基于专家系统的反导决策模糊知识库设计*

翁 墨 王书齐 马 良

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院舰船指挥系 大连 116018)

基于专家系统的反导决策模糊知识库设计*

翁 墨1王书齐2马 良2

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院舰船指挥系 大连 116018)

基于专家系统,分析了模糊知识库的基本原理,提出了舰艇反导辅助决策模糊规则的制定依据,给出了模糊决策规则的建立步骤和方法,构建了模糊决策模型,通过算例验证了基于专家系统的模糊知识库在水面舰艇反导辅助决策方面的可行性和科学性。

专家系统; 决策规则; 模糊知识库

Class Number TP391

1 引言

现代海战中战场态势瞬息万变,水面舰艇编队海上作战面临多方面的生存威胁,尤其是在敌情信息获取不完备、我方反导武器装备数量有限的情况下,能否按照上级的作战意图,根据具体战场态势迅速、准确地制定反导决策是一个急需解决的问题。以往水面舰艇防空反导作战都是根据指挥员的经验来判断并组织实施的,这样的反导决策客观性不足,很难根据当时的战场态势实时进行调整,会带来反导决策失误的风险。

目前,研究反导决策问题主要侧重防空效能分析,一般采用定性分析与排队论方法等进行研究[1]。但这些方法都是基于确定信息的反导作战,无法解决在不确定信息情况下的反导作战决策问题。专家系统能够定性分析辅助决策,它和以定量分析辅助决策的支持决策系统结合,进一步提高了辅助决策能力,是决策支持系统发展的新阶段。

2 模糊知识库

模糊知识库是舰艇反导辅助决策系统的核心之一,其中存放着由舰艇反导专家总结出来的有关知识与规则。与一般知识库不同的是,这些知识和规则可以是模糊的、不确定或不完全可靠的。

2.1 模糊知识获取方法

知识获取是解决知识存有量的问题,它直接影响到专家系统的求解水平。只有获取足够多的领域知识,专家系统才能发挥求解领域问题的功能,得到正确的结论。知识获取的途径可分为两种:一种是由领域专家提供,知识工程师借助知识编辑系统把知识存入到计算机中;另一种途径是通过计算机的自我学习,从处理问题的过程中获得知识、积累知识、自动获取知识[2]。知识的自动获取是一个难题,在本系统中,主要采用第一种方法获取知识,自动获取知识是我们下一步的研究目标。

图1 知识提取过程

2.2 模糊知识表示形式

本系统采用的是目前应用最为广泛的产生式知识表示法,产生式知识表示方法具有表式方式与人类思维方式相似、知识维护简单、在知识库中更改不改变知识库中其它知识等优点。

2.2.1 模糊规则表示形式

舰艇反导辅助决策模糊专家系统模糊知识库中的模糊规则表示形式如下[3]:

Rule:

IFA1(W1)∧A2(W2)∧…∧An(Wn);

THENH(CF(B,A),λ)

其中A1,A2,…,An表示规则中的各模糊前提条件(敌来袭目标的各种信息:目标属性、威胁判断、飞行速度、航路捷径及我方舰空导弹战术性能等);W1,W2,…,Wn表示各前提条件在进行反导决策中的重要程度所占的权重。

2.2.2 输入事实的表示形式

系统输入的初始事实是由我方侦察预警系统获取的敌来袭目标兵器信息以及我方舰空导弹的配置、性能参数等信息,这些信息可能是不确定、不完整的、带有模糊性的。通过侦察设备获取的来袭目标信息通过模糊化处理后,变为系统的初始输入信息,系统通过这些初始输入信息与模糊知识库中的规则进行匹配,按照设定的匹配方法及冲突消解策略,激发匹配成功的规则,并进行后续舰艇反导辅助决策动作。

本系统事实的表示形式为

Ai=(Ai1/λi1+Ai2/λi2+…+Ain/λin)

(1)

其中,0

3 舰艇反导辅助决策模糊规则的制定依据

在舰艇反导辅助决策规则制定中,从我方预警探测到目标到完成发射舰空导弹,有许多中间环节。为了构建模型的方便,本文着重选取其中四个典型拦截约束条件来制定反导辅助决策:

3.1 我方准备状况

我方准备状况指在舰空导弹单元对目标的拦截前以及在拦截过程时,舰空导弹单元的工作状态良好,没有出现故障以及有可用导弹。

火力单元状态:

(2)

IF (Si=0);THEN(该导弹单元对敌打击效果差);

IF (Si=1);THEN(该导弹单元对敌打击效果好,继续进行拦截条件判断)。

3.2 威胁评判

根据文献[4],威胁评判主要包含以下方面:

1) 目标距离:一般目标距离越近,威胁越大,但当距离小于来袭目标的攻击距离时,距离越近,威胁越小。

2) 目标速度:目标速度越快,突防概率就越高,对我保卫目标威胁越大。

3) 目标高度:对空中来袭目标而言,高度越低,威胁越大。

4) 目标类型:目标的数量越多、功能越全、作战性能越强,其对我保卫目标的威胁程度越大。

5) 远离临近:当目标向我目标临近飞行时,其威胁很大,而当目标背离或偏离我保卫目标飞行时,其威胁就很小。

6) 电子干扰:目标的电子干扰也是对我保卫目标构成威胁的因素之一。目标的电子干扰能力越强对我保卫目标的威胁就越大。

3.3 拦截约束条件

1) 拦截的空间约束条件

拦截的空间约束条件[5]即目标必须出现在导弹火力单元的发射区内时,导弹火力单元才能对目标射击。在本系统中,为了使问题得到相对简化,只把目标的目标斜距rij、方位角αij、俯仰角βij、速度Vj和飞行高度Hj作为空间约束条件判断的主要评判标准。

相应的空间约束条件规则为

THEN (该导弹单元可对目标射击,继续进行拦截条件判断)。

2) 拦截的时间约束条件

若满足拦截的空间约束条件,接下来还要检查时间约束条件,即飞临时间tij满足:

tij>Tmin+tzy

(3)

相应的时间约束条件规则为

IF (tij>Tmin+tzy);

THEN (该导弹单元可对目标射击)。

3.4 我舰空导弹武器系统的制导精度

制导误差按其产生的原因可分为动态误差、起伏误差和仪器误差三类。

总的制导误差(r向量)由动态误差(rd向量)、起伏误差(rc向量)和仪器误差(rs向量)组成。它们之间的关系为

r=rd+rc+rs

(4)

4 反导模糊决策规则的建立

基于模糊粗糙集的舰艇反导辅助决策知识发现过程,就是从获得的相关原始观察数据中,提取正确的、非平凡的、未知的、有潜在应用价值的知识,通过专家支持系统的咨询,用模糊粗糙集理论与方法[7],构建符合舰艇反导辅助决策的模糊决策模型,以获取所需要的模糊推理规则。

4.1 构建舰艇反导辅助决策的连续值型决策表

表1 连续值型决策表

基于专家意见和作战经验,构建专家知识库,建立舰艇反导辅助决策连续值型决策表(U,A,F,B)[8]。其中:U={x1,x2,…,x5}表示五种战场环境。A={A1,A2,A3,A4}表示取值为连续值的条件属性。条件属性取值函数为F={f1:U→[α,β]}。决策属性B取值函数为B:U→VB=[α′,β′],定义为指挥方式的集散程度。

4.2 连续值型决策表转化为模糊型决策表

表2 模糊型决策表

4.3 计算模糊型决策表的包含度

选择包含度计算公式[10],计算各种模糊属性组合在各种模糊决策中的包含度:

kl=1,2,3;j=1,2

(5)

定义组合属性在决策目标中最大的包含度为

(6)

4.4 获取模糊推理规则

Rule1:

Rule2:

Rule3:

…

Rule33:

Rule34:

Rule35:

5 结语

采用基于专家系统的模糊决策知识库可以为水面舰艇反导辅助决策提供科学依据和可行方法,对解决复杂军事问题的决策制定具有一定的借鉴作用。

[1] 王红军.编队协同抗导决策关键技术研究[D].大连:大连理工大学,2007:33-35.

[2] 左震.基于规则推理的靶场资源辅助决策系统[J].电子设计工程,2009(5):102-104.

[3] 胡明华.基于GPRS技术的汽车运行状态远程监测及故障预测专家系统研究[D].重庆:重庆交通大学,2009:8-20.

[4] 王凯.基于决策支持的空袭兵器威胁度评估专家系统[D].重庆:重庆大学,2006:20-38.

[5] 孙涛.舰艇编队防空火力分配多准则微分对策模型研究[J].舰船电子工程,2010(5):42-46.

[6] 陈立新.防空导弹网络化体系效能评估[M].北京:国防工业出版社,2007:122-133.

[7] 黄正华.模糊粗糙集理论研究[D].武汉:武汉大学,2005:10-18.

[8] 张肃.基于模糊粗糙集与模糊推理的作战指挥方式决策分析[J].空军工程大学学报,2010(1):82-86.

[9] 何湘藩.多层结构的模糊分级聚类方法[J].系统工程理论与实践,1996(4):99-106.

[10] 雷英杰.基于直觉模糊推理的态势与威胁评估研究[D].西安:西安电子科技大学,2005:22-30.

Anti-missile Decision Fuzzy Knowledge Base Design Based on Expert System

WENG Mo1WANG Shuqi2MA Liang2

(1. Postgraduate Management Group, Dalian Navy Academy, Dalian 116018) (2. Warship Command Department, Dalian Navy Academy, Dalian 116018)

Based on expert system, the paper analyses the principle of fuzzy knowledge base, puts forward establishment basis for anti-missile assistant decision fuzzy knowledge base, presents the establishment step and way of fuzzy decision, constructs fuzzy decision model, proves the feasibility and scientifical-ness of the fuzzy knowledge base in solving anti-missile assistant decision through examples.

expert system, decision rule, fuzzy knowledge base

2014年5月13日,

2014年6月17日 作者简介:翁墨,男,硕士研究生,研究方向:海军水面舰艇战术。王书齐,男,博士,教授,研究方向:海军水面舰艇战术与指挥决策分析。马良,男,博士,讲师,研究方向:海军水面舰艇战术。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.030