基于军事目标本体化的伪装方案辅助设计系统*

刘朝畅，许卫东，杨鑫，佘劲松，俞宙

（陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

伪装目标是指需要进行工程伪装保障的军事目标，是伪装方案关注的中心，为了解决伪装目标信息、数据和知识的一致性理解与互操作等问题，需要有一个统一的理论框架和规范模型来表述伪装目标。同时，为解决指挥员在执行任务过程中普遍面临的“信息过载”问题［1］，无法迅速准确地确定兵力、作业时间和伪装资源的量，需要依托智能化方法解决。本体是一种对客观现实抽象本质的描述和说明［2］，起源于西方哲学，后来逐渐被引入到人工智能和知识工程领域［3］。国内外学者对这方面的应用进行了大量研究，任登辉等［4］提出了一种基于本体描述战场机动目标的方法，但关于机动目标本体应用的论述较少。NAZAR M 等［5］提出了利用本体来表示目标和可用资源语义信息的集成框架，但缺乏对相关推理规则的提炼和优化。贺庆［6］设计了机器为主指挥员为辅的计划制定方法，实现了打击敌方机动指挥机构作战行动计划的自动推理，但缺少对于推理规则的具体论述。程恺等［7］提出了作战计划本体的构建方法，详细阐述了6 类核心本体的建模过程并建立了3 项推理规则，但侧重于指挥控制，缺少相关专业知识的结合。

本文在总结前人方法的基础上，首先通过本体技术对伪装目标进行明确和形式化的表达，提炼伪装目标中关于伪装知识领域的特征参数，其次构建伪装方案辅助设计系统，建立伪装措施相关作业规则，实现对伪装方案关键参数的自动推理，最后结合实例应用。

1 伪装目标本体建模

伪装是作战生存工程保障的一项重要内容，其首要的作用是通过伪装措施使敌方难以发现、识别目标，或难以对目标实施精确的瞄准，从而提高目标的战场生存能力［8］。根据作战层次的不同，目标伪装可以分为战略目标伪装、战役目标伪装和战术目标伪装，本文讨论的是战术层次范围内的伪装目标。本体是共享概念模型明确的形式化规范说明［9］，用来描述人们对领域知识的共同理解。

1.1 伪装目标本体的作用

伪装目标本身的特性参数较多，对于伪装工程保障来说有些是冗余参数，不利于伪装方案的快速生成，因此，通过本体技术实现对伪装目标伪装领域知识的提取和系统清晰的表达，构成伪装方案辅助设计系统的输入端。如何实现伪装目标相关概念智能化的组织管理是伪装方案辅助设计系统研究的第一步。

将本体概念引入到伪装目标描述中，一方面通过语义准确、规范统一的术语为伪装目标知识表示提供了完整的概念和结构，提高了伪装目标知识理解和处理的智能化水平，达到对该领域知识的统一认识和理解。另一方面，因本体自身的逻辑特性，所描述的伪装知识可以显示出较好的内在逻辑关系，也是后续研究自动推理的基础。

1.2 伪装目标本体的构建过程

由于各领域知识应用特点的不同，还没有一套标准的本体构建方法。目前常用的构建方法主要有用于企业领域的骨架法、IDEF5法和多伦多虚拟企业（Toronto virtual enterprise，TOVE）法，用于化学领域METHONTOLOGY 法，用于自然语言处理的SENSUS 法以及斯坦福大学开发的七步法等［10］。由于伪装目标需要依据任务目的选取伪装措施，每个伪装措施都有相对应的伪装规则，根据伪装规则提取作业相关的输入参数，为了能够明确伪装目的和伪装措施的层次关系，本文选取斯坦福大学开发的七步法作为伪装目标本体的构建方法，如图1所示。

图1 伪装目标本体构建过程Fig.1 Construction process of camouflage target ontology

伪装目标本体构建的第1 步是确定伪装本体的领域知识，即明确目标类型和收集相关伪装目标知识。明确目标类型是为了精准地满足伪装方案设计需要，因为不同类型的伪装目标对应不同的伪装措施、伪装要求、伪装资源量计算规则等关键因素，然后根据需要收集伪装领域相关的军事法规、军事标准、教材资料等知识。第2 步考虑复用现有的伪装目标本体。如果不能复用就进行第3 步，依据伪装目标领域内的专业书籍和国家军事标准提取重要概念和术语。第4 步定义用于伪装方案设计类和类的层次关系，用来说明伪装目标的共同特征和专有特征。第5 步定义类的属性。第6 步进行本体评价。为了评估本体建立的准确性、共享性、一致性和有效性，包括验证本体的概念和术语是否定义清晰、概念及其关系是否构建完整等。第7 步形成最终伪装目标本体。

1.3 伪装目标本体的构建实例

根据以上伪装目标本体构建的方法，伪装目标本体模型可以表示为一个三元组＜classdef，property，value＞，其中，classdef 表示伪装目标的全局唯一名称；property 表示伪装目标本体某类的某个属性，如目标尺寸类信息的长、宽和高等属性；value 表示该属性值。如图2 所示，可以用类似RDF 有向图来表示。有向图的节点代表目标名称和属性值，边与伪装目标的某个属性相对应，其方向是目标名称指向属性值。

图2 伪装目标本体有向图Fig.2 Camouflage target ontology digraph

如图3 所示，以多个三元组有向图来表示需要伪装的A 目标，主要类信息表示为：需要对抗的侦察方式、位置信息、伪装等级、目标尺寸、作业计算相关系数、任务时限、和伪装资源类型。属性值的类型包括数值型和字符型，数值型属性值可以使用数值比较器进行计算，字符串型属性值使用模式匹配、字符串比较等方法求解。

图3 A 目标本体有向图实例Fig.3 A object ontology digraph instance

2 伪装方案辅助设计系统构建

依据作战目的、战场环境、敌方侦察威胁和我方部队伪装装备力量等因素确定伪装方案是一个复杂的过程，不同类型目标的伪装作业计算规则各不相同，并且同一个目标因为伪装等级要求的不同，所需伪装资源和时间也会不同，生成的伪装方案也有所差别。基于数据库的系统，知识往往被硬编码到程序，存储过程或触发器中只有程序员可以修改这些知识［11］。而伪装方案辅助设计系统主要是存储伪装的作业规则和知识，最终的程序是基于伪装目标输入相关参数调用不同的作业规则来实现伪装方案的辅助设计，这种方法相比数据库计算更加灵活。

2.1 系统主要构成

伪装方案是在定下伪装决心和拟制伪装计划过程中对于目标伪装任务和措施的基本构想，是伪装决心的具体体现［8］。从内容上看，主要包含以下信息：

（1）执行该任务的兵力（类型、数量）（Who）。

（2）伪装任务的性质、特点（What）。

（3）任务执行的时间（When）。

（4）采用的伪装措施和使用的伪装资源数（How）。

（5）执行该任务应达到的目标伪装等级（Why）。

（6）任务执行的地点（Where）。

参照文献［12］里的隐真伪装分级和评估标准将目标伪装等级分为一级伪装、二级伪装和三级伪装。一级伪装就是采取非常严密的伪装措施，使目标与背景在伪装后将目标完全隐蔽在背景中，使目标与背景在伪装前后的亮度、色度、温度、发射率、光谱发射率和后向散射系数或截面积等参数特征达到容许的差别数值，以及在伪装前后的颜色（灰度）、光谱反射曲线纹理、形状等图像特征方面达到容许的相似度特征。在预定的成像侦察分辨率情况下，目标的综合发现概率不大于10%。二级伪装就是采取较为严密的伪装措施，降低目标在背景中的显著程度。在预定的成像侦察分辨率情况下，目标的综合发现概率在11%～21%之间。三级伪装就是采取基本严密的伪装措施，改变目标的形状或改变背景的形状，使一定距离上的侦察判别不了背景上的目标，也就是背景上的目标可以被发现或被基本识别，但不能被查明。在预定的成像侦察分辨率情况下，目标的综合发现概率在22%～32%之间。

式中：P 为目标的综合发现概率；Pms为目视侦察条件下的发现概率；Pkz为空中侦察照片上目标的发现概率；Phw为红外侦察条件下的发现概率；Pld为雷达侦察条件下的发现概率。

伪装措施是为达到“隐真”“示假”和“诱骗”目的而采取的各种具体方法，主要包括遮障伪装、迷彩伪装、假目标伪装等伪装措施，具体的伪装措施分解见图4。

图4 伪装措施分解图Fig.4 Exploded view of camouflage measures

2.2 系统框架设计

依据伪装方案的主要信息将伪装方案辅助设计系统分为数据层、功能层和用户层，如图5 所示。

图5 伪装方案辅助设计系统框架Fig.5 Framework of camouflage scheme aided design system

数据层由伪装装备与器材数据、伪装知识数据、伪装作业效率数据、伪装作业计算规则组成。伪装装备与器材数据包括主要的伪装器材、装备的型号和战技指标，是伪装方案的主要构成。伪装知识数据包括主要的目标伪装措施、背景数据类型、伪装的基本原则、方法、经验数据和敌侦察威胁数据，是伪装方案的设计基础。伪装作业效率数据包括军事大纲中伪装措施作业能力标准，是伪装作业计算的主要依据。伪装作业计算规则包括伪装资源和作业时间的计算方法，是伪装方案作业计算的重要工具。功能层由文件管理模块、语义匹配模块和推理模块组成，文件管理模块向下实现对数据层信息本体化的管理，语义匹配模块依据输入目标参数匹配相应的伪装作业计算规则。推理模块利用伪装作业计算规则实现伪装作业推理计算。用户层实现目标参数的输入和伪装作业计算结果的显示。

2.3 作业规则构想

伪装作业推理规则要能够在伪装目标参数已知的情况下，实现伪装方案关键要素的自动生成，需要结合伪装专业知识实现。以常见的伪装措施遮障伪装、迷彩伪装和假目标伪装为例，建立相应的伪装作业推理规则。

遮障伪装［13］是利用伪装装备或就便器材制作、设置遮障以遮蔽目标的伪装。遮障伪装的作业计算重点是如何确定遮障面面积，遮障面的面积与目标尺寸、周围毗邻物状态、背景类型等因素有关，由于制式伪装网为规则矩形形状，将遮障面也近似规则矩形，遮障面面积公式如下：

式中：Lm和Wm分别为目标的长度和宽度；Hz为遮障高度，遮障高度是遮障挠度、目标高度、高度富余量和遮障净空高度之和；K 为延长部系数，延长部系数的值与目标周围环境状态有关；Sz和Sh分别为毗邻物纵向和横向的预留孔隙。求得遮障面积后，根据伪装网的尺寸得到伪装网的数量，再根据所在单位的作业能力求得兵力和时间。

迷彩伪装［14］是将涂料、颜料或其他材料直接喷涂或粘贴在目标表面，用以减小、改变目标与背景之间波谱反射、辐射特性差异而实施的伪装。其中数码迷彩通过“马赛克”化的斑点组合模拟自然背景的斑驳特性［15］，也是军事目标最为常用的迷彩类型。迷彩图案设计是实施作业的首要环节。常用的二维迷彩图案设计方法有随机场分布算法［16］、空间混色程度表征方法［17、分形算法［18］、演化计算法［19］。本文采用对抗性自编码器卷积网络提取背景纹理特征［20］，结合传统大斑点和背景纹理特征，通过斑点聚类算法生成数码迷彩，并在此基础上识别各颜色区域，计算各颜色区域在图像中的占比。

图6 显示了目标所处的背景和依据背景颜色情况设计的大斑点迷彩。图7 显示了数码迷彩的生成过程，通过将大斑点迷彩贴合到背景的纹理图像上，利用斑点聚类算法生成数码迷彩。图8 显示了数码迷彩设计图案中各颜色区域的占比，通过输入各颜色区域的RGB 值，分割并提取数码迷彩图案中不同颜色区域，计算各颜色区域在数码迷彩图案的面积占比，从而确定各颜色涂料的数量。结合目标的迷彩表面积和作业能力进而计算出兵力、时间和所需资源量。

图7 数码迷彩生成过程Fig.7 Digital camouflage generation process

图8 数码迷彩图案中各颜色区域占比Fig.8 Proportion of each color area in the digital camouflage pattern

假目标伪装是模拟真目标各种暴露征候的模型或装置的伪装措施。其主要目的：①延长敌侦察时间，降低真目标的发现概率；②吸引敌打击火力，提高真目标生存概率。本质来说就是以假目标的低价值换取真目标的高价值，因此，如何确定真假目标的配置比例保证实现价值交换的最大化是假目标伪装的重要规则。在这里引入效费比模型进行分析和计算，从而实现用最小的耗费去获得最大的作战效能。因此引入消费比模型进行分析和计算。

式中：n 为真目标数量；m 为假目标数量；Vn为单个真目标价值；Vm为单个假目标价值；Pd为真目标的摧毁概率；Pi为假目标被敌识别的概率。令E = m n，E 为真假目标数量比，B= VnVm，B 为真假目标价值比。则式（3）转换为

对于不同的Pd和B，分别计算出E 值和ηmax值，建立E 数量表，如表1 所示。分析表1 可知假目标伪装的作业规则：①对表作横向比较可知，在同一发现概率Pd下，B 越大，战场上可设置的假目标数量越多，而此时假目标效费比值η 也越大；②对表作纵向比较可知，在B 固定时，假目标设置的数量E 值随着发现概率Pd值的减小而减小，但是效费比η 却反而快速上升。通过以上假目标作业规则可以将假目标数量配置问题转换为求式（3）的极值点，即效费比值最大时，真假目标的数量比。再根据用户输入的作业力，计算出所需兵力和时间，生成伪装方案辅助设计建议。

3 案例应用

为了验证本文伪装方案辅助设计系统的有效性，以炮兵阵地体系3 种典型军事目标为例，具体数据如表2 所示，输出伪装方案设计所需要的作业计算结果，转化为伪装方案辅助建议。表2 中是A、B 和C 3 类目标进行伪装方案设计推理的相关参数，由于目标的类型不同，相关参数的类型也不一样。

表2 伪装目标相关参数Table 2 Camouflage target related parameters

3.1 目标参数输入和本体化实现

将表1 中3 类典型军事目标相关参数输入系统，利用Matlab 中的类函数实现目标本体化，图9 为伪装方案辅助设计系统的输入界面。

图9 伪装目标相关参数输入界面Fig.9 Camouflage target related parameters interface

表1 E（ηmax）数量表Table 1 E（ηmax）amount table

主界面主要实现侦察方式、伪装措施、伪装等级和伪装目的的选择，跳转到相应伪装错数的作业计算子界面，输入该伪装措施作业计算所需要的目标参数。其中作业能力、资源消耗标准等参数的具体数值由用户依据所在单位的训练情况、执行任务时的目标情况和面临侦察威胁情况实时输入。并与军事大纲标准要求做对比，数据满足大纲要求才能有效输入，参与方案推理。

3.2 作业规则调用和关系推理

以A，B 和C 3 类目标的输入参数为基础，实现伪装方案的辅助设计需要调用遮障伪装、迷彩伪装和假目标伪装的作业规则，实现伪装方案辅助设计建议，结果如图10～12 所示。各目标伪装方案辅助设计结果为：采用遮障伪装对A 目标实施二级伪装，兵力系数8，伪装网系数8，时间系数0.14；采用迷彩伪装对B 目标实施二级伪装，兵力系数7，涂料系数15，时间系数0.28；采用假目标伪装对C 目标实施二级伪装，兵力系数8，制式假目标系数器材系数7，时间系数0.86。

图10 A 目标伪装方案伪装设计结果Fig.10 A target camouflage scheme camouflage design results

图11 B 目标伪装方案伪装设计结果Fig.11 B target camouflage scheme camouflage design results

图12 C 目标伪装方案伪装设计结果Fig.12 C target camouflage scheme camouflage design results

本体化的军事目标通过伪装方案辅助设计系统调用相应的作业规则和关系推理，生成了伪装方案的辅助建议，主要包括兵力、时间和伪装资源关键要素的定量结果，推理出的定量结果贴近伪装部队作业实际，因为伪装方案的关键点就是确定伪装目标所需的兵力、时间和伪装资源，所得的定量结果可以作为伪装方案的数据支撑，辅助指挥员对伪装资源以及兵力的调度和伪装任务先后顺序的确定，能够克服指挥员主观经验的局限性。

4 结论

通过以上研究工作，实现了伪装目标参数的本体化设计，设计了一种能够根据本体化的目标参数，调用伪装作业规则的伪装方案辅助设计系统，并将该方法应用于军事目标伪装中，能够定量计算伪装方案兵力、时间和伪装资源关键要素的结果，生成伪装方案辅助建议，所提建议结合了任务部队实际作业能力和伪装技术作业规则，形成了伪装方案设计的基础，对伪装保障任务目标的实现有一定现实意义。后续工作将在此基础上研究多目标多伪装措施的伪装方案设计，研究更为复杂条件下兵力、时间和伪装资源的计算。