开放式的电子对抗效能评估系统设计研究

罗 乐,葛启东,张启鹏,黄旭东

(解放军63893部队,河南 洛阳 471003)

0 引 言

电子对抗效能评估是对电子装备系统完成给定作战任务所能达到的预期目标程度的具体估计,对电子对抗系统发展、完善和作战运用均具有重大意义[1]。电子对抗效能评估贯穿于电子装备系统发展的全寿命周期,应用于装备发展论证、战术战法研究、装备操作演练等不同领域。随着军事斗争形势的复杂多变,军事技术发展的快速迭代,电子对抗效能评估呈现评估对象多样化、评估需求多样化、评估目的多变性等特点,针对不同的评估任务需要构建不同的评估模型和评估方案,对效能评估系统的可重用性、扩展性提出了迫切的需求。

针对现实问题提出开放式的设计思路。评估系统采用C/S架构,可对数据进行在线、离线采集,能够基于评估问题和评估需求灵活构建评估指标体系和匹配评估模板,依托计算机辅助分析执行评估任务,并能通过二次开发实现功能的扩展。系统可承担多样化的电子对抗效能评估任务,满足不同模式下的评估分析需求,也能够作为开放的技术平台为电子对抗效能评估提供技术支撑。

1 开放式电子对抗效能评估系统设计思路

基于开放式电子对抗效能评估系统的设计要紧贴实际,瞄准发展需要,具备通用性和灵活性。其基本思路是:基于电子对抗效能评估任务进行评估系统的功能需求梳理,基于开放式系统设计理念进行评估系统的功能特点分析,基于组件的评估建模方法进行系统评估模型构建。

1.1 系统功能需求分析

评估系统建设目的是提供电子对抗效能评估的手段,随着军事斗争形式的变化,效能评估需求越来越复杂,呈现多样性和多变性的特点。例如作战使命、装备类型不同,评估的模型是不同的;在装备系统全寿命周期,效能评估的需求不一样;伴随军事斗争形势的变化,战斗力发展方向随之变化,评估需求也会发生变化。电子对抗效能评估系统重点围绕电子对抗效能评估的多样化现实需要,实现以下3个方面的功能需求。

1.1.1 分类分层的精细评估

为了深入分析与解决不同类别不同层次电子对抗系统效能评估问题,要提升评估系统的针对性与综合效益,实现分类分层的精细评估。如图1所示,“分类”是指区分不同电子对抗专业,例如雷达对抗专业、通信对抗专业、光电对抗专业、导航对抗专业等;“分层”是指针对区分装备单元、作战单元、作战体系的不同层次。效能评估系统面向多种任务场景,能够区分不同类别和层次,基于评估需求构建评估模型和方案,支撑电子对抗效能评估、效能分析和效能优化。

图1 分类分级的精细评估

1.1.2 实时在线的快速评估

由于事后评估时效性差,为及时把握任务过程和动态导调需进行实时在线的快速评估[2]。基本过程如图2所示[3]。采用嵌入式、便携式的数据采集终端在线采集对抗的数据,并进行实时传输,实时动态接收和解析数据;根据建立的现场评估模型将这些数据在时域、空域、频域的对抗数据进行关联;通过实时处理引擎在线驱动实时评估模型的自动运行,实现对战场态势的实时评估,并将分析结果实时显示给用户,实现实时记录数据、实时评价、实时发布评估结果。

图2 实时在线的快速评估

1.1.3 分析挖掘的数据应用

对数据规律特征、影响因素、关联规则等深层次问题的分析和发现对于充分挖掘数据价值、强化数据应用有重要意义。数据的分析应用主要基于数据分析技术、数据分析方法和工具的合理运用,多角度地呈现训练数据的趋势、特征、规律,从而为效能分析提供数据参考。数据分析应用的流程如图3所示。

图3 训练数据分析应用流程

1.2 开放式的电子对抗评估系统功能特点分析

针对电子对抗效能评估需求的多样性、多变性,基于开放式的评估系统设计,建立通用性、灵活性的评估系统,一方面可以满足不同的评估需求,另一方面,使用人员可以根据实际需要对系统进行调整,以适应评估需求的变化。开放式的评估系统典型特征可以概括为以下几个方面。

1.2.1 指标体系的灵活构建

评估指标体系是评估问题的表达,评估需求的多样性和多变性要求指标体系能够适应评估需求的变化。指标体系的重构性体现在评估人员可根据评估需求的变化,通过指标增减、替换等操作,实现评估指标体系重构。

1.2.2 算法模型的可扩展

评估模型中选择合适的预处理算法、数据匹配规则、指标解算方法、评估算法、分析算法是保证评估结果可信的关键,能够支持不同任务评估建模的需求。考虑数据来源的广泛性、评估对象的多样性和评估问题的复杂性,系统可根据实际需求对各类算法进行二次开发实现插件式功能扩展,并支持多种算法扩展方式,包括R语言、Matlab、Python脚本、计算公式等,从而灵活定制出评估模型,以满足实际的评估需求。

1.2.3 评估模板的可匹配

丰富的评估模板是评估模型灵活性的重要体现,在评估建模过程中,通过匹配评估模板库中已有的评估模板,在此基础上进行扩展,可快速构建针对某具体评估对象的评估模型,从而提高评估建模效率。评估模板的可匹配,能够通过不断丰富评估建模工具的评估模板,进一步提升评估建模能力,满足不断发展变化的多样化评估需求。

1.3 基于组件的电子对抗效能评估建模

以评估分析目的为牵引,基于组件的评估建模方法,由评估指标、评估方案、算法和评估样本,建立计算机上可以执行的良好扩展性、可重构性的功能结构,实现分类分级的精细评估、实时在线的快速评估、分析挖掘的数据应用等功能。该模型强调组件化、模板化设计,有利于模型重组和重用[4]。电子对抗效能评估建模的过程如图4所示。

图4 电子对抗效能评估建模

基于组件的评估建模方法,具备良好的应用性、扩展性和可重构性。以上评估模型能够具有指标体系灵活构建、评估模板可匹配、模型可扩展的特点,一方面可以根据实际的任务评估需求灵活构建指标体系,调用相应组件建立评估任务,满足多样化的评估需求;另一方面,还可以根据实际需求开发相应的组件,补充到评估系统中,为满足多样化的效能评估提供一个开放的技术平台。

2 评估系统组成

2.1 硬件结构

根据对电子对抗效能评估需求的综合分析,构建一套完整的电子对抗效能评估系统。该系统的组成主要包括前端数据采集终端(N个)[5]、信息综合处理中心(1套,含服务器及配套设备)。考虑到野外的工作环境可能没有网络支持,采用传统技术成熟的C/S架构。

客户端为嵌入式、便携式的训练数据采集终端,关注用户输入的方便性和可操作性,主要功能是按照数据采集的规范,嵌入不同的数据录入界面,实现数据的采集、验证、编辑,通过有线或无线的通信传输网络,将采集的训练数据传输到信息综合处理中心,从而为电子对抗效能评估提供数据支撑。采集对象为对抗双方各类用频装备,采集手段为导调员现场采集,支持多用户并行使用。

信息综合处理中心主要由服务器、大容量磁盘阵列和综合评估软件组成。服务器支持大数据计算,大容量磁盘阵列支持训练过程数据、评估过程数据和评估结果数据的保存,综合评估软件主要支撑训练数据的评估分析。

2.2 系统架构

系统具有标准结构的组件化模型体系,逻辑上共分为数据层、业务逻辑层和界面层[6],如图5所示。其中数据层提供了各种数据的持久存储支持,负责对数据源的访问,返回最初始的数据供业务逻辑层处理;业务逻辑层提供系统所有功能模块上的算法和计算过程,并与数据层和界面层进行交互;界面层提供人机交互界面,为用户提供一个输入和输出交互的接口。

图5 评估系统基本架构

2.3 主要功能组成

2.3.1 数据管理

能够采用规范高效的数据管理形式对训练相关的数据进行统一管理,支持对数据的批量“增删改”,能够支持结果数据的导出。数据管理内容分为训练数据和算法模型库两大类,其中,训练数据包括基础数据、实时数据、过程数据、结果数据等;算法模型库包括匹配规则库、评估方法算子库、数据分析算子库、指标模型库、指标体系库、评估模板等。

2.3.2 组件管理

对包括数据管理、数据预处理算法管理、匹配规则管理、指标模型管理、分析算法管理、评估方法算子管理、指标体系构建等在内的组件进行添加注册、识别、加载、删除和管理。

2.3.3 评估方案管理

通过各种组件重构实现评估方案的创建,并可进行编辑、保存和读取,主要为评估任务做准备并提供复用功能。

2.3.4 评估任务管理

结合评估方案的内容针对具体的评估对象和评估样本数据进行评估任务创建,可进行编辑、保存和读取。

2.3.5 任务执行管理

根据评估任务中计算流程调度算子按照顺序进行执行,满足在线数据实时处理和离线数据处理2种情况下的评估结果解算。

2.3.6 实时显示控制

反映图形用户界面以及所有的显示逻辑,负责与用户交互,支持评估过程数据和结果数据的可视化展示,并为用户提供参数设置和交互控制。

3 主要技术点

3.1 电子对抗效能评估技术

效能评估技术主要在评估模型构建过程中提供评估算法和分析方法,为评估问题的解决提供理论依据和技术支撑,其中,评估方法和分析方法是评估模型的核心,也是评估问题的关键和难点。科学、合理的评估技术是开展电子对抗效能评估工作的重要支撑。效能评估技术应紧贴效能评估需求,构建电子对抗效能评估技术和方法体系框架,如图6所示。电子对抗效能评估方法的基础理论支撑体系包括:基于系统论的多指标综合评价、基于统计论的数据分析、基于知识发现的数据挖掘以及基于机器学习的智能评估等。

基于系统论的多指标综合方法是以系统评估理论为基础,通过采用合适的方法对指标进行聚合,以便从整体上对评估对象进行评价。常见的有多属性的评估方法、不确定性评估方法等;基于统计理论的数据分析以数理统计学为理论基础,研究数据的描述性统计和各种变量之间的关系。常见的方法主要有描述性统计分析、相关分析、方差分析、回归分析、因子分析等。基于知识发现的数据挖掘用于从历史数据中挖掘发现存在的规则,并根据规则进行判断评价,常见的方法有聚类分析、关联规则等;基于机器学习的智能评估是通过对历史数据的学习实现自动预测功能,常见的评估方法主要有人工神经网络法、支持向量机法、贝叶斯网络法等。

3.2 基于组件开发的软件重构技术

基于组件开发的软件重构技术是实现评估系统开放式架构设计的核心[7]。可重构软件系统组成形式如图7。一方面平台通过加载不同的组件组合可改进和重新组织软件内部结构,从而提高软件的复用;另一方面平台具备开发相对独立、可重构组件的功能,通过组件的二次开发能够使框架更好地嵌入更多的功能模块,从而实现插件式功能扩展。

根据系统功能需求开发组件,将数据管理、数据预处理算法管理、匹配规则管理、指标模型管理、分析算法管理、评估方法算子管理、指标体系构建等各个逻辑功能模块建模为可重构组件,可在软件平台上加载、组合调用和二次开发,可进行指标体系的灵活构建、评估模板的匹配和算法模型的扩展,满足多样化评估需求。

3.3 训练数据实时传输技术

实现电子对抗数据实时传输是实时评估的一项基础性工作。数据的实时传输主要将数据采集终端采集得到的数据通过网络实时发送评估席,以供后续的数据评估以及数据展示。数据实时传输采用C/S架构直接将数据写入远端数据库的方式,其中远端数据库服务器设在实时评估端,客户端设在数据采集端。客户端通过局域网与数据库服务器相连,通过网络向服务器提供请求,在一条训练数据采集完成后,将数据写在远端数据库中。远端数据库允许多个数据采集终端同时访问。图8为采用C/S架构训练数据实时传输结构示意图。

图8 基于C/S架构的训练数据实时传输结构示意图

电子对抗数据实时传输流程如下:首先采集终端管理系统对使用的采集终端进行协议配置和模板下发;采集终端通过串口、网口或手动录入的方式,采集装备工作状态、工作参数等数据,过程中采集终端管理系统可以对各个终端进行采集状态监控;在进行数据采集过程中,采集终端同步进行接口、协议转换,通过传输网络将数据传输给采集终端数据存储服务器;采集终端管理系统可对采集数据进行存储和显示。

4 结束语

本文聚焦系统预期能力,提出了一种开放式的电子对抗效能评估系统的设计方法。系统基于开放式架构设计,具有应用可扩展、模型可重用、指标可定制、过程可交互、结果可显示的特点,可以对各类数据进行在线、离线采集,作为评估应用平台实现分类分级的精细评估、实时在线的快速评估和分析挖掘的数据应用,也可以作为开发平台为满足电子对抗效能评估的多样化评估需求提供技术支撑。