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神州普惠:频率轴上话战争


2018年8月中旬,北京神州普惠科技股份有限公司(以下简称“神州普惠”)承担的频谱战项目顺利通过专家组验收。

2015 年12 月2 日,美国智囊战略与预算评估中心(CSBA)发布了《电波制胜:重拾美国在电磁频谱领域的主宰地位》报告,首次提出了以“电磁频谱战”(EMS warfare)代替“电子战”概念,提出未来电磁频谱作战系统应具有“认知”等能力。各国对此概念非常重视,国内外对这一概念进行阐述、定义。在第十二期钱学森论坛深度研讨会暨首届网信军民融合峰会上,战略支援部队王沙飞院士作了题为《人工智能与电磁频谱战》的主题报告。王院士介绍了电磁频谱战概念演进、基于认知的电磁频谱战等,提出了支撑构建完整、闭环的电磁频谱战OODA环路,实现电磁空间装备智能化的关键技术体系,指出未来由电子战向电磁频谱战、电磁空间作战的演变趋势,并且人工智能技术将贯穿始终。在概念上,电磁频谱将作为继陆海空天网之后的第六维独立作战空间,并贯穿于其它空间的作战中;在内涵上,将由电子战向电子战+频谱管控,甚至整个电磁频谱所有作战行动扩展;在特征上,更加强调智能化、一体化、网络化等特征,特别是人工智能在电磁频谱战中的应用。未来将实现由电子战向电磁频谱战、向电磁空间作战的演变,并且人工智能技术将贯穿始终。

在2017年度,神州普惠在频谱战体系的框架下,突破了一系列频谱战关键技术的关键技术:频谱战预警模型、频谱战智能控制模型、频谱战情报产品原型,基于用户画像的频谱战评估技术。通过参与军事演习验证了关键技术,在演习现场,充分听取中部战区、北部战区、东部战区、西部战区多个基层部队旅团(营)指挥机关意见,基于大数据技术研制了频谱战指挥系统原型,包括:首长驾驶舱、情报驾驶舱、控制驾驶舱、通信驾驶舱、保障驾驶舱。在军民融合的背景下,引入互联网+思维,以数据驱动战争思维考虑军改后的信息与火力一体作战问题,本文将对神州普惠在频谱战领域研究成果做出介绍,希望引起业界对频谱战领域的深入思考,对新军事条件下的军事训练和作战提供借鉴。

1. 频谱战预警模型

采用四层漏斗模型进行频谱战预警:信号层、电子目标、平台层和网域层。信号层数据来源于电子侦察,可用时域、频域、空域、功率域、调制域、极化域六个维度进行表达。电子目标表示信号的来源及辐射源的类型:型号、行为、规则、对抗策略以及涉频行为效能。平台来自于海陆空天的侦察预警情报,主要依托雷达进行探测,平台类型包括:飞机、军舰/潜艇、卫星、武器、地面载体(人员、车辆、装甲目标)等,是辐射源的挂载平台,描述为类型型号、行为、规则、策略与作战效能,平台与电子目标存在着严格的挂载关系。 不同平台根据作战使命不同,分为火力网、情报网、指挥网、战勤网、通信网、测控网等。网络类型包括了纵向、横向、栅格等多种类型网络。
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将信号、电子目标、平台、网域按照在表征空间进行规约、变换,构造Hilbert空间,构造Riese基函数进行表达,可以发现频谱战域的多分辨属性。将Riese基函数正交化后,可得到最简的频谱战多分辨表征。通过现场实测数据分析:Hilbert空间正交Riese基下,在信号域为高维非平稳过程,可用ARIMA模型表示,电子目标为平稳随机过程,可用高维ARMA表示,平台与网域也都是平稳过程,可用ARMA模型表征。每层表征系数之间存在着金字塔结构分解与重构关系,分解重构关系的置信度为漏斗的转化率。多分辨预警就是对四个域内的异常事件进行检测,通过改进的多域滑动平均CFAR算法可进行稳健的融合预警,多分辨多域频谱战融合预警的ROC曲线如下图,在干信比5dB情况下,性能可做到虚警概率1.0e-6,检测概率0.8,虚警概率1.0e-5,检测概率0.9,虚警概率1.0e-8,检测概率0.5。

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2. 频谱战控制模型

在取得充足的预警时间情况下,如何处置预警信息?这就是频谱战的控制模型。频谱作战本质上是在空时频三维空间中进行控制,取得态势优势。将态势表达为时间-频率,空间-时间,频率-空间三个二维视图,频谱战的作战计划也就是EOB频谱战序列作为输入和约束,实时在三个视图上根据预警信息检测冲突,实施冲突消减。频谱战控制系统如下:
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频谱战控制模型以预警信息作为输入,在空时频空间检测冲突,实施冲突消减,冲突消减采用MIMO控制方法,分别在时-频、空-频、时-空三个维度上进行冲突消减控制后进行空时频三维综合控制,综合控制进行三维冲突消减,进行平行仿真查看效果,将结果展示于综合态势,人在回路确认不同控制方案的态势优劣,进行人工调整,同时实时的平行仿真结果反馈至冲突检测器进行检测。

时频二维控制器的控制模型如下:控制器的截止时间10ms,控制时频精度时间0.1秒,频率1MHz,空间控制精度角度≯1°,位置≯200米,控制单套设备数量≮50台/套,50台套信息与火力设备协同所需网络信道速率≮10kbps,体系用频兼容性超过99.8%,掩护/进攻空时频控守区域稳定性强(进攻作战时间误差容限:3分钟,防御作战:10秒;空间误差容限:10km,频率误差容限:10MHz)。

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通过对通道进攻作战的仿真,发现平行仿真的效率限制了整个系统的效率,通过事前仿真积累了大量数据,利用机器学习算法对数据进行处理,建立效能表格存储于实时数据库中,通过查表提高了效率。

3. 频谱战情报产品

频谱战情报分为:素材、电子目标、平台以及网域情报等四类静态情报,同时战场实时侦察提供实时态势情报。情报提供形式及服务如下表:

表1 频谱战情报产品列表

读者

产品名称

产品形态

操作员

电子目标

简报

/排长

平台目标,方向态势

简报,方向态势图

营长

平台目标,网域目标,全局态势

简报,全局态势图

/团长

战略/战术预警,综合态势,SWOT分析

预警信号,综合态势图,形势分析



关于情报产品的定义,参照了相关国军标以及现役信息化/网络化指挥系统标准,数据格式与现役系统兼容。频谱战情报的难点在于:如何控制情报的虚警率?目前采集情报的手段很多,开源情报、陆海空情推送以及天基战略战术侦察情报,每天固定推送的空间目标报等等。情报虚警的控制决定了情报是否可用,信息融合是降低虚警概率取得较好ROC特性情报的可靠技术手段。信息融合从贝叶斯时代进入智能化时代,本质是将数据优势转化为信息优势,将信息优势转化为决策优势,信息融合的基础是数据/信息的空时频一致,通用的扩展卡尔曼滤波本质是对非线性问题的线性化,面对数据速率较低以及多重采样情况下,精度误差较大。采用斯梯林插值滤波可以实现欠定条件下空时频数据/信息一致性。分别采用三类机器学习产品进行测试:1)MATLAB机器学习工具箱;2)阿里云机器学习API;3)麻省理工的Perclass产品,效率与稳健性MIT的perclass产品明显高出其余两个产品。关于情报产品概念、生产以及质量控制讨论仅限于旅团基层用户与神州普惠公司之间进行,通过私有云平台或现役指挥系统,可随时向读者推送频谱战情报产品,涉及各部队的具体业务,本文不再做出陈述。

4. 频谱战中的用户画像
 
用户画像的含义用户画像(persona)的概念最早由交互设计之父Alan Cooper提出:“Personas are a concrete representation of target users.” 是指真实用户的虚拟代表,是建立在一系列属性数据之上的目标用户模型。频谱战中的用户画像技术可用于情报产品生产(见上节)以及频谱战指挥训练评估。采用用户画像的基础是数据可获取,数据在容量、种类、速度、可变性、真实性、复杂性、价值多个V的维度上符合大数据的特征。在数据基础上,用户画像变成了数据建模的过程。以下是美军一个时间敏感瞄准用户标签,与频谱战用户画像有诸多类似之处。通过频谱战用户画像技术,可对指挥员以及指挥机构进行定量刻画,在全面指挥行为复盘基础上,对指挥能力、指挥习惯、指挥质量、指挥效益进行定量评估,对改进指挥质量提供定量支撑。

在训练标准中,有标准化专业化的情报、控制、通信、保障、管理的多类报文和指令数千条,涉及到每个兵种上百条,这些报文与指令的恢复复盘,确认前后报文与指令之间的因果关系、控制关系、交战关系与协同关系,以及相关事件的效能,是频谱战中用户画像的核心技术。识别特定类型的事件,并进行相关信息的确定和抽取,主要的相关信息包括:事件的类型和子类型、事件论元角色等。根据这个定义,可将事件抽取的任务分成两大核心子任务:(1)事件的检测和类型识别;(2)事件论元角色的抽取。除此以外,由于绝大部分的论元角色都是实体,因此实体的识别也是事件抽取的一项基本任务。 主要方法:基于知识工程的方法和.统计和机器学习,涉及信息检索、文本挖掘、自然语言处理、人工智能技术领域,尚需需要不断完善,神州普惠基于频谱战预研项目,在此领域做出了探索,取得了一定的效果。

5. 指挥员驾驶舱

在互联网+的今天,随着企业的信息化能力越来越强,商业智能(BI)对他们而言已不仅仅是数据展现的工具。“BI领导驾驶舱”的出现无疑顺应了BI的发展趋势,同时也为企业高层打造了一个虚拟的办公场景。BI领导驾驶舱是一个为企业高层提供的“一站式”决策支持的管理信息中心系统。它以驾驶舱的形式,通过各种常见的图表(速度表、柱形图、环形图、预警雷达等)形象标示企业运行的关键指标(KPI), 支持“钻取式查询”,可以实现对指标的逐层细化、深化分析,将采集的数据形象化、直观化、具体化,直观地监测企业运营情况,并可以对异常关键指标预警和挖掘分析。

指挥员驾驶舱是依托现役信息化指挥系统,对各个指挥战位所关心的数据以及事件通过商业BI工具进行展示的形式。在信息化/网络化指挥系统研制并装备现役已经几十年后的今天,信息化指挥大行其道,指挥员驾驶舱是否有必要?指挥员驾驶舱仿佛汽车上应用手机导航一样,可以不用,但是应用手机导航会更方便,驾驶更方便效率更高。车载导航的数据更新问题多无实时的交通数据,影响驾驶体验,多数驾驶员还是习惯使用手机导航。指挥如同驾驶,采用商业化BI依托一体化指挥平台,对每个席位构设指挥员驾驶舱,提升了指挥员的用户体验。指挥员驾驶舱与态势显示系统区别如下:

1)直观性
进入驾驶舱页面就像进入汽车驾驶舱一样,展现在面前的将是各种各样的图形界面,例如压力表盘等,与汽车驾驶舱不同的是这些图形所反映出来的是战场中各种关键指标的具体数据,例如:威胁目标排序、交战进程、计划进度、兵力数据、网络状态等,这样指挥员就能够更直观、全面地了解到了战场中所有指标的具体情况,从而方便快速地做出下一步决策。

2)可配置性
指挥员驾驶舱可以灵活配置,根据用户习惯,选择合适的图形来显示想要了解的具体指标,一个图形可以反映多种指标,一种指标可以由多个图形显示的交叉实现模式,配置更加灵活。

3)方便性

指挥员驾驶舱配置完成后,用户可以把这些配置进行保存,要想查看这种配置下的各种指标显示情况,只需进行一步操作就可以实现,真正实现了让用户的操作更加方便的设计思想。

4)全面性
指挥员驾驶舱充分考虑到了人们对图形的最佳接受数目,在第一层最多可配置六个图形,并且在每一个图形的基础上都可以形成相同指标,不同条件,不同图形的的第二层显示,确保了用户能够更全面地对公司中的各个指标进行掌握。

5)多维性
指挥员驾驶舱真正实现了多用户、不同权限的不同操作,每个有权限的用户都能够配置适合自己的图形,从而能够让各个管理层都能够查看到自己所关心的经济指标,从技术和实现上达到了多用户、多权限、多图形、多指标的多维操作的目的。

对神州普惠而言,海量的数据如何钻取、如何分析、如何决策,这与后台的数据模型紧密相连,数据建模的过程会充分参考指挥员的心理感受,调整模型,而无需编程。而就指挥员而言,数据如何呈现、如何分享,如何能够直观的看到最想要的数据,如何更人性化的体验BI决策的过程,这里面BI的终端展现形式则显得尤为重要,而这正是BI领导驾驶舱的功能核心。

更多关于频谱战的内容,请联系在线咨询顾问,或者拨打咨询电话:010-58858980-6515

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