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    關于智能科學技術與反導系統的分析

    來源:UC論文網2017-01-06 10:10

    摘要:

    關于 智能科學技術與反導系統的分析 智能是信息的精彩結晶智能科學技術(IntelligenceScienceandTechnology)是關于廣義智能理論方法和應用技術的綜合性科學技術。智能化是信息化發展的新動

           關于智能科學技術與反導系統的分析
      
      “智能”是“信息”的精彩結晶“智能科學技術”(IntelligenceScienceandTechnology)是關于“廣義智能”理論方法和應用技術的綜合性科學技術。“智能化”是“信息化”發展的新動向、新階段。
      
      反導系統是針對彈道導彈類目標特別是戰術彈道導彈(TacticalBallisticMissile,TBM)的一體化防御系統。未來的反導系統面臨的是多種來襲導彈并伴隨電磁干擾組成的復雜多變的一體化空襲體系。反導作戰是系統和系統對抗。傳統單獨一個防空導彈系統無法摧毀來襲敵方的導彈目標。須采用具有智能科學技術的反導系統與來襲導彈體系進行對抗,以達到反導作戰目的。
      
      1智能科學技術與反導系統
      
      1.1智能科學技術
      
      智能科學技術研究對象和領域包括:“自然智能”(NaturalIntelligence,Nj);“人的智能”(HumanIntelli¬gence,HI)及其他“生物智能”(BiologicalIntelligence,BI)。可拓展為“人工智能”(ArtificialIntelligence)、“集成智能”(IntegratedIntelligence)、“協同智能”(Co¬operativeIntelligence)和“分布智能”(DistributedIntelli-gence)等。與自動化科學密切相關的前沿研究領域有以下幾類。
      
      1) 計算智能(ComputingIntelligence)。計算智能是一種模擬生物進化和生物群體的智能化計算方法。它的基本思想是以連接主義和進化主義思想為基礎,模擬生物的細胞免疫、神經細胞網絡和生命演化等生物現象,進行信息獲取、數據處理和仿生計算的智能算法。
     
     
             2) 分布式人工智能(DistributedArtificialIntelli-gence,DAI)與多智能體(Agent)。分布式人工智能是分布式計算與人工智能結合的結果。DAI主要研究的問題是各智能體間的合作與對話,包括分布式問題求解和多智能體系統(Multi-AgentSystem,MAS)。MAS研究各Agent間智能行為的協調,更能體現人類和社會智能,適合開放和動態的復雜系統。
      
      3) 知識獲取學習與人工生命。知識獲取是從數據庫中獲取知識的過程,知識學習是指利用機器實現知識的自動獲取。人工生命是指利用計算機和精密機械等人工媒介生成或構成能夠表現自然生命系統行為特征的仿真系統或模型系統。人工生命研究內容涉及生命現象的仿生系統、人工建模與仿真、進化與學習系統、人工生命計算及應用等領域。
      
      4) 智能控制(IntelligenceControUC)。智能控制是控制理論、人工智能、信息論和運籌學相結合的產物4。目的是提高控制系統自尋優、自適應、自學習、自組織等方面的智能水平,以解放人類的腦力勞動。從不同角度模擬人的智能,產生了不同的智能控制理論的分支,其中有遞階控制、專家控制、模糊控制、神經控制、進化控制、智能集成控制等5。
      
      模糊控制(FuzzyControl)是基于模糊邏輯和專家經驗實施的控制,不需要建立對象的精確數學模型,是解決復雜系統控制的一種有效途徑。模糊語言接近人的語言,其控制機理符合人的思維邏輯,具有智能性。
      
      神經控制(NeuralNetworkControl)是神經網絡理論和控制理論相結合的產物。神經網絡是一種模擬人腦信息處理機制的網絡系統。神經網絡具有信息分布式存儲、超大規模并行運算能力。神經控制甚至不需要系統的數學模型,解決“黑箱”系統的控制問題。
      
      專家系統(ExpertsSystem)是指基于人類專家知識和經驗,進行推理、判斷并作出決策,解決需要人類專家才能完成的系統控制。對于復雜系統的控制,采用專家系統可以避開建模的困難,充分利用人的知識與經驗建立控制策略,提高系統的控制性能。
      
      進化控制是遺傳算法與控制理論相結合的產物。遺傳算法是模擬遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的一種算法,體現了優勝劣汰、自然選擇的優化思想。這種算法易學通用,魯棒性強,適于并行處理,與模糊邏輯及神經網絡結合可產生新的智能控制方法。
      
      支持向量機(SupportVectorMachine)方法以統計學理論為基礎,具有簡潔的數學形式、直觀的幾何解釋和良好的泛化能力,避免了局部最優解,能夠較好地解決小樣本學習問題,已成功地應用于許多分類和回歸問題。
      
      智能集成控制是指一種或多種智能控制技術與傳統控制技術綜合集成,有機地結合起來,發揮各自的優勢,共同完成系統的綜合控制。將專家系統、神經網絡、模糊控制等多種方法和傳統控制方法相結合,取長補短,將是解決復雜系統控制問題的有效途徑。
      
      1.2反導系統
      
      反導系統是以攔截彈道導彈,特別是TBM為基本任務的一體化作戰體系。其基本功能是有效地抗擊TBM的空襲,保護國家和戰區重要目標的安全。反導系統是一個復雜系統,由各個分系統組成。其分系統有預警探測系統、指揮控制系統、攔截打擊系統和作戰保障系統等。
     
            1) 探測預警系統主要由天基、空基、面基等探測預警系統組成。其基本功能是及時發現、跟蹤、監視來襲的TBM,準確測定其位置坐標和運動參數,并通過數據鏈路向指揮控制系統和攔截打擊系統傳遞。
      
      2) 指揮控制系統由指揮控制中心、通信系統和信息處理系統組成。指揮控制系統是反導系統的中樞和核心,主要起著計劃、協調、指揮和控制反導作戰的作用。
      
      3) 攔截打擊系統由各種攔截打擊武器系統組成,主要有反導導彈武器系統、激光武器、高功率微波武器、粒子束武器和動能武器系統等。這些武器系統有的布置在天基平臺上,有的布置在空基或地基平臺上,共同構成對TBM的多層防御。
      
      4) 作戰保障系統由作戰勤務保障、裝備勤務保障和后方勤務保障等子系統組成。這些保障是反導作戰的主要物質基礎和依托。由于反導裝備復雜、作戰行動特殊、節奏快,因此其行動中的各項保障顯得格外重要。只有在完善的反導系統的支撐下,反導作戰才能得到順利進行。反導作戰的特點表現為網絡化、一體化的協同作戰方式。
      
      2智能科學技術在反導系統中的應用
      
      2.1反導系統對智能科學技術的需求
      
      反導系統主要抗擊的對象是彈道導彈。彈道導彈多用于攻擊戰略戰役縱深內的重要目標,可攜帶核彈頭或常規彈頭,殺傷力大、射程遠,從太空飛向目標的再入點高、生存力強,傳統的單一地面防空反導系統難以對其實施有效攔截。
      
      未來的攻防對抗不再是平臺與平臺之間的對抗,而是系統與系統之間的對抗。為了適應整體對抗,必須打破傳統防空反導作戰的樣式,減少由于單個防空反導系統的位置、環境或本身探測器和武器性能帶來的局限性,運用智能科學技術,綜合集成各種防空反導作戰資源,實現防空反導體系內多作戰要素之間的信息共享和綜合運用,以形成一個體系配套且多武器協同的智能化反導體系。
      
      2.2計算智能在反導系統中的應用
      
      從反導系統的組成和功能關系上可以看出,從對彈道導彈偵察、預警、發現、識別、跟蹤到發射攔截彈和殺傷效果評估,均由作戰管理/指揮控制通信系統(BM/C3I)來統一協同指揮。在BM/C3I系統中,涉及到大量的信息處理、決策判斷、指揮協調等工作。可以說BM/C3I系統是反導武器系統的核心部分,相當于人的大腦智能系統。在反導作戰時,BM/C3I系統需要及時計算、處理各分系統和上級指揮中心送來的各種數據,并形成決策分發給各分系統。這一過程的數據計算工作量非常大,并且要求有較強的實時性,因此,在BM/C3I中可以使用模糊計算、神經計算、進化計算和群體智能等智能計算方法,來解決BM/C3I系統中信息實時處理和計算問題。
      
      2.3分布式人工智能技術在反導系統中的應用
      
      從防空到反導經歷了3代體系結構5,即單一火力單元防空、多層重疊覆蓋和分層集中控制體系。分布式指體系內各武器和設備可分布在一個大范圍內的空間各點上,各個點可以設有傳統火力單元,武器和設備之間在作戰時沒有固定必然的隸屬關系,可根據目標、戰場環境、使用戰術和部署情況,隨時結合為具有從屬關系的臨時作戰分布式結構。這種分布式結構空間各點上可以看成是個智能體(Agent),這個Agent可以是各種類型的預警、目標指示或制導雷達,多輛各種型號的導彈發射車和多個作戰管理指揮中心。在分布式人工智能和多智能體技術的管理體制下實現在作戰中對某個目標的攔截,可由某個確定的作戰管理指揮中心根據預警信息分系統提供的信息,指定在反導MAS體系內的幾部雷達(智能體)和幾輛導彈發射車構成攔截系統對目標進行攔截,保證能利用探測發現目標,利用平臺打擊目標,實現利用最佳的武器攻擊最適當的目標。
      
      2.4知識學習與人工生命在反導系統中的應用
      
      在反導作戰過程中或結束后,采用知識學習方式,可以在線或離線地對反導作戰能力和效果進行評價。通過學習、建立和豐富知識庫,以便在實時或下一次作戰中使用。人工生命所涉及生物可靠性機理中,包括了自律分散控制、冗余機制、自復制和自修復、自適應、自組織控制等6,利用這些仿生智能原理和方法,可以提高反導系統的可靠性。使得在反導作戰中,當武器系統遭到損傷和破壞時,進行自我復制和修復戰備可能。已有文獻利用人雙目視覺智能成像的優良特性,將視覺仿生應用于多波段成像導引頭設計中7。此外人工免疫系統[8]的研究,也為反導體系的建模和控制提供了新的方法。
      
      2.5智能控制在反導系統中的應用
      
      智能控制理論、方法和技術可以應用在反導系統和它的多個分系統中。整個反導體系中可采用智能控制的體系結構,如分層分段智能遞階控制結構。在分系統中特別是導彈的制導與控制中,智能控制技術應用更為必要和廣泛。反導導彈發射后,一般均采用復合制導體制,在末段多數采用尋的制導方式,是否擁有智能導引頭甚至可以決定本次目標攔截的成功與否。在攔截彈導引頭上采用智能化信息處理和控制技術,可以做到目標自動跟蹤,精確地將導彈導引到目標附近,直至實現直接碰撞,進而摧毀目標。已見許多文獻描述了人工神經網絡技術、模糊控制技術、遺傳算法、分布式控制12等智能控制技術在導彈制導與控制系統中的應用,為解決導彈智能化控制問題尋求技術途徑。
      
      2.6外軍反導系統智能科學技術應用
      
      美國十分重視反導系統的研究和建設。先后拋出了戰區導彈防御計劃(TMD)、國家導彈防御計劃(NMD)和彈道導彈防御計劃(BMD),同時不遺余力地發展彈道導彈防御系統。20世紀80年代美國提出了智能卵石反導系統,這是一種集目標探測、跟蹤、尋的攔截為一體的智能化動能武器系統。智能卵石是一枚部署在環繞地球軌道上的天基攔截彈,當數量增加到數以百枚時,就能構成覆蓋主要方向甚至全球的太空雷場。智能卵石武器系統由光學探測器、高性能的微型計算機、動力裝置、通信和導航系統等組成。當敵方發射彈道導彈后,智能卵石根據預警信息和地面指揮中心的指令,并可與其他智能卵石相互聯系,分布式協同作戰,搜索、識別目標并可重復啟動智能卵石上的兩組小火箭,準確地把它推向目標,最后以6.5km/s的速度與目標相撞,摧毀目標。智能卵石充分利用了分布式人工智能技術,是一種發射后不管的全程尋的智能武器。
      
      美國導彈防御局(MDA)于2007年啟動了一個“多目標殺傷飛行器”(MKV)計劃,目的是研制一種能同時擊毀包括彈道導彈作戰部和誘餌在內的多個目標的單一攔截器。MKV是一個一彈多頭、自主導引、直接攻擊的智能攔截導彈系統。攔截彈母彈頭根據目標來襲情況,分解釋放出相應的子彈頭,各子彈頭相當于一個空間智能體,它們之間的關系是平行的,可以相互指揮、協調控制,體現了多智能體的控制策略。
      
      美國陸軍防空反導系統采用協同作戰的理念,將多種防空反導系統實現分層布防和混編體制。“末段高層區域防御系統”(THAAD)和“愛國者”防空反導系統,在指揮控制中心的控制下一個THAAD導彈連和一個愛國者導彈營協同作戰,形成分層末段彈道導彈防御體系。愛國者和復仇者/SLAMRAAM混編導彈營具有中近程防空反導能力。智能化協同作戰,實現全方位作戰信息實時共享和戰場中各種作戰資源的綜合集成調用,體現了智能協同控制技術的應用。
      
      縱觀各國現有的反導裝備,除美國的“擴展中程防空體系”(MEADS)、“末段高層區域防御系統”(THAAD)和“愛國者”(PAC-3)組成的混合防空體系外,還有俄羅斯的“凱旋”C-40(、“安泰-2500”地空導彈武器系統,以色列的“箭-2”導彈防御體系等。各國在發展彈道導彈防御系統時,除了關心技術的延續性和通用性外,對反導系統的智能化技術也越來越重視。可以預測,智能科學技術在反導系統中的應用將會越來越廣泛。
      
      3結束語
      
      通過對智能科學技術的概念和研究領域的討論,明確了反導系統對智能科學技術的需求,指出了智能科學技術在反導系統中應用的可行性和必要性。在對美、俄等發達國家反導系統分析的基礎上,探討了智能科學技術在反導系統中的應用方式、方法和范圍。智能科學技術在反導裝備中的引入必將使武器系統的綜合性能提高到一個新的水平上,使得未來的反導裝備繼續向一體化、網絡化、智能化方向發展。
      
      作者:李剛,徐林偉,安興,師穎(空軍工程大學導彈學院,陜西三原713800)

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