基于置信规则库推理的装备战损等级评定①

刘嘉迪,郝建国,黄 健

(国防科技大学 智能科学学院,长沙 410073)

现代条件作战,面临的将是高精度、远距离、高毁伤的火力战,装备的受损将成倍增加,如何保持部队持续作战能力是取得胜利的关键.在第4 次中东战争中,以色列军队在开战之初有过半的坦克受到损伤,但凭借其高效的战场抢修能力,损伤的坦克在基本在一天内就能恢复战斗力,进而获得了战争主动权.在海湾战争中,伊军虽有近万辆坦克和装甲装备,但无法进行有效的战场抢修,使其损坏率高达到66%,最终溃不成军.因此,战场已经变成了交战双方战场抢修能力的竞争场,而装备战场损伤等级评定又是战场抢修的前提与基础[1].

目前对装备战场损伤等级评估的研究方法包括贝叶斯推理[2-4]、案例推理[5]、神经网络[6,7]以及模糊集合理论[8,9]等.传统的方法如贝叶斯推理、案例推理不能有效处理不确定性信息.而置信规则推理方法能有效地处理各种类型的数据信息,建立输入和输出之间的非线性模型.相比于神经网络、模糊理论等方法,置信规则库是一个“白盒系统”,其推理过程与人类思考问题的方式类似,具有良好的可解释性.此外,专家信息可参与也是此方法所特有的优势.

鉴于以上分析,本文建立一种BRB-ER 战损等级评定模型,采用BRB 表示装备战损等级评定过程中所需专家知识和相关信息,利用局部粒子群算法对初始BRB 进行优化学习,得到更新后的BRB 进行推理的过程.最后,通过实例验证了所提方法的有效性.

1 装备战损影响因素分析及评定等级划分

1.1 战场损伤影响因素分析

分析实际情况下的装备战场受损因素,主要包括:威胁因素、装备因素、防护因素.对装备战损影响因素进行细致分析,是设计置信规则库前提属性的重要基础.考虑到实际可以将3 种影响因素细化为[10]:

(1)威胁因素

①威胁程度(X1):威胁对目标装备的损伤均是通过损伤机理与目标之间的相互作用实现的.战场上威胁种类繁多,损伤机理各异,威胁的参数和指标往往是不为人知的,可以通过专家主观判断,将威胁分为高、中、低3 级.

②炸点与装备中心之间的距离(X2):炸点到装备的距离是影响战损结果的重要因素,距离越近,装备受到的损伤越大,反之越小.

③炸点到装备中心连线与地水平线夹角(X3):该参数与炸点到装备中心的直线距离X2共同反映了装备和炸点之间的地形环境,不同的X2、X3值则表示了不同的地形环境.

④弹着点相对于目标装备的位置(X4):以装备中心线为轴,从装备方向线顺时针旋转到装备中心到炸点的方向线之间的夹角表示弹着点相对于目标装备的位置.

(2)装备因素(X5)

装备因素主要是指装备的类型和名称,不同种类和类型装备的损伤机理往往是不同的,例如:坦克、履带式步兵战车等装甲装备,其自身防护能力较强,战时受到破片、冲击波等损害威胁较低;而牵引火炮等轮式装备,其防护能力较差,战时易受到破片、冲击波等威胁机理的作用发生破孔损伤;此外,电子类装备诸如雷达、通信设备等除了会受到破片、冲击波等传统威胁机理的破坏外,还易受到电磁脉冲的影响.在此,我们可以通过编码的方式来表示不同类型的装备.

(3)防护因素(X6)

合理设置掩体对于降低装备损伤程度具有重要作用,掩体防护主要包括半掩体、简易掩体和永固掩体3 种.不同掩体的防护能力是不同的,可对其进行归一化.

1.2 战损等级的划分

根据战损装备的功能丧失程度和可修复性,结合维修保障资源配置情况,以及修复损伤装备所需时间,我军习惯上将装备战场损伤等级划分为4 等6 级,如表1所示.

表1 战场损伤等级划分表

2 BRB-ER 战损等级评定模型

2.1 BRB 专家系统

置信规则库[11]是一类模型的总称,这类模型在传统IF-THEN 规则的基础上引入了置信度和权重参数,克服了传统规则库过于简单绝对的问题.一个基本的BRB 模型描述如下,即:

其中,Rk(k=1,2,···,L)表示BRB 模型的第k条规则,L表示规则的数量,公式的第一部分为规则的前件,表达推理所用到的先验知识,xi(i=1,2···,M)表示第i个前提属性值,表示第k条规则的第i个前提属性的参考值;公式的第二部分为规则的后件,表达推理的最终结论,Dj(j=1,2,···,N)表示第j个评价结果等级,βj,k表示在第k条规则中第j个评价等级的置信度;θk为第k条规则的权重,为第i个属性的属性权重.

2.2 BRB 推理

BRB 中规则的推理包括两步,首先是计算每条规则的激活权重,然后根据激活权重将规则进行融合.

(1)激活权重计算

一般而言,当输入xi(i=1,2,···,M)为定量信息且为数值形式时,可以采用基于效用的方法计算其对应的前提属性参考值相似度即:

然后通过式(2)计算第k条规则的激活权重:

(2)ER 算法融合

通过ER 算法对BRB 中所有激活的规则进行融合推理,ER 算法的解析公式如下:

选择最高置信度对应的输出等级作为最终的战损等级评估结果:

2.3 BRB-ER 模型结构

显然,装备发生战斗损伤的3 种影响因素与装备的受损程度(装备的损伤等级)之间存在一种非线性映射关系.为此,建立如图1所示的BRB-ER 战损等级评定模型进行推理.该模型主要包含两个部分:第1 部分是置信规则专家系统,主要进行装备战损等级评定规则的建立;第2 部分是ER 算法,主要进行规则的推理合成.当通过对装备战损数据进行预处理后,利用BRB-ER 模型的进行推理融合,就能得到装备战损等级评估结果.

图1 BRB-ER 战损等级评定模型结构

现有BRB 的构建大多采用遍历组合的方式,当前提属性个数较多时,就容易造成“组合爆炸”问题.如果构建的置信规则库共有M个前提属性,并且第m个前提属性有mi个参考值时,总共需要构建条规则.例如,在装备战损等级评估问题中,共有6 个前提属性信息,若每个前提属性均有4 个参考值时,就有46=4096 条规则需要构造.若再增加BRB 中前提属性数量或参考值数量,则BRB 中的规则数会呈指数递增的趋势,系统的复杂度会大大增加,严重影响推理的效率和精度.鉴于此,本文在构建装备战损等级评定置信规则库时,并非使用传统的遍历组合的方式,而是利用Chang 等[12]提出的线性组合的方式,如图2所示,线性组合的方式可以克服传统置信规则库“组合爆炸”的问题.

图2 构建规则库的不同组合方式

3 基于局部粒子群的参数训练方法

在构造初始BRB 时,系统的参数通常由人为随机给定,造成主观性过大,其战损评估的准确度可能会被降低.因此,本文提出了一种基于局部粒子群的BRB参数优化算法来提高战损等级评定精度.

3.1 BRB-ER 的参数优化模型

为了选取置信规则库的最优参数,Yang 提出了对置信规则库参数优化的基本思想[11].其优化学习模型具体结构见图3.

图3 BRB 系统参数优化模型

对于BRB 的参数优化模型,其符号表达式如下:

其中,V表示由组成的参数向量,ξ(V)表示推理误差;A(V)表示等式约束条件;B(P)表示不等式约束条件.

图3 中,xm为输入信息,ym为实际系统的输出,为由置信规则库得到的模拟输出,V为由构成的参数向量,ξ(V)为推理误差,A(V)表示等式约束条件,B(V)表示不等式约束条件.其次,优化目标为使模拟输出与真实输出之间的误差尽可能小,则对于第i组输入数据,若评定结果与实际相同,误差计为“0”;若不相同,则误差为“1”,即:

则系统的推理误差可用均方误差(mean square error,MSE)表示,即:

BRB 优化模型中各参数需满足如下约束条件:

(1)标准化前提属性参考值,对于第i个属性的第k个参考值必须满足如下约束:

其中,lbi和ubi分别表示训练数据中第i个属性的最小值和最大值.

(2)任意一条规则中每个评价结果上的置信度需满足:

(3)规则权重的取值需要归一化,即:

在优化过程中,首先给定初始参数,根据优化模型,利用训练数据对模型进行训练.目前已有不少优化方法被提出,诸如Matlab 中的FMINCON 函数[13]以及群智能算法,包括差分进化算法[14]、布谷鸟算法[15]、粒子群算法[16]等.粒子群算法需要调整的参数少,原理简单,容易实现,本文通过局部粒子群算法求解BRB参数的最优值.

3.2 局部粒子群算法

粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)的基本概念源于对鸟群觅食行为的研究.PSO 是一种基于迭代的优化算法,每个粒子都有一个由被目标函数决定的适应度值.在搜索开始前,在解集范围内随机初始化每个粒子的速度和位置,然后在每次迭代搜索中,粒子根据个体极值pbest和全局极值gbest来不断更新自身速度和位置,最后通过不断迭代找到问题的最优解.粒子群的运动函数如下所示[17]:

其中,ω是保持原来速度的系数,称为惯性权重,c1和c2为学习因子,r1和r2为[0,1]之间的服从随机分布的两个变量.

为克服粒子群算法易早熟收敛和陷入局部最优解等问题,改变粒子速度更新公式,即将影响粒子速度更新的全局极值gbest改为邻域内粒子的最优值lbest,这样就得到了局部粒子群算法(local particle swarm optimization,LPSO).LPSO 有多种邻域选择方式,本文按照环形编号的方式取粒子的领域,如图4所示,每个粒子的领域将随着迭代次数的增加而扩大,最终扩展到整个粒子群.LPSO 的优化流程如图5所示,其算法步骤如下.

图4 按环形编号取粒子邻域

图5 局部粒子群算法优化流程图

步骤1.设置算法参数.对BRB 需要优化的参数V=[θk,δi,βj,k]T进行编码并设置约束条件,设置算法种群数量n、最大迭代次数Gmax、学习因子c1和c2.

步骤2.初始化粒子群.在式(9)-式(11)的约束条件范围内,随机初始化种群中各粒子的速度和位置.

步骤3.计算适应度值.对于每个粒子,通过适应度函数来计算适应度值,并记录个体最优解pbest和其邻域所记录的最优解lbest.

步骤4.更新粒子速度和位置.将标准PSO 更新速度和位置的公式中的gbest改为LPSO 的lbest.

步骤5.判断终止条件.当达到了预设的最大迭代次数Gmax,则终止迭代,输出此时的领域最优解lbest,即可得到优化后的BRB 参数;否则返回步骤3 继续搜索.

4 实例分析

4.1 实例背景

如上文所述,装备战损等级评估的过程受6 个因素的影响,所以本文建立的BRB-ER 评估模型只考虑此6 类因素.由于目前的装备战损数据有限,仅以122 榴弹炮、152 加农榴弹炮和130 加农炮为例,建立战损等级评定置信规则库.对战场损伤模拟试验数据进行整理,筛选出120 组训练样本,根据各威胁对装备的毁伤作用效果,组织有关专家对装备的损伤情况进行了评分,具体评分标准如表2 所列.

表2 装备损伤程度评分表

4.2 置信规则库建立

根据战场损伤等级划分标准,可采用有向无环图来构建装备战损等级评定的众仓决策模型,如图6所示.可以看出,需要建立5 个BRB 对装备战损数据进行分类,每条规则仅设计两个评价等级,其推理结果只做出是与否的置信决策.每个BRB 在训练的过程中互不影响,可以采用并行的策略同时进行训练.实验环境为:Intel(R)Core(TM)UHD i7-8550U CPU @ 1.80 GHz处理器、8 GB 内存,Windows 10 操作系统.程序均在Matlab 2020a 中实现.

图6 装备战损等级评定众仓决策模型图

随机选择100 组样本作为训练数据,设每个BRB的规则数均为4 条,在初始权重都相同的情况下,等间隔输入规则参考值,评价结果对应的置信度由专家给定,得到初始置信规则库规则.因篇幅原因,初始置信规则库在此不罗列.利用本文提到的基于LPSO 优化方法,选择粒子群种群个数为100,最大迭代次数为50,对参数进行训练后,得到优化后5 个BRB 为表3 至表7所示.

表3 置信规则库1

表4 置信规则库2

表5 置信规则库3

表6 置信规则库4

表7 置信规则库5

4.3 对比分析

将剩余的20 组战损试验数据作为测试集,利用本文提到的基于LPSO 优化方法,在相同的约束条件下与基于标准PSO 参数优化方法作为比较对象,分别对初始BRB 进行参数优化训练,得到测试结果如表8.

表8 评估结果对比(%)

根据结果可知,初始BRB 模型的评定准确度有所欠缺,经过PSO 优化后的BRB 模型将评定结果的总体准确度提高到了90%.LPSO-BRB 模型则是经过LPSO 算法优化,得到了准确度非常高的结果,达到了96.7%,充分说明了所提战损评定模型的有效性.

为体现本文方法有效性,同样针对战损评定问题,利用相同的装备战损数据将本文方法和BP 神经网络方法以及支持向量机方法进行对比.首先建立3 层BP 神经网络,输入层包含6 个节点,每个节点表示一种战损影响因素,隐含层节点数则根据经验公式选取为13,输出层则为1 个节点,表示装备损伤程度的评估值,根据评估值进而确定战损等级,如图7所示.将支持向量机应用于多分类问题,一般使用LibSVM 工具包[18]进行解决,本文设置核函数为径向基函数(RBF 核函数),使用网格搜索法确定参数c=11.3137 和g=0.125.

图7 装备战损等级评定神经网络模型

3 种方法针对测试集的战损评定结果如图8-图10所示,从图中可以看出BP 神经网络方法有3 个测试数据分类错误,评定准确率为85%;本文方法与支持向量机均只有一个测试数据分类错误,评定准确率为95%.

图8 优化的BRB 的评定结果

图9 BP 神经网络的评定结果

图10 SVM的评定结果

记录3 种方法对测试数据的累积误差和MSE,分别见图11 和图12.从图中可以看出,优化后的BRB 评定的误差要明显低于BP 神经网络和SVM,可见在样本较少的情况下,本文所提方法的战损等级评定性能更好,具有更高的推理精度.

图11 不同方法的累积误差对比

图12 不同方法的MSE 对比

5 结语

本文基于多源信息处理过程中的数据融合以及不确定性推理方法,提出了一种新的装备战损等级评定方法.该方法综合利用装备战损数据和专家知识建立置信规则库,再通过证据推理算法对装备战损等级进行分类评估.针对初始置信规则库推理精度差的问题,利用局部粒子群算法对模型参数进行优化,并建立二择众仓决策模型,以此改进置信规则库推理性能.最后,根据某战损试验对该方法的有效性进行验证.研究结果表明,本文方法能够有效融合战损数据的定量信息和专家经验的定性知识,且无需大量统计数据也能够对装备战损等级进行准确评估.因此,本文方法是一种有效的装备战损等级评定方法,具有较大的应用价值和较强的适用性,进而为战场态势分析和指挥决策提供可靠依据.