基于贝叶斯网络的海战场全域空间电磁攻防行动控制评估

王 楠，郭 锐，韩佳佳

(海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

现代海战电磁攻防作战行动地位突显，贯穿于作战行动的始终，能否在全域空间夺取主要作战方向、重要作战时节、关键作战行动的制电磁权，对整个作战行动的成败有重大影响。全域空间涵盖太空、海空、海面、水下、陆岸等多维空间，使用了包括军用侦察卫星、空中预警(警戒)机、电子对抗飞机、隐形战斗(轰炸)机、反辐射导弹、红外夜视和激光制导系统等在内的各种先进电子战装备，只有牢牢地掌控海战场全域空间制电磁权，才能进一步赢得制空权和制海权。

1 评估的基本原理和总体过程

1.1 基本原理

海战场全域空间电磁攻防行动控制(Control for Sea Battlefield Electromagnetic Attack and Defense Operation in Macrocosm)可以定义为敌对双方在进行海上作战活动的全域空间里(包括一定的海域、相关的空域、太空及濒海陆岸和岛屿等)，为夺取制电磁权而对兵力所展开的电子侦察、电子进攻与电子防御行动的掌握和调控。一般条件下电磁攻防行动可以依靠指挥人员的作战经验进行控制，但在复杂的全域空间内，影响电磁攻防行动判断的因素增多，涉及辐射源种类多，辐射范围广，影响程度大，导致控制电磁攻防行动的难度进一步增大，直观上的定性分析难以满足科学、准确判断的需要，量化评估全域空间电磁攻防行动的效果，有助于实现指挥人员战场判断的主观与客观相一致，保证指挥决策的科学性与准确性。海战场全域空间电磁攻防行动控制的基本原理是指挥人员根据全域空间初始电磁态势和临战电磁态势，按照行动企图，运用电磁攻防力量，通过对电磁攻防行动的运筹与决策确定作战方案，并根据实时电磁攻防情报信息，验证行动方案的可行性和有效性，同时通过调整作战方案和兵力部署，以实现夺取海战场制电磁权的目的。

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估是通过建立评估模型、进行评估解释和展开推理分析而完成的，评估过程可运用贝叶斯网络推理，以经验积累和实验数据为基础，利用网络连接和概率转移有效地将电磁攻防行动中各要素的因果关系进行融合处理，再根据评估需求诊断推理，给出科学合理的评估结果［1］。评估原理用表达式可以解释为，在已知电磁攻防作战要素E和当前实时数据信息D的情况下得到行动A，其表达式可以表示为P(A/E，D)，其中P表示对当前海战场全域空间电磁攻防行动控制的解释。在这个评估过程中可以识别电磁攻防行动的目的，分析电子对抗兵力的部署，展开电磁资源的管理以及预测电磁攻防行动的结果。预测的结果是基于已得出的当前情况，对未来可能出现的情况进行预测，可以用表达式表示为，已知t时刻的行动S(t)，求解{S(t+t1)，S(t+t2}［2］，这是一个不断进行的动态过程，最终目标是评估电磁攻防行动对己方夺取海战场制电磁权是否有利，分析有利的程度以及有利/不利条件。

1.2 总体过程

电磁攻防行动是电子对抗作战运用的一种体现，是一个动态、开放、多维的复杂系统，其影响因素之间的相互关系不是简单的“自上而下的层次关系”，而是存在相互间的关联、支配和反馈［3-4］，特别是在全域空间内，电磁攻防目标多变，电磁协同关系复杂，对抗兵力机动频繁，战场态势变化迅速，要想实现全面快速评估，首先需要构建评估的总体过程。

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估属于信息融合中的高层次处理过程，它是对战场全域空间电磁攻防作战力量部署和行动控制的评价过程，通过接收和输入作战数据逐步达到对战场电磁攻防形势的推断，从而分析出当前电磁攻防形势对达成争夺制电磁权是否有利、有利程度以及有哪些有利/不利条件，并将观察到的战场电磁攻防力量部署、作战行动控制情况同电磁环境、作战意图有机地联系起来，得到反映真实战场电磁攻防行动控制的评估结果。因此，可以把海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的总体过程分为三个阶段，如图1所示。1)搜集和提取要素阶段，主要是按照电磁攻防行动样式提取电磁攻防行动要素和电子战兵力部署要素，并进行数据预处理的过程;2)推理和判断行动阶段，主要是构建模型对海战场上的电子侦察、电子进攻和电子防御行动进行解释、推理和判断的过程;3)分析和评估结果阶段，主要是对海战场上电磁攻防行动的变化进行分析，对行动的结果进行评价过程，最终得出对指挥员判断海战场电磁攻防形势有价值的结论。这三个阶段相互联系，相互支撑，共同实现对海战场全域空间电磁攻防行动控制的评估。

图1 海战场全域空间电磁攻防行动控制评估总体过程

2 评估的主要内容和技术应用

2.1 主要内容

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估是对海战场内敌我双方电磁攻防作战兵力部署/配置/协同、电磁攻防强度进行解释，并对敌我双方电磁攻防行动变化进行分析，推断当前电磁攻防行动对己方实现海战场制电磁权是否有利，评价有利程度并分析出有利/不利因素。其评估的主要内容包括两层含义:1)对当前海战场双方电磁攻防行动的评价，包括评价当前海战场上电磁攻防力量的部署、配置和协同是否合理，判断当前电磁攻防行动是否有效;2)对后续电磁攻防行动的估计，包括对下一阶段海战场电磁攻防形势的推断以及对敌方电磁攻防行动的预测。这两方面评估内容为指挥员分析当前海战场上电磁攻防行动状况的深层次原因以及预测后续电磁攻防作战行动趋势提供重要支撑。

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的内容具有层级性，是按照“态势—任务—行动”分层展开的，分层的各级任务和行动组成了全域空间电磁态势。各个层级的电磁攻防任务和行动有各自的评估内容，层级越高，评估内容越广泛，层级越低，评估内容越细致。海战场全域空间电磁攻防行动控制评估最终可以用“有利/不利”、“优势/劣势”这样的定性结果表述。

2.2 技术应用

贝叶斯网络是描述变量之间概率关系的图形模式，它提供了一种将知识直觉地图解可视化的方法。利用贝叶斯网络结构及其条件概率表计算某些关心的变量概率或某些特殊取值，可以用于不确定性推理和数据分析［5］。因此，对海战场全域空间电磁攻防行动控制进行评估可以采用贝叶斯网络(Bayesian Networks BN)推理技术。

贝叶斯网络理论在处理不确定性复杂问题方面有其独特的优势，应用贝叶斯网络可以解决海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的三方面问题。1)贝叶斯网络可以更有效地解决电磁攻防行动中复杂知识表示的问题。通过用统一的贝叶斯网络节点来表示各种复杂的电磁攻防行动因果关系，可以随时对行动状态进行更新和调整。2)贝叶斯网络的模块化思想可以很好地体现电磁攻防行动和任务的分层结构，并用节点来表示各级行动和任务，用有向弧来表示它们之间的作用关系，节点之间通过有向弧来传播信息，最终将各级各层节点连接成为一个树状的网络结构。3)贝叶斯网络可以在其框架内解决电磁攻防行动的不确定性推理问题，贝叶斯网络有一套成熟的推理算法，不需要其他推理机制，不但具有理论依据，而且将知识表示与知识推理结合起来，形成统一的整体［6］。

图2构建了海战场电子侦察行动的贝叶斯网络推理模型，该模型具有两层节点的信息传递关系，从节点Outer-Space到节点Electronic-Scout的传播是自底向上的，传播的是λ(χ);从节点Electronic-Scout到节点Sea-Airspace、节点 Sea-Surface、节点 Underwater、节点Seaboard的传播是自上向下的，传播的是π(χ)。

图2 海战场电子侦察行动的贝叶斯网络推理模型

3 评估模型构建与示例分析

3.1 模型构建

构建贝叶斯网络评估模型要从海战场全域空间电磁攻防行动控制的定义出发，首先是“全域空间”，海战场上的电磁攻防行动空间是多维的，因此在构建模型时需要从空间划分方面考虑;其次是划分海战场电磁攻防行动的三种类别，即“电子侦察”、“电子进攻”和“电子防御”，这是评估的中间指标。最后是“掌握和调控”，即评估的目的。综合以上分析，确定构建贝叶斯网络评估模型的四层节点:第一层节点是海战场电磁攻防行动全域态势(Electronic-Situation)，表示己方夺取制电磁权的程度;第二层节点是海战场电磁攻防行动类别，包括电子侦察(Electronic-Scout)、电子进攻(Electronic-Attack)和电子防御(Electronic-Defense)行动的情况;第三层节点是海战场上敌我双方电磁攻防作战任务，表示兵力完成任务的情况，如图3a)第四层节点是海战场上敌我双方电磁攻防的具体作战行动，如图3b)。

图3 构建全域空间电磁攻防行动控制评估四层节点模型

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的贝叶斯网络模型是由多个网络实体组合而成，在实际的应用过程中可以根据实际情况进行更新、组合或改造。图3a)和图3b)经过组合就形成了海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的四层贝叶斯网络模型，该模型是通过状态空间划分，任务区分和作战行动组合而构建。海战场全域电磁态势的变化，表征了敌我双方电磁攻防作战任务和行动完成的基本情况，通过对各个子状态电磁攻防行动信息的综合反映和具体分析，便能得出争夺制电磁权的情况。指挥员对行动了解得越多，对任务把握得越准确，就越能够更好地控制海战场电磁攻防行动。

图3a)和图3b)中每层节点都可以划分为三个离散状态:第一层节点为全域空间电磁态势，其状态空间可以划分为处于优势(superior)、势均力敌(balance)、处于劣势(inferior);第二层节点为电子侦察、电子进攻、电子防御行动节点，其状态空间可以划分为有利(advantage)、相持(deadlock)、不利(disadvantage);第三层节点为不同方向任务完成情况节点，其状态空间可以划分为完成得较好(better)、一般(common)、较差(worse);第四层节点为作战行动节点，其状态空间可以划分为成功(successful)、中等(middling)、失利(failing)。

3.2 单方向行动控制评估

以电子侦察行动控制(Electronic-Scout)评估为例，战时己方需动用必要手段，利用电子侦察设备，积累和掌握有关对方海战场上的兵力部署、军事设施、电子装备性能、辐射电磁波信号等情报，并依靠卫星、电子侦察机、预警机、侦察船、潜艇、水声站以及岛岸观通站等展开侦察行动，及时发现对方的兵力行动情况。图4a)和图4b)是对电子侦察行动控制的评估，体现了海战场全域空间电磁攻防行动控制评估所实现的单方向行动控制目标。在电子侦察行动控制的贝叶斯网络模型中将节点和条件概率表输入进微软研究所开发的贝叶斯网络编辑评估工具MSBNx［7］中，可以得到图4a)。图4a)中当输入新的证据Sea-Airspace(Better 0，Common 0，Worse 1)时，可以得到图4b)的结果。

图4 任务节点变化对单方向行动控制的影响分析

图4a)可以提供给指挥员对当前的电子侦察行动控制情况进行判断，从而评价当前的电子侦察兵力的部署、配置和协同是否合理;图4b)可以提供给指挥员对未来的电子侦察行动控制情况进行预测，图上表示当己方舰对空侦察任务被削弱破坏，则整个海战场的电子侦察行动对己方有利的程度就会下降(从0.3降到0.122 677)，同时己方舰对空侦察任务能力的下降也会不同程度影响其他方向侦察任务的效果。因此，指挥员运用这个评估模型就可以找出单个方向任务对电子侦察行动控制有哪些有利或不利因素，并分析影响的程度，通过改善不利因素使电子侦察行动向有利于己的形势转化。

3.3 全域空间电磁攻防行动控制评估

海战场全域空间电磁攻防行动控制中，高效周密的电子侦察是取得制电磁权的前提条件，强有力的电子进攻(软干扰和硬摧毁)是赢得制电磁权的关键手段，完备坚固的电子防御是保住制电磁权的坚强支撑。对指挥员来说，协调和控制好电子侦察、电子进攻和电子防御中的各项任务和行动对夺取海战场制电磁权尤为重要。

图5a)和图5b)构建了海战场全域空间电磁攻防行动控制评估的贝叶斯网络模型，反映了电子侦察、电子进攻、电子防御行动对全域电磁态势的影响。图5a)中，反映的是指挥员当前面对的战场电磁攻防形势，电子侦察行动(Electronic-Scout)表现为有利(Advantage 1)，电子进攻行动(Electronic-Attack)表现为相持(Deadlock 1)，电子防御行动(Electronic-Defense)表现为不利(Disadvantage 1)，在这样的电磁攻防行动下，指挥员得出海战场全域空间电磁攻防态势(Electronic-Situation)己方占优势的概率是0.4，占劣势的概率是0.257 143。

这时指挥员单凭直觉可能会认为加强电子防御可以提升夺取制电磁权优势的概率，但实际得到的结果却恰恰相反。原因是指挥员如果加强电子防御兵力和行动，但受限于兵力总体数量而减少了电子进攻和电子侦察的兵力和行动，如图5b)所示，电子侦察行动(Electronic-Scout)下降为相持(Deadlock 1)，电子进攻行动(Electronic-Attack)下降为劣势(Disadvantage 1)，电子防御行动(Electronic-Defense)提升为优势(Advantage 1)。对比图5a)与图5b)的评估结果可知，如果指挥员被动地提升电子防御行动而减弱电子侦察和电子进攻行动效果，并不能换来全域空间电磁攻防行动优势的扩大，反而优势的概率会明显下降，从0.4下降到0.142 241。因此，通过构建评估模型，指挥员就可以分析出哪一方面的电磁攻防行动对全域态势的影响更大，从而权衡利弊精准发力。

图5 行动节点变化对全域空间电磁攻防行动控制的影响分析

当指挥员面对海战场全域空间电磁攻防行动控制的初始情况为劣势，如图6a)所示(当前显示海战场全域空间电磁攻防行动态势中己方占优势的概率是0.150 31，占劣势的概率是0.425 953。)。在这种情况下，指挥员想要扭转劣势需要对各项电磁攻防任务和行动进行分析。结合电磁环境和任务企图，指挥员选择了对三项任务行动进行调节和控制，如图6b)所示。将海空侦察(Sea-Aircraft Scout)的行动状态由“敌己相当”提升为“敌劣己优”，将对空电子进攻(Anti-Aircraft Attack)的行动状态由“敌优己劣”提升为“敌己相当”，将反电子干扰(Counter-Interfere)行动状态由“敌己相当”提升为“敌劣己优”。根据评估结果显示，通过对这三方面行动任务的强化，指挥员成功地扭转了海战场全域空间电磁攻防行动的劣势(优势的概率由0.150 31提升为0.406 918，劣势的概率由0.425 953下降到0.237 672)，这说明通过控制强化这三种任务行动对争夺制电磁权有利，且使有利的程度大幅提升。

图6 任务节点变化对全域空间电磁攻防行动控制的影响分析

4 结束语

海战场全域空间电磁攻防行动控制评估以夺取海战场制电磁权为评估指标，以合理配置、管理和调动海战场电磁攻防力量和控制电磁攻防行动为评估过程，以形成优势的全域空间电磁态势为评估结果，可以为指挥员进行电子对抗兵力的部署/调整提供依据，为优化电磁攻防作战方案提供支撑，为预测敌方下一步电磁攻防行动企图提供参考。将贝叶斯网络技术引入海战场全域空间电磁攻防行动控制的评估研究中，并作为主要实现技术和核心推理框架是一种新尝试和新思路，贝叶斯网络的节点表示方法、处理不确定性知识的能力和基于因果关系的推理评估体系进一步深化了对海战场全域空间电磁攻防行动控制的探索。