰減系數,αv為最低速度威脅隸屬度。根據相關經驗,各項取值分別為:v0=5,γv=-0.055,αv=0.2。

(1)

威脅目標離己方保衛目標越近,則其威脅意圖越大,故根據作戰經驗,隸屬度函數可選取下降型指數函數形式,如式(2)。d0為距離威脅閾值,γd為距離威脅衰減系數,αd為最小距離威脅隸屬度。根據相關經驗,各項取值分別為:d0=2,γd=-0.16,αd=0.2。

(2)

威脅目標航向與保衛目標方位越接近,則其威脅度越大。為計算方便,現以威脅目標與保衛目標連線為基準,定義航向偏差角θ,順時針為正,逆時針為負。θ0為航向偏差角威脅閾值,γθ為角度威脅衰減系數,αθ為最小偏差角威脅隸屬度。根據相關經驗,各項取值分別為:θ0=90,γθ=-0.03,αθ=0.2。

(3)

根據以上評估指標模型,可計算出威脅隸屬度矩陣A

A=(aij)m×n

(4)

式中,m和n表示有m個目標和n個威脅指標,aij為威脅目標i的第j個指標威脅隸屬度。

2 基于潛在威脅分析的修正綜合評估模型

2.1 層次分析法與熵權法綜合求權重

權重的確定方法包括主觀賦權法和客觀賦權法,主觀賦權法偏向于專家的直觀經驗,客觀賦權法更側重于數據的嚴謹。現采用主觀賦權中的層次分析法和客觀賦權中的熵權法相結合求常權重。

層次分析法(AHP)通過將復雜問題的各個因素梳理為相互關聯的有序層次,是一種定性與定量相結合的多目標決策分析方法[18]。利用層次分析法求權重具體步驟如下。

1) 構造指標比較矩陣

對于已經構建的指標體系,根據指標層次關系,將相同層級的指標進行兩兩比較,得到各個指標的重要性量化矩陣B,式中n為指標個數。

(5)

矩陣各個元素bij可根據指標相互重要性取值。

2) 計算相對權重

根據判斷矩陣,求出其最大特征根λmax及其對應的特征向量w,方程如下

Bw=λmaxw

(6)

所求特征向量w經歸一化處理,即各個指標的相對權重。

3) 一致性檢驗

以上求得的權重是否合理并符合專家的評判標準,還要通過一致性檢驗來確定。

熵本來是一個熱力學概念,后由C.E.Shannons引入信息論,定義了信息熵,如果某指標信息熵越小,則其能提供的信息量越大,在評價體系中所占的權重應當更大[19]。對于m個目標,n個指標的威脅評價體系,具體權重求解步驟如下。

1) 根據威脅隸屬度矩陣A求出標準化矩陣P

由上一節求出的威脅隸屬度矩陣A,可求出第j個威脅指標下目標i的威脅占全部m個目標威脅的比重,即矩陣P中各個元素pij為

(7)

2) 求出各個指標的信息熵

(8)

3) 求解各個指標權重

(9)

綜上,利用層次分析法求得的權重向量和熵權法求得的權重向量,可得綜合權重

(10)

2.2 基于潛在威脅分析的修正綜合評估

戰場態勢時刻不斷在變化,對于目標的威脅評估也是一個動態的過程。我們可以根據目標不斷變化的運動態勢分析其潛在威脅,通過構建基于威脅機動模型,對目標威脅度進行修正評估,如圖2所示。

圖2 威脅機動模型

威脅目標在執行作戰任務時,會進行必要的威脅機動,此時部分威脅指標會連續增大,如航向角不斷偏向保衛目標或航速不斷增大。即使此時威脅評估指標的隸屬度并不大,但根據其作戰意圖及指標的增長率可預測其后續威脅會不斷增大,即當前存在潛在威脅。為更好防范突發威脅事故,應對現有威脅評估系統進行潛在威脅修正。

假設對于傳感器實時監測的威脅目標信息,即每隔ΔT監測周期進行抽取分析,可得到T1,T2,T3…Ts時刻m個目標的n項指標的威脅判斷信息。如果第i個目標的j項指標威脅隸屬度從T1時刻到當前Tk+1時刻連續K個監測周期持續增大,則定義該威脅目標進行了K周期的威脅機動,進行如下綜合動態修正威脅評估:

(11)

(12)

式中，aij(TK)為TK時刻第i個目標的j項指標的威脅隸屬度,ηj為j項指標的綜合權重,rij為基于威脅運動的修正系數,fij(TK+1+k)為根據T1時刻到Tk+1時刻該指標威脅隸屬度相對時間的擬合函數,K為監測周期,可根據實際需求取值。

3 威脅評估仿真分析

設某一時間段我方港口監測系統探測到5批近岸海上目標,光電與雷達獲取的目標在T1～T4時刻內目標的威脅類型、武器載荷、無人化、速度、距離和航向角等信息如表4所示。

表4 T1～T4時刻目標特征信息

基于潛在威脅分析的海上近岸目標威脅評估的流程如下。

1) 計算目標隸屬度矩陣

對屬性表進行量化求解,得到目標的隸屬度矩陣A(T1),A(T2),A(T3)和A(T4)：

2)結合層次分析法與熵權法綜合求權重

對于層次分析法:首先通過專家評議,得到表5的重要性比較表格,然后利用和積法,得到其正規化矩陣B與特征向量w。

表5 指標相對重要性比較

最大特征根為λmax=6.1182,CR=0.01906<0.1滿足一致性檢驗。

對于熵權法:獲得目標權重向量為:

故綜合常權重:

如果直接利用該常權重計算可得不同時刻威脅度:

各個目標T1～T4時刻的威脅隸屬度如圖3～6所示。

圖3 T1時刻各個目標威脅隸屬度

圖4 T2時刻各個目標威脅隸屬度

圖5 T3時刻各個目標威脅隸屬度

圖6 T4時刻各個目標威脅隸屬度

即不同時刻威脅度排序均為D3>D2>D1>D4>D5。

3)基于潛在威脅分析的修正綜合評估

根據T1～T4時的威脅隸屬度矩陣,現取K=3,k=1,對于符合威脅運動定義的指標,對其采用多項式擬合,求出對應fij(T5),并依據式(12)求得其修正系數rij。本案例中目標D1的速度和角度指標符合威脅運動定義,對其計算后得到r14=1.1692,r16=1.0453,代入修正后得到威脅度

綜合修正威脅隸屬度如圖7所示。

圖7 各個目標綜合修正威脅隸屬度

威脅度排序與修正前所有時刻都大致相似,為D3>D1>D2>D4>D5。主要區別為D1目標的威脅 度有所提高,現對于D1目標進行分析:其運動狀態為持續加速,并轉向保衛目標,具有明顯的威脅行為,在各個孤立時刻,其威脅度綜合評估都并沒有D2目標大,但按照其當前運動趨勢,其威脅度會逐步超過目標D2,即D1目標在當前時刻有極大的潛在威脅。此威脅度排序符合實際情況。

4 結束語

對于以往目標威脅評估模型中,對威脅目標歷史運動信息應用不足的缺點,本文通過對目標連續運動信息的分析,構造威脅運動模型,建立了基于潛在威脅分析的海上近岸目標威脅評估體系。與以往離散分析的模型相比,該模型能夠更好地預測威脅目標的作戰意圖,為作戰指揮人員提供更多的反應時間,具有一定的軍事價值。