基于模式识别和序贯分析的综合态势感知模型研究*

李 军 李敏勇 常玉国

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

1 引言

具有良好的态势感知能力是所有军队共同追求的目标,但如何处理海量的战场信息也成为困扰各级指挥员的难题。从过去的作战经验来看,问题的关键不在于缺少合适的信息,而在于缺少处理信息的合适方法。因此,依托于目前的科技水平和战场基础设施建设,要构建良好的态势感知,不只是技术层面所考虑的问题,而且是方法问题。在此,本文提出了基于模式识别和序贯分析的综合态势感知模型,希冀从信息处理的方法上去寻找提升态势感知效能的途径。

2 态势感知的地位和特点

态势感知是指能够在特定的时间及时感知作战空间的局部或整体态势,是指挥控制环路中认识活动的一种重要形态。只有具备优势的态势感知,才会有后续的决策优势和行动优势。

态势感知作为信息从物理域或信息域映射到认知域的一种认知活动,是信息、数据进入认知域的输入过程[1]。主要分为两种感知方式,一种是直接感知方式,对于复杂的环境主要通过模式识别的方式来完成,另一种是间接感知方式,借助工具和手段对具有时空特性的感知对象进行序贯分析来完成。

3 态势感知的模型

根据A lberts在文献《理解指挥与控制》[2]中提出的态势感知参考模型,本文把态势感知模型从功能上分为三层:实体感知层、关系理解层、态势评估层,如图1所示,每层根据不同的问题域实现不同的功能,三层协作完成态势感知的过程。

图1 态势感知示意图

3.1 基于序贯分析的态势感知

基于序贯分析的态势感知,即是依据指挥控制活动的周期性特点而出现的迭代感知过程。随着战场态势的不断更新,态势感知活动逐级展开,形成一个动态、连续的过程。其感知活动主要分为如下三个步骤:

1)实体感知阶段

主要是综合提取来自反映当前作战环境的多传感源数据,构建战场态势的信息空间,主要发生在物理域。形式化表示如下:

式中,St为t时刻的单元信息向量,Tj为传感器采集的战场实体特征信息。连续时刻的态势单元信息向量组成了态势信息空间U,实体感知过程就是从态势信息空间U提取态势特征向量Vi的过程。

2)关系感知阶段

主要是根据实体感知所生成的态势特征向量Vi对各态势特征的关系进行理解,从而解释和判断当前战场状态,并进一步形成态势理解空间A,通过不断到来的特征向量修正态势理解空间A。

假设态势空间为θ={A,B,C,D,…},其中元素为全部可能出现的态势分类。

当前获取的态势特征向量集合为

3)态势评估过程

态势评估过程是基于当前已经获得的战场态势理解空间A,对未来可能出现的态势进行预测,并以概率的方式给出态势发展趋势。即已知t时刻的态势A(t),求A(t+Δt)时刻的态势。态势评估过程实质上就是建立映射φ:A(t)→A(t+Δt)的过程。

3.2 基于模式识别的态势感知

美国著名指挥控制专家A lberts在专著《理解信息战》[3]中提出了基于模式识别的态势感知,指出通常情况下指挥人员对态势的感知都是利用直觉而不是理性的决策,他们通过识别模式并将模式与自身先前的经验和知识联系起来,以确定态势的本质和恰当的响应。

基于模式识别的态势感知更多的依靠感知主体的素质,感知所达到的水平及共享所达到的程度取决于很多因素,其中包括看法、一种先验的知识、对态势的熟悉程度、真伪信息的混杂出现、接收到信息的次序和相互信任的关系。感知所达到的共享程度,除取决于上述这些相同的因素外,还取决于团队成员在各个方面存在的差异,其中包括知识、技能、经验和文化等[2]。

实际上,经过良好教育和训练的战斗人员和情报分析人员,在时间紧迫的作战环境下,往往面对的是对敌方的作战意图进行快速的模式识别,即是将观测分析得到的特征量与各类作战意图的特征量相比较,与哪一类的相似度最大,即判别为该类作战意图。基于模式识别的态势感知,存在于人的大脑之中,无法精确量化,本文只是初步给出其形式化的数学描述:

设当前时刻观测得到的目标特征向量为:

基本思想在于利用目标状态(用特征向量表征)与标准序列状态值之间的相近程度(简称相似度)来计算目标当前状态对各意图类别的支持程度。

1)分析特定作战背景下,目标具有某种作战意图cj时特征向量X的标准值。标准值的分量并非特定的值,而是存在一个离散或连续的取值范围。不同的意图类别具有不同的标准值,相应的标准分量为;

3)建立特征向量xij与的相似度计算模型,其相似度用[-1,1]中的一个数来度量,当相似度取正值时,代表该特征支持相应的意图类别,取负值时相反;

4)计算特征向量X对cj的支持程度

实际过程中,基于模式识别的态势认识是一个定性分析的过程,完全基于态势感知主体的认知能力,不可避免地存在一定的模糊性和不精确性,但这也是人类认知活动的客观事实。

4 综合态势感知的效能分析

感知总是由当前的信息和先验知识共同形成。前者需要利用基于序贯分析的态势感知方式,后者主要利用基于模式识别的态势感知方式。随着态势的发展,感知就越依赖信息而不是先验知识。

由于在传统序列态势感知的基础上,综合采用了基于模式识别的态势感知方法,信息处理的负荷大为降低,信息处理时间大为缩短,有利于提高指挥机构的态势感知质量。由于态势感知属于一种具有时空属性的感知活动,主要体现在其时效性和消除战场的不确定性。因此,本文采用把综合态势感知的效能简化为对协同完成感知任务的时间上的影响来进行量化分析[4]。

设定态势感知任务由分析人员按照一定的行为步骤来完成,为完成一定的态势感知目标,这些行为构成一条关键路径。将每一个阶段行为简化为一个节点。

在态势感知过程中,每一个节点都有一定数量处理任务。λi为节点处理任务的平均速率,则1/λi为节点i处理所有任务的平均时间,设为指数分布。通常在态势感知网络中,会有一系列的并行和串行节点。在最简单的情况下,网络中存在一条串行的关键路径由ρ个节点组成。定义路径总处理延迟为每个节点处理延迟的总和加上 tm,tm是态势感知系统内在固定耗费时间。在这样一个串行的例子中,总的处理时间 T就是在关键路径上每个节点的处理时间的总和加上tm。

对于综合态势感知模型,在关键路径上同时存在串行和并行的节点,如图2所示,则

由于态势感知的最终目的在于消除不确定性,我们主要关注态势估计阶段,设定节点j在时刻t的知识表示为K j(t),则节点4的知识表示为K 4(t),令c*表示由于引入基于模式识别的态势感知效益。节点4处的态势感知效益即态势处理时间减少因子即c*=(1-K4(t))w,0≤w≤1。考虑到态势感知是作为指挥控制活动OODA环(观察、定位、决断、行动)的一个组成部分,本身具有一定的周期性。设定在某个时间段内对所有的多源信息输入产生的感知效益即态势处理时间的减少量为

图2 串并行节点共存的态势感知网络图

其中n表示在时间段内所有通过模式识别方式进行的态势感知的输入信息(事件)数目。

因此,由于模式识别带来的态势感知效益可量化为相应关键路径上处理时间的优化。

态势感知所形成的模式识别信息,既存在于战术节点,又通过通信网络传达到指挥节点,能够较好地实现指挥控制活动快速性和完整性的有效统一。

5 结语

本文针对实际的战场态势感知中人类认知活动的特性,对基于模式识别的直接态势感知进行了重点分析,并提出了简化的量化模型,有利于对态势感知过程进一步的认识,对处理态势感知所面临的通信负载大、信息处理多、时间延迟久等困难提出了一种新的解决方式,对提高态势感知质量以及对态势感知系统的设计都具有一定的指导意义。

[1]李敏勇.信息战与指挥控制[M].武汉:海军工程大学,2004

[2]Alberts,David S.,Richard E.Hayes.Understanding Command and Control[M].Washington,DC:CCRP Publication Series,2006

[3]lberts,David S.,John J.Garstka,et al.Understanding Information Age Warfare[M].Washington,DC:CCRP Publication Series,2001

[4]JamesMo ffat.Comp lexity Theory and Netw ork Centric Warfare[A].U.S.:CCRP Publication Series,2004