精导武器体系能力需求探索性仿真实验论证

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姚俊1,胡剑文2,杨镜宇3,常国岑1

(1.空军工程大学电讯工程学院,西安 710077;2.空军指挥学院作战模拟教研室,北京 100089;3.国防大学信息作战与指挥训练教研部,北京100091)

引言

精确制导武器在战争中发挥着重要作用,无论是对目标的远程精确打击还是对民众的心理承受力都有直接或间接的作用,并对战争的进程和结果产生着重要的影响。因此对精确制导武器体系的能力进行研究具有着重要意义。

当前,相关学术界虽然十分重视对体系问题的研究,但就如何突破传统的武器装备需求论证方法,还缺乏有效的创新成果。我们课题组将探索性分析方法与体系对抗仿真实验方法相结合,提出了探索性仿真实验方法,并将该方法应用于武器装备体系能力需求论证,即基于探索性仿真实验的体系能力空间论证方法,从研究能力空间的角度对武器装备体系的能力需求进行论证。在未来信息化战争条件下,针对我军一体化联合作战的需求,运用该方法能够更好地对武器装备体系的整体能力需求进行探索性的设计规划与仿真实验验证。

本文主要探讨了应用于武器装备体系能力需求论证的探索性分析框架,并建立了一个初步具备体系特征的精导武器体系仿真模型,运用探索性仿真实验的相关技术和方法来分析、探讨在特定任务要求下该精导武器体系完成任务所必须达到的能力目标以及未来发展规划的重点。

探索性分析框架

所谓探索性分析,简单地说,就是对各种不确定性要素所产生的结果进行整体研究。它全面分析了各种不确定要素对结果的影响。建立探索性分析框架系统,是有效支撑探索性分析的基础。提出一个适用于探索性分析的分析框架系统,如图1所示。

图1探索性分析框架

采用探索性分析框架的主要目的是为了问题分析与求解模型的独立。问题的定义,初始条件的确定,问题的求解控制,以及输出数据的综合分析都是由分析框架辅助分析人员来完成的。系统求解模型不是面向具体问题,因此其具有极高的柔性。探索性分析框架主要由初始输入、问题探索求解控制、输出数据综合分析三个模块构成。下面分别介绍这三个模块的主要功能与实现方法。

2.1　初始输入模块

此模块的功能主要完成分析问题的初始化设置,其中包括了问题背景的非结构化描述,主要分析指标的确立,构建结构化的探索空间区域,确定问题分析目标等功能。此模块是探索性分析的起点。分析人员通过它用非结构化与结构化的两种方式确定分析问题的初始条件、分析的目标等。其中非结构化方式主要是对问题的宏观文字性的描述,可为后续分析作为决策参考。结构化方式主要是确定探索空间,确定探索空间是这一模块的关键内容。

2.2　问题探索求解控制模块

探索性方法最大的困难莫过于探索空间大、计算量大,因此必须引入相应的优化机制进行优化探索求解。在使用探索性分析之前可先使用传统敏感度分析,以及方差分析等策略确定主要探索要素,这是减少计算规模的第一步。当关键要素确定之后,为了提高计算效率还要进行优化探索求解,引入相应的优化控制机制。探索性分析的优化计算与普通优化方法存在着本质的区别,普通优化是点的寻优,即通过较少的计算找到一个优化的决策点;而探索性分析的目标并不是找一个点,它需要计算出整个多维区域,它的优化计算就是如何以少量的计算点达到计算全部所需计算区域的效果。

我们采取了两类优化探索控制机制来提高探索求解的效率:

1)静态优化机制。这类机制是离散化探索空间,每个要素选取多个关键值,然后正交组合,根据有少量的组合探索求解,最后利用相应的多维数据分析手段,如数据挖掘,神经网络等方法实现问题求解。静态优化机制的优点是通用性强,计算量小。缺点是把连续或离散空间正交离散化会失去大量有效信息。

2)动态优化机制。

这类探索优化机制主要采取的策略是根据当前探索求值的结果,动态自适应的确定下一步搜索区域,省去一些不必要搜索区域。从而实现优化探索。这种机制可以在连续空间中优化探索,信息损失少,对某些特定问题其计算效率也是非常高的。但这种机制的缺点也是明显的,其实现难度很大,只能根据分析问题的特点采用相应的优化控制机制,没有通用性。以上两种机制都有一定的适用范围,在实际运用中可以相互补充。

2.3　多维输出数据分析

输出数据的综合分析模块的主要功能是抽出探索计算的结果,综合分析这些数据,为分析人员提供决策支持,并辅助生成分析报告。其可分为三部分:分析数据接口、数据分析、分析报告生成。

1)分析数据接口及数据管理模块分析数据接口及数据管理模块完成从系统模型向分析框架输出数据的功能,它将系统模型得出的大量原始数据收集起来,按照对分析指标的要求,利用一些统计方法提取出分析指标所需要的数据,转化成面向分析的离散数据并提供给数据分析模块。

2)数据分析模块在此模块中我们实现了OLAP分析与基于归类的数据挖掘方法,它从大量的多维探索性分析数据中,按照分析人员指定的规则特征,自动的发现有价值的规则,辅助决策分析。

3)分析报告生成模块分析报告生成模块包括两个部分:分析报告模板管理工具、分析报告生成工具。分析报告模板维护工具可以按照不同的需求设计和存储各种分析报告模板,比如可以设计针对某个分析方法的分析报告模板,也可以设计汇总各种分析方法结果的综合分析报告模板。分析结果的存储以分析报告模板为基础,分析报告模板包括对分析问题、分析参数、样本运行等的描述,还包括使用各种分析方法进行分析所得结果的说明和图表信息。

精确制导武器体系的能力需求论证实验

3.1　实验环境结构

根据上一节所提出的探索性分析框架,设计如图2实验环境结构。

图2　实验环境结构

实验主要分三个模块(如图中虚线部分):①实验控制模块;②实验参数定义模块;③精导武器仿真运行模块。由图2可以看出,整个实验的进行由实验控制模块掌控,由该部分安排实验的关键参数变量及各变量的分段值和实验运行方式,根据实验运行方式来确定如何调用其它两个模块。实验批量运行过程如下:

1)实验控制模块调用参数定义模块生成实验参数组合表;

2)控制模块将参数组合表中的第一条数据更新到仿真模型的参数表中,仿真模型在数据更新后运行,并将结果返回控制模块,由控制模块保存到多维数据表;

3)控制模块取参数组合表中的下一条数据进行更新,之后同步骤2;

4)循环步骤3直至所有参数组合全部运行完毕。

最后得到完整的多维数据表,进行下一步的多维数据分析。

3.2　精导武器仿真模型构建

选择对精确制导武器体系进行建模,来研究论证精确制导武器体系的能力指标是否能完成任务。

研究的精确制导武器体系包括:W1、W2、W3、W4、W5五种武器和电子干扰系统,打击目标包括:T1、T2、T3、T4四类目标,每一种武器和每一类目标都有多个数量。

针对精导武器体系的能力需求论证,需要对一系列涉及的精导武器系统和作战指挥系统进行构模。例如,战术导弹武器系统模型、巡航导弹武器系统模型、毁伤计算模型等。

假定体系仿真的过程为A方精导武器体系在相应电子压制力量的支援下,对B方T1-T4四类目标进行多波次的打击。对所有目标完全摧毁则认为完成一个波次的打击,假设在A方每个波次打击完成之后,B方目标完全修复,之后A方继续进行下一波次的打击,直到所有武器全部用完,输出完成的波次。

在本实验中,给定的完成任务的条件是该精导武器体系能够对B方完成至少N个(按实际情况指定)波次的打击。实验论证的目标是在该任务条件下,A方精导武器体系的能力是否满足需求,需要如何改进。

3.3　能力空间设计

在实验中,引入元数据的概念。元数据是指分析实验的基础数据,记录的是数据的类型、取值范围、单调性和数据的分段数等信息,用来对实验数据的选取、抽样。例如,圆概率偏差这一指标是整型还是浮点型,是单调增还是单调减,取值范围是多少等。

实验采取离散的静态优化机制进行求解。首先,先根据常识和经验对能力指标关键与否进行判断,从20多个参数指标中选取了十多个参数,之后使用敏感度分析进行了一系列的初期运行,来明确哪些是可能在精导武器打击的使命完成中发挥决定性作用的因素(对于变量数量非常多又不容易确定关键变量时,要采用数据筛选法来进行关键指标的确定,如分支定界法等),最后确定其中的八个能力指标进行探索,探索分析能力指标表如表1(为助于理解,本文所有图表中的变量指标水平数值都采用定性描述代替)。

将以上关键能力指标及其指标水平进行正交组合,总共可以产生出2×3×2×2×3×3×2×3=1296种参数组合,则实验将运行1296次,模型将组合逐项取出输入到精导武器仿真运行模块进行计算,得出结果并进行记录,得到探索要素与作战目标的多维数据表。

3.4　多维数据表现与多维数据分析

3.4.1　OLAP数据分析

OLAP可以实现多维数据的可视化统计显示,并能实现切片、旋转等统计与显示功能。该分析过程的实现方式是在SQLServer2000查询分析器与EXCEL的数据透视图的基础上进行综合分析。

1)单项指标统计显示分析。

图3为干扰等级指标的单项指标统计图,从图中可以直观的看出,当干扰等级由无干扰向强干扰变化时,使命成功的次数(上层浅色部分)明显增加,由此可以说明干扰等级是非常关键的能力指标。如图3。

在对其它能力指标进行单项统计后,发现还有W5的数量、携载飞机的易损性和干扰等级三个能力指标的变化对结果的影响较大,由此可以为精导武器体系未来的发展方向提供指导。

2)切片统计显示分析。

选择W1圆概率偏差为增强型时的干扰等级和飞机易损性的二维切片统计显示结果,如图4。

3)旋转统计显示示例。

图5是图4的旋转,其把W1的圆概率偏差维与飞机易损性维调换了一下。

在对能力指标作单项统计的过程中我们发现W1的圆概率偏差对结果的影响比较微小,根据常理,精导武器性能指标中,圆概率偏差是相当重要的一项指标。为什么在该实例中没有反映出来呢?通过旋转后可以发现:当干扰等级为无干扰和弱干扰时,圆概率偏差的变化对结果的影响还是较大的,只不过在当干扰等级为强干扰时,圆概率偏差的大小便不再成为影响使命完成结果的重要因素。这从另一个侧面也说明了干扰等级的提升比圆概率偏差的改进有更大的意义,同时也说明指标的重要性也体现在不同的条件和环境下。

3.4.2　数据挖掘规则发现

在获取了探索要素与作战目标的多维数据表的基础上,以使命完成这一维作为分类预测列,以八个探索能力指标作为输入列,利用有指导的ESX执行规则发现功能,对该实验结果分别在高、中、低三种不同强度下进行规则探索。

从三次探索的结果中可以发现,当规则探索强度较低时,生成的规则太多,每个参数都有涉及,分不出重点,基本上没有效果;当强度增加时,对结果起到较大影响的指标规则就被挖掘出来了(如图6),可以看出W5的数量对任务的成败都起着决定性的、其它任何指标都无可比拟的重要性。

结束语

本文主要介绍了探索性仿真实验方法在武器装备体系能力需求论证上的应用,并针对精确制导武器体系能力需求的具体问题进行建模、实验设计和数据分析,通过探索性仿真实验方法的应用,我们发现了影响结果的关键能力指标,得出了对精导武器体系能力发展有意义的结论。下一步,在此基础上,将应用支撑向量机理论和方法进行进一步的实验,完成能力需求空间的生成。