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关于智能科学技术与反导系统的分析

来源:苹果彩票2017-01-06 10:10

摘要:

关于 智能科学技术与反导系统的分析 智能是信息的精彩结晶智能科学技术(IntelligenceScienceandTechnology)是关于广义智能理论方法和应用技术的综合性科学技术。智能化是信息化发展的新动

       关于智能科学技术与反导系统的分析
  
  “智能”是“信息”的精彩结晶“智能科学技术”(IntelligenceScienceandTechnology)是关于“广义智能”理论方法和应用技术的综合性科学技术。“智能化”是“信息化”发展的新动向、新阶段。
  
  反导系统是针对弹道导弹类目标特别是战术弹道导弹(TacticalBallisticMissile,TBM)的一体化防御系统。未来的反导系统面临的是多种来袭导弹并伴随电磁干扰组成的复杂多变的一体化空袭体系。反导作战是系统和系统对抗。传统单独一个防空导弹系统无法摧毁来袭敌方的导弹目标。须采用具有智能科学技术的反导系统与来袭导弹体系进行对抗,以达到反导作战目的。
  
  1智能科学技术与反导系统
  
  1.1智能科学技术
  
  智能科学技术研究对象和领域包括:“自然智能”(NaturalIntelligence,Nj);“人的智能”(HumanIntelli¬gence,HI)及其他“生物智能”(BiologicalIntelligence,BI)。可拓展为“人工智能”(ArtificialIntelligence)、“集成智能”(IntegratedIntelligence)、“协同智能”(Co¬operativeIntelligence)和“分布智能”(DistributedIntelli-gence)等。与自动化科学密切相关的前沿研究领域有以下几类。
  
  1) 计算智能(ComputingIntelligence)。计算智能是一种模拟生物进化和生物群体的智能化计算方法。它的基本思想是以连接主义和进化主义思想为基础,模拟生物的细胞免疫、神经细胞网络和生命演化等生物现象,进行信息获取、数据处理和仿生计算的智能算法。
 
 
         2) 分布式人工智能(DistributedArtificialIntelli-gence,DAI)与多智能体(Agent)。分布式人工智能是分布式计算与人工智能结合的结果。DAI主要研究的问题是各智能体间的合作与对话,包括分布式问题求解和多智能体系统(Multi-AgentSystem,MAS)。MAS研究各Agent间智能行为的协调,更能体现人类和社会智能,适合开放和动态的复杂系统。
  
  3) 知识获取学习与人工生命。知识获取是从数据库中获取知识的过程,知识学习是指利用机器实现知识的自动获取。人工生命是指利用计算机和精密机械等人工媒介生成或构成能够表现自然生命系统行为特征的仿真系统或模型系统。人工生命研究内容涉及生命现象的仿生系统、人工建模与仿真、进化与学习系统、人工生命计算及应用等领域。
  
  4) 智能控制(IntelligenceControUC)。智能控制是控制理论、人工智能、信息论和运筹学相结合的产物4。目的是提高控制系统自寻优、自适应、自学习、自组织等方面的智能水平,以解放人类的脑力劳动。从不同角度模拟人的智能,产生了不同的智能控制理论的分支,其中有递阶控制、专家控制、模糊控制、神经控制、进化控制、智能集成控制等5。
  
  模糊控制(FuzzyControl)是基于模糊逻辑和专家经验实施的控制,不需要建立对象的精确数学模型,是解决复杂系统控制的一种有效途径。模糊语言接近人的语言,其控制机理符合人的思维逻辑,具有智能性。
  
  神经控制(NeuralNetworkControl)是神经网络理论和控制理论相结合的产物。神经网络是一种模拟人脑信息处理机制的网络系统。神经网络具有信息分布式存储、超大规模并行运算能力。神经控制甚至不需要系统的数学模型,解决“黑箱”系统的控制问题。
  
  专家系统(ExpertsSystem)是指基于人类专家知识和经验,进行推理、判断并作出决策,解决需要人类专家才能完成的系统控制。对于复杂系统的控制,采用专家系统可以避开建模的困难,充分利用人的知识与经验建立控制策略,提高系统的控制性能。
  
  进化控制是遗传算法与控制理论相结合的产物。遗传算法是模拟遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的一种算法,体现了优胜劣汰、自然选择的优化思想。这种算法易学通用,鲁棒性强,适于并行处理,与模糊逻辑及神经网络结合可产生新的智能控制方法。
  
  支持向量机(SupportVectorMachine)方法以统计学理论为基础,具有简洁的数学形式、直观的几何解释和良好的泛化能力,避免了局部最优解,能够较好地解决小样本学习问题,已成功地应用于许多分类和回归问题。
  
  智能集成控制是指一种或多种智能控制技术与传统控制技术综合集成,有机地结合起来,发挥各自的优势,共同完成系统的综合控制。将专家系统、神经网络、模糊控制等多种方法和传统控制方法相结合,取长补短,将是解决复杂系统控制问题的有效途径。
  
  1.2反导系统
  
  反导系统是以拦截弹道导弹,特别是TBM为基本任务的一体化作战体系。其基本功能是有效地抗击TBM的空袭,保护国家和战区重要目标的安全。反导系统是一个复杂系统,由各个分系统组成。其分系统有预警探测系统、指挥控制系统、拦截打击系统和作战保障系统等。
 
        1) 探测预警系统主要由天基、空基、面基等探测预警系统组成。其基本功能是及时发现、跟踪、监视来袭的TBM,准确测定其位置坐标和运动参数,并通过数据链路向指挥控制系统和拦截打击系统传递。
  
  2) 指挥控制系统由指挥控制中心、通信系统和信息处理系统组成。指挥控制系统是反导系统的中枢和核心,主要起着计划、协调、指挥和控制反导作战的作用。
  
  3) 拦截打击系统由各种拦截打击武器系统组成,主要有反导导弹武器系统、激光武器、高功率微波武器、粒子束武器和动能武器系统等。这些武器系统有的布置在天基平台上,有的布置在空基或地基平台上,共同构成对TBM的多层防御。
  
  4) 作战保障系统由作战勤务保障、装备勤务保障和后方勤务保障等子系统组成。这些保障是反导作战的主要物质基础和依托。由于反导装备复杂、作战行动特殊、节奏快,因此其行动中的各项保障显得格外重要。只有在完善的反导系统的支撑下,反导作战才能得到顺利进行。反导作战的特点表现为网络化、一体化的协同作战方式。
  
  2智能科学技术在反导系统中的应用
  
  2.1反导系统对智能科学技术的需求
  
  反导系统主要抗击的对象是弹道导弹。弹道导弹多用于攻击战略战役纵深内的重要目标,可携带核弹头或常规弹头,杀伤力大、射程远,从太空飞向目标的再入点高、生存力强,传统的单一地面防空反导系统难以对其实施有效拦截。
  
  未来的攻防对抗不再是平台与平台之间的对抗,而是系统与系统之间的对抗。为了适应整体对抗,必须打破传统防空反导作战的样式,减少由于单个防空反导系统的位置、环境或本身探测器和武器性能带来的局限性,运用智能科学技术,综合集成各种防空反导作战资源,实现防空反导体系内多作战要素之间的信息共享和综合运用,以形成一个体系配套且多武器协同的智能化反导体系。
  
  2.2计算智能在反导系统中的应用
  
  从反导系统的组成和功能关系上可以看出,从对弹道导弹侦察、预警、发现、识别、跟踪到发射拦截弹和杀伤效果评估,均由作战管理/指挥控制通信系统(BM/C3I)来统一协同指挥。在BM/C3I系统中,涉及到大量的信息处理、决策判断、指挥协调等工作。可以说BM/C3I系统是反导武器系统的核心部分,相当于人的大脑智能系统。在反导作战时,BM/C3I系统需要及时计算、处理各分系统和上级指挥中心送来的各种数据,并形成决策分发给各分系统。这一过程的数据计算工作量非常大,并且要求有较强的实时性,因此,在BM/C3I中可以使用模糊计算、神经计算、进化计算和群体智能等智能计算方法,来解决BM/C3I系统中信息实时处理和计算问题。
  
  2.3分布式人工智能技术在反导系统中的应用
  
  从防空到反导经历了3代体系结构5,即单一火力单元防空、多层重叠覆盖和分层集中控制体系。分布式指体系内各武器和设备可分布在一个大范围内的空间各点上,各个点可以设有传统火力单元,武器和设备之间在作战时没有固定必然的隶属关系,可根据目标、战场环境、使用战术和部署情况,随时结合为具有从属关系的临时作战分布式结构。这种分布式结构空间各点上可以看成是个智能体(Agent),这个Agent可以是各种类型的预警、目标指示或制导雷达,多辆各种型号的导弹发射车和多个作战管理指挥中心。在分布式人工智能和多智能体技术的管理体制下实现在作战中对某个目标的拦截,可由某个确定的作战管理指挥中心根据预警信息分系统提供的信息,指定在反导MAS体系内的几部雷达(智能体)和几辆导弹发射车构成拦截系统对目标进行拦截,保证能利用探测发现目标,利用平台打击目标,实现利用最佳的武器攻击最适当的目标。
  
  2.4知识学习与人工生命在反导系统中的应用
  
  在反导作战过程中或结束后,采用知识学习方式,可以在线或离线地对反导作战能力和效果进行评价。通过学习、建立和丰富知识库,以便在实时或下一次作战中使用。人工生命所涉及生物可靠性机理中,包括了自律分散控制、冗余机制、自复制和自修复、自适应、自组织控制等6,利用这些仿生智能原理和方法,可以提高反导系统的可靠性。使得在反导作战中,当武器系统遭到损伤和破坏时,进行自我复制和修复战备可能。已有文献利用人双目视觉智能成像的优良特性,将视觉仿生应用于多波段成像导引头设计中7。此外人工免疫系统[8]的研究,也为反导体系的建模和控制提供了新的方法。
  
  2.5智能控制在反导系统中的应用
  
  智能控制理论、方法和技术可以应用在反导系统和它的多个分系统中。整个反导体系中可采用智能控制的体系结构,如分层分段智能递阶控制结构。在分系统中特别是导弹的制导与控制中,智能控制技术应用更为必要和广泛。反导导弹发射后,一般均采用复合制导体制,在末段多数采用寻的制导方式,是否拥有智能导引头甚至可以决定本次目标拦截的成功与否。在拦截弹导引头上采用智能化信息处理和控制技术,可以做到目标自动跟踪,精确地将导弹导引到目标附近,直至实现直接碰撞,进而摧毁目标。已见许多文献描述了人工神经网络技术、模糊控制技术、遗传算法、分布式控制12等智能控制技术在导弹制导与控制系统中的应用,为解决导弹智能化控制问题寻求技术途径。
  
  2.6外军反导系统智能科学技术应用
  
  美国十分重视反导系统的研究和建设。先后抛出了战区导弹防御计划(TMD)、国家导弹防御计划(NMD)和弹道导弹防御计划(BMD),同时不遗余力地发展弹道导弹防御系统。20世纪80年代美国提出了智能卵石反导系统,这是一种集目标探测、跟踪、寻的拦截为一体的智能化动能武器系统。智能卵石是一枚部署在环绕地球轨道上的天基拦截弹,当数量增加到数以百枚时,就能构成覆盖主要方向甚至全球的太空雷场。智能卵石武器系统由光学探测器、高性能的微型计算机、动力装置、通信和导航系统等组成。当敌方发射弹道导弹后,智能卵石根据预警信息和地面指挥中心的指令,并可与其他智能卵石相互联系,分布式协同作战,搜索、识别目标并可重复启动智能卵石上的两组小火箭,准确地把它推向目标,最后以6.5km/s的速度与目标相撞,摧毁目标。智能卵石充分利用了分布式人工智能技术,是一种发射后不管的全程寻的智能武器。
  
  美国导弹防御局(MDA)于2007年启动了一个“多目标杀伤飞行器”(MKV)计划,目的是研制一种能同时击毁包括弹道导弹作战部和诱饵在内的多个目标的单一拦截器。MKV是一个一弹多头、自主导引、直接攻击的智能拦截导弹系统。拦截弹母弹头根据目标来袭情况,分解释放出相应的子弹头,各子弹头相当于一个空间智能体,它们之间的关系是平行的,可以相互指挥、协调控制,体现了多智能体的控制策略。
  
  美国陆军防空反导系统采用协同作战的理念,将多种防空反导系统实现分层布防和混编体制。“末段高层区域防御系统”(THAAD)和“爱国者”防空反导系统,在指挥控制中心的控制下一个THAAD导弹连和一个爱国者导弹营协同作战,形成分层末段弹道导弹防御体系。爱国者和复仇者/SLAMRAAM混编导弹营具有中近程防空反导能力。智能化协同作战,实现全方位作战信息实时共享和战场中各种作战资源的综合集成调用,体现了智能协同控制技术的应用。
  
  纵观各国现有的反导装备,除美国的“扩展中程防空体系”(MEADS)、“末段高层区域防御系统”(THAAD)和“爱国者”(PAC-3)组成的混合防空体系外,还有俄罗斯的“凯旋”C-40(、“安泰-2500”地空导弹武器系统,以色列的“箭-2”导弹防御体系等。各国在发展弹道导弹防御系统时,除了关心技术的延续性和通用性外,对反导系统的智能化技术也越来越重视。可以预测,智能科学技术在反导系统中的应用将会越来越广泛。
  
  3结束语
  
  通过对智能科学技术的概念和研究领域的讨论,明确了反导系统对智能科学技术的需求,指出了智能科学技术在反导系统中应用的可行性和必要性。在对美、俄等发达国家反导系统分析的基础上,探讨了智能科学技术在反导系统中的应用方式、方法和范围。智能科学技术在反导装备中的引入必将使武器系统的综合性能提高到一个新的水平上,使得未来的反导装备继续向一体化、网络化、智能化方向发展。
  
  作者:李刚,徐林伟,安兴,师颖(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)

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