基于主成分分析法的护航行动海面目标威胁评估

黄力伟，穆 杨

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

0 引言

护航行动中，有必要采取快速合理的方法对当前所有目标进行威胁评估及排序，争取快速、准确地处置海情威胁，为反海盗行动争取主动［1］。

在护航行动海面目标威胁评估分析中，影响目标威胁度的评估指标变量具有多样性、复杂性，且重要程度也不相同，给威胁评估带来了困难。主成分分析方法是一种降维分析的多元统计方法，一方面，在尽可能保留原始指标变量信息的前提下，通过少数几个主成分对原始指标信息进行最佳综合简化，避免多个指标变量所带来的评估问题的复杂性；另一方面，主成分分析方法在指标权重的选择上较好地克服了主观因素影响，较客观地反映了评估指标之间的现实关系。本文采用主成分分析方法开展护航行动中海面目标威胁评估研究。

1 护航海区海面目标分析

下面就我护航编队在执行任务过程中可能遭遇和观测到的目标种类及其特征加以分析［2］。

1）民用商船。在海域内数量众多，多用于国际贸易和运输，船型较大，航速较低，航线相对固定。绝大部分排水量为万吨级以上，航速从12 kn～24 kn不等。通过舰载导航雷达和AIS系统，可在作用距离（约30 n mile）内对大部分商船进行准确识别。也可根据目标回波特征、运动要素和目力观察进行识别。

2）外军舰船。主要采取区域巡逻和伴随护航的方式，船型中等偏大，雷达易发现。护航期间通常会开启导航雷达和警戒搜索雷达，少数会开启火控雷达和AIS系统。一般排水量为数千吨，航速从几节到30 kn不等。可通过导航雷达、电子探测和目力观察等手段对其进行识别。外军舰船也可能主动在护航区域联络我军舰艇，向我通报附近海域的目标信息及其护航情况。

3）作业渔船。渔船活动与海况、区域息息相关，规律难以把握，船体积较小，多为玻璃钢质或木质，干舷较低，发现距离近。由于特征相近，海盗经常伪装成渔船实施海盗行动。渔船的雷达发现距离一般在4 n mile～6 n mile，最远能达到8 n mile以上，最近在3 n mile以内。目力发现渔船，在白天能见度较好时为5 n mile以上，在夜间渔船未亮灯光时仅为几链。对正常作业渔船的准确识别还应综合目标运动态势及目力观察的结果实施。

4）海盗船只。通常以改造过的民船或者较大渔船作为母船，经过伪装后游曳在国际商船航线附近，伺机抢劫过往船只。疑似海盗船只一般为小型木质渔船，体积较小，行动隐蔽，速度较快，运动态势多变，船上一般载有较多人员，部分船只上可以清晰看见武器和挂梯等装具。雷达发现距离通常在3 n mile～5 n mile以内，有时甚至不能及时发现，只有近距离通过目力等手段才能准确判别。

2 海面目标威胁评估模型

2.1 海面目标威胁评估指标分析

根据护航海域海面目标分析及护航实际经验，可确定海面目标威胁评估指标如下［3］。

1）目标大小。海盗船只多为改造过的普通民船（快艇或小型渔船），体积较小，即便利用劫持的大中型船舶作为母船，由于其快速机动能力较差，在一定距离之外无法对我编队造成安全威胁。因此，在评估中可认为船型越大的目标对编队威胁的程度越低，而小目标则威胁程度较高。目标大小根据导航雷达的回波大小比对和目力观察等方式判别。

2）目标速度。与该目标对我编队安全的威胁程度有直接关系。海盗行动快速突然，其目的是在我护航兵力未能及时作出反应之时对商船发起袭击，完成劫持，有的海盗小艇在袭击商船时的速度高达30节以上。因此，在评估中可认为目标速度越大对我编队威胁的程度越高，而低速目标对我威胁程度相对较低。目标航速主要通过舰载雷达探测和目力观察估算等方式判别。

3）目标距离。根据目标距离可以简单判断在一定时间内该目标对编队安全的威胁程度。理论上来说，目标距离编队越远其短时间内发动袭击行动的可能性越小，我编队越安全。因此，目标距离越大对编队安全造成威胁的程度越低，而目标距离小则威胁程度高。目标距离主要通过舰载雷达探测和目力观察估算等方式判别。

4）目标运动态势。指目标相对于我护航编队的运动状态和趋势。由于海盗装备多为射程较近的轻武器，其劫持行动也以成功登上并控制被袭船只为前提，因此，目标驶近编队时安全威胁程度相对较高。还有一种威胁情况需注意，即较长时间与编队保持相对静止的不明海面目标很可能是海盗船在发起袭击之前尾随袭击目标寻找下手机会。目标运动态势主要通过舰载导航雷达对目标的连续观测、航迹录取和综合分析判断等方式判别。

5）AIS识别情况。大部分商船、运输船等大中型海面目标可通过AIS系统准确识别，一般小型渔船等目标无法有效识别。部分商船未安装或出于安全考虑未开启AIS系统，另外部分执行护航巡逻任务的外军舰船AIS系统也处于关闭状态。由于海盗母船多为不明身份的渔船，因此，能通过AIS系统识别真实合法身份的船舶威胁程度较低。

6）通报及观察情况。在执行护航任务时，上级会将任务海区的海盗活动情况、商船被劫情况和疑似海盗船只信息及时通报给我任务舰艇，在附近执行任务外军舰船有时也会通报相关情况，当我舰掌握的海面目标与上级或外军通报的疑似海盗船只或被劫商船特征一致时，可认为其威胁程度较高，应重点监控。另外，通过直升机前去查证和视距内目力观察，如显见目标船上载有武装人员或海盗装具等，也应认为其对编队安全威胁程度高。

2.2 海上目标威胁评估模型

基于主成分分析法的海上目标威胁综合评估的主要步骤如下［4-6］：

1）数据采集。根据海面目标威胁评估指标，采集海面目标指标值，各指标取值标准如表1所示。

表1 海面目标指标取值标准

2）指标量化。为统一衡量各海面目标对护航编队的安全威胁程度，通过护航经验和实际情况，将目标相对各指标可能存在的状态进行量化，分值高低代表指标威胁程度的大小，如表2所示。

表2 指标威胁程度量化表

根据表1、表2，以及海面目标信息可以得到有n个海面目标的具有p（p=6）个指标的量化矩阵

3）数据标准化。为了消除原始数据量纲带来的影响，可用Z-score法对数据进行标准化变换，X标准化后矩阵为

其中

4）求矩阵X*的相关系数矩阵。X*的相关系数矩阵为

其中

5）求解主成分。主成分分析法是一种将原有的p个指标变量转化为少数几个综合变量的方法，其分析过程其实就是坐标系旋转的过程，新坐标系的各个坐标轴方向是原始数据方差最大的方向，各主成分表达式就是新旧坐标转换关系式。

标准化后样本数据的主成分的得分矩阵为

由于主成分分析的主要目的是降维，所以需要在信息损失不太多的情况下，用少数几个主成分代替原始的p个指标值。选取主成分个数的方式的一般做法是取较小的m，使得前m个主成分的累积贡献率不低于某一水平（如85%），这样就达到了降维的目的。

从而进行综合评价。

2.3 Matalab实现

运用Matlab可以比较容易地实现基于主成分分析的护航行动海面目标威胁评估［7-9］。

Matlab中数据标准化函数为

采用princomp函数开展主成分分析。princomp函数是根据样本观测矩阵进行主成分分析，其调用格式如下

其中：输出参数R是p行p列的主成分系数矩阵，第i列是第i个主成分系数向量；输出参数Y是n个样品的p个主成分得分矩阵，每一行对应一个观测，每一列对应一个主成分，第i行是第j列元素是i个样品的第j个主成分得分；输出参数是样本协方差矩阵的p个特征值构成的列向量。

2.4 实例运算

某次护航获取的海面目标信息如表3所示。

根据表1、表2量化目标信息，根据式（8）、式（9）运用Matlab计算得出参数：。假设要求累积贡献率不低于85%，确定主成分个数为4。

表3 海面目标信息

根据式（7）计算各目标综合评价值，比较综合评估值的大小，得出目标威胁评估由大到小排序为22 5 6 2 8 14 18 1 16 11 12 15 17 2010 7 21 9 4 3 13 19

实际上，从海面目标信息表3可以看出，目标22威胁是最大的，说明基于主成分分析的海面目标威胁评估是可行的。

3 结论

在护航过程中对海面目标的探测、观察和识别应该遵循“尽快尽远”的原则，在紧迫情况发生前及时判别采取措施，争取将海盗船只对我编队的威胁程度降到最低。采用主成分分析方法进行海面目标威胁评估时还应重点把握以下几个问题。

3.1 综合考虑多方面因素

海面目标威胁程度评估的指标不是单一的，考虑到的指标越详细准确，特别是对重要指标数据的掌握越详尽，对于威胁程度的判定就越准确。在受到客观条件限制无法全面及时获取信息时，应对主要指标威胁程度进行概略初评，以此作为下一步采取行动的重要依据。

3.2 重点监控评估值变化幅度较大的目标

海面目标运动的不确定性和海盗行动的隐蔽性决定了部分目标对编队安全威胁程度评估值动态变化幅度较大，这在一定程度上会影响目标威胁等级的划分。因此，在编队护航过程中，对于那些评估值变化幅度较大的目标应该重点、连续观测，以获得较完备的信息，并在此基础上对其运动态势和威胁程度作出合理判断，避免突发事件的发生。