CBR技术在反导预警中段识别预案中的应用

张 晨， 丁建江， 徐 颖， 李 静

(1.空军预警学院，武汉 430019； 2.国防科技大学信息通信学院，武汉 430010;3.中国人民解放军31638部队，昆明 650202)

0 引言

弹道导弹作为世界各军事强国的杀手锏武器，已经在世界范围内广泛存在，由于其强大的杀伤力，敌我双方围绕弹道导弹突防与反突防展开了一系列攻防对抗。弹道导弹中段处于自由飞行阶段，相对于上升段与再入段，飞行时间最长，是防御方实现弹头识别的关键阶段。不同于防空作战，弹道导弹上升段结束发动机关机后，其飞行轨迹、落点预判即可通过计算实现较精确的估计，因此，在实际的反导预警作战中利用预案完成某项任务成为现实可行的方法[1-2]，甚至可以说预案设计的好坏在一定程度上决定了反导预警作战的成败[3]。而弹道导弹中段识别作为反导预警作战中的关键环节，更是需要有专门的预案来满足要求。

随着我国军事科技水平的不断提高，各种新型雷达相继列装，但在利用预案解决反导预警作战的现实问题方面与世界军事强国仍存在不小差距。本文通过总结归纳弹道导弹突防主要采取的手段，提出了一种基于案例推理(Case-Based Reasoning，CBR)的反导预警中段识别预案设计方法，能够为当前实战中利用预案开展弹头识别工作提供参考借鉴。

1 弹道导弹中段识别预案设计思路

预案是指根据评估分析或经验，对可能发生的威胁或事件预先制定的应急处置方案，涉及军事作战方面的一般统称为作战预案[4]。弹道导弹中段识别预案必须紧密结合潜在来袭弹道导弹的实际情况来完成设计工作。

1.1 CBR基础理论

CBR的关键技术一般包括案例表示、案例检索、案例匹配、案例修正、案例存储等几个部分[5-6]，不同的场景下会对其中的部分环节做出增减。从CBR的这几个部分可以看出，运用之前的知识来解决当前的问题是CBR技术的核心思路，即通过对已有案例的检索与匹配，查找出最适合当前情况的案例，然后再根据具体的需要对匹配出的案例进行适当修正，即可得出适用于当前任务下的解决方案[7]。从这一角度考虑，CBR不仅能提高对新问题的求解效率，而且具有增量学习和动态知识库等优点，是由人工智能衍生而来的一项技术[8]。

1.2 CBR条件下中段弹头识别预案使用基本流程

弹道导弹中段飞行在时间上虽然是几个阶段中最长的，但要想完成对弹头的稳定跟踪与识别任务仍然十分紧迫，因此，时间是弹道导弹中段识别中最宝贵的资源[9]。考虑到这种强时间约束性，利用CBR技术进行弹道导弹中段识别预案设计应主要把工作做在战前，通过多种手段搜集情报信息，考虑各种不同情况来完成对预案的设计。本文主要考虑预案表示、预案检索和预案匹配这3项主要工作。基于CBR的弹道导弹中段识别预案使用流程如图1所示。

图1 基于CBR的弹道导弹中段识别预案使用流程

2 CBR下的弹道导弹中段识别预案关键技术分析

根据前文所述，受时间限制的强约束性，弹道导弹中段识别预案的使用主要包括预案表示、预案检索、预案匹配等几个关键技术，其中，预案表示出来后，需要对表征预案的内容进行权重分配，这对于不同的作战场景下检索匹配预案有着至关重要的作用。本章主要对弹道导弹中段识别预案的这几种关键技术进行分析说明。

2.1 预案表示

利用预案解决弹道导弹中段识别问题，预案表示是一切技术的基础，是将以往或经过仿真推演得出的合适预案以一定的格式或表示方法存储在预案库中[10]。预案的表示方法可借助人工智能中知识表示的方法进行描述，通常包括产生式表示法、概念图表示法和框架表示法等[11]，其中，弹道导弹中段识别预案采用框架表示法较为合适。框架表示法是以框架理论为基础，将陈述性和过程性知识相结合的一种结构化的知识表示方法，通常由若干个槽组成，一个槽用于描述一个属性，由一个槽值或若干个侧面组成，一个侧面包含若干侧面值[12]。在弹道导弹中段识别中，敌我双方的态势对比是攻防对抗的核心内容，也是中段识别预案主要体现的内容，特别是对敌弹道导弹突防的应对措施是预案描述中的重点内容。通过详细分析潜在敌对国家的弹道导弹情况，用层次化的结构来表征弹道导弹中段属性[13]，在不同的槽中划分出不同的侧面，对每个侧面值进行说明，同时对不同的侧面进行赋权。弹道导弹中段属性表征方式如表1所示。需要说明的是，目前世界上主要军事强国都拥有了弹道导弹武器，但考虑到对我国的主要威胁，表中仅以A国、B国、C国的弹道导弹为例。

表1 弹道导弹中段属性表征方式

2.2 预案指标表征内容的权重确定

通过观察分析弹道导弹中段属性表征中的内容，将弹道导弹中段属性划分为3大类和11小类，每个小类有着不同的侧面值。为了方便对不同的属性分配权重，需要对不同的侧面值进行说明，并对其进行量化区分。此处，采用熵权法对不同的侧面值进行赋权，其主要思想是根据指标值的变异程度来确定指标权重。对于弹道导弹中段属性来说，某个侧面的侧面值变化程度越大，说明其采用的手段越多，而防御方也就更难对该侧面进行应对，其具有较强的效力，应当赋予较高的权重。熵权法的计算过程如下。

1) 对数据进行标准化处理。

弹道导弹中段属性的度量值各有不同，为了充分说明每个侧面值的特点，采用统一的量化标准，将每个侧面值根据其威胁程度划分为1～3个等级，使全部数据无量纲化，以便在统一的尺度下进行计算。用xij表示标准化后的不同侧面值，形成n个被评对象的p个指标决策矩阵为

(1)

2) 计算第j个指标下第i个指标值的比重，即

(2)

3) 计算第j个指标的熵值和差异性系数，即

(3)

由于第j个指标下的xij的差异性越小，则熵值ej的值越大，因此k=1/lnn，此时求差异性系数为

gj=1-ej。

(4)

4) 求权重，即

(5)

2.3 预案检索匹配

2.3.1 预案相似度计算

1) 无序枚举型。

利用Jaccard相似系数计算，即

(6)

2) 有序枚举型。

在本文中规定有序枚举均为从低到高的3级变量，当目标案例量化值与备选案例量化值相同时，取相似度为1，当目标案例量化值与备选案例相差1个等级时，取相似度为0.5，当目标案例量化值与备选案例相差2个等级时，取相似度为0，具体算式为

(7)

3) 连续数值型。

采用Hamming距离来计算，即

(8)

4) 模糊型。

(9)

对目标案例进行以上4种不同类型的相似度计算后，结合不同侧面的权重值，计算目标案例与众多备选案例总的相似度为

(10)

2.3.2 预案匹配检验

在实际的预案匹配中，由于计算的是总的相似度，可能出现预案总的相似度很高，但某一重要侧面值差距较大的情况，从而导致所匹配预案在一些关键指标上不能很好地适应实际情况，因此需要对匹配出的预案进行有效性检验。本文主要采取槽相似度的检验方式，令s1，s2和s3分别为3个槽在相似度上的值，每个sj(j=1,2,3)为该槽中所包含的侧面相似度的总和。真实场景的相似度取值范围应为(0，1)。通过对一定数量的仿真场景进行统计分析和经验总结，取总相似度0.6为匹配合格的基准线，将0.6在3个槽内进行分配。其分配的基本原则是要能在一定程度上反映不同槽中所包含的属性在预案构成中的重要性，且每个槽的相似度不能太高，否则无法匹配出满足条件的预案，也不能太低，否则匹配出的预案与实际场景相关太大，不能用于指导实战。结合实际作战需要和专家打分结果，采用层次分析法对总相似度0.6进行分配，从而规定3个槽的相似度必须满足(0.05，0.15，0.40)，即可认为通过预案匹配检验。

需要说明的是，匹配出的预案应根据实际情况进行“评估-修正”循环的过程，直至预案能够满足实战要求。受限于篇幅，本文主要对预案表示、预案检索与匹配工作进行论述，不对预案评估与修正技术进行过多阐述。

3 仿真验证

通过新闻报道、技侦等手段收集各类弹道导弹情报，获取近几年来不同国家12次弹道导弹试验发射数据，对12次弹道导弹试射的侧面值进行量化区分，如表2所示。

表2 不同国家弹道导弹试验发射相关数据量化值

在此，运用熵权法对11种侧面进行权重计算，得出不同的侧面权重值ω分别为0.040 0，0.037 8，0.041 7，0.134 7，0.103 7，0.041 7，0.026 1，0.166 2，0.249 0，0.024 0，0.135 1。在某次实战场景中，通过我方技侦等手段提前预判敌方发射症候行为，并结合早期预警装备在敌方弹道导弹上升段即获取大量实战信息，假设经过数据分析与合理推测后，我方已充分掌握敌来袭弹道导弹全部信息，该弹道导弹相关数据及其量化值如表3所示。

表3 某实战场景中敌方弹道导弹属性及量化值

根据不同类型的侧面算式，结合各侧面的权重，进行预案匹配工作，可得出该场景与已知12个预案的相似度分别为0.676 8，0.603 3，0.370 8，0.637 0，0.740 9，0.478 1，0.457 2，0.546 8，0.746 3，0.605 1，0.650 8，0.313 1，可以看出该场景与已知预案9最为相似。为了确保所匹配预案的准确性，对预案匹配进行检验，该场景3个槽相似度与匹配出的预案9的3个槽的相似度分别为0.058 5，0.190 3，0.497 5，均在规定阈值范围内。因此，认为匹配出的预案9具有较高的可信度，可根据实际情况对预案9进行调整后，应用于指导实战中的弹道导弹中段识别工作。

4 结论

弹道导弹中段识别工作是反导预警作战的核心任务之一，因弹道导弹识别工作的强时间约束特性，将CBR技术运用于弹道导弹中段识别工作，即利用以往的经验作为指导，减少实战中人为因素的影响。通过实例验证，所提方法能够从已有的预案中选择最合适的预案进行匹配，为指挥员实际作战提供指导，有效提升我方防御弹道导弹攻击的精准度,该方法现实可行。