模式識別技術(shù)在智慧裝備體系的應(yīng)用與分析

北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王 冠 易 航

大縱深、智能化、信息化、立體化、自主化的無人體系對抗，已成為瞬息萬變的未來戰(zhàn)場的突出特點。在新的戰(zhàn)場對抗模式與戰(zhàn)略作戰(zhàn)思想指導(dǎo)下，進一步提升裝備性能與智慧化水平已成為未來裝備發(fā)展的必然趨勢。作為人工智能模式識別領(lǐng)域的三大支柱，模擬人類語言的自然語言處理技術(shù)、模擬人類視覺的計算機視覺技術(shù)和模擬人類聽覺的語音識別技術(shù)，是使裝備對外界產(chǎn)生各種感知能力的重要技術(shù)途徑與手段，正逐步成為現(xiàn)代智能科學(xué)的核心探索方向之一。

一、戰(zhàn)場態(tài)勢理解與指揮控制

戰(zhàn)場態(tài)勢理解與指揮控制作為裝備體系作戰(zhàn)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，扮演著智能大腦的角色，而裝備體系的地面測發(fā)控、安全控制與綜合保障則側(cè)重于籌劃和協(xié)同。通過人工智能模式識別技術(shù)對指控、測發(fā)控、安控、綜保進行智能化升級，能夠有效提升態(tài)勢認(rèn)知、決策籌劃的效率和精準(zhǔn)度，以及行動主體的智能化、自主化程度，使兵力、火力、信息力和作戰(zhàn)任務(wù)密切融合在一起，從而形成高效精確的感知、判斷、決策、控制、評估閉環(huán)。

（一）基于信息實體映射的數(shù)字孿生戰(zhàn)場

隨著智能戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷推進，信息將具備大數(shù)據(jù)的特征，指揮人員將很難及時對戰(zhàn)場的態(tài)勢做出判斷，信息—實體映射（CPS）將是革命性改變戰(zhàn)術(shù)決策的一項技術(shù)。基于信息—實體映射技術(shù)，將裝備體系在信息域內(nèi)構(gòu)建虛擬的數(shù)字戰(zhàn)場，使得實體空間的裝備在戰(zhàn)場中的任意改變均可在信息域內(nèi)呈現(xiàn)出來，在信息域內(nèi)的每一項決策將直接驅(qū)動裝備的實際運行，而且這種映射關(guān)系基于多維、復(fù)雜和深刻的模型。以此構(gòu)建出實體空間與賽博空間相互映射、相互指導(dǎo)、相互迭代、“虛實一體”的智能系統(tǒng)，將裝備體系虛化為多維、全域、可視的戰(zhàn)場，為指揮決策提供最直接、最有力的支撐。

（二）基于非合作目標(biāo)識別的敵我裝備識別

模式識別技術(shù)可以進一步提升裝備自動識別敵我目標(biāo)的能力。以空天場景為例，非合作目標(biāo)識別是目前最先進的敵我戰(zhàn)斗機識別手段，其基本原理是：通過雷達(dá)探測目標(biāo)的發(fā)動機風(fēng)扇或者渦輪葉片，并與儲存在數(shù)據(jù)庫里的資料進行比較，從而告知飛行員其所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)是哪種型號的飛機。但是，為了使非合作目標(biāo)識別更加有效，戰(zhàn)斗機必須正對著目標(biāo)的進氣道或者發(fā)動機尾噴口飛行，如果目標(biāo)處于側(cè)向位置，判斷就會變得比較困難。這種識別方式主要用于識別飛機機型，但是并不能判斷該機的國別。

（三）基于知識圖譜與模式識別的戰(zhàn)略態(tài)勢感知及分析

態(tài)勢感知平臺的主要任務(wù)是對國家空間戰(zhàn)略網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)情報進行智能收集、整理與分析。利用網(wǎng)絡(luò)情報與輿情處理技術(shù)，挖掘目標(biāo)國家在裝備水平、國力狀況、高層動態(tài)、民眾傾向、技術(shù)熱點、區(qū)域氣候6個相關(guān)領(lǐng)域的態(tài)勢信息。網(wǎng)絡(luò)情報數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)組織非合作、信息稀疏、內(nèi)容殘缺、關(guān)聯(lián)復(fù)雜等特點，為了實現(xiàn)從海量數(shù)據(jù)中抽絲剝繭，挖掘潛在情報，需要利用知識圖譜相關(guān)技術(shù)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的領(lǐng)域情報數(shù)據(jù)進行本體建模，進而實現(xiàn)對情報的關(guān)聯(lián)分析和推理。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)情報數(shù)據(jù)需要配套高效的圖數(shù)據(jù)庫，以支撐高復(fù)雜度的情報計算和推理模型，從而使該平臺具備行為模式預(yù)測和威脅程度評估的能力，以進一步達(dá)到戰(zhàn)略預(yù)警的目的。基于知識圖譜與模式識別的戰(zhàn)略態(tài)勢感知分析平臺框架如圖1所示。

圖1 基于知識圖譜與模式識別的戰(zhàn)略態(tài)勢感知分析平臺框架

相對于情報數(shù)據(jù)的整合與分析，國家空間戰(zhàn)略分析與威脅評估應(yīng)用的模態(tài)設(shè)計也同樣重要。而基于模式識別技術(shù)研究的符合情報挖掘規(guī)律的新型人機交互模態(tài)，能夠針對情報分析缺少人工干預(yù)的問題，開發(fā)引導(dǎo)式情報挖掘分析交互模態(tài)；針對情報展示不直觀問題，研發(fā)基于地理信息空間的情報可視化方法；針對情報分析缺少領(lǐng)域定制的問題，面向先進技術(shù)學(xué)者情報、政府軍隊采購招標(biāo)情報、企業(yè)情報、政要人員情報、特定事件人員背景情報、非政府組織情報開展定向研究。國家空間戰(zhàn)略分析與威脅評估應(yīng)用如圖2所示。

運用知識圖譜與模式識別可以實現(xiàn)的戰(zhàn)略態(tài)勢感知分析功能包括：

（1）綜合國力分析（Economics and Natural Resources）；

（2） 國家軍方/政要人員信息及社會關(guān)系（Important Personnel Information）；

（3）國家高層任命動態(tài)（Senior Appointments）；

（4）武器裝備采購（Weapons of Mass Destruction and Proliferation）；

（5）軍事演習(xí)分析（Military Exercise）；

（6）重點國家戰(zhàn)略計劃與事件（National Strategy）；

（7）群眾輿情傾向評估（Public Opinion）；

（8）政府輿論宣傳（Government Publicity）；

（9）區(qū)域天氣指標(biāo)（Weather）；

（10）網(wǎng)絡(luò)攻擊模式評估與威脅預(yù)測（Cyber Threat）；

（11）新興與顛覆性技術(shù)的跟蹤與發(fā)現(xiàn)（Emerging and Disrupting Technologies）；

（12）恐怖組織行為模式分析與威脅預(yù)測（Terrorism）；

（13）武器裝備殺傷力量化評估（兵棋化）（Wargame）；

（14）復(fù)雜環(huán)境（天氣）下指定區(qū)域發(fā)射態(tài)勢評估（Weapons under Weather）；

（15）空天威脅評估與模擬對抗（Space and Counterspace）；

（16）國家軍方/政要人員行為模式分析與預(yù)測（Behavior Pattern）；

（17）輿情引導(dǎo)與控制（Public Sentiment Guidance）；

（18）網(wǎng)絡(luò)信息真?zhèn)舞b定（Information Authenticity）。

（四）基于智能問答系統(tǒng)的虛擬助手

基于智能問答系統(tǒng)的虛擬助手能夠?qū)Ａ康亩嘣辞閳筮M行分析并提供交互式問題解答，美軍的數(shù)字企業(yè)多源開發(fā)助手（MEADE）即是基于智能問答系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)并應(yīng)用于裝備體系的代表產(chǎn)品。

圖2 國家空間戰(zhàn)略分析與威脅評估應(yīng)用

隨著所收集情報數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度、速度、種類和數(shù)量增加，多源情報分析的效率也需要相應(yīng)地提高。2018年1月，美國空軍發(fā)布了“數(shù)字企業(yè)多源開發(fā)助手”項目的公告，尋求研發(fā)一種交互式問題解答系統(tǒng)，以將其作為虛擬助手幫助分析人員處理海量的復(fù)雜情報數(shù)據(jù)，更好地從對手的相關(guān)信息中發(fā)現(xiàn)和解讀其布局和態(tài)勢。

該項目所尋求的能力不是簡單地羅列潛在情報來源，讓分析人員自己解決問題，而是能夠直接回答問題或者通過與用戶交互，協(xié)助引導(dǎo)情報分析人員找到答案。在該項目中，交互式問題解答中的“交互”包括2個方面，一是用戶與軟件進行交互，另一個是不斷地響應(yīng)用戶的輸入，使得問題更加明確并提升答案的滿意度；該項目不僅可以支持情報分析，還可用于決策制定。該項目的終極目標(biāo)是任何人員無論技術(shù)能力如何都可以完成復(fù)雜的分析任務(wù)。

MEADE項目包含2個重點關(guān)注領(lǐng)域：“實時操作員驅(qū)動的要點探索與響應(yīng)”（ROGER）及“交互式分析和情境融合”（IACF），如圖3所示。

ROGER是一個會話式問答系統(tǒng)，研究人員開發(fā)了一個分析助手，其能夠提供便捷的接口來支持交互式搜索、信息檢索，并在給定的問題空間中進行分析。該系統(tǒng)整合了多情報源搜索/檢索、自然語言處理、推薦引擎、應(yīng)用分析和問答系統(tǒng)等，在云或分布式計算環(huán)境中運行。ROGER會充分利用用戶的行為和提示信息來判斷是否已有直接可用的答案。

而在IACF中，研究人員將開發(fā)情境融合與預(yù)測分析能力為給定態(tài)勢找到最好的行動方案。此外，該領(lǐng)域需要研究與ROGER的交互方法，所開發(fā)出的技術(shù)能夠回答ROGER驅(qū)動的分析性問題，至少包括以下內(nèi)容：針對多源情報的數(shù)據(jù)分析；跨多平臺或多傳感器的情境融合；用戶和實體的行為分析；使用結(jié)構(gòu)化敘述或類似的通用語義表達(dá)來組織信息；相關(guān)軟件；提供響應(yīng)時間、精確度等評價指標(biāo)。

二、地面測發(fā)控、安全控制與綜合保障

（一）基于深度目標(biāo)識別的裂紋檢測

在裝備制造生產(chǎn)過程中，裝備表面局部的凸起、凹坑、裂紋等缺陷很可能是由生產(chǎn)工藝和環(huán)境等因素造成的；若裝備的誤差超過了設(shè)計指標(biāo)要求，那么不僅會對裝備的正常發(fā)射產(chǎn)生影響，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此，在發(fā)射之前需要對裝備表面開展嚴(yán)格的缺陷檢查。

圖3 MEADE項目概念視圖

目前，通常采用的方案是由爬壁機器人將采集的圖像傳輸至遠(yuǎn)端，然后再進行人工檢測。這種方法不僅耗費人力，并且由于存在主觀因素的影響，易導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。而采用機器視覺的方法進行缺陷檢測，測量速度快，測量精度高，而且能夠不間斷地進行檢測，同時，該方法還可降低工作人員勞動強度，提高生產(chǎn)效率，能夠?qū)θ毕莸男螒B(tài)和類型進行鑒別與統(tǒng)計，具有人工檢測無法比擬的優(yōu)越性。此外，隨著計算機算力的提升與深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的檢測算法的性能大大超過了傳統(tǒng)方法。基于傳統(tǒng)特征的方案需要手工設(shè)計特征，而基于深度學(xué)習(xí)的算法能夠自動學(xué)習(xí)特征，因此，檢測能力相比傳統(tǒng)方法也得到了較大的提升。

（二）基于3D掃描的設(shè)備測量

3D掃描技術(shù)是質(zhì)量控制和地面檢測團隊的制勝利器，可以直接對各種幾何特征進行3D 測量，如孔定位、邊緣定位、表面點等。尤其對于檢測大型項目和2～10m的部件，可獲得較高的測量精度，體積精度可達(dá)0.015mm/m。

（三）基于語音識別的測試口令識別

智能化測試口令識別主要解決的問題是在測試環(huán)境嘈雜的工況下如何準(zhǔn)確高效地實現(xiàn)將指揮人員、測試人員的口令翻譯成設(shè)備指令。目前，已經(jīng)開展的相關(guān)項目有：美國國防部高級研究計劃局（DARPA）于2002年啟動的高效低耗多用途語音文字轉(zhuǎn)換項目（Effective Affordable Reusable Speech-to-text，EARS）和美國國防情報部門于2011年發(fā)起的語言自動可靠轉(zhuǎn)錄項目（Robust Automatic Transcription of Speech,RATS）。基于語音識別的測試口令識別技術(shù)在我國運載火箭測發(fā)控領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，目前已有部分型號實現(xiàn)了基于該項技術(shù)的高效指控。

（四）基于姿態(tài)估計、場景語義分割的暴恐識別

近年來，全球暴恐案件呈高發(fā)態(tài)勢，暴恐圖片及視頻違法傳播形勢嚴(yán)峻，暴恐識別技術(shù)有助于有效發(fā)現(xiàn)并鏟除網(wǎng)絡(luò)暴力圖片及視頻，同時，也能很好地應(yīng)用于裝備作戰(zhàn)體系，例如，識別可疑行為、可疑障礙物、可疑人員，識別暴恐組織的標(biāo)志、符號、旗幟，識別槍支、管制刀具及其持有者，識別政治敏感人物、已知恐怖分子頭目，識別特殊著裝人群，識別游行、斗毆、焚燒等暴亂場景，識別大型作戰(zhàn)裝備（如坦克、戰(zhàn)斗機），以及成群的軍人等戰(zhàn)爭場景，如圖4所示。

圖4 暴恐識別技術(shù)的應(yīng)用

三、結(jié)束語

人工智能模式識別技術(shù)作為信息化時代技術(shù)革命與軍事革命的關(guān)鍵技術(shù)，為體系裝備智能化發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景，提前布局未來戰(zhàn)場中的自主智慧力量將直接影響國家戰(zhàn)略格局甚至國際競爭力。將圖像識別、語音識別和自然語言處理等核心技術(shù)有效地引入智慧裝備體系中，將顯著提升裝備的命中精度、制導(dǎo)精度、安全性能、反應(yīng)速度、綜合保障質(zhì)量、毀傷能力、地面測試能力與戰(zhàn)場態(tài)勢理解。因此，基于人工智能的模式識別理論和技術(shù)將成為國內(nèi)外未來智慧裝備系統(tǒng)研制中不可或缺的重要手段與力量。