開放式的電子對抗效能評估系統設計研究

羅 樂,葛啟東,張啟鵬,黃旭東

(解放軍63893部隊,河南 洛陽 471003)

0 引 言

電子對抗效能評估是對電子裝備系統完成給定作戰任務所能達到的預期目標程度的具體估計,對電子對抗系統發展、完善和作戰運用均具有重大意義[1]。電子對抗效能評估貫穿于電子裝備系統發展的全壽命周期,應用于裝備發展論證、戰術戰法研究、裝備操作演練等不同領域。隨著軍事斗爭形勢的復雜多變,軍事技術發展的快速迭代,電子對抗效能評估呈現評估對象多樣化、評估需求多樣化、評估目的多變性等特點,針對不同的評估任務需要構建不同的評估模型和評估方案,對效能評估系統的可重用性、擴展性提出了迫切的需求。

針對現實問題提出開放式的設計思路。評估系統采用C/S架構,可對數據進行在線、離線采集,能夠基于評估問題和評估需求靈活構建評估指標體系和匹配評估模板,依托計算機輔助分析執行評估任務,并能通過二次開發實現功能的擴展。系統可承擔多樣化的電子對抗效能評估任務,滿足不同模式下的評估分析需求,也能夠作為開放的技術平臺為電子對抗效能評估提供技術支撐。

1 開放式電子對抗效能評估系統設計思路

基于開放式電子對抗效能評估系統的設計要緊貼實際,瞄準發展需要,具備通用性和靈活性。其基本思路是:基于電子對抗效能評估任務進行評估系統的功能需求梳理,基于開放式系統設計理念進行評估系統的功能特點分析,基于組件的評估建模方法進行系統評估模型構建。

1.1 系統功能需求分析

評估系統建設目的是提供電子對抗效能評估的手段,隨著軍事斗爭形式的變化,效能評估需求越來越復雜,呈現多樣性和多變性的特點。例如作戰使命、裝備類型不同,評估的模型是不同的;在裝備系統全壽命周期,效能評估的需求不一樣;伴隨軍事斗爭形勢的變化,戰斗力發展方向隨之變化,評估需求也會發生變化。電子對抗效能評估系統重點圍繞電子對抗效能評估的多樣化現實需要,實現以下3個方面的功能需求。

1.1.1 分類分層的精細評估

為了深入分析與解決不同類別不同層次電子對抗系統效能評估問題,要提升評估系統的針對性與綜合效益,實現分類分層的精細評估。如圖1所示,“分類”是指區分不同電子對抗專業,例如雷達對抗專業、通信對抗專業、光電對抗專業、導航對抗專業等;“分層”是指針對區分裝備單元、作戰單元、作戰體系的不同層次。效能評估系統面向多種任務場景,能夠區分不同類別和層次,基于評估需求構建評估模型和方案,支撐電子對抗效能評估、效能分析和效能優化。

圖1 分類分級的精細評估

1.1.2 實時在線的快速評估

由于事后評估時效性差,為及時把握任務過程和動態導調需進行實時在線的快速評估[2]?；具^程如圖2所示[3]。采用嵌入式、便攜式的數據采集終端在線采集對抗的數據,并進行實時傳輸,實時動態接收和解析數據;根據建立的現場評估模型將這些數據在時域、空域、頻域的對抗數據進行關聯;通過實時處理引擎在線驅動實時評估模型的自動運行,實現對戰場態勢的實時評估,并將分析結果實時顯示給用戶,實現實時記錄數據、實時評價、實時發布評估結果。

圖2 實時在線的快速評估

1.1.3 分析挖掘的數據應用

對數據規律特征、影響因素、關聯規則等深層次問題的分析和發現對于充分挖掘數據價值、強化數據應用有重要意義。數據的分析應用主要基于數據分析技術、數據分析方法和工具的合理運用,多角度地呈現訓練數據的趨勢、特征、規律,從而為效能分析提供數據參考。數據分析應用的流程如圖3所示。

圖3 訓練數據分析應用流程

1.2 開放式的電子對抗評估系統功能特點分析

針對電子對抗效能評估需求的多樣性、多變性,基于開放式的評估系統設計,建立通用性、靈活性的評估系統,一方面可以滿足不同的評估需求,另一方面,使用人員可以根據實際需要對系統進行調整,以適應評估需求的變化。開放式的評估系統典型特征可以概括為以下幾個方面。

1.2.1 指標體系的靈活構建

評估指標體系是評估問題的表達,評估需求的多樣性和多變性要求指標體系能夠適應評估需求的變化。指標體系的重構性體現在評估人員可根據評估需求的變化,通過指標增減、替換等操作,實現評估指標體系重構。

1.2.2 算法模型的可擴展

評估模型中選擇合適的預處理算法、數據匹配規則、指標解算方法、評估算法、分析算法是保證評估結果可信的關鍵,能夠支持不同任務評估建模的需求?？紤]數據來源的廣泛性、評估對象的多樣性和評估問題的復雜性,系統可根據實際需求對各類算法進行二次開發實現插件式功能擴展,并支持多種算法擴展方式,包括R語言、Matlab、Python腳本、計算公式等,從而靈活定制出評估模型,以滿足實際的評估需求。

1.2.3 評估模板的可匹配

豐富的評估模板是評估模型靈活性的重要體現,在評估建模過程中,通過匹配評估模板庫中已有的評估模板,在此基礎上進行擴展,可快速構建針對某具體評估對象的評估模型,從而提高評估建模效率。評估模板的可匹配,能夠通過不斷豐富評估建模工具的評估模板,進一步提升評估建模能力,滿足不斷發展變化的多樣化評估需求。

1.3 基于組件的電子對抗效能評估建模

以評估分析目的為牽引,基于組件的評估建模方法,由評估指標、評估方案、算法和評估樣本,建立計算機上可以執行的良好擴展性、可重構性的功能結構,實現分類分級的精細評估、實時在線的快速評估、分析挖掘的數據應用等功能。該模型強調組件化、模板化設計,有利于模型重組和重用[4]。電子對抗效能評估建模的過程如圖4所示。

圖4 電子對抗效能評估建模

基于組件的評估建模方法,具備良好的應用性、擴展性和可重構性。以上評估模型能夠具有指標體系靈活構建、評估模板可匹配、模型可擴展的特點,一方面可以根據實際的任務評估需求靈活構建指標體系,調用相應組件建立評估任務,滿足多樣化的評估需求;另一方面,還可以根據實際需求開發相應的組件,補充到評估系統中,為滿足多樣化的效能評估提供一個開放的技術平臺。

2 評估系統組成

2.1 硬件結構

根據對電子對抗效能評估需求的綜合分析,構建一套完整的電子對抗效能評估系統。該系統的組成主要包括前端數據采集終端(N個)[5]、信息綜合處理中心(1套,含服務器及配套設備)?？紤]到野外的工作環境可能沒有網絡支持,采用傳統技術成熟的C/S架構。

客戶端為嵌入式、便攜式的訓練數據采集終端,關注用戶輸入的方便性和可操作性,主要功能是按照數據采集的規范,嵌入不同的數據錄入界面,實現數據的采集、驗證、編輯,通過有線或無線的通信傳輸網絡,將采集的訓練數據傳輸到信息綜合處理中心,從而為電子對抗效能評估提供數據支撐。采集對象為對抗雙方各類用頻裝備,采集手段為導調員現場采集,支持多用戶并行使用。

信息綜合處理中心主要由服務器、大容量磁盤陣列和綜合評估軟件組成。服務器支持大數據計算,大容量磁盤陣列支持訓練過程數據、評估過程數據和評估結果數據的保存,綜合評估軟件主要支撐訓練數據的評估分析。

2.2 系統架構

系統具有標準結構的組件化模型體系,邏輯上共分為數據層、業務邏輯層和界面層[6],如圖5所示。其中數據層提供了各種數據的持久存儲支持,負責對數據源的訪問,返回最初始的數據供業務邏輯層處理;業務邏輯層提供系統所有功能模塊上的算法和計算過程,并與數據層和界面層進行交互;界面層提供人機交互界面,為用戶提供一個輸入和輸出交互的接口。

圖5 評估系統基本架構

2.3 主要功能組成

2.3.1 數據管理

能夠采用規范高效的數據管理形式對訓練相關的數據進行統一管理,支持對數據的批量“增刪改”,能夠支持結果數據的導出。數據管理內容分為訓練數據和算法模型庫兩大類,其中,訓練數據包括基礎數據、實時數據、過程數據、結果數據等;算法模型庫包括匹配規則庫、評估方法算子庫、數據分析算子庫、指標模型庫、指標體系庫、評估模板等。

2.3.2 組件管理

對包括數據管理、數據預處理算法管理、匹配規則管理、指標模型管理、分析算法管理、評估方法算子管理、指標體系構建等在內的組件進行添加注冊、識別、加載、刪除和管理。

2.3.3 評估方案管理

通過各種組件重構實現評估方案的創建,并可進行編輯、保存和讀取,主要為評估任務做準備并提供復用功能。

2.3.4 評估任務管理

結合評估方案的內容針對具體的評估對象和評估樣本數據進行評估任務創建,可進行編輯、保存和讀取。

2.3.5 任務執行管理

根據評估任務中計算流程調度算子按照順序進行執行,滿足在線數據實時處理和離線數據處理2種情況下的評估結果解算。

2.3.6 實時顯示控制

反映圖形用戶界面以及所有的顯示邏輯,負責與用戶交互,支持評估過程數據和結果數據的可視化展示,并為用戶提供參數設置和交互控制。

3 主要技術點

3.1 電子對抗效能評估技術

效能評估技術主要在評估模型構建過程中提供評估算法和分析方法,為評估問題的解決提供理論依據和技術支撐,其中,評估方法和分析方法是評估模型的核心,也是評估問題的關鍵和難點?？茖W、合理的評估技術是開展電子對抗效能評估工作的重要支撐。效能評估技術應緊貼效能評估需求,構建電子對抗效能評估技術和方法體系框架,如圖6所示。電子對抗效能評估方法的基礎理論支撐體系包括:基于系統論的多指標綜合評價、基于統計論的數據分析、基于知識發現的數據挖掘以及基于機器學習的智能評估等。

基于系統論的多指標綜合方法是以系統評估理論為基礎,通過采用合適的方法對指標進行聚合,以便從整體上對評估對象進行評價。常見的有多屬性的評估方法、不確定性評估方法等;基于統計理論的數據分析以數理統計學為理論基礎,研究數據的描述性統計和各種變量之間的關系。常見的方法主要有描述性統計分析、相關分析、方差分析、回歸分析、因子分析等?；谥R發現的數據挖掘用于從歷史數據中挖掘發現存在的規則,并根據規則進行判斷評價,常見的方法有聚類分析、關聯規則等;基于機器學習的智能評估是通過對歷史數據的學習實現自動預測功能,常見的評估方法主要有人工神經網絡法、支持向量機法、貝葉斯網絡法等。

3.2 基于組件開發的軟件重構技術

基于組件開發的軟件重構技術是實現評估系統開放式架構設計的核心[7]?？芍貥嬡浖到y組成形式如圖7。一方面平臺通過加載不同的組件組合可改進和重新組織軟件內部結構,從而提高軟件的復用;另一方面平臺具備開發相對獨立、可重構組件的功能,通過組件的二次開發能夠使框架更好地嵌入更多的功能模塊,從而實現插件式功能擴展。

根據系統功能需求開發組件,將數據管理、數據預處理算法管理、匹配規則管理、指標模型管理、分析算法管理、評估方法算子管理、指標體系構建等各個邏輯功能模塊建模為可重構組件,可在軟件平臺上加載、組合調用和二次開發,可進行指標體系的靈活構建、評估模板的匹配和算法模型的擴展,滿足多樣化評估需求。

3.3 訓練數據實時傳輸技術

實現電子對抗數據實時傳輸是實時評估的一項基礎性工作。數據的實時傳輸主要將數據采集終端采集得到的數據通過網絡實時發送評估席,以供后續的數據評估以及數據展示。數據實時傳輸采用C/S架構直接將數據寫入遠端數據庫的方式,其中遠端數據庫服務器設在實時評估端,客戶端設在數據采集端?？蛻舳送ㄟ^局域網與數據庫服務器相連,通過網絡向服務器提供請求,在一條訓練數據采集完成后,將數據寫在遠端數據庫中。遠端數據庫允許多個數據采集終端同時訪問。圖8為采用C/S架構訓練數據實時傳輸結構示意圖。

圖8 基于C/S架構的訓練數據實時傳輸結構示意圖

電子對抗數據實時傳輸流程如下:首先采集終端管理系統對使用的采集終端進行協議配置和模板下發;采集終端通過串口、網口或手動錄入的方式,采集裝備工作狀態、工作參數等數據,過程中采集終端管理系統可以對各個終端進行采集狀態監控;在進行數據采集過程中,采集終端同步進行接口、協議轉換,通過傳輸網絡將數據傳輸給采集終端數據存儲服務器;采集終端管理系統可對采集數據進行存儲和顯示。

4 結束語

本文聚焦系統預期能力,提出了一種開放式的電子對抗效能評估系統的設計方法。系統基于開放式架構設計,具有應用可擴展、模型可重用、指標可定制、過程可交互、結果可顯示的特點,可以對各類數據進行在線、離線采集,作為評估應用平臺實現分類分級的精細評估、實時在線的快速評估和分析挖掘的數據應用,也可以作為開發平臺為滿足電子對抗效能評估的多樣化評估需求提供技術支撐。