基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的廠房建筑毀傷效果評估

基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的廠房建筑毀傷效果評估

1及時、準確地進行打擊效果評估,提高戰(zhàn)術(shù)資源的利用效率在戰(zhàn)爭中，正確理解和評估戰(zhàn)爭影響，及時評估效果，及時組織后續(xù)行動，是士兵應(yīng)關(guān)注的重要問題。在第一次進攻和進攻后，必須利用各種搜查手段和渠道，及時、準確地確定進攻的實際效果以及敵人部隊的變化和修復(fù)，不斷更改后的目標、作戰(zhàn)方法和重點，組織部隊迅速做好再進攻準備。及時、正確評估執(zhí)行效果，不僅可以為指揮和指揮人員適應(yīng)火力行動的決心，以及正確的決策和指揮，而且可以充分利用火力，提高戰(zhàn)爭資源的利用效率，避免由于錯誤操作和戰(zhàn)爭資源浪費。2增加了區(qū)域的破壞能力由于樓房建筑結(jié)構(gòu)的不同,所采用建筑材料的不同,以及常規(guī)導(dǎo)彈擊中建筑物部位的不同,所造成的建筑物損壞程度會有所不同.此外,所使用作戰(zhàn)武器不同,從衛(wèi)星圖像上所反映出的建筑物受損情況也不同,如侵徹彈頭只會在建筑物上留下一個不大的洞,至于彈頭在建筑物內(nèi)部爆炸所造成的毀傷程度,在圖像上反映不出來;再如石墨炸彈在建筑物外表爆炸,圖像上會反映出一個很大的黑斑(其實建筑物內(nèi)部沒造成毀傷).這些都會影響毀傷效果評估的準確性.某常規(guī)導(dǎo)彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波、熱作用會對建筑物產(chǎn)生一定的破壞作用,但由于威力有限,很難對建筑物的承重結(jié)構(gòu)造成影響.如果多枚導(dǎo)彈擊中同一建筑的承重結(jié)構(gòu),建筑物容易造成倒塌;如果未擊中承重結(jié)構(gòu),建筑物的主體不受影響,經(jīng)過修復(fù)可以重新使用.地面建筑物作為很多重要軍事部門的所在地,是軍事打擊的重要目標,對于建筑物的打擊一般采用半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹爆破的形式.利用數(shù)值模擬方法對典型的建筑物內(nèi)部爆炸問題進行研究,可以模擬出受到不同的彈頭攻擊下建筑結(jié)構(gòu)對爆炸作用的響應(yīng)及破壞過程和范圍的先驗概率.需要指出的是,樓房結(jié)構(gòu)的破壞模式并不能從根本上反映樓房建筑物所承擔的功能毀傷,它們也不存在一一對應(yīng)的關(guān)系.建筑物所承擔的功能不同,則對其打擊方式也不一樣,但是在圖像中表現(xiàn)的形式卻是一樣.例如,圖1所示樓房建筑物(通信樓)結(jié)構(gòu)局部坍塌,如果并沒有把樓房的通信設(shè)施徹底毀傷和電力設(shè)施徹底破壞,其作為通信樓的功能在戰(zhàn)時則幾乎不受影響.同樣不同的戰(zhàn)斗部類型對同一目標實施打擊,即使在表面上表現(xiàn)相同,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷與功能毀傷也會不一樣.3貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型:不確定性證據(jù)融合和動態(tài)評估樓房建筑物的自動毀傷評估可以分兩步進行,第一步是根據(jù)獲得的毀傷圖像對建筑物進行物理毀傷評估,獲得物理毀傷信息.第二步是在建筑物物理毀傷評估的基礎(chǔ)上進行功能毀傷估計.物理毀傷評估結(jié)果是功能毀傷評估的基礎(chǔ),所以在物理毀傷評估過程應(yīng)該確保其過程與結(jié)果的可信性.然而由于戰(zhàn)場環(huán)境極端復(fù)雜,情報獲取過程高度對抗,情報來源多樣,導(dǎo)致建筑物目標的打擊效果證據(jù)(初始情報、中間結(jié)論、實時情報)具有一定的不確定性和延時性.為了克服這些不良影響,運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對建筑物目標打擊效果進行評估,從不確定性的初始證據(jù)出發(fā),以概率的方式表達并動態(tài)地融合各種不確定性證據(jù),在充分利用總體信息、樣本信息、先驗信息的基礎(chǔ)上最終推出具有一定不確定性但卻合理或近乎合理的評估結(jié)論.由于重視先驗信息的搜集、挖掘和加工,使其數(shù)量化,形成先驗分布,因此能夠有效地提高評估質(zhì)量.3.1研究方法與模型構(gòu)建構(gòu)建一個指定領(lǐng)域的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)包括以下三項內(nèi)容:(1)確定與建立模型有關(guān)的領(lǐng)域變量以及它們的可能值和解釋.主要包括三方面內(nèi)容:確定模型的目標,即確定相關(guān)問題的解釋;確定與問題有關(guān)的很多可能的觀測值,并確定其中建立模型的子集;將這些觀測值組成互不相容的而且可以窮盡所有狀態(tài)的變量.(2)標識變量間的依賴關(guān)系,并以圖形化的方式表示出來,也即建立一個條件獨立的有向無環(huán)圖.對于由n個節(jié)點構(gòu)成的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)來說,n個節(jié)點所構(gòu)成的所有的有向無環(huán)圖都可能作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu).根據(jù)Robinson的研究,所有可能的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)目至少是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的指數(shù)表達式,從如此大的結(jié)構(gòu)假設(shè)空間中搜索出一個好的結(jié)構(gòu)顯然是一個NP-Hard問題,無法直接計算,需要使用其它方法如遺傳算法等解決.不過,功能毀傷評估過程中,由人類專家決定因果關(guān)系,而且因果關(guān)系一般都對應(yīng)于條件獨立的斷言.因此,可以從原因變量到結(jié)果變量以有向弧直觀表示變量之間的因果關(guān)系.(3)學(xué)習變量間的分布參數(shù),獲得局部概率分布表.在離散的情形,需要為每一個變量的各個父節(jié)點的狀態(tài)指派一個分布.這三項工作一般是按順序執(zhí)行的,然而在構(gòu)造過程中,一般需要在下面兩個方面進行折中:一方面為了達到足夠的精度,需要構(gòu)建一個足夠大的、豐富的網(wǎng)絡(luò)模型;另一方面,要考慮構(gòu)建、維護模型的費用和考慮概率推理的復(fù)雜性.一般來講,模型結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,其概率推理的復(fù)雜性也越高,這往往是影響貝葉斯網(wǎng)絡(luò)效率的一個重要方面.實際上,建立一個貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個反復(fù)交互的過程,需要不斷對上述三項工作進行迭代.由上可知,當確定網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點后,剩下的主要任務(wù)就是通過學(xué)習或者其它方法確定它的結(jié)構(gòu)和參數(shù).貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)學(xué)習是利用訓(xùn)練樣本集并盡可能結(jié)合先驗知識確定出最合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu):首先定義一個關(guān)于結(jié)構(gòu)的測度,再分別計算出各個可能結(jié)構(gòu)的測度值,從中選取測度值最優(yōu)的結(jié)構(gòu)作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).關(guān)于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)學(xué)習人們已經(jīng)做了大量的研究工作.常見的參數(shù)學(xué)習算法有貝葉斯算法、最大似然估計算法、EM算法等.相對于訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集完整和不完整的情況,參數(shù)學(xué)習算法也不相同.在目前的毀傷評估研究中,由于實際數(shù)據(jù)缺乏,暫時無法通過數(shù)據(jù)來對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和條件概率進行學(xué)習和訓(xùn)練,因此需要知識工程師和領(lǐng)域內(nèi)的專家協(xié)力合作對網(wǎng)絡(luò)進行建模及給定節(jié)點的CPT.3.2建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型在分析建筑物功能毀傷評估的結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)上,建立毀傷評估貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的步驟如下:確定網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(變量);確定節(jié)點間的因果關(guān)系;簡化模型.建立樓房建筑貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示.3.3其它節(jié)點狀態(tài)首先要確定節(jié)點的狀態(tài):功能毀傷等級:這里,對目標的毀傷提出了四個等級,即摧毀、嚴重毀傷、中度毀傷和輕度毀傷.目標被摧毀,表明目標結(jié)構(gòu)遭到徹底破壞,功能完全喪失;目標嚴重毀傷,是指目標的功能喪失了60%～80%;目標中度毀傷,是指目標的功能喪失30%～60%;目標輕度毀傷,是指目標的功能喪失30%以下.依據(jù)功能毀傷等級的劃分標準,確定其它節(jié)點狀態(tài)如下:戰(zhàn)斗部類型:整體式殺傷爆破彈、侵徹爆破引燃多功能戰(zhàn)斗部;物理毀傷等級:摧毀、嚴重毀傷、中度毀傷和輕度毀傷;起火:大火、小火和無火;內(nèi)部結(jié)構(gòu)毀傷等級:嚴重毀傷、中度毀傷、輕度毀傷和完好;設(shè)備毀傷等級:嚴重毀傷、中度毀傷、輕度毀傷和完好;人員損傷狀況:重傷、輕傷、完好.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立之后,要利用網(wǎng)絡(luò)進行推理、毀傷評估就必須確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù):分配根節(jié)點的先驗概率和每個非根節(jié)點的條件概率分布表(CPT).由于實際數(shù)據(jù)缺乏,這兩項均暫時需要專家根據(jù)主觀經(jīng)驗事先給出.雖然對一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說,很多毀傷評估的情況具有較大的不確定性,并且有些數(shù)據(jù)即使是專家也不好隨意給定,憑經(jīng)驗給出有可能會造成比較大的偏差.但就目前的情況,為了降低概率推導(dǎo)的難度和模型的建立,需要假定這是一個完備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),所有的先驗概率和CPT都能夠由專家給出.例如:內(nèi)部結(jié)構(gòu)毀傷節(jié)點由專家建議建立戰(zhàn)斗部節(jié)點CPT見表1.其它節(jié)點的先驗概率也可以照此法建立.4軟件的推理與評估為了說明模型的應(yīng)用方法,這里運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理軟件MSBNx對模型進行推理.需要說明的是,導(dǎo)彈打擊效果評估系統(tǒng)中應(yīng)該集成網(wǎng)絡(luò)推理功能才能實現(xiàn)打擊效果自動評估.具體評估過程如下:(1)毀傷前后屋頂對照由于不能得到真實的建筑物毀傷圖,所以通過對圖3(a)做適當變化的毀傷仿真圖3(b)和圖3(c)是提取毀傷建筑物前后屋頂對照圖.圖像來源于文獻.(2)毀傷參數(shù)對照基于實際應(yīng)用需要,這里給出的是樓房建筑打擊前后部分參數(shù)的對比,建筑依據(jù)不同的特征提取的參數(shù)有所區(qū)別,為毀傷研究的需要,在陳光研究的基礎(chǔ)上,選取圖像的清晰度、圖像清晰度圖、圖像細節(jié)能量、圖像邊緣能量等紋理特征和屋頂面積為毀傷參數(shù).表2列出的毀傷參數(shù)對照為圖3(c)圖中屋頂特征毀傷前后的對比.(3)屋頂毀傷評估物理毀傷等級確定方法是由計算的屋頂毀傷比例確定.計算屋頂毀傷比例:P=(2392?640)/2392=0.73.Ρ=(2392-640)/2392=0.73.屋頂毀傷比例為0.73,根據(jù)評估準則可以確定樓房建筑的物理毀傷等級為B級——重度毀傷.也可以根據(jù)其它的紋理特征確定物理毀傷結(jié)果,這里不重點討論.(4)節(jié)點cpt和評估結(jié)果a.建立毀傷評估模型:MSBNx是微軟公司開發(fā)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理工具,它能夠支持貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的建立、推理及評估整個過程.根據(jù)3.2節(jié)建立的模型見圖4.建立好貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型后要確立貝葉斯節(jié)點參數(shù),貝葉斯節(jié)點參數(shù)的確定按照3.2節(jié)進行確定,由于此軟件不支持中文顯示,所以要把樓房建筑的節(jié)點簡單地翻譯成英語,表3是節(jié)點中英文對照表.b.確定節(jié)點狀態(tài):各個節(jié)點的表示方法均使用ABCD級的表示方法,具體表示根據(jù)參考3.3節(jié)建立.圖5是結(jié)構(gòu)損傷節(jié)點的狀態(tài)表示法,其它節(jié)點表示方法相同.c.確定節(jié)點CPT:建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型最重要的是確立各個節(jié)點的CPT,如前所述,為了說明模型的實用性,這里采用專家評判法給出各個節(jié)點的先驗概率,在實際應(yīng)用中,這些參數(shù)也是通過實驗取得或者專家給出.由于有7個節(jié)點,限于篇幅,這里只給出結(jié)構(gòu)毀傷節(jié)點的CPT,其它節(jié)點略去.d.評估結(jié)果:貝葉斯網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確立好之后,就可以運用軟件計算出各個在節(jié)點的毀傷等級狀態(tài),如圖7所示.圖7顯示了各個節(jié)點的不同毀傷級別的狀態(tài)值(概率),圖中顯示戰(zhàn)斗部位侵徹爆破引燃多功能戰(zhàn)斗部,外部物理毀傷評估結(jié)果毀傷等級為B級時,推理出的功能毀傷等級概率值保留小數(shù)點兩位為A級:0.3267(0.33);B級:0.2499(0.25);C級:0.2141(0.21);D級:0.2080(0.21).e.結(jié)果分析:貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評估的結(jié)果是以各個狀態(tài)發(fā)生的概率的形式呈現(xiàn),而且在大多數(shù)情況下,相鄰等級的兩個狀態(tài)發(fā)生的概率相差不大,為了操作方便,有必要對結(jié)果進行適當?shù)姆治鎏幚?在此嘗試使用最大概率法對結(jié)果進行分析.由于結(jié)果表現(xiàn)為概率形式,一般可以用毀傷等級發(fā)生概率最大的等級作為最后的功能毀傷等級.即:XL=max(P(A),?,P(L),?,P(D)),L=A?B?C?D.XL=max(Ρ(A),?,Ρ(L),?,Ρ(D)),L=A?B?C?D.則L為評估毀傷等級.以上結(jié)果顯示:XL=max(P(A),?,P(L),?,P(