基于BP神经网络的飞机抗毁伤能力评估*

2018-11-13余丽山李彦彬赵永龙

弹箭与制导学报 2018年1期

余丽山,李彦彬,赵永龙,包博

(空军工程大学防空反导学院,西安 710051)

0 引言

在现代战争中,夺取制空权对战争的局势起着决定性的作用。飞机作为空战的主要武器,在高科技、信息化的今天,面临着人类历史上最复杂、最尖端的作战环境。如何保证飞机在作战时,在不减少其战斗力,能较好完成战斗任务的前提下,提高承受或者躲避其应对敌对环境的能力,即提高飞机的抗毁伤能力,是目前飞机设计人员以及作战指挥人员主要考虑的因素之一[1-2]。

关于飞机的抗毁伤能力,文献[3]中定义飞机的毁伤概率PK=PHPK/H(PH表示目标的敏感性,PK/H表示目标的易损性),故前人大多从降低飞机的敏感性或者易损性来考虑提高飞机的抗毁伤能力[4]。然而敏感性考虑的是飞机被敌方发现并被击中的问题,飞机易损性考虑的是承受打击的能力问题。若单从这两方面考虑飞机的抗毁伤能力,存在一定的片面性。飞机的抗毁伤能力与飞机损伤后的战伤修复性以及与飞机主动消灭威胁源也有一定的关系。文中从飞机的敏感性、易损性、战伤抢修性和作战能力四个方面分析飞机的抗毁伤能力,根据飞机抗毁伤能力评估指标参数训练神经网络,最后形成可对飞机抗毁伤能力进行预测评估的BP神经网络结构。

1 飞机抗毁伤能力评估指标体系

当飞机执行作战任务时,会受到敌战斗机、防空导弹等武器的攻击。飞机的敏感性与易损性越低,抗毁伤能力越高。除此之外,可以提高飞机的作战能力[5],从主动攻击方面消灭危险源,从而提高飞机的抗毁伤能力;提高飞机的战伤抢修能力[6],是在飞机受到敌方武器攻击受伤后,从被动防御上提高飞机的抗毁伤能力。因此,文中从飞机的敏感性、易损性、战伤抢修性以及作战能力四个方面进行分析,建立了飞机抗毁伤能力评估指标体系。

1.1 敏感性

敏感性指的是飞机被诸如红外、雷达或其他的探测装置探测到后,被破片、高能激光束、冲击波或动能弹丸等威胁物体击中的可能性,可用PH表示。与飞机敏感性有关的因素有:飞机自身的特性(如较小的雷达散射面积;高机动性,躲避对方的威胁攻击);飞机上的对抗装置(如用于压制跟踪雷达的反雷达导弹,欺骗导弹或者防止被探测的电子对抗装置);飞机运用的战术(如利用地势、地形、气候等自然条件避免被探测到)[7]。飞机敏感性:

PH=PAPDITPLGD

(1)

式中:PA表示威胁源主动做好准备攻击飞机的概率;PDIT表示飞机被敌方威胁源探测、识别和跟踪的概率;PLGD表示飞机被威胁源发射、开火击中的可能性。

1.2 易损性

文中易损性是指结构易损性,根据我国的军用标准GJB/Z202—2001中的定义:易损性是在某种人为的敌对环境中,飞机由于遭受不同等级的威胁机理,完成任务的能力受到降低限定等级的一种系统特性,通常用PK/H表示[8]。

(2)

式中:AV表示由单个破片或者侵彻体撞击而引起的飞机易损性可用的总易损面积;AP表示在垂直于毁伤元的入射方向飞机的呈现面积。

AV与威胁对飞机的杀伤模式、威胁的种类、威胁打击的方向和速度以及飞机部件的材料、尺寸和飞机处于杀伤区的位置等因素有关。飞机易损性与飞机致命性部件的装置和设计手段(如有效地将发动机分开)、致命性部件在遭受打击后继续工作的能力等因素有关。

1.3 战伤抢修性

飞机战伤抢修性(aircraft combat resilience,ACR),指的是在作战环境下,利用有限的时间和资源对战伤飞机进行应急修理,使战伤飞机迅速的恢复到自救或者具有完成某种任务的能力,从而提高飞机的抗毁伤能力。战伤抢修可以使飞机在最短的时间内,转入战斗状态,保证飞机最大的出动架次以及完成任务的能力。战伤抢修性可用飞机的可靠性、维修性、保障性表示。

1)可靠性

可靠性(reliability)是指在无故障、无退化或者不要求保障系统的条件下,飞机及其组成部分执行其规定功能的能力[9]。可靠性可分为基本可靠性和任务可靠性。在规定的条件和时间内,飞机的寿命单位数与故障的总次数之比为平均故障间隔时间(MTBF),常用其表示飞机的可靠性。

(3)

式中:TMTBF为平均故障间隔时间;T0表示飞机工作时间;Nf表示故障总数。

2)维修性

维修性(maintainability)表示在规定的条件和时间内,用规定的方法和程序对飞机进行维修,使飞机恢复到其完成作战任务的能力,可分为基本维修性和任务维修性。维修性可用平均修复时间(MTTR)表示。

(4)

式中:TMTTR表示平均修复时间;λi表示第i个可修部件的故障率(1/h);TMTTR,i表示第i个可修部件的平均修复时间。

3)保障性

保障性是飞机的设计特性以及计划的保障资源能够满足飞机作战使用的能力。飞机的保障性常用飞机的使用可用度A0来表示。

(5)

式中:TMDT为平均维修时间与保障延误时间的总和。

1.4 作战能力

作为武器平台的军用飞机,可挂载激光武器、导弹等先进的制导杀伤性武器,其对威胁源的主动攻击能力是客观存在的。军用飞机主动自主防御,即通过拦截、摧毁或损伤飞行的威胁物,降低或者消除威胁[10]。通过飞机的作战能力,对威胁实施进攻的“硬杀伤”,从而提高飞机的抗毁伤能力。

军用飞机的作战能力主要表现为发现、击中、毁伤威胁目标,可用PKK表示。

(6)

飞机抗毁伤能力评估指标体系如图1。

2 BP神经网络

飞机抗毁伤能力评估的实质是飞机与危险源之间的多属性决策问题,具有模糊性和不确定性,人工很难描绘各指标之间的关系,只能通过经验参数或者飞机的性能参数为飞机抗毁伤能力评估提供科学的方法。BP神经网络可以经过训练对指标的权值和阈值不断修正,把威胁评估的误差降到指定值,同时避免了人的主观思想对评估的影响。

BP神经网络的原理是:经过输入层的样本数据归一化处理后,训练隐层和输出层的权值和阈值。样本数据经过隐层和输出层的计算,通过神经元输出,输出值与期望值比较是否达到设定的精度,若精度不符合要求,误差经输出层返回训练,修改权值和阈值直到达到误差精度或达到训练次数,停止训练。即通过训练找到合适的权值和阈值来拟合样本数据,并对需要的数据进行预测[11]。

文中采用三层BP神经网络,经证明任何复杂的函数都可以用三层神经网络来逼近[12],其具有很强的拟合非线性映射的能力。

三层BP神经网络结构如图2所示,包含输入层、隐层和输出层。隐层中采用tansig传递函数,权值矩阵为IW,阈值为b1。输出层采用purelin传递函数,权值矩阵为LW,阈值为b2。