基于ABMS和正交试验的防空作战效能评估及优化.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:装备军内科研项目()作者简介:陈建()男硕士:.通信作者:王涛()男博士教授:.:./.基于 和正交试验的防空作战效能评估及优化陈 建王 涛曹继平苏延召(火箭军工程大学 作战保障学院 西安)摘要:为研究具有多输入、非线性特点的近程防空系统作战效能和优化问题在基于 理论的 软件环境中构建了通用近程防空系统作战仿真推演模型并提出了一种基于自然科学领域常用的正交试验设计的通用近程防空武器系统作战效能评估和优化方法解决了常规评估方法动态评估能力不足和仿真平台方法运算量大的问题以平原地区弹炮结合防空系统为例通过正交试验方法得到的数据训练出效能评估 并将其作为优化算法的目标函数通过 算法得出仿真推演模型的最优输入决策向量结果与正交试验分析得到的最优解接近一致仿真试验表明采用 和正交试验相结合的方法建立的评估体系不仅具备动态评估能力也可以较快的分析速度得到评估体系的最优决策向量为防空作战运用提供合理建议关键词:防空作战正交试验作战效能本文引用格式:陈建王涛曹继平等.基于 和正交试验的防空作战效能评估及优化.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言作战效能主要作用是支撑体系论证、优化作战方案和衡量作战效果等是衡量装备体系作战能力的重要指标 目前常用的防空作战效能评估的方法主要有基于排队论的建模方法、方法、综合评价方法、基于仿真平台等 种 其中前 类大多基于专家提供的各系统权重或先验概率使得评价结果受到主观因素的影响较大第四类方法建模精细程度高抽象和假设条件少更贴合实际但存在仿真计算量大且耗时的问题部分学者受自然科学领域常用的正交试验方法启发在数学解析方法的基础上探究了正交试验在军事领域的应用 然而其前置方法依然以解析方法居多本文综合了仿真平台方法和正交试验方法的优势以典型的弹炮结合防空系统为例在基于 的建模与仿真()理论的 软件环境中构建了各分系统及敌方目标的有限状态机模型可通过仿真推演得到不同条件下最终稳定状态的系统拦截率和敌机突防距离指标 为提高评估效率拓展模型的应用范围有必要将模型仿真推演数据通过神经网络拟合 对于多输入多输出的非线性系统若要得到拟合精度高的神经网络需要大量的试验而试验次数会随着决策变量的范围和决策向量维度增加呈爆炸性增长导致难以实现 为此本文运用自然科学领域常用的正交试验方法以较少的试验次数得到 的训练数据再通过方差分析和相关性分析得到模型中的显著影响因素从而得到模型近似最优解为验证正交试验最优解的正确性将训练的 作为效能评估函数及智能优化算法的目标函数再由 算法得到其最优解结果表明采用正交试验不仅可以得到系统的最优输入同时也可以极大减少训练神经网络所需的运行次数所训练出的神经网络可以满足评估要求 基于 的防空作战建模.方法和 软件 方法起源于 世纪 年代 提出的生物学思想 和 在文献中认为基于 的模型中个体在微观层面的行为规则是系统演化过程的内因微观规则到宏观现象的映射可以是一对多的而宏观现象的真实性能够证明微观规则的真实性这意味着 理论是一种通过自顶向下分析、自低向上综合从而在整体上对系统进行研究的手段被称为是归纳和演绎之外的第三种科学方法 和 等 深入研究了 方法的可用性阐明了该方法在研究复杂系统问题中的合理性和优越性 一般可以从物理层、信息层和认知层 个层次对 进行建模 其中物理层包括侦察、通信、干扰、火力打击等物理行为信息层包括信息的产生、传输、存储、分发等过程认知层包括信息理解和决策生成等过程在 的定义上各国研究人员都有不同的看法但有一点是相同的:在解决问题的过程中 与任务空间中进行局部的物理或计算上的交互 在对从其任务空间接受到的不同局部约束做出反应时 可以选择并展示不同的行为模式 一般认为 是能够通过其传感器感知周围环境(包括其他)并通过其执行器对环境施加影响的软硬件实体甚至可以是人或以人为单位的团体 是一款基于离散事件建模、建模和系统动力学建模的复杂系统仿真软件在交通运输、物流、生产线、公共管理等领域 得到了广泛应用近年来在军事领域 的应用也发展迅速 该软件不仅具备复杂系统建模能力还能够对感兴趣的数据进行采集和统计分析.弹炮结合防空系统作战流程典型弹炮结合防空系统作战的基本流程如图 所示当敌机被车载搜索雷达探测到后搜索雷达将目标信息处理分析后进行威胁判断给予跟踪雷达目标截获指令同时向火控系统发送火力分配指令 火控系统接收指令后对防空导弹进行参数和诸元装订 跟踪雷达对目标进行持续的跟踪并向防空导弹发送制导命令 防空导弹遂行完作战任务后指控单元进行拦截效果评估若拦截失败且目标仍在拦截范围内则进行二次拦截 当敌目标距离较近满足高炮射击条件时火控系统将计算火炮射击诸元引导高炮实施防御.主要 建模 软件中的 基于有限状态机()理论并通过状态图进行建模因此对 状态图的定义是建模的核心 本文重点对弹炮结合防空系统、防空导弹、高炮炮弹 和敌机 进行介绍陈 建等:基于 和正交试验的防空作战效能评估及优化.弹炮结合防空系统 建模根据图 所示的弹炮结合防空系统作战流程结合雷达和高炮的工作原理建立了有限状态机模型 如图 所示其中包含四个并行工作的子状态分别是雷达系统(左)、指控系统(中)、高炮系统(右)和防空导弹系统(单独在.节说明)具体的业务逻辑代码写在各状态和变迁之中此处略过后续 同图 弹炮结合防空系统作战流程图.图 防空系统 状态机模型.防空导弹 建模从建模的难易程度考虑由于防空导弹需要在末端防御车和敌机 种 之间进行交互因此在具体实现上将其独立为一个 更利于建模 防空导弹 状态图如图 所示主要有垂直飞行、初始测速和飞行状态 种(分别对于图 中、和 状态)飞行状态 到最终状态的变迁有 种:抵达敌机附近(状态)、飞出有效区域(状态)、发动机工作超时(状态)和导弹过载(状态)变迁用于刷新导弹状态更新导弹的坐标 当防空导弹满足前述 个变迁条件中任意一个时系统将抹除该防空导弹 并进行相关数据统计 防空导弹的飞行轨迹仿真采用纯比例导引法具体方法见文献兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 防空导弹 状态机模型.高炮炮弹 建模高炮炮弹 状态机模型如图 所示其飞行状态速度恒定弹道为直线弹道 当指控系统决策需要使用高炮时系统产生一个高炮炮弹 并按照一定的提前量飞行系统实时判断弹目距离当小于设定的毁伤范围时高炮炮弹 将向敌机 发出一个毁伤信息给敌机造成“毁伤”效果之后系统执行抹除该高炮炮弹 指令 若目标已经被摧毁则高炮炮弹 将在飞行至预设拦截点后被系统抹除图 高炮炮弹 状态机模型.敌机 建模敌机 状态机模型如图 所示主要有飞行状态()和末端机动状态()当敌机受到防空导弹威胁时将转入末端机动状态 其最终状态有抵达边界()和被击落()种 和 用于在仿真的基频下对 的坐标和剩余生命值等参数进行更新 当敌机 抵达边界或生命值降低到 以下系统将抹除该敌机 图 敌机 状态机模型.基于正交试验设计的效能评估与优化方法.正交试验法正交试验是一种处理多因素多水平优化问题的数理统计方法 它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验这些有代表性的点具备“均匀分散齐整可比”的特点它可以用最少的试验次数优选出各因素较优参数或条件的组合是一种高效而经济的试验设计方法正交试验通过正交表进行试验安排 目前已有各种标准正交表可依据研究实际视情选取.仿真流程和框架通过 方法建立末端防御武器系统的 模型通过多次仿真和“涌现”效应得到武器系统在近似作战条件下的效能 其具体仿真流程可如图 所示图 仿真流程.陈 建等:基于 和正交试验的防空作战效能评估及优化 仿真系统以任务需求为导向将装备参数、装备编成等信息作为输入进行建模与仿真确定评估指标并进行计算和分析其框架如图 所示图 评估框架.评估指标仿真系统采用拦截率和敌机突防距离两项指标来对防空系统进行评价其中拦截率属于效益型指标统计方法为:系统实时统计当时“被击毁”敌机数量 和敌机总数 则防空系统该时刻的拦截率 可表示为:()经实验该系统为稳定系统若初始参数固定当仿真时间到达一定程度后拦截率趋于稳定 因此可通过增加仿真时间并采集最终时间点拦截率作为系统在某初始参数下的拦截率敌机突防距离定义可见图 所示属于成本型指标 其中 点为防空系统保卫目标其正南方向的 为防空系统阵位两者距离 为敌机初始产生点起始点位于以 为圆心半径为 的圆周上 为敌机被防空系统击毁点 距离为敌机突防距离并在每架敌机被击毁后由系统统计 为敌机航迹与正南方向夹角由正南方向逆时针旋转为正值 为航迹偏距 右侧为正值左侧为负值图 突防距离示意图.评估和优化方法 方法结合正交试验进行评估和优化的步骤如图 所示具体如下:步骤:根据研究方向和标准正交表类型综合权衡选取其中感兴趣的参数并形成正交试验表依照正交表安排仿真试验 未被选取的参数按照实际情况固定取值 对试验结果进行方差分析步骤:根据步骤 方差分析结果剔除所选参数中对结果影响不大的参数并固定参数取值 调整过的参数重新进行正交试验步骤:根据步骤 方差分析结果确定最优和最劣的两组参数取值并进行仿真试验 这一步原因是实验发现标准正交表为了达到均匀分散的目的往往没有边界取值会影响 的拟合精度步骤:将步骤 和步骤 的仿真试验结果合并作为训练数据训练集步骤:根据步骤 的数据集训练出一个效能评估该网络可用于快速评估效能步骤:将 作为智能优化算法的目标函数选取合适的优化算法得到最优决策向量步骤:将步骤 得到的最优决策向量与步骤 的正交试验得到的最优解进行比对验证正确性图 评估和优化步骤示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./实验及分析.仿真实验设计仿真想定为固定阵位的弹炮结合武器系统防空作战一套弹炮结合防空系统位于正南方向距离受保护目标为 的阵位上敌机出动方向及航向角和航迹偏距可见图 敌机出动频率按照泊松分布规律(软件自带 函数)防空导弹按照一拦一模式发射 每轮仿真运行时间为 (虚拟时间仿真时可加速运行)系统仿真界面可见图 所示.实验及分析在本文建立的通用弹炮结合防空系统 模型中先确定 个可调整参数的取值范围和水平值(表)固定剩余参数取值 为兼顾试验次数和神经网络拟合精度在实验次数可接受的情况下从标准正交表中选择试验次数和水平数较多的方案最终采用 因素 水平试验次数为 的标准正交表()该表可由 软件自动生成 将标准正交表中的因素水平值按表 替换后形成 文件由 进行读写操作表 模型参数设置 模型参数名称 参数说明单位取值弹炮结合防空系统雷达探测距离百米正交表确定雷达扫描周期导弹装填时间正交表确定高炮装填时间正交表确定系统延迟时间.探测概率防空导弹齐射数个满载防空导弹数发满载炮弹总数发最大捕获目标数个防空系统到保卫目标距离百米正交表确定防空导弹最大射程百米飞行速度/命中率平均伤害导引系数刷新时间.高炮炮弹最大射程百米炮弹初速/命中率平均伤害敌机出动频率(泊松分布均值)次/正交表确定飞行速度/正交表确定飞行高度百米正交表确定航迹偏距百米正交表确定航向角正交表确定陈 建等:基于 和正交试验的防空作战效能评估及优化图 仿真界面.表 因素取值方案 因素下限上限步长水平数 使用 软件的对比实验功能搭建数据采集面板其运行界面如图 所示可从正交表(文件)中读取初始参数运行完毕后再将稳态拦截率和突防距离写回正交表的结果栏 因素 水平试验次数为 的标准正交表及仿真试验结果表 所示(篇幅所限仅列出部分)对表 进行方差分析(见图)后可知:在本试验条件下敌机高度()、航向角()、航迹偏距()和防空系统到保卫目标距离()个因素取值对系统的拦截率和敌机突防距离影响不大且没有明显的相关关系 经多次试验发现结果的波动性是由模型中的随机参数引起的图 正交试验界面.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 ()标准正交表及试验结果 ()编号突防距离拦截率.图 ()标准正交表主效应图.()为进一步验证正交试验结论对结果进行 和 相关性分析(见图、图)结果均表明敌机飞行高度()、敌机航向角()、航向偏距()和防空